Ab 0,15 Vol-% CO2-Gehalt Verminderung Fotosyntheseleistung, warum?
Hallo,
in dieser STARK Klausurhilfe steht, das ab einer Konzentration von 0,15 Vol-% CO2-Gehalt die Fotosyntheseleistung sich vermindert. Warum ist das so? Ich dachte eine Pflanze will viel CO2..
4 Antworten
Hi,
ich habe mal eine Skizze angefertigt, wie ein Graph in etwa aussehen würde, wenn man die Luft-CO2-Konzentration erhöhen würde (s.u.). Wobei es da natürlich Toleranzunterschiede zwischen Gattungen geben mag, außerdem sind die Achsen nur so "pi x Daumen" skizziert.
Zunächst würde man einen Bereich haben, in der die Photosyntheseleistung in der Tat steigt, bis ca. ~0,1 Vol.-%
So lässt sich der Ertrag von Pflanzen z.B. um das 3 - 5-fache steigern, wenn diese in Treibhäusern mit CO2 "gedüngt" (begast) werden. Das macht man sich ja schon zunutze
und ab dann aber eine Sättigungskurve zu beobachten ist. D.h. egal wieviel CO2 man zusätzlich drauf gast, es wird keine weitere Steigerung der Photosynthese mehr zu beobachten sein.
Dieses Ergebnis spricht dafür, dass es einen limitierenden Faktor gibt, der nicht (mehr) in der CO2-Konzentration liegt (bei 0,03 schon, weil da geht ja noch was). Vermutlich limitieren hier biochemische Prozesse eine weitere Steigerung. Wo haben wir z.B. Sättigungskurven?
Richtig in der Enzymkinetik Michaelis-Menten "Vmax", "Substratkonzentration" u.s.w., d.h. hier könnten Enzyme ausgelastet sein und schlicht nicht mehr CO2 binden, selbst wenn man mehr anbietet, ich denke so in Richtung RUBISCO https://de.wikipedia.org/wiki/RuBisCO oder Enzymreaktionen des Calvin-Zyklus, die den Zyklus durch ihre Wechselzahl limitieren, so dass selbst wenn man weiter CO2 draufschüttet, der Prozess irgendwann nicht mehr steigerbar ist.
Weiter oberhalb des Sättigungsbereiches hat man dann CO2-Konzentrationen, die schlicht toxisch für Pflanzen sind und die Photosyntheseleistung daher sinkt, denkbar wäre, weil die Pflanze geschädigt wird oder andere Prozesse gehemmt werden, die für die Integrität des Photosyntheseapparates erforderlich sind. Gruß, Cliff
Hi, der Campbell ist ein sehr gutes Gesamtwerk. Jedoch kann er spezielle Details nicht alle beinhalten. Bei dem Detail war die Quellenlage in der Tat dünn, ich reiche noch was nach (s.o.) Gruß
"Plants show a positive response up to 700 [0,07 Vol.-% "Verdopplung CO2"] to need of 1,800 parts per million [1,8 Vol.-%], but higher levels of CO2 may cause plant damage (Figure 1)." (...)
"Excess CO2 level can be toxic to plants as well as humans." (...)
"Rapid sublimation of dry ice may lead to increase level of CO2 higher than 2,000 parts per million, which could limit growth as well could be toxic to plants."
Quelle: Oklahoma State University, OSU Extension Fact Sheets, Greenhouse Carbon Dioxide Supplementation, March 2017 link: http://factsheets.okstate.edu/documents/hla-6723-greenhouse-carbon-dioxide-supplementation/
-->x-Achse von Fig. 1 beachten, mit meiner Skizze vergleichen ;) Gruß
Danke dir für deine Mühe.
Es ist schon erstaunlich, wie viele z.T. widersprüchliche Ergebnisse es da gibt. Wahrscheinlich liegt das auch daran, dass Versuche zur Photosyntheseleistung, besonders, wenn man nur einen Faktor betrachten will nicht so einfach sind, wie es manche Darstellungen vermuten lassen.
das glaube ich auch, das ist recht komplex. Es gibt auch endogene Vorgaben, was den Wert der CO2-Konzentration in der Luft betrifft und was zu tun ist, wenn er variiert, dazu gibt es eigens CO2-Sensoren in der Pflanze https://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Wie\_Pflanzen\_auf\_mehr\_CO2\_in\_der\_Luft\_reagieren1771015586549.html solche Regelmechanismen machen es zusätzlich schwer, einen isolierten Faktor zu betrachten. Gruß
Es ist ja gar nicht so einfach etwas zur Toxizität von CO2 für Pflanzen zu finden. Woher hast du denn diese Abbildung?
Selbstentwurf (wie angemerkt)
"ich habe mal eine Skizze angefertigt, wie ein Graph in etwa aussehen würde"
Das musste ich auch feststellen :) in einschlägiger Literatur (u.a. Mohr, Schopfer: Pflanzenphysiologie; Strasburger, Lehrbuch der Botanik) finden sich zwar CO2-Konzentrations/Effektkurven, aus denen ich meine obigen Selbstentwurf zusammengesetzt habe :D
Die wesentlichen Charakteristika sind Erreichen eines Sättigungspunktes. Rückgang der Leistung bei hohen Konzentrationen (toxisch) habe ich mit irgendeinem Artikel abgeglichen und so den Graph vervollständigt.
Jedoch fand sich nirgends eine genaue Erklärung warum toxisch, was an 2 Dingen liegen kann a) zu oberflächlich recherchiert, was nach den beiden Standardwerken eigentlich unwahrscheinlich ist oder b) spekulativ, da nicht genau bekannt, so muss man vermuten was naheliegend sein könnte.
Naheliegend ist, dass wenn man einen Faktor erhöht, auf unnatürlich hohe Werte, die Integrität des ganzen Zyklus ins wanken kommt bzw. die Leistung insgesamt sinkt. Das wäre physiologisch durchaus erwartbar. Ich liefere noch eine Textstelle nach. Gruß
Oklahoma State University, nach: Roger H. Thayer, Eco Enterprises, hydrofarm.com. Redrawn by Vince Giannotti link: http://factsheets.okstate.edu/documents/hla-6723-greenhouse-carbon-dioxide-supplementation/
dort Fig. 1 -->x-Achse Beschriftung ab 0,18 Vol.-% [CO2] "toxisch" und Rückgang der Wachstumsrate auf normale Luftkonzentration (0,03 Vol.-%) und nun vergleiche Skizze ;) Gruß
Nun ja, dass man etwas braucht, heißt ja nicht unbedingt, dass man endlos viel davon verträgt.
Du brauchst Sauerstoff, und doch sind deutlich mehr als 21 % ungesund.
Warum Pflanzen durch zu viel CO2 in ihrer Leisung behindert werden, weiß ich auch nicht wirklich.
Liegt vielleicht am pH-Wert, CO2 reagiert ja z.T. zu Kohlensäure.
Der Mensch kriegt auch Probleme, wenn der CO2-Gehalt im Blut zu hoch oder zu niedrig ist.
Außerdem sind die 0,15 % höchstwahrscheinlich nur ein Richtwert, der auch von der Art abhängt.
Und von Temperatur, Luftfeuchte, Beleuchtung ...
Studien zur Abhängigkeit der Photosyntheserate vom CO2-Gehalt zeigen eigentlich nur Sättigungskurven. D. h. die Photosyntheserate läßt sich nur bis zu einem bestimmten Grad steigern.
Es ist grundsätzlich problematisch nur einen Faktor bei der Photosynthese zu untersuchen, alle Faktoren (Licht, Temperatur, Wasser und Mineralstoffversorgung) spielen ja eine Rolle.
Im Prinzip geht es also um die Frage, warum bei der Photosynthese das Prinzip "Viel hilft Viel" nicht gilt. Wechselwirkungen der Photosynthesefaktoren eine spielen dabei eine Rolle:
-Bei höherem CO2-Gehalt sinkt die Spaltöffnungsweite, auch die Dichte der Stomata sinkt. Das hat erst mal positive Effekte, da der Wasserverbrauch auch sinkt. Allerdings kann dann die Mineralstoffaufnahme verringert werden.
-Der Proteingehalt sinkt aufgrund der verringerten N-Aufnahme. Auch andere wertgebende Pflanzeninhaltsstoffe sind in geringerer Menge vorhanden.
Die Photosynthese ist komplexer, als es die Darstellungen in Lehrbüchern vermuten lassen. Es gibt eine genetische Kommunikation zwischen Zellkern und Chloroplastengenen, die sich auf die Genaktivität der beteiligten Enzyme auswirkt. Die Bedeutung der Photorespiration ist auch noch nicht völlig geklärt.
Ab einer gewissen CO2-Konzentration unterliegt das Enzym, welches CO2 in die Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus) einschleußt (Ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase) einer sogenannten Substrathemmung. (Nachzulesen unter Enzyme)
Wusste gar nicht, das CO2 auch toxisch sein kann. Steht nichtmal im Campbell..