2. 3 Fotosynthese und Stoffaufbau - asset.klett.de · Jonathan Millet und seine Mitarbeiter untersuchten seit 2010 den Stickstoff (N)-Gehalt und die Stickstoff (N)-Aufnahme von Drosera-Pflanzen

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Ernährung von Tieren und Pflanzen [SB S. 114/115]

2. 3 Fotosynthese und Stoffaufbau

[zu SB S. 114/115]

1 Erklären Sie die Bedeutung der unterschied-lich farbigen Pfeile in Abb. 1. Die unterschiedlich farbigen Pfeile deuten auf Vorgänge hin, die nur bei Pflanzen oder nur bei Tieren ablaufen. Beispielsweise nehmen Tiere und Pflanzen Sauerstoff auf, aber nur Pflanzen geben auch Sauerstoff ab.

2 Erläutern Sie die Begriffe „heterotroph” und „autotroph” am Beispiel von zwei selbst ge-wählten Organismen. Nutzen Sie dazu auch Abb. 1. Z. B.: Ein Apfelbaum stellt die benötigten Nährstoffe mithilfe von Licht selbst her. Von außen nimmt er dazu Wasser, Kohlenstoff‑ dioxid und Mineralstoffe auf. Ein Hase kann die benötigten Nährstoffe nicht selbst herstel‑len und muss sie mit der Nahrung aufnehmen. Ein Apfelbaum ist ein autotropher, ein Hase ein heterotropher Organismus.

3 Erläutern Sie das Basiskonzept Stoff- und Energieumwandlung am Beispiel der Foto-synthese. Pflanzen bilden mithilfe der Lichtenergie in den Fotosynthesereaktionen den energetisch nutzbaren Stoff Glucose.

Lösungen

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[zu SB S. 115: Extra]

Stellen Sie Gemeinsamkeiten und Unter-schiede von Voll- und Halbparasiten in einer Tabelle dar. Gemeinsamkeiten: Voll‑ und Halbparasiten‑pflanzen benötigen eine Wirtspflanze; ein Teil der benötigten Stoffe wird der Wirtspflanze entzogen. Unterschiede: Halbparasitenpflanzen neh‑men von ihrer Wirtspflanze meist nur Wasser und Mineralstoffe auf, betreiben aber selbst Fotosynthese; Vollparasitenpflanzen entziehen ihrer Wirtspflanze auch Nährstoffe, betreiben also nicht selbst Fotosynthese.

So können Sie mit dem Thema arbeiten

Einstieg/Motivation Leitfrage Welche Bedeutung hat der Insektenfang für den Sonnentau?Methodenauswahl • Der Einstieg kann über die Demonstration einer mitgebrachten oder selbst gezogenen

Sonnentau-Pflanze erfolgen • Demonstration einer Filmsequenz des Insektenfangs bei einer Sonnentaupflanze (s. Litera-

tur- und Medienhinweise, Lehrerband S. 190).

Erarbeitung • Die Grundlagen der Ernährung bei Tieren und bei Pflanzen (Schülerbuch S. 114/115) sollten die Schülerinnen und Schüler vorab geklärt haben.

• In einem Lehrer-Schülergespräch sollte die Besonderheit der Ernährungsweise von Karnivo-ren-Pflanzen besprochen werden. Vor allem sollten hier schon die Fehlvorstellungen, die mit „fressen“ verbunden werden.

• Bearbeitung des Arbeitsblatts „Der Sonnentau — Tier oder Pflanze?“ (s. Lehrerband S. 191) in Kleingruppen mit anschließender Diskussion der Ergebnisse im Plenum.

Sicherung Die Schülerinnen und Schüler fassen die Ergebnisse in schriftlicher Form zusammen.

Vertiefung Vergleich des Sonnentaus mit einer Kannenpflanze.

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Filme: Hartmeyer, Siegfried: Sonnentau fängt Fliegen (Video, SWR, 00 : 27 min), 21.06.2016. http://www.planet-wissen.de/video-sonnntau-faengt-fliegen-100.html.

Willers, Thomas: Zwischen Sonnentau und Torfmoos — Überleben im Hochmoor (Video, SWR, 11 : 36 — 12 : 53), 2003. https://www.planet-schule.de/sf/php/sendungen.php?sendung=745.

Darwin, Charles: Insectenfressende Pflanzen. Aus dem Englischen übersetzt von Carus, J. Victor; E. Schweizerbart’sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1876. Scan: http://darwin-online.org.uk/converted/pdf/1876_InsectenfressendePflanzen_F1238.pdf.Millett, Jonathan; Svensson, Brita M.; Newton, Jason; Rydin, Håkan: Reliance on prey-derived nitrogen by the carnivorous plant Drosera rotundifolia decreases with increasing nitrogen deposition. In: New Phytologist 195, 2012, S. 182 —188. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2012.04139.x/full.Weidner, M.: Fleischfressende Pflanzen (Carnivore): Strategien, Strukturen, Funktionen. 27.11.2014. http://www.mikroskopie-bonn.de/_downloads/141120_MKB_Vortrag_Carnivore_Pflanzen_Weidner.pdf.

Literatur- und Medienhinweise

Der Sonnentau ist eine rosettenbildende, krautig wachsende Karnivore (fleischfressende Pflanze). Die kleinsten bekannten Arten werden nicht höher als 1 cm, die größten dieser Karnivoren können eine Wuchshöhe von 1 m erreichen.

Die größten Vorkommen des Sonnentaus gibt es in Südafrika, Südamerika, Kanada und Aus-tralien. Einige Arten haben sich im Laufe ihrer Entwicklung so stark spezialisiert, dass sie im Boden gebundene Nitrate nicht mehr mit dem

Wurzelsystem aufnehmen können. Vor allem die Zwergformen sind auf die Aufnahme von Stick-stoff durch gefangene Insekten angewiesen.

Drosera rotundifolia und Drosera intermedia und der langblättrige Sonnentau (Drosera anglica) sind die einzigen in Europa heimischen Vertreter, die in nährstoffarmen Mooren zu finden sind. Zahlreiche Arten sind durch Eingriffe des Men-schen in die Natur in ihrem Bestand gefährdet.

Zusatzinformation

Es ist beeindruckend, sich ein Blatt der Drosera mit dem Binokular und mit dem Mikroskop an-zuschauen. Bei Interesse können Darwins Fütte-rungsversuche von Drosera mit Fleisch, Ei, Milch

etc. nachgestellt werden (Referat, Facharbeit). Über den Fachhandel und teilweise sogar im Baumarkt sind Zuchtformen leicht zu beziehen.

Praktische Tipps

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191© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2017 | www.klett.de | Alle Rechte vor-behalten.Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.

Illustrator: Wolfgang Herzig, Essen

Der Sonnentau — Tier oder Pflanze?

Der Rundblättrige Sonnentau (Drosera rotundifolia) ist eine heimische, geschützte Hochmoorpflanze (Abb. 1). Sie besiedelt sonnige, feuchte Stand-orte in dem mineralstoffarmen Moorgebiet, in dem die meisten Pflanzen nicht überleben können. Auf ihren hellgrünen Blättern befinden sich rötliche Tentakel, die an ihrer Spitze glitzernde, klebrige Tropfen ausscheiden. Kleine Insekten, z. B. Fliegen und Mücken, werden von diesen angelockt und kleben an ihnen fest. Sie werden von den Ten-takeln aktiv umschlossen und bis auf die Chitinhülle aufgelöst (Abb. 2).

Charles Darwin war der erste, der 1876 in seinem Buch „Insectivorous Plants“, ausführlich das Fangverhalten der Drosera und seine Schlussfolgerungen beschrieb.

„… Die Aufsaugung animaler Substanz aus den gefangenen Insecten erklärt es, wie Drosera in auszerordentlich armem torfigen Boden gedeihen kann. … Von einer Drosera-Pflanze … kann man sagen, dasz sie sich wie ein Thier ernährt. Aber verschieden von einem Thier trinkt sie mit ihren Wurzeln; … Ich machte eine ungeheure Menge Versuche, indem ich … Theilchen von ver-schiedenen Substanzen [z.B. Kohle, Papierkügelchen, Glas, Eiweiß, Fleisch] … auf die zähe Absonderung der Drüsen der äuszeren Tentakeln legte. … [So] veranlaszten kleine Stückchen …, dasz die Tentakeln in einer Zeit von 5 bis 56 Minuten stark eingebogen wurden. …[Bei Experimenten] mit nicht stickstoffhaltigen Flüssigkeiten [Öl, Zuckerlösung, Alkohol]…: die Tentakeln wurden nicht in einem einzigen Falle eingebogen. … [Bei] stickstoffhaltigen Flüssigkeiten [Milch, Eiklar, Fleischsaft] … waren … die Tentakeln … eingebogen. … Wir können daher schlieszen, dasz das Secret … sauer wird …, nachdem die Tentakeln begonnen haben, sich über irgend einen unorganischen oder organischen Körper zu biegen … . Aus diesen Versuchen geht deutlich hervor, dasz die abgesonderte Flüssigkeit das Vermögen hat, Eiweisz aufzulösen, und wir sehen ferner, dasz, wenn ein Alkali zugesetzt wird, der Verdauungsprocesz zum Stillstand gebracht wird, dasz er aber sofort wieder beginnt, sobald das Alkali durch schwache Salzsäure neutralisirt wird. … Endlich zeigen uns die … Experimente, dasz eine merkwürdige Übereinstimmung besteht zwi-schen dem Verdauungsvermögen des Magensaftes von Thieren mit seinem Pepsin und seiner Salzsäure und dem des Secrets der Drosera mit seinem Ferment und seiner … Säure. Wir können daher kaum daran zweifeln, dasz das Secret in beiden Fällen sehr ähnlich ist, wenn es nicht identisch dasselbe ist. …“

3 Auszüge aus Darwins Werk Insectivorous Plants

Drosera-Pflanzen

Hochmoor in

mittlere Niederschlags-menge (mm/a)

N-Eintrag (Abgase) (g(N) m-2/a)

Trockenmasse (mg/Pflanze)

N-Gehalt gesamt (µg/Pflanze)

N-Aufnahme durch Wurzeln (µ/11 g Pflanze)

N-Aufnahme durch Beute (µ/11 g Pflanze)

% N-Aufnahme durch Beute (µ/11 g Pflanze)

Nord-schweden

1652 0,194 15,83 160 48 67 58

Süd- schweden

1199 1,130 17,20 170 85 40 32

2 Insektenfang des Sonnentaublatts1 Sonnentau‑Pflanze

4 Stickstoffangebot und Stickstoffaufnahme

Jonathan Millet und seine Mitarbeiter untersuchten seit 2010 den Stickstoff (N)-Gehalt und die Stickstoff (N)-Aufnahme von Drosera-Pflanzen in verschiedenen Hochmooren. Dafür unterschieden sie die Herkunft des Stickstoffs durch Isotopenanalyse (15N/14N). Sie bemerkten dabei, dass Drosera-Pflanzen bei viel Stickstoffangebot im Boden weniger wirksame Klebetröpfchen an den Tentakeln aufwiesen.

1 Vergleichen Sie tabellarisch die Eiweißverdauung und –resorption beim Menschen nach den Kriterien: Verdauungsort, Sekret, Funktion, Resorptionsort mit den Erkenntnissen von Darwin (Abb. 3).

2 Fassen Sie die Untersuchungsergebnisse aus Abb. 4 zusammen und deuten Sie diese.

3 Erläutern Sie, ob der Sonnentau sich wie ein Tier heterotroph oder wie eine Pflanze autotroph ernährt.

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ARBEITSBLATT Der Sonnentau — Tier oder Pflanze?Lösungen 1

2 In Nordschweden fallen weniger Niederschläge mit geringerem Anteil von Stickstoff-verbindungen als in Südschweden, wo mehr Abgase vorhanden sind. Demnach sind die Böden in Nordschweden mineralstoffärmer. Pflanzen werden bei dem hohen Stickstoff-angebot in Südschweden deutlich größer und schwerer (3-fache Biomasse) und enthal-ten entsprechend die 3-fache N-Menge, verglichen mit den Pflanzen im Norden. Auffällig ist, dass die Pflanzen im Süden ihren Stickstoff zum Stoffaufbau deutlich bevorzugt aus dem Boden, weniger aus dem Insektenfang beziehen. Es ist dabei zu vermuten, dass ein entsprechend geringerer Phosphorgehalt (aus dem Eiweißabbau) vorhanden ist. Das bedeutet, dass in einer durch anthropogene Abgase (NOx) veränderten Umgebung mit höherem Stickstoffgehalt ein verringerter Beutefang von Drosera im Ökosystem festzu-stellen ist, was sich auf andere Wechselbeziehungen auswirken kann.

3 Die Drosera-Pflanze betreibt Fotosynthese, sie ist C-autotroph. Der zusätzliche Gewinn von Mineralstoffen aus Tieren (N-heterotroph) ist am natürlichen Standort ein Vorteil gegenüber konkurrierenden Pflanzen.

Zusatzinformation Drosera-Pflanzen sind nicht obligat N-heterotroph, sondern fakultativ N-heterotroph.

Weitere Beispiele für fleischfressende Pflanzen: • Fettkraut (Pinguicula) mit Klebefallen (vgl. Drosera)• Kannenpflanze (Nepenthes) mit Fallgrubenfallen• Reusenfallenpflanze (Genlisea) mit Reusenfallen• Schlauchpflanze (Sarracenia) mit Schlauchfallen• Venusfliegenfalle (Dionea) mit Klappfallen• Wasserschlauch (Utricularia) mit Saugfallen


Kriterium Mensch Drosera

Verdauungsort a) Magen b) Dünndarm

Blattoberfläche

Sekret a) saurer Magensaft mit Salz- säure und Pepsin b) alkalischer Dünndarmsaft mit

Enzymen

saures Sekret mit eiweißabbau-endem Enzym in Tentakeln

Funktion Eiweißabbau Eiweißabbau

Resorptionsort Dünndarm Tentakel

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2 Stoffwechsel 193NATURA_LB Oberstufe_049133



Einstieg/Motivation LeitfrageWie ist der funktionelle Zusammenhang der Pflanzenorgane beim Wasser- und Nährstofftrans-port?Methodenauswahl• Der Einstieg kann mithilfe eines Bildes von einem großen Baum und einer Möhre erfolgen.• Problematisiert werden kann hieran, welche Bedeutung die Fotosynthese für die gesamte

Pflanze hat und welche Bedeutung die jeweiligen Pflanzenteile unter dem Aspekt des Stoff- und Energiehaushalts der Pflanzen haben.

• Der Einstieg kann auch mit einem Demonstrationsexperiment beginnen. Hierzu eignet sich z. B. das Experiment 2 (s. Lehrerband S. 218). Bei diesem kann erarbeitet werden, dass neben der Kohlenstoffdioxidaufnahme auch die Wasserabgabe über die Blätter erfolgt.

• Der Wassertransport und die Regulation über die Blätter sowie der Glucosetransport können daran problematisiert werden.

Erarbeitung • Experimente zur Untersuchung des Wassertransports der Wasserabgabe über die Blätter und die Stomata (Experimente 1 — 3, s. Lehrerband S. 194) können in Gruppen durchgeführt werden. Inhaltliche Informationen finden sich auf der Schülerbuchseite. Einen Überblick zu den verschiedenen Funktionen ermöglicht die Erarbeitung des Arbeitsblatts „Zusammenspiel der Pflanzenorgane — Grundlage der Ernährung” (s. Lehrerband S. 195).

• Zu einem tieferen Verständnis der Zusammenhänge sind auch die Kenntnisse der Osmose und des aktiven Transports notwendig. Eine eigenständige Wiederholung und eine kurze Besprechung sind notwendig und führen zu einer stärkeren inhaltlichen Vernetzung.

• Zur Erklärung der Adhäsion sind die Kenntnisse zum Aufbau des Wassermoleküls und der Dipolwirkung notwendig. Die Zusammenhänge können eigenständig wiederholt werden.

Sicherung Bei der Besprechung der Versuchsergebnisse und durch das Sammeln der daraus gefolgerten Erkenntnisse kann die Thematik noch einmal problematisiert werden.

Vertiefung Eine Vertiefung kann durch die Besprechung der verschiedenen Faktoren zur Regulation der Stomata erfolgen. Hieran kann auch verdeutlicht werden, dass naturwissenschaftliche Erkennt-nisse nicht nur einen Lösungsweg ermöglichen.

[zu SB S. 116/117]

1 Erstellen Sie eine Tabelle zu den Strukturen der Blätter und ihren jeweiligen Funktionen. siehe Tabelle

Lösungen

0 2 Stellen Sie eine Hypothese auf, weshalb ein Buchenblatt nur auf der Blattunterseite Stomata besitzt, nicht aber auf der Blatt-oberseite. Aufgrund höherer Sonneneinstrahlung und Temperatur auf der Blattoberseite wäre der Wasserverlust durch Transpiration bei geöffne‑ten Stomata auf der Blattoberseite wesentlich höher.

3 Stellen Sie in einem Schema dar, welchen Einfluss die Faktoren Licht, Wasser und Versorgung mit Kohlenstoffdioxid auf die Öffnungsweite der Stomata haben. mehrere Lösungen möglich, z. B.: siehe Schema

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Zusammenwirken der Pflanzenorgane [SB S. 116/117]

Struktur Funktion

Epidermis mit Kutikula Verdunstungsschutz

Palisadengewebe enthält die meisten Chloroplasten, Hauptort der Fotosyn-these

Schwammgewebe Gasdiffusion (Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff) zwischen Zellen der Gewebe

Spaltöffnungen Gasaustausch mit der Umgebung (Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Wasserdampf)

Leitbündel Transport zwischen Pflanzenorganen (Xylem: Wasser und Mineralstoffe, Phloem: Nährstoffe)

je mehrLicht

desto höherFS-Rate

desto höher muss sein

dann sinkt

CO2-Versor-gung

Öffnungsweite Stomata

Wasserdesto größer

desto geringer

desto höher Transpiration

desto kleiner

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Weiler, Elmar; Nover, Lutz: Allgemeine und Molekulare Botanik, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2008Nabors, Murray W.: Botanik, Pearson Studium, München 2007Mohr, Hans; Schopfer, Peter: Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, Springer Verlag, Berlin 1985


StomatabewegungDie Stomatabewegung wird über verschiedene Faktoren ausgelöst.

Im Tagesverlauf öffnen sich die Stomata bei Tagesanbruch, wenn bei Sonneneinwirkung die Fotosynthese beginnt und dadurch die Kohlen-stoffdioxidkonzentration im Blatt geringer wird.

Gleichzeitig nimmt der Anteil des Blaulichtes mit der Sonnenintensität zu. Die Stomata bleiben bis zum Eintreten der Dunkelheit geöffnet. Zu einem Schließen der Stomata kann es jedoch im Tagesverlauf auch durch Stressbedingungen wie höhere Temperaturen oder Wassermangel kommen. Abscisinsäure ist auch für das Öffnen und Schließen der Stomata verantwortlich. Sie wird in den Wurzeln gebildet, wenn der Boden trockener wird und anschließend in die Blät-ter transportiert. Abscisinsäure verändert den Turgor in den Schließzellen der Stomata. Bei höherer Konzentration verlieren die Schließzel-len Wasser und schließen sich dadurch. Sinkt die Konzentration von Abscisinsäure in den Blättern, wird wieder Wasser in die Schließzellen der Stomata aufgenommen und diese öffnen sich.

Zusatzinformation

Messungen zur Verdunstung und WassertransportExperimente zur Verdunstung und zum Transport in Pflanzen können mit geringem Aufwand und geringen Materialkosten durchgeführt werden.

Experiment 1Fragestellung: Wird Wasser im Spross transpor-tiert?Material: Selleriestange, 2 Wassergläser, Wasser, Lebensmittelfarbe rot und blau (z. B. Eierfarbe)Durchführung: Zwei Bechergläser werden ca. zur Hälfte mit Wasser gefüllt sowie rote bzw. blaue Lebensmittelfarbe zugegeben und verrührt, bis sich das Wasser intensiv färbt. Die Selleriestange wird etwa bis zur Hälfte mit dem Messer gespal-ten und in das gefärbte Wasser gestellt, eine Stielhälfte in das rot gefärbte Wasser, die andere Hälfte in das blau gefärbte Wasser. Dieser Ver-suchsaufbau bleibt über Nacht stehen.Auswertung: Notieren Sie Ihre Beobachtungen zu Beginn und nach mehreren Stunden. Schneiden Sie hierzu die Selleriestange an verschiedenen Stellen quer durch. Erläutern Sie mithilfe desSchulbuches das Versuchsergebnis.

Experiment 2Fragestellung: Wird Wasser an der Blattoberflä-che abgegeben?Material: Zimmerpflanze mit großen grünen Blättern, 1 durchsichtiger Gefrierbeutel (Plastik-tüte), BindfadenDurchführung: Eine Plastiktüte wird über einen Zweig der Zimmerpflanze gestülpt, sodass sich einige der Blätter in der Tüte befinden. Die Tüte wird mit einem Bindfaden möglichst luftdicht

am Zweig befestigt. Achten Sie darauf, dass Sie den Zweig mit dem Faden nicht abschnüren. Der Versuchsaufbau bleibt über Nacht stehen.Auswertung: Notieren Sie Ihre Beobachtungen zu Beginn und nach mehreren Stunden. Erläutern Sie die Bedeutung des beobachteten Phänomens.

Experiment 3Fragestellung: Wird Wasser von der Blattoberseite oder Blattunterseite abgegeben? Wird Wasser vom Stängel abgegeben?Material: Beblätterte Zweige, z. B. Flieder oder Bohnen, 6 Messzylinder (100 ml), Vaseline, SpeiseölDurchführung: Schneiden Sie 5 gleich große Zweige mit derselben Anzahl von etwa gleich großen Blättern. Stellen Sie entsprechend den folgenden Angaben die Zweige in die mit 70 ml Wasser gefüllten Gefäße.a) Kontrollprobe ohne Zweigb) Zweig, von dem die Blätter entfernt wurdenc) Zweig mit unbehandelten Blätternd) Zweig mit Blättern, deren Unterseiten dünn

mit Vaseline bestrichen wurdene) Zweig mit Blättern, deren Oberseiten dünn

mit Vaseline bestrichen wurdenf) Zweig mit Blättern, deren Ober- und Unter-

seiten dünn mit Vaseline bestrichen wurden. Geben Sie auf die Wasseroberfläche eine dünne, geschlossene Schicht Speiseöl.

Auswertung: Messen Sie über mehrere Tage alle 24 Stunden den jeweiligen Wasserspiegel in den 6 Gefäßen. Stellen Sie die Veränderungen grafisch dar. Interpretieren Sie die Versuchser-gebnisse mithilfe des Schulbuches.

Praktische Tipps

Beeinflussung des Öffnungszustands von Stomata

Faktor Spalten öffnen sich Spalten schließen sich

Licht Rotlicht und Blaulicht Dunkelheit

Temperatur < 25 °C > 25 °C

CO2-Partialdruck im Blatt niedrig hoch

Wasserversorgung ausreichend niedrig

• Zusätzliches ARBEITSBLATT: „Die Spaltöffnungsbewegung ist regulierbar“ Kapitel 2: Stoffwechsel; 2. 3 Fotosynthese und Stoffaufbau

Daten auf DVD &

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Blatt-epidermis

XylemH2OH2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2OH2O

H2O

H2OH2O

H2O

H2O

H2O

Blatt-epidermis

Wurzel-epidermis

Kutikula

Wurzel-gewebe

SchließzelleStoma

Erdpartikel

Wurzel-haar

Boden

Blatt-gewebe

H2O

Zusammenspiel der Pflanzenorgane — Grundlage der Ernährung

Der Nachweis über den Wassertransport und die Transportge-schwindigkeit konnte mithilfe von Experimenten nachgewiesen werden. Hierzu verwendete man fluoreszierende Farbstoffe. Die Farbstoffe können mithilfe von Schnitten durch das pflanzliche Gewebe nachgewiesen werden. Die fluoreszierenden Farbstoffe leuchten im UV-Licht unter dem Mikroskop. Eine weitere Mög-lichkeit, den Transport zu untersuchen, sind Blattläuse. Diese zapfen bevorzugt das Phloem an.

1 Beschreiben Sie Abb. 1. Gehen Sie hierbei auf die Bedeutung der einzelnen Pflanzenorgane ein.

2 Erläutern Sie anhand der Abb. 1 und des Schulbuchtextes den dargestellten Vorgang. Informieren Sie sich über den Aufbau des Wassermoleküls und den Zusammenhang zu den Adhäsionskräften beim Wassertransport.

3 Beschreiben Sie Abb. 2. erklären Sie den Vorgang 1 und 2. Gehen Sie hierbei auf osmotische Vorgänge und deren Bedeutung für den Stofftransport ein.

4 Erläutern Sie in Abb. 2 die Schritte 3 und 4 und stellen Sie den gesamten Vorgang am Beispiel der Möhre dar.

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Wasser Geleitzelle

Geleitzelle

Wurzelzelle

Blattzelle Chloro-plast

Saccharose

Gef

äß d

es X

ylem

s

Gef

äß d

es P

hloe

ms

1

2

34

1 Wassertransport in Pflanzen 2 Zuckertransport in Pflanzen

Der Phloemsaft enthält bis zu 20 % an Zucker, von dem sich die Blattläuse ernähren. Die Blattläuse stecken ihre trinkhalmartigen Stechborsten in die Gefäße des Phloems. Der Druck im Phloem drückt die zuckerhaltige Lösung direkt in den Darm. Entfernt man die Tiere von den Stechborsten tritt der Phloem-saft aus und kann untersucht werden.

Die Fragestellung nach dem Transport der Zucker als Fotosyntheseprodukte innerhalb einer Pflanze, wurde mithilfe von Experimenten mit radioaktiven Substanzen untersucht. Bohnenpflanzen wurden mit 14C-markiertem Kohlenstoffdioxid begast und belich-tet. Anschließend wurde untersucht, welcher Zucker markiert und transportiert wird.

Gleichzeitig wurde untersucht, wo innerhalb der Pflanze der markierte Zucker zu finden ist. Die Ergeb-nisse mit der Tracermethode zeigten eindeutig, dass Saccharose der transportierte Zucker ist, der in den Gefäßen des Phloems nachzuweisen ist. Der Trans-port von den Blattzellen in die Gefäße des Phloems benötigt Energie.

Es handelt sich hierbei um einen aktiven Transport über Carrier. Ebenso ist der Transport aus dem Phloem in die Geleitzellen und die Wurzelzellen energieabhängig. Das Wasser wird durch die jewei-ligen osmotischen Vorgänge aufgenommen oder abgegeben.

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196 NATURA_LB Oberstufe_049133 Illustrator: Wolfgang Herzig, Essen

ARBEITSBLATT Zusammenspiel der Pflanzenorgane — Grundlage der Ernährung

Lösungen 1 In Abb. 1 ist eine Pflanze dargestellt und jeweils Ausschnitte zum Überblick des Wasser-transports. Im Boden wird über die Wurzelhaare das Wasser aufgenommen. Dies gelangt über das Wurzelgewebe in die Xylemgefäße, die bis in das Blattgewebe reichen. Im Blatt gelangt das Wasser in das Blattgewebe und kann über die Stomata verdunsten.

2 Der Vorgang des Wassertransports, der mithilfe von Fluoreszensstoffen nachgewiesen wurde, wird durch den Transpirationssog ermöglicht. Eine intensive Wasseraufnahme und dadurch auch die Mineralstoffaufnahme ist nur bei einer optimalen Transpiration im Blattwerk möglich. Die Wassermoleküle hängen dabei zusammen, da sie kleine Dipole darstellen, deren positive und negative Teilladungen (Partialladungen) sich gegenseitig anziehen. Die Teilladungen kommen durch die unterschiedliche Elektronegativität von Wasserstoff und Sauerstoff zustande.

3 In Abb. 2 ist der Zuckertransport vom Blatt zur Wurzel als Ausschnitt dargestellt. Mithilfe von radioaktiv markiertem Kohlenstoffdioxid, das bei der Fotosynthese in Glucose einge-baut wird, und der Blattlaustechnik konnte man den Transport durch die Phloemgefäße nachweisen und untersuchen. In Punkt 1 wird die im Blatt gebildete Saccharose aktiv aus der Geleitzelle in das Gefäß des Phloems transportiert. Die Konzentration erhöht sich im Phloemgefäß und dadurch erfolgt osmotisch ein Ausgleich über die Wasseraufnah-me aus dem Xylem in das Phloem. Hierdurch entsteht ein Wasserdruck (Punkt 2). Der Phloemsaft fließt durch das Gefäß. Der aktive Transport erfolgt, um die Konzentration im Phloemgefäß zu erhöhen. Durch den Konzentrationsausgleich kommt es zur Wasserbe-wegung im Phloem.

4 In Punkt 3 wird der Zucker aktiv über die Geleitzelle in die Wurzelzelle transportiert. Die Zuckerkonzentration im Phloem sinkt dadurch in diesem Abschnitt sehr stark ab. Das Wasser wird osmotisch bedingt wieder in das Xylem abgegeben.

Zusatzinformation Ergänzende Materialien zum vertiefenden UnterrichtDer aktive Transport wurde im Thema „Biomembran” behandelt. Hier besteht nun eine gute Möglichkeit der Vertiefung und Vernetzung. In Abb. 1 ist die aktive Beladung des Phloems vom Blatt her dargestellt. Über den apoplastischen Weg erfolgt der Transport entlang eines Konzentrationsgefälles passiv. Der aktive Transport, die Beladung, findet in den Geleitzellen statt. Es handelt sich um einen Symport der Protonen und der Saccharose. Über die Plas-modesmen gelangt die Saccharose aus den Geleitzellen in die Siebröhren. In Abb. 2 ist eine Blattlaus dargestellt, deren Stechborste bis in das Phloem reicht. Diese Abbildung kann als Ergänzung bei der Erarbeitung des Arbeitsmaterials genutzt werden.


1 Beladung des Phloems mit Saccarose

2 Blattlaus an einer Pflanze

3 Saccharose (Strukturformel)

Saccharose

Saccharose

Phloemparenchymzelle

Apoplast

Geleitzelle

Mitochondrium

Siebröhre

nH+ H+

ADP ATP+Pi

H+

Aminosäuren

SaccharoseAminosäuren

Mesophyll-zellen

Bündelscheiden-zellenPhloem-zelle

apoplastisch

symplastisch

Geleitzelle

Siebröhre

H+

H+

Stechborste

Blattlaus

Xylem

Phloem

HO OOH

OH OH

OO

HO CH2OH

CH2OH CH2OH

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Einstieg/Motivation Leitfrage Wie verlief der historische Erkenntniszuwachs in Bezug auf die Fotosynthese?Methodenauswahl• Demonstration von Abbildungen der in den Texten erwähnten Forscher.• Das Arbeitsblatt „Historische Meilensteine in der Entdeckungsgeschichte der Fotosynthese“

(s. Lehrerband S. 197) kann parallel oder im Anschluss zu der Versuchsdurchführung genutzt werden, um eventuelle Wartezeiten zu überbrücken.

Erarbeitung • Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt „Historische Meilensteine in der Entdeckungsgeschichte der Fotosynthese“ (s. Lehrerband S. 199) in Kleingruppen mit ab-schließender Präsentation im Plenum.

• Arbeitsteilige Bearbeitung der Versuche (Schülerbuch S. 118/119) in Kleingruppen mit ab-schließender Präsentation der Ergebnisse im Plenum.

Sicherung Zusammenfassung der Ergebnisse nach erfolgter Fehlerdiskussion in schriftlicher Form.

Vertiefung Sammlung noch offener Fragen und Details, die in den folgenden Unterrichtsstunden geklärt werden.

[zu SB S. 118/119]

1 Protokollieren Sie die Versuchsergebnisse und werten Sie sie hinsichtlich der Kohlen-stoffdioxidaufnahme und der Sauerstoff- abgabe bei der Fotosynthese aus. Im Ansatz mit Mineralwasser färbt sich die Lösung um die Pflanze herum sehr schnell und stark blau, im Ansatz mit destilliertem Wasser wesentlich langsamer und weniger stark. Im Ansatz mit Mineralwasser ist wesentlich mehr Kohlenstoffdioxid im Wasser gelöst. Durch Auf‑nahme ist die Fotosyntheserate hier wesentlich höher, es wird mehr Sauerstoff gebildet, die Lösung färbt sich schneller und stärker blau.

2 Planen Sie einen Kontrollansatz, führen Sie ihn durch und werten Sie ihn aus. Ein Kontrollansatz ist z. B. ohne Pflanze mit und ohne Ölschicht möglich. So kann kont‑rolliert werden, ob die Blaufärbung durch die Sauerstoffabgabe der Pflanze entsteht.

3 Werten Sie den ersten Versuchsteil hinsicht-lich des Einflusses der Lichtintensität auf die Fotosynthese aus. Je größer die Lichtintensität, desto mehr Gas‑blasen entstehen, desto höher ist die Fotosyn‑theserate.

4 Leiten Sie aus den Ergebnissen des zweiten Versuchsteils Tipps für eine optimale Beleuch-tung von Pflanzen ab. Bei blauem und rotem Licht ist die Anzahl der Gasblasen und damit die Fotosyntheserate am höchsten, bei gelbem und grünem Licht am niedrigsten. Pflanzen werden für optimales Wachstum am besten mit rotem und blauem Licht beleuchtet.

Lösungen

5 Formulieren Sie je eine Fragestellung für die Versuche mit Geranienblättern und Buntnes-selblättern, die mit dem Versuch überprüft werden kann. Geranienblätter: Ist die Stärkebildung nur mithilfe von Licht möglich? Buntnesselblätter: Ist die Stärkebildung nur in chlorophyllhaltigen Blattteilen möglich?

6 Begründen Sie das Vorgehen, beide Pflanzen zunächst zwei Tage ins Dunkle zu stellen. Dadurch wird gewährleistet, dass in den Versuchen nachgewiesene Stärke fast nur aus den zwei Tagen intensiver Beleuchtung stammt und nicht vorher vorhanden war.

7 Werten Sie die Versuchsergebnisse hinsicht-lich Ihrer Fragestellungen aus. Gehen Sie dabei auf die unterschiedlichen Erkenntnisse ein, die die Versuche mit Geranienblättern bzw. panaschierten Blättern zeigen. Bei den Geranienblättern ist nur in den Blatt‑teilen ohne Aluminiumfolie Stärke nachweis‑bar. Ohne Licht ist also keine Fotosynthese und damit Stärkebildung möglich. Bei den Buntnes‑selblättern ist nur in den farbigen Blattteilen ohne Aluminiumfolie Stärke nachweisbar, in weißen Blattteilen nicht. Neben Licht ist auch Chlorophyll für die Fotosynthese eine Voraus‑setzung.

8 Stellen Sie die Messergebnisse grafisch dar. individuelle Lösung, grundsätzlich gilt der Zusammenhang: Je höher die Lichtintensität, desto höher der Sauerstoff‑ und niedriger der Kohlenstoffdioxidgehalt.

Praktikum: Fotosynthese [SB S. 118/119]

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Film: Fotosynthese 4602832 FWU 2012

Govindjee/Krogmann, David: Discoveries in oxygenic photosynthesis (1727 — 2003): a perspective. In: Photosynthesis Research, Vol. 80, 2004, S. 15 — 57Richter, Gerhard: Stoffwechselphysiologie der Pflanzen. Georg Thieme Verlagsgruppe. Stuttgart, New York, Delhi, Rio, 6. Auflage 1998, S. 67 — 69


Als Ergänzung zum Versuch „Nachweis der Stärkebildung“ kann der Versuch „Nachweis von Glucose“ mit Schnittlauchblättern durchgeführt werden.

Nachweis der GlucoseZum Nachweis kann die Fehlingprobe (Achtung, Gefahrenhinweise beachten!) oder Glucose-Test-stäbchen (Apotheke) verwendet werden.

Einige belichtete Blätter werden zerkleinert, mit Seesand zermörsert, mit Wasser aufgeschlämmt und filtriert. Mit Blättern, die 1 bis 2 Tage un- belichtet blieben, wird genauso verfahren. Im Filtrat der belichteten Blätter ist Glucose nach-weisbar.

Zusatzinformation

Die Zeitleiste kann im Verlauf der Unterrichtsreihe fortlaufend ergänzt werden.Praktische Tipps

9 Vergleichen Sie die Messergebnisse zu den unterschiedlichen Versuchsbedingungen (z. B. hell, halbdunkel, dunkel). individuelle Lösung, grundsätzlich gilt der Zusammenhang: Je höher die Lichtintensität, desto höher der Sauerstoff‑ und niedriger der Kohlenstoffdioxidgehalt.

10 Werten Sie die Messergebnisse unter Berücksichtigung der gewählten Bedingun-gen aus. Bedenken Sie dabei auch mögliche Fehlerquellen. Geht der Einfluss von Tageslicht aus, sollten die Sauerstoffwerte vormittags steigen, abends wieder sinken (für Kohlenstoffdioxid umgekehrt). Bei Abdunklung sinken die Sau‑erstoffwerte, die für Kohlenstoffdioxid steigen. Zufällig an‑ oder ausgeschaltetes Raumlicht kann die Messwerte beeinflussen, ebenso starker Sonnenschein oder starke Bewölkung. Werden Vergleichsmessungen in mehreren Kammern gleichzeitig durchgeführt, sollten die Versuchspflanzen möglichst gleich groß gewählt werden und die übrigen Bedingungen gleich gehalten werden.

Lösungen

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Illustrator: Stefan Leuchtenberg, Augsburg

Historische Meilensteine in der Entdeckungsgeschichte der Fotosynthese

1 Entdeckungen in der Geschichte der Fotosynthese

1 Stellen Sie eine Zeitleiste mit den wichtigen Entdeckungen zur Fotosynthese auf.

2 Ordnen Sie den Komponenten der Fotosynthesegleichung die Entdeckungen der Forscher zu.

3 Ordnen Sie die Versuche von Schülerbuch S. 118/119 so weit möglich den Forschern zu.

4 Stellen Sie den Erkenntniszuwachs in dem beschriebenen Zeitraum der Fotosyntheseforschung dar.

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1774: Antoine de Lavoisier (F)Er experimentierte unter anderem mit Oxiden und mit Wasser. Er unter-suchte die menschliche Atmung und beschrieb als einer der Ersten das Element Sauerstoff.

1862: Julius von Sachs (D) Er wies nach, dass nur in Blattteilen, die der Sonne ausgesetzt waren, bei der Fotosynthese Stärke gebildet wird. Dafür machte er das Chlorophyll der Chloroplasten verantwortlich.

1864: Jean Baptiste Boussingault (F)Aus seinen quantitativen Messun-gen schloss er, dass die Volumina der Kohlenstoffdioxidaufnahme und der Sauerstoffabgabe gleich groß sind.

1940: Hans Fischer (D)Er klärte die Struktur des Chlorophyllmoleküls auf.

1754: Charles Bonnet (CH)Er beobachtete, dass untergetauchte, belichtete Blätter Gasbläschen bilden.

1903: Michail Tswett (RUS)Er ist der Erfinder der Chromato-grafie und trennte als erster den grünen Blattfarbstoff in die einzel-nen Blattpigmente auf.

1648: Jean Baptiste van Helmont (B)Aus seinen Einpflanz-Beobachtun-gen folgerte er, dass die Massenzu-nahme der Pflanzen hauptsächlich auf der Aufnahme des zugegebenen Wassers beruht.

1804: Nicolas-Théodore de Saussure (CH)Er wies nach, dass die Zunahme der Biomasse von Pflanzen auf der Aufnahme von Wasser beruht und zusätzlich auf der Aufnahme von Kohlenstoffdioxid, das nicht aus der Erde, sondern aus der Luft stammt.

1832: Henri René Dutrochet (F)Er entdeckte die Stomata an der Blattober-fläche, durch die Gasaustausch mit der Umgebung erfolgen kann. Er zeigte, dass nur Zellen, die Blattgrün enthielten, Koh-lenstoffdioxid mithilfe des Lichts fixieren können.

1905: Frederick Frost Blackman (GB)Aus seinen Beleuchtungsexperimenten folgerte er, dass die Fotosynthese aus zwei Teilreaktionen besteht: aus der lichtab-hängigen, aber temperaturunabhängigen Fotoreaktion sowie aus der Synthesereak-tion, die nicht direkt lichtabhängig, aber temperaturabhängig ist.

1771: Joseph Priestley (GB)Seine Glasglocken-Versuche ergaben, dass Pflanzen aus „schlechter Luft“, die Lebewesen produzieren, „gute Luft“ machen, die Tiere zum Leben benötigen.

1791: Andrea Comparetti (I) Er entdeckte „grüne Körner” in den Zellen von Blattge-weben.

1788: Jan Ingenhousz (NL) Mit der Abwandlung der Glasglo-cken-Versuche Priestleys erkannte er, dass nur Licht und grüne Pflanzen- teile die Voraussetzungen für bren-nende Kerzenflammen sind.

1842: Robert Mayer (D) Er erkannte, dass in den Blättern ener-giearme Stoffe (Kohlenstoffdioxid, Was-ser) durch Lichtenergie in energiereiche Stoffe (Kohlenhydrate) umgewandelt und in der Pflanze gespeicherten werden.

1875: Kliment Timiriazeff (RUS) Mithilfe der Spektralanalyse untersuchte er die Wirkung der Strahlen des Son-nenlichts auf eine isolierte Chlorophyll-Lösung. Dabei entdeckte er, dass grüne Blätter im Rotbereich am meisten Kohlen-stoffdioxid assimilieren.

1782: Jean Senebier (CH)Durch seine Versuche mit Aquarien-pflanzen erkannte er, dass Pflanzen während ihrer Kohlenstoffdioxid-aufnahme gleichzeitig Sauerstoff abgegeben.

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ARBEITSBLATT Historische Meilensteine in der Entdeckungsge-schichte der Fotosynthese

Lösungen 1 1648: van Helmont: Wasser 1754: Bonnet: Gasblasen am Blatt 1771: Priestley: Pflanze, schlechte Luft, gute Luft 1774: de Lavoisier: Element Sauerstoff 1782: Senebier: Kohlenstoffdioxidaufnahme und Sauerstoffabgabe 1788: Ingenhousz: Licht, grüne Pflanze 1791: Comparetti: Blattgrünkörner 1804: de Saussure: Wasser, Kohlenstoffdioxid 1832: Dutrochet: Stomata, Blattgrün 1842: Mayer: Energieumwandlung, Energieerhaltung 1862: von Sachs: Stärke 1864: Boussingault: Volumina der Gase 1875: Timiriazeff: Chlorophyll, rote Spektralfarbe 1903: Tswett: Chromatografie der Blattfarbstoffe 1905: Blackman: Licht- und Temperaturabhängigkeit der Teilreaktionen 1940: Fischer: Struktur des Chlorophyllmoleküls

2

3 S. 118 Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff: Bonnet, Senebier S. 118 Einfluss des Lichts: Ingenhousz, Senebier, Timiriazeff S. 119 Nachweis der Stärkebildung: von Sachs S. 119 Messung des Gasaustauschs: Senebier, Boussingault

4 Ausgehend von anfänglichen phänomenologischen Beobachtungen führten gezielte Untersuchungen zu verschiedenen Einzelergebnissen. Der Austausch zwischen den Forschern war nötig für weiterführende Untersuchungen. Anhand von fortschreitenden Analysemethoden konnten weitere Details herausgefunden werden, die sich zu einem Gesamtbild zusammenfügen ließen.

Bossingault

1648 van Helmont6 H2O

6 CO2

+

6 H2O

6 CO2

+ +

+

Wasser

Kohlenstoffdioxid

Kohlenhydrat

Sauerstoff

1782 Senebier1804 de Saussure

1832 Dutrochet1905 Blackman

1788 Ingenhousz

1791 Comparetti1875 Timiriazeff1903 Tswett1940 Fischer1862 von Sachs

1842 Mayer1771 Priestley

1754 Bonnet

1774 de Lavoisier

Licht

Blattgrün

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2 Stoffwechsel 201



[zu SB S. 120]

1 Theodor W. Engelmann (1843 — 1909) führte 1882 den in Abb. 2 dargestellten Versuch mit einer Fadenalge und sauerstoffliebenden Bakterien durch. Werten Sie die Versuchser-gebnisse aus. Die Bakterien sammeln sich hauptsächlich in den Bereichen des blauen und roten Lichts. Die Alge produziert also in diesen Bereichen mehr Sauerstoff, was auf eine höhere Fotosyn‑theserate zurückzuführen ist. Blaues und rotes Licht zeigt die höchste Wirkung bezüglich der Fotosyntheserate (Wirkungsspektrum).

2 Erläutern Sie, inwiefern die Absorptions- und Wirkungsspektren belegen, dass die verschie-denen Blattfarbstoffe an der Fotosynthese beteiligt sind. Die Maxima des Wirkungsspektrums liegen dort, wo die Absorptionsmaxima von Chloro‑phyll a liegen. Die Wirkung im Bereich 600 nm bis 630 nm wird durch die Absorption von Chlorophyll b verursacht, Chlorophyll a ab‑sorbiert hier weniger. Die Wirkung bei 500 nm bis 510 nm kommt durch die Absorption der Carotinoide zustande.

Lösungen

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[zu SB S. 121]

1 Erläutern Sie anhand des Redoxschemas in Abb. 2, ob Ascorbinsäure bzw. Methylrot oxidiert oder reduziert wird. Ascorbinsäure gibt e– ab, wird also oxidiert. Methylrot nimmt e– auf, wird also reduziert.

2 Erklären Sie mithilfe von Abb. 2, weshalb As-corbinsäuremoleküle Elektronen nicht direkt auf Methylrotmoleküle übertragen können (Ansatz 1). Methylrot hat eine geringere Affinität zu e–, es kann die e– von Ascorbinsäure nicht direkt aufnehmen.

3 Erläutern Sie, weshalb nur in Ansatz 3 (Abb. 1) die in Abb. 2 dargestellten Reaktionen ablau-fen. Gehen Sie auch auf die Farbveränderung ein. Chlorophyll wird durch das Licht angeregt, die Neigung zur Elektronenabgabe steigt. In den Ansätzen 1 und 4 sind diese Bedingungen nicht gegeben. In Ansatz 2 können die e– zwar an die Methylrotmoleküle abgegeben werden, es fehlt aber der Elektronenlieferant Ascorbinsäure.

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Licht — Energiequelle für die Fotosynthese [SB S. 120]

Material: Modellexperiment zur Anregung von Chlorophyll [SB S. 121]


Einstieg/Motivation LeitfrageWelcher Teil des Sonnenlichts wird im Blatt fotosynthetisch wirksam?Methodenauswahl• Zeigen eines Bilds von Zimmerpflanzen, die von Pflanzenlampen beleuchtet, in dunklen

Wohnbereichen gut gedeihen. Alternativ dazu kann auch ein Bild eingesetzt werden, das eine Pflanzenkultur bei optimaler Beleuchtung in einem Gewächshaus zeigt. Die besondere Farbtönung der Beleuchtung wird dabei deutlich. Daraus ergibt sich die Frage, welche Wel-lenlängen des Lichts von den Blattfarbstoffen fotosynthetisch genutzt werden.

• Unterstützend kann auf die Zusammensetzung des weißen Lichts hingewiesen werden, in-dem das Bild eines Regenbogens gezeigt oder mit einem Prisma ein Lichtspektrum erzeugt wird. Für letzteres kann auch ein Spektroskop eingesetzt werden (einfacher Selbstbau mit Verwendung einer CD-Scheibe).

Erarbeitung • Die Experimente zur Untersuchung der Lichtabhängigkeit der Sauerstoffproduktion (Experi-ment 2, Schülerbuch S. 118) können in Gruppen durchgeführt werden. Durch die Verwendung von einer weißen Lichtquelle sowie verschiedener Farbfilter wird die Bedeutung unterschied-licher Lichtqualitäten problematisiert.

• Der Engelmann-Versuch stellt eine Bestätigung und Vertiefung der Versuchsergebnisse dar.• Zur Erklärung des Wirkungsspektrums sind Kenntnisse zur Zusammensetzung der Fotosyn-

thesepigmente und ihrer Absorptionsspektren nötig (s. Schülerbuch S. 120).• Mit der Beschreibung und der Auswertung der Diagramme im Vergleich wird der Umgang

mit wissenschaftlichen Daten trainiert.

Sicherung Mit der Besprechung der Versuchsergebnisse und mit dem Sammeln der daraus gefolgerten Erkenntnisse kann die Thematik wiederholt und problematisiert werden.

Vertiefung Eine Vertiefung kann durch die Besprechung der Pigmente der Rot- und Blaualgen erfolgen, die es diesen Algen ermöglichen, in größeren Wassertiefen zu gedeihen, wohin nur noch über-wiegend blaugrünes Licht gelangt, s. Arbeitsblatt „Braunalgen sind an die Lichtverhältnisse im Meer angepasst” (s. Lehrerband S. 203).

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Mohr, H., Schopfer; P.: Lehrbuch der Pflanzenphysiologie. Springer Verlag Berlin 1978Campbell, N., Reece, J., Markl, J.: Biologie. Spektrum Akademischer Verlag 2003


Messung der Sauerstoffproduktion: Dieses Experiment zur Sauerstoffproduktion bei Landpflanzen unter verschiedenen Lichtbe-dingungen kann mit geringem Aufwand und geringen Materialkosten durchgeführt werden.

Fragestellung: Ist der Engelmann-Versuch auf Landpflanzen übertragbar? Materialien/Chemikalien für 1 Gruppe:1 Papier-Locher, 1 Becherglas (1 Liter), 5 Einweg-Spritzen aus Plastik (farblos, 60 ml, ohne Nadel!), 5 Trinkplastikbecher (0,2 l, farblos, klar), je 1 Folie grün, blau, rot, farblos zum Umhüllen der Becher (z. B. Heftfolie), 1 Aluminium-Folie zum Umhüllen eines Bechers, 1 starke Lichtquelle (75 — 100 W), 1 Stoppuhr, 1 Spatelspitze Backpulver (enthält Natriumhydrogencarbonat, NaHCO3), 2 Tropfen Spülmittel, Wasser (0,5 l), 5 × 20 ausgestanzte Plättchen aus Blättern (Efeu, Grünkohl etc.)

Durchführung: 1. Herstellung der Backpulverlösung:

• In ca. 500 ml Wasser werden 1 Spatelspitze Backpulver und 1 Tropfen Spülmittel gege-ben und verrührt.

2. Vorbereitung der Pflanzenplättchen:• Aus grünen Blättern einer Pflanze werden

mit dem Papierlocher je 20 Blattplättchen gestanzt.

• Die Pflanzenplättchen werden in je eine Spritze gegeben und die Backpulverlösung bis zur Hälfte eingesaugt. Mit dem Daumen wird die Spitze verschlossen und ein Unter-druck für 10 Sekunden erzeugt, indem der Kolben fast ganz herausgezogen wird.

• Der Vorgang wird noch zweimal wiederholt, bis alle Plättchen auf den Boden der Spritze gesunken sind.

• Die Blattplättchen werden bei schwacher Beleuchtung mit der Lösung in je einen Becher gegeben und mit der restlichen Backpulverlösung auf je 100 ml aufgefüllt.

3. Messung der Gasproduktion:• Die Becher werden in verschiedene Folien

gehüllt und mit einer Lampe im Abstand von 30 cm bestrahlt oder in die Sonne gestellt.

• In einem Zeitraum von 15 Minuten wird minütlich die Anzahl der Plättchen gezählt, die insgesamt an die Oberfläche aufgestie-gen sind.

Auswertung: Notieren Sie die Werte in einer Tabelle und stellen Sie anschließend die Werte grafisch dar. Erläutern Sie mithilfe des Schülerbuchs das Versuchsergebnis.

Zu erwartende Beobachtungen: Beim Anlegen von Unterdruck treten Gasbläs-chen aus dem Blattgewebe aus. Die Blattplätt-chen sinken zu Boden.Das Aufsteigen der Plättchen zur Oberfläche erfolgt bei Bestrahlung mit blauem und rotem Licht deutlich schneller als bei grünem Licht. An der Blattunterseite der Pflanzenplättchen entstehen Gasbläschen.

Versuchsdeutung:Durch den Unterdruck wird dem Schwamm- und dem Palisadengewebe über die Stomata das enthaltene Gas entzogen und durch die Natriumhydrogencarbonat-Lösung (NaHCO3) ersetzt. Dadurch vergrößert sich die Dichte, die Plättchen sinken zu Boden. Die verwendete Lösung dient als Kohlenstoffdioxid-Lieferant für die Fotosynthese. Bei Belichtung wird durch den gebildeten Sauerstoff die Dichte der Plättchen wieder verringert, sie steigen langsam zur Ober-fläche auf. Bei rotem und blauem Licht erreichen die Plättchen in den Versuchsgefäßen deutlich schneller die Oberfläche als bei grünem Licht, weil unter diesen Bedingungen die Fotosyn-thesepigmente maximal Licht absorbieren. Der gebildete Sauerstoff verbleibt nicht nur im Blatt-gewebe, sondern tritt auch aus den Spaltöff-nungen aus, was durch die Gasbläschenbildung erkennbar wird.Die Dauer des Versuchs, wenn alle Plättchen die Wasseroberfläche erreicht haben, ist abhängig von der Lichtquelle und ihrem Abstand.

Abwandlung des Versuchs: Der Grundversuch (20 Plättchen in 100 ml Lösung) kann variiert werden, indem unterschiedliche Konzentrationen von Natriumhydrogencarbonat-Lösungen (0-, 0,2-, 0,4-, 0,6-molar) verwendet werden.

Praktische Tipps

Nur dann können die Chlorophyllmoleküle, die zuvor Elektronen an Methylrotmoleküle abgegeben haben, erneut durch Licht angeregt werden. Diese Bedingungen sind nur in Ansatz 3 erfüllt. Wird Methylrot reduziert, entfärbt sich die Lösung. Die zuvor braune Lösung wird grün (grüne Färbung durch Chlorophyll).

4 Stellen Sie dar, welche Folgerungen sich aus der Versuchsreihe für die Fotosynthese erge-ben. In den Fotosynthesereaktionen wird ein Elek‑tronenlieferant (hier Ascorbinsäure) und ein Elektronenakzeptor (hier Methylrot) benötigt.

$Lösungen

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Braunalgen sind an die Lichtverhältnisse im Meer angepasst

Die gelbbraune Alge Petalonia fascia (Abb. 1) besitzt glattblättrige Wedel, die eine Länge von 30 cm erreichen können. Sie wächst auf steinigem Untergrund im Arktischen Ozean in Alaska bis in eine Tiefe von ca. 40 m. Wegen ihrer Blattpigmente wird sie als Braunalge bezeichnet, denn die Pigmente reflektieren größtenteils die Wellenlängen von gelbem, orangem und rotem Licht. Der Rest wird absorbiert (Abb. 2). Wissenschaftler der Biologischen Anstalt Helgoland erforschten die Braunalge Petalonia fasciata mit der Fragestellung, warum diese Alge bei wenig Licht in großen Tiefen autotroph leben kann (Abb. 2). Dazu un-tersuchten sie die Absorptionsspektren der beteiligten Fotosynthesepigmente und ihre Leistung im Labor (Abb. 3 und 4).

1 Beschreiben Sie das Absorptionsspektrum einer Braunalge (Abb. 3) und vergleichen Sie dieses mit der einer Grünalge (vgl. Engelmann-Versuch) in Form einer Tabelle.

2 Beschreiben und erklären Sie die Fotosyntheseleistung der Braunalge Petalonia fasciata (Abb. 4).

3 Erläutern Sie, warum die Braunalge Petalonia fasciata bis in einer Wassertiefe von 40 m erfolgreich Fotosynthese betreiben kann (Abb. 1 und 3). Stellen Sie eine Hypothese auf, wie das Wirkungsspek-trum der Pigmente aussehen könnte. Zeichnen Sie es in Abb. 3 ein.

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1 Braunalge Petalonia fasciata

3 Absorptionsspektren der Fotosynthesepigmente 4 Leistung der Fotosynthesepigmente von Petalonia fasciata

2 Veränderung des Lichtspektrums bei zunehmender Wassertiefe

S O N N E N L I C H T

450 — 490 blau

550 grün

600 gelb

630 orange

650 — 700 rot

15

15

30

40

55

Wellenlänge (nm)

Wassertiefe (m)

Wellenlänge (nm)

Abs

orpt

ion

(rel

. Wer

te)

400 500 600

Chlorophyll aChlorophyll cFucoxanthin

700Lichtintensität (rel. Werte)

Saue

rsto

ffpr

oduk

tion

(rel

. Wer

te)

15

0

5

10

670 nm523 nm470 nm

2010 1550

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ARBEITSBLATT Braunalgen sind an die Lichtverhältnisse im Meer angepasst

Lösungen 1 Die Braunalge besitzt drei Foto-synthesepigmente: Chlorophyll a und c, sowie Fucoxanthin. Die Grünalge besitzt drei Fotosyn-thesepigmente: Chlorophyll a und b, sowie Carotinoide. Das Absorptionsspektrum der Braunalge zeigt im Gegensatz zu dem der Grünalge keine Lücke im Wellenlängenbereich von grünem Licht.

2 Die Sauerstoffproduktion wird in Abhängigkeit von der eingestrahlten Intensität von rotem (670 nm), grünem (523 nm) und blauem (470 nm) Licht gemessen. Alle drei Wellen-längen werden ungefähr gleich gut absorbiert. Sie liegen im Bereich der Absorptions-maxima der vorhandenen Fotosynthesepigmente. Mit steigender Lichtintensität steigt auch die Sauerstoffproduktion, was auf eine gesteigerte Absorption zurückzuführen ist. Der Kurvenverlauf weist auf eine Sättigung der Fotosynthesereaktion hin.

3 Die Absorptionsmaxima von Chlorophyll a (Chl a) und von Chlorophyll c (Chl c) zeigen, dass von die-sen Pigmenten blaues und grünes Licht in der Tiefe von 40 m absorbiert werden kann. Rotes Licht wird nur zusätzlich von Chlorophyll a absorbiert, wenn die Pflanzen sich in den oberen Wasserschichten (5 m) befinden. Gelbes oder oranges Licht wird nicht nennenswert absorbiert. Das Wirkungsspektrum entspricht dem Bereich über den Absorptionsmaxima der einzelnen Pigmente. Die Kurve kann oberhalb der Maxima gezeichnet werden.

Zusatzaufgabe Die Grätzelzelle — ein pflanzliche Solarzelle1992 meldete Michael Grätzel seine Solarzelle zum Patent an. Sie wird mit Pflanzenfarbstof-fen betrieben. Die nach ihrem Erfinder auch „Grätzelzelle“ genannte Solarzelle arbeitet nach dem Vorbild der Fotosynthese mit den natürlichen Farbstoffen von Malve, Brombeere, Rote Beete oder Safran.Die roten bis lila Farbstoffe sind Malvidin, Anthocyan und Betanin oder der gelbe Farbstoff ist Crocin. Diese Farbstoffe sind in der Lage, die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln. Dazu werden die Farbstofflösungen zwischen zwei elektrisch leitende Glas- oder Plastikplatten zusammen mit einem Elektrolyt eingeschlossen und belichtet. Eingebaut in die Oberfläche eines Rucksacks produziert eine Reihe von Grätzelzellen genug Energie zum Aufladen von Smartphones oder Tastaturen ohne externe Stromquellen.

Aufgaben:1 Recherchieren Sie die Strukturen der genannten Farbstoffe und fassen Sie die Gemein-

samkeiten zusammen. 2 Erklären Sie, warum die Fotosynthese das Vorbild für die Farbstoffsolarzelle ist.3 Stellen Sie eine Hypothese auf, warum die Pflanzenfarbstoffe sich für den Bau einer Grät-

zelzelle eignen.

Lösungen:1 Alle Farbstoffmoleküle sind große Moleküle mit vielen konjugierten Doppelbindungen,

die für die Farbigkeit verantwortlich sind. 2 Grüne Pflanzen wandeln die Energie des absorbierten Sonnenlichts in chemische Energie

und später in Kohlenhydrate um. Die Grätzelzelle wandelt die Energie des absorbierten Lichts in elektrische Energie um. In beiden Fällen sind Farbstoffe für die Energieumwand-lung des Sonnenlichts zuständig.

3 Die Pflanzenfarbstoffe sind kostengünstig und leicht ein- und ersetzbar. Die Adsorptions-spektren sind im Bereich des sichtbaren Lichts passend.

1 Zeichnung des Wirkungsspektrums

Wellenlänge (nm)

Abs

orpt

ion

(rel

. Wer

te)

400 500 600

Chlorophyll aChlorophyll cFucoxanthin

700

Absorptionsmaxima

Farbstoffe Braunalge Grünalge

Chlorophyll a 430 nm, 660 nm 430 nm, 660 nm

Chlorophyll b — 460 nm, 640 nm

Chlorophyll c 450 nm, 580 nm, 630 nm —

Carotin — 460nm, 490 nm

Fucoxanthin 510 nm —

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2. 3 Fotosynthese und Stoffaufbau - asset.klett.de · Jonathan Millet und seine Mitarbeiter untersuchten seit 2010 den Stickstoff (N)-Gehalt und die Stickstoff (N)-Aufnahme von Drosera-Pflanzen