zur Vollversion Ohne Licht geht nichts! Wir erforschen die Vorgänge der Fotosynthese Grundlagen Das Wichtigste auf einen Blick

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1 1 von 26 hne Licht geht nichts! Wir erforschen die orgänge der Fotosynthese Nadine Graf, -illingen und Dr. Erwin Graf, Freiburg Thinkstockphotos/itockphoto Planzen brauchen wie wir Menschen Energie, um zum Beispiel zu wachsen. Den chülern ist in der egel bekannt, dass die Planzen onnenlicht für das Wachstum benötigen. Doch wie kann die Energie des onnenlichts für die Planze nutzbar gemacht werden? Welche olle spielt Traubenzucker als Energielieferant? Wo sitzt die Zuckerfabrik in den Planzen und welche oraussetzungen müssen erfüllt sein, bevor Zucker entsteht? Diesen Fragestellungen gehen hre chüler in spannenden Experimenten nach. Dabei untersuchen sie Laubblätter unter dem Mikroskop, chromatograieren Blattfarbstoffe, weisen tärke in Blättern nach und führen ersuche mit Wasserpestsprossen durch. Wie kann die Planze die Energie des onnenlichts für sich nutzbar machen? olung: Mit Wiederh des Grundlagen rens! Mikroskopie Das Wichtigste auf einen Blick Klassen: 7/8 us dem nhalt: Dauer: 6 tunden on welchen abiotischen mweltfaktoren hängt die Fotosynthese ab? Kompetenzen: Die chüler können die oraussetzungen für die Fotosynthese der grünen Planzen nennen und beschreiben. sind in der Lage, die Wortgleichung zur Fotosynthese aufzustellen und zu erläutern. Wie ist ein Laubblatt aufgebaut? Welche Blattfarbstoffe inden sich in einem Laubblatt? Wie können wir tärke nachweisen? Wie sieht ein Laubblatt unter dem Mikroskop aus? führen selbstständig ersuche durch und inden Erklärungen zu ihren Beobachtungen. Beteiligte Fächer: Biologie hemie nteil hoch mittel gering 8 bits Naturwissenschaften November 2013

2 2 von 26 und um die eihe Warum wir das Thema behandeln Die Fotosynthese ist die Existenzgrundlage für nahezu alle Lebewesen und damit einer der wichtigsten und grundlegendsten Prozesse auf der Erde. Über diese zentrale Bedeutung hinaus indet sich außerdem kaum ein besseres Thema dafür, den chülern die erknüpfung ökologischer und physiologischer Gesichtspunkte zu veranschaulichen. Die meisten oraussetzungen der Fotosynthese sind leicht zu überprüfen und die meisten ihrer Produkte können in einfachen chülerversuchen nachgewiesen werden. m Querschnitt eines Laubblattes lässt sich schnell der rt der Fotosynthese ausindig machen. Dadurch eignet sich das Thema Fotosynthese optimal, um die naturwissenschaftlichen rbeitsweisen hrer chüler wie Präparieren von bjekten, Beobachten, ntersuchen und Protokollieren zu schulen. Was ie zum Thema wissen müssen Die Fotosynthese, die von grünen Planzen, lgen und einigen Bakteriengruppen betrieben wird, ist einer der zentralen toffwechselprozesse auf der Erde, von dem die meisten Lebewesen direkt oder indirekt abhängen. Grüne Planzen sind durch sie in der Lage, anorganische toffe (Wasser und Kohlenstoffdioxid) selbstständig in organische toffe (Traubenzucker) umzuwandeln, aus denen Biomasse für die Lebensvorgänge produziert wird. Man nennt grüne Planzen daher autotroph (griechisch autos = selbst, trophein = ernähren). ls Nebenprodukt der Fotosynthese entsteht auerstoff. Biomasse und auerstoff sind lebensnotwendig für die heterotrophen rganismen (Tiere, Menschen und die meisten Bakterien; griechisch héteros = anders, verschieden). uf der Erde werden durch die Fotosynthese jährlich ca. 150 Milliarden Tonnen Biomasse synthetisiert; eine einzige Buche kann pro Tag bis zu 15 kg Biomasse aufbauen und über l auerstoff bilden. Die hloroplasten sind die Zuckerfabriken der Planzen ls Energiequelle für die Fotosynthese dient Licht. Die Lichtenergie wird vom hlorophyll aufgenommen. Der grüne Blattfarbstoff beindet sich in den Thylakoiden, den geldrollenartig übereinanderliegenden Membranstapeln in den hloroplasten. Die aufgenommene Lichtenergie wird in den Thylakoiden in der energiereichen chemischen erbindung TP (denosintriphosphat) gespeichert, die in der Planze ohne Probleme transportiert und zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden kann. Parallel zur TP-Bildung indet an den Membranstapeln als weitere eaktion unter erwendung von Lichtenergie die paltung von Wasser in auerstoff und Wasserstoff statt. Wasserstoff wird chemisch gebunden, während auerstoff über die paltöffnungen der Planzen abgegeben wird. Die TP-Bildung unter paltung von Wasser wird als lichtabhängige eaktion der Fotosynthese bezeichnet, da sie nur mithilfe von Lichtenergie abläuft. m zweiten Teil der Fotosynthese, der lichtunabhängigen eaktion, im troma, der Grundsubstanz der hloroplasten, wird kein Licht mehr benötigt. ier wird im sogenannten alvin-zyklus Kohlenstoffdioxid, das die Planze über die paltöffnungen aus der Luft aufnimmt, mithilfe des gebundenen Wasserstoffs zur energiereichen erbindung Glucose (Traubenzucker, ummenformel 6126) weiterverarbeitet. Die Energie für diese eaktion liefert das in der lichtabhängigen eaktion gebildete TP. om Traubenzucker zur tärke Die entstandene Glucose wird in den Zellen der Planze zur erstellung anderer toffe verwendet, in den Früchten gespeichert oder in tärke umgewandelt. tärke ist eine langkettige erbindung aus mehreren hundert Einzelbausteinen Glucose. ie ist wenig wasserlöslich und lässt sich daher gut speichern. Wenn in der Planze neuer Traubenzucker benötigt wird, wird tärke wieder in Glucosemoleküle zersetzt. tärke wird durch Kaliumiodid-Lösung 8 bits Naturwissenschaften November 2013

3 8 von 26 tunden 4/5: Ein Laubblatt unter dem Mikroskop Material Thema und Materialbedarf M 5 (b) Wir erinnern uns: o ist das Lichtmikroskop aufgebaut! Mikroskopierregeln und ufbau des Mikroskops als orlage für Folien oder für P und Beamer auf D. M 6 (/LK) : 5 min D: 25 min Mikroskopieren von Laubblättern M 7 () : 5 min D: 25 min Grün ist nicht nur grün ntersuchung von Blattfarbstoffen Laubblätter (z. B. von hristrose, Buche, horn) Mikroskope Pinzetten bjektträger Deckgläschen verschiedene grüne Blätter (z. B. Buche, horn, Gräser, aufgetaute pinatblätter) ogelsand oder gewaschener eesand Brennspiritus Flaschenkorken (oder olundermark oder tyroporblöcke) asierklingen scharfe Messer evtl. Klarlack für Dauerpräparate undilter Mörser (eibschale) Pistille (tößel) patel Petrischalen tunde 6: Zusammenfassung und Lernerfolgskontrolle Material Thema und Materialbedarf M 8 (b) Die Fotosynthese auf einen Blick M 9 (LEK) Teste dich selbst! Was weißt du alles über die Fotosynthese? Mein Lexikon alle Fachbegriffe von bis Z Minimalplan hnen steht wenig Zeit zur erfügung? Dann lassen ie die Papierchromatograie von Blattfarbstoffen (M 7) weg. Die Lernerfolgskontrolle M 9 können ie auch als ausaufgabe einsetzen. 8 bits Naturwissenschaften November 2013

4 9 von 26 Priestleys Glasglockenversuche (1770) 1 2 M1 3 Querschnitt eines Laubblattes 8 bits Naturwissenschaften November 2013

5 13 von 26 ersuch 1: tärkenachweis in panaschierten Blättern Die Planze speichert einen Überschuss an Traubenzucker in Form von tärke ab. Lugol sche Lösung färbt tärke blau. Damit kann man direkt nachweisen, wo die Fotosynthese im Blatt ablaufen konnte. M3 Mein Lexikon ersuch 1: tärkenachweis in panaschierten Blättern Panaschiertes Laubblatt: ein Blatt, das nicht in allen Zellen hlorophyll (grüner Blattfarbstoff) enthält. chülerversuch in Gruppenarbeit orbereitung: 5 min Durchführung: 30 min Das benötigt ihr 2 panaschierte Laubblätter Brennspiritus Lugol sche Lösung 2 eizplatten Tiegelzange 2 Bechergläser (200 ml) Wasserbad 4 iedesteinchen 2 Petrischalen chutzbrille! o führt ihr den ersuch durch 1. Füllt das erste Becherglas zu einem Drittel mit Wasser, das zweite Becherglas zu einem iertel mit dem Brennspiritus. Gebt in das Wasser und das Wasserbad je zwei iedesteinchen. 2. tellt das Becherglas mit Wasser auf die eine eizplatte und das Becherglas mit piritus ins Wasserbad auf die andere eizplatte. chaltet beide eizplatten ein. chaltet die eizplatten aus, sobald die Flüssigkeiten sieden. 3. Führt nun folgende chritte durch; benutzt dabei die Tiegelzange: Gebt die Blätter für Gebt die Blätter für pült die Blätter kurz ließendem 1 2 min in das ko- ca. 5 min in den hei- unter ßen piritus, bis die Wasser ab. chende Wasser. Blätter farblos sind. inweis Legt jeweils ein Blatt in eine Petrischale und gebt einige Tropfen Lugol sche Lösung auf die Blätter. Durch das siedende Wasser werden die Blattzellen aufgeschlossen und die Zellwände zerstört, d. h., toffe können jetzt leicht in das Zellinnere gelangen. 4. chtet ca. 2 Minuten lang auf Farbänderungen. Beobachtungen: ufgabe Wie erklärt ihr euch die unterschiedliche erfärbung der Blätter an den verschiedenen Blattstellen nach Zugabe von Lugol scher Lösung? 8 bits Naturwissenschaften November 2013

6 16 von 26 Lösungen (M 3) Beobachtungen: n den tellen, an denen das panaschierte Blatt vorher grün war, ist eine blau-violette erfärbung zu sehen. (n den tellen ohne hlorophyll (Blattgrün) ist das panaschierte Blatt bräunlich geworden infolge der bräunlichen Lugol schen Lösung.) ufgabe: Nur an den tellen, an denen ursprünglich hlorophyll (Blattgrün) war, ist tärke nachweisbar, nicht aber an den anderen Blattstellen. Die Fotosynthese läuft also nur ab, wenn hlorophyll vorhanden ist. Lösungen (M 4) Beobachtungen: m belichteten Blatt verfärben sich nur die tellen blau-violett, die vorher grün waren. m unbelichteten Blatt lässt sich keine tärke nachweisen. ufgabe: m belichteten Blatt konnte nur an den tellen Fotosynthese betrieben und damit tärke gebildet werden, die hlorophyll (Blattgrün) enthielten und ausreichend belichtet wurden. m unbelichteten Blatt konnte trotz orhandensein von hlorophyll (Blattgrün) keine Fotosynthese betrieben und damit tärke gebildet werden, weil kein Licht auf die Blattzellen traf. Erläuterung (M 5) icherer mgang mit dem Mikroskop ollten hre chüler wenig Kenntnisse und Erfahrung im mgang mit dem Mikroskop mitbringen, dann ist es empfehlenswert, mit dem rbeitsblatt M 5 einzusteigen, bevor die chüler in M 6 mit dem Mikroskopieren der Laubblätter beginnen. Tipp Lassen ie hre chüler möglichst zu zweit an einem Mikroskop arbeiten. Zeigen ie den Lernenden die korrekte andhabung beim Mikroskopieren und wiederholen ie bei der Besprechung die Mikroskopier-egeln. ie können alternativ den chülern die egeln auch als Kopie zur erfügung stellen. Eine Folienvorlage zum Kopieren für den verhead-projektor inden ie auf der D. Diese orlage können ie ebenso für den Beamer verwenden. Diese Mikroskopier-egeln musst du unbedingt beachten: Das Mikroskop muss immer aufrecht am tativ getragen werden. Beginne immer mit der kleinsten bjektivgröße. Das bjektiv darf nie das Deckglas oder die Flüssigkeit berühren. Die Linse darf nicht mit den Fingern berührt oder mit Flüssigkeit verschmutzt werden. Zum Linsenreinigen darf nur ein weicher und sauberer Leinenlappen verwendet werden. Lösung (M 5) Lösungssatz: D B T N T P F M! 8 bits Naturwissenschaften November 2013

7 18 von 26 Mikroskopieren von Laubblättern M6 chülerversuch in Partnerarbeit orbereitung: 5 min Durchführung: 25 min Das benötigt ihr Laubblatt Mikroskop Pinzette bjektträger Deckgläschen Flaschenkorken asierklinge scharfes Messer o führt ihr den ersuch durch 1. chneidet mit dem Messer einen etwa 2 cm tiefen chnitt in den Korken. 2. Faltet das Laubblatt. Nutzt die Pinzette, um den palt im Korken etwas zu verbreitern, und steckt dann das Blatt in den palt. 3. Zieht die Pinzette aus dem palt und prüft, ob das Blatt fest im Korken sitzt. 4. Fertigt mit der asierklinge dünne Blattquerschnitte an. chneidet dazu möglichst dünne cheiben vom Korken, in dem das Blatt ixiert ist, zusammen mit dem eingeklemmten Blatt ab (siehe bbildung). 5. Legt einen dünnen Blattschnitt auf den bjektträger und befeuchtet ihn mit einem Tropfen Wasser. Legt darauf das Deckgläschen. Beobachtungsauftrag Betrachtet den Blattquerschnitt unter dem Mikroskop. Beginnt mit der kleinsten ergrößerung und wechselt dann stufenweise zur nächsthöheren ergrößerung. Könnt ihr entdecken, wo sich die Blattgrünkörner (hloroplasten) beinden? Betrachtet einzelne Zellen möglichst genau. ufgaben 1. Zeichnet mit Bleistift einen usschnitt aus dem Blattquerschnitt, wie ihr ihn unter dem Mikroskop seht (mindestens eine Drittel eite groß). Für die chnellen: Zeichnet einige Zellen mit rganellen groß heraus. 2. Fertig? Dann vergleicht eure selbst angefertigte kizze mit der Lösungskarte auf dem Lehrerpult. Ergänzt, falls nötig, eure kizze und beschriftet sie. Wusstest du schon, dass bei einer 100-jährigen Buche pro tunde etwa 1,7 kg auerstoff aus den paltöffnungen der Blätter austreten? Das ist die Menge an auerstoff, die 50 Menschen benötigen, um eine tunde zu atmen. 8 bits Naturwissenschaften November 2013