Meine Damen und Herren,
da belichtetes, von der Zelle abgetrenntes Chlorophyll photochemisch unwirksam ist,
so ist die Photosynthese wie die Atmung und die Gärung ein Fermentproblem.
Ich möchte Ihnen im Folgenden einiges über die Fermente der Photosynthese mitteilen.
Die Fermente der Photosynthese sind durchaus noch nicht so weit wie die Atmungs- oder Gärungsfermente,
aber immerhin werden Sie sehen, dass man Einiges heute schon sagen kann.
Das erste Bild, bitte.
Wir betrachten zunächst einen der Photosynthese entgegengesetzten Vorgang, einen Atmungsvorgang,
und zwar die Oxidation von Glukosephosphat zu Pentosephosphat durch Nikotinsäureamid nach der hier angeschriebenen Gleichung.
Die Reaktion ist in Dahlem kurz nach der Entdeckung der Pyridin-Nukleotide gefunden worden.
Sie verläuft in zwei Schritten.
Zunächst oxidiert ein Molekül Nikotinsäureamid das Glucosephosphat zu Glucosesäurephosphat,
dann oxidiert ein weiteres Molekül Nikotinsäureamid, das Hexonsäurephosphat unter Abspaltung von Kohlensäure zu Pentosephosphat.
Für jeden der beiden Schritte ist ein spezifisches Fermentprotein erforderlich.
In der angeschriebenen Reaktion wird also Glukosephosphat durch zwei wasserstoffübertragende Fermente,
deren Wirkungsgruppe Nikotinsäureamid ist, zu Pentosephosphat oxidieren.
Man sollte denken, dass die vollständige Verbrennung der Glucose sich dann weiterhin so vollzieht,
dass das Pentosephosphat zu Tetrosephosphat, das Tetrosephosphat zu Triosephosphat usw. oxidiert wird.
Horecker sagt jedoch, dass das nicht der Fall ist, sondern dass das Pentosephosphat,
nachdem es sich durch die angeschriebene Oxidation gebildet hat,
durch ein spaltendes Ferment in kleinere Bruchstücke aufgeteilt wird
und dass die Bruchstücke dann wieder zu Glukosephosphat kondensiert werden,
sodass sich die Oxidation immer nur an den sechs Kohlenstoffkörpern abspielt.
Ist dabei Glukosephosphat sechs Mal zu Pentosephosphat oxidiert worden,
so ist in der Bilanz ein Molekül Glukosephosphat verbrannt worden.
Durch diesen sinnvollen Mechanismus erreicht es die lebende Natur,
dass sie bei der Verbrennung der sechs Kohlenstoffatome der Glukose mit zwei Oxidationsfermenten auskommt,
während ohne die Rückbildung der Glukose sechs Mal zwei = zwölf Oxidationsfermente notwendig gewesen wären.
Von diesem Mechanismus ist ferner zu sagen, dass das Pentosephosphat, das durch die Oxidation entsteht,
nicht etwa Arabinosephosphat ist, wie man hätte erwarten sollen, sondern es ist Ribulosephosphat,
das Phosphat einer Ketopentose, einer Ketopentose, die bisher in der Natur sehr selten gefunden worden ist.
Und es ist ferner zu sagen, dass bei der Rekombination der Pentosebruchstücke zu dem Glukosephosphat
als Zwischenprodukt ein weiterer, sehr seltener Zucker auftritt.
Das Phosphat der Sedoheptulose, einer Ketose der 7-Kohlenstoff-Reihe.
Diese seltenen Zucker Ribulose und Sedoheptulose sind also Zwischenprodukte der Glukoseverbrennung durch Nikotinsäureamid.
Nun werden Sie fragen, was diese sehr speziellen Tatsachen der Glukoseverbrennung mit der Photosynthese überhaupt zu tun haben.
Nun, sehr viel.
Denn bei Photosynthesen mit radioaktiver Kohlensäure ist in Calvin’s Institut in Berkeley gefunden worden,
dass sechzig Sekunden nach Einsetzen der Belichtung radioaktive Kohlenstoffverbindungen gefunden werden,
die nichts anderes sind als die Phosphate der Ribulose und der Sedoheptulose.
Fügt man noch hinzu, dass die hier angeschriebene Fermentreaktion in vitro mit reinen Fermenten
auch von rechts nach links verläuft, wenn man von Pentosephosphat und Dihydronikotinsäureamid ausgeht,
so kann kein Zweifel sein, dass die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese
durch die Rückreaktion des hier angeschriebenen Atmungsvorgangs bewirkt wird.
Bei der Atmung entsteht das hydrierte Nikotinsäureamid und wird immer durch den molekularen Sauerstoff wieder reoxidiert.
Bei der Photosynthese entsteht das lichthydrierte Nikotinsäureamid
und wird immer wieder durch das belichtete Chlorophyll reduziert.
Es ist also die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese, nicht nur in der Bilanz,
sondern auch in ihrem Mechanismus, die Rückreaktion eines Atmungsvorgangs, eines bekannten Atmungsvorgangs.
Dieselben wasserstoffübertragenden Fermente sind Atmungsfermente oder Photosynthesefermente,
je nachdem man ihnen Nikotinsäureamid oder hydriertes Nikotinsäureamid zuführt.
Es mag sein, dass die Kohlensäure bei der Photosynthese nicht nur durch die hier angeschriebene Reaktion,
sondern auch durch andere Reaktionen reduziert wird.
Zum Beispiel durch die Rückreaktion der Decarboxylierung der Äpfelsäure zu Brenztraubensäure,
an die insbesondere Ochoa in New York denkt.
Aber das Prinzip ist immer das gleiche.
Alle sind sich einig darüber, dass es immer die reduktive Carboxylierung durch hydriertes Nikotinsäureamid ist,
durch die die Kohlensäure bei der Photosynthese gebunden und reduziert wird.
Während nun die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese die Rückreaktion eines Atmungsvorgangs ist,
spielen andererseits auch Hinreaktionen der Atmung bei der Photosynthese eine wichtige Rolle.
Bekanntlich wird bei der Primärreaktion der Photosynthese, wenn ein Mol Lichtquanten absorbiert werden,
ein Mol Kohlensäure aufgenommen und ein Mol Sauerstoff entwickelt.
Da aber für die Entwicklung von ein Mol Sauerstoff aus Kohlensäure 112.000 Kalorien notwendig sind,
während die Energie von ein Mol Quanten im Rot nur 42.000 Kalorien beträgt, so hat die Natur den Ausweg gewählt,
dass die den Lichtquanten fehlende Energie, also der große Betrag von zwei Drittel der Gesamtenergie,
aus dem chemischen Energievorrat der Zelle der Photosynthese zur Verfügung gestellt wird.
Das ist eine Lösung des so genannten Quantenproblems der Photosynthese, an die die vielen Naturforscher,
die darüber gearbeitet haben seit etwa, das geht jetzt seit 1920, also fünfunddreißig Jahre.
Keiner von uns hat auch nur im Entferntesten an diesen Mechanismus gedacht, an diese Möglichkeit.
Man hat sich immer gefragt, wie es möglich ist, dass durch drei Quanten, die nötig sind, wie die zusammenwirken können
und in Wirklichkeit wird es einfach so gemacht, dass die Zelle so viel chemische Energie dazu legt als den Lichtquanten fehlt.
Das ist ein geradezu unglaublich einfacher und geistreicher Mechanismus.
Und man sieht eigentlich daran, dass die lebende Natur unbeschreiblich viel klüger ist als es die Naturforscher sind.
Denn tatsächlich ist dreißig Jahre lang kein Mensch auch nur im Geringsten auf diese Idee gekommen,
bis man es schließlich am Manometer gesehen hat.
Man hat es am Manometer gesehen.
Wenn man belichtet, dann gibt es einen Druck von einem Quantum und sowie man Dunkel macht,
dann verschwinden wieder zwei Drittel und dann ist thermodynamisch alles in Ordnung.
Nun die Rückbildung oder der ganze Mechanismus hätte ja keinen Sinn, wenn die Zelle Energie zusetzen und dabei verlieren würde.
Es ist aber, wie gesagt, so eingerichtet, dass die Zelle die Energie sofort zurück bekommt,
und zwar bekommt sie die durch einen Atmungsvorgang zurück,
bei dem die Zelle immer im Licht der Photosynthese gewissermaßen geliehene Energie zurück erhält.
Photosynthese, so kann man es auch ausdrücken,
ist also nur möglich durch einen fortgesetzten Verbrauch und Wiederaufbau von chemischer Zellenergie,
ohne die das Licht in den grünen Zellen nicht wirken kann.
Erst die Atmung also, so kann man es auch ausdrücken, erzeugt die Lichtempfindlichkeit der grünen Zellen.
Und deshalb gehören die Fermente der Atmung auch zur Fermentkette der Photosynthese.
Die Experimente, die dies beweisen, sind in der letzten Zeit in Dahlem so ausgebaut worden,
dass sie über jeden Zweifel erhaben sind.
Sie können sich denken, dass, wenn so etwas gefunden wird, es zunächst kein Mensch glaubt.
Es ist immer so, sowie man irgendetwas Neuem kommt, ist sofort ein Widerstand, menschlich verständlicher Widerstand.
Es wurde also gesagt, die Ausschläge sind zu klein, es kommt nur von Wärme.
In Wirklichkeit liegt es jetzt so, dass wir, wenn wir belichten, in der einen Minute 35 mm³ Sauerstoff bekommen.
Wenn man nun rechnet, dass vielleicht der Fehler 0,5 mm³ ist, dann ist also die Sache über jeden experimentellen Zweifel erhaben.
Nun macht man es so, man belichtet so stark, dass die gesamte verfügbare Zellenergie verbraucht wird.
Also man kann gewissermaßen die vorhandene Zellenergie titrieren, in dem man so stark belichtet, dass man alles rausholt.
Wenn das passiert ist und man will es wieder belichten, dann bekommt man keine Ein-Quanten-Ausbeute mehr,
weil ja jetzt die Zellenergie verbraucht ist.
Und dann muss man warten.
Man muss ungefähr zehn Minuten im Dunklen warten und wenn man dann wieder belichtet, bekommt man es wieder.
Wenn man aber in der Zwischenzeit belichtet, dann bekommt man weniger.
Vielleicht nach zwei Minuten bekommt man 6 mm³, nach zehn Minuten bekommt man 12 usw.
Es geht also daraus hervor, dass durch den Erholungsvorgang der Sauerstoffverbrauch,
die Zellenergie tatsächlich zurück gewonnen wird.
Dass es der Sauerstoff ist, können Sie so beweisen:
Sie belichten stark und holen die ganze Zellenergie heraus, die drin ist.
Dann nehmen Sie der Zelle den Sauerstoff weg.
Jetzt können Sie so lange warten, wie Sie wollen und wenn Sie wieder belichten,
bekommen Sie niemals wieder Sauerstoffentwicklung im Licht, weil die Zelle ihre Energie nicht zurückbekommen hat.
Sowie Sie dann wieder Sauerstoff einleiten und belichten,
dann bekommen Sie wieder die Sauerstoffentwicklung mit der Quantenausbeute 1.
Sie können also wirklich beweisen und messen, verfolgen, wie die Zelle ihre Energie bekommt
und dass tatsächlich ohne diese Zellenergie das ganze System der grünen Zellen auf Licht gar nicht reagieren wird.
Dadurch, dass die Lichtempfindlichkeit der grünen Zellen durch die Atmung tatsächlich erst erzeugt wird,
unterscheidet sich die Photosynthese von allen photochemischen Reaktionen der unbelebten Welt.
Wenn ich damit begann, dass Chlorophyll, das von der Zelle getrennt ist, photochemisch unwirksam ist,
so können wir jetzt hinzufügen, dass auch Chlorophyll, das in der lebenden grünen Zelle gefunden ist,
photochemisch unwirksam ist, wenn von allen Substanzen der Zelle eine einzige fehlt,
nämlich diejenige Substanz, die der Träger der chemischen Hilfsenergie ist.
Ihre chemische Natur ist unbekannt.
Sicher ist nur, dass es nicht Adenosintriphosphat ist, wie man in der letzten Zeit von chemischer Seite manchmal angenommen hat.
Denn die Beträge an Höchstenergie, die man aus der Zelle titrieren kann und die die Zelle zur Verfügung stellen kann,
sind so groß, dass, wenn man den Phosphor bestimmt und annehmen würde,
der ganze Phosphor ist in Adenosintriphosphat gebunden,
dann würde man noch nicht den dritten Teil der Hilfsenergie erklärt haben, der wirklich zur Verfügung gestellt wird,
dadurch dass man den Sauerstoff misst, der aus der Zelle herauskommt.
Also, wir haben zuerst die Bindung, die Reduktion der Kohlensäure als Rückreaktion eines Atmungsvorgangs gehabt,
dann haben wir hier die Hinreaktion der Atmung, ohne die die Photosynthese nicht möglich ist.
Das sind schon zweimal Atmungsfermente und gleichzeitig Photosynthesefermente.
Eine dritte Sache, über die ich Ihnen jetzt noch kurz berichten will, die gibt es nur bei der Photosynthese.
Ich muss da mal eine Bemerkung über die Farbstoffe der grünen Zellen und ihre Lichtabsorption vorausschicken.
Alle grünen Zellen enthalten neben dem Chlorophyll gelbe Farbstoffe, die Carotinoide.
Während das Chlorophyll im ganzen sichtbaren Spektralgebiet absorbiert,
absorbieren die gelben Farbstoffe nur den kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums,
und zwar am stärksten im Blau-Grünen, also etwa im Licht der blau-grünen Kadmium-Linien.
Belichtet man grüne Zellen mit blau-grün, so wird etwa die Hälfte des Lichts von dem Chlorophyll
und die andere Hälfte des Lichts von den gelben Farbstoffen absorbiert.
Während im Rot ausschließlich das Chlorophyll und gar nicht die gelben Farbstoffe absorbieren.
Je nachdem man also grüne Zellen mit rotem oder mit blau-grünem Licht bestrahlt, hat man die Möglichkeit,
die gelben Farbstoffe zu fünfzig Prozent an der Absorption zu beteiligen oder die gelben Farbstoffe gar nicht zu beteiligen.
Unsere, mit diesen Erscheinungen zusammenhängenden Versuche gingen nun davon aus,
dass wir die Ausbeute an chemischer Energie bei der Photosynthese der Chlorella im Sommer im Allgemeinen besser fanden
als im Winter.
Nun wird Chlorella bei uns immer, im Sommer wie im Winter, im elektrischen Metallfadenlicht gezüchtet,
aber an einem Südfenster, so dass die Zellen bei ihrer Zucht außer dem Metallfadenlicht auch immer Tageslicht erhalten haben.
Tageslicht ist nun bekanntlich im Mittel kurzwelliger als Metallfadenlicht und enthält vielmehr blau-grün als Metallfadenlicht.
Wir fragten uns deshalb, ob es nicht vielleicht zweckmäßig wäre,
bei den Messungen der Ausbeuten der Photosynthese zum Beispiel im Rot oder im monochromatischen Grün
kurzwelligeres Licht zuzusetzen und so möglicherweise die Ausbeuten der Winterzellen zu verbessern.
Tatsächlich fanden wir, dass die Ausbeuten stiegen,
wenn wir zu rotem oder grünem monochromatischem Licht kurzwelligeres Licht zusetzten.
Am wirksamsten war blau-grün.
Aus diesen Beobachtungen – bitte das zweite Bild –
entwickelte sich die heutige Versuchsanordnung zur Messung der Ausbeute bei der Photosynthese.
Bei diesem Versuch zum Beispiel, der also ein typischer Versuch von Winterzellen ist,
wird Chlorella dauernd mit einer sehr starken Intensität von Rot bestrahlt.
Dieser Versuch dauert zum Beispiel etwa sieben Stunden.
Dann wird abwechselnd dabei Licht, blau-grünes Licht, zugesetzt und wieder fortgenommen.
Nun ist für die Versuchsanordnung sehr wesentlich, weil es die Deutung sehr vereinfacht:
Das blau-grüne Licht, was wirkt, ist energetisch fast gleich Null gegen das rote Licht, dessen Energieumsatz man misst.
Das blau-grüne Licht, was man zusetzt, kann sich also an der Sauerstoffentwicklung nicht beteiligen,
sondern kann nur katalytisch wirken.
Nun, wenn Sie das Bild betrachten, so ist noch eines zu sagen:
Im Allgemeinen drückt man die quantitativen Ergebnisse der Photosynthesenmessung durch den so genannten Quantenbedarf aus,
das ist 1 durch Phi und bedeutet, die Mole Quanten absorbiert, dividiert durch Mole Sauerstoff entwickelt.
Der Quantenbedarf ist also umso größer je schlechter die Ausbeute ist.
Ich will Ihnen das noch einmal vorlesen, weil dieser Versuch,
wie der gelaufen ist und will Ihnen die Energieausbeute dazu sagen, umgerechnet.
Nach zwei Stunden, Sie müssen sich vorstellen, die Zellen kommen aus dem Dunkeln,
nach zwei Stunden Blau-Grün ist der Quantenbedarf 4,4, das entspricht einer Ausbeute an chemischer Energie von 60 %.
Dann wird das Blau-Grün fortgenommen.
Und fast sofort steigt der Quantenbedarf auf unendlich.
Das heißt, es wird überhaupt kein Sauerstoff mehr entwickelt und der Gewinn an chemischer Energie ist Null.
Dann setzen wir wieder Blau-Grün zu.
Der Quantenbedarf sinkt auf 3,6, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie steigt auf 75 %.
Wir nehmen dann das Blau-Grün wieder fort, der Quantenbedarf steigt auf 17,
das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie sinkt auf 16 %.
Dann wird wieder Blau-Grün zugegeben und der Quantenbedarf sinkt auf 3,2,
das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie steigt auf 83 %.
Das Blau-Grün wird wieder fortgenommen und der Quantenbedarf steigt alsbald auf 12,
das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie sinkt auf 22 %.
Im Ganzen ist also bei dem Versuch die Ausbeute an chemischer Energie bei Abwesenheit von Blau-Grün sehr schlecht
und bei Gegenwart von Blau-Grün sehr gut gewesen.
Würde man, was wir nicht getan haben, den veratmeten Sauerstoff zu dem durch das Licht entwickelten Sauerstoff hinzu addieren,
so wäre der Quantenbedarf in den beiden letzten Blau-Grün-Perioden im Mittel 2,85,
das entspricht 93 % Ausbeute an chemischer Energie.
Nun zur Erklärung.
Blau-grünes Licht wird, wie bereits erwähnt, von den Carotinoiden stark absorbiert.
Von den Carotinoiden weiß man ferner, dass sie durch Belichtung Cis-Trans-Umlagerung erleiden.
Man weiß ferner von ihnen, dass diese Cis-Trans-Umlagerungen von der lebenden Natur ausgenutzt werden,
ist doch der Sehpurpur nach den Untersuchungen von George Wald ein Carotinoid
und beruht die Wirkung des Lichts auf den Sehpurpur auf Cis-Trans-Umlagerungen der Sehcarotinoide- oder des Sehcarotinoids.
Da nun bei den hier angeschriebenen Versuchen wenig blau-grünes Licht große Energieumsätze in Chlorella erzeugt,
so ist zu schließen, dass ein im Licht entstehendes Carotinoidisomeres
die Wirkungsgruppe eines Ferments der Energieumwandlung ist.
Dieses Carotinoidisomer mag in Sommerzellen stabiler sein als in Winterzellen.
Und so mag es kommen, dass der Einfluss des blau-grünen Lichts bei Versuchen mit Winterzellen entdeckt worden ist.
Wir setzen jetzt immer Blau-Grün zu und finden auch bei den Sommerzellen fast immer dort
eine wesentliche Verbesserung durch Blau-Grün, aber nicht so stark wie im Winter.
Ich glaube, dass diese Entdeckung für die Fermentchemie der Photosynthese eine ähnliche Bedeutung gewinnen wird
wie vor Jahren die Entdeckung der Poloxid- und Lichtwirkung für die Fermentchemie der Atmung.
Jedenfalls ist das blau-grüne Licht bereits im Begriff,
die bisher unbekannte Funktion der Carotinoide bei der Photosynthese zu erklären.
Fasse ich zusammen, so können wir heute die Gleichung der Fermentreaktion hinschreiben,
durch die die Kohlensäure bei der Photosynthese reduziert wird.
Bitte das dritte Bild.
Aber wir können noch nicht die Gleichung der Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie hinschreiben.
Gleichungen wie diese – und das vierte Bild, noch mal das Dritte.
Also Sie sehen hier zwei Gleichungen, die von den Tatsachen enthalten:
Erstens, das Nikotinsäureamid, Dihydronikotinsäureamid, als Katalysator der Reduktion der Kohlensäure.
Zweitens, Dihydrocarotin und Carotin als, indem wir Rechnung tragen den Versuchen mit blau-grünem Licht.
Also diese beiden Tatsachen sind in diesen Gleichungen verarbeitet.
Aber diese Gleichungen sind sicherlich falsch,
weil sie das wichtigste Ergebnis aller Experimente über Photosynthese ignorieren würden,
die Quantenausbeute 1 bei der Primärreaktion der Photosynthese.
Bei dieser Gleichung hier haben sie 4, das kann also nicht stimmen.
In die Gleichungen der Photosynthese, der Energieumwandlung der Photosynthese gehört die unbekannte Substanz hinein,
die im Kreislauf von Zerfall und Wiederaufbau die Wirkung der energiearmen Quanten des sichtbaren Lichts erst ermöglicht.
Damit habe ich Ihnen ungefähr alles mitgeteilt, was man zur Zeit über Photosyntheseferment sagen kann.
(Applaus).