Künstliche Photosynthese : Pack die Sonne in den Tank
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Aus Wasser und CO2 entsteht Sauerstoff und Zucker. Klingt einfach, ist es aber ganz und gar nicht. Bild: dpa
Der wichtigste Prozess auf Erden ist die Photosynthese. Könnten wir ihn verbessern, wären wir viele Energiesorgen los.
Lange war es den Bewohnern des jungen Planeten Erde prächtig ergangen. Nahrung, die man in friedlicher Koexistenz mit seinen Nachbarn in sich hineinfutterte, gab es im Urmeer in Form von Schwefel-, Mangan- und weiteren anorganischen Verbindungen mehr als genug. Äußerlich hatte sich das frühe mikrobielle Leben fast eine Milliarde Jahre nach seiner Entstehung nicht groß weiterentwickelt. Aber es war gut.
Doch dann machten einige dieser bakteriellen Lebensformen eine Erfindung, die zur ersten großen Umweltkatastrophe führen sollte – und auf einen Schlag einen Großteil aller bisherigen Lebensformen vernichtete. Verantwortlich für dieses Massaker waren Vorfahren moderner Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt. Ihre revolutionäre Erfindung war die oxygene Photosynthese, also jener biophysikalische Prozess, mit dem bis heute Blaualgen, einige Bakterien und vor allem grüne Pflanzen Sonnenlicht nutzen. Mit seiner Energie spalteten sie Wassermoleküle und erzeugten chemische Energie, mit welcher sie den entstandenen Wasserstoff in Verbindung mit dem Kohlendioxid aus der Luft für den Aufbau organischer Materialien einsetzten. Dabei produzierten sie nebenbei ein gefährliches Abgas: Sauerstoff. In der Folge kippte das globale Ökosystem, mit verheerenden Folgen für die bis dahin anaerob glücklichen Erdbewohner.
Ein fieses Umweltgift wird zum Lebenselixier
Als die „Große Sauerstoffkatastrophe“ ging dieses erste große Massensterben in die Erdgeschichte ein, auch wenn die Opfer keine spektakulären Dinosaurier, sondern nur Mikroben waren. Die Überlebenden arrangierten sich mit dem Sauerstoff und nutzten ihn schon bald für die aerobe Atmung, also die Verbrennung der von Pflanzen erzeugten Kohlenhydrate, bei der wiederum Energie und am Ende wieder Wasser und Kohlendioxid frei werden. Sauerstoff, der heute gut ein Fünftel der Erdatmosphäre ausmacht, wurde vom Gift des alten zur Grundlage des neuen Lebens auf Erden. Geschätzte 300 Milliarden Tonnen molekularer Sauerstoff entstehen heute jedes Jahr durch die Photosynthese von Pflanzen aller Art an Land und in den Ozeanen. Dabei verarbeiten sie mehr als 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von CO₂ zu Zucker, der dann als Grundbaustein für Baustoffe wie Zellulose und Lignin oder Energiespeicher wie Stärke, Fett oder auch Protein dient.
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Die Bedeutung dieses sonnenlichtgetriebenen Kreislaufes lässt sich kaum überschätzen. „Photosynthese ist wahrscheinlich der wichtigste chemische Prozess auf Erden“, sagt Wolfgang Lubitz, einer der Direktoren am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr. „Er speichert die Energie des Sonnenlichts in Kohlenhydraten, die wir in Form von Nahrung als Brennstoff für unsere Lebensprozesse nutzen.“ Aber auch die fossilen Brennstoffe unserer Zivilisation wie Öl, Kohle oder Erdgas sind vor Millionen von Jahren durch Photosynthese entstanden. Das Verbrennen dieser Energieträger hat allerdings zwei große Nachteile: Erstens sind ihre Vorkommen begrenzt. Und zweitens heizt das dadurch in die Erdatmosphäre geblasene Kohlendioxid unserem Klima ein.
