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Entdeckung der Fotosynthese

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Team Digital
Entdeckung der Fotosynthese
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Grundlagen zum Thema Entdeckung der Fotosynthese

Inhalt

Die Entdeckung der Fotosynthese – Biologie

Es ist allgemein bekannt, dass Pflanzen unverzichtbar sind, da sie die Atmosphäre mit Sauerstoff versorgen. Dies geschieht während der Fotosynthese. Der Prozess ist bereits gut erforscht und wird auch im Schulunterricht behandelt. Doch wann und wodurch wurde die Fotosynthese eigentlich entdeckt? Wer war Joseph Priestley, wo lebte er und was hat er herausgefunden? Welche bedeutenden Versuche hat er durchgeführt? Im Folgenden geht es um die Geschichte der Entdeckung der Fotosynthese. Viel Spaß!

Fotosynthese – Definition

Die Fotosynthese ist ein biochemischer Prozess. Sie läuft in Pflanzen (aber auch in Algen und einigen Bakterien) ab. Dabei nimmt die Pflanze neben Licht Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) und Wasser ($\ce{H2O}$) auf. Aus diesen Edukten entstehen dann die Produkte Glucose ($\ce{C6H12O6}$) und Sauerstoff ($\ce{O2}$). Dieser Ablauf der Fotosynthese lässt sich mit folgender Formel darstellen:

$\ce{ 6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2}$

Fotosynthese – frühere Annahmen

Bis vor einigen Hundert Jahren galt die Annahme, dass Pflanzen aus der Erde Substanzen aufnehmen und diese für den Aufbau von Biomasse, beispielsweise von Blättern und Ästen, nutzen.

Um das Jahr 1600 führte der Wissenschaftler Johan Baptista van Helmont ein bedeutendes Experiment zum Wachstum von Bäumen durch. Er wollte überprüfen, ob Pflanzen tatsächlich alle benötigten Substanzen aus der Erde aufnehmen.

Dazu pflanzte er einen jungen Weidenbaum in ein mit Erde gefülltes Pflanzgefäß. Zuvor hatte er die Masse des Baums ($\pu{2,5 kg}$) und die Masse des Pflanzgefäßes mitsamt der Erde ($\pu{91 kg}$) bestimmt. Über mehrere Jahre hinweg wurde der Baum ausreichend gegossen und wuchs immer weiter. Dabei blieb er die ganze Zeit in demselben Gefäß. Nach einiger Zeit wurde die Masse des Baums und die des gefüllten Pflanzgefäßes erneut bestimmt. Der Baum wog nun $\pu{77,5 kg}$ und das Gefäß mit der Erde wog $\pu{90,944 kg}$. Der Weidenbaum ist demnach um ein Gewicht von $\pu{75 kg}$ schwerer geworden, obwohl die Masse der Erde nur um wenige Gramm abgenommen hat.

Van Helmont schlussfolgerte daraus, dass der Massenzuwachs des Baums nicht aus der Erde stammen kann. Er begründete die Zunahme des Baums mit der Aufnahme von Wasser, da dem Baum außer Wasser seiner Meinung nach nichts zugeführt wurde. Zum Teil hatte er damit auch recht, da Pflanzen tatsächlich Wasser aufnehmen und in der Fotosynthese spalten. Van Helmont wusste jedoch nicht, dass auch Substanzen aus der Luft aufgenommen und in pflanzliche Biomasse umgewandelt werden.

Die Entdeckung der Fotosynthese durch Joseph Priestley

Heutzutage gibt es eine Erklärung für den Massenzuwachs von Pflanzen. Man weiß, dass Pflanzen Wasser und darin gelöste Nährstoffe aus der Erde und Sauerstoff aus der Luft aufnehmen und außerdem die Lichtenergie der Sonne nutzen. Einen Grundstein für diese Erkenntnis legte der Wissenschaftler Joseph Priestley.

Joseph Priestley – Leben

Priestley war ein britischer Naturwissenschaftler, Theologe und Philosoph, der im 18. Jahrhundert lebte. Er forschte über Themen aus den Bereichen Biologie, Chemie und Physik. Im Folgenden ist ein kurzer Steckbrief abgebildet, um den Lebenslauf von Joseph Priestley etwas besser kennenzulernen.

Name Joseph Priestley
Geburtsdatum 13.03.1733 in Fieldhead bei Leeds (Großbritannien)
Sterbedatum 06.02.1804 in Northumberland in Pennsylvania (USA)
Entdeckungen und Erfindungen
  • Element Sauerstoff und seine Wirkung
  • Element Lachgas
  • Darstellungsmöglichkeiten für einige weitere Gase, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Chlorwasserstoff und Ammoniak
  • Radiergummi
  • Sehr bedeutsam waren Priestleys Versuche zur Reinigung „verdorbener“ Luft mithilfe von Pflanzen. Im Zuge dessen beobachtete und beschrieb er erstmals die Wirkweise der Fotosynthese. Im Jahr 1771 fand er heraus, dass Gase für die Ernährung einer Pflanze wichtig sind. Dies war ein großer Fortschritt. Wie er das herausfand, schauen wir uns nun an.

    Joseph Priestley – Versuch

    Priestley führte Versuche mit drei Glasglocken durch. Die Glasglocken waren luftdicht abgeschlossen. Es konnte also kein Gasaustausch mit der Außenwelt stattfinden.

    1. Unter die erste Glasglocke setzte er eine Maus. Diese starb nach einiger Zeit und Priestley schlussfolgerte, die Maus habe die Luft verschlechtert und sei deshalb erstickt. Der Versuch wurde mit einer Kerze wiederholt. Auch die Kerze erlosch nach einiger Zeit. Priestley ging davon aus, dass die Maus und die Kerze den gleichen Bestandteil aus der Luft benötigen. Sowohl Maus als auch Kerze verderben die Luft.

    2. Unter die zweite Glasglocke stellte Priestley eine Topfpflanze. Nach einiger Zeit ging sie jedoch auch ein.

    3. Unter die dritte Glasglocke wurden eine Topfpflanze und eine Maus gesetzt. Sowohl die Maus als auch die Pflanze überlebten. Auch als die Kerze gemeinsam mit der Pflanze unter eine Glasglocke gestellt wurde, erlosch sie diesmal nicht. Die Pflanze schien also in der Lage zu sein, die Luft zu verbessern, indem sie den Bestandteil, den die Kerze und die Maus verbrauchten, wieder zurückbrachte.

    Die Abbildung zeigt den Versuchsaufbau von Joseph Priestley.

    Priestley Fotosynthese Experiment

    Joseph Priestley – heutige Erklärung seiner Versuche

    Priestley selbst konnte noch nicht genau benennen, was er beobachtet hatte. Er erkannte nur, dass Pflanzen ein Gas abgeben, das die Maus und die Kerze benötigen. Pflanzen sind somit in der Lage, die durch die Maus oder Kerze verdorbene Luft zu reinigen. Andere Forschende fanden später heraus, dass das Gas, das Pflanzen abgeben, Sauerstoff ist. Die Maus atmet Sauerstoff ein und ein anderes Gas – Kohlenstoffdioxid – wieder aus. Ist der Sauerstoff verbraucht, stirbt die Maus. Joseph Priestley meinte mit verbrauchter Luft demnach eine sauerstoffarme Luft.

    Befindet sich eine Pflanze in der Nähe, nimmt diese das ausgestoßene Kohlenstoffdioxid der Maus auf und verwendet es für die Fotosynthese. Dabei entsteht wieder Sauerstoff, der anschließend der Maus zur Verfügung steht. Enthält die Luft viel Sauerstoff, nannte Priestley dies eine gereinigte Luft. Eine spätere Beobachtung war außerdem, dass für die Fotosynthese neben Kohlenstoffdioxid auch noch Licht benötigt wird.

    Die Entdeckung der Fotosynthese – Zusammenfassung

    Natürlich wurde die Fotosynthese nicht von einer einzigen Person entdeckt und aufgeklärt, sondern über viele Jahrzehnte hinweg von zahlreichen Forschenden nach und nach zu erklären versucht. Eine erste Erkenntnis von van Helmont war:

    • Die beim Pflanzenwachstum aufgenommenen Substanzen stammen nicht nur aus der Erde, sondern auch aus dem Wasser.

    Priestley kam später durch seine Experimente zur Fotosynthese zu dem Ergebnis:

    • Gase aus der Luft (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid) sind bei der Ernährung von Pflanzen ebenfalls von Bedeutung.

    In weiteren Forschungen folgte außerdem die Erkenntnis:

    • Pflanzen benötigen Licht für ihre Ernährung.

    Nun wissen wir die Antworten auf die Fragen, wer die Fotosynthese entdeckt hat und wie die Entdeckungsgeschichte ablief. Die Frage, wann die Fotosynthese erfunden wurde, lässt sich so nicht beantworten, da dies keine Erfindung von Menschen ist, sondern ein natürlicher Prozess.

    Zur Festigung des Wissens stehen Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zur Verfügung. Außerdem gibt es zahlreiche weitere Videos rund um dieses Thema, beispielsweise zur Beeinflussung der Fotosyntheseleistung, zur Verwertung der Fotosyntheseprodukte und zum experimentellen Nachweis der Reaktion. Viel Spaß!

    Transkript Entdeckung der Fotosynthese

    Aaaah, so grün! Und diese herrliche Luft! Oh du fabelhafte Fotosynthese, die dies ermöglicht! Aber hast du dich schon einmal gefragt, wie man die Fotosynthese überhaupt entdeckt hat? Das soll dir dieses Video über die „Entdeckung der Fotosynthese“ beantworten. Zur Wiederholung: Fotosynthese ist ein biochemischer Prozess, der unter anderem in Pflanzen abläuft. Dabei nimmt die Pflanze Wasser und Kohlenstoffdioxid auf und wandelt diese mit Hilfe von Licht in Glucose, also Traubenzucker und Sauerstoff um. Soweit so gut, aber wie kommt man auf sowas? Nun, in erster Linie gehören viel Neugier, Experimentierfreude und Geduld dazu. Für alles weitere reisen wir ein paar hundert Jahre zurück: Hier galt noch die Annahme, dass Pflanzen die Substanzen aus der Erde aufnehmen, welche sie zum Aufbau von Blättern und Ästen, als „Biomasse“ zusammengefasst, benötigen. Dies überprüfte 1635 der Naturforscher Johan Baptista van Helmont. Er wollte wissen, ob Pflanzen die für ihr Wachstum notwendigen Substanzen aus der Erde aufnehmen und pflanzte hierfür einen jungen Weidenbaum in ein mit Erde befülltes Gefäß. Vorher bestimmte er noch das Gewicht des Baumes und der verwendeten Erde und kam so auf zwei Komma fünf Kilogramm für das Bäumchen und hundert Kilogramm Erde. Über fünf Jahre hinweg goss van Helmont die Pflanze ausreichend und lies sie wachsen, um anschließend erneut das Gewicht des Baumes zu ermitteln. Der Baum wog stolze vierundachtzig Komma fünf Kilogramm, was einer Gewichtszunahme von zweiundachtzig Kilogramm entspricht. Das Gewicht der Erde hatte sich jedoch nur um sechzig Gramm verringert. Daher schloss van Helmont, dass der Massenzuwachs des Baumes nicht aus der Erde stammen konnte, sondern aus dem zugeführten Wasser. Wie wir heute wissen, kam er damit der Fotosynthese Reaktion schon ganz nah: Wasser wird von der Pflanze aufgenommen und gespalten. Aber das ist ja noch nicht alles! Was braucht eine Pflanze nochmal neben Wasser und Licht um Fotosynthese betreiben zu können? Kohlenstoffidioxid aus unserer Luft, genau! Zu der Zeit des van Helmont Experiments war noch nicht bekannt, dass auch Substanzen aus der Luft von der Pflanze aufgenommen und in Biomasse umgewandelt werden. Sehen wir uns einmal an, was der nächste Naturforscher unternommen hat: Joseph Priestley. Er verwendete Glasglocken, um einen Raum zu schaffen, der von der Umwelt abgeschlossen und bei dem kein Gasaustausch mit der Außenwelt möglich ist. Im Jahr 1771 fand Priestley heraus, dass Pflanzen Gase aus der Luft verstoffwechseln. Für den Versuch platzierte der Forscher eine brennende Kerze unter einer Glasglocke. Es dauerte nicht lange und die Kerze erlosch. Als er eine Maus unter eine Glasglocke steckte, erstickte diese. Priestley folgerte daraus, dass Kerze und Maus wichtige Substanzen aus der Luft verbrauchen. In einem weiteren Versuch platzierte der Forscher eine Pflanze mit einer brennenden Kerze unter einer Glasglocke – die Kerze brannte munter weiter. Unter eine weitere Glasglocke wurden Pflanze und Maus gemeinsam gesteckt und – siehe da! – am Ende des Versuchs waren Maus und Pflanze wohlauf. Es schien ganz so, als würde die Pflanze die für die Maus wichtigen Substanzen produzieren! Einige Zeit später konnten andere Wissenschaftler feststellen, um welche Stoffe es sich in Priestleys Experiment handelte. Die Maus atmet Sauerstoff ein und Kohlenstoffdioxid wieder aus. So wie du auch! Kohlenstoffdioxid wird von der Pflanze aufgenommen und in der Fotosynthese entsteht Sauerstoff als Nebenprodukt. Dieser Sauerstoff steht dann wiederum der Maus zur Verfügung. Etwas später folgte noch die Beobachtung, dass für die Fotosynthese Licht ebenso unverzichtbar ist. Hui, okay für unsere Zusammenfassung reisen wir wieder zurück ins einundzwanzigste Jahrhundert. Die Fotosynthese wurde natürlich nicht von einer Person entdeckt, sondern über viele Jahrzehnte hinweg von mehreren Forschern und Forscherinnen untersucht. Eine der ersten Annahmen erfolgte durch van Helmont: er entdeckte, dass Pflanzen für ihr Wachstum benötigte Substanzen nicht nur aus der Erde, sondern auch aus Wasser entnehmen. Priestley ergänzte mit seinem Glasglocken-Versuch, dass Gase aus der Luft bei der Ernährung von Pflanzen ebenfalls von Bedeutung sind. In weiteren Forschungen wurde die uns heute bekannte Fotosynthese-Gleichung mit dem wichtigen Faktor „Licht“ komplettiert. Heute haben wir wieder jede Menge gelernt! Solltest du also Angst haben, mal im Fahrstuhl stecken zu bleiben: nimm besser eine Topfpflanze mit! Spaß beiseite: da brauchst du natürlich keine Angst haben, zu ersticken!

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