Benenne die in Abbildung 1 mit den Ziffern 1 bis 6 dargestellten Strukturen eines Blattquerschnittes (M 1).

Erläutere zwei Angepasstheiten eines Laubblattes an sonnige Lichtverhältnisse (M 1).

Ordne die Kurven in Material 2 einem Licht- bzw. Schattenblatt der Rotbuche zu.

Erkläre deine Zuordnung über die Kurvenverläufe und die unterschiedlichen Lichtkompensationspunkte (M 1, M 2).

Beschreibe die experimentelle Vorgehensweise, mit der die in Abbildung 3 dargestellten Chromatogramme erzeugt werden können (M 3).

Formuliere anhand der Absorptionsspektren (Abbildung 4) eine begründete Hypothese, die den Unterschied in den Chromatogrammen von Licht- und Schattenblatt erklärt (M 3).

Begründe für jeden der in Abbildung 5 aufgeführten Versuchsansätze jeweils, ob eine lichtabhängige bzw. lichtunabhängige Teilreaktion der Fotosynthese stattfinden kann (M 4).

Erläutere auf Grundlage des Experiments von Arnon einen weiteren Versuchsansatz, mit dem belegt werden kann, dass der Sauerstoff aus der lichtabhängigen Reaktion stammt (M 4).

Benennung der Strukturen des Blattquerschnitts

• Struktur 1 bezeichnet die Cuticula, eine wachsartige, wasserundurchlässige Schutzschicht auf der Außenseite des Blattes.

• Struktur 2 stellt die obere Epidermis dar, ein abschlussgewebe ohne Chloroplasten, das dem Schutz und der Stabilität des Blattes dient.

• Struktur 3 kennzeichnet das Palisadengewebe, welches aus langgestreckten, dicht aneinandergereihten und chloroplastenreichen Zellen besteht.

• Struktur 4 stellt das Schwammgewebe dar, welches sich durch unregelmäßig geformte Zellen mit großen, luftgefüllten Zwischenräumen auszeichnet.

• Struktur 5 kennzeichnet ein Leitbündel, das sich durch das Blatt zieht und für den Ferntransport von Wasser, Mineralstoffen und Assimilaten verantwortlich ist.

• Struktur 6 bezeichnet eine Schließzelle, die paarweise die Spaltöffnung auf der Blattunterseite bildet und den Gasaustausch sowie die Transpiration steuert.

Erläuterung von zwei Angepasstheiten eines Laubblattes an sonnige Lichtverhältnisse

• Das Lichtblatt besitzt ein stark ausgeprägtes, tiefes und oft mehrschichtiges Palisadengewebe. Diese anatomische Angepasstheit vergrößert das Zellvolumen, das reich an Chloroplasten ist, sodass die hohe Intensität des direkt einfallenden Sonnenlichts optimal absorbiert und in eine hohe Fotosyntheserate umgesetzt werden kann.

• Das Lichtblatt weist an seiner Oberfläche eine deutlich verdickte Cuticula auf. Da an sonnigen Standorten eine erhöhte Wärmebelastung herrscht, schützt diese dicke Wachsschicht das Blatt wirksam vor übermäßiger unkontrollierter Verdunstung und sichert den Wasserhaushalt der Pflanze bei intensiver Einstrahlung.

Zuordnung der Kurven zu den Blatttypen

• Kurve 1 wird dem Lichtblatt der Rotbuche zugeordnet.

• Kurve 2 wird dem Schattenblatt der Rotbuche zugeordnet.

Erklärung der Zuordnung über die Lichtkompensationspunkte

• Der Lichtkompensationspunkt K gibt definitionsgemäß diejenige Lichtintensität an, bei der sich die Kohlenstoffdioxidaufnahme der Fotosynthese und die Kohlenstoffdioxidabgabe der Zellatmung exakt die Waage halten.

• Der Lichtkompensationspunkt K1 der Kurve 1 liegt im Diagramm bei einer deutlich höheren Lichtstärke als der Punkt K2 der Kurve 2.

• Ein Lichtblatt besitzt aufgrund seiner Gewebestruktur ein viel dickeres Palisadengewebe und somit mehr zelluläre Biomasse, die im Stoffwechsel permanent Kohlenstoffdioxid durch Zellatmung freisetzt.

• Dies ist am Kurvenverlauf bei einer Lichtstärke von Null erkennbar, da Kurve 1 im Vergleich zu Kurve 2 im negativeren Bereich startet und eine größere Netto-Abgabe von Kohlenstoffdioxid aufweist.

• Wegen dieser hohen respiratorischen CO₂-Abgabe im Dunkeln benötigt das Lichtblatt eine viel höhere Lichtintensität, bis die einsetzende Fotosynthese diesen Verlust kompensiert, weshalb K1 nach rechts zu höheren Lichtstärken verschoben ist.

• Das Schattenblatt ist anatomisch sehr dünn und verbraucht im Dunkeln weniger organische Verbindungen, weshalb seine CO₂-Abgabe geringer ist und es den Ausgleichspunkt K2 bereits bei minimaler Lichtstärke erreicht.

Erklärung der Zuordnung über die Kurvenverläufe bei steigender Lichtstärke

• Bei ansteigender Lichtintensität zeigt Kurve 1 einen wesentlich steileren Verlauf und erreicht eine weitaus höhere maximale Aufnahme von Kohlenstoffdioxid als Kurve 2.

• Dies reflektiert die hohe Leistungskapazität des Lichtblattes, das durch seine vielen Chloroplastenschichten im dicken Palisadengewebe darauf spezialisiert ist, starke Sonneneinstrahlung in hohe Fotosyntheseraten umzumünzen.

• Kurve 2 flacht schon bei einer vergleichsweise geringen Lichtstärke ab und tritt früh in die fotosynthetische Sättigung ein, wobei die maximale CO₂-Aufnahme auf einem niedrigen Niveau stagniert.

• Dieser Kurvenverlauf ist charakteristisch für das Schattenblatt, da dieses an die schwachen Lichtverhältnisse im inneren Kronenbereich angepasst ist und aufgrund seines reduzierten fotosynthetischen Apparates hohe Lichtstärken nicht in eine gesteigerte Aktivität umsetzen kann.

Experimentelle Vorgehensweise zur Erstellung der Chromatogramme

• Zunächst werden jeweils einige Licht- und Schattenblätter getrennt voneinander mechanisch zerkleinert und unter Zugabe eines organischen Lösungsmittels wie Aceton sowie etwas Sand und Calciumcarbonat im Mörser zerrieben, um die Pflanzenpigmente vollständig zu extrahieren.

• Der so gewonnene, pigmentreiche Blattextrakt wird anschließend filtriert, um feste Gewebereste sauber abzutrennen.

• Mithilfe einer feinen Glaskapillare wird der Extrakt punktförmig oder linienförmig auf die Startlinie einer Dünnschichtchromatographie-Platte oder eines Chromatographiepapiers aufgetragen, wobei dieser Vorgang nach dem Trocknen mehrfach wiederholt wird, um eine hohe Pigmentkonzentration am Startpunkt zu erzielen.

• Die präparierte Chromatographieplatte wird senkrecht in eine geschlossene Chromatographiekammer gestellt, die ein geeignetes flüssiges Laufmittel enthält.

• Es muss streng darauf geachtet werden, dass der Flüssigkeitsspiegel des Laufmittels in der Kammer unterhalb der aufgetragenen Startlinie liegt.

• Das Laufmittel wandert nun durch Kapillarkräfte an der stationären Phase nach oben und nimmt die verschiedenen Blattpigmente mit.

• Die Trennung der Pigmente in die sichtbaren Banden erfolgt aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeit im mobilen Laufmittel sowie ihrer verschieden starken Adsorptionsfähigkeit an der stationären Phase des Trägermaterials.

• Kurz bevor die Laufmittelfront den oberen Rand der Platte erreicht, wird die Platte entnommen, die Laufmittelfront markiert und das Chromatogramm zur Auswertung getrocknet.

Hypothese zum Unterschied in den Chromatogrammen von Licht- und Schattenblatt

• Im Chromatogramm des Lichtblattes ist die Bande von Chlorophyll a deutlich breiter ausgeprägt als die von Chlorophyll b, während das Schattenblatt ein verändertes Verhältnis mit einer relativ stark ausgeprägten Chlorophyll-b-Bande aufweist.

• Das Absorptionsspektrum zeigt, dass Chlorophyll a Lichtstrahlung vor allem im violetten Spektralbereich um 430 nm sowie im roten Spektralbereich um 660 nm sehr stark absorbiert.

• Chlorophyll b besitzt dagegen sein ausgeprägtes Absorptionsmaximum im blauen Wellenbereich um 450 nm bis 460 nm und weist zudem eine nennenswerte Absorption im orange-roten Bereich um 640 nm auf.

• Da Schattenblätter im inneren Bereich der Baumkrone wachsen, wird das dort eintreffende Sonnenlicht durch die äußeren Schichten der Lichtblätter gefiltert.

• Die Chloroplasten der Lichtblätter absorbieren durch ihren hohen Anteil an Chlorophyll a große Mengen des violetten und roten Lichts aus dem Sonnenspektrum.

• Das in das Kroneninnere durchgelassene Licht ist somit arm an roten und violetten Wellenlängen, weist jedoch einen relativ hohen Anteil an blauem Licht auf, da dieser Bereich von Chlorophyll a weniger stark absorbiert wird.

• Aus diesen spektralen Unterschieden lässt sich die begründete Hypothese formulieren, dass Schattenblätter vermehrt Chlorophyll b aufbauen, da dieses Pigment das im Schattenbereich dominierende blaue Licht wesentlich effektiver absorbieren kann als Chlorophyll a.

• Diese physiologische Anpassung im Pigmentverhältnis zur Optimierung der Lichtausbeute unter schattigen Bedingungen führt direkt zu dem im Chromatogramm sichtbaren Unterschied einer verstärkten Chlorophyll-b-Bande beim Schattenblatt.

Analyse von Ansatz 1

• Dieser Versuchsansatz enthält vollständige, isolierte Chloroplasten, die mit Licht, und versorgt werden.

• Die lichtabhängige Teilreaktion kann stattfinden, da intakte Thylakoidmembranen innerhalb der vollständigen Chloroplasten vorliegen und die dafür notwendigen Faktoren Licht und Wasser vorhanden sind.

• Die lichtunabhängige Teilreaktion kann ebenfalls stattfinden, da das Stroma mit allen erforderlichen Enzymen intakt ist, das Substrat bereitgestellt wird und die dafür benötigten Verbindungen ATP und durch die funktionierende lichtabhängige Teilreaktion fortlaufend im Chloroplasten gebildet werden.

Analyse von Ansatz 2

• Dieser Versuchsansatz verwendet aufgebrochene Chloroplasten ohne Stroma, an die Licht, ADP + P sowie gegeben werden.

• Die lichtabhängige Teilreaktion kann stattfinden, da die dafür benötigten Thylakoidmembranen der aufgebrochenen Chloroplasten vorhanden sind und durch die Zugabe von Licht, Wasser sowie den direkt verwertbaren Ausgangsstoffen ADP + P und alle Bedingungen erfüllt sind.

• Die lichtunabhängige Teilreaktion kann nicht stattfinden, da das Stroma durch die Zentrifugation abgetrennt wurde und somit die für den Calvin-Zyklus zwingend benötigten Enzyme im Reaktionsraum vollständig fehlen.

Analyse von Ansatz 3

• In diesem Versuchsansatz liegen isolierte Enzyme aus dem Stroma vor, die mit ADP + P und versetzt werden, wobei kein Licht eingestrahlt wird.

• Die lichtabhängige Teilreaktion kann nicht stattfinden, da weder die dafür essenziellen Thylakoidmembranen noch die notwendige Energiequelle in Form von Licht zur Verfügung stehen.

• Die lichtunabhängige Teilreaktion kann ebenfalls nicht stattfinden, da zwar die Enzyme des Stromas und das Substrat vorhanden sind, aber die für die Reduktionsphase und die Regeneration benötigten energiereichen Produkte ATP und fehlen, da lediglich deren energiearme Formen ADP + P und zugesetzt wurden.

Analyse von Ansatz 4

• Dieser Versuchsansatz kombiniert die isolierten Enzyme aus dem Stroma mit Licht, ATP und

• Die lichtabhängige Teilreaktion kann nicht stattfinden, da keine aufgebrochenen Chloroplasten beziehungsweise Thylakoidmembranen mit den darin verankerten Fotosystemen im Reaktionsgemisch enthalten sind.

• Die lichtunabhängige Teilreaktion kann stattfinden, da die Enzyme des Stromas sowie das Substrat vorliegen und die für den Ablauf des Calvin-Zyklus essenziellen energiereichen Verbindungen ATP und direkt von außen im Medium bereitgestellt werden.

Analyse von Ansatz 5

• Hier werden die Enzyme aus dem Stroma mit aufgebrochenen Chloroplasten gemischt und unter Zufuhr von Licht, ATP und untersucht.

• Die lichtabhängige Teilreaktion kann stattfinden, da durch die aufgebrochenen Chloroplasten die funktionstüchtigen Thylakoidmembranen vorliegen und sowohl Licht als auch Wasser für die Fotolyse vorhanden sind.

• Die lichtunabhängige Teilreaktion kann ebenfalls stattfinden, da die Enzyme aus dem Stroma und das Substrat vorhanden sind und die benötigten energetischen Komponenten ATP und direkt im Ansatz zur Verfügung stehen.

Erläuterung eines weiteren Versuchsansatzes zur Bestimmung der Sauerstoffherkunft

• Auf Grundlage des Experiments von Arnon kann ein modifizierter Versuchsansatz analog zu Ansatz 2 gewählt werden, bei dem aufgebrochene Chloroplasten ohne Stroma mit Licht, ADP + P und versetzt werden, wobei man das Substrat im Gegensatz zu Ansatz 2 vollständig aus dem Reaktionsgemisch weglässt.

• Wenn in diesem abgeänderten Versuchsansatz trotz der vollständigen Abwesenheit von über den Nachweis der Reaktionsprodukte gasförmiger Sauerstoff detektiert wird, belegt dies experimentell, dass die Sauerstoffproduktion unabhängig von der Kohlenstoffdioxid-Fixierung abläuft.

• Da die Bindung von die zentrale Eingangsreaktion der lichtunabhängigen Teilreaktion darstellt, beweist das Entstehen von Sauerstoff ohne diesen Stoff, dass die Sauerstofffreisetzung ein reines Produkt der lichtabhängigen Teilreaktion ist.

• Ein alternativer Versuchsansatz kann unter Verwendung von isotopenmarkierten Stoffen durchgeführt werden, indem man vollständige, isolierte Chloroplasten analog zu Ansatz 1 mit Licht, und Wasser versorgt, bei dem jedoch der Sauerstoff des Wassers gezielt mit dem schweren Isotop markiert wurde

• Die massenspektrometrische Untersuchung des freigesetzten Sauerstoffgases zeigt in diesem Fall, dass ausschließlich markierter Sauerstoff entsteht, was eindeutig belegt, dass der molekulare Sauerstoff aus der lichtabhängigen Fotolyse des Wassers stammt und nicht aus dem der lichtunabhängigen Reaktion abgespalten wird.