Nutzt irgendein Organismus sowohl Photosynthese als auch Atmung?

tl;dr: Ja, alle Pflanzen atmen.—

Ich bin mir nicht sicher, ob ich die Frage richtig verstehe; weil alle Pflanzen atmen! Einige der durch Photosynthese produzierten organischen hochenergetischen Substanzen werden später „verbrannt“, um Energie in dem gleichen „Atmungs“-Prozess zu erzeugen, der von Tieren verwendet wird, wobei CO ₂ produziert wird .

Der Unterschied zu Tieren besteht darin, dass grüne Pflanzen ihre Kohlenhydrate (einschließlich derjenigen, die sie für Energie verbrennen), Fett und Proteine ​​​​sozusagen aus dem Nichts synthetisieren, während Tiere sie essen müssen.

Diese gegensätzlichen Prozesse, Photosynthese und Atmung, sind oft an den Tag-Nacht-Zyklus gebunden. Wenn Licht verfügbar ist, dominiert die rein pflanzliche Photosynthese, sodass die Pflanze CO ₂ verbraucht und Sauerstoff abgibt; Nachts, wenn die Photosynthese unmöglich wird, führt die übliche alltägliche Atmung dazu, dass die Pflanze wie Tiere Sauerstoff verbraucht und CO _{2 abgibt.}

Nur solange die Pflanze wächst, ist dieser Kreislauf in Richtung Photosynthese gekippt, sodass mehr Sauerstoff abgegeben als aufgenommen wird: Der überschüssige Kohlenstoff und Wasserstoff wird in der wachsenden Biomasse der Pflanze gebunden. Aber wenn die Pflanze stirbt, wird all diese energiereiche Biomasse von Tieren und Mikroorganismen verbrannt, wodurch die Gesamtbilanz kohlenstoff- und sauerstoffneutral wird. ²

Wie also atmen Pflanzen – oder besser gesagt, tauschen Gase mit der Atmosphäre im Allgemeinen aus – wenn sie keine Lungen oder Kiemen haben? Der Schlüssel ist die große Oberfläche typischer Pflanzen mit Blättern. In diesem Licht sieht ein Baum gut aus, um Dinge aus der Atmosphäre zu filtern. Betrachten Sie diese beiden Bilder. Der erste ist ein Lappen einer menschlichen Lunge ³ . Der zweite ist ein Baum ... oder doch nicht?

Ich fand die Seite von John W. Kimball über den Gasaustausch in Pflanzen zugänglich und voller interessanter Informationen. Im Mittelpunkt unserer Diskussion stehen drei Tatsachen:

• Die lebenden Zellen einer Pflanze, einschließlich derjenigen im Stamm, sind nie weit von der Oberfläche entfernt.
• Die Rate (oder "Geschwindigkeit") der Atmung, dh der Kohlenhydratoxidation, ist geringer als bei Tieren. (Pflanzen verrichten keine körperliche Arbeit mit Muskeln und haben kein Gehirn, die die beiden Hauptenergieverbraucher im menschlichen Körper sind.)
• Die Photosynthese findet hauptsächlich in den dünnen Blättern statt.

Aufgrund dieser Faktoren – kleinere Gasmengen pro Zeit über kürzere Entfernungen – benötigen Pflanzen keinen großvolumigen Gastransport über große Entfernungen, wie es die meisten großen Tiere mit Blutzirkulation tun. Das Gas bewegt sich je nach Bedarf zwischen und durch die Zellen, geführt und reguliert durch Mechanismen, die in Kimballs Text detailliert beschrieben sind. Die Flüssigkeit, die durch den Stamm fließt, versorgt die Blätter in Aufwärtsrichtung mit (viel) Wasser und die lebenden Zellen nach unten mit Nährstoffen, trägt aber anscheinend nicht (viel) Gas.

Die Arbor Day Foundation hat eine schöne Seite , die die Struktur eines Baumstamms mit Informationen über die Funktion jeder Schicht beschreibt. (Ich wusste nicht, dass die Zellen im Kernholz – dem inneren Teil des Stammes – tot sind und nicht am Transport von Nährstoffen oder Wasser beteiligt sind. ¹ )

Ihre Frage scheint durch eine wahrgenommene Ähnlichkeit zwischen dem Molekül, das dem Blut seine rote Farbe verleiht, Hämoglobin, und dem Molekül, das Pflanzen ihre grüne Farbe verleiht, Chlorophyll, ausgelöst zu werden.

Beides sind zwar organische Moleküle mit eingebetteten Metallatomen, aber sie sind ziemlich unterschiedlich, sogar abgesehen von ihrer Farbe. Hämoglobin ist ein Protein mit einer ziemlich komplexen räumlichen Struktur; Schau dir das Bild auf der Wikipedia-Seite an. Es wiegt bis zu 64.000 Wasserstoffatome, hat also eine Molmasse von etwa 64.000 g/mol. Chlorophyll ist ebenfalls ein organisches Molekül, dh es hat Kohlenstoffketten und -ringe, ist aber kein Protein. (In lebenden Zellen sind Chlorophyllmoleküle in einen Proteinkomplex eingebettet und so angeordnet, dass sie zusammenarbeiten; das ist eine andere Sache.) Es faltet sich nicht im Raum, teilweise weil es nicht so groß ist. Seine Molmasse beträgt nur knapp 900 g/mol und ist damit fast 80-mal leichter als Hämoglobin. Ein Modell einer Sorte ist auf seiner zu findenAuch die Wikipedia-Seite .

Auch die Aufgaben der beiden Moleküle sind ziemlich unterschiedlich, obwohl beide mit Sauerstoff zu tun haben.

• Hämoglobin hat eine Transportaufgabe. Es bindet effizient Sauerstoff. Das schwammige, blutschwere Lungengewebe nimmt Sauerstoff auf, der sich im Blut löst und an das darin schwimmende Hämoglobin gebunden wird. Es gibt viel Hämoglobin in unserem Blut, was die Kapazität des Blutes für den Sauerstofftransport um den Faktor 70 erhöht, verglichen mit der bloßen Auflösung von Sauerstoff in Wasser (und es löst sich tatsächlich ziemlich gut in Wasser!). Hämoglobin synthetisiert also nichts, sondern transportiert lediglich Gase, hauptsächlich Sauerstoff, durch den Körper dorthin, wo sie gebraucht werden. Einige Athleten dopen, indem sie ihr eigenes Hämoglobin sammeln und es vor einem Wettkampf wieder injizieren, wodurch die Sauerstoffversorgung ihrer Muskeln erhöht wird.

• Chlorophyll transportiert keine Moleküle, sondern hebt stattdessen stark chemisch an. Es absorbiert Licht, um seine Energie durch den Mechanismus namens Photosynthese zu gewinnen. Die Details sind ziemlich kompliziert , das große Ganze jedoch nicht: Es handelt sich um eine Umkehrung der Atmung oder chemisch um eine Umkehrung der Oxidation , Reduktion genannt: Sauerstoff wird vom Wasserstoff in H ₂ O und Kohlenstoff in CO ₂ getrennt und an die abgegeben Luft. Dabei wird die gleiche Energiemenge verbraucht, die bei der Oxidation (sei es durch Feuer oder durch Verstoffwechselung in der Pflanze) freigesetzt wird. Die entstehenden sauerstoffarmen Verbindungen können später an anderer Stelle oxidiert werden, um diese Energie freizusetzen, oder als Bausteine ​​für neue Zellen verwendet werden.

_{² Es sei denn, es wird vergraben und aus der Biosphäre entfernt, versteinert zu Torf und schließlich zu Kohle, Teer und Mineralöl. Dann ist die Netto-CO 2 -Bilanz eines Pflanzenlebens zwar negativ, dh die Pflanze hat der Atmosphäre CO 2 entzogen; bis jemand die fossilen Brennstoffe abbaut, sie wieder in die Biosphäre injiziert und den früheren CO 2 -Gehalt und das ganze tropische Klima wiederherstellt, das den alten Dschungel so gut wachsen ließ.}

_{³ Aus Wikipedia, https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a1/Lungs_diagram_detailed.svg . Von Patrick J. Lynch, medizinischer Illustrator, über Wikimedia Commons. Der "Baum" ist eigentlich derselbe Lappen, gedreht und gefärbt.}

Neben den in anderen Antworten zitierten einzelligen Organismen (und der Tatsache, dass Pflanzen tatsächlich atmen) gibt es einige Tiere , die, wenn auch indirekt, Energie aus der Photosynthese durch Symbiose mit photosynthetisierenden Organismen gewinnen können. Sie können den gefleckten Salamander Ambystoma maculatum probieren :

Der gefleckte Salamander ähnelt der Meeresschnecke [einem anderen dieser Tiere] darin, dass er, um teilweise photosynthetisch zu sein, eine symbiotische Beziehung mit Algenzellen unterhält . Obwohl seit langem bekannt ist, dass zwischen dem Salamander und den Algen eine Beziehung bestand, wurde angenommen, dass es sich um eine Beziehung handelt, in der beide Organismen getrennt arbeiten. Als der Forscher Ryan Kerney jedoch eine Reihe von Fleckensalamander-Embryonen untersuchte, fand er eine hellgrüne Farbe, die aus dem Inneren ihrer Zellen kam.

Die Chloroplasten wurden in der Nähe der Mitochondrien in den Salamanderzellen gefunden, was bedeutet, dass die Mitochondrien wahrscheinlich direkt den Sauerstoff und die Kohlenhydrate verbrauchten, die durch Photosynthese* erzeugt wurden . Das Erstaunlichste an dieser Beziehung ist, dass alle Wirbeltiere ein starkes Immunsystem haben, das dazu neigt, jegliches Fremdmaterial zu zerstören, das sich in ihren Zellen befindet. Obwohl der Grund dafür unbekannt ist, macht dies den Fleckensalamander zum ersten entdeckten Wirbeltier mit der Fähigkeit zur Photosynthese.

Und laut seiner Wikipedia-Seite :

Eier von A. maculatum können eine symbiotische Beziehung mit einer Grünalge, Oophila amblystomatis, eingehen. Die Gelbeschichtung verhindert das Austrocknen der Eier, hemmt jedoch die Sauerstoffdiffusion (erforderlich für die Embryonalentwicklung). Die Oophila-Alge betreibt Photosynthese und produziert Sauerstoff im Gelee. Der sich entwickelnde Salamander verstoffwechselt somit den Sauerstoff und produziert Kohlendioxid (das dann von der Alge verbraucht wird) . Photosynthetische Algen sind in den somatischen und möglicherweise in den Keimzellen des Salamanders vorhanden .

Es sollte beachtet werden, dass dieses Tier nicht in der Lage ist, direkt Photosynthese zu betreiben, aber es ist immer noch in der Lage, Energie aus der Sonne zu gewinnen, und da es ein Wirbeltier (und kein Fisch aus der Familie der Channichthyidae) ist, hat es Hämoglobin .

Denken Sie daran, dass die plausibelste Theorie für die Entstehung von Chloroplasten , den photosynthetisierenden Organellen, in Lebensformen von Eukaryoten (auch bekannt als Organismen mit Zellkern) die Hinzufügung eines externen Organismus (wahrscheinlich ein Cyanobakterium) zur Zelle ist, da Chloroplasten (und Mitochondrien) dies getan haben ihre eigene getrennte DNA:

Mitochondrien und Chloroplasten haben sich wahrscheinlich aus verschlungenen Prokaryoten entwickelt, die einst als unabhängige Organismen lebten . Irgendwann verschlang eine eukaryotische Zelle einen aeroben Prokaryoten, der dann eine endosymbiotische Beziehung mit dem Wirts-Eukaryoten einging und sich allmählich zu einem Mitochondrium entwickelte. Eukaryotische Zellen, die Mitochondrien enthalten, verschlangen dann photosynthetische Prokaryoten, die sich zu spezialisierten Chloroplastenorganellen entwickelten

Tatsächlich können mehrere Organismen beides tun.

Ein weiteres gutes Beispiel nach der Antwort von Prince für einen Organismus, der sowohl Photosynthese als auch Atmung betreiben kann, wären Cyanobakterien.

Quelle: Photosynthese und Atmung in Cyanobakterien