Ein Ökosystem im Glas
AFB I–IIIn einem luftdicht verschlossenen Glas mit Teichwasser leben Sprosse der Wasserpest (Elodea) und zwei Posthornschnecken. Das Glas steht bei konstant 20 °C zwölf Stunden unter einer Pflanzenlampe, danach zwölf Stunden im Dunkeln. Eine Sauerstoffelektrode misst den Sauerstoffgehalt des Wassers (M1). Nehmen Sie an, dass die Zellatmung aller Lebewesen im Glas im Hellen genauso schnell abläuft wie im Dunkeln.
- Beschreiben Sie den Verlauf des Sauerstoffgehalts in M1.
- Erklären Sie den Verlauf in der Hell- und in der Dunkelphase mithilfe von Fotosynthese und Zellatmung.
- Ermitteln Sie aus M1, wie viel Sauerstoff (in mg/L) die Wasserpest während der zwölfstündigen Hellphase insgesamt durch Fotosynthese freigesetzt hat.
- Stellen Sie den Kreislauf von Kohlenstoff und Sauerstoff zwischen Wasserpest und Schnecken in einem beschrifteten Schema dar.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Während der Hellphase steigt der Sauerstoffgehalt gleichmäßig (linear) von 7,0 mg/L auf 11,8 mg/L nach 12 h, also um 0,40 mg/L pro Stunde. In der Dunkelphase sinkt er gleichmäßig auf 8,2 mg/L nach 24 h, also um 0,30 mg/L pro Stunde. Nach 24 h liegt der Wert um 1,2 mg/L über dem Anfangswert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Hellphase: Die Wasserpest betreibt Fotosynthese; in den Primärreaktionen wird Wasser gespalten und O₂ freigesetzt. Gleichzeitig verbrauchen Pflanze und Schnecken O₂ in der Zellatmung. Die Fotosynthese überwiegt, der O₂-Gehalt steigt (Nettoproduktion).
Dunkelphase: Ohne Licht fehlen die Primärreaktionen, es wird kein O₂ gebildet. Pflanze und Schnecken atmen weiter und verbrauchen O₂ als Endakzeptor der Atmungskette — der Gehalt sinkt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Atmung aller Lebewesen (aus der Dunkelphase): \(0{,}30\,\mathrm{mg\,L^{-1}\,h^{-1}}\). Nettozunahme im Hellen: \(0{,}40\,\mathrm{mg\,L^{-1}\,h^{-1}}\).
Bruttofreisetzung durch Fotosynthese: \(0{,}40 + 0{,}30 = 0{,}70\,\mathrm{mg\,L^{-1}\,h^{-1}}\); in 12 h: \(0{,}70 \cdot 12 = 8{,}4\,\mathrm{mg/L}\).
Die Rechnung setzt voraus, dass die Atmung im Hellen gleich schnell ist wie im Dunkeln (Annahme im Aufgabentext).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Schema mit zwei Kästen: Wasserpest (autotroph) und Schnecken (heterotroph).
Wasserpest → Schnecken: O₂ (aus der Fotolyse) und organische Stoffe (Glucose, Pflanzenmaterial als Nahrung).
Schnecken → Wasserpest: CO₂ (aus dem Citratzyklus) und H₂O aus der Zellatmung.
Zusätzlich: Die Wasserpest atmet selbst — ein Teil ihres CO₂ und O₂ wird intern umgesetzt. Der Kohlenstoff und der Sauerstoff kreisen; die Energie kommt als Licht hinein und verlässt das Glas als Wärme.
Wie viel Licht steckt im Zucker?
AFB II–IIIIn der Fotosynthese wird Lichtenergie über ATP und NADPH in Glucose gespeichert, in der Zellatmung wird die Energie der Glucose über NADH in ATP überführt. M1 enthält gerundete Literaturwerte, M2 zeigt die Lage der beteiligten Redoxpaare.
| Größe | Wert |
|---|---|
| Energie beim Abbau von 1 mol Glucose zu CO₂ und H₂O | \(2870\,\mathrm{kJ}\) |
| nutzbare Energie aus 1 mol ATP (Hydrolyse zu ADP + Pi) | \(30{,}5\,\mathrm{kJ}\) |
| Energie beim Übertragen der Elektronen von 1 mol NADPH (bzw. NADH) auf O₂ | \(220\,\mathrm{kJ}\) |
| Bedarf des Calvin-Zyklus je mol Glucose | 18 mol ATP, 12 mol NADPH |
| absorbiertes Licht je mol freigesetztes O₂ | etwa 8 mol Photonen zu je \(175\,\mathrm{kJ}\) |
| ATP-Ausbeute der Zellatmung je mol Glucose | etwa 30 mol ATP |
- Vergleichen Sie mithilfe von M2 den Elektronenfluss in Fotosynthese und Zellatmung hinsichtlich Elektronenspender, Elektronenakzeptor und Energie.
- Berechnen Sie mit M1, wie viel Energie der Calvin-Zyklus in Form von ATP und NADPH je mol Glucose einsetzt und welcher Anteil davon in der Glucose gespeichert wird.
- Bestimmen Sie mit M1, welcher Anteil der absorbierten Lichtenergie am Ende in der Glucose gespeichert ist.
- Beurteilen Sie die Aussage „Die Zellatmung ist die Umkehrung der Fotosynthese“ auf stofflicher und auf energetischer Ebene.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Fotosynthese: Elektronenspender ist Wasser (Redoxpaar O₂/H₂O, +0,82 V), Akzeptor ist NADP⁺ (−0,32 V). Die Elektronen werden energetisch „bergauf“ transportiert; dafür ist Lichtenergie nötig (Anregung in PS II und PS I).
Zellatmung: Spender ist NADH (−0,32 V), Akzeptor ist O₂ (+0,82 V). Die Elektronen fließen „bergab“, Energie wird frei und zum Aufbau des H⁺-Gradienten (ATP-Synthese) genutzt.
Gemeinsam: dieselbe Potenzialdifferenz von 1,14 V zwischen denselben Stoffklassen, jedoch in entgegengesetzter Richtung und mit unterschiedlichen Überträgern (NADPH bzw. NADH).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
ATP: \(18 \cdot 30{,}5\,\mathrm{kJ} = 549\,\mathrm{kJ}\); NADPH: \(12 \cdot 220\,\mathrm{kJ} = 2640\,\mathrm{kJ}\); zusammen \(3189\,\mathrm{kJ}\).
Gespeichert: \(2870\,\mathrm{kJ} / 3189\,\mathrm{kJ} \approx 0{,}90 = 90\,\%\). Der Calvin-Zyklus arbeitet also sehr effizient; rund 10 % werden als Wärme frei.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Photonen je mol Glucose: \(6 \cdot 8 = 48\,\mathrm{mol}\); Lichtenergie: \(48 \cdot 175\,\mathrm{kJ} = 8400\,\mathrm{kJ}\).
Anteil in Glucose: \(2870 / 8400 \approx 0{,}34 = 34\,\%\). Die größten Verluste entstehen in den Primärreaktionen (Anregung, Elektronentransport, H⁺-Gradient).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Stofflich: Die Summengleichungen \(\ce{6 CO2 + 12 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O}\) und \(\ce{C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O -> 6 CO2 + 12 H2O}\) sind gegenläufig — insofern stimmt die Aussage. Die Wege sind aber verschieden: andere Orte (Chloroplast bzw. Cytoplasma und Mitochondrium), andere Enzyme und Zwischenprodukte (Calvin-Zyklus ist kein umgekehrter Citratzyklus), andere Überträger (NADPH bzw. NADH).
Energetisch: Für 1 mol Glucose werden etwa 8400 kJ Licht absorbiert, gespeichert werden 2870 kJ. Die Zellatmung gewinnt daraus nur etwa \(30 \cdot 30{,}5\,\mathrm{kJ} \approx 915\,\mathrm{kJ}\) als ATP (rund 32 %); der Rest wird als Wärme frei. Energie wird in beiden Prozessen entwertet und fließt nicht zurück.
Urteil: Nur auf der Ebene der Summengleichungen ist die Zellatmung eine Umkehrung der Fotosynthese; als Prozess und energetisch ist sie es nicht — Stoffe kreisen, Energie fließt nur einmal durch.