Übung AFB III

Musterlösung: Kriterium ist, ob die Pflanze bei starker Sonne mehrere Tage ohne Wasser auskommt. Springkraut (A) besitzt ein typisches Mesophytenblatt: große, dünne Fläche, dünne Kutikula, Spaltöffnungen an der Oberfläche — es verliert viel Wasser und welkt. Oleander (B) senkt mit dicker Kutikula und Spaltöffnungen in behaarten Krypten die Transpiration; die Haare halten eine feuchte, windstille Luftschicht fest. Die Hauswurz (C) speichert Wasser und hat eine kleine Oberfläche.

Urteil: B und C sind geeignet, A nicht. Die Merkmale sind erblich (Angepasstheit) — keine der Pflanzen baut ihre Blätter in wenigen Tagen um.

Musterlösung: Richtig ist, dass ein blaues Photon (450 nm, ≈ 2,76 eV) etwa 1,5-mal so viel Energie trägt wie ein rotes (680 nm, ≈ 1,82 eV). Das Chlorophyll gelangt dabei aber in den Zustand S₂ und fällt in Bruchteilen einer Pikosekunde strahlungslos auf S₁ zurück; der Überschuss wird Wärme. Über den Energietrichter erreicht das Reaktionszentrum je Photon dieselbe Anregungsenergie — eine Ladungstrennung pro Photon.

Bei gleicher elektrischer Leistung liefert eine rote LED deshalb mehr Photonen und damit mehr Ladungstrennungen. Meine Position: Die Werbung geht von einer richtigen Tatsache aus, zieht aber den falschen Schluss. Pro Watt ist rotes Licht mindestens ebenso wirksam; blaues Licht kann aus anderen Gründen (z. B. Wuchsform) sinnvoll ergänzt werden.

Musterlösung: Am Lichtkompensationspunkt (hier 2 klx) wäre nur die Bilanz während der Lichtphase ausgeglichen; die nächtliche Atmung bliebe ungedeckt. Für die Tagesbilanz gilt \(12\,\mathrm{h}\cdot(0{,}5\cdot I-1)=12\,\mathrm{h}\cdot1\), also \(I=4\,\mathrm{klx}\).

Festlegung: Standort C (6 klx) — Tagesbilanz \(12\cdot2-12=+12\,\mu\mathrm{mol\,O_2}\). A und B liegen unter 4 klx (negative Bilanz), D wäre möglich, ist aber nicht der Standort mit dem geringsten ausreichenden Licht.

Musterlösung: Hypothese: Die Blutbuche enthält Chlorophyll a, das von einem roten Farbstoff überdeckt wird. Blätter von Blut- und Rotbuche werden getrennt mit Sand und Aceton zerrieben und filtriert. Beide Extrakte werden nebeneinander auf dieselbe Kieselgelplatte aufgetragen und im selben Fließmittel entwickelt; die Front wird sofort markiert.

Auswertung: Zeigt der Blutbuchen-Extrakt eine blaugrüne Bande auf gleicher Höhe (gleicher Rf-Wert) wie Chlorophyll a der Rotbuche, ist die Hypothese bestätigt. Der rote Farbstoff (ein wasserlösliches Pigment der Vakuole) wandert im unpolaren Fließmittel kaum und stört die Auswertung nicht.

Musterlösung: Der Calvin-Zyklus verbraucht je CO₂ 3 ATP und 2 NADPH. Beide Stoffe entstehen ausschließlich in den Primärreaktionen an der Thylakoidmembran, die Licht benötigen. Nach dem Ausschalten des Lichts sind ATP und NADPH nach kurzer Zeit aufgebraucht, die CO₂-Fixierung kommt zum Stillstand.

Der Zyklus läuft also tagsüber, nicht nachts. Richtig ist nur, dass Licht nicht unmittelbar auf seine Reaktionen wirkt — er ist indirekt lichtabhängig.

Musterlösung: Für die These spricht, dass Regenwälder pro Fläche sehr viel Fotosynthese betreiben und dabei O₂ aus Wasser freisetzen. Dagegen spricht, dass die Organismen des Waldes den gebildeten Sauerstoff bei Atmung und Zersetzung fast vollständig wieder verbrauchen; ein ausgewachsener Wald hat eine nahezu ausgeglichene O₂-Bilanz. Außerdem ist der O₂-Vorrat der Atmosphäre so groß, dass unsere Atemluft nicht von einem einzelnen Ökosystem abhängt.

Ergebnis: Als „Sauerstofflieferant“ ist das Bild der Lunge falsch. Schützenswert ist der Regenwald trotzdem — als großer Kohlenstoffspeicher, dessen Rodung CO₂ freisetzt, und wegen seiner Artenvielfalt.

Musterlösung: Das gemeinsame Prinzip beider Organellen ist die chemiosmotische ATP-Bildung: Eine Elektronentransportkette baut einen H⁺-Gradienten auf (ins Thylakoidlumen bzw. in den Intermembranraum), die ATP-Synthase nutzt den Rückstrom, ATP entsteht im Stroma bzw. in der Matrix. Diese Analogien sind tragfähig, ebenso NADPH/NADH als Wasserstoffüberträger.

Nicht tragfähig sind Analogien, die eine einfache Umkehrung behaupten (Calvin-Zyklus ≠ rückwärts laufender Citratzyklus) oder Vorgänge falsch gleichsetzen (Glykolyse spaltet Glucose). Die Energierichtung ist entgegengesetzt: Im Chloroplasten hebt Licht die Elektronen an, im Mitochondrium geben sie schrittweise Energie ab.

Musterlösung: Ein Spross der Wasserpest steht in Wasser mit Natriumhydrogencarbonat bei konstanter Temperatur (Wasserbad). Nacheinander wird er durch den roten, grünen und blauen Filter beleuchtet; die Lichtintensität hinter jedem Filter wird gleich eingestellt. Nach einer Eingewöhnungszeit werden jeweils drei Minuten lang die O₂-Bläschen gezählt; jede Messung wird wiederholt. Ein Ansatz im Dunkeln dient als Kontrolle.

Erwartung: Unter rotem und blauem Licht steigen deutlich mehr Bläschen auf als unter grünem, weil die Chlorophylle dort ihre Absorptionsmaxima haben (Grünlücke).

Musterlösung: Bei 10 °C erreicht der Weizen 14, der Mais nur 6 µmol CO₂ · m⁻² · s⁻¹; bei 20 °C sind beide etwa gleich. Erst bei 30 und 40 °C liegt der Mais klar vorn (34 bzw. 36 gegen 17 bzw. 9).

Die Hypothese ist widerlegt. Der Vorteil der C4-Pflanze entsteht durch die CO₂-Anreicherung in den Bündelscheidenzellen: Sie verhindert, dass Rubisco bei Hitze und engem Spalt O₂ umsetzt. Diese Vorfixierung kostet zusätzliches ATP — bei kühlen Temperaturen überwiegt dieser Nachteil. Richtig wäre: „C4-Pflanzen sind C3-Pflanzen an heißen, hellen, trockenen Standorten überlegen.“

Musterlösung: „Wenn Grünalgen im Licht nur wenige Sekunden ¹⁴CO₂ erhalten und sofort abgetötet werden, dann ist fast nur das erste stabile Fixierungsprodukt radioaktiv markiert, weil die Markierung in so kurzer Zeit noch nicht an Folgeprodukte weitergegeben wurde.“

Überprüfbar ist sie durch Chromatografie und Autoradiografie der Extrakte nach verschiedenen Markierungszeiten. CALVINS Befund: Nach etwa 5 s ist fast nur 3-PG markiert — die Hypothese wird bestätigt und 3-PG als erstes stabiles Produkt identifiziert.