Lichtabsorption, Stärkebildung, Beziehung zwischen Sauerstoffabgabe und Lichtintensität

Protokoll: Fotosynthese und ihre Abhängigkeit von Außenfaktoren

Experiment #1: Lichtabsorption in grünen Blättern

Geräte/Chemikalien: frische grüne Blätter, Lichtquelle (Taschenlampe)

Durchführung: In einem verdunkelten Raum halten wir unmittelbar vor eine Lichtquelle ein grünes Blatt, stellen die Farbe des durchgelassenen Lichts fest und legen nacheinander weitere Blätter dazu. Seitlich sollte dabei kein Licht austreten. Erklären Sie die beobachtbaren Farbänderungen!

Beobachtung: Das Blatt leuchtete grün und hinter dem beleuchtetem Blatt war ein grüner "Lichtkegel" zu sehen. Beim zweiten wurde kaum noch Licht durchgelassen und bei drei Blättern unmittlebar vor der Lichtquelle wurde gar kein Licht mehr durchgelassen.

Auswertung:

Die Fotosynthese beginnt mit der Absorption von Licht durch bestimmte Blattfarbstoffe, die im Membransystem der Chloroplasten bzw. in den Thylakoiden liegen. Die dazu befähigten Substanzen nennt man allgemein Farbstoffe. Denn dadurch, dass sie aus weissem Sonnenlicht (welche ja ein Gemisch mehrerer Lichtsorten mit unterschiedlicher Wellenlänge und somit auch verschiedenem Energiegehalt darstellt) nur eine ganz bestimmte Lichtsorte absorbieren, hat das von dem Farbstoff zurückgestrahlte Licht eine andere Zusammensetzung als das

Eingestrahlte. Es ist deshalb nicht mehr weiss sondern grün. Die Tatsache, welche Lichtart nun vom einem bestimmten Farbstoff absorbiert wird, hängt ab von dessen Molekülbau bzw. seiner Elektronenstruktur.

Bestrahlt man grüne Blätter mit Licht verschiedener Wellenlänge und misst jedes mal die Stärke der Fotosynthese, dann erkennt man, dass rotes (um 420nm) und blaues (um 670nm) Licht am wirksamsten sind, während grünes Licht (zwischen 500nm und 600nm) ein Fotosyntheseminimum verursacht. Aus dem gesamten Spektrum des Lichts werden nur das rote und blaue Licht von den Pflanzen aufgenommen und die Energie für die Fotosynthese ausgenutzt. Diesen Vorgang nennt man Absorption. Andere Farben, wie vor allem das grüne Licht werden nicht absorbiert, sondern reflektiert und ergeben zusammen die sichtbare Färbung der Pflanzen.

Chlorophyll a & b und die Carotinoide

Das Chlorophyll a und das Chlorophyll b absorbieren das Licht in den verschiedenen Wellenlängenbereichen unterschiedlich stark. Die Absorptionsmaxima liegen im Rot und Blau. Am geringsten ist die Absorption im langwelligen Rot. Die Funktion des Chlorophylls b und der Carotinoide ( kettenförmige Kohlenwasserstoffe) besteht darin, Lichtenergie aufzunehmen, die vom Chlorophyll a nicht absorbiert werden kann. Sie übertragen dann die aufgenommene Strahlungsenergie auf bestimmte Moleküle des Chlorophylls a. Man bezeichnet sie deshalb als Antennenpigmente. Die Carotinoide sind für die Fotosynthese von grosser Bedeutung. Sie dienen als Hilfspigmente (akzessorische Pigmente) und geben die aufgefangene Lichtenergie nahezu verlustfrei an die Chlorophyllmoleküle weiter.

Der Aufbau und die Struktur des Chlorophyllmoleküls:

Das Chlorophyllmolekül besteht aus zwei Bauteilen: einen Porphyrinring, der ein Magnesiumion enthält, und einer Phytolkette. Der Porphyrinring ist dabei für die Lichtabsorption verantwortlich. Die Chlorophylle a und b unterscheiden sich hinsichtlich einer am Porphyrinring angebundenen chemischen Gruppe und einer leicht unterschiedlichen Absorption. Alle Chlorophylle absorbieren jedoch im wesentlichen rotes und blaues Licht. Einige Spektralfarben werden stärker absorbiert, andere dagegen ( v.a. im grünen Bereich) fast gar nicht. Der Pflanze steht aber nur die Energie der tatsächlich absorbierten Wellenlänge zur Verfügung.

Die für die Fotosynthese notwendigen Farbstoffe ist das grüne Chlorophyll und daneben die gelben bis orangeroten Carotinoide. Die Carotinoide, bestehend aus den beiden Untergruppen der Carotine und Xanthophylle, sind in den Chloroplasten meist von Chlorophyll überdeckt. Dies zeigt sich in den Gelbfärbungen der Blätter (des Chlorophylls) im Herbst.

Experiment #2 Stärkebildung abhängig vom Licht / Notwendigkeit des Lichts

Geräte/Chemikalien: Hibiskusblätter, Alufolie, großes und kleines Becherglas, Petrischale, Heizplatte, Brennspiritus, Iod-Iodkalium-Lösung

Durchführung: Am Vorabend eines Sonnentages decken ein Blatt an der Pflanze mit einem Streifen Alufolie ab. Die Schablone sollte das Blatt auch an der entsprechenden Stelle der Unterseite bedecken. Am nächsten Morgen pflücken wir das Blatt ab und tauchen es kurz in kochendes Wasser. Dann legen wir sie in Brennspiritus und erhitzen im Wasserbad, bis das Chlorophyll vollständig entzogen ist. Die bleichen spröde gewordenen Blätter werden kurz in heißes Wasser getaucht und in einer Petrischale mit Iod-Iodkalium- Lösung übergossen. Nach einigen Mitnuten werden die Blätter abgewaschen. Beobachtung: Nachdem wir das Blatt kurz in das kochende Wasser gelegt haben und dann in den Spiritus, färbte sich der Alkohol grün. An der Stelle, wo vorher die Alufolie angebracht wurde, sind helle Flecken sichtbar geworden, nachdem wir die Lugolsche Lösung über das Blatt gegossen haben.

Auswertung:

Stärke, ein Polysacharid bzw. Vielfachzucker, ist ein Speicherstoff, der bei der Fotosynthese anfällt und sich in Form von kleinen Klümpchen in den Chloroplasten und Leukoplasten absetzt.

In unserem Experiment wurde das Blatt, wie es in der Durchführung erklärt ist, an einem späten Nachmittag abgedeckt. Bis es dunkel wurde, konnte die Pflanze Stärke aufbauen und baute wiederum den grössten Teil in der Nacht wieder ab. Der abgedeckte Teil des Blattes wiederum baute keine Stärke auf. Dies konnten wir daraus schlussfolgern, da das Blatt nach der Durchführung des Experimentes helle Flecken aufwies an den Stellen, wo das Blatt vorher abgedeckt war.

Das heißt, nach längerem Abdunkeln eines Blattes ist in diesem keine Stärke mehr nachweisbar und die Pflanze kann nur bei Belichtung Stärke aufbauen. Die Aufnahmefähigkeit der Chloroplasten für Assimilationsstärke ist deshalb sehr begrenzt. Der Aufbau der Assimilationsstärke erfolgt unter Mitwirkung von Enzymen. Die notwendige Energie liefert das ATP. Die Assimilationsstärke wird vor allem nachts enzymatisch wieder zu Glycose abgebaut und in gelöster Form zu den Orten des Verbrauchs und der Speicherung transportiert. Dies ist erst möglich, nachdem sie wieder in wasserlöslichen Traubenzucker zurückverwandelt worden ist, da Stärke an sich nicht wasserlöslich ist. Daher ist in Blättern, die längere Zeit unbelichtet waren, keine Stärke nachweisbar.

Die Fotosynthese, bei der mithilfe der Lichtenergie Glucose entsteht ist ein Assimilationsprozess: unter Energiezufuhr wird aus energiearmen, anorganischen Stoffen energiereiche, organische Substanz aufgebaut. Diese Assimilationsstärke ist zwischen den Thylakoiden der Chloroplasten eingelagert. Deswegen kann man sie auch primäre Stärke nennen. Sie wird aus dem energiereichen Endprodukt der Fotosynthese (Glucose) aufgebaut und ist eine osmotisch unwirksame Speicherform der Kohlenhydrate. Dadurch das sie osmotisch wenig wirksam ist, kann kein osmotischer Druck entstehen und die Zelle kann nicht zerstört werden bzw. die Pflanze schädigen. Es herrscht eine proportionale Abhängigkeit der Stärkebildung zum Licht.

Der Stärkegehaltgehalt ist also von der Lichtintensität abhängig ist!

Experiment #3: Beziehung zwischen Sauerstoffabgabe und Lichtintensität - Abhängigkeit der Fotosynthese von der Lichtintensität

Geräte/Chemikalien: Wasserpest, Taschenlampe, Reagenzglas, Büroklammer Durchführung: Wir beschweren einen frisch abgeschnittenen Sproß der Wasserpest an seiner Spitze mit einer Büroklamer und stecken ihn umgekehrt in ein wassergefülltes Reagenzglas. Die Schnittstelle des Sprosses muß einige cm unterhalb der Wasseroberfläche liegen. In einem etwas abgedunkelten Raum stellen wir eine Lichtquelle nahe an das Reagenzglas heran und zählen die pro Minute austretenden Sauerstoffblasen. Dann entfernen wir die Lampe schrittweise und zählen jeweils die Blasen. Die Ergebnisse werden in einem Kurvenbild dargestellt.

Beobachtungen: Je näher die Lichtquelle an die Pflanze gehalten wurde, umso mehr Bläschen stiegen auf.

Auswertung:

Unser Experiment ist ein gutes Beispiel für die Sauerstoffproduktion bei der lichtabhängigen Reaktion. Um die Abhängigkeit der Sauerstoffproduktion von der Lichtintensität deutlich zu machen, werden wir noch kurz Teile der lichtabhängigen Reaktion der Fotosynthese erläutern. Der Prozeß beginnt mit der Absorption von Energie des Lichtes durch das Chlorophyll. Durch diese Energieaufnahme werden Elektronen des Chlorophylls auf ein höheres Energieniveau gehoben. Sie erwerben potentielle Energie. Diese energiereichen Elektronen können sich mit Wasserstoff-Ionen verbinden. Ein sehr geringer Teil der in der Zelle vorhandenen

Wassermoleküle dissoziiert H2O OH- + H+ . Deshalb befinden sich in den Chloroplasten immer Wasserstoff -Ionen und Hydroxid-Ionen. Gelangt nun ein mit Energie angereichertes Elektron zu einem Wasserstoff-Ion, wandelt sich dieses in ein Wasserstoffatom um(Reduktion). Das Wasserstoffatom wird aber nicht frei, da sonst Zellgift entstehen würde, sondern wird sofort an ein Enzym gebunden (RH2 =enzymgebundener Wasserstoff). Diese enzymgebundenen Wasserstoffatome sind eine wesentliche Voraussetzung für die Assimilation des Elementes Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid in der zweiten Phase der Fotosynthese. Die Absorption der Energie des Lichts durch das Chlorophyll bewirkt außerdem in einem zweiten Prozeß, dass die in den Chloroplasten vorhandenen Hydroxid- Ionen Elektronen abgeben. Der Sauerstoff wird an die Atmosphäre abgegeben. Der bei der Fotosynthese freigesetzte Sauerstoff entstammt hier also dem Wasser. Wasser ist letztlich die Quelle für die ständige Erneuerung des Sauerstoffanteils der Luft. An dieser Stelle der lichtabhängigen Reaktion beobachteten wir unser Experiment. Da dieser Vorgang lichtabhängig ist, hat die Lichtintensität Einfluß darauf, wieviel Sauerstoff abgegeben wird.

Als lichtabhängiger Vorgang ist die Fotosynthese primär von der Lichtintensität abhängig. Die Bläschenanzahl sinkt zunächst proportional zur Beleuchtungsstärke ab. Bei ca. 60 cm Abstand der Lichtquelle vom Becherglas verringert sich die Anzahl der Bläschen dann stetig. Nach Vergrößerung des Abstands der Lichtquelle zum Becherglas registrierten wir ein allmähliches Absinken der Bläschenbildung gegen einen Grenzwert. Je näher wir die Lampe an das Becherglas hielten, umso mehr Bläschen stiegen auf, d.h. es wurde mehr Sauerstoff freigesetzt als bei einer größeren Entfernung.

Literaturverzeichnis:

"Die faszinierende Welt der Pflanzen" - Bassermann "Stoffwechselphysiologie" - Schroedel

"Cytologie" - Schroedel

"Kleine Enzyklopadie Natur" Internet

"Natura 3"

"Die Kohlenhydrate in Unterricht und Arbeitsgemeinschaft" - Detlef Hasselberg "Biologisches Praktikum" - Franz Füller