Fotosynthese – Bedeutung und Lichtaufnahme der Pflanzen

Fotosynthese – Bedeutung und Lichtaufnahme der Pflanzen Übung

• Gib die Reaktionsgleichung der Fotosynthese wieder.

  Tipps

  Pflanzen nehmen für die Fotosynthese unter anderem den Stoff auf, den wir Menschen ausatmen.

  Bei der Fotosynthese wird Glukose gebildet.

  Pflanzen nehmen über die Wurzeln Wasser auf.

  Lösung

  Die richtige Reaktionsgleichung der Fotosynthese lautet: $6 H_2O + 6 CO_2= C_6 H_{12} O_6 + 6 O_2$

  Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Luft über ihre Spaltöffnungen an der Unterseite der Blätter auf. Wasser nehmen Pflanzen zu einem großen Teil mit den Wurzeln aus der Erde auf. In den Thylakoidmembranen der Chloroplasten wird anschließend die Lichtenergie der Sonne in chemische Energie umgewandelt, mit deren Hilfe aus Wasser und Kohlenstoffdioxid Glukose aufgebaut wird. Als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff, dieser wird über die Spaltöffnungen wieder an die Luft abgegeben.

• Beschreibe den Nutzen der Fotosynthese für den Menschen.

  Tipps

  Die meisten unserer Nutztiere sind Pflanzenfresser.

  Ohne Wasser hätte kein Leben auf der Erde enstehen können.

  Glas wird aus Sand, Kalk und anderen Mineralien hergestellt.

  Papier besteht aus Cellulose.

  Lösung

  Obst, Gemüse, Papier und Kohle sind direkte Erzeugnisse aus Pflanzen. Daher würden sie ohne Fotosynthese nicht existieren.

  Auch Fleisch könnten wir nicht essen, denn unsere Nutztiere ernähren sich zu einem großen Teil von Pflanzen und atmen natürlich wie wir Sauerstoff.

  Metalle werden aus Erzen im Boden gewonnen. Auch ohne Fotosynthese würden sie uns immer noch zur Verfügung stehen. Allerdings wäre die Verarbeitung erschwert, denn zu Verarbeitung von Metallen wird große Hitze benötigt. Diese erzeugen wir häufig mithilfe von Kohle und vor allen Dingen mit dem Sauerstoff aus der Luft, dessen Ursprung auch die Fotosynthese ist. Es könnten aber auch Möglichkeiten gefunden werden, die Hitze ohne Fotosynthese zu erzeugen.

  Ähnlich verhält es sich mit dem Glas. Es besteht aus anorganischen Mineralien, die uns auch ohne Fotosynthese zur Verfügung stehen würden. Aber auch bei der Glasherstellung wird Hitze benötigt.

  Wasser wird für die Fotosynthese benötigt und war sogar schon vor den ersten Lebewesen auf der Erde. Daher hätten wir auch ohne Fotosynthese immer noch genug Wasser.

• Erkläre den Kreislauf des Kohlenstoffs in einem Ökosystem.

  Tipps

  Dank der Fotosynthese können Pflanzen das $CO_2$ aus der Luft zum Aufbau von Biomasse nutzen. Sie fixieren also den Kohlenstoff.

  Die Zellatmung wird von Tieren und Pflanzen betrieben. Sie setzt $CO_2$ frei.

  Lösung

  Aufgrund der Fotosynthese gelten Pflanzen als Kohlenstofffixierer. Sie binden den Kohlenstoff aus dem $CO_2$ in der Luft und bauen mit seiner Hilfe neue Biomasse auf. Aber auch Pflanzen setzen Kohlenstoff frei, denn auch sie betreiben Zellatmung. Außerdem werden abgestorbene Pflanzenteile wie herabfallende Blätter von Tieren und anderen Bodenorganismen zersetzt. Sie betreiben wiederum Zellatmung und geben somit den Kohlenstoff als $CO_2$ in die Luft ab. Das Gleiche gilt für Tiere, die sich direkt von der Pflanze ernähren, wie zum Beispiel die Kuh im Bild. Aber auch Fleischfresser nehmen indirekt den von den Pflanzen fixierten Kohlenstoff mit der Nahrung zu sich, indem sie andere Tiere fressen, die sich wiederum von Pflanzen ernährt haben.

  Zu guter Letzt setzen auch unsere Kraftwerke $CO_2$ frei. Sie Verbrennen Kohle, Öl oder Gas, das aus vor langer Zeit abgestorbenen Pflanzen besteht. Das Problem dabei ist, dass diese Rohstoffe ohne uns Menschen weiterhin tief im Boden verbleiben würde. Wir setzen diesen, eigentlich endgültig gebundenen Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre frei. Der Rückschluss wäre, dass wir mehr Pflanzen benötigen, die den freien Kohlenstoff wieder fixieren. Leider ist aber eher das Gegenteil der Fall.

• Bewerte die Brandrodung des Regenwalds im Zusammenhang mit seiner Funktion als $CO_2$-Speicher.

  Tipps

  Erinnere dich nochmal an die Gleichung der Fotosynthese. In welcher Beziehung stehen Pflanzen mit dem Kohlenstoff, in Form von $CO_2$, in der Atmosphäre?

  Manche Gase in der Atmosphäre verhindern, dass das von der Erdoberfläche reflektierte Licht zurück in den Weltraum strahlen kann. Das Licht und dessen Wärme bleibt in der Atmosphäre. Dies nennt man auch Treibhauseffekt.

  Lösung

  Die tropischen Regenwälder unserer Erde gelten als besonders effiziente Kohlenstoffspeicher. Sie zeichnen sich durch eine besonders dichte Vegetation auf. Die vielen Pflanzen betreiben viel Fotosynthese und nehmen somit viel $CO_2$ aus der Atmosphäre auf.

  Da wir Menschen ohnehin zu viel $CO_2$ in die Atmosphäre freisetzen, ist diese Eigenschaft der Regenwälder für uns von großer Bedeutung. Leider werden sie aufgrund von Platzmangel und ihrer guten Böden häufig gerodet. Die Flächen werden anschließend landwirtschaftlich genutzt. Somit vernichten wir einen großen Teil dessen, was unseren eigenen problematischen $CO_2$-Ausstoß zum Teil kompensieren würde.

  Hinzu kommt die problematische Methode, welche zur Rodung genutzt wird, die Brandrodung. Sie sorgt zusätzlich dafür, dass der bereits gespeicherte Kohlenstoff mit einem Mal wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ein hoher Anteil von $CO_2$ in der Atmosphäre unterstützt den Treibhauseffekt, durch den sich das globale Klima erwärmt.

• Beschreibe den Aufbau eines Chloroplasten.

  Tipps

  Der Raum zwischen den Grana wird Stroma genannt.

  Ein Granum besteht aus mehreren Thylakoiden.

  Häufig sammelt sich Stärke, welche aus Glukose aufgebaut wird, in den Chloroplasten.

  Lösung

  Ein Chloroplast besitzt eine äußere Membran, die das Innere des Chlorplasten vom Zellplasma trennt. Der Raum innerhalb dieser Membran wird Stroma genannt. In ihm befinden sich die Grana. Ein Granum ist im Grunde ein Stapel aus Thylakoiden. In den Membranen der Thylakoiden befinden sich die Fotosysteme, die auch Lichtsammelfallen genannt werden. Sie nehmen die Energie des Sonnenlichtes auf und transportieren es in Form von Elektronen.

  Vielleicht fragst du dich, warum die Grana und Thylakoiden überhaupt existieren. Schließlich hat so ein Chloroplast ja auch eine äußere Membran, in der die Fotosysteme Platz finden könnten. Der Grund für diesen etwas komplizierten Aufbau ist das Prinzip der Oberflächenvergrößerung: Durch die große Menge dicht gepackter Membranstapel finden viele Fotosysteme auf kleinster Fläche Platz.

• Erläutere die Funktion der Fotosysteme.

  Tipps

  Carotinoide agieren im Fotosystem als Antennenpigmente.

  Die Grünlücke kannst du dir aus der Abbildung herleiten.

  Lösung

  Die beiden Fotosysteme werden auch als Lichtsammelkomplexe bezeichnet. Sie sind in die Membran der Thylakoide eingelassen und bestehen zum einen aus Proteinen und zum anderen aus Pigmenten, die Licht absorbieren. Die meisten dieser Pigmente nennt man Antennenpigmente. Zu ihnen gehören die Carotinoide, aber auch Chlorophylle kommen als Antennenpigmente vor. Die Aufgabe der Antennenpigmente ist es, das Licht einzufangen und die Energie des Lichtes wie durch einen Trichter weiterzuleiten. Verlässt ein Pigment den angeregten Zustand, regt die freiwerdende Energie das nächste Pigment an. Auf diese Weise wird die Energie ins Reaktionszentrum des Fotosystems weitergeleitet. Dort befinden sich zwei Zentralpigmente, welche beim Verlassen des angeregten Zustandes ein Elektron abgeben. Diese Elektronen stoßen nun die weiteren Prozesse der Fotosynthese an.