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Erläuterungen zu Bruttogleichung:

Es wird Strahlungsenergie mit Hilfe des Chlorophylls in chemische Energie umgewandelt. Aus energiearmen,

anorganischen Verbindungen, wie CO 2 und H 2 O werden durch Absorption von Sonnenstrahlung energiereiche Kohlenhydrate, wie Glukose (C 6 H 12 O 6 ) erzeugt.

2) Wovon ist die Fotosynthese abhängig?

Die Fotosynthese ist von den Außenbedingungen ihrer Umwelt abhängig. Aus diesem Grund wurden Überlegungen angestellt, inwiefern welche Faktoren die Fotosynthese beeinflussen. Experimente zu diesem Thema wurden mit Hilfe von Kurven ausgewertet und analysiert und wir kamen zu der Erkenntnis, dass die Fotosynthese von fünf Faktoren abhängig ist.

1) Das Licht

Es handelt sich hierbei um eine Sättigungskurve. Das heisst, die Kurve erreicht einen sogenannten Sättigungsbereich, in dem die maximale Fotosyntheserate konstant im Kurvenverlauf ist.

Aus der Kurve kann man deutlich erkennen, dass die Sonnenpflanzen leistungsfähiger sind als die Schattenpflanzen. Das ist auf die Größe und den Aufbau der Blätter beider Pflanzen zurückzuführen. Die Sonnenblätter z.B. haben eine durchaus gr ößere Blattoberfläche um eine höhere Fotosyntheserate zu erreichen, als die Schattenpflanzen. Beispiel

Überlegung: Gegeben sind gleiche Lichtverhälltnisse für beide Pflanzen mit einer Lichtintensität von 5000 Lux. Was kann man über die Fotosyntheserate für die Sonnen- und die Schattenpflanzen aussagen?

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Die Schattenpflanze ist in dem Fall leistungsfähiger als die Sonnenpflanze, da sie bereits bei einer geringen Lichtintensit ät besser Fotosynthese betreiben kann als Sonnenpflanzen. Die Farbe, also die Wellenlänge des Lichts spielt ebenfalls eine große Rolle.

2) Temperatur

Auswertung der Kurve:

Es handelt sich hierbei um eine Optimumskurve. Das heisst, die Kurve erreicht bei einer bestimmten Temperatur ihren Maximalwert und fällt daraufhin. In dieser Darstellung ist das sehr gut zu erkennen.

(1) In diesem Bereich, wo die Kurve ansteigt, gilt die RGT-Regel. Diese lautet: Eine Erhöhung der Temperatur um 10° führt zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit bzw. eine Erniedrigung der Temperatur um 10° führt zu einer Verdopplung der Reaktionszeit und demnach einer Erniedrigung der Reaktionsgeschwindigkeit. (2) Optimum: In diesem Bereich ist die Fotosyntheserate am höchsten. Das ist wiederum regionsbedingt und pflanzenspezifisch ( siehe unten: Temperaturabhängigkeit der Fotosynthese bei unterschiedlichen Standorten).

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(3) In diesem Bereich greift die RGT- Regel nicht mehr. Es kommt zur Denaturierung der Proteine. D.h., die Enzyme sind funktionsunfähig. Sie arbeiten temperaturabhängig. Bei einer bestimmten höheren Temperatur schützt sich die Pflanze vor dem Austrocknen, indem sie ihre Spaltöffnungen schließt und den Gasaustausch damit unterbindet. Das hat zur Folge, dass immer weniger bzw. gar kein Sauerstoff mehr abgegeben wird, was den deutlichen Kurvenfall zu erklären hat.

Temperaturabhängigkeit der Fotosyntheserate bei unterschiedlichen Standorten

Pflanzen verschiedener Klimazonen und Standorte sind durch die Lage ihrer Temperaturoptima an die dort herschenden Temperaturverhältnisse angepasst. Wintergrüne Pflanzen können zum Beispiel unter 0°C Fotosynthese betreiben, wobei tropische Pflanzen ihr Optimum bei 30°C bis 40°C haben. Die folgende Darstellung bringt das zum Ausdruck

3) Der CO 2 -Gehalt in der Luft

Die Pflanze ist in ihrer Aufnahme von Kohlenstoffdioxid eingeschränkt, da sie nur einen bestimmten Gehalt aus ihrer Umgebung aufnehmen kann. Unmittelbar über dem Boden ist eine höhere Kohlenstoffdioxidkonzentration zu verzeichnet, infolge der Atmung der Bodenorganismen.

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Eine Optimumskurve stellt die Abhängigkeit der Fotosyntheserate von dem CO 2 -Gehalt optisch sehr gut dar. Eine Erhöhung der CO 2- Konzentration hat eine Erhöhung der Fotosyntheseleistung zur Folge. Demnach stellt die natürliche Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Luft einen begrenzenden Faktor dar, da die maximale Fotosyntheserate bei einem bestimmten Kohlenstoffdioxidgehalt erreicht wird und danach fällt.

4) Der H 2 O-Gehalt

Wasser ist in geringen Mengen notwendig für die Fotosynthese. Die Wasseraufnahme findet über die Spaltöffnungen statt und wirkt also indirekt auf die Fotosynthese ein. Es wurden noch keine quantitativen Beziehungen zwischen dem Faktor Wasser und der Fotosynthese erfasst. 5) Chlorophyll (-Menge)

Das Chlorophyll ist ein grüner Pflanzenfarbstoff, der meistens in den Chloroplasten lokalisiert ist . Es dient als Biokatalysator bei der für die Fotosynthese notwendigen Umwandlung von Lichtenergie in die Energie der Stoffe.

Stoff und Energieumsatz im Ökosystem Was bedeuted Stoff- und Energieumsatz? grundlegende Lebensprozesse

umfasst alle im Organismus ablaufenden Vorgänge zur Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von Stoffen und Energie im Verlaufe bestimmter Lebensvorgänge

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Grundbegriffe Definitionen:

Assimilation: (lat. assimilare - Angleichung) Umwandlung körperfremder Stoffe in körpereigene Stoffe

(sogenannte Assimilate) unter Energieaufwand endotherme Reaktion ( Reaktion, die Energie benötigt)

autotrophe Assimilation: - Umwandlung energiearmer, anorganischer Stoffe in energiereiche organische Stoffe unter Ausnutzung äußerer Energiequellen meist bei Organismen mit Chlorophyll (Fotosynthese)

energiearme, organische Stoffe: CO 2 / H 2 O ; Mineralien und Salze energiereiche, organische Verbindungen: Glukose

organisch: -Verbindungen, die Kohlenstoffe enthalten bzw. (als Orientierung!!!) die durch lebende Organismen entstanden sind

heterotrophe Assimilation: -Umwandlung körperfremder, organischer Stoffe in körpereigene, organische Stoffe unter Ausnutzung der in den körperfremden Sotffen enthaltenen Energie meist bei Organismen ohne Chlorophyll

Dissimilation: -Abbau von energiereichen Stoffen in energieärmere Stoffe unter Freisetzung von Energie für Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge

a) Atmung- mit Sauerstoff

b) Gärung:- ohne Sauerstoff

fotoautotroph: benötigte Energie stammt aus dem Sonnenlicht

chemoautotroph: Energie stammt aus chemischen Reaktionen

Betreibt eine Pflanze Dissimilation?

Die Pflanze betreibt Dissimilation in den Mitochondrien zum Wachsen. Der Blattaufbau ist zum Beispiel eine endotherme Reaktion, das heisst, eine Reaktion, die Energie benötigt. Woher kommt aber die notwendige Energie? Die Pflanze betreibt Fotosynthese, um Glukose als energiereichen, organischen Stoff aufzubauen. Dissimilation läuft unter Freisetzung von Energie ab. Aus dem Grund wird die für das Wachstum notwendige Energie aus der Glukose entnommen.

Beide Zeichnungen stellen schematisch die Assimilation und Dissimilation dar.

In den Chloroplasten findet die Assimilation statt, da für diesen Vorgang, das in den Chloroplasten enthaltene Chlorophyll von hoher Bedeutung ist. Die Dissimilation findet in den Mitochondrien, den Kraftwerken unserer Zelle statt.

Das Schema zeigt, dass die Assimilation nur am Tag stattfinden kann, da dieser Vorgang (siehe Definition) nur unter Ausnutzung äußerer Energiequellen (Sonne) existiert. Kohlenstoffdioxid als körperfremder Stoff, wird in der Zelle zu körpereigenen, organischen Stoffen umgewandelt (· Sauerstoff).

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In den Mitochondrien findet widerum sowohl in der Nacht als auch am Tag Dissimilation statt, da laut Definition, energiereiche, körpereigene Stoffe ( in dem Fall Sauerstoff) in energieärmere Stoffe ( hier: Kohlenstoffdioxid) unter Freisetzung von Energie umgewandelt werden.

Vertreter in einem Nahrungssystem

In den in der Tabelle abgebildetem Kreisläufen, wird a) der Stoffumsatz und b) der Energieumsatz innerhalb einer Nahrungskette dargestellt.

Die Nahrungskette beruht auf dem Prinzip "fressen und gefressen werden" und beinhaltet zwei wichtige Faktoren, die dabei eine Rolle spielen. Zum einen ist das der Stoffumsatz und zum anderen der Energieumsatz innerhalb einens Nahrungssystems.

Der Produzent (immer Pflanzen) produziert Biomasse, eine organische Verbindung (Verbindungen mit Kohlenstoff), die als energiereicher, organischer Stoff von den Konsumenten erster Ordung (K 1 ;Pflanzenfresser)aufgenommen wird. Dieser organische Stoff erhällt seine Energie aus der Sonnenenergie. Die Konsumenten zweiter Ordnung (K 2 ) nehmen ebenfalls über ihre Nahrung (als Pflanzen - oder Fleischfresser) organische, energiereiche Stoffe zu sich, die sie zum Teil auch wieder verbrennen. Die Destruenten (D) haben die Aufgabe, die Konsumenten zweiter Ordnung als abgestorbenes Material zu zersetzen.und in diesem Zusammenhang, den Produzenten Mineralien als anorganischen, energiearmen Stoff zur Verfügung zu stellen. An dieser Stelle schliest sich der Stoffkreislauf wieder. Beim Energieumsatz kann man feststellen, dass die Destruenten zwar energiereiche, organische Stoffe zu sich nehmen, wiederum anorganische, energiearme Stoffe an die Produzenten abgeben.Da sich in diesem Fall kein Kreislauf ausgebildet hat, nennt man diese Situation Energiesackgasse, da der weitergegebene Stoff energiearm ist. (Definition) Energiesackgasse:Die Energie wurde verbraucht und kann nur durch Sonnenenergie wieder hergestellt werden.

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Anwendung zum Thema "Stoff- und Energieumsatz im Ökosystem" Ergänzungen zum Arbeitsblatt Abb. 3

Die Abbildung zeigt eine Biomassenpyramide, Aus dieser Abbildung kann man eindeutig erkennen, dass die Hechte am Ende einer Nahrungskette stehen, die Karpfen hinter ihnen und die Wasserflöhe und Algen dahinter. Jeder Gruppe wird der Begriff "Trophieebene" zugeordnet. Eine Trophieebene fasst alle Organismen, die in einer Nahrungskette die gleiche Position innehaben, zusammen ( alle Destruenten, alle K 1 , K 2... ). Auch in dieser Abbildung greift das Prinzip "fressen und gefressen werden". Es wird gezeigt, dass 1000 kg Algen, 100 kg Wasserflöhe ernähren können. Das heisst also auch, dass 10 kg Karpfen von 100 kg Wasserflöhen leben können usw.. Man kann feststellen, dass die Biomasse, die von einer Trophieebene zur anderen gebracht wird, um 90% bzw. auf 10% abnimmt. Das heisst, nur 10 % der Biomasse erreicht die nächste Trophieebene. Abb. 1

Diese Abbildung zeigt eine Energiepyramide für die Lebewesen des Mendota-Sees in den USA. Das Verhältnis der einzelnen Trophieebenen steht im selben Verhältnis zueinander wie bei der Biomassenpyramide. Die Energie/m ² nimmt von Trophieebene zu Trophieebene um 90% auf 10% ab.

In diesem Zusammenhang muss erwähnt werden, dass jede Trophieebene dissimiliert. Es werden nämlich auch in diesem Fall energiereiche, körpereigene Stoffe in energieärmere Stoffe umgewandelt, wobei Energie freigesetzt bzw. verloren geht. Dieser Energieverlust ist vor allem in der ersten Abbildung deutlich zu erkennen, da die Energie von Trophieebene zu Trophieebene auf 1/10 des vorrangegangenen Wertes abnimmt. Abb. 4

Diese Abbildung veranschaulicht eine Nahrungskette, nach dem Prinzip "groß frisst klein". In diesem Fall wird deutlich, dass der Grössenunterschied in der Nahrung eine große Rolle spielt und ungefär das zehnfache (oder 1/10) zwischen den einzelnen Tieren beträgt. Das Zooplankton mit einer Länge von 4 cm dient dem Hering mit 40 cm Länge als Nahrung. Der Thunfisch, ebenfalls zehnmal so groß wie seine Nahrung, zieht den Hering vor. Bakterien dienen also als Nahrung für Tierplankton, Tierplankton als Nahrung für Fische und Fische als Nahrung für Raubfische.

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