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Fotosynthese

Von der HILL-Reaktion bis zur Hirse in der Mittagshitze — erst den Zusammenhang finden, dann die Lösung.

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Aufgabenblock — AFB II

Zehn Aufgaben, in denen Wissen aus mehreren Unterkapiteln zusammenkommt: Messwerte deuten, Bilanzen herleiten, Faktoren einordnen. Drei gestufte Tipps helfen beim Ansatz.

A1
Primärreaktionen und Calvin-Zyklus
AFB II

Vergleichen Sie die Primärreaktionen mit dem Calvin-Zyklus, indem Sie in jeder Zeile genau ein Kreuz setzen.

Setzen Sie in jeder Zeile das passende Kreuz — hier ist es genau eins pro Zeile. Enter setzt und löscht.
MerkmalPrimärreaktionenCalvin-Zyklusbeide
läuft an der Thylakoidmembran ab
braucht unmittelbar Licht
verbraucht ATP
reduziert einen Stoff mit Elektronen aus NADPH
setzt O₂ frei
wird von Enzymen katalysiert
kommt ohne Nachschub aus dem anderen Teilprozess nicht lange aus
Die Primärreaktionen bilden ATP und NADPH, der Calvin-Zyklus verbraucht beides. Enzyme arbeiten in beiden Teilprozessen, und beide sind aufeinander angewiesen: Die Thylakoide brauchen NADP⁺, ADP und Phosphat zurück, der Calvin-Zyklus ATP und NADPH.
Ordnen Sie zuerst jedem Teilprozess seinen Ort und seine Produkte zu.
Wer ATP bildet, verbraucht es nicht — und umgekehrt. Enzyme und die gegenseitige Abhängigkeit betreffen beide.
Primär: Thylakoidmembran, Licht, O₂ · Calvin: ATP-Verbrauch, Reduktion mit NADPH · beide: Enzyme, Abhängigkeit.
Lösung anzeigen
Primärreaktionen: Thylakoidmembran, unmittelbar lichtabhängig, O₂-Freisetzung. Calvin-Zyklus: verbraucht ATP (Reduktion und Regeneration), reduziert 3-PG mit NADPH zu G3P. Beide: enzymkatalysiert und über ATP/ADP und NADPH/NADP⁺ stofflich gekoppelt.
A2
Hirse und Gerste in der Hitze
AFB II
Material: Ein heißer Nachmittag (Modellwerte)

Auf zwei benachbarten Feldern wachsen Hirse (C4-Pflanze) und Gerste (C3-Pflanze). Bei 36 °C, starkem Licht und halb geschlossenen Spaltöffnungen fixiert die Hirse je Blattfläche mehr als doppelt so viel CO₂ wie die Gerste und verliert dabei je fixiertem CO₂ deutlich weniger Wasser.

Erklären Sie die Unterschiede: Markieren Sie alle zutreffenden Aussagen.

Mehrere Antworten können richtig sein. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
C4-Pflanzen „pumpen“ CO₂ mit der PEP-Carboxylase vor und reichern es in den Bündelscheidenzellen an (räumliche Trennung, Kranzanatomie). Den Calvin-Zyklus mit Rubisco besitzen sie trotzdem. Der Preis ist zusätzliches ATP für die Rückbildung von PEP — er lohnt sich bei Hitze, Trockenheit und starkem Licht.
Wo liegt bei halb geschlossenen Spaltöffnungen das Problem — beim Licht oder beim CO₂ im Blatt?
Vergleichen Sie das erste CO₂-bindende Enzym beider Pflanzen und den Ort des Calvin-Zyklus.
Drei Aussagen stimmen: PEP-Carboxylase, CO₂-Anreicherung in der Bündelscheide, O₂-Umsatz der Rubisco bei der Gerste.
Lösung anzeigen
Bei halb geschlossenen Spaltöffnungen sinkt die CO₂-Konzentration im Blatt. Bei der Gerste (C3) fixiert Rubisco CO₂ direkt; sie setzt dann zunehmend O₂ um, die Nettorate fällt. Die Hirse (C4) bindet CO₂ in den Mesophyllzellen mit der PEP-Carboxylase, die auch bei wenig CO₂ arbeitet und nicht mit O₂ reagiert. Malat gibt das CO₂ in den Bündelscheidenzellen wieder ab, wo Rubisco bei hoher CO₂-Konzentration arbeitet. So erreicht die Hirse bei engem Spalt hohe Raten und verliert je fixiertem CO₂ weniger Wasser — auf Kosten von zusätzlichem ATP.
A3
Mittagsdepression
AFB II
Material: Ein heißer Sommertag

An heißen, trockenen Sommertagen sinkt die Nettofotosynthese vieler Pflanzen um die Mittagszeit deutlich ab — obwohl dann das meiste Licht zur Verfügung steht. Am Nachmittag steigt sie wieder an.

Erläutern Sie diese „Mittagsdepression“, indem Sie den Gedankengang Schritt für Schritt aufbauen.

Spielen Sie den Gedankengang Schritt für Schritt durch: Was ist jetzt richtig? Nur die richtige Karte bringt Sie weiter.
    Die Mittagsdepression ist eine Folge des Zielkonflikts der Spaltöffnungen: Wasser sparen heißt CO₂ aussperren. Licht ist genug da, aber CO₂ wird zum Minimumfaktor.
    Denken Sie an den Zielkonflikt: Durch dieselben Spaltöffnungen entweicht Wasser und tritt CO₂ ein.
    Transpiration ↑ → Schließzellen reagieren → Gasaustausch → Calvin-Zyklus.
    Spalt schließt → weniger CO₂ → Fixierung gebremst → CO₂ ist Minimumfaktor.
    Lösung anzeigen
    Hitze und Trockenheit vergrößern das Konzentrationsgefälle für Wasserdampf; die Transpiration steigt. Um Wasser zu sparen, schließen die Schließzellen die Spaltöffnungen. Dadurch gelangt kaum noch CO₂ in die Interzellularen, Rubisco fixiert weniger CO₂, und die Nettofotosynthese sinkt, obwohl genug Licht vorhanden ist. CO₂ ist zum Minimumfaktor geworden.