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Fotosynthese – Experimentelle Erforschung der Fotosynthesereaktion 08:43 min

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Transkript Fotosynthese – Experimentelle Erforschung der Fotosynthesereaktion

Hallo. Du weißt bereits, welche Prozesse bei der Fotosynthese ablaufen. Doch wie wurden diese Abläufe eigentlich untersucht? In diesem Video geht es um die Versuche, die Forscher durchführten, um die Fotosynthese experimentell zu analysieren. Du wirst Versuche zur Sauerstoffherkunft, der HILL-Reaktion, der CO2-Fixierung, dem Wirkungsspektrum und den Emerson-Effekt kennenlernen. Beginnen wir mit einem Experiment, dass die Herkunft des Sauerstoffs aufdeckte. Du weißt, dass bei der Fotosynthese Glucose und Sauerstoff aus Wasser und Kohlenstoffdioxid gebildet werden. Die Sauerstoffmoleküle könnten also entweder aus dem Wasser- oder den Kohlenstoffdioxidmolekülen stammen. Um dieses Rätsel zu lösen, wurden zwei Pflanzen untersucht. Die erste wuchs im Wasser, das mit dem Sauerstoffisotop 18O markiert war. Kohlenstoffdioxid enthielt das normale Isotop 16O. Der zweiten Probe wurde mit dem Sauerstoffisotop 18O markierter Kohlenstoffdioxid zugeführt, sowie Wasser mit dem normalen Isotop 16O. Der gebildete Sauerstoff wurde aufgefangen und analysiert. Man fand heraus, dass nur der Sauerstoff der ersten Probe markiert war. Somit ist klar, dass der in der Photosynthese gebildete Sauerstoff aus dem Wassermolekül stammt. Robert Hill fand heraus, dass die erste Reaktion der Fotosynthese lichtabhängig ist und an der Thylakoidmembran der Chloroplasten stattfindet. Deshalb wird sie als HILL-Reaktion bezeichnet. Das Licht der Sonne liefert die nötige Energie für diese Reaktion. So kann durch Fotolyse Wasser gespalten werden, wobei da Sauerstoff- und Wasserstoffionen entstehen. Hier fungieren Eisen-drei-Verbindungen als künstliche Elektronenakzeptoren. Es entstehen ATP und NADPH und H+. Erst im zweiten Schritt, dem Calvin-Zyklus, wird CO2 benötigt und werden Kohlenhydrate gebildet. Damit sind wir bei der Kohlenstoffdioxid-Fixierung. Daniel Arnon konnte nachweisen, dass diese Reaktion lichtunabhängig ist. Sie findet im Stroma der Chloroplasten statt. In einem Experiment führte er zusammen mit anderen Wissenschaftlern folgende Versuchsreihen durch: In einer ersten beleuchtete er ein Gemisch aus Stroma und Thylakoiden für 30 Minuten. In einer zweiten setzte er die Probe 30 Minuten lang völliger Dunkelheit aus. Die Fotosyntheserate von Probe eins war hoch, die von Probe zwei niedrig. Bei Licht findet also mehr Fotosynthese statt. In einer zweiten Versuchsreihe wurden zwei Proben jeweils in ein Gefäß ohne Kohlenstoffdioxid gegeben. Die erste wurde 30 Minuten lang belichtet, die zweite blieb 30 Minuten lang im Dunkeln. Die Thylakoide wurden anschließend jeweils abzentrifugiert und dem Stroma jeweils Kohlenstoffdioxid zugesetzt. Die zuvor beleuchtete Probe wies eine hohe Fotosyntheserate auf, die Probe, die der Dunkelheit ausgesetzt war, eine niedrige. Arnon kam zu dem Schluss, dass es eine lichtabhängige Reaktion in den Thylakoiden und eine lichtunabhängige im Stroma geben muss. Die lichtunabhängige Reaktion wollte er weiter untersuchen. Er führte ein drittes Experiment durch. Drei Proben wurden unterschiedliche Zusätze beigemengt und mit Kohlenstoffdioxid versetzt. Die erste enthielt NADPH und H+, die zweite ATP und die dritte NADPH und H+ sowie ATP. Probe eins und zwei wiesen eine niedrige Fotosyntheserate auf, Probe drei eine hohe. Somit ist klar, dass diese Stoffe aus dem ersten Schritt der Fotosynthese für den zweiten benötigt werden. Als Maß für die Fotosyntheserate wurde in allen Experimenten die radioaktive Strahlung bestimmt. Diese stammte vom eingebauten Kohlenstoff aus radioaktiv markiertem Kohlenstoffdioxid. Doch nicht Licht jeder beliebigen Wellenlänge führt zu hohen Fotosyntheseraten. Theodor Wilhelm Engelmann fand heraus, welches Licht am wirkungsvollsten ist. Er verwendete den Faden einer Grünalge und sauerstoffliebende Bakterien. Den Faden beleuchtete er mit einem Spektrum des sichtbaren Lichtes, das er durch ein Prisma spaltete. Anschließend untersuchte er, an welchen Stellen des Fadens die Bakterien sich vorwiegend sammelten. Da diese Sauerstoff benötigten, konzentrierten sie sich an den Stellen mit der höchsten Fotosyntheserate. Rotes und blaues Licht erwiesen sich als wirksam, grünes hingegen nicht. Und tatsächlich liegt das Wirkungsspektrum der Photosynthese im roten und blauen Bereich des Lichtes. Grünes Licht hingegen wird größtenteils reflektiert. Darum sind die meisten Blätter auch grün. Robert Emerson macht später eine erstaunliche Entdeckung: Emerson entdeckte, dass bei der Fotosynthese zwei verschiedene Arten von Fotosystemen beteiligt sind. Beide hatten jedoch ein unterschiedliches Absorptionsmaximum, nämlich 680 Nanometer und 700 Nanometer. Bei gleichzeitiger Bestrahlung von Pflanzen mit 680 Nanometer und mit 700 Nanometer Licht fiel die Fotosyntheserate viel höher aus als bei der Bestrahlung mit nur einer der beiden Wellenlängen, auch wenn er die Summe aus den beiden Fotosyntheseraten bildete. Das ist der sogenannte Emerson-Effekt. Nur die Zusammenarbeit der beiden Fotosysteme macht die Fotosynthese so effizient. Fassen wir noch einmal zusammen: Die Herkunft des Sauerstoffs wurde mit Sauerstoffisotopen in Wasser und Kohlenstoffdioxid untersucht. Demnach stammt der bei der Fotosynthese entstehende Sauerstoff aus der Fotolyse des Wassers. Die Fotosynthese findet in zwei Schritten statt. Bei der an der Thylakoidmembran ablaufenden HILL-Reaktion wird Licht benötigt. Der Calvin-Zyklus hingegen findet im Stroma auch im Dunkeln statt, wie Daniel Arnon herausfand. Bei dieser CO2-Fixierung für die Produktion von Kohlenhydraten werden NADPH und H+ sowie ATP aus der HILL-Reaktion benötigt. Engelmann entdeckte, dass sauerstoffliebende Bakterien sich an den Stellen eines Algenfadens sammeln, der mit rotem oder blauem Licht bestrahlt wird. Laut Emerson-Effekt ist die Photosynthese bei gleichzeitiger Bestrahlung mit Licht beider Wellenlängen - 680 Nanometer und 700 Nanometer - effizienter als bei der Summe der jeweils einzelnen Bestrahlungen. Er schlussfolgerte, dass es daher zwei Fotosysteme geben muss, die nur in Zusammenarbeit die hohe Fotosyntheserate erreichen. Ich hoffe, du hast viel gelernt. Tschüss.

1 Kommentar
  1. Danke dein Video war/ist mega hilfreich!

    Von Patricia Schubert2, vor mehr als 3 Jahren

Fotosynthese – Experimentelle Erforschung der Fotosynthesereaktion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fotosynthese – Experimentelle Erforschung der Fotosynthesereaktion kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme den Entdecker der jeweiligen Erkenntnisse über die Fotosynthese.

    Tipps

    Der Emerson-Effekt tätigt Aussagen über die Effizienz der Fotosynthese.

    Lösung

    Die Fotosynthese ist die Grundlage der meisten heutigen Lebewesen. Sie ist ein sehr komplexer Prozess und wurde über Generationen erforscht. Die Erkenntnis, dass bei der lichtabhängigen Reaktion Sauerstoff entsteht und Elektronenakzeptoren notwendig sind, verdanken wir Robert Hill. Später erkannte Daniel Arnon jedoch, dass es auch eine lichtunabhängige Reaktion gibt. Theodor Wilhelm Engelmann zeigte, dass die Fotosynthese bestimmte Wellenlängen des Lichtes bevorzugt und effizienter abläuft. Robert Emerson erweiterte diese Erkenntnis und zeigte auf, dass die beiden beteiligten Fotosysteme der Fotosynthese in einem perfekten Zusammenspiel eine hohe Effizienz erreichen. Die Zusammenarbeit ist sogar effizienter als die Summe der Einzelleistungen beider Systeme.

  • Nenne die Gleichung der Fotosynthese.

    Tipps

    Es entsteht weniger Wasser, als verbraucht wird.

    Lösung

    Bei der Fotosynthese werden Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) und Wasser ($H_2O$) zu Sauerstoff ($O_2$) und Glukose ($C_6H_{12}O_6$) verarbeitet. Bei der Reaktion wird sowohl Wasser verbraucht als auch produziert. Es entsteht jedoch mehr Wasser, als verbraucht wird. Für ein Molekül Glukose benötigt die Pflanze 6 Moleküle Kohlenstoffdioxid und produziert ebenfalls 6 Moleküle Sauerstoff.

  • Fasse das Experiment zur Klärung der Sauerstoffherkunft zusammen.

    Tipps

    Ergebnisse kann man erst am Ende eines Versuches interpretieren.

    Lösung

    Das Experiment zeigt, dass der produzierte Sauerstoff in der Fotosynthese aus dem Wasser ($H_2O$) stammt und nicht aus dem Kohlenstoffdioxid ($CO_2$). Radioaktive Sauerstoffatome wurden in $CO_2$ und Wasser eingebaut. Man führte jedoch nur einer Pflanze markiertes $CO_2$ zu und nur einer Pflanze markiertes Wasser. Während die Pflanzen nun Sauerstoff produzierten, untersuchte man, welche der beiden Pflanzen markierten Sauerstoff freisetzte. Beim markierten $CO_2$ zeigte sich nichts, während beim markierten Wasser auch markierter Sauerstoff entstand. Die Pflanze spaltet in der Fotosynthese also Wasser auf und gibt den enthaltenen Sauerstoff wieder ab.

  • Gliedere den imaginären Versuch von Robert Hill und Daniel Arnon entsprechend ihrer Forschung über die Fotosynthese.

    Tipps

    Stärke ist eine Speicherform von Glukose.

    Lösung

    Robert Hill zeigte mit seinen Versuchen, dass die Fotosynthese eine lichtabhängige Fotolyse in den Chloroplasten ist. Dabei wird Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff gespalten, wobei jedoch ein Elektronenakzeptor benötigt wird. Da auch DCPIP ein Elektronenakzeptor ist, kann es die Elektronen der Reaktion aufnehmen. Als Nachweis dieser Reaktion erfolgt eine dunkle Färbung. Dies gelingt jedoch nur da, wo auch Chloroplasten vorhanden sind, also in den Mesophyllzellen. Dies belegt wiederum die Annahmen von Daniel Arnon, der eine weitere Reaktion der Fotosynthese nachwies. Diese lichtunabhängige Reaktion findet bei vielen Pflanzen im Stroma der Chloroplasten statt, im skizzierten Versuch sind diese Strukturen jedoch in den Bündelscheidenzellen. Hier wird das $CO_2$ als Glukose fixiert und in Stärke umgewandelt. Darum gelingt der Stärkenachweis auch hier nur mithilfe der Jod-Lösung. Ein Bedecken der Bündelscheidenzellen hat keinen Einfluss auf die Fotosynthese, da die Reaktion wie angenommen lichtunabhängig ist. Der Versuch weist daher zwei getrennte Reaktionen der Fotosynthese nach.

  • Analysiere den Einfluss verschiedener Lichtquellen auf die Fotosyntheserate.

    Tipps

    Überlege dir, warum die meisten Blätter grün sind.

    Lösung

    Das Wirkungsspektrum der Fotosynthese umfasst nur ganz bestimmte Wellenlängen. „Normales“ Sonnenlicht enthält eine Kombination aller Wellenlängen. Durch Farbfilter kann man jedoch einzelne Wellenlängen herausfiltern. Trifft nur grünes Licht auf die Pflanze, wird die Fotosyntheserate enorm absinken, da sie diese Wellenlängen kaum verwerten kann. Die Pflanze hat ihr Absorptionsmaximum im roten und blauen Bereich des Lichtes. Eine Kombination beider Wellenlängen steigert die Fotosyntheserate am effizientesten.

  • Erläutere den Versuch und leite korrekte Aussagen ab.

    Tipps

    Der Emerson-Effekt besagt, dass die Fotosyntheseleistung der beiden Fotosysteme in Zusammenarbeit effektiver ist als die Summe der Einzelleistungen beider Fotosysteme.

    Lösung

    Daniel Arnon entwickelte ein Experiment zur lichtunabhängigen Reaktion der Fotosynthese. Er erkannte, dass die $CO_2$-Fixierung lediglich Produkte der lichtabhängigen Reaktion, aber kein direktes Sonnenlicht benötigt. Dass in der Fotosynthese $CO_2$ fixiert wird, war Arnon bereits bewusst. Das gezeigte Experiment verdeutlicht diese Annahmen. Das Blatt ist fähig Fotosynthese zu betreiben, ihm steht aber nur die Luft zur Verfügung, die in der Kammer eingeschlossen wurde. Das Blatt verbraucht dabei $CO_2$ und Wasser und wandelt es in Sauerstoff um, wobei das $CO_2$ im Blatt als Zucker gebunden wird. Die Luft, die in den Kreislauf gepumpt wird, enthält also in jedem Zyklus etwas weniger $CO_2$ und etwas mehr Sauerstoff. Irgendwann ist kein $CO_2$ mehr übrig und die Fotosynthese kommt zum Erliegen.