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Fotosynthese

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Einleitung

Zielgruppe: Klassen 7–9, Biologie. Du erfährst, wie grüne Pflanzen Lichtenergie nutzen, warum Sauerstoff entsteht und wie man die Fotosynthese experimentell untersucht. Lernziel: Du kannst Stoffe, Orte, Teilprozesse und Umweltfaktoren verständlich erklären.

Ausgangsstoffe und Energie

Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Luft über Spaltöffnungen auf. Wasser gelangt über Wurzeln und Leitungsbahnen in die Blätter. Chlorophyll absorbiert einen Teil des Lichts. Die Gesamtbilanz lautet vereinfacht: 6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Die Formel fasst mehrere Reaktionen zusammen; der freigesetzte Sauerstoff stammt aus Wasser. Glucose ist ein energiereicher Stoff und kann zu Stärke umgebaut werden.

Blatt und Chloroplast

Im Blatt liegen Zellen mit Chloroplasten. In deren Thylakoidmembranen befinden sich Chlorophyll und Proteinkomplexe für die Lichtreaktion. Das flüssige Stroma umgibt die Thylakoide und enthält Enzyme des Calvin-Zyklus. Spaltöffnungen ermöglichen den Gasaustausch, führen bei Öffnung aber auch zu Wasserverlust. Blattbau und Wasserversorgung beeinflussen deshalb die Leistung der Fotosynthese.

Lichtreaktion

Licht regt Elektronen in Pigmenten an. Wasser wird gespalten; dabei entstehen Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Eine Elektronentransportkette baut einen Protonengradienten auf, mit dessen Energie ATP gebildet wird. Außerdem entsteht NADPH. ATP und NADPH liefern Energie beziehungsweise Reduktionskraft für den folgenden Kohlenstoffaufbau. Die Lichtreaktion findet an den Thylakoidmembranen statt.

Calvin-Zyklus und Zuckeraufbau

Im Stroma wird Kohlenstoffdioxid durch das Enzym Rubisco an einen Akzeptor gebunden. Nach mehreren enzymatischen Schritten entsteht mithilfe von ATP und NADPH ein kleiner Zuckerbaustein, aus dem Pflanzen weitere Kohlenhydrate aufbauen können. Der Zyklus regeneriert seinen CO₂-Akzeptor. Die Bezeichnung „Dunkelreaktion“ ist missverständlich: Der Calvin-Zyklus braucht zwar keine Photonen unmittelbar, ist aber von Produkten der Lichtreaktion abhängig.

Einflussfaktoren und Bedeutung

Bei schwachem Licht kann die Lichtintensität die Fotosyntheserate begrenzen. Bei stärkerem Licht werden andere Faktoren wie CO₂-Verfügbarkeit, Temperatur oder Wasserversorgung wichtiger. Zu hohe Temperaturen können Enzyme beeinträchtigen; Trockenheit kann Spaltöffnungen schließen. Fotosynthese liefert die Grundlage vieler Nahrungsketten und einen großen Teil des atmosphärischen Sauerstoffs. Pflanzen betreiben zugleich Zellatmung: Sie bauen energiereiche Stoffe zur ATP-Gewinnung ab, auch nachts.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Wissen

Welcher Stoff wird aus der Luft aufgenommen? (Kohlenstoffdioxid) (!Sauerstoff) (!Stickstoff) (!Glucose)

Wo findet die Lichtreaktion statt? (Thylakoidmembran) (!Zellkern) (!Ribosom) (!Vakuole)

Welches Pigment nimmt Licht auf? (Chlorophyll) (!Hämoglobin) (!Keratin) (!Insulin)

Woher stammt der abgegebene Sauerstoff? (Wasser) (!Glucose) (!Kohlenstoffdioxid) (!Stärke)

Was entsteht in der Lichtreaktion als Energieträger? (ATP) (!Stärke) (!Cellulose) (!Saccharose)

Welcher Stoff überträgt Reduktionskraft? (NADPH) (!Sauerstoff) (!Stärke) (!Wasser)

Wo läuft der Calvin-Zyklus ab? (Stroma) (!Zellwand) (!Zellkern) (!Cytoskelett)

Welches Gas wird im Calvin-Zyklus fixiert? (Kohlenstoffdioxid) (!Sauerstoff) (!Wasserstoff) (!Helium)

Was geschieht häufig bei Trockenheit? (Spaltöffnungen schließen sich) (!Licht wird erzeugt) (!Wurzeln verschwinden) (!Chlorophyll wird zu Wasser)

Welche Aussage ist richtig? (Pflanzen betreiben auch Zellatmung) (!Pflanzen atmen niemals) (!Fotosynthese findet im Zellkern statt) (!Licht ersetzt Wasser)

Memory

Chlorophyll	Lichtabsorbierender Farbstoff
Stroma	Flüssiger Innenraum des Chloroplasten
Thylakoid	Membransystem der Lichtreaktion
Rubisco	Enzym zur Kohlenstofffixierung
Spaltöffnung	Regulierte Pore für Gasaustausch

Drag and Drop

Ordne den Begriff der passenden Beschreibung zu.	Fotosynthese
Wasser	Wird in der Lichtreaktion gespalten
Licht	Liefert die benötigte Anregungsenergie
ATP	Stellt nutzbare Energie bereit
NADPH	Liefert Reduktionskraft
Kohlenstoffdioxid	Liefert Kohlenstoff für Zucker

Kreuzworträtsel

Chlorophyll	Wie heißt der grüne Blattfarbstoff?
Stroma	Wie heißt der Innenraum außerhalb der Thylakoide?
Rubisco	Welches Enzym fixiert Kohlenstoffdioxid?
Glucose	Wie heißt ein energiereicher Einfachzucker?
Sauerstoff	Welches Gas wird bei der Wasserspaltung frei?
Thylakoid	Welche Membranstruktur trägt die Lichtreaktion?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Blatt: Zeichne ein Blatt und markiere Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid als Eingänge.
Chlorophyll: Erkläre einem jüngeren Kind in fünf Sätzen die Rolle des grünen Farbstoffs.
Glucose: Erstelle eine Wortkarte mit Ausgangsstoffen und Produkten.
Sauerstoff: Beschreibe anhand der Abbildung, wohin der Sauerstoff gelangt.

Standard

Chloroplast: Fertige ein beschriftetes Modell mit Stroma und Thylakoiden an.
Lichtreaktion: Erstelle eine Ablaufskizze zu Wasser, ATP, NADPH und Sauerstoff.
Calvin-Zyklus: Vergleiche die Aufgaben beider Teilprozesse in einer Tabelle.
Wasserpflanze: Plane eine Beobachtung von Gasbläschen bei verschiedenen Lichtabständen und notiere Kontrollvariablen.

Schwer

Minimumgesetz: Entwirf ein Experiment zur begrenzenden Wirkung von Licht und CO₂.
Klimawandel: Erörtere, warum mehr CO₂ nicht automatisch mehr Pflanzenwachstum bedeutet.
Zellatmung: Entwickle eine Erklärung für Gaswechsel bei Tag und Nacht.
Ökosystem: Gestalte ein Lernvideo-Drehbuch über Fotosynthese als Basis einer Nahrungskette.

Lernkontrolle

Stoffbilanz: Begründe anhand der Reaktionsgleichung, welche Stoffe aufgenommen und abgegeben werden.
Chloroplast: Erkläre, weshalb Lichtreaktion und Calvin-Zyklus räumlich getrennt, aber funktionell gekoppelt sind.
Versuchsplanung: Entwirf einen fairen Vergleich zweier Lichtintensitäten und benenne Messgröße sowie Kontrollvariablen.
Trockenstress: Leite ab, warum Wassermangel die CO₂-Aufnahme und damit die Fotosynthese einschränken kann.
Ökologie: Erkläre, wie Fotosynthese und Zellatmung gemeinsam Kohlenstoffkreisläufe beeinflussen.

Lernnachweis

Du kannst eine korrekte Stoff- und Energiebilanz erläutern, einen Chloroplasten beschriften, die Funktion von ATP und NADPH beschreiben und aus Versuchsdaten begründete Aussagen über limitierende Faktoren ableiten. Als Produkte eignen sich ein Modell, ein Versuchsprotokoll mit Diagramm und eine fachlich geprüfte Erklärung.

OER und Wikipedia

Medien und Rechte:

Fotosynthese bei Pflanzen.svg, A. Spielhoff, CC0 1.0.
Simple photosynthesis overview.svg, Daniel Mayer und Yerpo, CC BY-SA 4.0 (auch weitere Lizenzen).
Photosynthesis overview.png, ELaurent, CC BY-SA 4.0.
Fotosynthese – Wie geht das?, Kanal schoolseasy; eingebettetes externes Video, keine freie Nachnutzung des Videos behauptet.

Fachliche Vertiefung: Photosynthese, Chloroplast, Calvin-Zyklus, Lichtreaktion, Zellatmung.