Aufgaben 57 Zellstoffwechsel Der lichtabhängige Teil der Fotosynthese Die grünen Teile von Pflanzen bestehen aus Zellen, die Chloroplasten beinhalten. Das sind grüne, linsenförmige Organellen, in denen die Fotosynthese abläuft. Für die grüne Farbe der Chloroplasten ist das Chlorophyll, der grüne Blattfarbstoff, verantwortlich, von dem es mehrere unterschiedliche Typen gibt. Es ist besonders konzentriert in der Membran der Thylakoide. Das sind Membranstrukturen, die das Innere der Chloroplasten durchziehen und Stapel von abgeflachten Scheiben bilden können (kAbb. 16). Nicht nur Pflanzen, sondern auch manche Bakterien und Algen betreiben Fotosynthese. Die Farbstoffmoleküle sind bei allen drei Gruppen sehr ähnlich. Das kommt daher, dass ihre Fotosynthesesysteme in der Evolution nicht unabhängig voneinander entstanden sind, sondern von einem gemeinsamen Vorläufer abstammen. Pflanzen können nicht das gesamte Lichtspektrum1 gleich gut nutzen, sondern bevorzugen das Licht bestimmter Wellenlängen. Sie sind besonders gut darin, kurzwelliges (blaues) und langwelliges (rot-oranges) Licht zu absorbieren. Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen Blattfarbstoffen, die jeweils Licht mit einer bestimmten Wellenlänge besonders gut einfangen können. Sie erscheinen dadurch in ihrer Komplementärfarbe2. Beispielsweise können die Chlorophylle insbesondere blaues und rot-orangenes Licht gut einfangen. Die anderen Anteile werden reflektiert und daher erscheinen uns Pflanzen grün. Andere Blattfarbstoffe wie die so genannten Carotinoide fangen vor allem blaues Licht ein – sie erscheinen gelb-orange. Wenn Licht auf die Farbstoffmoleküle trifft, nehmen diese dadurch Energie in Form von Lichtteilchen (Photonen) auf. Das heißt, ihre Elektronen werden kurzzeitig auf ein höheres Energieniveau gehoben. Man nennt das die Absorption der Lichtenergie. Die beiden Komplexe, die diese Absorption bewerkstelligen, heißen Fotosystem I und II. Jeder Chloroplast enthält Tausende von diesen Fotosystemen. Jedes Fotosystem wiederum enthält etwa 100 verschiedene Farbstoffmoleküle, mit jeweils einem zentralen Chlorophyllmolekül. Die beiden Fotosysteme können Licht unterschiedlicher Wellenlängen, nämlich 680nm und 700nm, optimal einfangen. Sie arbeiten bei der Absorption von Sonnenlicht zusammen (mehr dazu ab Seite 58). 1 Lichtspektrum: der Bereich von elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge (400nm bis 700nm), die für den Menschen als verschiedenfarbiges Licht sichtbar sind 2 Komplementärfarbe: Komplementäre Farben ergeben miteinander gemischt einen neutralen Grauton (zB Blau/ Gelb). Die Chloroplasten sind der Ort der Fotosynthese Variabilität, Verwandtschaft, Geschichte und Evolution Die Fähigkeit, Sonnenlicht zur Energiebereitstellung zu nutzen, vererbte sich ausgehend von einem Organismus, der diese Fähigkeit ursprünglich entwickelt hatte, als lebensnotwendiges Merkmal von einer Generation zur nächsten. 1 W In Seen treten in tieferen Wasserschichten Algen mit anderen Pigmenten auf als in höheren Wasserschichten. Im Tiefen absorbieren sie gerade im grünen Spektralbereich gut. Erläutere, warum das sinnvoll ist. 2 W/E/S „Gedeihet eine Pflanze nicht, so braucht sie Licht.“ So formuliert der Volksmund die Abhängigkeit der Fotosynthese vom Licht. Welche Funktionen aber die Gase der Luft für diesen Stoffwechselprozess haben, wurde erst durch eine Reihe historischer Experimente herausgefunden, wie durch das Experiment des Brüsseler Arztes und Chemikers Johan Baptista van Helmont (kAbb. 17) und durch Priestleys Experimente (siehe S. 72). Heute sind diese Erkenntnisse biologisches Grundwissen. Schätzungen gehen davon aus, dass pro Jahr ca. 7,5 × 1013 kg (= 75 Milliarden Tonnen) Kohlenstoff aus Kohlenstoffdioxid durch Fotosynthese in organische Substanz überführt werden. Beschreibe Methodik und Ergebnisse des Helmont-Experiments in Abb. 17. Erläutere, welche Schlüsse man zur damaligen Zeit aus diesen Ergebnissen ziehen konnte. Ergänze deine Überlegungen mit dem, was du was du zum auf- und abbauenden Stoffwechsel gelernt hast. 3 W Die Ansammlung von Sauerstoff in der Atmosphäre vor 2,5 Milliarden Jahren führte zu einem Massenaussterben, das man die „große Sauerstoffkatastrophe“ nennt. Wiederhole, welcher Prozess für den Sauerstoffanstieg verantwortlich war und welche Organismen diesen verursachten. Erde 99,4 kg Weide 84,5 kg Erde 100 kg nur gießen nach 5 Jahren Weidenzweig 2,5 kg Abb.17: Experiment von Johan Baptista van Helmont (1580–1644). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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