Photosynthese

Biologie Arbeitsgruppe: Photosynthese

Einführung in die Photosynthese

Durch die Photosynthese wird Wasser und Kohlendioxid in das Kohlenhydrat Traubenzucker verarbeitet. Kohlenhydrate enthalten im Gegensatz zu Kohlendioxid Wasserstoff, jedoch weniger Sauerstoff als Kohlendioxid. Aus diesem Grunde bezeichnet man den Vorgang der Photosynthese als Reduktion. Der grüne Blattfarbstoff, welcher in Fachkreisen auch Chlorophyll genannt wird, kommt nur in den Photosystemen, die sich auf den Membranen der Chloroplasten befindet, vor. In den Thylakoiden findet folglich also die Lichtabsorption und die photochemiche Reaktion statt. Die nachfolgend beschriebenen Reaktionen finden alle im sogenannten Stroma, das sich zwischen den Thylakoiden im Plasma des Chloroplasten befindet, statt. Das "Reduktionsmittel", das für eine Reduktion erforderlich ist, ist NADPH+H(positiv geladen). Der Wasserstoff im Kohlenhydrat stammt aus dem Wasser, das für die Photosynthese wichtig ist. Das geht aus der Photosynthesegleichung hervor. Die Abspaltung von Wasser ist aber nicht das gleiche wie die Dissoziation in H und OH Ionen. Es ist eine endergonische, der chemischen Elektrolyse gleiche, Spaltung. Die Elektrolyse spaltet mit Hilfe von elektrischer Energie Wasser in die Gase Sauerstoff und Wasserstoff. Bei der Photosynthese wird anstelle von elektrischer Energie die Energie der Photonen, die im Licht enthalten sind, verwendet. Aus diesem Grund wird die Photosynthese auch Photolyse des Wasser genannt. Als Reduktionsmittel der Photosynthese dient das NADPH+H. Neben der Reduktion NADP wird in einer weiteren Reaktion wieder Lichternergie in chemische Energie umgewandelt. Bei dieser Reaktion entsteht ATP aus ADP und anorganischem Phosphat. Diese Synthese nennt man eine Phosphorylisierung. Die Photosynthese besteht aus zwei Reaktionsarten. Diese Reaktionsarten sind die Lichtabhängige und die Lichtunabhängige Reaktion. Diese Arten sind Reaktionsabfolgen. Die Reaktionsabfolgen der Photosynthese bestehen aus photochemischen, auch Primärprozesse genannt, und aus biochemischen, auch sekundärprozesse genannt. Wenn der Faktor des Lichtes hoch ist, dann wird bei der photochemischen Reaktion viel Energie geliefert um die biochemische Reaktion ablaufen zu lassen. Wenn der Faktor des Lichtes jedoch gering ist, dann wird nicht genug Energie von der photochemischen Reaktion geliefert wobei die Photosyntheseleistung bei der biochemischen Reaktion gering ist.

Das Faktometer

Mit dem Faktometer können photosynthetische Vorgänge von grünen Pflanzen verdeutlicht werden.

Dieses Gerät erleichtert uns das Verstehen der Zusammenhänge zwischen abiotischen Faktoren

und der darauffolgenden Reaktion. Es ist sehr praktisch um die Einflüsse von Umweltbegebenheiten zu verdeutlichen.

Das Grundprinzip ist folgendes:

Das Gehäuse des Faktometers ist in drei Kammern aufgeteilt, A, B und C. Alle drei Kammern sind durch ein

sehr schmales Glassröhrchen verbunden. In dieses Röhrchen wird mit einer Pipette eine Luftblase, die Kammern A, C und das Röhrchen stehen unter Wasser, eingeführt. In Kammer B ist eine Skala angebracht.

In Kammer A kann man Wasserpflanzen untersuchen da dort das Röhrchen waagerecht in die Kammer herein reicht. In Kammer C werden die Landpflanzen untersucht. Dort ragt das Röhrchen vertikal aus der Kammer heraus.

Will man nun den Verdunstungssog einer Landpflanze untersuchen steckt man einfach ein präpariertes Blatt in das Endstück des Röhrchens in Kammer C. Bewegt sich die Blase im Röhrchen so ist das ein Hinweis auf den Verdunstungssog.

Man kann Untersuchungen auf Temperatur, Lichtstärke, Lichtfarbe oder auf Wind anstellen. Das Gerät ist sehr handlich, so das man es auch in freier Natur einsetzen kann und die Reaktionen bei realen Witterungs bzw. Umweltbedingungen untersuchen kann. Wenn man allerdings nicht die Möglichkeit hat im freien zu arbeiten können die Umwelteigenschaften von künstlichen Hilfsmitteln simuliert werden. Dies sind Lampen sowie Blenden oder ein hoch technisierter Föhn.

Um die Daten dem gesamten Leistungskurs Biologie zu visualisieren stellt man das Faktometer auf einen Overhead Projektor und projiziert das Bild an ein dafür vorgesehene Wand.

Versuche mit Landpflanzen:

Um frisches Pflanzliches Material zu bekommen wurden unsere erfahrenen Jäger und Sammler Marcel Kitz und Thomas Knipf zum Efeu pflücken in die Wildnis geschickt. Sie kehrten erfolgreich mit frischem Versuchsmaterial zurück, welches umgehend in das zuvor präparierte Faktometer eingesetzt wurde. Dabei ist darauf zu achten, dass der Stengel des präparierten Blattes am Ende mit einer Rasierklinge schräg abgeschnitten wird, damit ungehinderte Wasseraufnahme gewährleistet ist. Das Faktometer wird nun auf der Versuchsplattform ausgerichtet um optimal mit den vorhandenen 8000 Lux bestrahlt zu werden. Dabei wurde in einem Zeitraum von 30 Minuten an der Luftblase, die mittels einer Mikropipette in das Meß - Röhrchen injiziert wurde, eine Bewegung von 1,1 Einheiten festgestellt. Im weiteren Verlauf der Versuchsreihe mit der ergänzten Maßnahme der intensiveren Bestrahlung, stellten wir fest, dass die Wasseraufnahme einer Pflanze proportional zur Photosyntheseaktivität steht. Dies ließ sich an der sichtbar veränderten Bewegung der im Meß - Röhrchen befindlichen Luftblase erkennen. Denn bei erhöhter Lichtintensität braucht die Pflanze mehr, bzw. bei geringere Lichtintensität weniger Wasser.

Nachdem wir in den Versuchen mit den Landpflanzen herausgefunden haben, dass die Photosyntheseaktivität mit dem Wasserverbrauch der Pflanzen in direktem Zusammenhang steht, betrachten wir nun den Wasserverbrauch als Indikator für die Photosyntheseaktivität.

Versuche mit Wasserpflanzen

In das vorbereitete Faktometer wurde die von Herrn Schmidt zur Verfügung gestellte Wasserpest eingesetzt. Der angeschnittene Stengel wurde in das Meß - Röhrchen eingesetzt. In die Kammer mit der Wasserpest wurde nun jeweils rotes, grünes und blaues Licht mit der Intensität von jeweils 8000 Lux eine halbe Stunde gestrahlt. Dabei ließen sich meßbare Unterschiede in der Photosyntheseaktivität feststellen. Bei blauem und roten Licht war eine erhöhte Photosyntheseaktivität fest zustellen jedoch bei grünem Licht wurde eine verminderte Photosyntheseaktivität festgestellt.

Trennung der Blattfarbstoffe

(Dünnschicht - Chromatographie)

Als erster Schritt zur Dünnschicht - Chromatographie wurden aus gesammelten Brennesselblättern in einem Mörser unter Einwirkung von Aceton, Seesand und Calciumcarbonat (zur Neutralisierung der Säuren) die Blattfarbstoffe heraus gelöst. Die grüne Brühe wurde dann filtriert und mittels einer Mikropipette auf eine Dünnschicht - Chromatographie Platte, die mit einer dünnen Schicht aus Kieselgur überzogen war, getropft. Danach wurde diese Platte in eine Dünnschicht - Chromatographie - Kammer, die mit einer Methanol - Wasser - Lösung, die als Flußmittel fungierte, gefüllt war, gestellt. Nach ca. 90 Minuten hat das Flußmittel aus der aufgetragenen Lösung die beiden Chlorophyll - Arten und Xanthophylle herausgelöst und gut sichtbar getrennt und auf der Dünnschicht - Chromatographie - Platte abgelagert. Das Carotin wurde nicht transportiert und blieb auf der Strecke. Auf der Dünnschicht - Chromatographie - Platte hat sich zu oberst das Chlorophyll a, dann das Chlorophyll b, gefolgt von den Xanthophyllen abgelagert. Die Trennbarkeit der Blatt Farbstoffe beruht auf ihrer Molekülstruktur. Das unpolare Carotin ist in dem polaren Wasser unlöslich, in dem unpolaren Methanol dagegen sehr gut löslich. Die polaren Xanthophyllen sind im Wasser löslich. Auf die unpolare Phytolkette im Chlorophyll Molekül geht die gute Löslichkeit des Chlorophylls in Mehtanol zurück.

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