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Fotosynthese – Zellatmung – Stoffkreislauf

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Team Entdeckungsreise
Fotosynthese – Zellatmung – Stoffkreislauf
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Grundlagen zum Thema Fotosynthese – Zellatmung – Stoffkreislauf

Inhalt

Fotosynthese und Zellatmung – Biologie

Hast du dich schon einmal gefragt, woher die Energie kommt, die dein Körper benötigt? Die Antwort auf diese Frage erfährst du in diesem Text.
Fotosynthese und Zellatmung sind zentrale Prozesse im Stoffkreislauf der Natur. Pflanzen produzieren mithilfe der Energie aus dem Sonnenlicht energiereiche, organische Stoffe und Sauerstoff. Dieser Prozess wird Fotosynthese genannt. Pflanzen sind also Produzenten, sie stellen ihre eigenen energiereichen, organischen Stoffe her und sind somit energetisch unabhängig von anderen Organismen. Diese Lebensweise trägt die Bezeichnung autotroph.
Konsumenten, also Tiere und auch wir Menschen, benötigen für den Stoffwechsel die Energie aus den Pflanzen. Über die Nahrung nehmen Konsumenten die in den pflanzlichen Stoffen gespeicherte Energie auf und im Prozess der Zellatmung wird diese freigesetzt. Tiere und Menschen sind also von den energiereichen Stoffen der Pflanzen abhängig, diese Lebensweise wird als heterotroph bezeichnet. In den folgenden Abschnitten wird der Zusammenhang zwischen Fotosynthese und Zellatmung genauer erläutert.

Fotosynthese

Die Fotosynthese findet in den Chloroplasten der Pflanzenzellen statt, die den grünen Farbstoff Chlorophyll enthalten. Wasser ($\ce{H2O}$) wird aus den Wurzeln in die Blätter transportiert. Über die Spaltöffnungen an den Unterseiten der Blätter nehmen die Pflanzen Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) auf. Das Chlorophyll absorbiert energiereiches Sonnenlicht. Diese Energie wird genutzt, um das Wasser und das Kohlenstoffdioxid zu spalten. In einem mehrstufigen chemischen Prozess werden diese Stoffe zu Glucose (Traubenzucker, $\ce{C6H12O6}$) umgebaut. Die Glucose enthält jetzt die Energie, die von den Pflanzen in Form des Sonnenlichts aufgenommen worden ist. Einen Teil der Glucose benötigt die Pflanze für den eigenen Stoffwechsel, der Rest wird als Stärke gespeichert. Als Nebenprodukt entsteht bei der Fotosynthese Sauerstoff ($\ce{O2}$), der wiederum bei der Zellatmung benötigt wird.

Zellatmung

Alle Lebewesen, auch die Pflanzen, benötigen Energie, um die lebensnotwendigen Prozesse im Körper aufrechterhalten zu können. Diese Energie wird in den Mitochondrien erzeugt, die aus diesem Grund auch als Kraftwerke der Zelle bezeichnet werden und im Aufbau den Chloroplasten ähnlich sind. In den Mitochondrien reagiert in mehreren Schritten Glucose mit Sauerstoff, dabei wird die Energie in Form von ATP freigesetzt. Wie du siehst, verbrauchen Pflanzen einen Teil ihres produzierten Sauerstoffs selbst. Als Nebenprodukt der Zellatmung entsteht Kohlenstoffdioxid, das von Tier und Mensch ausgeatmet wird und von den Pflanzen wieder für die Fotosynthese genutzt werden kann. Im Prinzip ist die Zellatmung der Umkehrprozess der Fotosynthese. Damit kennst du nun die beiden Prozesse und weißt, was der Unterschied zwischen Fotosynthese und Zellatmung ist.

Kreislauf Fotosynthese und Zellatmung

Fotosynthese und Zellatmung – Formel

Vielleicht kennst du aus dem Chemieunterricht schon die Möglichkeit, chemische Reaktionen mit Formeln darzustellen. Für die Fotosynthese und die Zellatmung lauten die Formeln wie folgt:

Fotosynthese: $\ce{6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2}$

Zellatmung: $\ce{C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O}$

Dieses Video zur Zellatmung

In diesem Video werden dir Fotosynthese und Zellatmung einfach erklärt. Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter zum Thema Fotosynthese und Zellatmung zu bearbeiten.

Transkript Fotosynthese – Zellatmung – Stoffkreislauf

Die Fotosynthese ist eine der bedeutendsten Reaktionen in der Natur und Voraussetzung für das Leben aller tierischen Organismen, einschließlich des Menschen, da durch diesen Vorgang der Sauerstoff zum Atmen gebildet wird. Alle Lebewesen brauchen energiehaltige Nährstoffe wie Kohlenhydrate, Eiweiße oder Fette. Menschen und Tiere erhalten die Energie und Baumaterialien für den Körper durch das Essen. Das heißt, sie sind heterotroph. Das bedeutet, energetisch von Pflanzen abhängig. Sie gehören zu den Konsumenten im Stoffkreislauf der Natur. Pflanzen dagegen sind autotroph, das heißt energetisch selbstständig. Sie sind Produzenten. Im Gegensatz zu Mensch und Tier sind Pflanzen in der Lage, die Lichtenergie der Sonne in eine chemische Energieform umzuwandeln und so für sich biologisch nutzbar zu machen. Diesen Prozess nennen wir Fotosynthese. Das Wort kommt aus dem altgriechischen und leitet sich ab aus “Fotos”, das heißt “Licht”, sowie “Synthese”, das für “zusammensetzen” steht. Fotosynthese bedeutet auch, aus energieärmeren Stoffen werden mit Hilfe von Lichtenergie energiereichere Stoffe gebildet. Eine Pflanze entzieht dem Boden über ihre Wurzeln Wasser und leitet es über feine Leitungen bis in die Blätter, wo der entscheidende Prozess stattfindet. Neben dem Sonnenlicht braucht die Pflanze dazu das Gas Kohlendioxid, das wir zum Beispiel bei unserer Atmung als Abfallstoff abgeben und das sich in der Luft befindet. Eine zentrale Rolle spielt das Chlorophyll, der grüne Farbstoff der Blätter. Denn nur bei Pflanzen mit grünen Blättern funktioniert die Fotosynthese. Das Lichtwellenspektrum des Sonnenlichts wird größtenteils von dem grünen Farbstoff in den Zellen, dem Chlorophyll, absorbiert. Nur die weniger energiereiche grüne Farbwellenlänge wird reflektiert. Daher auch die grüne Farbe der Blätter. Durch Spaltöffnungen auf der Blattunterseite gelangt mit der Luft Kohlendioxid in das Blattinnere und durchströmt die Hohlräume zwischen den Zellen. Schauen wir uns den Aufbau einer Pflanzenzelle etwas genauer an: Sie ist von einer Zellwand umgeben, die ihr zwar eine feste Form gibt, die aber für wassergelöste Nährstoffe und Gase durchlässig ist. In der Mitte befindet sich ein großer, flüssigkeitsgefüllter Hohlraum, die Vakuole. Hier wird nicht nur Wasser gespeichert, sondern auch Ionen, Zucker, Vitamine und Stärke. Ganz an den Rand gedrängt, im Zytoplasma, befinden sich die Zellorgane. Dazu gehören der Zellkern und die grünen Chloroplasten, die das Chlorophyll beinhalten. Es sind im Grunde kleine Reaktoren, die sich zum Licht hinbewegen und in denen die chemischen Prozesse der Fotosynthese stattfinden. Im Inneren der Chloroplasten befinden sich stapelartige Membrangebilde. Es sind die Thylakoiden, in denen die chemischen Prozesse stattfinden. Hier produziert die Pflanze sozusagen ihre Nahrung. Vereinfacht dargestellt kann der komplexe chemische Prozess so beschreiben werden: Kohlenstoffdioxid plus Wasser werden in den Chloroplasten mit Hilfe der Lichtenergie aufgespalten und über einige Zwischenschritte zu Glucose, also Traubenzucker, sowie Sauerstoff und Wasser neu zusammengesetzt. Je nach Bedarf verbraucht die Pflanze dann den Traubenzucker für die Aufrechterhaltung der eigenen Lebensvorgänge, die stets mit Energieaufwand verbunden sind. Oder sie baut ihn in eine Speicherform, in Stärke, um. Den Sauerstoff gibt sie an die Atmosphäre ab. Für Menschen und Tiere ein lebensnotwendiger Prozess. Ein Teil der Energie aus der Fotosynthese wird jedoch nicht zum Aufbau organischer Verbindungen verwendet, sondern um im Energiestoffwechsel alle möglichen Arten von Arbeit voranzutreiben, etwa die Aufnahme von Mineralien oder den Transport von Zucker und Stärke aus den Blättern in andere Pflanzenteile. Dafür ist Energie notwendig, und die entsteht bei der sogenannten Zellatmung. Dafür sind in der Zelle die Mitochondrien zuständig, die Kraftwerke der Zellen. Es ist im Grunde die Umkehrung der Fotosynthese. Kohlenhydrate werden in den Mitochondrien zum Energieträger Traubenzucker umgebaut, der mit Sauerstoff reagiert. Jetzt wird Energie frei und als Abfallstoffe bleiben Kohlenstoffdioxid und Wasser übrig. Insgesamt erzeugen Pflanzen jedoch mehr Sauerstoff, als sie selbst verbrauchen und stellen mehr gebundene chemische Energie in Form von Glucose her, als sie zum Eigenbedarf benötigen. Bei einer hundertjährigen Buche treten zum Beispiel pro Stunde 1,7 Kilogramm Sauerstoff aus den Spaltöffnungen der Blätter. Das ist so viel Sauerstoff, wie 50 Menschen benötigen, um eine Stunde zu atmen. Die Fotosynthese der Pflanzen ist deshalb der wichtigste Prozess dieser Produzenten und überlebensnotwendig für uns Konsumenten.

42 Kommentare

42 Kommentare
  1. Richtig cool

    Von Kian, vor etwa 2 Monaten
  2. toll

    Von Constantin, vor 3 Monaten
  3. Super erklärt👍

    Von Naruto, vor 4 Monaten
  4. Gutes video

    Von Annabelle, vor 4 Monaten
  5. danke man

    Von aliciaaa, vor 5 Monaten
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Fotosynthese – Zellatmung – Stoffkreislauf Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fotosynthese – Zellatmung – Stoffkreislauf kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die Zellorganellen einer Pflanzenzelle.

    Tipps

    Die Vakuole kann sehr groß sein und viel Wasser oder Zucker speichern.

    Lösung

    In der Mitte der Zelle siehst du die große, wassergefüllte Vakuole. Sie ist ein Speicherorganell der Zelle.
    In Lila ist der Zellkern abgebildet. Er enthält die Erbinformationen auf den Chromosomen und ist die Steuerzentrale der Zelle.
    Das blaue Netzwerk ist das Endoplasmatische Retikulum. Darauf kannst du teilweise rote Punkte sehen. Dies sind die Ribosomen, an welchen die Proteine zusammengesetzt werden.
    Die orangen, bohnenförmigen Gebilde sind die Mitochondrien. Sie erkennst du gut an der gefalteten inneren Membran. Mitochondrien sind sozusagen die Kraftwerke der Zelle. In ihnen läuft die Zellatmung ab.
    Die grünen Zellorganellen sind die Chloroplasten mit den dunkelgrünen Stapeln aus Thylakoiden. In ihnen findet die Fotosynthese statt und zwar mit Hilfe des grünen photoaktiven Farbstoffs Chlorophyll.
    In Rot ist der Golgi-Apparat abgebildet, welcher zusammen mit dem Endoplasmatischen Retikulum unter anderem wichtige Transportaufgaben übernimmt.
    Außen wird die Zelle durch die Zellmembran abgegrenzt und durch die Zellwand stabilisiert. Diese existiert genauso wie die Chloroplasten und die große Zellsaftvakuole nur bei pflanzlichen Zellen. Tierische Zellen haben nur eine Zellmembran.

  • Vergleiche Chloroplasten mit Mitochondrien.

    Tipps

    Der Wortteil Chloro stammt aus dem griechischen (chlōrós) und bedeutet hellgrün.

    Lösung

    Die Mitochondrien erkennst du an der inneren stark gefalteten Membran.
    Mitochondrien sind für die Zellatmung zuständig. Hierbei wird aus Glucose (Traubenzucker) und Sauerstoff (${O_2}$) Wasser (${H_2O}$) und Kohlenstoffdioxid (${CO_2}$) erzeugt.
    Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle.

    Die Chloroplasten erkennst du an den Thylakoiden, die ähnlich wie ein Stapel Pfannkuchen aussehen.
    Sie kommen nicht in tierischen Zellen vor und enthalten Chlorophyll. Dies ist ein fotoaktives Farbpigment, welches gewisse Spektren des Sonnenlichts absorbieren kann und dadurch Energie aufnimmt.
    In Chloroplasten findet also die Fotosynthese statt. Diese stellt sozusagen die Umkehrung der Zellatmung dar. Es wird also aus Wasser (${H_2O}$) und Kohlenstoffdioxid (${CO_2}$) mit Hilfe des Sonnenlichts, Glucose (Traubenzucker) und Sauerstoff (${O_2}$) erzeugt.

  • Fasse zusammen, was du über Pflanzen und Tiere weißt.

    Tipps

    Die Farbe, welche du mit deinem Auge siehst, wird nicht von dem Stoff absorbiert.

    Lösung

    Thylakoidstapel kommen in Chloroplasten vor, nicht in Mitochondrien, und somit nur in Pflanzenzellen.
    Mitochondrien hingegen kommen sowohl in tierischen, als auch pflanzlichen Zellen vor, denn sie sind die Kraftwerke der Zelle und erzeugen Energie für wichtige Stoffwechselprozesse. Dazu gehören zum Beispiel auch Transportvorgänge und die Aufnahme von wichtigen Stoffen.
    In den Mitochondrien findet also die Zellatmung statt.
    Pflanzen betreiben somit sowohl Fotosynthese als auch Zellatmung. Da Pflanzen Chloroplasten und somit das Fotopigment Chlorophyll besitzen, können sie aus Sonnenlicht Energie erzeugen.
    Chlorophyll absorbiert das grüne Farbspektrum des Lichts nicht, sondern reflektiert dieses und erscheint daher grün.
    Mit Hilfe des aufgenommenen Sonnenlichts produzieren Pflanzen über die Fotosynthese Glucose. Dabei wird Sauerstoff produziert und Kohlenstoffdioxid verbraucht.
    Um Gase aufzunehmen und abzugeben, besitzen Pflanzen auf ihrer Blattunterseite Spaltöffnungen.
    Bei der Fotosynthese werden aus energiearmen Stoffen wie Kohlenstoffdioxidstoff und Wasser, energiereichere Stoffe wie Glucose produziert.
    Menschen hingegen atmen Kohlenstoffdioxid aus und verbrauchen Sauerstoff.
    In Summe stellen Pflanzen mehr Sauerstoff und Glucose her, als sie verbrauchen. Pflanzen sind somit photoautotrophe Organismen.
    Alle Tiere und auch die Menschen hingegen sind heterotrophe Lebewesen. Sie sind auf Pflanzen angewiesen, und zwar sowohl auf deren Sauerstoffproduktion als auch als Nahrungsquelle, und können sich nicht selbstständig versorgen.

  • Ordne die protokollierten Beobachtungen und ihre Interpretationen aus der Versuchsreihe.

    Tipps

    Die Zellatmung und die Fotosynthese stellen sozusagen umgekehrte Reaktionen dar.

    Lösung

    In der Luft ist Sauerstoff, den sowohl die Flamme der Kerze, als auch die Maus benötigen.
    Unter der geschlossenen Glasglocke ist der Sauerstoff jedoch schnell verbraucht, da keine frische Luft und somit kein Sauerstoff nachströmen kann.
    Außerdem erzeugen sowohl die Flamme, als auch die Maus Kohlenstoffdioxid. Dadurch erstickt die Flamme und die Maus wird ohnmächtig.
    Würden die Maus und die Kerzenflamme gleichzeitig unter der Glasglocke eingeschlossen sein, würde der Sauerstoff noch schneller verbraucht werden. Die Flamme würde früher erlöschen und die Maus noch schneller ohnmächtig werden.
    Die Pflanze sorgt unter der Glasglocke hingegen dafür, dass die Maus weiter Sauerstoff zum Atmen hat. Denn mit Hilfe der Fotosynthese kann die Pflanze den von der Maus ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid nutzen und Sauerstoff produzieren. Dazu braucht die Pflanze neben Wasser vor allem Sonnenlicht.
    Tiere sind Konsumenten, welche ohne Pflanzen nicht leben könnten. Sie ernähren sich von ihnen. Menschen und Tiere sind heterotroph. Sie sind energetisch von Pflanzen abhängig.
    Pflanzen hingegen sind Produzenten und autotroph. Das bedeutet, sie sind energetisch selbstständig.

  • Gib die jeweilige Bedeutung der aufgeführten Begriffe für die Fotosynthese wieder.

    Tipps

    Menschen atmen Kohlenstoffdioxid aus.

    Lösung

    Kohlenstoffdioxid wird als Gas von der Pflanze über die Blätter aufgenommen und zur Fotosynthese genutzt.
    Das zur Fotosynthese benötigte Wasser nimmt die Pflanze über die Wurzeln auf.
    Sauerstoff wird durch Pflanzen bei der Fotosynthese erzeugt.
    Dazu braucht die Pflanze Lichtenergie.
    Das Licht wird durch das Chlorophyll in den Chloroplasten aufgenommen, denn dieses ist ein photoaktives Farbpigment.
    Als weiterer wichtiger Stoff entsteht bei der Fotosynthese Zucker, welcher oft als Stärke in den Pflanzen gespeichert wird und somit Tieren und Menschen als Nahrungsquelle dienen kann wie zum Beispiel Kartoffeln.

  • Interpretiere die Graphik in Bezug auf die Leuchtmittel in den Experimentierräumen.

    Tipps

    Die Pflanzen sind ursprünglich gleich groß und werden in beiden Räumen mit genügend Wasser versorgt. Zudem haben die Experimentierräume keine weiteren Fenster oder Lichtquellen.

    Lösung

    Die Leuchtmittel in Raum A produzieren Licht im Wellenlängenbereich von 425–525 nm. Dies entspricht genau dem Wellenlängenbereich, bei welchem die Fotosyntheserate der Pflanzen bzw. die Absorptionsfähigkeit des Chlorophyll b ein Maximum aufweisen. Dies erkennst du in der Graphik an der Bergspitze, den ersten Hochpunkten.
    In Raum B hingegen befinden sich Leuchtmittel, welche Licht in einem Wellenlängenbereich produzieren, bei dem die Fotosyntheserate relativ niedrig ist. Das erkennst du daran, dass der Graph sich bei 550–650 nm in einem Tal, mit Tiefpunkt, befindet.
    In Raum A kann daher mehr und schneller Kohlenstoffdioxid und Wasser in Glucose und Sauerstoff umgewandelt werden. Der Zucker kann als Speicherstoff und Energiequelle von den Pflanzen selbst genutzt werden, zum Beispiel um zu wachsen, oder auch anderen Lebewesen als Nahrung dienen.
    Die Fotosyntheserate steht also im Zusammenhang mit dem Pflanzenwachstum und kann über die Menge an entstandenem Sauerstoff gemessen werden, denn dieser wird ja bei der Fotosynthese freigesetzt.

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