Photosynthese - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Die Photosynthese ist eine chemische Stoff- und Energieumwandlung. Grüne Pflanzen, Algen und einige Bakterien nutzen Lichtenergie, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasser energiereiche organische Stoffe aufzubauen. Dabei entsteht bei der oxygenen Photosynthese Sauerstoff. Dieser aiMOOC richtet sich an die Schule und betrachtet den Vorgang vor allem aus Sicht der Chemie: Reaktionsgleichung, Energie, Redoxvorgänge, Katalyse und Nachweise.

Die Übersicht zeigt die Edukte, die Lichtenergie und die Produkte der Photosynthese.

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du die Gesamtreaktion formulieren, Edukte und Produkte unterscheiden, den Aufbau eines Chloroplasten erklären, Lichtreaktion und Calvin-Zyklus verbinden, einfache Redoxvorgänge beschreiben und Experimente zur Sauerstoffbildung auswerten.

Die chemische Gesamtreaktion

Die vereinfachte Wortgleichung lautet:

Kohlenstoffdioxid + Wasser + Lichtenergie → Glucose + Sauerstoff

Mit der Erweiterung Math lässt sich die ausgeglichene Nettogleichung darstellen:

$\mathrm{6}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}{\mathrm{C}}_{\mathrm{6}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{6}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Die Zahlen vor den Formeln heißen stöchiometrische Koeffizienten. Sie zeigen, dass auf beiden Seiten gleich viele Atome jedes Elements vorkommen. Die Gleichung ist eine vereinfachte Gesamtbilanz vieler einzelner, enzymatisch gesteuerter Reaktionen.

Stoff- und Energieebene

Auf der Stoffebene werden anorganische Ausgangsstoffe in organische Stoffe und Sauerstoff umgewandelt. Auf der Energieebene wird Strahlungsenergie in chemisch gebundene Energie überführt. Weil Energie aufgenommen und gespeichert wird, ist die Gesamtreaktion endergon.

Glucose ist dabei ein geeignetes Bilanzprodukt. In der Pflanze entstehen zunächst kleinere Zuckerbausteine, aus denen unter anderem Saccharose, Stärke und Cellulose aufgebaut werden.

Reaktionsort: der Chloroplast

Bei Pflanzen läuft die Photosynthese in Chloroplasten ab. Die innere Membran bildet flache Membransäckchen, die Thylakoide. Stapel aus Thylakoiden heißen Grana. Der flüssige Innenraum wird Stroma genannt.

Die Lichtreaktion findet vor allem in der Thylakoidmembran statt. Der Calvin-Zyklus läuft im Stroma ab.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Chloroplasten in einer Blattzelle.

Gasaufnahme im Blatt

Kohlenstoffdioxid gelangt überwiegend durch Spaltöffnungen in das Blatt. Die Öffnungsweite wird von Schließzellen geregelt. So verbindet die Pflanze die CO₂-Aufnahme mit ihrem Wasserhaushalt.

Chlorophyll und Licht

Chlorophyll ist ein grüner Farbstoff in den Photosystemen. Seine Elektronen können Lichtenergie aufnehmen. Chlorophyll a und Chlorophyll b absorbieren besonders wirksam blaues und rotes Licht. Grünes Licht wird weniger stark absorbiert und häufiger reflektiert; deshalb erscheinen viele Blätter grün.

Ein Absorptionsspektrum zeigt, wie stark ein Stoff Licht verschiedener Wellenlängen aufnimmt. Weitere Blattfarbstoffe, etwa Carotinoide, erweitern den nutzbaren Spektralbereich und schützen vor zu hoher Lichtenergie.

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Zwei gekoppelte Reaktionsbereiche

Lichtabhängige Reaktion

Die lichtabhängige Reaktion beginnt mit der Absorption von Licht in den Photosystemen. Wasser liefert Elektronen. Vereinfacht lässt sich seine Oxidation so schreiben:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Wasser wird oxidiert, weil es Elektronen abgibt. Der entstehende Sauerstoff wird freigesetzt. Die Elektronen durchlaufen eine Elektronentransportkette. Dabei entsteht ein Protonengradient, der die ATP-Synthase antreibt. Außerdem wird NADP⁺ zu NADPH reduziert. Die Lichtreaktion liefert damit ATP als Energieträger und NADPH als Reduktionsmittel.

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Lichtunabhängige Reaktion: Calvin-Zyklus

Im Calvin-Zyklus wird Kohlenstoffdioxid chemisch gebunden. Das Enzym RuBisCO überträgt CO₂ auf einen Akzeptorstoff. In weiteren Schritten werden ATP und NADPH verbraucht. So entstehen energiereiche Kohlenstoffverbindungen, aus denen Zucker aufgebaut werden.

Der Name lichtunabhängige Reaktion bedeutet nur, dass kein Lichtquant direkt in diesen Reaktionsschritten benötigt wird. Der Zyklus ist dennoch eng an die Lichtreaktion gekoppelt, weil er deren Produkte ATP und NADPH benötigt.

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Einflussfaktoren auf die Photosyntheserate

Die Geschwindigkeit der Photosynthese hängt unter anderem von Lichtintensität, CO₂-Konzentration, Temperatur, Wasserangebot und Blattzustand ab. Meist begrenzt der Faktor die Rate, der im Verhältnis am knappsten ist. Dieses Prinzip heißt Minimumgesetz.

Bei geringer Lichtintensität steigt die Photosyntheserate häufig deutlich an. Später wird ein Sättigungsbereich erreicht, weil nun ein anderer Faktor begrenzt.

Auch eine höhere CO₂-Konzentration steigert die Rate nur bis zu einem Sättigungsbereich. Die Temperatur beeinflusst vor allem die enzymatischen Reaktionen. Zu hohe Temperaturen können Enzyme schädigen und den Wasserverlust erhöhen.

Schulversuch: Sauerstoffbildung nachweisen

Eine Wasserpflanze wie Wasserpest kann unter Licht Gasbläschen bilden. Das Gas lässt sich sammeln und mit der Glimmspanprobe als Sauerstoff nachweisen. Die Durchführung der Glimmspanprobe erfolgt nur unter Aufsicht einer Lehrkraft.

1. Stelle einen Spross der Wasserpest in ein Gefäß mit Wasser.
2. Decke die Pflanze mit einem Trichter ab und fange das Gas in einem wassergefüllten Reagenzglas auf.
3. Beleuchte den Aufbau und beobachte die Gasbildung.
4. Vergleiche mit einem Kontrollansatz im Dunkeln.
5. Prüfe das gesammelte Gas unter Aufsicht mit einem glimmenden Holzspan.

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Auswertung des Versuchs

Flammt der Glimmspan wieder auf, ist Sauerstoff vorhanden. Der beleuchtete Ansatz sollte mehr Sauerstoff liefern als der dunkle Kontrollansatz. Damit wird nicht die gesamte Reaktionskette bewiesen, aber ein wichtiges Produkt der oxygenen Photosynthese nachgewiesen.

Eine faire Untersuchung verändert nur einen Faktor, hält andere Bedingungen möglichst konstant und wiederholt die Messung. Statt nur Bläschen zu zählen, kann das Gasvolumen pro Zeit gemessen werden.

Photosynthese und Zellatmung

Zellatmung und Photosynthese sind stofflich eng verbunden. Die Produkte des einen Gesamtprozesses können als Ausgangsstoffe des anderen dienen. Die Prozesse sind jedoch keine einfachen Umkehrreaktionen, weil sie aus unterschiedlichen Teilschritten bestehen und in verschiedenen Zellstrukturen ablaufen.

Vergleich	Photosynthese	Zellatmung
Energie	speichert Lichtenergie in chemischen Bindungen	setzt chemisch gebundene Energie für Zellarbeit frei
wichtige Edukte	Kohlenstoffdioxid und Wasser	Glucose und Sauerstoff
wichtige Produkte	energiereiche Kohlenstoffverbindungen und Sauerstoff	Kohlenstoffdioxid und Wasser
Hauptorte bei Pflanzen	Chloroplasten	Mitochondrien

Bedeutung für Umwelt und Alltag

Photosynthese erzeugt Biomasse und bildet die Grundlage fast aller Nahrungsketten. Sie liefert einen großen Teil des atmosphärischen Sauerstoffs und bindet Kohlenstoff aus CO₂ in organischen Stoffen. Damit ist sie ein zentraler Prozess im Kohlenstoffkreislauf.

Pflanzen betreiben gleichzeitig Zellatmung. Bei Licht kann ihre Sauerstoffproduktion durch Photosynthese die Sauerstoffaufnahme der Zellatmung übersteigen. Im Dunkeln läuft keine lichtabhängige Reaktion, die Zellatmung geht jedoch weiter.

Häufige Fehlvorstellungen

Fehlvorstellung	Chemisch richtige Einordnung
Pflanzen erhalten ihre gesamte Nahrung aus dem Boden.	Der Kohlenstoff organischer Stoffe stammt überwiegend aus Kohlenstoffdioxid. Der Boden liefert vor allem Wasser und Mineralstoffe.
Der freigesetzte Sauerstoff stammt aus dem Kohlenstoffdioxid.	Der molekulare Sauerstoff der oxygenen Photosynthese entsteht bei der Oxidation von Wasser.
Der Calvin-Zyklus läuft nur nachts.	Er benötigt kein Lichtquant direkt, ist aber meist durch ATP und NADPH eng an die Lichtreaktion gekoppelt.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Stoffe sind die Edukte der vereinfachten Photosynthesegleichung? (Kohlenstoffdioxid und Wasser) (!Glucose und Sauerstoff) (!Sauerstoff und Stickstoff) (!Stärke und Mineralstoffe)

Welche Energieform wird bei der Photosynthese zunächst aufgenommen? (Lichtenergie) (!Schallenergie) (!Bewegungsenergie) (!Kernenergie)

Wo findet die lichtabhängige Reaktion hauptsächlich statt? (In der Thylakoidmembran) (!Im Zellkern) (!In der Zellwand) (!Im Cytoplasma außerhalb des Chloroplasten)

Welcher Stoff wird bei der Lichtreaktion oxidiert? (Wasser) (!Sauerstoff) (!Glucose) (!Stärke)

Was entsteht bei der Oxidation von Wasser? (Sauerstoff Protonen und Elektronen) (!Nur Kohlenstoffdioxid) (!Nur Glucose) (!Stickstoff und Wasserstoff)

Welche Aufgabe hat Chlorophyll? (Es absorbiert Lichtenergie) (!Es speichert Mineralstoffe im Boden) (!Es bildet die Zellwand) (!Es zerlegt Sauerstoff in Stickstoff)

Wo läuft der Calvin-Zyklus bei Pflanzen ab? (Im Stroma des Chloroplasten) (!Im Thylakoidlumen) (!Im Zellkern) (!In der Vakuole)

Welche Stoffe liefert die Lichtreaktion für den Calvin-Zyklus? (ATP und NADPH) (!Glucose und Sauerstoff) (!Stärke und Cellulose) (!Wasser und Mineralstoffe)

Welcher Nachweis eignet sich für Sauerstoff? (Die Glimmspanprobe) (!Die Knallgasprobe) (!Die Kalkwasserprobe) (!Die Biuretprobe)

Warum steigt die Photosyntheserate nicht unbegrenzt mit der Lichtintensität? (Weil schließlich ein anderer Faktor begrenzt) (!Weil Licht immer Kohlenstoffdioxid zerstört) (!Weil Chlorophyll nur im Dunkeln arbeitet) (!Weil Wasser bei Licht zu Stickstoff wird)

Memory

Chlorophyll	absorbiert Licht
Kohlenstoffdioxid	liefert Kohlenstoff
Wasser	liefert Elektronen
Sauerstoff	gasförmiges Produkt
Glucose	energiereicher Stoff
Thylakoidmembran	Ort der Lichtreaktion
Stroma	Ort des Calvin-Zyklus
ATP	kurzfristiger Energieträger

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Chemische Bedeutung
Oxidation	Abgabe von Elektronen
Reduktion	Aufnahme von Elektronen
Chlorophyll	Lichtabsorption
ATP	Energieübertragung
NADPH	Übertragung energiereicher Elektronen

Kreuzworträtsel

Glucose	Welcher Zucker steht in der vereinfachten Gesamtgleichung als Produkt?
Chlorophyll	Welcher grüne Farbstoff nimmt Lichtenergie auf?
Thylakoid	Wie heißt ein flaches Membransäckchen im Chloroplasten?
Stroma	Wie heißt der flüssige Innenraum des Chloroplasten?
Sauerstoff	Welches Gas wird mit der Glimmspanprobe nachgewiesen?
Redoxreaktion	Wie heißt eine Reaktion mit Elektronenübertragung?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Bei der Photosynthese wird Lichtenergie in umgewandelt. Als Kohlenstoffquelle dient . Wasser liefert bei der Lichtreaktion die benötigten . Der dabei frei werdende molekulare Stoff ist . Die Lichtreaktion läuft in der ab. Der Calvin-Zyklus findet im statt. Chlorophyll absorbiert besonders wirksam blaues und Licht. ATP dient als kurzfristiger . NADPH wirkt im Calvin-Zyklus als . Eine positive Glimmspanprobe weist nach.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Reaktionsgleichung: Gestalte ein übersichtliches Plakat mit Wortgleichung, Formelgleichung und farblich markierten Atomen.
2. Chloroplast: Zeichne einen Chloroplasten und beschrifte Membranen, Thylakoide, Grana und Stroma.
3. Begriffsnetz: Verbinde Licht, Chlorophyll, Wasser, Kohlenstoffdioxid, ATP, NADPH, Glucose und Sauerstoff in einem eigenen Begriffsnetz.
4. Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video, in dem Du die Photosynthese ohne Fachfehler erklärst.

Standard

1. Sauerstoffnachweis: Plane mit einer Lehrkraft einen Wasserpest-Versuch mit Licht- und Dunkelkontrolle und protokolliere die Beobachtungen.
2. Diagrammauswertung: Beschreibe die Kurve zur Lichtintensität und erkläre den Sättigungsbereich mit dem Minimumgesetz.
3. Pigmentchromatografie: Trenne Blattfarbstoffe unter Aufsicht mit einer schulgeeigneten Methode und deute die Farbzonen.
4. Modellkritik: Baue ein Modell der Photosynthese und kennzeichne, welche Vorgänge es gut und welche es nur vereinfacht darstellt.

Schwer

1. Versuchsplanung: Entwickle eine Untersuchung zum Einfluss der Lichtfarbe auf die Photosyntheserate und formuliere Hypothese, Variablen und Kontrollen.
2. Redoxanalyse: Erkläre mit Teilgleichungen, warum Wasser oxidiert und NADP⁺ reduziert wird.
3. Stoffkreislauf: Vergleiche Photosynthese und Zellatmung in einem selbst erstellten Stoff- und Energieschema.
4. Transfer Klimawandel: Beurteile, warum eine höhere CO₂-Konzentration Pflanzenwachstum nicht unbegrenzt steigert und beziehe weitere limitierende Faktoren ein.

Lernkontrolle

1. Energieumwandlung: Erkläre, warum die Photosynthese trotz ausgeglichener Stoffbilanz ohne Lichtenergie nicht ablaufen kann.
2. Experimentelle Kontrolle: Begründe, warum beim Wasserpest-Versuch ein Dunkelansatz und möglichst gleiche Temperaturen notwendig sind.
3. Redoxtransfer: Leite aus der Wasseroxidation ab, welche Teilchen an nachfolgende Elektronenüberträger weitergegeben werden.
4. Kurveninterpretation: Ein Versuch zeigt trotz steigender Lichtintensität keine höhere Sauerstoffproduktion. Nenne zwei plausible Ursachen und begründe sie.
5. Modellvergleich: Vergleiche die Aussagekraft der Gesamtgleichung mit einem Modell aus Lichtreaktion und Calvin-Zyklus.
6. Alltagsbezug: Erkläre, warum Pflanzen im geschlossenen, dunklen Raum den Sauerstoffgehalt nicht erhöhen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du die Gesamtgleichung sicher deuten, Fachbegriffe korrekt verwenden, Chloroplast und Reaktionsorte zuordnen, Lichtreaktion und Calvin-Zyklus verknüpfen, Oxidation und Reduktion an einem Beispiel erklären, Versuchsdaten auswerten und die Bedeutung der Photosynthese auf neue Umweltfragen übertragen können.

Als Lernprodukt eignen sich ein Versuchsprotokoll, eine kommentierte Reaktionsgrafik, ein Erklärvideo oder eine mündliche Präsentation mit anschließender Transferfrage.

OERs zum Thema

Weitere freie Medien findest Du über die Wikimedia-Commons-Kategorien Photosynthesis und Chloroplasts.

Verknüpfte Lernbereiche

Photosynthese - Chemie Stoffumwandlung Redoxreaktion Energieumwandlung Chlorophyll Calvin-Zyklus Zellatmung Kohlenstoffkreislauf