Strandhafer auf der Düne
AFB I–IIDer Strandhafer (Ammophila arenaria) besiedelt die Weißdünen an Nord- und Ostsee. Der Sand speichert kaum Wasser, heizt sich in der Sonne stark auf, und fast ständig weht Wind. Bei feuchtem Wetter sind die Blätter flach ausgebreitet; bei Trockenheit verlieren große, dünnwandige Zellen am Grund der Furchen (Gelenkzellen) Wasser, und das Blatt rollt sich zu einer Röhre ein (M1). M2 zeigt Messwerte zur Transpiration von Blattstücken.
| Zustand des Blattes | relative Luftfeuchte der Umgebung | Transpiration in mg Wasser je g Blatt und Stunde |
|---|---|---|
| flach ausgebreitet | 80 % | 60 |
| flach ausgebreitet | 30 % | 150 |
| eingerollt | 30 % | 45 |
- Beschreiben Sie den Bau des eingerollten Blattes anhand von M1.
- Entnehmen Sie M2, um wie viel Prozent die Transpiration eines Blattes in trockener Luft durch das Einrollen sinkt.
- Erläutern Sie drei Merkmale aus M1 als Struktur-Funktions-Beziehungen.
- Vergleichen Sie das Strandhaferblatt mit dem Laubblatt eines Mesophyten hinsichtlich Kutikula, Lage der Spaltöffnungen und Blattfläche.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Das Blatt ist zu einer fast geschlossenen Röhre eingerollt; nur zwischen den Blatträndern bleibt ein schmaler Spalt. Die Außenseite ist die Blattunterseite: Sie trägt eine dicke Kutikula, darunter liegt eine Schicht Festigungsgewebe; Spaltöffnungen fehlen hier. Die Innenseite (Blattoberseite) ist in Rippen und Furchen gegliedert. In den Rippen verlaufen die Leitbündel, in den Furchen liegen die Spaltöffnungen, umgeben von Haaren. Im Inneren liegt ein Hohlraum.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bei 30 % Luftfeuchte sinkt die Transpiration von 150 auf 45 mg je g und h, also um 105 mg je g und h. Das entspricht \(105 : 150 = 0{,}70\), also einer Abnahme um 70 %.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Einrollen/Hohlraum: Der Wasserdampf, der aus den Spaltöffnungen austritt, sammelt sich im fast geschlossenen, windgeschützten Hohlraum. Die Luft dort ist feucht, das Konzentrationsgefälle zwischen Interzellularen und Luft wird klein — die stomatäre Transpiration sinkt (M2: um 70 %).
Spaltöffnungen in Furchen mit Haaren: Die Furchen und die Haare halten zusätzlich eine ruhende, feuchte Luftschicht direkt vor den Spaltöffnungen fest; Wind kann sie nicht fortblasen.
Dicke Kutikula ohne Spaltöffnungen außen: Die dem Wind und der Sonne zugewandte Außenseite gibt kaum Wasser ab, weil die dicke Wachsschicht die kutikuläre Transpiration verringert. Das Festigungsgewebe stabilisiert das Blatt, sodass es beim Austrocknen nicht welkt oder vom Sand beschädigt wird.
Ein Merkmal mit Wirkung und Begründung genügt jeweils; auch die Gelenkzellen (Einrollen bei Wasserverlust) sind als Merkmal zulässig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Kutikula: beim Mesophyten dünn, beim Strandhafer außen dick. Spaltöffnungen: beim Mesophyten frei auf Höhe der Epidermis, meist auf der Blattunterseite und damit direkt der Außenluft ausgesetzt; beim Strandhafer nur auf der Oberseite, eingesenkt in Furchen mit Haaren und beim Einrollen im Inneren der Röhre. Blattfläche: beim Mesophyten groß, dünn und flach ausgebreitet; beim Strandhafer schmal und durch das Einrollen stark verkleinert.
Gemeinsam ist beiden, dass sie Spaltöffnungen mit Schließzellen, chloroplastenhaltiges Gewebe und Leitbündel besitzen und CO₂ nur über die Spaltöffnungen aufnehmen. Der Mesophyt fördert den Gasaustausch, der Strandhafer begrenzt den Wasserverlust.
Weizen und Mais im Hitzesommer
AFB I–IIIWeizen ist eine C3-Pflanze, Mais eine C4-Pflanze. In einem Gewächshausversuch wurde die Netto-Fotosyntheserate beider Arten unter verschiedenen Bedingungen gemessen (M3). Bei halb geschlossenen Spaltöffnungen sinkt die CO₂-Konzentration in den Interzellularen des Blattes deutlich. M4 zeigt schematisch, wie ein C4-Blatt CO₂ bindet. Die PEP-Carboxylase (PEPC) hat eine sehr hohe Affinität zu HCO₃⁻ und setzt, anders als Rubisco, keinen Sauerstoff um. Das Zurückbilden von PEP kostet ATP.
| Messung | Bedingungen | Weizen (C3) | Mais (C4) |
|---|---|---|---|
| A | 25 °C, mittleres Licht, Spaltöffnungen offen | 22 | 28 |
| B | 35 °C, starkes Licht, Spaltöffnungen offen | 18 | 42 |
| C | 35 °C, starkes Licht, Spaltöffnungen halb geschlossen | 8 | 36 |
| D | 25 °C, starkes Licht, CO₂-Gehalt der Luft auf ein Viertel gesenkt | 3 | 20 |
| E | 15 °C, mittleres Licht, Spaltöffnungen offen | 17 | 11 |
- Stellen Sie anhand von M4 den Weg eines CO₂-Moleküls von der Luft bis in den Zucker dar und benennen Sie die beteiligten Zelltypen und Enzyme.
- Werten Sie M3 aus.
- Erklären Sie die Unterschiede zwischen Weizen und Mais in den Messungen C und D mithilfe von M4 sowie das Ergebnis von Messung E.
- Ein Landwirt aus Niedersachsen meint: „Weil die Sommer heißer werden, sollten wir den Weizen möglichst ganz durch C4-Pflanzen wie Mais ersetzen.“ Nehmen Sie aus biologischer Sicht zu dieser Aussage Stellung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
CO₂ gelangt durch die Spaltöffnungen in die Interzellularen und löst sich in den Mesophyllzellen als Hydrogencarbonat (HCO₃⁻). Die PEP-Carboxylase bindet es an Phosphoenolpyruvat (PEP, C3); es entsteht Oxalacetat (C4), das zu Malat umgewandelt wird.
Malat wandert über Plasmodesmen in die Bündelscheidenzellen, die kranzförmig um das Leitbündel liegen. Dort wird CO₂ wieder abgespalten; Rubisco fixiert es im Calvin-Zyklus, der entstehende Zucker gelangt ins Leitbündel. Das zurückbleibende Pyruvat kehrt ins Mesophyll zurück und wird unter ATP-Verbrauch wieder zu PEP. Vorfixierung und Calvin-Zyklus sind so räumlich getrennt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
A: Bei gemäßigten Bedingungen sind beide Arten ähnlich leistungsfähig (Mais etwas höher, 28 zu 22).
B: Bei Hitze und starkem Licht steigt die Rate des Maises auf 42, die des Weizens sinkt auf 18 — Mais fixiert mehr als das Doppelte.
C: Mit halb geschlossenen Spaltöffnungen bricht Weizen auf 8 ein (weniger als die Hälfte von B), Mais behält mit 36 rund 86 % seiner Rate.
D: Bei stark gesenktem CO₂-Gehalt fixiert Weizen kaum noch (3), Mais noch 20.
E: Bei 15 °C kehrt sich das Verhältnis um: Weizen (17) liegt über Mais (11).
Gesamtaussage: C4-Pflanzen sind bei Hitze, starkem Licht und wenig CO₂ im Blatt überlegen, C3-Pflanzen bei kühlen Temperaturen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
In C und D ist die CO₂-Konzentration im Blatt gering. Beim Weizen bindet Rubisco CO₂ direkt; bei wenig CO₂ arbeitet sie langsam und setzt zunehmend O₂ statt CO₂ um, wobei bereits fixierter Kohlenstoff wieder als CO₂ verloren geht. Die Netto-Rate sinkt stark.
Beim Mais bindet die PEP-Carboxylase dank ihrer hohen Affinität auch geringe Mengen CO₂ (als HCO₃⁻) und reagiert nicht mit O₂. Über Malat wird CO₂ in den Bündelscheidenzellen angereichert, sodass Rubisco dort nahe der Sättigung arbeitet — die Rate bleibt hoch.
E: Die Vorfixierung kostet je CO₂ zusätzlich ATP. Bei 15 °C ist das CO₂-Problem der C3-Pflanze gering (Rubisco bindet bei niedriger Temperatur relativ mehr CO₂ als O₂), der Mehraufwand der C4-Pflanze lohnt nicht; zudem arbeiten die Enzyme des Maises, einer Pflanze aus warmen Gebieten, bei Kälte langsamer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für die Aussage spricht: In heißen, trockenen Sommern erreichen C4-Pflanzen auch mit halb geschlossenen Spaltöffnungen hohe Raten (M3, B–D) und verlieren je fixiertem CO₂ weniger Wasser. Mit dem Klimawandel werden solche Bedingungen häufiger.
Dagegen spricht: Bei kühlen Temperaturen ist Weizen überlegen (M3, E) — in Niedersachsen sind Frühjahr und Herbst oft kühl, Wintergetreide wächst sogar über den Winter. Mais und Weizen liefern unterschiedliche Produkte (Brotgetreide vs. Futter/Energiepflanze); eine Monokultur erhöht Risiken durch Schädlinge, Bodenerosion und Nährstoffauswaschung. Außerdem ist die Fotosyntheserate nicht der einzige Faktor für den Ertrag.
Position (Beispiel): Ein vollständiger Ersatz ist nicht sinnvoll; ein höherer Anteil an C4-Kulturen oder hitzetolerante Sorten können aber eine Anpassung an heißere Sommer sein.