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Übung AFB II

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.
    A4
    Blattscheibe in der Messkammer
    AFB II
    Material: Gaswechsel einer Buchen-Blattscheibe (Modellwerte)

    Im Licht gibt die Blattscheibe netto 25 µmol O₂ pro Stunde ab. Im Dunkeln nimmt sie 5 µmol O₂ pro Stunde auf. Die Atmung ist im Licht gleich groß wie im Dunkeln.

    Ermitteln Sie Schritt für Schritt die Bruttofotosyntheserate, die daraus gebildete Glucose und das dafür im Calvin-Zyklus verbrauchte ATP (alles pro Stunde).

    Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
    1. Bruttorate in µmol O₂/h µmol/h
    2. gebildete Glucose in µmol/h µmol/h
    3. verbrauchtes ATP in µmol/h µmol/h
    Brutto = Netto + Atmung = 25 + 5 = 30 µmol O₂/h. Je Glucose entstehen 6 O₂ → 30 : 6 = 5 µmol Glucose/h. Je Glucose 18 ATP → 5 · 18 = 90 µmol ATP/h.
    Die gemessene O₂-Abgabe ist die Nettorate — die Atmung läuft im Licht weiter.
    \(P_\text{brutto}=P_\text{netto}+R\); 6 O₂ je Glucose; 18 ATP je Glucose.
    30 µmol/h · 5 µmol/h · 90 µmol/h
    Lösung anzeigen
    \(P_\text{brutto}=25+5=30\,\mu\mathrm{mol\,O_2\,h^{-1}}\). Nach der Gesamtgleichung gehören zu einer Glucose 6 O₂: \(30:6=5\,\mu\mathrm{mol}\) Glucose pro Stunde. Der Calvin-Zyklus braucht 18 ATP je Glucose: \(5\cdot18=90\,\mu\mathrm{mol}\) ATP pro Stunde.
    A5
    Plötzlich kaum CO₂
    AFB II
    Material: Zwischenprodukte bei CO₂-Entzug (Modellwerte)

    Grünalgen werden bei gleichbleibendem Licht mit 1 % CO₂ versorgt. Zum Zeitpunkt 0 wird die CO₂-Konzentration auf 0,003 % gesenkt. Gemessen werden die Mengen an 3-PG und RuBP (relativ, vor der Umstellung = 100).

    Zeit in min−1135
    3-PG100553025
    RuBP100190260270

    Deuten Sie die Messwerte: Entscheiden Sie bei jeder Deutung, ob sie stimmt.

    5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
    Aussage 1 von 5

    Ein Stoff reichert sich an, wenn sein Verbrauch stoppt, seine Bildung aber weiterläuft. Beim CO₂-Entzug stoppt die Fixierung (Verbrauch von RuBP, Bildung von 3-PG), Reduktion und Regeneration laufen mit ATP und NADPH aus dem Licht weiter.
    Welcher Schritt des Calvin-Zyklus braucht CO₂, welche brauchen ATP und NADPH?
    Stau vor dem blockierten Schritt, Mangel dahinter: RuBP steht vor der Fixierung, 3-PG dahinter.
    stimmt · stimmt · stimmt · stimmt nicht · stimmt nicht
    Lösung anzeigen
    Beim CO₂-Entzug stoppt die Fixierung durch Rubisco. RuBP wird weiter aus G3P regeneriert (ATP aus dem Licht), aber nicht mehr verbraucht — es steigt. 3-PG wird weiter mit ATP und NADPH reduziert, aber nicht nachgebildet — es sinkt. Die gegenläufigen Verläufe zeigen, dass RuBP der CO₂-Akzeptor und 3-PG das Fixierungsprodukt ist. Beim Ausschalten des Lichts wären die Verläufe spiegelbildlich (3-PG steigt, RuBP sinkt).
    A6
    DCPIP im farbigen Licht
    AFB II
    Material: HILL-Reaktion bei verschiedenem Licht (Modellwerte)

    Isolierte Spinat-Thylakoide werden in CO₂-freier Pufferlösung mit dem blauen Farbstoff DCPIP gemischt. Drei gleiche Ansätze werden mit rotem Licht, mit grünem Licht gleicher Intensität bzw. gar nicht beleuchtet. Gemessen wird die Extinktion bei 600 nm (blaues DCPIP absorbiert dort, farbloses DCPIPH₂ nicht).

    Zeit in min02468
    Rotlicht1,000,800,610,430,25
    Grünlicht1,000,960,920,880,84
    dunkel1,001,000,991,001,00

    Werten Sie die Messreihe aus, indem Sie jede Aussage vervollständigen. Dazu brauchen Sie auch die Absorptionsspektren aus 2.2.1.

    Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag. Alle Felder müssen stimmen.
    AussageErgänzung
    Im Rotlicht sinkt die Extinktion pro Minute um …
    Im Grünlicht verläuft die Entfärbung langsamer, weil …
    Der Dunkelansatz zeigt, dass …
    Die Elektronen, die DCPIP reduzieren, stammen …
    Die Extinktion fällt im Rotlicht in 8 min von 1,00 auf 0,25, also um 0,75 : 8 ≈ 0,09 pro Minute; im Grünlicht nur um 0,02 pro Minute. Rotes Licht wird von den Chlorophyllen stark absorbiert, grünes kaum. DCPIP ersetzt als künstlicher Elektronenakzeptor das NADP⁺; die Elektronen liefert das Wasser — auch ohne CO₂.
    Rechnen Sie die Abnahme im Rotlicht über 8 Minuten aus und teilen Sie durch die Zeit.
    Denken Sie an das Absorptionsspektrum der Chlorophylle: Welche Farbe wird kaum absorbiert?
    0,09 · Grünlücke · nur bei Licht · aus dem Wasser
    Lösung anzeigen
    Rotlicht: \((1{,}00-0{,}25):8\,\mathrm{min}\approx0{,}09\,\mathrm{min^{-1}}\); Grünlicht: \((1{,}00-0{,}84):8\approx0{,}02\,\mathrm{min^{-1}}\). Grünes Licht liegt in der Grünlücke und treibt die Primärreaktionen kaum an. Der Dunkelansatz ist die Kontrolle: DCPIP entfärbt sich nicht von selbst. Da die Lösung CO₂-frei ist, stammen die Elektronen aus der Fotolyse des Wassers; DCPIP übernimmt sie anstelle von NADP⁺.
    A7
    Bedarf für drei Umläufe
    AFB II

    Leiten Sie aus den drei Phasen des Calvin-Zyklus her, wie viel ATP und NADPH für drei Umläufe (3 CO₂) nötig sind. Tragen Sie die Zwischenergebnisse ein.

    Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
    GrößeAnzahl
    gebildete 3-PG-Moleküle bei der Fixierung
    ATP für die Reduktion
    NADPH für die Reduktion
    ATP für die Regeneration
    ATP insgesamt
    Drei CO₂ an drei RuBP ergeben sechs 3-PG. Jedes 3-PG braucht ein ATP und ein NADPH → 6 ATP, 6 NADPH. Aus fünf der sechs G3P werden drei RuBP; die Regeneration kostet ein ATP je RuBP → 3 ATP. Zusammen 9 ATP und 6 NADPH — also 3 ATP und 2 NADPH je CO₂.
    Fixierung: Jedes CO₂ macht aus einem RuBP zwei 3-PG.
    Reduktion: 1 ATP + 1 NADPH je 3-PG. Regeneration: 1 ATP je entstehendem RuBP.
    6 · 6 · 6 · 3 · 9
    Lösung anzeigen
    \(3\,\ce{CO2}+3\,\text{RuBP}\to6\,\text{3-PG}\). Reduktion: \(6\) ATP und \(6\) NADPH → 6 G3P. Ein G3P wird entnommen, aus 5 G3P entstehen 3 RuBP unter Verbrauch von 3 ATP. Summe: 9 ATP, 6 NADPH für 3 CO₂ (Verhältnis 3 : 2).
    A8
    Wer begrenzt hier?
    AFB II

    Ordnen Sie jede Situation danach ein, welcher Faktor dort der Minimumfaktor der Fotosynthese ist.

    Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (1, 2, 3; 0 legt sie zurück).
    1Licht
    2CO₂
    3Temperatur
    Minimumfaktor ist der Faktor, dessen Erhöhung die Rate steigert. Im Schatten und in der Dämmerung ist es das Licht; bei starkem Licht oft das CO₂ (Luft: nur 0,04 %); bei Kälte bremsen die langsamen Enzyme des Calvin-Zyklus.
    Fragen Sie jeweils: Welche Änderung würde die Rate sofort steigern?
    Abgekochtes Wasser enthält kaum gelöstes CO₂.
    Licht: Hecke, Dämmerung · CO₂: Gewächshaus, Wasserpest · Temperatur: Frostmorgen, Bergsee
    Lösung anzeigen
    Licht: Salat im Schatten, Buchenblatt in der Dämmerung. CO₂: Gewächshaus mit Sonne (Begasung wirkt), Wasserpest in abgekochtem Wasser (Hydrogencarbonat wirkt). Temperatur: Frostmorgen und kalter Bergsee — trotz viel Licht arbeiten die Enzyme langsam.
    A9
    Sauerstoff aus einer Buche
    AFB II
    Material: Tagesbilanz einer Buche (Modellwert)

    Eine große Buche bildet an einem sonnigen Sommertag netto etwa 10 mol Glucose. 1 mol eines Gases nimmt bei 20 °C rund 24 L ein.

    Schätzen Sie ab, wie viele Liter O₂ die Buche an diesem Tag netto an die Luft abgibt.

    Ziehen Sie den Regler auf Ihren Schätzwert und klicken Sie dann auf „Schätzung prüfen“ — mit der Tastatur verstellen ←/→ den Regler.
    0 L3000 L
    Je Glucose entstehen 6 O₂: 10 mol · 6 = 60 mol O₂; 60 mol · 24 L/mol ≈ 1440 L — also rund 1,4 m³ Sauerstoff an einem Tag. Wer den Faktor 6 vergisst, landet bei 240 L.
    Die Gesamtgleichung verknüpft Glucose und O₂.
    1 Glucose ↔ 6 O₂; dann Stoffmenge in Volumen umrechnen.
    10 · 6 · 24 L ≈ 1440 L
    Lösung anzeigen
    \(n(\ce{O2})=6\cdot10\,\mathrm{mol}=60\,\mathrm{mol}\); \(V\approx60\,\mathrm{mol}\cdot24\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\approx1440\,\mathrm{L}\). Da die Glucose netto angegeben ist, ist der von der Atmung verbrauchte Sauerstoff bereits abgezogen.
    A10
    Ohne Licht keine Glucose
    AFB II

    Ein Schüler begründet, warum eine Pflanze im Dunkeln nach kurzer Zeit keine Glucose mehr bildet. Begründen Sie den Sachverhalt korrekt, indem Sie die fehlerhaften Schritte seiner Begründung markieren.

    In dieser Begründung stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
    Die korrekte Begründung läuft über die Kopplung: Licht → Primärreaktionen → ATP und NADPH → Calvin-Zyklus. Der Calvin-Zyklus braucht kein Licht direkt, aber ohne Nachschub aus den Primärreaktionen kommt er nach kurzer Zeit zum Erliegen.
    Prüfen Sie jede Zeile: Braucht der genannte Stoff oder das Enzym wirklich direkt Licht?
    Welche Wasserstoffüberträger bildet die Zellatmung, welchen braucht der Calvin-Zyklus?
    Fehlerhaft sind die Zeilen 4 und 5.
    Lösung anzeigen
    Zeilen 4 und 5 sind falsch. Richtig: Der Calvin-Zyklus ist nur indirekt lichtabhängig; er läuft nach dem Ausschalten des Lichts noch kurz weiter, bis ATP und NADPH verbraucht sind. Die Zellatmung liefert kein NADPH für die Chloroplasten.