28Pflanzen-Photosynthese
SEKUNDARSTUFEN
28pflanzen-Photosynthese
Höhere Pflanzen: Photosynthese
Experimente und Informationen: Stärke Synthese im belichteten Blatt, Nachweis von Stärkekörnern Einfluss von Kohlenstoffdioxid, Elektronentransport
Hill-Reaktion mit isolierten Chloroplasten, Einfluss der Lichtmenge, der Kohlenstoffdioxidmenge, der Lichtqualität an der Photosynthese beteiligte Farbstoffe Fluoreszenz bei isoliertem Chlorophyll
ProjektPS mit Elodeapflanzen Einfluss Kohlenstoffdioxid Einfluss Lichtmenge Einfluss Lichtqualtität Einfluss Temperatur
vgl. auch Grundschule Photosynthese
Photosynthese Einführung In der Photosynthese wird mit Hilfe von Lichtenergie Wasser gespalten. Sauerstoff bleibt übrig und der Wasserstoff reduziert Kohlenstoffdioxid zu Zucker und weiter zu Aminosäuren und Fetten als erste nachweisbare organische Verbindungen. Die Photosynthesereaktion ist die weitaus größte chemische Umsetzung auf der Erde.
Die überschüssige Biomasse die in den Jahrmillionen anfiel, ist als Erdöl, Kohle oder Braunkohle gespeichert. Die Erforschung der Photosynthese ist durchaus noch nicht abgeschlossen. Dies gilt sowohl für die erdgeschichtliche Dimension als auch für die Stoffwechselprozesse . . https://detektor.fm/wissen/forschungsquartett-kuenstliche-fotosynthese Es wird schon lange diskutiert, wann in der Erdgeschichte die Photosynthesereaktionen „erfunden“ wurden. Angenommen wird, die ersten Anfänge aus chemisch gebundener Energie (z.B. aus H2S) Zucker zu gewinnen, vor rund 3.5 Milliarden Jahren einsetzten. Erst sehr viel später vor rund 2.5 Milliaden Jahren entwickelte sich die Möglichkeit, aus Wasserspaltung die Energie für die Zuckersynthese zu gewinnen. Damit erst wurde die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre möglich. Der Wirkungsgrad der Photosynthesereaktion liegt heute bei rund 20%. Auf Grund der vielen Stoffwechselprozesse ist aber anzunehmen, dass aber letztendlich nur 1.5 % der eingestrahlten Sonnenenergie für die Organismen zur Verfügung stehen. Trotzdem werden pro Jahr rund 1,5 1011 Tonnen organischer Masse (Biomasse) hergestellt. Diese Biomasse wurde wieder durch die Pflanzen selbst wie auch durch die Tiere abgebaut. Sodass sich ein Gleichgewicht von Kohlenstoffdioxid von 0,3 % und von Sauerstoff von rund 20% in der Luft etablieren konnte. | ||
Versuch 1
Photosynthese: Nachweis der Stärkeproduktion
Geräte: Stehlampe, Bechergläser, Pinzette, Petrischalen oder Glasschalen.
Chemikalien: Jod-Jodkalium-Lösung, Brennspiritus, Vaseline, Plastiktüte, verdünnte NaOH-Lösung.
Pflanzen: Pflanzen mit festen Blättern z.B. Zimmerlinde, Brennnessel, Buntnessel panaschiert oder Kapuzinerkresse
Durchführung:
1 Am Tag zuvor stellt man eine Zimmerlinde unter eine Stehlampe und lässt die Pflanze über Nacht beleuchten.Dabei deckt man einige Blätter teilweise mit Alufolie ab. Andere Blätter bestreicht man an der Unterseite mit Vaseline. Wieder andere Blätter bringt man in eine durchsichtige Plastiktüte, in die man eine Schale mit verdünnter NaOH Lösung stellt und verschließt.2 Vor dem Test nimmt man die behandelten Blätter ab und markiert sie mit unlöslichem Schreiber oder Papiermarker am Blattstiel.3 Die Blätter werden in kochendem Wasser abgetötet.
Versuchsablauf zum Nachweis der Entstehung von Stärke
In grünen, belichteten Blättern
4: Die zwischen Küchenkrepp getrockneten Blätter legt man in heißen Spiritus bis sie vollständig entfärbt sind.
(Spiritus oder Alkohol niemals bei offener Flamme erhitzen!!)
5: Man übergießt die trockenen Blätter anschließend in einer Schale mit Jod-Jodkalium Lösung und beobachtet die Veränderungen
Protokoll: Zeichnungen oder Fotos des ausgewählten Blattes:
Man kann das vollständig getrocknete Blatt unter Klarsichtfolie dauerhaft aufbewahren.
Nachweis der Stärke in einem panaschierten Blatt
und teilweiser Abdeckung durch Alufolie mit Jod-Jodkalium
Zu Stärkesynthese in Blättern sind folgende Faktoren notwendig:
___________________ __________________ ..._________________
___________________ __________________ __________________
Versuch 2
Photosynthese: Nachweis von Stärkekörnern im Blatt
Geräte: Mixer, Trichter, passende Filtertüte (Kaffeefilter), Erlenmayerkolben oder gesäuberte Flaschen mit etwa 200ml Inhalt, Mikroskop, Zentrifuge.
(Anstelle der Zentrifuge kann man auch den Niederschlag absitzen lassen. Dies dauert etwa 15min).
Chemikalien: Jod-Jodkalium-Lösung,
Pflanzen: frische Spinatblätter (fast das ganze Jahr erhältlich)
Pflanzen: frische Spinatblätter (fast das ganze Jahr erhältlich)
Durchführung
- Man lässt 50g Spinatblätter im Dunkeln über Nacht im Kühlschrank
- Weitere 50g Spinatblätter werden 2 Stunden lang bei Zimmertemperatur mit einer Stehlampe belichtet.
- In Versuch 1 und in Versuch 2 werden die Blätter gleichbehandelt:
3: Aus den Zentrifugengläschen entnimmt man mit einem Spatel etwas von den weißlichen Niederschlägen und bringt diese getrennt nach 1 und 2 nebeneinander auf ein Deckgläschen.4: Dazu bringen sehr wenig Mehl und etwas Kalk als Kontrollen neben die Tupfen mit den weißlichen Niederschlägen.5: Nun gibt man vorsichtig zu jedem Tupfen sehr wenig Jod-Jodkalium Lösung und beobachtet auch im Mikroskop.
Protokoll:
Versuch 3
Photosynthese: Einfluss von Kohlenstoffdioxid
Zitat: „Die Leute denken, die Pflanzen ernähren sich aus dem Boden. Pflanzen wachsen aus dem Boden. Aber wenn man fragt: Woher kommen die Substanzen? Stellt man fest: aus der Luft. … Das Kohlenstoffdioxid der Luft fließt in die Pflanzen. … Wie schaffen es die Pflanzen, Sauerstoff und Kohlenstoff aus dem Kohlenstoffdioxid zu trennen? Das liegt am Sonnenlicht… es schlägt den Sauerstoff aus dem Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoff und Wasser bleiben übrig, und die bilden die Substanz eines Baumes…“ (R. Feymann IN: http://www.youtube.com/watch?v=ITpDrdtGAmo, 2015)
Info: NaOH im Wasser bindet alles CO2 aus der Luft als NaCO2, das sich in Wasser löst!
Geräte: Plastiktüte, Mikroskop,
Chemikalien: Jod-Jodkalium-Lösung, NaOH Lösung, verdünnt, 70% Alkohol, Wärmeplatte, Petrischalen oder Schälchen
Pflanzen: Topfpflanzen z.B. Fleißiges Lieschen, Geranien
Durchführung
1 Versuchsaufbau wie in der Abbildung dargestellt.2 Belichtung etwa 3 Stunden (Die Pflanze darf sich dabei nicht erwärmen!)3) Entfärbung der Blätter getrennt in 70 % Alkohol (oder in kochendem Wasser, um die Zellmembranen aufzulösen).4) Trocknung mit Küchenkrepp5) Jod-Jodkalium Nachweis auf den entfärbten den Blättern getrennt in weißen Schälchen (nicht auf Papier testen!!!).
Einfluss von Kohlenstoffdioxid auf
die Synthese von Stärke
Protokoll:
Stärkesynthese im Blatt in der Plastiktüte: ja_____ nein_____
Stärkesynthese im Blatt an Luft ja_____ nein_____
Stärkesynthese im Blatt über Alufolie: ja_____ nein_____
Folgerung?
Versuch 4
Photosynthese: Sauerstoff aus grünen Blättern
Schneider, V. (1975). Über die quantitative Erfassung der Photosynthese im Unterricht, PNatW, 15.Mai,113ff
Bedarf:
- Lichtquelle Weißlicht ca. 200 Watt,
- Natriumcarbonat, Leitungswasser,
- evtl. Wasser in einem Aquarium vor der Lichtquelle zur Kühlung,
- Thermometer
- Evtl. Magnetrührer mit Magnetfisch im Reaktionswasser zur Beschleunigung der Reaktion,
- Tricher, einige Reaktionsgläschen,
- Styroporhalterungen passend ausgeschnitten zum Halt für den Trichter und für das Reagenzglas, Glasstab
Objekt: etwa 10 frische Elodea Pflanzen (Aquarienhandel) von 10 cm Länge
In den Trichter die Pflanzen mit der Spitze nach unten einfüllen!
Mit einem Glasstab die Pflanzen ganz unter Wasser halten!
- Messung der Sauerstoffentwicklung mit wenig festem Natriumcarbonat im Reaktionswasser
- Messung der Sauerstoffentwicklung bei Zimmertemperatur und bei 30 Grad.
- Messung der Sauerstoffentwicklung bei 1ml 0,1%iger Kupfersulfatlösung im Reaktionswasser
Nachweis von Sauerstoff
Man bringt einen Span aus Buchenholz
in der Flamme zum brennen,
schlägt die Flamme aus
und hält das glühende Ende in
das entstandene Gas:
Aufleuchten zeigt Sauerstoff an.
Versuch 5
Photosynthese: Sauerstoffentwicklung quantitativ
Vorbereitung:
Apparatur wie in der Abbildung:
weiterer Bedarf:
- Lichtquelle Weißlicht ca. 200 Watt, Natriumcarbonat, Wasser für Kühlung und als Reaktionswasser (Leitungswasser)
- Pipette mit 0,1ml Einteilung
- Plastikspritze als Saugvorrichtung
- Thermometer, Magnetrührer, Pappe mit Ausschnitt als Blende.
Objekt: frische Elodea Pflanze (Aquarienhandel), Die Pflanze im Messgefäß mit der Wachstumszone (Spitze) nach unten einfügen!
Versuchsaufbau
Tipp: die Elodeapflanze ist recht empfindlich:
Beste Anzucht in Teichwasser, in dem sie gewachsen ist.
Versuchsvariationen:
- Messung der Sauerstoffentwicklung bei 1%iger, 2%, 4% und 8%iger Natriumcarbonatlösung als Reaktionswasser.
- Messung der Sauerstoffentwicklung bei Zimmertemperatur, bei 40 und bei 300 Celsius.
- Messung der Sauerstoffentwicklung bei 0,1%iger Kupfersulfatlösung
- Messung der Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeitdauer der Belichtung.
- Messung der Sauerstoffentwicklung bei verschiedenen Wellenlängen: Rotlicht, Gelblicht, Grünlicht, Weisslicht Weißlicht
(Bunte Folien (Bastelbedarf) gelb, rot, blau) … (Dabei ist auf gleiche Lichtintensität zu achten. Gleiche Lichtintensität erreicht man durch Verschiebung Lichtquelle. Messung mit einem einfachen Belichtungsmesser (Fotobedarf).
Protokoll. Messung der jeweilig erreichten Sauerstoffmenge als Gas, Umrechnung in einen Graphen auf gesonderten Blättern.
Interpretation der Ergebnisse:
Photosynthese: Elektronentransport
Volker Schneider
Lit. http://de.wikipedia.org/wiki/Hill-Reaktion ;
http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/dv03/3_05.htm;
http://www.biologie-lk.de/showthread.php?t=21553 ;
Weiler, E. u. L. Nover (2017): Botanik, s.253ff (ausführlich)
Info: Der Nachweis, dass bei der Photosynthese durch Licht chemische Substanzen reduziert werden, gelang dem Physiologen Hill 1942. Der natürliche Elektronenakzeptor NADP wurde erst 1956 nachgewiesen.
2 H2O + 2 NADP+ + Licht → 2 NADPH+H+ + O2
Wir nutzen in diesem Versuch Dichlorphenol-Indophenol als Elektronenakzeptor. Es hat den Vorteil, dass es bei der Reduktion die Farbe von Blau nach farblos wechselt. Die Farbänderung kann als quantitatives Maß für den Elektronentransport in Chloroplasten gewählt werden.
Diese Reaktion in Chlorplasten ist unabhängig vom Vorhandensein von CO2.
Dies war der Nachweis, dass die Photosynthese aus mehreren Reaktionen besteht: Den Lichtreaktionen – die einen Elektronenakzeptor benötigen, und die Dunkelreaktionen, die CO2 benötigen.
Vereinfacht kann man die Hillreaktion aus heutiger Sicht wie folgt darstellen:
Modellvorstellung zum Ort der DCPIP Reduktion
innerhalb der thylakoidmenbranen von Choroplasten
Um die Hill-Reaktion durchführen zu können, muss man zuerst funktionsfähigen Chloroplasten aus dem Zellsaft isolieren.
Versuch 6a
Elektronentransport: Isolierung Chloroplasten und Überprüfung
Material:
- saubere Reagensgläser, Mixer, fertiger Phosphat-puffer pH 7,6;
- Wasser, Pipetten,
- Diaprojektor oder starke Lampe mit Schirmabdeckung,
- 1 Gramm Dichlorphenol-Indophenol (DCPIP) (Apotheke).
- 5 Gramm Ascorbinsäure (fest) (Apotheke)
Objekt: Spinatblätter, möglichst frisch ca. 500 gr
Vorbereitung:
1: Spinatblätter säubern, Mittelrippen entfernen.2: mit dem Phosphatpuffer mischen und 3 sek lang auf höchster Stufe mixen.3: Flüssigkeit durch ein Sieb geben, dann durch 8 Lagen Gaze pressen. Es bleibt eine tief grüne Flüssigkeit.4: Die Flüssigkeit auf 4 Grad kühlen und möglichst rasch zentrifugieren: Den noch intakten Chloroplasten senken sich am Boden ab.5: Diese Choloplasten werden mit sehr wenig Wasser aufgenommen, indem man sie mehrfach durch eine 2 ml Pipette auf und nieder saugt.6: Diese Chloroplastensuspension wird bei 4 Grad (Eisbad) aufbewahrt.
Versuch:
1: Der Diaprojektor oder die Lichtquelle wird im Abstand von etwa 50 cm aufgebaut.2: Ein Reagenzglashalter steht in entsprechendem Abstand.3: Man bereitet 3 Reagenzgläser vor und befüllt sie nachfolgendem Muster:
Variationen des Versuchs:
Abhängigkeit von Lichtintensität, von der Lichtqualität (Farbfolien), von der Chloroplastenkonzentration, von der Menge an DCPIP, von der Temperatur.
Versuch 6b
Elektronentransport: Überprüfung der Testsubstanzen:
Benötigte Substanzen:
100mg DCPIP (Dichlorphenol-Indophenol) auf 100 ml Wasser, Wasser
Chloroplastensuspension, Ascorbinsäure
Chloroplastensuspension, Ascorbinsäure
Vorversuch: Test mit Ascorbinsäure:
Ascorbinsäure (= Vitamin C) fungiert als Reduktionsmittel: Vitamin C gibt leicht Elektronen ab und reduziert andere Substanzen, wie z. B. Dichlorphenol-Indophenol:
Ascorbinsäure (= Vitamin C) fungiert als Reduktionsmittel: Vitamin C gibt leicht Elektronen ab und reduziert andere Substanzen, wie z. B. Dichlorphenol-Indophenol:
Zur Überprüfung der Reaktion (Reduktion des blauen DCPIP zum farblosen Farbstoff (Leucofarbstoff) gibt man einige Körchen festes Vitamin C zu einem Teil der tiefblau gefärbten wässrigen DCPIP Lösung.
Farbumschlag in Wasser mit Ascorbin? ___________min
Farbumschlag in einem Teil der Chloroplastensuspension mit Ascorbin? _______ min
Entfärbung der Chloroplastensuspension ohne Ascorbinsäure? ______min
Wenn eine Entfärbung in 20min ohne Ascorbinsäure Zusatz erfolgt, sind noch reduzierende Substanzen in der Suspension selbst enthalten. Man muss dann eine neue Chloroplastensuspension herstellen.
Versuch 6c
Elektronentransport während der Photosynthese (Hill-Reaktion)
Material: saubere Reagensgläser, Mixer, fertiger Phosphat-puffer, Wasser, Pipetten, Diaprojektor oder starke Lampe mit Schirmabdeckung,
wenige Gramm Dichlorphenol-Indophenol (DCPIP) (Apotheke).
Ascorbinsäure (fest) (Apotheke)
Objekt: Spinatblätter, möglichst frisch
Vorbereitung:
1: Spinatblätter säubern.2: mit dem Phosphatpuffer mischen und 3 sek lang auf höchster Stufe mixen.3: Flüssigkeit durch ein Sieb geben, dann durch 8 Lagen Gaze pressen. Es bleibt eine tief grüne Flüssigkeit.4: Die Flüssigkeit auf 4 Grad kühlen und möglichst rasch zentrifugieren: Den noch intakten Chloroplasten senken sich am Boden ab.5: Diese Choloplasten werden mit sehr wenig Wasser aufgenommen, indem man sie mehrfach durch eine 2 ml Pipette auf und nieder saugt.6: Diese Chloroplastensuspension wird bei 4 Grad (Eisbad) aufbewahrt.
Versuch:
1: Der Diaprojektor oder die Lichtquelle wird im Abstand von etwa 50 cm aufgebaut.2: Ein Reagenzglashalter steht in entsprechendem Abstand.3: Man bereitet 3 Reagenzgläser vor und befüllt sie nachfolgendem Muster:
Versuch 6d
Einfluss von Lichtqualitäten (Wellenlängen) auf die Photosynthese
Benötigte Substanzen:
100mg DCPIP auf 100 ml Wasser, Chloroplastensuspension (grün, durchscheinend) insgesamt etwa 40ml, Wasser, Ascorbinsäure
Geräte: Diaprojektor oder starke Lampe, Rahmenhalterung aus Pappe für die Filter, Magnetrührer, Reagenzgläser, Kühlwasser, 2 Magnetfischchen, Filterfolien aus dem Bastelgeschäft
Geräte: starker Diaprojektor oder Beamer, drei verschiedenen Buntfolien (als dem Bastelgeschäft grün, rot blau ,
Belichtungsmesser zum Einstellen der Lichtintensität (zu erreichen durch Abrücken des Beamers), Becherglas, starkwandiges Reagenzglas, Magnetfischchen, Magnetrührer.
Wählen Sie in Arbeitsgruppen ausfolgenden Variablen aus:
- Temperaturabhängigkeit (4, 15, 20 und 40o C, 20.000 Lux)
- Abhängigkeit von Lichtintensität (zwischen 4000 und 25.000 Lux Weisslicht)
- Abhängigkeit von der Chloroplasten Menge (18o C und 20.000 Lux)
- Abhängigkeit von der Lichtqualität (Blau-, Rot- und Grün Filter aus klarer Plastik, 18o C und 20.000 Lux)
Muster für ein Protokoll:
Man setzt immer drei Reagenzgläser mit genau gleichen Volumina an.
Tipp: Man setzt die Lösungen so konzentriert an, dass eine Entfärbung im Vorversuch in etwa 3 min erfolgt.
Dann kann man die gewünschten Variablen untersuchen.
Photosynthese: beteiligte Farbstoffe
Chromatographie Info
Info: Unter Chromatographie versteht man ein Verfahren, mit dem geringste Mengen unterschiedlicher Stoffe nachgewiesen werden können. Hier ist eine Beschränkung auf Farbstoffe vorgenommen, weil man diese unmittelbar sehen kann.
Das Verfahren beruht auf kleinsten Lösungsunterschieden von Stoffen in ausgewählten Lösungsmitteln.
Dazu braucht man eine Trägersubstanz, die möglichst unempfindlich ist und sich leicht auf Glasplatten z. B. auftragen lässt oder Papier.
Man braucht ein Lösungsmittel und verschiedene zu untersuchende Substanzen, die man punktförmig aufträgt (Start). Dann lässt man einige Zeit das Lösungsmittel aufsteigen. Es nimmt die zu untersuchenden Substanzen mit und im Laufe der Zeit zeigen sich die Lösungseigenschaften, so gering sie auch sein mögen.
Vorgehen:
1: Man trägt auf einer auf 1,5 cm Breite und 5-8 cm Höhe zugeschnittene Cellulose Platte punktförmig so viel Farbstofflösung auf, bis der Farbfleck tief schwarz erscheint.2: Man füllt das Fließmittel 2 cm hoch in einen Standzylinder (oder in ein breites Reagenzglas und lässt für 10 min zu, dass das Lösungsmittel ausreichend verdampft.3: Man trägt im Startbereich so viel Blattfarbstoffe auf, dass ein fast schwarzer Fleck entsteht.4: Die getrocknete Trägerplatte kann man in das Gefäß stellen, ohne dass der Rand zu nahe an das Gefäß kommt oder ohne, dass die Startzone vom Laufmittel erreicht wird.5: Nach 5 bis 8 min sollten sich die Farbstoffe je nach „Laufgeschwindigkeit“ auf der Trägerplatte verteilt haben. Die Front des Laufmittels darf nicht bis an den obersten Rand durchlaufen.6: Die Trägerplatte wird herausgenommen und mit einem Fön getrocknet.7: Die Farbstoffe werden mit Bleistift markiert und evtl. sofort fotografiert, da die Farbstoffe an Licht ausbleichen.
Info: Substanzen lösen sich unterschiedlich leicht in einem Laufmittel und in einer gewählten Trägerschicht. In der Chromatographie findet nach Anzahl der hydrophilen Gruppen im Farbstoff, nach Auswahl des Lösungsmittelgemischs und in Abhängigkeit vom Trägermaterial ein vieltausendfaches wechselseitiges Lösen des Farbstoffs in Trägerschicht und Lösungsmittelgemisch statt. Je mehr hydrophile Gruppen, umso näher verbleibt die betroffene Substanz in diesem Beispiel am Startpunkt.
Versuch 7
Fluoreszenz des Chlorophyllmoleküls
Demonstrationsversuch
Info: Unter Fluoreszenz versteht man das Aufleuchten einer angestrahlten Substanz in einer anderen Farbe. Bei der Absorption von Weisslicht durch Chlorophyll wird ein Teil des Lichts als Grünlicht abgestrahlt. Ein geringer Teil diese Lichtes verlierte während der Absorption an Energie. Das dadurch entstehende Licht muss als Rot erscheinen. Dieses energieärmere Licht wird in alle Richtungen gestreut, während ein Teil des absorbierten Lichtes als grünes Licht durchdringt.
Je höher die Fluoreszenz, umso mehr Licht wird in Wärme umgesetzt, dh. Das Grün absorbierte Licht wird als energieärmeres Licht rot in alle Richtungen abgestrahlt.
In Wirklichkeit wird dieser geringe Energieunterschied für den Ablauf der Photosynthese genutzt.
Untersuchung des Fluoreszenzverhaltens von Chlorophyll
Ansatz:
1: Man mixt 30 Gramm Spinatblätter in 100 ml Aceton.2: Nach Filtration entsteht eine grüne klare Flüssigkeit.3: Bestrahlen Sie diese Flüssigkeit in einem Reagenzglas oder hohem Becherglas mit Weisslicht, mit einer so hohen Intensität, dass das noch durchfallende Licht (als nicht absorbiertes Licht) als Grünlicht zu erkennen ist.4: Im Dämmerlicht zeigt sich die Fluoreszenz als rotes Licht von der Seite
Erklärung??
Vgl. genauere Informationen Physik oder aus dem Internet
Warum strahlt das rote Fluoreszenzlicht nach der Seite aus?
Warum ist das durchtretende Licht grün und nicht weiß?
Zur Theorie
der Lichtreaktionen in der Photosynthese
Die Photosynthesereaktion
(6 CO2 + 12 H2O ------- C6H12O6 + 6 H2O)
ist trotz der einfachen Scheibweise ein hochkomplexer Vorgang.
Diese besteht vereinfacht auf Grund 40jähriger Forschung aus zwei Abschnitten: Den Lichtreaktionen und den
Dunkelreaktionen. Vor allem die Lichtreaktionen sind längst nicht vollständig erforscht. Man geht heute vielfach davon aus, dass die entscheidenden Prozesse der Elektronenanregung im Chlorophyllmolekül und der Übertragung auf NADPH H am besten quantenmechanisch zu verstehen sind
(vgl. Al-Kalili, J.u. J. McFadden (2015): Der Quantenbeat des Lebens,123ff).
Insgesamt wird vereinfacht gesagt, der Wasserstoff aus dem Wasser auf ein hohes Energieniveau gehoben, so dass er mit einem organischen Träger reagieren kann. dieser Träger ist Kohlenstoffdioxid.
Aufgabe: Verfolgen Sie die wörtliche Darstellung und versuchen Sie, daraus eine Schemazeichnung zu entwickeln, die die wesentlichen Aspekte darstellt:
… Wenn wir 1 Sekunde lang in die Sonne blicken, haben die Pflanzen auf der Erde schon 16.000 Tonnen neues organisches Material hergestellt. … Wenn wir uns vorstellen, in einem mini-nano-U-Boot in eine Blattzelle hinein und bis die Chloroplasten vorzudringen, dann entdecken wir auf der inneren Membran der Chloroplasten sehr eng gepackte Chlorophyllmoleküle. Diese tragen in ihrem Zentrum locker gebundene Magnesiumatome. Aus diesen kann Licht ein Elektron herausschleudern, Exitron genannt, das aus einem Elektron und den restlichen positiv geladenen Magnesiummolekülteil besteht.
Exitronen sind sehr instabil. Beim Rückfall würde die Energie als Wärme abgegeben werden. Die Pflanze muss also das Energiepotential möglichst rasch an ein Reaktionszentrum weitergeben. Es entsteht ein Molekül NADPH, das stabiler ist als ein Exitron.
Das Problem:
Wie kann ein Elektron auf ein so weit (im molekularer Sicht) entferntes Molekül zielgerichtet übertragen werden? Experimentelle Arbeiten mit gelösten Photosynthesekomplexen aus verschiedenen Pflanzen zeigten, das zielgerichtet auch etwa 100% der Energie auch „festgehalten“ wird. Sie wird nicht als „nutzlos“ als Fluoreszenzlicht abgestrahlt.
Bei Lichteinfall wird zunächst ein Chlorophyllmolekül aktiviert: Ein Elektron des Moleküls erreicht eine höhere (energiereichere) Umlaufbahn. Normalerweise würde ein Elektron in einem Bruchteil einer Sekunde wieder auf die normale Umlaufbahn zurückfallen.
(Dies geschieht auch in geringem Ausmaß. Dieser Vorgang wird Fluoreszenz genannt. Fluoreszenz kommt bei vielen Substanzen vor. Das Fluoreszenzlicht hat etwas weniger Energie als das eingestrahlte und vom Chlorophyll absorbierte grün-gelbe Licht. Es ist hat daher die Farbe Rot.)
Im System der Photosynthese I aber werden die angeregten Elektronen „abgefangen“ und an einen organischen Trägerstoff übertragen. Dies ist das NADP+ (Nicotin-adenin-di-phosphat), das zu NADPHH+, zum reduzierten Überträger mit hohem Energiepotential. Das Chlorophyll im Photosystem I erlangt nun das fehlende Elektron aus einem zweiten Licht-Chlorophyll-System, das ebenfalls durch Licht angeregt werden muss. Dieses Chlorophyll dort wird durch die Abgabe von Elektronen positiv geladen. Es ist aber hier in der Lage, sich die fehlenden Elektronen aus dem Wasser zu „besorgen“: Wasser wird gespalten in 2 H+ und 2 e-, ½ Sauerstoff „bleibt übrig“ , der als Abfallprodukt aus der Zelle entweicht. Dieser Molekülkomplex wird Photosystem II genannt. Es ist das eigentlich wasserspaltende System. Während Elektronen vom Photosystem II auf das Photosystem I übertragen werden, wird Adenosintriphosphat (ATP) hergestellt. Inzwischen reduziert das Photosystem I NADP+ zu NADPH+ + H+.
Diese Überträgersubstanz reduziert nun letztlich Kohlenstoffdioxid aus der Luft zu Zucker, dem Ausgangsstoff für die Synthese aller für das Leben erforderlichen Stoffe. Dazu ist auch ATP erforderlich. Alle Reaktionen der Reduktion von Kohlenstoffdioxid zu Zucker werden Dunkelreaktionen genannt, weil sie ohne Lichtzufuhr ablaufen. Sie stellen den zweiten Abschnitt der Photosynthese dar.
Ergebnisse eines Projekts:
Vorversuch:
Man braucht fünf 50ml Messzylinder, 10 Sprossstücke von Elodea densa (Aquarienhandel)
Eine starke Lichtquelle, die alle 5 Messzylinder gleichstark beleutet.
Interpretation der Ergebnisse:
Zum Ablauf der Photosynthese
ist wichtig, dass…………..
Man kann unterscheiden zwischen
Exogenen Faktoren (1, 2 und 5) und endogenen Faktoren (4, evt. 5)
Hauptversuch 1
Welches Gas wird entwickelt?
Apparatur:
Apparatur zur quantitativen
Erfassung der Photosyntheseleistung
als Sauerstoffproduktion bei
Elodea densa
Man sammelt das entstehende Gas
in einer 10ml Pipette bis rund 2 ml Sauerstoff erreicht sind.
Das Gas füllt man in ein
sauberes Becherglas und führt ein glimmendes Buchenholzstück ein.
Leitet der glimmende Span hell
auf, ist das Gas als Sauerstoff nachgewiesen.
Versuchsanordnung
zum Nachweis
von Sauerstoff
Hauptversuch 2 Einfluss von Kohlenstoffdioxid
Einfluss des Gehalts an CO2 des umgebenden Wassers
Man misst die Sauerstoffentwicklung alle 5 min bei einer bestimmten Lichtmenge Weißlicht
Vorversuch:
Bestimmung der Lichtmenge in Lux unter Verwendung eines alten Belichtungsmessers
Durch Wegschieben oder Annäherung der Lichtquelle lässt sich die Luxmenge variieren.
Diagramm zur Festlegung der Luxwerte mit einem Belichttungsmesser
bei einer Enstellung 1/60 Sekunde und 18 DIN Film
(Gebrauchtwaren Photohandel)
Hauptversuch 2 Einfluss der Lichtmengen
Dazu nutzt man eine Pipette mit µml Einteilung. Durch Hochziehen des Wasserstands in der Pipette lässt sich immer wieder die Sauerstoffproduktion genau bestimmen.
Ergebnis:
Abhängigkeit der PS von der Lichtmenge
Offensichtlich korrespondiert die Phtosyntheseleistung zu Beginn direkt mit der eingestrahlten Lichtmenge. Bei höheren Luxwerten flacht die Kurve ab, es kommt zu einer gleichmäßigen Photosynthese (Sättingskurve). Man kann vermuten, dass bei einer bestimmten Luxmenge die Photosynthese nicht mehr gesteigert werden kann.
Hauptversuch 3 Einfluss von
Kohlenstoffdioxid
Es ist zu vermuten, dass Kohlenstoffdioxid in der Außenwelt die
Photosyntheseleistung beeinflusst.
Versuchsergebnis:
Tipp: für die experimentelle Erfassung der Werte hat sich folgendes Vorgehen bewährt: Man belichtet ein Sproßstück Elodea densa in destilliertem Wasser solange, bis eine Gasentwicklung unterbleibt. Dann erhöht man aufsteigend die CO2 Konzentration in 10 minütigen Abständen. Dabei braucht man nicht zu befürchten, dass die Diffusion von CO2 limitierend wirkt: schon nach 3 bis 4 Minuten war immer eine maximale O2 Produktion je nach Lichtmenge zu beobachten.
Interpretation
Zunächst ergibt sich eine lineare Proportion zwischen CO2-Menge und Sauerstoffentwicklung. Da im unteren Bereich die Kurven (im Gegensatz zu den Kurverläufen bei der Erfassung des Lichteinflusses) nicht deckungsgleich verlaufen ergibt sich, dass soviel CO2 gebunden wird, wie die Lichtmenge es gerade erlaubt. Hier kommt dem Licht die limitierende Größe zu.
Bei höheren CO2 Gaben zeigt sich ein begrenzender Faktor, und zwar unabhängig von der Lichtmenge, der auf einweiteres Reaktionsgeschehen hinweist.
Damit ist mit einfachen Mitteln eine Zweifaktoren-Einfluss bei der Photosynthese nachgewiesen.
Man kann mit dieser Analyse allerdings nicht direkt auf das Vorhandensein von Lichtreaktionen und Dunkelreaktionen (bei denen CO2 benötigt wird) folgern. Eine räumliche oder zeitliche Trennung ist mit diesem Versuchsansatz nicht möglich.
Hauptversuch 4 Einfluss der Lichtqualität
Man nutzt die gleiche Versuchsanordnung, schaltet jedoch zwischen die Lichtquelle und der Elodeapflanze verschiedene Filter.
Information:
Zunächst ein Vergleich von wissenschaftlich gesicherten Glasfiltern (Schott) und käuflichen Plastikfiltern.
Absorptionsspektren von Filtern als Blockdiagramm
im Vergleich mit dem Aktivitätsspektrum
von Elodea densa (grüne Punkte (Literaturwerte)
Zunächst untersucht man verschiede Filter, um festzustellen, ob sie eine für die Photosynthese optimalen Lichtabsorption Licht absorbieren, bzw. durchlassen. Es zeigte sich, dass alle Filter (blau – grün- rot) brauchbar sind. Allerdings sind Plastikfilter (Bastelgeschäft) wesentlich billiger und für die Versuche leichter zu nutzen, da sie unzerbrechlich sind.
Tipp: Da die Filter sich sehr stark in der Lichtdurchlässigkeit unterscheiden, muss man genau auf gleiche Lux-Durchlässigkeit achten. Dies erreicht man, indem man die Abstände der Lichtquelle von der Messeinrichtung verändert. Es empfiehlt sich, bei Luxwerten von rund 10 000 Lux und 0,5 % NaHCO2 zu messen..
Ergebnis:
Die Versuche zeigten, dass die einfachen Filter im wesentlichen das Aktivitätsspektrum von Elodea densa widerspiegeln
Hauptversuch 5 Temperaturabhängigkeit der Photosynthese
Auch hier wurde der Versuchsansatz genutzt. Der Versuch wurde mit drei Elodea Sprossen durchgeführt und dann Mittelwerte gebildet, da die Reaktionen auf Temperatur sehr vom Ausgangszustand der Sproßstücke abhängen. Der Temperaturanstieg wurde mit einem Magnetrührer eingeleitet und durch Zugabe von Eiswürfeln während der Messphase konstant gehalten. .
Tipp: Man nutzt vorteilhaft Pflanzenmaterial, das schon bei 10 Grad aktiv ist.
Versuchsergebnis:
Interpretation:
Das Ergebnis lässt sich am einfachsten erklären, wenn man zwei
gegenläuftige Kurven annimmt, wie diese auch bei Enzymen zu finden ist:
Die eine Kurve zeigt einen raschen Anstieg der Aktivität. Man
würde erwarten, dass wie bei chemischen Reaktionen, die Aktivität um den Faktor
2 bei 10 Grad Temperaturerhöhung zunimmt. (RGT-Regel). Die RGT Regel konnte nur
im Temperaturbereich zwischen 15 und 25 Grad in etwa erreicht werden.
Die zweite Kurve stellt den Denaturierungsablauf dar. In jedem
Fall brach die Sauerstoffentwicklung zwischen 45 und 50 Grad zusammen. Die
Denaturierung lässt auf eine Beteilung von Enzymen auch bei den Lichtabhängigen
Reaktionen schließen.
Vielleicht
darf man annehmen, dass innerhalb des Photosystems auch enzymatische Reaktionen
ablaufen, die temperaturempfindlich sind. (vgl. Enzyme)