Aufgabe 1 – Ausgewählte stoffwechselphysiologische Aspekte von Algen
Die Fotosynthese läuft bei Algen im Prinzip genauso ab wie bei höheren Pflanzen. Im Detail aber zeigen sich bei verschiedenen Algenarten einige Besonderheiten. Dadurch wird die Nutzung von Algen unter anderem für den Einsatz gegen den Klimawandel interessant.
Stelle die wesentlichen Schritte des Calvin-Zyklus dar.
Nenne vier Gemeinsamkeiten und zwei Unterschiede von Chloroplasten einer Landpflanze und den Chloroplasten von Chlamydomonas reinhardtii (M 1).
Erläutere den in Abbildung 2 dargestellten Prozess der 
-Bereitstellung ausgehend vom im Wasser gelösten bis zur Stärkebildung im Pyrenoid (M 2).
Erkläre die in Tabelle 1 dargestellten Befunde (M 3).
Begründe das wissenschaftliche Interesse an einer Kultivierung von Blasentang in Algenfarmen an der Atlantikküste als Maßnahme gegen den Klimawandel (M 3).
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Chloroplast der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii
Die einzellige Grünalge C. reinhardtii bewegt sich mithilfe ihrer zwei Geißeln fort. Sie besitzt einen Augenfleck, mit dem sie die Richtung und die Intensität des einfallenden Lichts ermittelt. Die Fotosynthese läuft bei C. reinhardtii prinzipiell so ab wie bei Landpflanzen. Der Chloroplast füllt bei der Grünalge einen großen Teil der Zelle aus und enthält als besondere Struktur ein Pyrenoid (siehe Abbildung 1). In der Matrix des Pyrenoids liegt das Enzym Rubisco in hoher Konzentration vor.
Abbildung 1: Schematische Zeichnung der Alge C. reinhardtii
Material 2: Pyrenoid der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii
Kohlenstoffdioxid ist im Wasser als Gas gelöst und liegt dort im Gleichgewicht mit Hydrogencarbonat vor. In der Grünalge C. reinhardtii lässt sich das Enzym Carboanhydrase im sogenannten periplasmatischen Raum zwischen Zellwand und Zellmembran nachweisen (Abb. 2). Die Carboanhydrase katalysiert die gegenseitige Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Hydrogencarbonat. Die ungeladenen Kohlenstoffdioxid-Moleküle können die Zellmembran und die Membranen des Chloroplasten sehr leicht in beide Richtungen passieren, während die geladenen Hydrogencarbonat-Ionen 
nicht frei durch die Membranen diffundieren können. Sie werden von Hydrogencarbonat-Transportproteinen unter ATP-Verbrauch durch die Membranen transportiert.
Abbildung 2: Schematische Darstellung von Vorgängen in der Grünalge C. reinhardtii
Material 3: Untersuchungen am Blasentang
Braunalgen bilden teilweise große, blattartige Strukturen und nehmen große Mengen Kohlenstoffdioxid auf. Der zur Gruppe der Braunalgen gehörende Blasentang (Fucus vesiculosus) ist im Nordatlantik sowie in der Nord- und Ostsee weit verbreitet.
Forschende interessieren sich insbesondere für seinen Inhaltsstoff Fucoidan, ein Polysaccharid, das der Blasentang aus Fructose-6-phosphat herstellt. Fructose-6-phosphat ist ein Zwischenprodukt der Glykolyse und des Calvin-Zyklus. Fucoidan dient dem Blasentang zum einen als Zellwandbestandteil, zum anderen als schleimige Schutzschicht gegen Mikroorganismen und Austrocknung, da der Blasentang aufgrund von Gezeitenströmungen zeitweise im Trockenen liegen kann. Der Blasentang bildet die schleimige Schicht ständig neu, da sie im Wasser relativ schnell abgelöst wird. Fucoidan kann im Meerwasser nur von sehr wenigen Bakterien abgebaut werden, sodass der weitaus größte Teil auf den Meeresboden sinkt, wo das Fucoidan von Sediment überlagert wird und dort für Hunderte bis Tausende von Jahren verbleibt.
In einem Experiment an der Ostseeküste wurden Blasentang-Individuen für 5 Stunden entweder in durchsichtige oder in schwarze mit Wasser gefüllte Plastikbeutel eingeschlossen. Im Wasser in den Beuteln wurden zu Beginn und nach 5 Stunden die Konzentrationen von Sauerstoff und gelöstem Fucoidan gemessen (Tab. 1).
Tab. 1: 
-Konzentration im Wasser und Menge an Kohlenstoff in Form von Fucoidan im umgebenden Wasser des Blasentangs
|
|
ins Wasser abgegebene Menge an Kohlenstoff in Form von Fucoidan in mg/kg Blasentang |
||||
|---|---|---|---|---|---|
|
zu Beginn |
nach |
nach |
zu Beginn |
nach |
nach |
|
|
|
|
|
|
|
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Leben und Energie
Die wesentlichen Schritte des Calvin-Zyklus müssen strukturiert und unter Verwendung der Fachsprache formuliert werden:
-
Fixierungsphase: Bindung von
an ein 
-Molekül mithilfe von Rubisco, Bildung von zwei 
-Molekülen -
Reduktionsphase: Reduktion der
-Moleküle zu anderen -Molekülen unter Beteiligung von ATP und 
, ein Teil der reduzierten -Moleküle wird über weitere Reaktionsschritte zu Glucose-Molekülen umgewandelt. -
Regenerationsphase: Rückbildung restlicher
-Moleküle über mehrere Reaktionen und unter Beteiligung von ATP zu -Akzeptor-Molekülen
Vier Gemeinsamkeiten und zwei Unterschiede von Chloroplasten einer Landpflanze und den Chloroplasten von Chlamydomonas reinhardtii werden ohne Erläuterung aufgezählt bzw. wiedergegeben:
-
Gemeinsamkeiten, z. B.: ringförmige DNA, Ribosomen, Thylakoide, Doppelmembran
-
Unterschiede, z. B.: Landpflanzen: Rubisco im Stroma, C. reinhardtii: Rubisco in der Matrix des Pyrenoids; Pyrenoid und Augenfleck nur bei C. reinhardtii
Der in Abbildung 2 dargestellte Prozess der -Bereitstellung wird ausgehend vom im Wasser gelösten bis zur Stärkebildung im Pyrenoid veranschaulichend dargestellt und durch zusätzliche Informationen verständlich gemacht:
-
Das im Wasser gelöste
wird im periplasmatischen Raum durch die Carboanhydrase zu 
umgesetzt und durch verschiedene Membransysteme unter ATP-Verbrauch bis in ein Thylakoid des Chloroplasten transportiert, das mit einem Ende im Pyrenoid liegt. -
Die Hydrogencarbonat-Ionen können die Thylakoidmembran nicht durchdringen. Sie werden von der Carboanhydrase zu
-Molekülen umgewandelt. Die -Moleküle können die Membran des Thylakoids passieren und stehen nach der Diffusion in das Pyrenoid der Rubisco als Substrat zur Verfügung. -
Die im Calvin-Zyklus gebildeten Glucose-Moleküle werden zu Stärke-Molekülen verknüpft.
Die Befunde in Tabelle 1 werden nachvollziehbar und verständlich gemacht, indem sie auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten zurückgeführt werden:
-
Die
-Konzentration steigt im Licht aufgrund der Fotosynthese des Blasentangs. Im Dunkeln sinkt sie, da der Blasentang durch Zellatmung verbraucht. -
Im Licht wird mehr Fucoidan ins Wasser abgegeben, da es nicht nur in der Glykolyse der Zellatmung, sondern zusätzlich aus Zwischenprodukten des Calvin-Zyklus gebildet wird. Fucoidan, das im Dunkeln ins Wasser abgegeben wird, kann nur aus Fructose-6-phosphat, das als Zwischenprodukt der Glykolyse bei der Zellatmung entsteht, gebildet werden.
Das wissenschaftliche Interesse an einer Kultivierung von Blasentang in Algenfarmen an der Atlantikküste als Maßnahme gegen den Klimawandel wird durch nachvollziehbare Gründe oder Argumente dargestellt:
-
Der Anbau von Blasentang entlang der Atlantikküste erfolgt in dem natürlichen Verbreitungsgebiet des Blasentangs, sodass man davon ausgehen kann, dass dieser dort gut gedeihen kann.
-
Der Klimawandel wird vor allem durch das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid versursacht. Blasentang kann große Mengen Kohlenstoffdioxid zu Fucoidan umsetzen und dieses ins Meerwasser abgeben. Da Fucoidan nur in sehr geringem Maße abgebaut werden kann, wird der enthaltene Kohlenstoff zum größten Teil und über einen langen Zeitraum dem Kohlenstoffkreislauf entzogen.