Aufgabe C – Leuchtmoos
Das Leuchtmoos (Schistostega pennata) kommt an Standorten mit geringer Lichtintensität vor. Es besitzt Angepasstheiten auf molekularer und zellulärer Ebene, die es ihm ermöglichen, ausreichend Lichtenergie aufzunehmen und für die Fotosynthese nutzbar zu machen.
Erläutere den stofflichen und energetischen Zusammenhang zwischen Primär- und Sekundärreaktionen der Fotosynthese.
Werte die in Abbildung 1 dargestellten Untersuchungsergebnisse aus (M 1).
Erkläre am Zusammenhang von Bau und Funktion des Linsenprotonemas sowie der Linsenzellen die Angepasstheit des Leuchtmooses an seinen Lebensraum (M 2).
Beurteile, ob die in Material 3 beschriebenen Ziele mit den beiden vorgeschlagenen Maßnahmen jeweils erreicht werden können (M 2, M 3).
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Untersuchung der lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese
In den Thylakoidmembranen der Chloroplasten sind Chlorophyllmoleküle an verschiedene Proteine gebunden, sodass sogenannte Fotosysteme vorliegen. Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Fotosystemen. Das Fotosystem I besitzt ein Absorptionsmaximum bei 700 nm, das Fotosystem II bei 680 nm.
In einem Experiment wurden die lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts untersucht. Dazu wurden in drei Versuchsansätzen isolierte Chloroplasten entweder von einer Lampe oder von zwei Lampen bestrahlt. Die Lampen senden Licht mit der Wellenlänge 680 nm oder 700 nm aus. Um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurde die Intensität der Lichtquellen so eingestellt, dass bei Bestrahlung mit nur einer Lampe unabhängig von der Wellenlänge gleich viel Sauerstoff produziert wurde (Abb. 1).
Abb. 1: Sauerstoffproduktion von isolierten Chloroplasten bei Belichtung mit unterschiedlichen Wellenlängen
Material 2: Besonderheiten des Leuchtmooses
Das Leuchtmoos (Schistostega pennata) wächst im hinteren Bereich von Höhleneingängen. Wie für Moose typisch, geht der ausgewachsenen Leuchtmoospflanze eine Vorstufe voraus, die als Protonemafaden bezeichnet wird (Abb. 2, links).
An Standorten mit geringem Lichtangebot bildet der Protonemafaden verstärkt charakteristisch geformte Linsenzellen aus, die das Linsenprotonema bilden (Abb. 2). Aufgrund des durch die Linsenzellen reflektierten Lichts entsteht ein charakteristischer Leuchteffekt, der als schwaches grünes Funkeln und Schimmern beschrieben wird. Dieser Effekt ist namensgebend für das Leuchtmoos.
Abb. 2: links: Protonemafaden mit Linsenprotonema, rechts: Aufbau einer Linsenzelle mit schematisch vereinfacht dargestelltem Strahlengang des einfallenden Lichts
Material 3: Touristische Nutzung von Höhlen
Höhlen werden zunehmend für den Tourismus genutzt und umgestaltet. Die Betreiberfirma einer touristisch erschlossenen Höhle will Leuchtmoose nutzen, um die Höhle für Besucherinnen und Besucher attraktiver zu gestalten. Dabei wird die Höhle von äußeren Lichteinflüssen abgeschirmt und es kommt eine künstliche Beleuchtung zum Einsatz. Sowohl das Schimmern und Funkeln des Leuchtmooses als auch der Leuchtmoosbestand sollen erhalten bleiben.
Zum Erreichen der beiden Ziele werden unabhängig voneinander die beiden folgenden Maßnahmen vorgeschlagen:
Maßnahme 1: Es werden Lampen mit einer geringen Beleuchtungsstärke, die ausschließlich rotes Licht aussenden, auf das Leuchtmoos gerichtet.
Maßnahme 2: Es werden Lampen mit einer geringen Beleuchtungsstärke, die ausschließlich grünes Licht aussenden, auf das Leuchtmoos gerichtet.
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Der in den Primärreaktionen gebildete Stoff NADPH + H+ wird in den Sekundärrektionen für die Reduktionsphase benötigt. Während der Reduktion erfolgt die Regeneration des NADP+ für die Primärreaktionen.
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Der in den Primärreaktionen bereitgestellte Energieträger ATP wird sowohl in der Reduktionsphase als auch in der Regenerationsphase benötigt. Dabei wird ATP zu ADP + Pi umgewandelt, die in den Primärreaktionen erneut genutzt werden können.
Auswerten
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Wenn jeweils die doppelte Lichtintensität einer Wellenlänge eingestrahlt wird, dann ist die O2-Produktion etwa doppelt so groß. Wenn jedoch mit Licht beider Wellenlängen gleichzeitig belichtet wird, dann ergibt sich eine mehr als doppelt so hohe O2-Produktion.
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Die Untersuchungsergebnisse weisen darauf hin, dass die maximale Fotosyntheserate dann erreicht wird, wenn beide Fotosysteme gleichzeitig mit Licht bestrahlt werden, dessen Wellenlänge ihrem jeweiligen Absorptionsmaximum entspricht. Denn dann besteht eine höhere Auslastung der beiden Fotosysteme.
Erklären
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Das Linsenprotonema besteht aus Linsenzellen, die sich flächig zum einfallenden Licht anordnen, wodurch eine höhere Lichtabsorption möglich ist.
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Bei den Linsenzellen werden die einfallenden Lichtstrahlen beim Übertritt von der Zellwand in die Vakuole so gebrochen, dass sie auf eine Ausbuchtung am Ende der kugelförmigen Zelle fallen, in der sich die Chloroplasten befinden.
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Der Bau des Linsenprotonemas und der Linsenzellen ermöglicht eine effektive Ausnutzung der geringen Lichtintensität für die lichtabhängigen Reaktionen in den Chloroplasten und stellt eine Angepasstheit an dunkle Standorte dar.
Beurteilen
Maßnahme 1:
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Die Pigmente in den Chloroplasten absorbieren Rotlicht. → kein reflektierter Lichtstrahl → kein Leuchteffekt → Ziel 1 nicht erreicht.
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Mit dem Rotlicht steht dem Leuchtmoos eine Lichtquelle zur Verfügung, die für die Fotosynthese nutzbar ist. → Leuchtmoosbestand bleibt erhalten. → Ziel 2 erreicht.
Maßnahme 2:
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Grünlicht wird von den Pigmenten in den Chloroplasten weitgehend reflektiert → grüner Leuchteffekt → Ziel 1 erreicht.
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Dem Grünlicht fehlen die Wellenlängenbereiche, die von den meisten Pigmenten in den Chloroplasten absorbiert werden. → geringe Fotosyntheseleistung → Leuchtmoosbestand bleibt nicht erhalten → Ziel 2 nicht erreicht.