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Biologie-Kurs: Die Fotosynthese
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Damit lassen sich die Versuchsergebnisse wie folgt zusammenfassen:
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Bei der Fotosynthese entsteht ein Gas.
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Für die Fotosynthese wird ein (anderes) Gas gebraucht.
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Pflanzen brauchen zur Fotosynthese Kohlenstoffdioxid (das ist das notwendige
Gas).
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Für die Fotosynthese ist Licht notwendig
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Das entstehende Gas ist Sauerstoff.
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Bei der Fotosynthese entsteht Stärke.
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Zur Fotosynthese sind Chloroplasten notwendig.
Berücksichtigt man jetzt noch, daß die Bausteine der Stärke
Glucose-Moleküle sind, so muß man annehmen, daß zuerst
Glucose produziert wird. Demnach kann man den Vorgang der Fotosynthese
zunächst so formulieren:
Aus Kohlenstoffdioxid und Licht enstehen mit Hilfe der
Chloroplasten Glucose und Sauerstoff.
Da wir an der Formel von Glucose sehen, daß sie auch Wasserstoffatome
enthält, brauchen wir auch Wasser.
Kohlenstoffdioxid + Wasser + Lichtenergie ==Chloroplasten==>
Glucose + Sauerstoff
Versuchen wir jeweils so viele Moleküle zu nehmen, daß wir
rechts und links die gleiche Anzahl von Atomen haben, so kommen wir zur
folgenden (einfachen) Formel:
6 CO2 + 6 H2O + Licht-E. =(bei
Chlorophyll)==> C6H12O6 + 6 O2
Wenn du die folgenden Fragen beantworten kannst, hast du
gut gelernt. |
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Mit welchen Versuch haben wir nachgewiesen, daß bei der Fotosynthese
ein Gas entsteht? |
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Mit welchem Versuch haben wir nachgewiesen, daß das bei der Fotosynthese
entstehende Gas Sauerstoff ist? |
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Mit welchem Versuch haben wir nachgewiesen, daß bei der Fotosynthese
Licht notwendig ist? |
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Mit welchem Versuch haben wir nachgewiesen, daß bei der Fotosynthese
Kohlenstoffdioxid gebraucht wird? |
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Wie lautet die einfache Gleichung der Fotosynthese in Worten? |
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Wie lautet die einfache Gleichung der Fotosynthese mit den Summenformeln
der Moleküle? |
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Mit welchem Versuch haben wir nachgewiesen, daß bei der Fotosynthese
Stärke entsteht ? |
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Mit welchem Versuch haben wir nachgewiesen, daß zur Fotosynthese
Chloroplasten notwendig sind? |
Und hier zur Kontrolle ein Lückentext der leichten
Stufe 1
oder der schwereren Stufe 2
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Die Chloroplasten, Ort der Fotosynthese
Schemazeichnung eines aufgeschnittenen
Chloroplasten |
Beim Versuch mit den panaschierten Blättern haben wir gesehen,
daß die Chloroplasten für die Fotosynthese notwendig sind.
Informiere dich
mit dem Mauszeiger-Abtastbild, über den strukturellen Aufbau eines
Chloroplasten |
Die Farbpigmente der Fotosynthese
Energieaufnahme durch Moleküle
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Farbstoffmoleküle sind in der Lage, Lichtenergie in Form von Lichtquanten
aufzunehmen. Dadurch wird dann ein Elektron kurzfristig auf ein höheres
Energieneveau gehoben. Allerdings kann es dort nicht bleiben, sondern fällt
auf das tiefere Energieniveau zurück. Dabei kann die wieder frei werdende
Energie z.B. in Form von Licht oder Wärme wieder abgegeben werden. |
Gewinnung einer Rohchlorophylllösung
Die Moleküle, die die Lichtenergie aufnehmen können, sind die
Blattfarbstoffe. Mit dem folgenden Versuch kann man eine Lösung der
Blattfarbstoffe herstellen.
vfo1a:
Gewinnung von Blattfarbstoffen.
Trennung der Farbstoffe
Wie viele und welche Farbstoffe sich in Blättern befinden, kann man
mit dem Verfahren der Chromatographie (Dünnschichtchromatographie)
ermitteln.
Dabei wird eine Lösung
von einem Farbstoffgemisch auf einem Trägermedium an einem Startpunkt
oder einer Startlinie aufgetragen. In unserem Fall ist es eine Folie mit
Kieselgel. Diesen Chromatographieträger stellt man in eine Chromatographiekammer,
in der sich eine Schicht eines Laufmittels befindet. Das Laufmittel wird
sich, wie Wasser durch ein Fließpapier, durch das Kieselgel ziehen.
Nach dem Grad der Löslichkeit, mit der sich die zu trennenden Moleküle
im Laufmittel lösen, wandern die einzelnen Moleküle schneller
oder langsamer mit dem Lösungsmittel mit. So lösen sich z.B.
Moleküle mit OH-Gruppen oder O-Doppelbindungen besser in polaren Lösungen
als Moleküle ohne diese Gruppen. Entspechendes gilt für unpolare
Stoffe in unpolarem Lösungsmittel.
vfo2a:
Chromatographische Trennung von Blattfarbstoffen.
Im
obigen Versuch wurde als Lösungsmittel eine Mischung aus 7 Teilen
des unpolaren Petroleumbenzins und 3 Teilen des polaren Acetons verwendet.
Begründe aufgrund der unten stehenden Strukturformeln der gefundenen
Moleküle, die im Versuch beobachtetet Reihenfolge!
In
welcher Reihenfolge würden die Blattfarbstoffe auftreten, wenn man
ein Laufmittel benützen würde, bei dem der polare Anteil überwiegt?
Begründe!
Die Strukturformeln der einzelnen Blattpigmente sehen folgendermaßen
aus:
Absorption des Chlorophylls
Wenn die Blattfarbstoffe Lichtquanten aufnehmen, also Teile des Lichtes
absorbieren, müßte sich das in Versuchen nachweisen lassen.
Dann müßte sich aus dem Farbspektrum des sichtbaren Lichtes
ein Teil heraus filtern lassen. (Wenn du noch zu wenig Kenntnisse von der
spektralen Zusammensetzung des weißen Lichtes hast, informiere dich
zunächst in deinem Physik- oder Biologiebuch.)
Mit dem folgenden Versuch wollen wir untersuchen, ob und welche Teile
des Spektrums des sichbaren Lichtes von den Blattfarbstoffen aufgenommen
werden.
vfo3a:
Absorption der Blattfarbstoffe.
Nimmt man ein Chromatogramm aus Versuch vfo2 (chromatographische Trennung
der Blattpigmente), kratzt die Kieselgelschichten der beiden Chlorophylle
ab, löst sie in Aceton und bestimmt mit einem Spektralfotometer die
Absoption der beiden Pigmente, so kommt man zu folgenden Absorptionskurven:
Wenn du die folgenden Fragen beantworten kannst, hast du
gut gelernt. |
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Wie stellt man eine Rohchlorophylllösung her? |
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Wieviele und welche Blattfarbstoffe findet man normalerweise in einer
Rohchlorophylllösung? |
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Wie kann man zeigen, daß Chlorophyll Teile des Lichtes absorbiert? |
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Welche Bereiche des Lichtes absorbiert Chlorophyll? |
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Mit welchem Versuch kann man die verschiedenen Farbpigmente eines Blattes
erhalten? |
Aus Versuchen bei konstanter Temperatur und verschiedenen Lichtstärken
einerseits, und verschiedenen Lichtstärken bei unterschiedlichen Temperaturen
andererseits, folgerte der Engländer Blackman 1905, daß die
Fotosynthese aus einer lichtabhängigen photochemischen Reaktion
und einer lichtunabhängigen chemischen Reaktion bestehen muß:
Lichtreaktion und Dunkelreaktion. (Licht- und
Dunkelreaktion sind zwei didaktisch veraltete Begriffe, deren Substitution
bei der beabsichtigten Überarbeitung dieser Seite vorgesehen
ist.)
Fotochemische und chemische Vorgänge
Fotochemische Vorgänge
Bis heute sind die Vorgänge bei der lichtabhängigen Reaktion
noch nicht völlig geklärt. Klar ist, daß die eingestrahlte
Sonnenenergie in chemische Energie in Form von Glukose umgewandelt wird.
Hierzu muß die Energie eingefangen und zumindest kurzzeitig gespeichert
werden.
Die zyklische Fotophosphorylierung
Durch die Energie einfallender Lichtquanten der Wellenlänge 700 nm
werden Elektronen vom Chlorophyll a des Fotosystems I auf ein höheres
Energieniveau gehoben ("Bergauftransport"),
und dabei vom Chlorophyll abgegeben. Es wird dabei oxidiert. Die abgegebenen
Elektronen werden zunächst auf eine chemisch noch nicht näher
analysierte Substanz "X" übertragen, die im oxidierten Zustand vorlag
(Sie wird dadurch also reduziert.).
Über Elektronentransportketten gelangen die Elektronen bei einem
"Bergabtransport" zunächst auf den Überträgerstoff Plastochinon
(1). Hierbei wird pro Elektron einmal genügend Energie frei, die zum
Aufbau von ATP aus ADP und P genutzt wird. Vom Plastochinon geht es über
die Redoxsysteme Cytochrom (2) und Plastocyanin (3) zum Chlorophyll des
Fotosystems I zurück. Die dabei frei werdende Energie wird ein zweites
Mal zur Bildung von ATP aus ADP und P genutzt.
Damit ist die Bereitstellung von Energie für die lichtunabhängige
Reaktion gesichert.
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Die zyklische Fotophosphorylierung im Trick:
ein Elektron des Fotosystems I (Chlorophyll P700) wird auf ein
höheres Energieniveau gehoben und beim Rückfall auf das niedrige
Energieniveau beim gleichen Chlorophyll werden zwei Mal ATP gebildet {Ergebnis:
Bildung von 2 x ATP} |
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Die Fotolyse
Um Glucose als Energiespeicher aufzubauen, muß der Kohlenstoff aus
dem Kohlenstoffdioxid, der als Endprodukt einer Oxidation in der höchsten
Oxidationsstufe vorliegt, reduziert werden. Erst dann kann man aus ihm
Kohlenhydrate aufbauen. Hierzu ist aber Wasserstoff notwendig, der aus
der Spaltung von Wassermolekülen gewonnen werden kann.Wie bei der
technischen Elektrolyse muß hierfür relativ viel Energie aufgewandt
werden, die aber in Form von Lichtenergie zur Verfügung steht. Das
Prinzip der Energieaufnahme wurde schon bei der zyklischen Fotophosphorylierung
dargestellt. Wieder werden, durch Licht induziert, Elektronen auf ein höheres
Energieniveau gehoben. Diesmal
sind es jedoch Elektronen des Chlorophylls aus dem Fotosystem II (P680)
und das Licht hat die Wellenlänge 680 nm. Die Elektronen gelangen
zu einer chemisch noch nicht näher analysierten Substanz "Y". Allerdings
kommen die Elektronen nicht mehr auf das Ausgangschlorophyll zurück
und fehlen deshalb. Das Chlorophyll muß jedoch sein Elektronendefizit
ausgleichen. Hierzu holt es sich über ein auch noch nicht näher
bekanntes Redoxsystem "Z" die fehlenden Elektronen, die dieses wiederum
einem Wassermolekül entzieht und es dadurch in 1/2 O2 und
2 H+ -Ionen spaltet. Die 2 H+ -Ionen werden später
vom Wasserstoff-Transportmolekül NADP in die lichtunabhängige
Reaktion eingebracht.
Die nichtzyklische Fotophosphorylierung
Die nichtzyklische Fotophosphorylierung baut auf der Fotolyse auf. Die
Elektronen, die von der Substanz "Y" aufgenommen wurden, werden bei
einem "Bergabtransport" auf das schon von der zyklischen Fotophosphorylierung
bekannte Plastochinon (1) übertragen. Allerdings reicht die frei werdende
Energie nicht aus, hier bereits ATP zu bilden. Erst auf der Strecke vom
Plastochinon (1) zum Chlorophyll a des Fotosystems I wird einmal ATP gebildet.
Die Anregung dieser Elektronen geschieht anschließend wieder durch
Licht der Wellenlänge 700 nm und sie werden auch wieder von der Substanz
"X" aufgenommen. Hier weichen die Elektronen vom bisher bekannten Weg ab
und werden über das Ferredoxin (4) zusammen mit den aus der Fotolyse
frei gewordenen Protonen auf das Elektronentranportmolekül NADP übertragen.
Mit dem NDAP-H2 steht nun auch der für die Reduktion des
CO2 erforderliche Wasserstoff zur Verfügung.
Wenn dir das zu kompliziert beschrieben ist, kannst du die Fotolyse
und die nicht-zyklische Fotophosphorylierung nochmals in kleinen
Schritten anschauen.
Und hier zur Kontrolle ein Lückentext der leichten
Stufe 1
oder der schwereren Stufe 2
Chemische Vorgänge
Die lichtunabhängige Reaktion (Dunkelreaktion)
In der lichtunabhängigen Reaktion,
einer rein chemischen Reaktion, wird CO2 aufgenommen und letztlich
zu Glucose zusammengebaut. Den komplizierten Weg von der CO2-Aufnahme
bis zum fertigen Zucker hat man mit Hilfe der Autoradiographie ermittelt.
Dabei wird den Versuchspflanzen nur Kohlenstoffdioxid angeboten, das das
radioaktive Kohlenstoffisotop
14C enthält. Nach verschiedenen
Zeiten extrahiert man die entstandenen organischen Stoffe, die durch den
Einbau des Isotops leicht strahlen, trennt sie durch Chromatographie und
identifiziert sie.
Auf diese Weise hatte man heraus
bekommen, daß das CO2 sich zunächst an ein Molekül
aus fünf C-Atomen anlagert, an das Ribulosediphosphat. Das entstehende
Molekül aus sechs C-Atomen ist jedoch nicht stabil und zerfällt
sekundenschnell in zwei C3-Körper, zwei Phosphoglycerinsäuren.
Sie werden anschließend mit Hilfe von NADP-H2 und ATP
zu Zucker Triosephosphat reduziert. Dabei wird auch Wasser frei gesetzt.
Zwei Moleküle Triosephosphat können zu einem Molekül Glucose
zusammengebaut werden. Damit ist die anzustrebende Einheit ein C3-Körper
und wir müssen in unserem Schema drei CO2-Moleküle
in den Stoffwechselkreislauf einfließen lassen, um eine Triose zu
erhalten. Von den sechs auf diese Weise entstandenen Triosephophat-Molekülen,
kann also eines zum Aufbau von Glukose verwandt werden, die restlichen
fünf C3-Moleküle werden in einem weiteren Syntheseschritt,
der als Regeneration bezeichnet wird, zu drei C5-Molekülen
umgebaut, mit Hilfe von ATP aktiviert und es stehen wieder drei Moleküle
Ribulosediphosphat zur Verfügung, die erneut CO2 aufnehemen
können.
Dieser reduktive Pentosephosphat-Zyklus wird nach seinem Endecker Melvin
Calvin auch als Calvin-Zyklus bezeichnet (auch Calvin-Benson-Zyklus).
Die weitere Abbildung zeigt den Vorgang der Regeneration, bei dem aus
fünf C3-Molekülen, drei C5- Moleküle
aufgebaut werden.
Wenn dir das zu kompliziert beschrieben ist, kannst
du die den
Calvin-Benson-Zyklus nochmals in kleinen Schritten anschauen.
Gleichung der Fotosynthese
Unsere bisherige Gleichung der Fotosynthese ist unvollständig. Da
der frei werdende Sauerstoff, 6 O2, aus dem Wasser stammt und
außerdem im Calvin-Zyklus Wasser entsteht, müssen wir die Gleichung
korrekt folgendermaßen schreiben:
6 CO2 + 12 H2O + Licht-E. =(bei
Chlorophyll)==> C6H12O6 + 6 O2+
6 H2O
Die Bedeutung der Fotosynthese
Die Uratmosphäre enthielt keinen Sauerstoff, wohl aber CO2.
Somit war es nur Planzen möglich, unter diesen Bedingungen zu leben,
Tieren nicht. Erst nachdem die Pflanzen durch ihre Fotosyntheseleistung
der Atmosphäre große Mengen an CO2 entzogen, den
Kohlenstoff in organische Substanzen eingebaut und Sauerstoff an die Atmosphäre
abgegeben hatten, war tierisches Leben möglich.
Die gesamten fossilen Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas
gehen auf die Fotosyntheseleistung der Pflanzen zurück. Ihr Kohlenstoff
stammt aus dem CO2 der Atmosphäre. Der Sauerstoff, den
wir heute atmen können ebenfalls. Würde man sämtliche fossilen
Brennstoffe und alle organischen Materialien der Erde verbrennen, würde
der Sauerstoff der Atmosphäre aufgebraucht werden und wir hätten
wieder eine CO2-Atmosphäre in der keine Tiere und damit
auch keine Menschen leben könnten.
Bedauerlicherweise hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten der Verbrauch
fossiler Brennstoffe und die Vernichtung großer Urwaldgebiete, nicht
nur in Dritteweltländern, sondern auch im Norden Amerikas und Skandinavien,
stark zugenommen.
Als kleine Gegenmaßnahmen wird versucht, den Verbrauch von fossilen
Brennstoffen durch gesetzliche Maßnahmen zu reduzieren. Von umweltbewußten
Architekten wird heute gezielt viel Holz als Baustoff verwendet, um den
Kohlenstoff im Holz der Bausubstanz vor der Rückführung zum CO2
zumindest für einige Jahrzehnte zu bewahren.
Auf diesem Gebiet wird noch viel Überzeugungsarbeit notwendig
sein.
Wenn du die folgenden Fragen beantworten kannst, hast du gut gelernt.
Aus
welchen beiden Hauptabschnitten besteht die Fotosynthese?
Aus
welchen Teilen besteht die lichtabhängigen Reaktion?
Was
versteht man unter der zyklischen Fotophosphorylierung?
Beschreibe
die Fotolyse!
Was
versteht man unter der nichtzyklischen Fotophosphorylierung?
Welche
Stoffe werden bei der lichtabhängigen Reaktion gebraucht, welche entstehen?
Welche
Stoffe werden bei der lichtunabhängigen Reaktion gebraucht, welche
entstehen?
Was
passiert bei der lichtunabhängigen Reaktion? |
Und hier zur Kontrolle ein Lückentext der leichten
Stufe 1
oder der schwereren Stufe 2
Und hier gibt es zum Abschluß
ein
zum Thema Fotosynthese. Hier kannst du
sehen, ob du das Thema auch verstanden hast.
Ein Online-Kurs ist bei den hohen Telefongebühren in Deutschland
zu teuer??
Dann eben als Offline-Kurs
Die Nutzung des Kurses ist erwünscht. Sie dürfen deshalb jederzeit
für Lern- oder Lehrzwecke (im Rahmen einer nichtprofitorientierten
Nutzung) die einzelnen Textfiles und Bilder mit "Save As.." oder "Save
image as.." vom Eduvinet-Server herunterladen und auf ihrer Festplatte
speichern. Allerdings müssen Sie anschließend die einzelnen
Dateien und Bilder in der gleichen Verzeichnisstruktur ablegen, wie bei
uns auf dem Server. Das ist machbar, kostet jedoch einiges an Zeit.
Gegen eine geringe Bearbeitungsgebühr können Sie sich diese
Zeit sparen und die neueste Version des interaktiven Lernprogramms zur
Offline-Bearbeitung bekommen. Wie?
Verbesserungsvorschläge und Kommentare an Hans-Dieter
Mallig (hans-dieter@mallig.de)