Photosynthese im
naturwissenschaftlichen Unterricht
-
Experimentieren, forschender Unterricht und wissenschaftliches Arbeiten für alle Altersstufen
Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades einer Magistra der Naturwissenschaften an der Karl-Franzens-Universität Graz
vorgelegt von Eva Andrea Strasser am Institut für Biologie
Begutachterin:
Ao. Univ.-Prof. Dr. phil. Maria Müller
Graz, 2021
2
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ... 5
Abstract ... 6
Photosynthese im naturwissenschaftlichen Unterricht ... 7
Biologie und Ökologie ... 7
Physik und Chemie ... 7
Schwierigkeiten ... 7
Grenzen der Arbeit ... 8
Aufbau der Unterrichtsentwürfe ... 8
Ziele... 8
Inhalt ... 8
Aufbau ... 9
Zielgruppe ... 9
Material ... 9
Zeit ... 10
Schülerperspektive ... 10
Hypothesenbildung ... 10
Das Experiment ... 11
Forschendes Lernen ... 11
Ergebnissicherung ... 12
Theoriebezug ... 12
Concept change ... 12
Reflexiver Teil ... 13
Theorie zur Photosynthese ... 14
Lichtenergie ... 14
Elektromagnetische Strahlung ... 14
Anpassungen an Lichtabsorption ... 15
Der Einfluss der Temperatur ... 15
Chlorophyllfluoreszenz ... 16
Photosynthesepigmente ... 16
3
Chlorophylle ... 16
Carotinoide ... 18
Kohlenstoffdioxid - CO2 ... 19
CO2 in der Atmosphäre ... 19
CO2 Aufnahme in die Pflanze ... 19
Einfluss der Kohlenstoffdioxidkonzentration ... 19
Lichtreaktion – lichtinduzierter Elektronentransport ... 20
Ort der Lichtreaktion ... 20
Proteinkomplexe und Redoxsysteme entlang der Elektronentransportkette ... 20
Dunkelreaktion ... 22
Calvin Zyklus ... 22
Hill Reaktion ... 22
Speicherstärke ... 23
Wasser ... 23
Aufnahme und Abgabe ... 23
Wassermangel ... 24
Stundenbilder und Unterrichtsentwürfe ... 25
Pflanzenfarbstoffe ... 25
Extraktion von Farbstoffen bei roten Blättern mit Ethanol und Petroleum ... 25
Chlorophyllnachweis bei grünen und roten Blättern mit Hilfe des Schütteltrichters ... 28
Herstellung eines Extraktes der Blattfarbstoffe ... 30
Chromatografie der Blattfarbstoffe mit Hilfe von Tafelkreide ... 31
Dünnschichtchromatografie (DC) der Blattpigmente ... 33
Lichtbedarf ... 37
Keimversuche mit Kressesamen ... 37
Pflanzen brauchen Licht zum Wachsen – Algenbildung im Teichwasser ... 39
Abhängigkeit der Photosynthese von der Lichtintensität ... 40
Lichtkompensationspunkt und Lichtsättigungspunkt ... 42
Nachweis der Stärkebildung... 44
Nachweis der Stärkebildung mit Jod-Kaliumiodid ... 44
4
Nachweis des Lichtbedarfs – Stärkebildung an belichteten Blättern ... 46
Bedeutung des Kohlenstoffdioxids (CO2) ... 48
Lernziele ... 48
Ausatemluft (CO2) und Einatemluft (O2) ... 48
Nachweis von CO2 in der Ausatemluft - Kalkwasserprobe ... 50
Bedeutung des Kohlenstoffdioxids - Kohlenstoffdioxidgehalt im Wasser ... 52
CO2 Aufnahme durch die Spaltöffnungen ... 53
Nachweis des CO2 Bedarfs der Photosynthese mittels Bromthymolblau ... 55
Wasseraufnahme ... 57
Pflanzen brauchen Wasser zum Wachsen - Helmonts Versuch ... 57
Bildung von Sauerstoff (O2) ... 59
Sauerstoffbildung – Nachweis mit Teelichtern ... 59
Nachweis der Sauerstoffabgabe - Bläschenzählmethode mit Wasserpest ... 61
Nachweis der Sauerstoffbildung - Glimmspanprobe ... 64
Priestley Versuch: Wirkung von Pflanzen auf Luft ... 65
Abgabe von Wasser ... 67
Pflanze im Glashaus ... 67
Allgemeines ... 68
Photosynthese malen ... 68
Photosynthese mit einem Modell beschreiben ... 69
Lichtinduzierter Elektronentransport ... 71
Herkunft des Sauerstoffs - Hill-Reaktion ... 71
Chlorophyllfluoreszenz ... 73
Chlorophyllfluoreszenz mit Petroleum ... 73
Chlorophyllfluoreszenz mit Isopropanol ... 74
Chlorophyllfluoreszenz mit Ethanol ... 75
Literaturverzeichnis ... 76
5
Zusammenfassung
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Unterrichtskonzepte zum Thema Photosynthese im naturwissenschaftlichen Unterricht bereitzustellen. Als eine der wichtigsten Stoffwechselreaktionen hat die Photosynthese exemplarische Bedeutung und bietet die Möglichkeit, auch fächerübergreifend, Vorgänge auf molekularer bis ökologischer Ebene zu besprechen. Durch Unterrichtseinheiten, die an die Realität der Schüler_innen angepasst sind, sich im Aufbau an der wissenschaftlichen Arbeitsweise orientieren und Elemente des forschenden Unterrichts enthalten, sollen Schüler_innen in kleinen Schritten mit dem komplexen Thema vertraut gemacht werden.
Im Zuge des Lernprozesses, werden zuerst die Schülervorstellungen erhoben, anschließend Hypothesen formuliert, diskutiert und Prognosen zu den Ergebnissen der Versuche abgegeben. Die vorgestellten Experimente sollen helfen, Arbeitstechniken zu erlernen und kommunikative Kompetenzen zu schulen. Besteht eine Diskrepanz zwischen Hypothesen und den experimentell gewonnenen Ergebnissen, soll durch Abgleich und Reflexion des eigenen Erkenntnisweges ein Konzeptwechsel herbeigeführt werden. Der Transfer der erworbenen Kenntnisse und Kompetenzen auf andere Fragestellungen, soll die Erklärungsmächtigkeit der Konzepte zeigen.
Durch Flexibilität in der Art der Durchführung (Schauversuch, Gruppenarbeit, Kombination von Versuchen, etc.) und unterschiedliche Anforderungsniveaus der Experimente in den einzelnen Teilbereichen, kann die Stundengestaltung an unterschiedliche Bedürfnisse der Lernenden, an heterogene Gruppen oder verschiedene Altersstufen angepasst und zur Begabtenförderung verwendet werden. Die Unterrichtsentwürfe stehen ab nächstem Semester auf http://nawi.today zum Download und zur freien Verwendung zur Verfügung.
6
Abstract
The aim of this work is to provide teaching examples on the subject of photosynthesis. As one of the most essential metabolic reactions, photosynthesis is of greatest importance and offers the opportunity to discuss processes from the molecular to the ecological level on an interdisciplinary basis. The teaching units are based on scientific working methods and contain elements of exploratory learning and research-based teaching. They are adapted to the reality of the students to familiarize them with the complex topic in small steps.
To experience the learning process as meaningful and integrable, previous knowledge of students is collected, then hypotheses are formulated, discussed and predictions on the results of experiments are made. Working techniques should be learned and communication skills practiced when carrying out the experiments. If there is a discrepancy between hypotheses and the experimentally obtained results, a concept change should be induced by comparing and reflecting on one's own path of knowledge. The transfer of acquired information and skills to other areas, can show the explanatory power of scientific concepts.
Due to the flexibility in the type of implementation, different teaching models (demonstrations, group work, combination of experiments, etc.) and because of changeable levels of difficulty, the schedule can be adapted to meet the needs of different learners, different age groups and heterogeneous classes. The teaching units will be ready for download in autumn on http://nawi.today.
7
Photosynthese im naturwissenschaftlichen Unterricht
Biologie und Ökologie
Dem Thema Photosynthese kommt im naturwissenschaftlichen Unterricht eine Schlüsselstellung innerhalb der Konzepte zu. Generelle biologische Prinzipien wie Struktur und Funktion (Blatt, Chloroplasten, Chlorophyll, Zelle) oder Energiestoffwechsel der Organismen (Licht-, Dunkelreaktion, Atmung) lassen sich an ihr verdeutlichen. Das Thema hat exemplarische Bedeutung, weil es für eine ganze Reihe von Stoffwechselvorgängen steht. Die Sauerstoffproduktion legte früh in der Evolution den Grundstein für das Leben der heterotrophen Organismen, und somit auch für die Menschen. Das Thema hat Gegenwartsbedeutung: im Kontext der Versuche soll den Schüler_innen die Wichtigkeit von Pflanzen für das Leben verdeutlicht werden, sie produzieren Sauerstoff, Nahrungsmittel und nachwachsende Rohstoffe und haben einen enormen Einfluss auf das Klima. Das Thema hat auch Zukunftsbedeutung: Schüler_innen gewinnen mit Hilfe der Versuche Erkenntnisse, mit denen sie später Fragen kleinräumiger Natur (Anlegen eines Gartens) genauso wie Fragen mit globaler Bedeutung (Schutz des Regenwaldes, Umweltschutz, Treibhauseffekt, Klimawandel) beantworten können. (Mayer 2002; Scheffczyk und Schuster 2010).
Physik und Chemie
Auch physikalische und chemische Prinzipen können anhand des Themenkomplexes Photosynthese besprochen werden: elektromagnetische Energie wird in Form von Licht geeigneter Wellenlänge unter Verwendung von Farbstoffen absorbiert, durch Übertragung von Elektronen (Redoxreaktionen) in chemische Energie und schließlich in energiereichere organische Verbindungen umgewandelt. Die steht dann den Lebewesen im Baustoffwechsel für das Wachstum und im Energiestoffwechsel zur Energiegewinnung zur Verfügung (Willig 2021). Auch Molekülstruktur, Bindungen, Wechselwirkungen und Naturstoffe können beim Thema Photosynthese besprochen werden.
Schwierigkeiten
Pflanzenernährung und Photosynthese gehören mit zu den schwierigsten Kapitel im Biologieunterricht. Die alltagsweltlichen Vorstellungen der Lernenden stehen häufig im Widerspruch zu fachwissenschaftlichen Vorstellungen. (Messig et al. 2018). Schüler_innen bringen z.B. die Vorstellung mit, dass die Pflanze ihre Nahrung z.B. aus dem Boden nimmt wie Wasser. In Kindergarten und Volksschule antworteten Schüler_innen wie Pflanzen ihre
8
Nahrung produzieren: „Vom lieben Gott“, „aus den Wurzeln“, oder „vom Nektar“. Dass die Pflanze ihre „Nahrung“ in den Blättern bzw. Grünteilen produziert, ist für viele völlig neu und bedarf vieler Wiederholungen, um verstanden zu werden. (Kernbichler et al. 2008).
Grenzen der Arbeit
Diese Arbeit (damit auch der Theorieteil zur Photosynthese) konzentriert sich nur auf die pflanzliche Photosynthese und auf die lineare (nicht-zyklische) Photophosphorylierung. Es wird lediglich auf C3-Pflanzen eingegangen und dabei allein auf die Prozesse, bei denen aus atmosphärischem CO2 Kohlenhydrate gebildet werden. Nicht behandelt wird die bakterielle Photosynthese, zyklische Photophosphorylierung und pseudozyklischer Elektronentransport, die CO2-Fixierung bei CAM oder C4 Pflanzen und dass die Lichtenergie auch noch zur Sulfatassimilation - Sulfat (SO42-) wird zu Sulfid (S2−) umgewandelt (Sitte et al. 2002) - und zur Bildung von Ammoniumstickstoff dient, wo mit Hilfe von Reduktasen erst Nitrat (NO3−) zu Nitrit (NO2−) und anschließend zu Ammonium (NH4+) reduziert wird, woraus Pflanzen stickstoffhaltige, organische Verbindungen herstellen können (LUMITOS AG 2021).
Aufbau der Unterrichtsentwürfe
Ziele
Die vorgestellten Experimentiervorlagen sollen zu einem tieferen Verständnis inhaltlicher Konzepte verhelfen, indem sie einen einfachen und verständlichen Zugang zum Thema anbieten. Neben dem Erlernen der Arbeitstechniken durch das Experimentieren soll dabei die wissenschaftliche Arbeitsweise (z.B. Forschungsfrage, Hypothese, Beobachtung, Beschreibung) eingeübt werden, und damit Kompetenzen wie Kommunizieren, strukturiertes Arbeiten und Reflektieren gefestigt werden. Durch forschendes Lernen sollen Schüler_innen auch dazu befähigt werden, durch transformieren des Erlernten, selbstständig neue Probleme zu lösen und eine forschende Haltung aufzubauen.
Inhalt
Obwohl es inhaltlich nur um die pflanzliche Photosynthese bei C3-Pflanzen geht, wird bei einigen Experimenten das Thema auch etwas weiter gefasst. Bei diesen Unterrichtsentwürfen stehen fächerübergreifendes Arbeit, Aufbau von Interesse und Bezug zur Alltagsrealität im Vordergrund.
9
Aufbau
Eine Untergliederung in einzelne Kapitel (Pflanzliche Farbstoffe, Licht, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Nachweis der Stärkebildung, Aufnahme und Abgabe von Wasser, lichtinduzierter Elektronentransport, Chlorophyll Fluoreszenz und ein allgemeiner Teil) soll das Thema übersichtlich in einzelne Themenbereiche aufteilen und einen individuellen Zugang ermöglichen. Dabei können Reihenfolge und Anzahl der Einheiten individuell gewählt werden.
Zielgruppe
Die vorgestellten Stundenbilder („Stundenbilder und Unterrichtsentwürfe“) richten sich an verschiedene Altersstufen und können folgend den Prinzipien des forschenden Lernens leicht abgewandelt in Bereichen der Begabten- und Hochbegabtenförderung, genauso wie in Lerngruppen mit hoher Diversität an heterogene Gruppen angepasst werden. (Reitinger 2013). So können dieselben Unterrichtsmaterialien für Unter- und Oberstufe, Science Naturwissenschaften, vertiefende Fachstunden oder unverbindliche Übungen Labor verwendet werden.
Am besten gelingt der Aufbau einer forschenden Haltung in einem kooperativen Setting, weil es die Eingliederung in eine forschende Gemeinschaft erleichtert und durch den Austausch unterschiedlicher Perspektiven die Qualität der Forschungsergebnisse deutlich erhöhen kann (Feyerer 2014). In den vorgestellten Experimenten ist die Durchführung in Gruppenarbeit in den meisten Fällen möglich und soll Teamfähigkeit, Kommunikation und soziale Kompetenz trainieren und fördern. Es kann sinnvoll sein, es den Gruppen - entsprechend reformpädagogischer Tradition (Klieme und Rakoczy 2003) - freizustellen, inwieweit sie thematisch in die Tiefe gehen. Abgewandelt als Schauversuche, zum Beispiel für jüngere Schüler_innen, können die Unterrichtsplanungen theoretische Zusammenhänge verständlicher machen.
Material
Die Versuche lassen sich zum Großteil mit leicht zu beschaffenden Materialien (Bereich
„Materialien, Chemikalien, Geräte“) durchführen, sind zeitlich und organisatorisch gut im Unterricht zu bewältigen und sind hinsichtlich der Ergebnisse relativ verlässlich. Das selbstständige Mitbringen von Materialien und das Abändern und Erweitern der Versuche soll im Sinne des autonomen Arbeitens angeregt und unterstützt werden. Dazu ist es sinnvoll, wenn die Versuche in der Unterrichtsstunde eine Woche vor der Durchführung besprochen werden.
10
Zeit
Der Unterricht soll autonomes Handeln unterstützen. Dazu braucht es neben Flexibilität im Handeln, Interessensweckung, herausfordernde und persönlich bedeutsame Lernkonzepte und anliegen-orientierte Gestaltung der Lernumgebung (Reitinger 2013) auch Zeit zum Nachdenken und Ausprobieren. Der Erfolg von autonomieunterstützendem Unterricht hängt davon ab, ob die Lehrenden es schaffen autonomes Handeln der Schüler_innen entsprechend zu unterstützen (Reitinger 2013).
Schülerperspektive
Grundsätzlich sind die Unterrichtsplanungen so aufgebaut, dass erst die Schülerperspektive erhoben wird (Bereich „Fragen“). Denn Schüler_innen in ihrer Alltagsrealität abzuholen, stellt einen wichtigen Grundpfeiler des forschenden Lernens und Lehrens dar. Gerade im naturwissenschaftlichen Unterricht wird schnell klar, dass das Verständnis von Schüler_innen als Tabula rasa weit gefehlt und für den erfolgreichen Unterricht kontraproduktiv ist.
Schüler_innen bringen durch die Alltagssprache, in der naturwissenschaftliche Termini unpräzise oder falsch verwendet werden, durch persönliche Erfahrungen, das soziale Umfeld oder auch durch vorangegangener Unterricht zahlreiche Vorstellungen über naturwissenschaftliche Phänomene mit in den Unterricht (Petermann et al. 2008). Diese erschweren als Fehlvorstellungen das korrekte Interpretieren von Sachverhalten und Nuturphänomenen. Andererseits heften sich diese Vorstellungen, Bilder, Metaphern und Alltagsfantasien als subjektive Interpretationen an Lerngegenstände und tragen erst dazu bei, dass Lernen als sinnvoll angesehen wird. (Gebhard 2007). In den vorgestellten Experimenten wird versucht, das Vorwissen der Lernenden mit einzubeziehen, um den Inhalt des Unterrichts an den Schülervorstellungen zu orientieren.
Hypothesenbildung
Bei der Hypothesenbildung sollen Fragen, Antworten und Hypothesen zur späteren Nachbesprechung beispielsweise in Form von Stichworten an der Tafel notiert werden. Das betrifft die Hypothesen zu den gestellten Fragen, also die Schülervorstellungen und auch die Vorhersagen der durchzuführenden Experimente, wo nach der Besprechung der Methoden die Schüler_innen versuchen Prognosen der erwarteten Ergebnisse abzugeben.
Den Hypothesen soll mit offener Diskussion begegnet werden, auch um die Lernenden für unterschiedliche Vorstellungen zu sensibilisieren. Dabei sollen durch Rückfragen, Problematisieren und Hinweisen auf Widersprüche kognitive Konflikte ausgelöst werden.
11
Schüler_innen sollen dazu angehalten werden, Ähnliches und Unterschiedliches in den Vorstellungen zu erkennen, Generalisierungen anzustellen und allgemeine Gültigkeit von Aussagen zu prüfen. Entstandene Fragen und Interessen können von der Lehrperson aufgegriffen und später in den Unterricht integriert werden. (Fendt 2019; Gebhard 2007;
Messig et al. 2018). Erfahrungsbasiertes Hypothetisieren ist ein wichtiger Bestandteil des forschenden Lernens. Die Lernerfahrung bettet sich auf diese Weise, vernetzt mit dem eigenen Vorwissen und subjektiven Konzepten, in das persönliche Lernkontinuum ein. Die Lernerfahrung ist dadurch weniger in Gefahr, als singuläres, zusammenhangloses Erlebnis wahrgenommen zu werden (Reitinger 2013).
Das Experiment
Durch Experimente (Punkt „Durchführung“) kann das, für einige Schüler_innen als langweilig erlebte Thema Pflanzen besser zugänglich gemacht werden. Experimente gehören zu den fachspezifischen Arbeitsweisen und die Schüler_innen sollen ihre Kenntnisse und Fähigkeiten darin weiterentwickeln. (Scheffczyk und Schuster 2010). Die komplexe Handlung des Experimentierens mit den vielen kognitiven Teiltätigkeiten, unterstützt die Persönlichkeitsbildung und fördert kausales und logisches Denken, weil Beziehungen, Gesehenes und Erlebtes analysiert und Abhängigkeiten wahrgenommen werden müssen.
Gefördert wird auch der Blick auf Details und die kommunikativen Kompetenzen, weil bei Planung und Auswertung, Ergebnisse verbalisiert oder schriftlich formuliert werden müssen.
Auf fachlicher Ebene helfen Experimente neue Begriffe und Konzepte zu erarbeiten.
(Altenburger 2012). Es soll aber beim Experimentieren nicht zum bloßen „Nachkochen“ der detailliert beschriebenen Vorschriften kommen, es soll vielmehr die Gelegenheit geboten werden, selbstständige Lösungsstrategien zu entwickeln. Und es sollte genügend Zeit für Wiederholungen in variierenden Kontexten und für die Auswertung zur Verfügung stehen (Lauterbach et al. 2007). Ausprobieren während des Experimentierens und Nachdenken bei der Auswertung sind zeitintensiv, es ist vorteilhalft Zusatzaufgaben für motivierte Schüler_innen bereit zu halten und generell bei der Planung des Zeitaufwandes sehr großzügig vorzugehen. Authentisches Explorieren braucht Zeit und Verständnis und die Fähigkeit zu Flexibilität (Reitinger 2013).
Forschendes Lernen
Forschendes Lernen bedeutet auch einen Sachverhalt auf eine bestimmte Art und Weise selbstständig zu entdecken (Reitinger 2013). Im schulischen Kontext kann das aber nur teilweise umgesetzt werden. Eine Möglichkeit den Autonomiegedanken stärker in den
12
Unterricht zu integrieren, kann sein, die bisherigen Schritte - Forschungsfrage stellen, Hypothesen aufstellen und festhalten, Diskussion der Hypothesen, die Durchführung des Experiments besprechen und Prognosen der experimentellen Ergebnisse erstellen - in der Unterrichtsstunde vor der Durchführung durchzunehmen. So haben Schüler_innen die Möglichkeit auf die Experimentieranordnung, die Fragestellung und die verwendeten Materialien Einfluss zu nehmen (z.B. Material von zu Hause mitzubringen, sich einer speziellen Teilfrage zu widmen, etc.) und Lehrende können die Durchführung der Experimente abändern und alles entsprechend vorbereiten.
Ergebnissicherung
Im Zuge des Experimentierens soll zum Beschreiben, Erklären und Argumentieren (Punkt
„Ergebnissicherung“) angeleitet werden. Zur Durchführung gehört auch, das Sammeln, Aufzeichnen, Organisierung und Zusammenfassen der Daten und Beobachtungen. Das Kommunizieren des wissenschaftlichen Prozesses erfolgt durch Protokollieren des neu gelernten, die Beschreibung der Ergebnisse kann sprachlich, mathematisch und/oder graphisch erfolgen, auch strukturierte Arbeitsblätter helfen beim Erfassen der Ergebnisse. Bei der Auswertung und Interpretation der Ergebnisse soll zum Prüfen, Vergleichen und Erkennen von Regelmäßigkeiten und Zusammenhänge angeregt werden. Aus den Daten sollen schließlich Schlussfolgerungen gezogen werden. (Fendt 2019; Feyerer 2014; Messig et al.
2018; Petermann et al. 2008; Reitinger 2013).
Theoriebezug
Die naturwissenschaftlichen Zusammenhänge sollen für die Schüler_innen logisch, verständlich und plausibel dargelegt werden (siehe „Fachwissen & Hintergrundinformation“
und „Theorie der Photosynthese“). Die durchgeführten Experimente bekommen so einen Theoriebezug. Eine Beurteilung der Verlässlichkeit der Daten, Fehlerbetrachtung und Methodendiskussion können angeschlossen werden.
Concept change
Durch den Vergleich der Daten mit den aufgestellten Hypothesen (Verifizieren/Falsifizieren der Hypothese) und durch die inhaltliche Auseinandersetzung mit den Schülerfehlvorstellungen und den naturwissenschaftlichen Erklärungen soll ein Konzeptwechsel herbeigeführt werden („Ergebnisorientierte Diskursdimension“). In einem metakognitiven Rückblick auf den Forschungsprozess können Schüler_innen ihren eigenen
13
Lernprozess abschließend zurückverfolgen und über die Veränderung ihrer Vorstellungen und auch die Herkunft der Fehlvorstellungen reflektieren („Prozessorientierte Diskursdimension“). Hier kann auch die historische Komponente von wissenschaftlichen Fehlvorstellungen erörtert werden (Fendt 2019; Feyerer 2014; Messig et al. 2018; Petermann et al. 2008; Reitinger 2013).
Reflexiver Teil
„Bedeutungsorientierte Diskursdimension“ ist die Reflexion über den entstandenen persönlichen Bedeutungskontext. Die erworbenen Kompetenzen und Dispositionen sowie die dabei gewonnenen Einsichten in Vorgehensweisen, Problemlösestrategien usw. sollen in andere situative Kontexte mitgenommen und dort angewendet werden. Durch die Anwendung der naturwissenschaftlichen Vorstellungen auf neue Kontexte, Generalisierungen und dem Transfer des neu Erlernten auf neue Gebiete erschließt sich die Erklärungsmächtigkeit der Konzepte. So kann Zufriedenheit mit den naturwissenschaftlichen Vorstellungen erzeugt werden. Es soll ein erfolgreicher Unterricht mit fruchtbarer Lernumgebungen geschaffen werden, der auf bereits bestehenden, subjektiven Alltagsvorstellungen aufbaut und eine Vorstellungsänderung hin zu fachlich angemessenen Vorstellungen initiiert. Durch dieses Zusammenfließen von subjektiver Interpretation – auch wenn es sich erst um Fehlvorstellungen handelt – und der objektiven Sicht auf die Dinge besteht die Chance, der Welt Sinn zu verleihen und diese als sinnhalft zu erleben (Fendt 2019;
Feyerer 2014; Messig et al. 2018; Petermann et al. 2008; Reitinger 2013).
14
Theorie zur Photosynthese
In der Photosynthese wird Lichtenergie in stabile chemische Energie umgewandelt (Lüttge et al. 2010), dabei werden mit Hilfe von Lichtenergie aus anorganischen Vorstufen organische Verbindungen synthetisiert (Sitte et al. 2002). Die Netto-Reaktionsgleichung für die oxidative Photosynthese lautet:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht - durch Energiezufuhr in Form von Licht - Zucker (Glucose) und Sauerstoff (LUMITOS AG 2021).
Lichtenergie
Licht besteht aus Energiebündeln, den sogenannten Photonen. Grundlage der Photosynthese ist die Absorption von Photonen durch die Photosynthesepigmente. Bei geringer Bestrahlungsstärke ist die Photosyntheseleistung proportional zum Photonenfluss und steigt mit zunehmender Lichtintensität weiter an. Danach tritt eine Lichtsättigung ein, ab hier wird die vorhandene CO2 Konzentration zum limitierenden Faktor (siehe
„Lichtkompensationspunkt und Lichtsättigungspunkt“). Steigt die Lichtintensität weiter, kann es auch zur Schädigung des Photosyntheseapparates kommen (Sitte et al. 2002).
Elektromagnetische Strahlung
Nicht das gesamte Spektrum des Sonnenlichts (Abb. 1) trifft auf die Erde.
In der Atmosphäre wird der ultraviolette Bereich durch Ozon (O3) absorbiert, CO2
und Wasser absorbieren den Infrarotbereich. Auf die Erdoberfläche gelangt nur noch ein eingeengtes Spektrum zwischen ca. 340 und 1100 nm, wovon ca. 380 bis 750 nm den sichtbaren Bereich ausmachen.
Täglich erreichen etwa 1,5 * 1019 kJ Sonnenenergie die Erde, das entspricht nach der Einstein´schen Beziehung (E = m * c2) ca. 165 Tonnen Materie, das sind ca. 60.000 Tonnen Materie im Jahr. Mit dieser Energie fixieren Pflanzen jährlich etwa 275 Milliarden Tonnen CO2
und produzieren so 2 * 1011 Tonnen Biomasse (Lüttge et al. 2010; Sitte et al. 2002).
Abb. 1: Wellenlänge der von der Sonne ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Graues Feld: photosynthetisch wirksamer Anteil des Strahlungsspektrums (Lüttge et al. 2010).
15
Anpassungen an Lichtabsorption
Pflanzen sind an eine optimale Lichtabsorption angepasst.
Viele Blätter oder Sprossachsen folgen dem Tagesgang der Sonne. Um die Blätter maximal zu belichten, werden die Blattspreiten senkrecht zur einfallenden Strahlung gehalten (positiver Phototropismus). Auch der Aufbau der Laubblätter trägt zur maximalen Strahlungsabsorption bei (Abb. 2). Die Epidermiszellen fokussieren das Licht auf die darunterliegenden Zellen des Palisadenparenchyms, das ca.
80 % der Photosynthese des Blattes betreibt. Nicht absorbierte Photonen werden an den Grenzflächen der Zellen des Schwammparenchyms gestreut, wodurch ein längerer Weg durch das Blatt entsteht und die Wahrscheinlichkeit der Absorption des Photons erhöht wird (Küpper 2012; Sitte et al. 2002). Zur bestmöglichen Lichtnutzung können Chloroplasten ihre Lage relativ zum Lichteinfall verändern. In der sogenannten Starklichtstellung drehen sie ihre schmale Seite dem Licht zu, in der Schwachlichtstellung die breite Seite, um mehr Strahlung aufnehmen zu können. Außerdem können noch Schatten- und Sonnenblätter unterschieden werden. Schattenblätter haben in der Regel eine höhere Chlorophyllkonzentration, besonders große Grana bei denen bis zu 100 Thylakoide übereinandergestapelt sein können, größere Antennen (mehr Pigmentmoleküle), mehr Chlorophyll B zur besseren Ausnutzung der Grünlücke, einen erhöhten Anteil an Photosystem II um verstärkte Anregung von Photosystem I durch den Dunkelrotanteil im Schatten zu verhindern und zusätzlich sind Schattenblätter meist dünner, um die gegenseitige Beschattung zu vermindern (Sitte et al. 2002).
Der Einfluss der Temperatur
Die chemischen Primärreaktionen der Photosynthese sind weitgehend temperaturunabhängig. Nur die enzymatischen Prozesse (z.B. RubisCO) sind von der Temperatur abhängig. Es gilt die Van´t Hoffsche Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel die besagt, dass eine Erhöhung um 10 °C die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt. Die Photosyntheseleistung steigt also bei steigender Temperatur, bis zum charakteristischen Temperaturoptima der Pflanze, danach sinkt sie jedoch wieder (Sitte et al. 2002).
Abb. 2: Blattquerschnitt von Berkheya coddii (Küpper 2012)
16
Chlorophyllfluoreszenz
Wie bei allen physikalisch-chemischen Umwandlungen kommt es auch bei der Umwandlung von Photonen in chemische Energie zu Verlusten. Nicht die gesamte absorbierte Strahlungsenergie wird in die Elektronentransportkette weitergegeben, sondern auch Energie in Form von Wärme, Phosphoreszenz oder Fluoreszenz abgegeben. Über den Teil der als Chlorophyllfluoreszenz abgegebenen Energie kann man die Photosyntheseaktivität zerstörungsfrei messen, den Zustand des Photosystems II beurteilen und so z.B. den Grad der Schädigung von Wäldern messen.
Wird Chlorophyll angeregt, werden Elektronen auf eine höhere Bahn gebracht und zur Elektronentransportkette weitergegeben.
Wenn aber das Chlorophyll der Chloroplasten isoliert wurde, können angeregte Elektronen nicht an die
Elektronentransportkette weitergegeben werden und fallen auf die ursprüngliche Bahn zurück. Dabei wird der Großteil der aufgenommenen Energie als Licht höherer Wellenlänge, also als Fluoreszenz, wieder abgegeben (Abb. 3). Beleuchtet man eine Chlorophylllösung mit blauem oder UV (=kurzwelligem) Licht (vgl. Abschnitt Chlorophyllfluoreszenz), so leuchtet die Lösung rot (langwelliges Licht) (LUMITOS AG 2021; Lüttge et al. 2010; Sitte et al. 2002).
Photosynthesepigmente
Die pflanzliche Photosynthese beginnt mit der Absorption von Photonen durch Photosynthesepigmente (Chlorophylle, Carotinoide) (Lüttge et al. 2010), diese gehören, wie Chromoplasten, zu den plasmochromen Pflanzenfarbstoffen und sind fettlöslich (hydrophob, lipophil) (Müller WS 2006). Im Gegensatz dazu sind chymochrome Pflanzenfarbstoffe im wässrigen Zellsaft der Vakuole, z.B. Antho- und Betacyane, wasserlöslich (hydrophil) (Müller WS 2006).
Chlorophylle Struktur
Strukturell bestehen Chlorophylle aus einem hydrophilen „Kopf“ und einem hydrophoben
„Schwanz“ (Abb. 4). Der “Kopf“ ist der entscheidende Teil für die Lichtabsorption und wird aus einem Tetrapyrrol (Porphyrin)-Ringsystem mit Magnesium als Zentralatom gebildet. Das Porphyrin-Ringsystem besteht aus 4 Pyrrolringen. Das Magnesium ist mit zwei
Abb. 3: Chlorophyllfluoreszenz:
die Niveaus des Grundzustands und des angeregten Zustands.
Die Fluoreszenz hat eine geringere Energie (höhere Wellenlänge) als das Anregungslicht (Lüttge et al.
2010)
17
Stickstoffatomen kovalent verbunden und bildet mit den anderen beiden Stickstoffatomen eine koordinative Bindung (Donator-Akzeptor-Bindung: in einer Elektronenpaarbindung stammen die Bindungselektronen von nur einem der beiden Bindungspartner). Das Porphyrin-Ringsystem und einige seiner Substituenten bilden ein System konjugierter Doppelbindungen, die daran beteiligten π-Elektronen bilden dabei ein einheitliches Molekülorbital, in dem die Elektronen im Ringsystem zirkulieren können. Dieses Phänomen ist eine der Ursachen für die hohe Stabilität dieser Verbindungsklasse, Porphyrine gehören zu den stabilsten chemischen Verbindungen und finden sich z.B. in Erdöl und Kohlen (bis zu 400 Mio. Jahre alt) in chemisch nahezu unveränderter Form.
Der hydrophobe Schwanz besteht aus dem lipophilen Alkohol Phytol, einem Diterpen mit 20 C-Atomen, der am C-17-Atom über eine Esterbindung mit dem Kopfteil verknüpft ist. Der Aufbau der Chlorophylle erinnert an Hämoglobin, Myoglobin oder an Cytochrome, die allerdingt Eisen das Zentralatom gebunden haben (Heinrich Heine Universität Düsseldorf 2021; Philipp 2021; Sitte et al. 2002; Willig 2021).
Abb. 4: Strukturformel des Chlorophylls (Heinrich Heine Universität Düsseldorf 2021)
Chlorophylle absorbieren Licht im Bereich von 400 - 480 nm (Blau) und 550 - 700 nm (Gelb bis Rot). Zwischen 480 und 550 nm, dem Bereich des grünen Lichts, ist die Chlorophyllabsorption sehr gering, man spricht von der
„Grünlücke“ (Abb. 5). Grün wird reflektiert, daher erscheinen dem menschlichen Auge Lösungen und Pflanzenteile mit Chlorophyll grün.
Chlorophylle haben sich schon früh in der Evolution gebildet und seitdem wenig verändert (Heinrich Heine Universität Düsseldorf 2021; Pugliesi 2012; Sitte et al.
2002).
Abb. 5: Absorptionsspektrum von Chlorophyll a und b (Pugliesi 2012)
18
Chlorophyll A
Chlorophyll A ist das primäre Pigment der Photosynthese und in allen Organismen, die oxygene Photosynthese betreiben vorhanden (oxygene Photosynthese: aus Wasser als Elektronendonor entsteht unter Elektronenentzug Sauerstoff). Chlorophyll A absorbiert Licht des elektromagnetischen Spektrums im Bereich von orange-rot und violett-blau (Abb. 5) und erscheint selbst bläulich-grün. Chlorophyll A spielt eine zentrale Rolle als primärer Elektronendonator. Am C-7-Atom trägt Chlorophyll A eine Methylgruppe (-CH3) (Abb. 4) (Leaf Group Media 2021; Philipp 2021; Sitte et al. 2002).
Chlorophyll B
Chlorophyll B ist ein olivgrün bis gelblich-grün gefärbtes akzessorisches Pigment.
Akzessorisch, weil es nicht unbedingt für die Photosynthese erforderliche ist. Nicht alle Organismen besitzen Chlorophyll B, es kommt bei höheren Pflanzen und einigen Algengruppen vor. Chlorophyll B absorbiert niedrigere Frequenzen als Chlorophyll A im blauen Bereich und höhere im roten, vergrößert also das Absorptionsspektrum (Abb. 5) und hilft so einen weiteren Bereich des Sonnenlichts in chemische Energie umzuwandeln. Bei Schattenblättern wird mehr Chlorophyll B produziert, um Licht besser absorbieren zu können.
Am C-7-Atom trägt Chlorophyll A eine Formylgruppe (CHO) (Abb. 4). Das Verhältnis von Chlorophyll A zu Chlorophyll B beträgt in etwas 3:1 (Leaf Group Media 2021; Philipp 2021;
Sitte et al. 2002).
Carotinoide
Carotinoide gehören zu den akzessorischen Photosynthesepigmenten. Sie zeigen eine Absorption im Blau- bis Blaugrünbereich. Sie engen die Grünlücke weiter ein, außerdem schützen sie das Chlorophyll gegen die Ausbildung des Triplettzustandes und unterdrücken damit die Bildung des schädlichen Singulettsauerstoffes (Photooxidation). Carotinoide sind Terpenoide wie Phytol („Schwanzteil“ der Chlorophylle, siehe Abb. 4), jedoch keine Diterpene, sondern meist Tetraterpene mit 40 C-Atomen (Abb. 6). Auch hier beruht die Lichtabsorption auf der hohen Anzahl
Abb. 6: Carotinoide mit den rot markierten konjugierten Doppelbindungssytemen. Die gestrichelte Linie deutet an, dass bei der Biosynthese zwei aus je 20 C-Atomen bestehende gleiche Teile zusammengefügt wurden (Lüttge et al. 2010).
19
konjugierter Doppelbindungen, deren π-Elektronen ein Molekülorbital ausbilden, in dem Elektronen stark delokalisiert und leicht anzuregen sind.
Bei den Carotinoiden können zwei Gruppen unterschieden werden (Abb. 6):
1. Carotine: reine Kohlenwasserstoffe mit ß-Carotin als Hauptvertreter. Sie sind mit ca.
20 bis 50 % der Effektivität schlechtere Energieüberträger als Chlorophyll.
2. Xanthophylle: oxidierte Carotine mit Lutein als Hauptvertreter. Sie übertragen offenbar keine Anregungsenergie auf Chlorophyll A, ihre Hauptfunktion besteht im Schutz gegen die Ausbildung des Triplett Zustandes des Chlorophylls und damit der Unterdrückung der Bildung des schädlichen Singulett-Sauerstoffs (Lüttge et al. 2010;
Sitte et al. 2002).
Kohlenstoffdioxid - CO
2CO2 in der Atmosphäre
Die CO2-Konzentration im Jahr 2000 betrug etwa 370 ppm, das sind 0,037 Vol.-%, in den 40 Jahren davor ist die Konzentration um durchschnittlich etwa 1 ppm pro Jahr gestiegen, was vor allem der Verbrennung fossiler Kohlenstoffreserven durch den Menschen zuzuschreiben ist (Sitte et al. 2002). Seit damals stieg die Konzentration massiv an, 2021 wurde bereits eine CO2-Konzentration von mehr als 420 ppm (0,042 Vol.-%) gemessen, was einer Steigung in den letzten 20 Jahren von mehr als 2 ppm pro Jahr entspricht. Heute habe wir den höchsten Stand des Kohlenstoffdioxid Gehaltes in der Luft seit Millionen von Jahren erreicht (Nagiller 2021).
CO2 Aufnahme in die Pflanze
Überschlagsmäßig kann angenommen werden, dass unter günstigen Bedingungen 1 m2 Blattfläche das in 3 m3 Luft vorhandene CO2 pro Stunde aufnimmt und dabei 1 g Glucose Äquivalente bildet.
CO2 gelangt dabei durch die Spaltöffnungen (Stomata) in die Pflanze. Durch die Spaltöffnungsbewegung, also der Veränderung des Öffnungszustandes der Stomata kann die CO2-Aufnahme und damit die Photosyntheseleistung entscheidend beeinflusst werden (Sitte et al. 2002).
Einfluss der Kohlenstoffdioxidkonzentration
Bei voller Sonneneinstrahlung ist CO2 der limitierende Faktor der Photosynthese. Bei der CO2- Düngung werden die Konzentrationen von ca. 0,042 Vol-% CO2 in der Luft auf 0,1 Vol.-% in Gewächshäusern gesteigert. Bei Tomaten und Gurken kann so der Ertrag pro Saison um ein Drittel gesteigert werden (Sitte et al. 2002).
20
Lichtreaktion – lichtinduzierter Elektronentransport
Ort der Lichtreaktion
Die Lichtreaktion läuft an den Thylakoidmembranen im Stroma der Chloroplasten ab (Abb. 7 bis 10). Am Porphyrinringsystem des Chlorophylls (Abb. 4) wird die Sonnenenergie absorbiert, die delokalisierten π- Elektronen werden durch die Absorption der Photonen auf höhere Energieniveaus angehoben. Dabei geht das Molekül in einen angeregten Zustand über. (Sitte et al.
2002; Willig 2021).
Proteinkomplexe und Redoxsysteme entlang der Elektronentransportkette Nach der Absorption von Lichtquanten werden
Elektronen aus dem Chlorophyll A an die Elektronentransportketten übertragen (Abb. 8 bis 10). Die Elektronen werden innerhalb der Membran so transportiert, dass sie Arbeit leisten können. Diese Arbeit wird genutzt, um Protonen gegen ein Konzentrationsgefälle von außen nach innen zu transportieren.
Das entstandene Elektronendefizit der Reaktionszentren wird durch Spaltung des Elektronendonators Wasser ausgeglichen, dabei werden dem Wasserstoff des H2O unter Bildung von ½ O2 und 2 H+ die Elektronen entzogen und auf das oxidierte P680 übertragen, das so wieder in den Grundzustand gelangt. Diese Photolyse des Wassers passiert am Sauerstoff produzierenden Komplex (OEC – Oxygen Evolving Complex, Wasserspaltungskomplex), einem Redoxsystem, das in seinen katalytischen Zentren Mangan enthält. Der Sauerstoff aus der Photosynthese stammt also aus dem Wasser.
Abb. 7: Schematischer Aufbau eines Chloroplasten.
(Biorender.com 2021)
Abb. 8: Reaktionszentrum des Photosystems II in der Thylakoidmembran der Chloroplasten (Lüttge et al. 2010).
Abb. 9: Elektronentransport unter Beteiligung der Proteinkomplexe und Redoxsysteme in der Thylakoidmembran: PhotosystemII (PSII), angeregtes Pigment (P*680), membrangebundenes Chinon (Q), Plastochinon-Pool (PQ), Cytochrom-b6/f-Komplex (Cytb6/cytf), Plastocyanin (PCy), Photosystem I (PSI), angeregtes Pigment (P*700), Ferredoxin (FD), NADP- Reduktase (Lüttge et al. 2010).
21
Das P680 ist Bestandteil des Reaktionszentrums des PSII (Photosystem II), das vorwiegend in den Granathylakoiden vorkommt. Es besteht aus einem proteingebundenen Paar Chlorophyll A-Molekülen und liegt in einem Komplex mit membrangebundenem Chinon (Q) vor. Das angeregte P*680 gibt ein Elektron ab, das schließlich auf ein locker gebundenes Plastochinon (PQ) übertragen wird.
Wenn noch ein zweites Elektron von einem angeregten P*680 und zwei H+ Ionen aus dem Stroma aufgenommen werden, entsteht Plastohydrochinon (PQH2). PQH2 verlässt das PS II und diffundiert in die Thylakoidmembran, die einen mobilen Pool von gelösten Plastochinon Molekülen enthält (PQ-Pool). Am zweiten integralen Membrankomplex, dem Cytochrom-b6f- Komplex wird das PQH2 wieder zu PQ oxidiert. Die zwei freiwerdenden H+ Ionen werden in das Thylakoidlumen abgegeben. Die zwei freiwerdenden Elektronen werden weiter auf das Cu2+-haltige Protein Plastocyanin (PCy) übertragen. Dem reduzierten PCy werden die Elektronen entzogen und auf P700 übertragen. Das P700 ist Bestandteil des Reaktionszentrums des PSI (Photosystem I), das vorwiegend in den Stromathylakoiden vorkommt. Es besteht wie das P680 aus einem proteingebundenen Paar Chlorophyll A-Molekülen. Das angeregte P*700
gibt ein Elektron ab, das auf das eisenhaltige Protein Ferredoxin (FD), das sich im Stroma befindet, übertragen wird. Dieses ist wiederum Elektronendonator für NADP+. Bei der Übertragung von zwei Elektronen wird es an der NADP-Reduktase zu NADPH + H+ reduziert.
Pro gebildetem O2-Molekül werden 4 Elektronen zur Bildung von 2 Molekülen NADPH + H+ transportiert und mindestens 8 H+-Ionen (4 aus der Wasserspaltung, 4 über PQH2 aus dem Stroma) im Thylakoidlumen akkumuliert. Der Wasserstoffionen-Konzentrationsgradient ist am pH-Wert sichtbar: im Stroma belichteter
Chloroplasten misst man Wert von ca. pH 8, im Thylakoidlumen pH 4,5 - 5 (Abb. 11). Mit der Energie des Wasserstoffionen- Konzentrationsgradienten wird die photosynthetische ATP-Synthese betrieben (Photophosphorylierung). Die im Bereich der Stromathylakoide lokalisierte ATP-Synthase benötigt dabei für die Bildung von einem ATP
(Adenosintriphosphat) 4 H+-Ionen. In der Gesamtbilanz der Lichtreaktion werden aus einem
Abb. 11: Die CO2-Assimilation in der Dunkelreaktion ist von der Zulieferung von NADPH + H+ und ATP aus der Lichtreaktion abhängig (Lüttge et al. 2010).
Abb. 10: Komponenten des photosynthetischen Elektronentransports und der ATPase in der Thylakoidmembran. (Lüttge et al. 2010).
22
Molekül Sauerstoff, zwei Moleküle NADP zu NADPH + H+ reduziert und etwa drei Moleküle ADP zu ATP phosphoryliert. (LUMITOS AG 2021; Lüttge et al. 2010; Sitte et al. 2002).
Dunkelreaktion
Die Bildung von Kohlenhydraten unter Reduktion von CO2 passiert nicht in der Lichtreaktion, aber das dort gebildete ATP und NADPH + H+ wird zur Synthese von Kohlenhydraten aus CO2
verwendet (Abb. 11).
Calvin Zyklus
Der Calvin Zyklus (Dunkelreaktion) ist von der Lichtreaktion unabhängig und kann bei Anwesenheit von ATP und NADPH prinzipiell auch in der Dunkelheit stattfinden. In der ersten Phase des Calvin Zyklus (Abb. 12) wird Ribulose-1,5-bisphosphat (RubP) mit CO2 zu D-3-Phosphoglycerat (D-3-Phosphoglycerinsäure) carboxyliert. Katalysiert wird die Reaktion durch das auf der Erde mengenmäßig vorherrschenden Enzym Ribulose-1,5- bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (RubisCO). In der reduzierenden Phase wird es unter ATP-Verbrauch und mit NADPH + H+ als Reduktionsmittel zu D-3-Phosphoglycerinaldehyd reduziert. In der regenerierenden Phase wird RubP regeneriert. Aus 6 RubP-Molekülen und 6 CO2-Molekülen entstehen 12 Moleküle Triosephosphat. Aus zwei Triosen wird eine Hexose (primär Fructose-1,6-bisphosphat), die restlichen 10 Triosen werden zur Regeneration von 6 Molekülen RubP verwendet. Pro fixiertem CO2 Molekül werden im Calvin-Zyklus 2 NADPH + 2 H+ und 3 ATP umgesetzt. Für die Bildung einer Hexose lässt sich die Reaktion so formulieren (LUMITOS AG 2021; Lüttge et al. 2010; Sitte et al. 2002):
6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP → C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + 6 H2O
Hill Reaktion
Bereits 1937 erkannte Robert Hill, dass isolierte und belichtete Thylakoidmembranen, in Anwesenheit von reduzierbaren Stoffen wie z.B. Fe3+ oder Farbstoffen (wie z.B. dem Redox-
Abb. 12: Im CALVIN-Zyklus dient Ribulose-1,5-bisphosphat (RubP) als CO2-Akzeptor. Es entsteht 3- Phospho-Glycerinsäure (3-PGS), das durch Reduktion in Triose- Phosphat umgewandelt wird.
Auf dieser Stufe können Kohlenstoffgerüste als Endprodukte der Photosynthese aus dem Zyklus ausgeschleust werden. Im Zyklus verbleibende Kohlenstoffgerüste dienen zur Regeneration des Akzeptors (Lüttge et al. 2010).
23
Indikator DCPIP), Sauerstoff freisetzen. In der sogenannten Hill-Reaktion (siehe Versuch
„Herkunft des Sauerstoffs - Hill-Reaktion“) wird in einer Chloroplastenlösung als künstlicher Elektronenakzeptor (Hill-Reagens) Dichlorphenolindophenol (DCPIP) anstelle von NADP+ reduziert. So kommt es zwar zur Wasserspaltung und zur O2-Bildung aber nicht zur ATP- Bildung und zur Reduktion von CO2.
Nach Beleuchtung werden Elektronen auf den Elektronenakzeptor DCPIP übertragen und der Extrakt wird farblos (reduzierte Form). Wird nicht beleuchtet, behält DCPIP seine blaue Farbe (oxidierte Form).
Speicherstärke
Pflanzen speichern, die in der Photosynthese produzierten Kohlenhydrate (Hexosen), hauptsächlich in Form von Stärke in den Plastiden (Abb. 7). Stärke besteht nur aus α-D- Glucopyranose, diese ist unterschiedlich zusammengesetzt. In der Amylose sind die 200 – 1.000 Glucose-Einheiten unverzweigten über α-1-4-glykosidische Bindungen zu einem zur Helixbildung neigenden Makromolekül verbunden. Das Amylopektin enthält zusätzlich dazu noch α-1-6-glykosidische Verzweigungen und ist mit 2.000 – 10.000 Glucose-Einheiten deutlich größer. Stärke kann mit Jod-Kaliumiodid nachgewiesen werden, denn die Jodmoleküle lagern sich in Helices der Amylose ein und färben diese blau (Sitte et al. 2002).
Wasser
Aufnahme und Abgabe
Die Pflanze gibt den Großteil des aufgenommenen Wassers als Wasserdampf ab („Transpirationswasser“). Ein Teil dient als „Wachstumswasser“ der Vergrößerung des Volumens der wachsenden Pflanze. In besonderen Fällen wird auch Wasser in flüssiger Form abgeschieden (Guttation). Die Transpiration stellt die wesentliche Triebkraft für den Wasserferntransport im Xylem bei geöffneten Stomata dar. Auch bei geschlossenen Stomata (nachts) oder bei infolge hoher Luftfeuchtigkeit reduzierter Transpiration, wird dennoch ein Wasserstrom im Xylem aufrechterhalten. Dieser kommt zustande durch:
• Den Aufbau des Wurzeldrucks
24
• Die stark negativen osmotischen Potentiale der stoffwechselaktiven peripheren Organe, besonders photosynthetisch aktive Blätter
• Durch den Wasserfluss im Phloem
Der Übertritt von Wassermolekülen aus der flüssigen Phase in die Gasphase (Transpiration, Verdunstung) erfolgt an allen Grenzflächen einer Pflanze gegen nicht wasserdampfgesättigte Luft. Aus den Interzellularen diffundiert der Wasserdampf durch die Stomata aus der Pflanze heraus. Der Tagesgang der Transpiration bei Pflanzen in unseren Breiten (bei C3-Pflanzen) zeigt meist einen charakteristischen Verlauf: morgens steigt die Transpiration mit Einsetzten der Belichtung weil sich die Stomata öffnen, und nimmt dann bei voll geöffneten Stomata wegen der zunehmenden Erwärmung des Blattes und der Luft (Verringerung der relativen Luftfeuchte) bis zu Mittag zu. Dann fällt sie aber wieder ab, beim Einbruch der Dämmerung werden die Stomata wieder geschlossen. (Sitte et al. 2002).
Wassermangel
Wassermangel wirkt sich nicht als Substratmangel aus, sondern schadet der Pflanze indirekt einerseits durch Schädigung von Enzymen und Funktionseinheiten (z.B. Membranen) durch Dehydratisierung und andererseits behindert er durch Schließen der Stomata die CO2
Versorgung und damit die Photosynthese.
Die Pflanzen der Erde wandeln pro Jahr 1.875 km3 Wasser in Sauerstoff um, d. h. die gesamten Wasservorräte (ca. 1,5 * 109 km3) werden alle 8 Millionen Jahre photolytisch umgesetzt (Sitte et al. 2002).
25
Stundenbilder und Unterrichtsentwürfe Pflanzenfarbstoffe
Extraktion von Farbstoffen bei roten Blättern mit Ethanol und Petroleum Fragen:
Welche Farbstoffe sind in einem Blatt vorhanden? Welche Funktion haben diese Farbstoffe?
Ist grüner Farbstoff auch in roten Blättern vorhanden? Mit welchen Methoden kann das experimentell überprüft werden?
Materialien, Chemikalien, Geräte:
• Rote Blätter (z. B. von Weihnachtsstern, Blutbuche, Blutahorn, Begonie, …)
• Petroleum
• Ethanol - 60%ig
• Kochplatte
• Glasschüssel für Wasserbad
• Wasser
• Becherglas
• Glaspipette
• Gefäß mit Verschluss (Reagenzglas, Eppendorf Gefäß, Greiner Röhrchen, …) Durchführung:
1. Erwärme Wasser in der Glasschüssel auf der Kochplatte 2. Zerkleinere die roten Blätter
3. Gieße etwas Ethanol in ein Becherglas und erwärme es im Wasserbad 4. Gib die roten Blätter zum Ethanol, bis es sich rot färbt
5. Überführe die Flüssigkeit mit einer Pipette in ein Reagenzglas, es soll ca. bis zur Hälfte gefüllt sein
6. Gib etwas Petroleum dazu, verschließe das Gefäß und schüttle es damit sich das farblose Petroleum mit dem Ethanol vermischt (diese Trennmethode nennt man
„Ausschütteln“)
7. Welche Farben haben Ethanol und Petroleum jetzt? Was konnten wir mit dem Experiment beweisen?
26
Beobachtung:
Legt man die roten Blätter in das warme Ethanol, verfärbt es sich rot. Nach dem Ausschütteln mit Petroleum sind zwei Schichten erkennbar: eine grüne „Petroleumschicht“ und darunter eine rote „Ethanolschicht“.
Ergebnissicherung:
Vervollständige den Lückentext. Verwende dazu folgende Wörter:
| wasserlöslich | fettlöslich | Stein/Fels | roten | Erdöl | Siedepunkt | Sonnenenergie | Öl | Extraktion
| entzündlich | Chlorophyll | Löslichkeit | Wasser | Wasser |
________________________ von Farbstoffen
Ethanol hat einen ___________________ von 78,37 °C. Die Gefahrenstoffkennzeichnung besagt, dass es leicht ________________ ist. Ethanol (C2H5OH) ist beliebig mit ___________
mischbar. Petroleum (v. lat.: petra = _______________ + oleum = _____________) ist ein flüssiges Stoffgemisch von Kohlenwasserstoffen, das durch fraktionierte Destillation aus ____________ gewonnen wird. Es ist gut löslich in unpolaren Lösungsmitteln, nicht löslich in polaren (z.B. ___________).
Die zerkleinerten Blätter enthalten Farbstoffe, die aufgrund unterschiedlicher _________________ in verschiedenen Lösungsmitteln leicht getrennt werden können:
Vakuolenfarbstoffe sind ________________, Plastidenfarbstoffe sind ________________.
Nach dem Ausschütteln sammeln sind die wasserlöslichen, _______________
Vakuolenfarbstoffe in der wässrig-ethanolischen Phase, darüber in der Petroleumphase sind die fettlöslichen Plastidenpigmente (grünes ______________) gelöst. Der rote Farbstoff überdeckt das grüne Chlorophyll, ohne das die Pflanze die __________________ nicht einfangen und keine Photosynthese betreiben könnte.
Lösung:
Extraktion von Farbstoffen
Ethanol hat einen Siedepunkt von 78,37 °C. Die Gefahrenstoffkennzeichnung besagt, dass es leicht entzündlich ist.
Ethanol (C2H5OH) ist beliebig mit Wasser mischbar. Petroleum (v. lat.: petra = Stein/Fels + oleum = Öl) ist ein flüssiges Stoffgemisch von Kohlenwasserstoffen, das durch fraktionierte Destillation aus Erdöl gewonnen wird. Es ist gut löslich in unpolaren Lösungsmitteln, nicht löslich in polaren (z.B. Wasser).
Die zerkleinerten Blätter enthalten Farbstoffe, die aufgrund unterschiedlicher Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln leicht getrennt werden können: Vakuolenfarbstoffe sind wasserlöslich, Plastidenfarbstoffe sind
fettlöslich. Nach dem Ausschütteln sammeln sind die wasserlöslichen, roten Vakuolenfarbstoffe in der wässrig- ethanolischen Phase, darüber in der Petroleumphase sind die fettlöslichen Plastidenpigmente (grünes Chlorophyll) gelöst. Der rote Farbstoff überdeckt das grüne Chlorophyll, ohne das die Pflanze die Sonnenenergie nicht einfangen und keine Photosynthese machen könnte.
27
Lernziele und Erkenntnisse:
• In Pflanzen (Blättern, Früchten, Blüten, ...) sind unterschiedliche Farbstoffe enthalten, die in unterschiedlichen Bereichen der Zelle vorkommen
• Stoffe in unterschiedlichen Bereichen der Zelle haben verschiedene Löslichkeiten:
Vakuolenfarbstoffe sind wasserlöslich, Plastidenfarbstoffe sind fettlöslich (vgl. Theorie zu Photosynthese)
• Haben Stoffe unterschiedliche Löslichkeiten, können sie in verschiedenen Lösungsmitteln durch z.B. „Ausschütteln“ getrennt werden
• Rote Blätter enthalten wasserlösliche Vakuolenfarbstoffe (z.B. Anthocyane) und fettlösliche Chromo- und Chloroplastenfarbstoffe (z.B. Chlorophylle und Carotinoide)
• Beim Ausschütteln lösen sich in der unteren wässrig-ethanolischen Phase die wasserlöslichen Vakuolenfarbstoffe und färben diese rot (hauptsächlich Anthocyane).
Darüber in der Petroleumphase sind die fettlöslichen Plastidenpigmente gelöst.
• Blattgrün (Chlorophyll) ist in allen Pflanzen vorhanden, auch in roten Blättern, da diese Pflanzen sonst die Sonnenenergie nicht einfangen, keine Photosynthese betreiben und somit nicht wachsen könnten. Das grüne Chlorophyll ist jedoch nicht sichtbar, wenn es von rotem Farbstoff überdeckt wird.
Sicherheitshinweise:
Ethanol ist leicht entzündlich.
Petroleum ist gesundheitsschädlich und umweltgefährdend.
Anmerkung:
Die Petroleumschicht kann im Versuch „Fluoreszenz von Chloroplasten Lösungen“
weiterverwendet werden.
Quellen:
Seminar Zellbiologie, Anatomie und Physiologie von Pflanzen (Müller WS 2006), Fachportal chemie.de (LUMITOS AG 2021); Universität Innsbruck, Bereich Didaktik der Naturwissenschaften, Geographie, Informatik und Mathematik (Universität Innsbruck 2021)
28
Chlorophyllnachweis bei grünen und roten Blättern mit Hilfe des Schütteltrichters Fragen:
Besitzen alle Pflanzen Blattgrün? Ist grüner Farbstoff auch in roten Blättern vorhanden? Mit welchen Methoden kann das experimentell überprüft werden?
Materialien, Chemikalien, Geräte:
• Grüne und rote Blätter, z.B. vom Weihnachtsstern (Euphorbia pulcherrima)
• Ethanol/Wasser-Gemisch 31:9 (C2H5OH*H2O)
• Petroleum
• n-Heptan (C7H16)
• 1 mL Propanol (C3H7OH)
• Mörser und Pistill
• Schütteltrichter 500 mL und Plastikstopfen
• Gestell für Schütteltrichter
• Trichter
• Filterpapier
• 4 Bechergläser oder Erlenmeyerkolben 50 mL
• Permanentmarker oder Bleistift und Tixo zum Beschriften Fachwissen und Hintergrundinformation:
Siehe: „Extraktion von Farbstoffen bei roten Blättern mit Ethanol und Petroleum“ und „Theorie zu Photosynthese“
Lernziele:
Siehe: „Extraktion von Farbstoffen bei roten Blättern mit Ethanol und Petroleum“
Ergebnissicherung:
Handschriftliche Übertragung der Anleitung (Titel des Versuchs, Material, Durchführung, Beobachtung, Erklärung)
Durchführung:
• Rote und grüne Blätter kleinschneiden
• Nacheinander im Mörser unter Zugabe des Ethanol/Wasser Gemisches zerreiben
• 20 mL Petroleumbenzin in den am Gestellring angebrachten Schütteltrichter vorlegen
• Rotes Gemisch durch einen mit Filterpapier ausgelegten Trichter in den Schütteltrichter überführen
29
• Schütteltrichter mit einem Plastikstopfen verschließen und kräftig schütteln, immer wieder entlüften und nach einigen Minuten wieder in den Gestellring abstellen.
• Den Stopfen des Scheidetrichters öffnen und vorsichtig die einzelnen Phasen aus dem Schütteltrichter in beschriftete (!) Gefäße ablassen
• Dasselbe mit dem grünen Gemisch wiederholen
• Sind in den einzelnen Fraktionen der roten und grünen Blätter dieselben Farbstoffe enthalten?
• Anschließend: Chromatografie der Extrakte
Beobachtung:
Nach dem Zerreiben im Mörser erhält man ein dünnflüssiges grünes bzw. rotes Gemisch. Beim Eintropfen des roten Gemisches in das Petroleumbenzin bilden sich zwei Phasen aus: eine rötliche untere Phase und eine obere, nahezu farblose Phase. Nach dem Schütteln zeigt die obere Phase eine leichte gelblich-grüne Verfärbung. Nach dem Schütteln der Extrakte aus den grünen Blättern zeigt sich eine deutliche grüne Verfärbung der oberen Phase.
Erkenntnisse:
Siehe: „Extraktion von Farbstoffen bei roten Blättern mit Ethanol und Petroleum“
Sicherheitshinweise:
Ethanol ist leicht entzündlich.
Petroleum ist gesundheitsschädlich und umweltgefährdend.
Heptan ist leichtentzündlich, gesundheitsschädlich und umweltgefährlich.
Propanol ist leichtentzündlich und reizend.
Entsorgung:
Die Ansätze können nach vorhergehender Neutralisation im Lösungsmittelabfall entsorgt werden.
Quelle/n:
Fachportal chemie.de (LUMITOS AG 2021); ChidS – Chemie in der Schule (Philipp 2021);
Seminar Grundlagen der Zellbiologie, Anatomie und Physiologie der Pflanzen (Müller WS 2006)
30
Herstellung eines Extraktes der Blattfarbstoffe Materialien, Chemikalien, Geräte:
• Blätter
• Mörser und Pistill
• Quarzsand
• Eventuell CaCO3 - zur Neutralisation von pflanzlichen Säuren
• Aceton
• Filterpapier
• Trichter
• Becherglas
• Alufolie zur Lagerung Durchführung:
• Blätter zerkleinern und in den Mörser geben
• Etwas Sand (eventuell eine Messerspitze CaCO3) und etwas Aceton hinzugeben
• Alles Verrühren, bis ein dunkelgrüner Brei entsteht
• Diesen dunkelgrünen Extrakt mit ein bisschen Wasser vermengen
• Durch ein Filterpapier im Trichter drücken, eventuell mit Aceton nachspülen
• Anschließend mit Aceton vermengen bis der Extrakt durchscheinend grün erscheint
• Wird die Lösung nicht gleich verwendet, sollte sie bis zur Weiterverwendung in Alufolie gewickelt und kühl aufbewahrt werden
• Anschließend: Chromatografie der Extrakte Beobachtung:
Nachdem man die Blätter mit dem Quarzsand und Aceton zerreibt entsteht eine grün gefärbte Lösung. Durch das Filtrieren wird der Quarzsand entfernt, es entsteht ein klarer Extrakt.
Sicherheitshinweise:
Aceton ist leichtentzündlich und reizend.
Quellen:
Seminar Grundlagen der Zellbiologie, Anatomie und Physiologie der Pflanzen (Müller WS 2006); Pflanzenphysiologische Experimente für das Unterrichtsfach Biologie und Umweltkunde (Vallant 2016)
31
Chromatografie der Blattfarbstoffe mit Hilfe von Tafelkreide Fragen:
Welche Farbstoffe sind in einem Blatt vorhanden? Wie können wir das herausfinden? Wie können Blattfarbstoffe getrennt werden? Bei roten Pflanzenteilen: Ist grüner Farbstoff auch in roten Blättern vorhanden?
Materialien, Chemikalien, Geräte:
• grüne (und rote) Pflanzenteile, zB. Blätter von (Blut)buche, (Blut)ahorn, Weihnachtsstern, Rotkraut
• Materialien für Farbstoffextrakt: siehe „Herstellung eines Extraktes der Blattfarbstoffe“
• Becherglas
• Weiße Tafelkreide Durchführung:
• Herstellung des Farbstoffextraktes siehe „Herstellung eines Extraktes der Blattfarbstoffe“
• Fülle ca. 1 cm der Farbstofflösung in ein Becherglas
• Stelle die Tafelkreide in das Becherglas
• Warte bis die Kreide die Lösung aufgesaugt hat und eine gute Auftrennung in mehrere Linien erkennbar ist, spätestens bis die Lösung noch ca. 1 cm vom oberen Rand entfernt ist
• Was kannst Du erkennen? Interpretiere die Beobachtungen!
Ergebnissicherung:
Zeichnen und Beschriften des Ergebnisses der Chromatografie Beobachtung:
Die Chlorophylllösung wandert an der Tafelkreide entlang. Am Ende sind mehrere Linien in unterschiedlichen Farben zu erkennen.
Erkenntnis/Erklärung/Erwartungshorizont:
Die roten und gelben Carotinoide wandern am weitesten und bilden eine feine orange Farbbande. Unterhalb erkennt man 2 grüne Banden, das Chlorophyll. Nach den grünen Banden kommt eine große gelb-grüne Bande, die Xanthophylle. Siehe auch
„Dünnschichtchromatografie (DC) der Blattpigmente“.
32
Quelle/n:
Pflanzenphysiologische Experimente für das Unterrichtsfach Biologie und Umweltkunde (Vallant 2016); Seminar Grundlagen der Zellbiologie, Anatomie und Physiologie der Pflanzen (Müller WS 2006); Chromatographie und Aufnahme von Absorptionsspektren der Blattfarbstoffe grüner Blätter (Universität Bayreuth 2009), Vom Schulversuch zum Forschenden Unterricht: Wissenschaftliches Arbeiten im Biologieunterricht am Beispiel der Photosynthese. Workshop zum BLK-Programm "Steigerung der Effizienz des mathematisch- naturwissenschaftlichen Unterrichts" (Mayer 2002)
33
Dünnschichtchromatografie (DC) der Blattpigmente Fragen:
Besteht das Grün der Blätter aus einem oder mehreren Farbstoffen? Ist auch in roten Blättern Chlorophyll enthalten? Mit welchen Methoden können die Fragen experimentell überprüft werden?
Materialien, Chemikalien, Geräte:
Chloroplasten Extrakt:
• Fraktionen von Versuch „Chlorophyllnachweis bei grünen und roten Blättern mit Hilfe des Schütteltrichters“
ODER
• grüne (und rote) Pflanzenteile, zB. Blätter von (Blut)buche, (Blut)ahorn, Weihnachtsstern, Rotkraut
• Material für Farbstoffextrakt: siehe „Herstellung eines Extraktes der Blattfarbstoffe“
Chromatografie:
• Laufmittel: Heptan/Isopropanol/Wasser-Gemisch im Verhältnis 100:10:0,25 (wenn nicht vorhanden: Ethanol)
• Mikropipetten
• Chromatografie- Platten (Kieselgelfolien)
• DC-Kammer
• Handschuhe
• Papierhandtücher zum Trocknen der DC-Platten Fachwissen und Hintergrundinformation:
Bei der Chromatografie (dem „Farbenschreiben“) wird ein Stoffgemisch (hier die Rohchlorophyll Lösung) zwischen einer mobilen Phase (dem Laufmittel) und einer stationären Phase (der Kieselgel Beschichtung, die sehr porös ist und viele winzige Hohlräume aufweist) aufgetrennt.
Die Moleküle im Gemisch werden dabei entweder von der mobilen Phase (dem Laufmittel, das sich auf der DC-Platte durch Kapillarkräfte von unten nach oben bewegt) mitgenommen, oder sie bleiben an der stationären Phase (der Kieselgel Beschichtung mit den winzigen Hohlräumen) haften. Die unterschiedlichen Komponenten, aus denen ein Stoffgemisch besteht, brauchen unterschiedlich lange, um durch die Hohlräume der stationären Phase zu kommen und werden so aufgetrennt und als einzelne „Banden“ sichtbar (Abb. 12).
34
Das Prinzip wurde erstmals 1901 von dem russischen Botaniker Michail S. Tswett beschrieben.
Er untersuchte gefärbte pflanzliche Extrakte, zum Beispiel aus Blattmaterial, und konnte daraus durch Chromatografie verschiedene Farbstoffe isolieren.
Anwendung findet das Verfahren in allen Bereichen der Chemie, bei der Isolierung und Reinigung von Substanzen (= präparative Chromatografie), oder um Stoffgemische aufzutrennen und Inhaltsstoffe zu identifizieren (LUMITOS AG 2021).
Durchführung:
1. Ca. 2 cm vom unteren Rand und ca. 1 cm vom oberen Rand der Chromatografie Platte vorsichtig einen Strich mit Bleistift ziehen. Die Platte immer nur am Rand berühren, nicht auf die Platte greifen, da diese sehr empfindlich ist!
2. Mikropipette in die Rohchlorophyll- Lösung (Farbstoffextrakt) tauchen
3. Mit der Mikropipette einen Punkt auf dem unteren Bleistiftstrich auftragen und die Lösung trocknen lassen
4. Öfters die Lösung mit der Mikropipette auf den Punkt auftragen, zwischendurch muss die Lösung jedoch immer wieder trocknen
5. Nachdem die Lösung mehrmals punktförmig aufgetragen wurde, wird die Chromatographie Platte so ins Laufmittel gestellt, dass dieses den Bleistiftstrich (also den Chlorophyll Fleck) gerade noch nicht berührt (Chlorophyllflecken zeigen nach unten!). Die DC-Platte steht senkrecht und darf die Kammerwand nur mit der oberen Kante berühren.
6. Deckel der Kammer schließen
7. Das Laufmittel wird nun nach oben befördert, es läuft und nimmt dabei die Inhaltsstoffe des Flecks auf dem Bleistiftstrich mit. Der Versuch wird beendet, wenn die Laufmittelfront den oberen Bleistiftstrich (= die „Stoplinie“) erreicht.
8. Kieselgelfolie vorsichtig mit Handschuhen aus der Kammer nehmen und auf eine Unterlage (z.B. Papierhandtücher) legen und Folie trocknen lassen.
9. Folie (fürs Protokoll) fotografieren Beobachtung:
Nach etwa 15 Minuten kann eine farbliche Auftrennung der Substanzflecken beobachtet werden. Es entstehen einzelne Striche, so genannte „Banden“ über den einzelnen aufgetragenen Punkten.
Der Extrakt des grünen Gemisches (aus „Chlorophyllnachweis bei grünen und roten Blättern mit Hilfe des Schütteltrichters“) lieferte grün-gelblich, stark distinkte (abgetrennte) Banden.
Der Extrakt des rötlichen Gemisches (aus „Chlorophyllnachweis bei grünen und roten Blättern mit Hilfe des Schütteltrichters“) zeigte diese 3 Banden auf gleicher Höhe wie beim grünen Extrakt.
