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mit den Lichtreaktionen. Wiederholungsfragen 1. Wie erreichen die Edukte der Photosynthese die Chloroplasten in den Blättern? 2. Wie hat die Verwendung eines Sauerstoffisotops bei der lität in den unterschiedlichen Wassertiefen Aufklärung der chemischen die Verbreitung Reaktionen der von Photosynthese photosynthetisch aktiven Organismen. geholfen? 3. Was wäre, wenn? Der Calvin-Zyklus ist klar erkennbar Allerdings ist nicht nur der Mangel an Sonnenlicht begrenzend für auf die Produkte der Lichtreaktionen, ATP und NADPH, das Vorhandensein verschiedener angewiesen. Lebewesen, Nehmen ein Sie Zuviel an, jemand an würde Sonnenlicht behaupten, kann das Vorkommen von Organismen der umgekehrte ebenfalls Fall würde nicht limitieren. gelten. Damit In hingen größerer Höhe über dem Meeresspiegel, bei fortdauernder ist die Atmosphäre Lichteinstrahlung aufgrund weiterhin ATP der und die Lichtreaktionen nicht vom Calvin-Zyklus ab und könnten Abnahme der Dichte der Atmosphärengase NADPH produzieren. „dünner“: Stimmen Sie Sie dem absorbiert zu oder nicht? Begründen Sie Ihre Meinung. daher auch weniger ultraviolette Strahlung als auf Meereshöhe, sodass Lösungshinweise finden Sie Anhang A. zum Beispiel die DNA oder bestimmte Proteine im Hochgebirge mit einer größeren Wahrscheinlichkeit geschädigt werden können, als dies im Tiefland der Fall wäre. Die Lichtreaktionen wandeln Sonnenenergie in chemische 2.3.1 Die Natur des Energie Lichtesin Form von ATP Licht ist Energie in Form elektromagnetischer und NADPH umStrahlung. Diese 10.2 breitet sich von ihrer Quelle wellenförmig aus, ähnlich wie die Wellen in einem Chloroplasten sind chemische Fabriken, die vom einstrahlenden Licht in Gang gehalten werden. Ihre Thy- Teich, nachdem man einen Kiesel hineingeworfen hat. Elektromagnetische Wellen sind jedoch Störungen ansonsten gleichförmiger elektrischer und magnetischer Felder, nicht Störungen eines stofflichen Medilakoide wandeln Lichtenergie in chemische Energie in Form von ATP und NADPH um. Um diesen Umwandlungsvorgang besser verstehen zu können, müssen wir ums, wie im Fall des Wassers. Der Abstand zwischen zwei über Wellenkämmen die wichtigsten Eigenschaften oder Wellentälern des Lichtes wird Bescheid Die wissen. Wellenlänge elektromagnetischer als Wellenlänge bezeichnet. Strahlung reicht von weniger als einem Nanometer (nm) bei Gammastrahlen bis hin zu mehr als einem 10.2.1 Kilometer Die Natur (km) des Lichtes bei Radiowellen. Der Gesamtbereich der elektromagnetischen Wellen wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet (⇒ Abbildung 2.35). Der für Lebens- Licht ist Energie in Form elektromagnetischer Strahlung. Diese breitet sich wellenförmig aus, ähnlich wie prozesse wichtigste Teil des die Spektrums Wellen in einem ist ein Teich, schmaler nachdem man Bereich einen Kiesel von etwa 380–750 nm, der als sichtbares hineingeworfen Licht hat. Elektromagnetische bezeichnet wird, Wellen weil sind wir jedoch Störungen können. elektrischer und magnetischer Felder, ihn durch unsere Augen wahrnehmen Obwohl die Sonne das volle nicht Spektrum Störungen an eines elektromagnetischer stofflichen Mediums wie Strahlung aussendet, wirkt die Erdatmosphäre Der Abstand zwischen wie ein zwei selektiver Wellenkämmen Filter, oder Wasser. Wellentälern wird als Wellenlänge bezeichnet. Die sichtbares Licht passieren lässt, einen erheblichen Anteil der verbleibenden Strahlung mit anderen Wellenlängen jedoch Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung reicht von nicht. weniger als einem Nanometer (nm) bei Gammastrahlen bis hin zu mehr als einem Kilometer (km) bei Radio- 2.3.2 Die Strahlungsintensität wellen. Der Gesamtbereich – der elektromagnetischen breitengradabhängige und jahreszeitliche Schwankungen 258 Aufgrund der annähernden Kugelform der Erde ist die Strahlungsintensität der Sonne je nach Breitengrad unterschiedlich groß. In den Tropen (den Regionen zwischen 23,5 Grad nördlicher und 23,5 Grad südlicher Breite), wo die Solarstrahlung direkt einfällt (die Sonne steht im Zenit), gelangt pro Flächeneinheit die größte Wärme- und Lichtmenge auf die Erde. In höheren Breiten fällt die Solarstrahlung schräg ein, so dass sich die Solarenergie über eine wesentlich größere Fläche verteilt und dadurch an Intensität verliert. Da die Erdachse schräg steht (Schiefe der Ekliptik), ist die Intensität der Solarstrahlung je nach Jahreszeit unterschiedlich. Unser Planet ist im Verhältnis zur Ebene seiner Umlaufbahn um die Sonne um 23,5 Grad geneigt; deshalb trifft in den Tropen die größte jährliche Strahlungsmenge ein, und die jahreszeitlichen Schwankungen sind am gerings- nehmen chen, spezifische können. physiologische Verdunstungs- und Kühlmechanismen, Das Wellenmodellbestimmte des Lichtes Verhaltensweisen kann viele seiner wie Eigenschaften 2.3 Abiotischer Faktor Solarstrahlung eine nächtliche erklären, Lebensweise doch es oder versagt das Eingraben unter manchen in das Umständen, Bodensubstrat; bei siehe denen Kapitel Licht 40). eher einen Teilchencharakter aufweist. Die „Lichtteilchen“ werden Photonen genannt, nicht wirklich greifbare Teilchen, sondern Objekte mit Teilchencharakter und einer bestimmten, definierten Energiemenge. Dieser Energiegehalt ist der Wellenlänge der Strahlung umgekehrt proportional: je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie eines jeden Photons der betreffenden Strahlung. Ein Photon des violetten Lichtes enthält fast doppelt so viel Energie wie ein Photon des roten Lichtes. Obwohl die Sonne das volle Spektrum an elektromagnetischer Energie abstrahlt, wirkt die Erdatmosphäre wie ein Filter, der sichtbares Licht passieren lässt, einen merklichen Anteil der verbleibenden Strahlung mit anderen Wellenlängen jedoch nicht. Der sichtbare Teil des Spektrums umfasst gleichzeitig auch diejenige Strahlung, die die Photosynthese antreibt. Abbildung 2.34: In großer Höhe sind die Organis- Abbildung 52.9: Überleben im Hochgebirge. In großer Höhe sind men 10.2.2 die Organismen einer Photosynthesepigmente: starken einer starken ultravioletten ultravioletten Strahlung ausgesetzt. ausgesetzt. Da- Darüber hinaus Die hinaus haben Lichtrezeptoren sie haben mit weiteren sie mit extremen weiteren Umweltbedingungen extremen Umweltbedingungen kämpfen, so mit tiefen Wintertemperaturen zu kämpfen, so oder mit mit tiefen starkem Winter- Wind. zu Wenn Licht auf Materie trifft, kann es reflektiert (zu- temperaturen oder mit starkem Wind. rückgeworfen), transmittiert (durchgelassen) oder ab- 1548 10 –5 nm 10 –3 nm 1 nm 10 3 nm 10 6 nm UV sichtbares Licht 1 m (10 9 nm) 10 3 m Gammastrahlen Röntgenstrahlen Infrarotstrahlung Mikrowellen Radiowellen 380 450 500 550 600 650 700 750 nm kürzere Wellenlängen höhere Energie längere Wellenlängen geringere Energie Abbildung 10.6: Das elektromagnetische Strahlungsspektrum. Abbildung Weißes Licht ist ein 2.35: Gemisch Das aus elektromagnetische allen Wellenlängen des sichtbaren Strahlungsspektrum. Lichtspektrums. Ein Prisma Weißes kann Licht weißes ist Licht ein seine Gemisch Farbkomponenten zerlegen, weil es verschiedene Wellenlängen unterschiedlich stark aus allen Wellenlängen des sichtbaren Lichtspektrums. Ein bricht. (Wassertröpfchen in der Atmosphäre können ebenfalls als Prismen wirken Prisma kann und weißes einen Regenbogen Licht in erzeugen, seine Farbkomponenten Abbildung 10.1.) Die zerlegen, Photosynthese weil wird es durch verschiedene sichtbares Licht Wellenlängen bewirkt. unterschiedlich stark beugt. dern sem ßero Vork 52.2 Die schla Einfl für e jahre beze mete jahre wir d ten Z In serm und Verb kann Maß klim 37
Aufgrund der annähernden Kugelform der Erde ist die Strahlungsintensität 2 Abiotische der Sonne Umweltfaktoren je nach Breitengrad unterschiedlich Abbildung groß. 52.10: In Näher betrachtet – Das globale Klima. – ihr mit Einfluss flachem auf Winkel das Leben einfallende Solarstrahlung den Tropen (den Regionen zwischen 23,5 Grad nördlicher und 23,5 Grad südlicher (a) Breitengradabhängige Breite), wo die Unterschiede in der Intensität der auftreffenden Solarstrahlung. Abbildung Solarstrahlung 2.36: Breitengradabhängige direkt einfällt (die Unterschiede Aufgrund der annähernden Kugelform in der Sonne Intensität steht der im auftreffenden Zenit), der Erde gelangt ist Solarstrahlung. die Strahlungsintensität die größte der Sonne Wärme- je nach Brei- mit flachem Winkel einfallende Solarstrahlung pro Solarstrahlung senkrecht von oben (Zenit) Flächeneinheit und Lichtmenge tengrad auf unterschiedlich die Erde. In groß. In höheren Breiten den Tropen fällt die (den Solarstrahlung schräg schen ein, 23,5 so Grad dass nördlicher sich und Regionen zwi- die Solarenergie 23,5 Grad über südlicher eine wesentlich größere Fläche verteilt mit flachem Winkel einfallende Solarstrahlung Breite), wo die Solarstrahlung direkt einfällt (die Sonne steht im Zenit), gelangt pro Solarstrahlung senkrecht von oben (Zenit) und dadurch an Intensität verliert. Flächeneinheit die größte Wärmeund Lichtmenge auf die Erde. In höheren Breiten fällt die Solarstrahlung schräg ein, so dass sich Atmosphäre die Solarenergie über eine wesentlich größere Fläche verteilt mit flachem Winkel einfallende Solarstrahlung und dadurch an Intensität verliert. (b) Jahreszeitliche Schwankungen der Strahlungsintensität. Atmosphäre 90 °N (Nordpol) 60 °N 30 °N 23,5 °N (nördlicher Wendekreis) 90° °N (Äquator) (Nordpol) 60 °N 23,5 °S (südlicher 30 Wendekreis) °N 23,5 30 °S °N (nördlicher Wendekreis) 0° 60 (Äquator) °S 90 °S (Südpol) 23,5 °S (südlicher Wendekreis) 30 °S 60 °S 90 °S (Südpol) Da die Erdachse schräg steht (Schiefe der Ekliptik), ist die Intensität der Solarstrahlung je nach Jahreszeit unterschiedlich. Unser Planet ist im Verhältnis zur Ebene seiner Umlaufbahn um die Sonne um 23,5 Grad geneigt; deshalb trifft in den Tropen die größte jährliche Strahlungsmenge ein, und die jahreszeitlichen Schwankungen sind am geringsten. In Richtung der Pole nehmen die jahreszeitlichen (b) Jahreszeitliche Schwankungen Schwankungen der Solarstrahlung der Strahlungsintensität. immer mehr zu. So finden sich ausgeprägte Jahreszeiten vor allem in den gemäßigten und arktischen Breiten diesseits und jenseits des Äquators. Da die Erdachse schräg steht (Schiefe der Ekliptik), ist die Intensität der Solarstrahlung je nach Jahreszeit unterschiedlich. Unser Planet ist im Verhältnis zur Ebene seiner Umlaufbahn um die Sonne um 23,5 Grad geneigt; deshalb trifft in den Tropen die größte jährliche Strahlungsmenge ein, und die jahreszeitlichen Schwankungen sind am geringsten. In Richtung der Pole nehmen die jahreszeitlichen Schwankungen der Solarstrahlung immer mehr zu. So finden März-Äquinoktium: sich ausgeprägte Der Jahreszeiten Äquator vor ist allem direkt in den Juni-Solstitium (Sonnenwende): gemäßigten und arktischen Breiten diesseits und jenseits des Äquators. der Sonne zugewandt; die Pole sind von Die Nordhalbkugel ist der Sonne zugewandt, die Tage sind dort am längsten der Sonne abgewandt; alle Regionen der 60 ° N Erde erleben zwölf Stunden Tageslicht und die Nächte am kürzesten (längster und Tag: 21./22.Juni); März-Äquinoktium: zwölf Stunden Dunkelheit Der Äquator (21. ist direkt März). Juni-Solstitium die Südhalbkugel (Sonnenwende): ist 30 ° N der Sonne zugewandt; die Pole sind von von der Sonne Die abgewandt, Nordhalbkugel die ist Tage der Sonne zugewandt, und die Tage die sind Nächte dort am längsten der Sonne abgewandt; alle Regionen der sind am kürzesten 60 ° N Erde erleben zwölf Stunden Tageslicht längsten; Sommerbeginn und die Nächte in am der kürzesten nördli-(längstechen Hemisphäre, Winterbeginn in 30 ° N und zwölf Stunden Dunkelheit (21. März). Tag: 21./22.Juni); die Südhalbkugel ist von der Sonne abgewandt, die Tage der südlichen sind Hemisphäre. am kürzesten und die Nächte am 0° (Äquator) längsten; Sommerbeginn in der nördlichen Hemisphäre, Winterbeginn in 30 ° S der südlichen Hemisphäre. 0° (Äquator) 30 ° S konstante Neigung von konstante 23,5° Neigung von 23,5° September-Äquinoktium September-Äquinoktium (Tag-Nacht-Gleiche): (Tag-Nacht-Gleiche): Der Äquator Der ist Äquator direktist direkt der Sonne zugewandt; der Sonne zugewandt; die Pole sind die Pole der sind der Sonne abgewandt; Sonne abgewandt; alle Regionen alle Regionen der Erdeder Erde erfahren zwölf erfahren Stunden zwölf Tageslicht Stunden Tageslicht und zwölf und zwölf Stunden Dunkelheit Stunden Dunkelheit (23. September). (23. September). Dezember-Solstitium: Dezember-Solstitium: Die Die Nordhalbkugel ist ist von derSonne ab- abgewandt, die die Tage sind am kürzesten und und die die Nächte am am längsten (kürzester Tag: 21./22. Dezember); die Südhalbkugel ist ist der der Sonne Sonne zugewandt, die Tage sind am am längsten längsten und unddie die Nächte am kürzesten. Abbildung 2.37: Jahreszeitliche Schwankungen der Strahlungsintensität. 1550 1550 38
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Seite 16 und 17: miteinander verbunden. An der Wasse
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