Fotosynthese, Zellatmung und Kohlenstoffkreislauf
Eine Buche im Sauerland wächst jedes Jahr ein Stück in die Höhe und wird immer dicker. Ein Baum, der Jahr für Jahr mehrere hundert Kilogramm schwerer wird, ohne dass jemand ihn füttert: Woher kommt eigentlich die ganze Masse? Und was hat das mit der Luft zu tun, die wir atmen? Das klären wir auf dieser Seite Schritt für Schritt.
Fotosynthese: Pflanzen bauen Zucker auf
Pflanzen sind Produzenten: Sie stellen aus anorganischen Stoffen energiereiche organische Stoffe her. Dazu brauchen sie Lichtenergie. Dieser Vorgang heißt Fotosynthese. Er läuft in den grünen Chloroplasten der Blattzellen ab, die den grünen Farbstoff Chlorophyll enthalten.
Als Wortgleichung:
$$\text{Kohlenstoffdioxid} + \text{Wasser} \xrightarrow{\text{Lichtenergie}} \text{Traubenzucker} + \text{Sauerstoff}$$Die Lichtenergie ist dann als chemische Energie im Traubenzucker gespeichert. Aus dem Zucker baut die Pflanze Stärke, Cellulose und andere Stoffe auf. Das Kohlenstoffdioxid nimmt sie aus der Luft über die Spaltöffnungen der Blätter auf, das Wasser über die Wurzeln.
Wovon hängt die Fotosyntheserate ab?
Die Rate (Stoffumsatz pro Zeit) wird von mehreren Faktoren bestimmt:
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Lichtstärke: Mehr Licht, mehr Fotosynthese, bis ein Höchstwert erreicht ist.
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Kohlenstoffdioxid-Gehalt der Luft.
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Temperatur: Bei sehr niedrigen oder sehr hohen Temperaturen sinkt die Rate.
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Wasserversorgung.
Gib die Wortgleichung der Fotosynthese und die der Zellatmung an.
Gib die Wortgleichung der Fotosynthese und die der Zellatmung an.
Nenne drei Faktoren, welche die Fotosyntheserate beeinflussen.
Nenne drei Faktoren, welche die Fotosyntheserate beeinflussen.
Ein Wasserpest-Spross gibt im Licht Gasbläschen ab: bei 10 cm Lampenabstand 24 Bläschen pro Minute, bei 20 cm 12, bei 40 cm 6. a) Beschreibe den Zusammenhang. b) Nenne…
Ein Wasserpest-Spross gibt im Licht Gasbläschen ab: bei 10 cm Lampenabstand 24 Bläschen pro Minute, bei 20 cm 12, bei 40 cm 6.
- a) Beschreibe den Zusammenhang.
- b) Nenne das Gas.
- c) Erkläre, warum die Rate im Dunkeln auf null sinkt.
Zellatmung: Energie freisetzen
Alle Lebewesen brauchen Energie für Wachstum, Bewegung und Wärme. Sie gewinnen sie in den Mitochondrien der Zellen durch die Zellatmung. Dabei wird Traubenzucker mit Sauerstoff abgebaut.
$$\text{Traubenzucker} + \text{Sauerstoff} \longrightarrow \text{Kohlenstoffdioxid} + \text{Wasser} + \text{(nutzbare) Energie}$$Fotosynthese und Zellatmung verlaufen nahezu umgekehrt:
| Fotosynthese | Zellatmung | |
|---|---|---|
| Wo? | Chloroplasten (nur grüne Pflanzenzellen) | Mitochondrien (fast alle Zellen) |
| Wann? | nur bei Licht | immer, Tag und Nacht |
| Ausgangsstoffe | Kohlenstoffdioxid, Wasser | Traubenzucker, Sauerstoff |
| Endprodukte | Traubenzucker, Sauerstoff | Kohlenstoffdioxid, Wasser |
| Energie | wird gespeichert (Licht → chemische Energie) | wird freigesetzt |
Tag und Nacht: der Kompensationspunkt
Tagsüber laufen beide Vorgänge gleichzeitig. Bei hellem Licht ist die Fotosynthese stärker, die Pflanze gibt netto Sauerstoff ab und nimmt Kohlenstoffdioxid auf. Nachts läuft nur die Zellatmung: Sauerstoff wird aufgenommen, Kohlenstoffdioxid abgegeben. In der Dämmerung gibt es einen Punkt, an dem beide Vorgänge gleich stark sind. Das ist der Kompensationspunkt: Der Gasaustausch mit der Umgebung ist dann null.
Eine Buche betreibt tagsüber Fotosynthese und Zellatmung, nachts nur Zellatmung. a) Erkläre, warum tagsüber netto Sauerstoff abgegeben wird. b) Erkläre, was am…
Eine Buche betreibt tagsüber Fotosynthese und Zellatmung, nachts nur Zellatmung.
- a) Erkläre, warum tagsüber netto Sauerstoff abgegeben wird.
- b) Erkläre, was am Kompensationspunkt gilt.
Ein Aquarium enthält Fische, Wasserpflanzen und Licht. Es wird abgedunkelt. a) Beschreibe Veränderungen von Sauerstoff- und CO₂-Gehalt im Verlauf einer Nacht. b)…
Ein Aquarium enthält Fische, Wasserpflanzen und Licht. Es wird abgedunkelt.
- a) Beschreibe Veränderungen von Sauerstoff- und CO₂-Gehalt im Verlauf einer Nacht.
- b) Erkläre, warum zu viele Pflanzen nachts problematisch sein können.
- c) Beurteile die Aussage „Pflanzen atmen nicht“.
Historische Experimente: Woher kommt die Masse?
Im 17. Jahrhundert fragte sich der Arzt Jan Baptist van Helmont: Woraus bauen Pflanzen ihren Körper auf? Man vermutete damals, aus der Erde. Seine Hypothese: Die Pflanze nimmt ihre Masse aus dem Boden auf.
Das Beispiel zeigt, wie Naturwissenschaft arbeitet: Eine Hypothese wird durch einen Versuch geprüft, die Ergebnisse werden ausgewertet, und fehlende Faktoren führen zu neuen Fragen.
Versuchsplanung: Braucht Fotosynthese Licht?
Ein Standardversuch: Man deckt ein Blatt an der Pflanze teilweise mit Alufolie ab (Versuchsansatz), ein anderes Blatt bleibt unbedeckt (Kontrollansatz). Nach einigen Stunden werden beide Blätter in heißem Wasser und Ethanol entfärbt und mit Iod-Kaliumiodid-Lösung getestet. Stärke färbt sich blauschwarz. Alles andere (Pflanze, Temperatur, Wasser, Dauer) muss gleich bleiben (Variablenkontrolle).
Jan van Helmont pflanzte im 17. Jahrhundert einen Weidenzweig von 2,3 kg in 90,7 kg getrocknete Erde und goss ihn fünf Jahre nur mit Regenwasser. Danach wog der Baum…
Jan van Helmont pflanzte im 17. Jahrhundert einen Weidenzweig von 2,3 kg in 90,7 kg getrocknete Erde und goss ihn fünf Jahre nur mit Regenwasser. Danach wog der Baum 76,7 kg, die Erde hatte nur etwa 0,06 kg verloren.
- a) Berechne die Massenzunahme des Baumes.
- b) Erkläre, woher die Masse stammt, und erläutere van Helmonts Schluss.
- c) Nenne, was er nicht berücksichtigt hatte.
Plane ein Experiment, um zu zeigen, dass Pflanzen für die Fotosynthese Licht benötigen (z. B. Kontrolle mit abgedunkeltem Blatt und Iod-Stärkenachweis). a) Formuliere…
Plane ein Experiment, um zu zeigen, dass Pflanzen für die Fotosynthese Licht benötigen (z. B. Kontrolle mit abgedunkeltem Blatt und Iod-Stärkenachweis).
- a) Formuliere die Hypothese.
- b) Beschreibe Versuchs- und Kontrollansatz.
- c) Nenne die erwartete Beobachtung und eine mögliche Fehlerquelle.
Der Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoff ist der Grundbaustein aller organischen Stoffe. Er wird nicht verbraucht, sondern wandert im Kohlenstoffkreislauf. In der Luft liegt er vorwiegend als Kohlenstoffdioxid (CO₂) vor, in Pflanzen z. B. als Traubenzucker, Stärke oder Cellulose.
Die Prozesse an den Pfeilen:
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Luft → Pflanzen: Fotosynthese (CO₂ wird aufgenommen und in Zucker eingebaut).
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Pflanzen → Tiere: Nahrungsaufnahme (Kohlenstoff in organischen Stoffen).
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Pflanzen, Tiere, Zersetzer → Luft: Zellatmung (CO₂ wird abgegeben).
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Pflanzen und Tiere → Zersetzer: abgestorbene Reste, Kot, Laub.
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Fossile Brennstoffe → Luft: Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas.
Zersetzer (Destruenten wie Pilze und Bakterien) bauen tote organische Stoffe ab. Sie veratmen sie zu Kohlenstoffdioxid und Wasser, und Mineralstoffe werden frei, die Pflanzen wieder aufnehmen. Ohne Zersetzer bliebe der Kohlenstoff in toten Resten gebunden.
Nenne die Kohlenstoffverbindung, in der Kohlenstoff vorwiegend in der Luft vorliegt, und eine, in der er in Pflanzen gespeichert ist.
Nenne die Kohlenstoffverbindung, in der Kohlenstoff vorwiegend in der Luft vorliegt, und eine, in der er in Pflanzen gespeichert ist.
Zeichne (beschreibe) einen Kohlenstoffkreislauf mit den Teilen Atmosphäre, Pflanzen, Tiere, Zersetzer und Verbrennung fossiler Brennstoffe. a) Benenne die Prozesse an…
Zeichne (beschreibe) einen Kohlenstoffkreislauf mit den Teilen Atmosphäre, Pflanzen, Tiere, Zersetzer und Verbrennung fossiler Brennstoffe.
- a) Benenne die Prozesse an den Pfeilen.
- b) Erkläre die Rolle der Zersetzer.
- c) Erkläre, warum Verbrennung fossiler Energieträger den CO₂-Gehalt der Luft erhöht, und nenne eine Folge.
Auf einen Blick
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Fotosynthese: Kohlenstoffdioxid + Wasser → (Lichtenergie) Traubenzucker + Sauerstoff. Sie läuft nur bei Licht in Chloroplasten ab.
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Zellatmung: Traubenzucker + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser + Energie. Sie läuft in allen Lebewesen ständig ab, auch in Pflanzen.
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Die Fotosyntheserate hängt von Licht, CO₂-Gehalt, Temperatur und Wasser ab. Am Kompensationspunkt sind Fotosynthese und Zellatmung gleich stark.
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Van Helmont zeigte, dass die Masse eines Baumes nicht überwiegend aus der Erde stammt. Den Beitrag der Luft kannte er noch nicht.
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Kohlenstoff kreist zwischen Luft, Pflanzen, Tieren und Zersetzern. Verbrennung fossiler Brennstoffe erhöht den CO₂-Gehalt der Luft.