Hilfe aus dem Labor

Grünes Tuning für die Photosynthese

Von Roland Wengenmayr
25.09.2021
, 16:21

              Stomata auf einem Blatt französischen Lavendels (Lavandula dentata)  in zweitausendfacher Vergrößerung
Photosynthese verwandelt seit Jahrmilliarden atmosphärisches CO₂ in Biomasse. Doch der Prozess ist erstaunlich ineffizient. Das muss sich doch verbessern lassen, glauben Wissenschaftler und basteln bereits an „künstlichem Spinat“.
ANZEIGE

Wie bekommen wir das Kohlendioxid, das durch das Verfeuern fossiler Brennstoffe in die Luft gelangt ist, da wieder raus? Vorschläge, wie solche „negativen Emissionen“ zu bewerkstelligen wären, gibt es so einige. Allerdings existiert bereits ein natürlicher Prozess, der das leistet: die Photosynthese. Dieser Stoffwechselvorgang in Algen und Grünpflanzen saugt jedes Jahr rund 400 Gigatonnen CO₂ aus der irdischen Atmosphäre. Schon seit zwei bis drei Milliarden Jahren sind photosynthetisierende Organismen aktiv, und ihr Abgas, der Sauerstoff, hat die Entwicklung mehrzelligen höheren Lebens überhaupt erst ermöglicht. „Die globale Gesamtleistung der Photosynthese entspricht umgerechnet etwa 215 Terawatt“, sagt Axel Kleidon vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. „Das übertrifft alle nichtbiologischen Prozesse in der Atmosphäre zusammengerechnet um mehr als das Vierfache.“ Zum Vergleich: Den Energiebedarf der Menschheit deckten 2018 knapp 19 Terawatt über das Jahr laufender Gesamtleistung.

ANZEIGE

So beeindruckend das ist, näher betrachtet ist die Effizienz der Photosynthese überraschend mickrig. „Selbst in den hochproduktiven Regenwäldern Amazoniens kommt die Photosyntheseleistung nur auf etwa drei Watt pro Quadratmeter“, erklärt Kleidon. Dabei stellt die Sonne in Äquatorregionen 165 Watt pro Quadratmeter an Strahlungsleistung zur Verfügung, und in unseren Breiten sind es immer noch 100 Watt. Das bedeutet, dass die Pflanzen des Regenwalds nur etwa 1,8 Prozent des solaren Energieflusses nutzen können. Etwa die Hälfte davon benötigen sie, um ihren Stoffwechsel in Gang zu halten, mit der anderen Hälfte binden sie CO₂.

Photovoltaik ist zehn Mal effizienter

Im tropischen Regenwald werden damit etwas mehr als ein Kilogramm Kohlenstoff pro Quadratmeter und Jahr fixiert. Im Ozean ist die Photosynthese – vor allem infolge des eingeschränkten Nährstoffangebots – sogar nur halb so effizient wie an Land. Doch selbst gut gedüngte Agrarflächen erreichen kaum mehr als drei Prozent Effizienz. Im Vergleich zu einem Wirkungsgrad von rund zwanzig Prozent, mit dem heutige kommerzielle Photovoltaikanlagen die Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln, steht die Photosynthese also verblüffend schwach da. Warum? Hat die Evolution hier also ausnahmsweise einmal die schlauste Lösung verfehlt?

Vegetabil: Röntgenstrahlen haben hier ein Beugungsmuster des Photosynthese-Enzyms  RuBisCO erzeugt  und gewähren Einblicke in seine Molekularstruktur.
Vegetabil: Röntgenstrahlen haben hier ein Beugungsmuster des Photosynthese-Enzyms RuBisCO erzeugt und gewähren Einblicke in seine Molekularstruktur. Bild: Science Photo Library

Auf diese Frage gibt es verschiedene Antworten, je nachdem, ob man sich ihr aus mikroskopischer Perspektive nähert oder aus makroskopischer wie Axel Kleidon. Neben detaillierten Computersimulationen bedient er sich dazu außerdem analytischer Modelle aus dem Werkzeugkasten der Physik. Damit konnte er zeigen, dass die entscheidende Hürde für eine größere Effizienz der Photosynthese gar nicht in deren molekularem Mechanismus steckt, sondern im Gasaustausch mit der Umwelt.

ANZEIGE

Kleidon argumentiert vor allem mit der Thermodynamik, der Lehre von der Umwandung der Energieformen. Damit lässt sich ausrechnen, dass die Bindung des Kohlenstoffs durch den Photosyntheseapparat grundsätzlich etwa 19 Prozent der Energie in der eingefangenen Solarstrahlung nutzen kann und damit durchaus an die aktuelle Photovoltaik herankäme – und das, obwohl Pflanzen nur den langwelligen, roten Teil des solaren Farbspektrums nutzen. Lichtwellen anderer Farben lassen die pflanzlichen Farbstoffe, die Chlorophylle, übrig, weswegen Pflanzen grün aussehen.

Die Pflanze als Wärmekraftmaschine

Nun sollte die Photosynthese, wenn man eine Bilanz der beteiligten chemischen Reaktionen aufstellt, mit einem Kilogramm Wasser rund 670 Gramm Kohlenstoff in Pflanzenmaterial binden können. Tatsächlich sind es aber gerade einmal etwa zwei Gramm Kohlenstoff pro Kilogramm verbrauchtem Wasser. Der genaue Wert variiert etwas je nach Klimazone, Pflanzenart und Variante des Photosyntheseprozesses. Doch die Größenordnung dieser „Wassernutzungseffizienz“ gilt grundsätzlich. Das brachte Kleidon auf eine Spur: Der eigentliche Flaschenhals für die Effizienz sitzt ganz am Ende, in der Transpiration der Pflanzen über die Spaltöffnungen der Blätter.

ANZEIGE

Durch diese sogenannten Stomata (griechisch für „Münder“) verdunsten Pflanzen Wasser und nehmen auch das CO₂ aus der Luft auf. Für die Verdunstung sorgt wiederum die Sonne, dieses Mal schlicht dadurch, dass sie die Erdoberfläche erwärmt. Damit erhöht sich auch die Temperatur der Luft über dem Boden, diese steigt auf und streicht über die Blätter. Thermodynamisch gesehen handelt es sich hierbei um eine Wärmekraftmaschine, wie die „Dampfmaschin“, die der Physiklehrer Professor Bömmel in dem Film „Die Feuerzangenbowle“ seinen Schülern als „jroßer runder, schwarzer Raum“ erklären will. Diese Wärmekraftmaschine allerdings treibt aktiv die Luftströmung um die Blätter herum an, bringt das verdampfte Wasser aus den Stomata in die Atmosphäre und liefert umgekehrt das CO₂ für die Photosynthese an.

Warum Bäume Kronen haben - und keine Dächer

Das „Atmen“ der Pflanzen unterliegt somit den Regeln der Thermodynamik. Axel Kleidon konnte nun zeigen, dass letztlich diese den Wirkungsgrad der Photosynthese bei der Kohlenstofffixierung theoretisch auf grob zwei Prozent begrenzen. Das passt nicht nur gut zu den beobachteten Biomassezuwächsen der produktivsten Ökosysteme, es erklärt auch, warum Bäume solch ein verzweigtes Blätterdach haben, obwohl sich die Blätter darin einander teilweise abschatten. Ginge es nur um das Einfangen von Sonnenlicht, wäre eine simplere, dachartige Geometrie eigentlich die schlauere Lösung. Die insgesamt riesige Blattoberfläche einer Baumkrone dient jedoch vor allem einer maximierten Transpiration, um im Gegenzug möglichst viel CO₂ einheimsen zu können.

Tatsächlich ist die Evolution also auch hier ziemlich schlau – und doch gibt es Verbesserungspotential, allerdings auf der mikroskopischen Ebene. Schaut man sich nämlich den Ablauf in der Photosynthese genauer an, dann stößt man auf gute und weniger gute Lösungen. Ganz vorne, beim Lichteinfang, sind sie quasi perfekt: Die roten Wellenlängen werden im Chlorophyll in elektronische Anregungsenergie umgewandelt, die mit Hilfe der Quantenphysik fast ohne Verluste dorthin geführt wird, wo die nächsten Schritte stattfinden: die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und der Transport energiereicher Elektronen zum Aufbau von Glucose in der sogenannten Dunkelreaktion. Diese läuft nach dem recht komplexen „Calvin-Zyklus“ ab, der ähnlich einem Computerprogramm schrittweise abgearbeitet wird. Der Kohlenstoff landet am Ende in der Glucose. Dazu muss das eingefangene CO₂ zuerst in den Pflanzenstoffwechsel eingebaut werden. Das geschieht zentral in einem Biokatalysator, einem Enzym mit dem Namen RuBisCO.

Illustration des Photokatalyseapparats: Koppelt man eine Solarzelle mit einer Elektrolysezelle lässt sich die Photosynthese im Labor simulieren.
Illustration des Photokatalyseapparats: Koppelt man eine Solarzelle mit einer Elektrolysezelle lässt sich die Photosynthese im Labor simulieren. Bild: Van de Krol, Helmholtz-Zentrum Berlin

RuBisCO ist eines der häufigsten Proteine. „Nimmt man das Proteom, also alle Proteine zusammengefasst, in einem Blatt, so besteht das zu fünfzig Prozent aus RuBisCO“, erklärt Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie in Marburg. Bei ihm lernt man, dass RuBisCO keine optimale Lösung ist, wenn es um die Effizienz der Kohlenstofffixierung geht. Zum einen liege das daran, dass die Evolution oft an einmal gefundenen Lösungen festhalte, sagt Erb. „Außerdem ist die Kohlenstofffixierung nicht das einzige Ziel der Pflanzen, sie mussten sich auch an viele weitere Herausforderungen wie Wasser- und Nahrungsmangel anpassen.“

ANZEIGE

Als Katalysator ist RuBisCO eher langsam, ein Molekül davon kann nur etwa fünf CO₂-Moleküle in der Sekunde umsetzen. Dabei schleichen sich auch noch Fehler ein: Zwanzig Prozent der Reaktionen laufen unerwünscht mit dem Sauerstoff ab – und das dabei entstehende toxische Produkt muss die Pflanze in der sogenannten Photorespiration, in CO₂ umgewandelt, wieder „ausatmen“. Diese Fehlproduktion verpulvert so ein Fünftel der zur Verfügung stehenden Energie, besonders wenn die Stomata geöffnet sind. Andere Enzyme könnten das wesentlich effizienter, und ein besonders wirksames entdeckte Erb vor einigen Jahren in dem Bodenbakterium Kitasatospora setae. Das betreibt zwar keine Photosynthese, musste aber lernen, seinen Bedarf an Kohlenstoff in einer kohlenstoffarmen Umwelt zu decken. Dazu entwickelte diese Bakterienfamilie eine höchst wirksame Klasse von Enzymen mit dem für Laien unverdaulichen Namen Enoyl-CoA Carboxylase/Reduktase, kurz ECR-Ezyme.

Der Natur hat die Software. Fehlt nur das Betriebssystem.

Dieser Fund brachte Erb auf eine kühne Idee: Er wollte um die ECR-Enzyme herum eine künstliche, hocheffiziente Dunkelreaktion aufbauen. „Das Enzym allein ist nur wie ein neues Computerprogramm“, erklärt der Marburger Wissenschaftler. „Wir mussten nun um es herum sozusagen ein komplettes neues Betriebssystem aufbauen.“ Dazu suchten Erb und sein Team Enzyme zusammen, die jeweils ihre Aufgabe im „Betriebssystem“ möglichst optimal erledigen. Sie fanden sich in so unterschiedlichen Organismen wie Purpurbakterien, Gänserauke und sogar der menschlichen Leber. Einige Enzyme mussten auch chemisch umgebaut werden.

ANZEIGE

Das Ergebnis nennt sich „CETCH-Zyklus“ und ist eine künstliche Alternative zum Calvin-Zyklus. Mit 15 bis 17 Einzelschritten ist der CETCH-Zyklus vergleichbar komplex, und theoretisch arbeitet er wesentlich effizienter und zudem fehlerfrei. Praktisch musste er das aber erst einmal in einem künstlichen Photosynthesesystem beweisen. Das ist quasi ein Marathonlauf, aber in den vergangenen Jahren gelangen den Marburger Forschern entscheidende Schritte. Sie schafften es, ihren CETCH-Zyklus mit dem Photosynthese-Apparat aus Spinat in einer Art künstlichem Chloroplast zu „verheiraten“. Letzterer liefert wie in einer Pflanze die Energie, die Elektronen und den Wasserstoff für die Dunkelreaktion. Derzeit sind die künstlichen Chloroplasten nichts anderes als mikroskopische Wassertröpfchen, die in einer Ölemulsion schwimmen.

Allerdings erforderte es einige Optimierungsarbeit, bis der „künstliche Spinat“ funktionierte. „Im Reagenzglas ist er aktuell ähnlich effizient wie die natürliche Photosynthese“, sagt Tobias Erb. Das gelang immerhin in wenigen Jahren, im Vergleich zu den Jahrmillionen der Evolution. Verblüffenderweise können die künstlichen Chloroplasten bereits recht komplexe Biomoleküle produzieren. Dazu zählt eine Vorstufe zum Antibiotikum Erythromyzin.

Noch aber sei das reine Grundlagenforschung, betont Erb. Bis es gelingt, mit künstlicher Photosynthese CO₂ aus der Luft in nennenswerten Mengen etwa in kohlenstoffhaltigen Baustoffen zu fixieren, ist der Weg noch weit. So müssen die Marburger Wissenschaftler ihre gegenwärtig nur etwa zwei Stunden lang existierenden künstlichen Chloroplasten langlebiger machen. Alternativ forschen sie auch daran, den CETCH-Zyklus gentechnisch in lebende Zellen einzubauen. „In Kolibakterien ist uns das bereits zu neunzig Prozent gelungen“, berichtet Tobias Erb. Der nächste Schritt ist die genetische Implementierung in einer einzelligen Alge, eine Lebensform, die allerdings wesentlich komplexer ist als ein Bakterium.

Kohlenstofffixierung mittels künstlicher Photosynthese oder mit einer völlig neuen Dunkelreaktion in gentechnisch aufgerüsteten Pflanzen ist also noch Zukunftsmusik. Das Klimasystem aber wartet mit seinen unerwünschten Reaktionen auf den geologisch gesehen plötzlichen Eintrag großer Mengen CO₂ in die Atmosphäre nicht. Wir brauchen erst einmal andere Methoden, um sie hinreichend schnell wieder zu entfernen.

Quelle: F.A.S.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot
ANZEIGE