Fotosynthese & Atmung
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Zellbiologie – <strong>Fotosynthese</strong> Vorssa 09/10 CK <br />
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Wovon ernähren sich Pflanzen? Die Entdeckung der <strong>Fotosynthese</strong> <br />
ARISTOTELES (384–322 v. Chr.), der Lehrer von Alexander dem Grossen, dachte, die Pflanze ernährt sich von Erde <br />
und wächst dadurch, dass sie Stoffe aus dem Boden aufnimmt. <br />
JEAN BAPTISTE VAN HELMONT (1579–1644) <br />
stellte sich um 1600 dieselbe Frage und <br />
versuchte, sie mit seinem bekannt <br />
gewordenen Weidenzweigversuch zu <br />
beantworten. Er bestimmte dazu das <br />
Gewicht einer jungen Weide (2,5 kg) und <br />
des Gefässes mit trockener Erde (100 kg), <br />
in die er die Weide pflanzte. Nach fünfjäh‐<br />
riger Kultur stellte er fest, dass das <br />
Gewicht der Pflanze um 82 kg zugenom‐<br />
men, das der Erde aber nur um zwei <br />
Unzen (ca. 57 g) abgenommen hatte. Er <br />
schloss daraus, dass die Pflanze sich von <br />
Wasser und nicht von der Erde ernährt. <br />
JOSEPH PRIESTLEY (1733–1804), einer der Entdecker des Sauerstoffs, konnte 1771 zeigen, dass Pflanzen schlechte <br />
Luft in gute verwandeln. Unter zwei luftdichten Glasglocken liess Priestley Kerzen bis zum Erlöschen der <br />
Flamme brennen. Anschliessend stellte er unter eine der Glasglocken einen Minzepflanze, welcher zu seinem <br />
Erstaunen in der „verbrauchten“ Luft prächtig gedieh. Vier Wochen später stellte er wiederum in beide der <br />
Glasglocken eine brennende Kerze. Die Kerze im leeren Behälter erlöschte sofort, die Kerze im Gefäss mit der <br />
Minze hingegen brannte weiter. In einem weiteren Versuch setzte Priestley Mäuse unter die luftdichten Glas‐<br />
glocken. Die Mäuse wurden bald ohnmächtig. Er schloss daraus, dass die Mäuse die Luft verschlechtert hatten <br />
und stellte sich nun die Frage, ob es sich um den gleichen Vorgang wie bei der Kerze handelt. Er wiederholte den <br />
Vorgang mit den Minzepflanzen und wiederum waren die Mäuse im Gefäss mit den Pflanzen fähig, eine begrenz‐<br />
te Zeit darin zu leben. Priestley fasste seine Entdeckungen wie folgt zusammen: „Tiere und Menschen verschlech‐<br />
tern die Luft, Pflanzen können in der faulen Luft besonders gut gedeihen und verbessern sie dadurch“. <br />
Der niederländische Arzt JAN INGENHOUSZ (1730–1799) führte, nachdem er die Arbeit PRIESTLEYS kennen gelernt <br />
hatte, ebenfalls Experimente zur <strong>Fotosynthese</strong> durch. Er schloss seine Pflanzen unter luftdicht abgeschlossenen <br />
Glasglocken ab. Sein Versuchsaufbau ist in der untenstehen‐<br />
den Abbildung wiedergegeben. <br />
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1.) Beschreibe INGENHOUSZ’ Versuchsreihe und nenne zwei <br />
zusätzliche Erkenntnisse, die INGENHOUSZ damit gegen‐<br />
über den Versuchen PRIESTLEYS erzielen konnte. <br />
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ANTOINE LAURENT DE LAVOISIER (1743–1794), der Begründer der modernen Chemie, identifizierte um 1780 CO2 als <br />
die „schlechte Luft“ und O2 als die „gute Luft“ aus PRIESTLEYS Versuchen. <br />
JULIUS SACHS entdeckte um 1860, dass der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll nur unter Lichteinfluss Stärke <br />
oder Zucker produziert. Damit konnte die klassische Gleichung und Definition der <strong>Fotosynthese</strong> aufge‐<br />
stellt werden: <br />
6 CO2 + 6 H2O + Sonnenenergie � C6H12O6 (Glucose) + 6 O2 oder einfacher ausgedrückt: <br />
Kohlendioxid + Wasser + Sonnenenergie � Traubenzucker + Sauerstoff <br />
<strong>Fotosynthese</strong>: Fixierung der Sonnenenergie zum Aufbau von energiereichen Nahrungsmitteln <br />
in den Chloroplasten der grünen Pflanzen. <br />
Zellbiologie – <strong>Fotosynthese</strong> Vorssa 09/10 CK <br />
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Im Traubenzucker ist Sonnenenergie <br />
Grüne Pflanzen nehmen keine Nahrung auf, sie können die Nährstoffe (Kohlenhydrate, Eiweisse, Fette) im <br />
Gegensatz zu den Tieren selbst aufbauen und speichern. Wissenschaftlich ausgedrückt können sie <br />
Lichtenergie in chemische Energie (in Form von Nahrungsmittelmolekülen) überführen. Somit sind sie <br />
energetisch selbständig, man nennt sie autotroph (= "selbsternährend"). <br />
Mensch und Tier profitieren von dieser Fähigkeit, sie sind energetisch von den Pflanzen abhängig. Man <br />
nennt sie heterotroph (= "fremdernährend"). <br />
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Zellbiologie – <strong>Fotosynthese</strong> Vorssa 09/10 CK <br />
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2.) Beschrifte mithilfe des Textes die leeren Kästchen in der Abbildung: <br />
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Pflanzen nehmen durch die Wurzeln Wasser und die darin gelösten Mineralsalze auf. Durch die Spross‐<br />
achse gelangt das Wasser zu den Blättern. Durch die Spaltöffnungen in den Blättern gelangt Kohlendioxid <br />
in das Blattgewebe. In den Choroplasten wird aus Kohlendioxid und Wasser der Traubenzucker auffge‐<br />
baut. Sauerstoff und Wasser wird über die Spaltöffnungen abgegeben. Für diese Stoffwechselprozesse <br />
benötigt die Pflanze Energie (Sonnenenergie). Die Sonnenenergie wird in dem energiereichen Trauben‐<br />
zucker gespeichert. <br />
Die grüne Farbe der Blätter wird durch das Chlorophyll hervorgerufen, das sich in den Chloroplasten <br />
befindet. Ebenfalls in den Chloroplasten wird dann daraus Stärke aufgebaut und in besonderen Speicher‐<br />
organen wie Knollen oder Zwiebeln gespeichert, oder sie verarbeiten ihn weiter zu anderen Stoffen wie <br />
Zellulose oder pflanzliche Oele.Da sich Stärke in Wasser kaum löst, muss sie vor dem Transport zu den <br />
Speicherorganen erst wieder in Traubenzucker zerlegt werden. <br />
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3.) Welche Prozesse laufen tagsüber ab? Begründe. <br />
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4.) Welche Prozesse laufen nachts ab? Begründe. <br />
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5.) Welche Prozesse laufen bei Tier und Mensch ab? <br />
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Kohlendioxid ist in der Atmosphäre nur wenig (0,03%) vorhanden. Dieser Gehalt wird durch Verbrennungsvorgänge <br />
(Nahrungsmittel, Holz, Erdöl) aufrechterhalten. <br />
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Sauerstoff ist in der Atmosphäre zu rund 21% vorhanden. Es stammt fast ausschliesslich aus der <strong>Fotosynthese</strong>. <br />
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Wasser wird von der Pflanze zum grössten Teil zur Aufrechterhaltung des Zelldruckes und zur Transpiration <br />
benötigt. Nur ein kleiner Teil wird für die <strong>Fotosynthese</strong> benötigt. <br />
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Die Zellatmung <br />
Auch grüne Pflanzen benötigen für ihre Lebensäusserungen Energie. Diese gewinnen sie ‐ wie alle <br />
Lebewesen – aus der Zellatmung. Zur Erinnerung: dabei wird in den Mitochondrien aus Traubenzucker <br />
mithilfe von Sauerstoff Energie freigesetzt und dabei Kohlendioxid und Wasser frei. Wenn man die <br />
Reaktionsgleichung betrachtet, sieht die Zellatmung wie die Umkehrung der <strong>Fotosynthese</strong> aus, aber sie <br />
findet an verschiedenen Orten statt und die Zwischenprodukte der Reaktion sind auch verschieden. <br />
Die Pflanze atmet bei Tag und Nacht. Am Tag überwiegt jedoch die <strong>Fotosynthese</strong>, d.h. es wird mehr <br />
Kohlendioxid aufgenommen als abgegeben. In der Nacht wird aufgrund des fehlenden Sonnenlichtes die <br />
<strong>Fotosynthese</strong> eingestellt, die Pflanze betreibt nur noch Zellatmung. Am Morgen und am Abend gibt es <br />
einen Zeitpunkt, an dem sich <strong>Fotosynthese</strong> und <strong>Atmung</strong> die Waage halten (Kompensationspunkt). <br />
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6.) Was versteht man unter dem Gaswechsel bei Pflanzen? <br />
7.) Unter welchen Bedingungen verhungern Pflanzen? <br />
8.) Welcher Stoff macht Pflanzen grün? <br />
9.) Wie kann gezeigt werden, dass Licht zur Stärkebildung nötig ist? <br />
10.) Warum muss Stärke in Traubenzucker zerlegt werden, um transportiert zu werden? <br />
11.) Welche Bedeutung hat die <strong>Fotosynthese</strong> für die Pflanze? <br />
12.) Welche Bedeutung hat die <strong>Fotosynthese</strong> für Tiere und den Menschen? <br />
Zellbiologie – <strong>Fotosynthese</strong> Vorssa 09/10 CK <br />
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13.) <br />
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E i n R ä t s e l r u n d u m d i e P h o t o s y n t h e s e <br />
Setze die waagerechten Lösungswörter ein (Ä = Ä usw.). Die markierten Buchstaben <br />
ergeben – von oben nach unten gelesen – den Namen eines bedeutenden Naturfor‐<br />
schers. <br />
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1: Auf diesem Weg gelangt Kohlenstoffdioxid in die Pflanze <br />
2: Gasförmiges Photosyntheseprodukt <br />
3: Die für die Photosynthese notwendige Energieform <br />
4: Zucker, der bei der Photosynthese entsteht <br />
5: Gasförmiger Ausgangsstoff der Photosynthese <br />
6: Der Photosynthese entgegengesetzter Vorgang <br />
7: Transportweg für Wasser und Nährstoffe im Blatt <br />
8: Mit diesem Organ wird das für die Photosynthese benötig‐<br />
te Wasser in die Pflanze aufgenommen <br />
9: Grüner Blattfarbstoff <br />
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Pflanzenprodukte <br />
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14.) Die zwei präsentierten Stoffe werden von Pflanzen hergestellt. Vergleiche ihre Eigenschaften. <br />
Um welche beiden Stoffe handelt es sich? <br />
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Aussehen <br />
Geschmack <br />
Wasserlöslich <br />
Reaktion mit Jod‐Lösung <br />
Modell <br />
Zellbiologie – <strong>Fotosynthese</strong> Vorssa 09/10 CK <br />
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Traubenzucker ist das "Rohma‐<br />
terial" für alle anderen pflanzli‐<br />
chen Produkte. Zur Herstellung <br />
von Rohrzucker, Stärke, Fett, Zel‐<br />
lulose, Fett und Oel braucht die <br />
Pflanze keine weiteren Stoffe. Für <br />
Eiweiss, Blütenfarbstoff, Chloro‐<br />
phyll und Erbsubstanz hingegen <br />
sind zusätzlich Mineralstoffe nötig. <br />
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Jedes dieser Produkte hat für die <br />
Pflanze eine bestimmte Bedeu‐<br />
tung. Daneben baut jede Pflanzen‐<br />
art auch ihre eigenen Produkte <br />
auf, die bei den anderen Arten <br />
nicht oder nur in geringen Mengen <br />
vorkommen. Die Früchte des <br />
Kirschbaumes enthalten zum Bei‐<br />
spiel viel Zucker, die des Hasel‐<br />
strauches viel Fett. Die Pflanzen‐<br />
produkte sind für Tier und Mensch <br />
die Nahrungsgrundlage. Wir brau‐<br />
chen sie als Werkstoffe, für Brenn‐<br />
zwecke, als Heil‐ und Genussmit‐<br />
tel. <br />
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Technisch genutzte Pflanzen: einige Beispiele <br />
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Kleiderfasern Baumwolle: Samenhaare, d.h. die Haarewachsen auf der Samenschale <br />
Flachs (Leinen): Faserbündel des Stengels <br />
Holz Bauholz, Möbelholz, für Papierherstellung oder für Brennzwecke Zentralteil der <br />
Sprossachsen, aus sekundärem Dickenwachstum <br />
Kork Für Flaschen, Schwimmkörper, Isoliermaterial, totes Rindengewebe <br />
Gerbstoff Für Ledergerberei: in Früchten, Ablagerungen im Holz, v.a. tropische Pflanzen, Bedeutung schwin‐<br />
det zusehens <br />
Kautschuk Milchröhrensaft, der "Lagerraum" der Pflanze für Eiweisse und versch. Abfallstoffe = Latex <br />
Harze, Balsame, Lack Sekundäre Pflanzenstoffe, ätherische Oele, dienen der Pflanze zum Wundverschluss, gegen Tier‐<br />
frass. z.B. Terpentin. <br />
Wachs Im Stamm und Blättern von Wachspalmen, Samen von Jojoba, Milchsaft des Wachsfeigenbaumes <br />
(alle tropisch) <br />
Farbstoffe Aus Flechten, Wurzeln, Hölzern und Rinden, Blättern und Blüten. Indigo z.B. (schönes blau) stammt <br />
aus Blättern der Indigogewächse. (heute werden alle unsere Farben synthetisch hergestellt...) <br />
Insektizide Aus Wurzeln, Holz, Blättern und Blüten. z.B. Nikotin aus der Tabakpflanze oder Extrakte aus Knoblauch. (Natürliche Insektenschutzmittel gewinnen wieder zusehens an Bedeutung). <br />
Kraftstoffe Alkohole als Benzinersatz; aus Zuckerrohr, Maniok oder WolfsmilchgewächsenHarze und Bal‐<br />
same als Dieselölersatz <br />
Dickungsmittel Agar‐Agar, ein KH aus Rotalgen, Gummi arabicum aus den Rindenzwischenräumen der Acacia‐<br />
Arten; für Nahrungsmittel, Kosmetik, Gummiherstellung
Zellbiologie – <strong>Fotosynthese</strong> Vorssa 09/10 CK <br />
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13.) ZUSAMMENFASSUNG Zeichne eine Kartoffelpflanze mit Speicherknollen. Gib mit Pfeilen an, <br />
a. welche Stoffe wo von der Pflanze aufgenommen werden <br />
b. welche Stoffe wo abgegeben werden <br />
c. welche Stoffe wo innerhalb der Pflanze transportiert werden <br />
d. welche Stoffe wo in einem grossen Vorratsspeicher gespeichert werden. <br />
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14.) Wie arbeiten Chloroplasten und Mitochondrien innerhalb einer Zelle zusammen? Gib mit Pfei‐<br />
len an, wo welche Stoffe enstehen, bzw. wo welche Stoffe verbraucht werden. Wie sieht die Ta‐<br />
gesbilanz der Aufnahme und Abgabe von Kohlendioxid und Sauerstoff einer chloroplastenhal‐<br />
tigen Zelle aus? Gibt sie mehr Kohlendioxid ab als sie aufnimmt oder ist es umgekehrt? Und <br />
Sauerstoff? Zeige die Bilanz von Kohlendioxid und Sauerstoff mit dicken Pfeilen an. <br />
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