Sonnenblatt und Schattenblatt
AFB I–IIAn einer frei stehenden Rotbuche wurden je ein Blatt aus der sonnigen Außenkrone (Sonnenblatt) und aus dem schattigen Kroneninneren (Schattenblatt) in eine Messküvette eingespannt. Bei 20 °C und 0,04 % \(\ce{CO2}\) wurde die Netto-\(\ce{CO2}\)-Aufnahme bei verschiedenen Beleuchtungsstärken gemessen (M1). Das Sonnenblatt ist deutlich dicker und besitzt ein mehrschichtiges Palisadengewebe, das Schattenblatt ist dünn und großflächig.
| Beleuchtungsstärke in klx | 0 | 1 | 2 | 5 | 10 | 20 | 40 | 60 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sonnenblatt | −1,5 | −0,8 | −0,1 | 1,9 | 4,8 | 8,3 | 9,7 | 10,1 |
| Schattenblatt | −0,4 | 0,3 | 1,0 | 2,6 | 3,9 | 4,4 | 4,5 | 4,5 |
- Zeichnen Sie die Lichtkurven beider Blätter in ein gemeinsames Diagramm.
- Bestimmen Sie für beide Blätter die Atmungsrate, den Lichtkompensationspunkt und die Beleuchtungsstärke, ab der etwa Lichtsättigung vorliegt.
- Vergleichen Sie die Bruttofotosyntheseraten beider Blätter bei 2 klx und bei 40 klx.
- Erklären Sie die Unterschiede der Lichtkurven mit dem Bau der Blätter und ihrem Standort.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beschriftete Achsen mit Einheiten (x: 0–60 klx; y: etwa −2 bis 11 mg · dm⁻² · h⁻¹), Nulllinie, zwei unterscheidbare, gekennzeichnete Kurven. Die Sonnenblatt-Kurve beginnt tiefer, steigt länger an und erreicht ein deutlich höheres Plateau; die Schattenblatt-Kurve steigt anfangs steil und wird ab etwa 20 klx waagerecht; die Kurven schneiden sich zwischen 5 und 10 klx.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Atmungsrate (Wert bei 0 klx): Sonnenblatt 1,5, Schattenblatt 0,4 mg · dm⁻² · h⁻¹.
Lichtkompensationspunkt: Sonnenblatt knapp über 2 klx (Vorzeichenwechsel zwischen 2 und 5 klx, lineare Interpolation ≈ 2,1 klx), Schattenblatt ≈ 0,6 klx (zwischen 0 und 1 klx).
Lichtsättigung: Schattenblatt ab etwa 20 klx (4,4 → 4,5), Sonnenblatt erst ab etwa 40 klx, bei 60 klx noch leichter Anstieg (9,7 → 10,1).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
2 klx: Sonnenblatt \(-0{,}1 + 1{,}5 = 1{,}4\), Schattenblatt \(1{,}0 + 0{,}4 = 1{,}4\) — die Bruttoraten sind gleich; netto liegt das Schattenblatt nur wegen seiner geringeren Atmung vorn.
40 klx: Sonnenblatt \(9{,}7 + 1{,}5 = 11{,}2\), Schattenblatt \(4{,}5 + 0{,}4 = 4{,}9\) — das Sonnenblatt erreicht mehr als die doppelte Bruttorate.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das dicke Sonnenblatt enthält pro Fläche mehr Palisadenzellen, Chloroplasten und Enzyme des Calvin-Zyklus. Es kann starkes Licht nutzen: hohe maximale Rate, späte Lichtsättigung. Die vielen lebenden Zellen atmen aber auch stärker; deshalb liegt der Kompensationspunkt höher, und bei schwachem Licht ist die Nettorate geringer.
Das dünne Schattenblatt hat wenig atmendes Gewebe und damit eine geringe Atmungsrate. Schon bei sehr wenig Licht erzielt es eine positive Bilanz — eine Angepasstheit an den lichtarmen Standort im Kroneninneren. Seine geringe Enzymausstattung begrenzt die Rate bei starkem Licht früh.
Tomaten im Winter-Gewächshaus
AFB II–IIIEin Gemüsegärtner möchte seine Tomatenpflanzen im Winter schneller wachsen lassen. Er erwägt, das Gewächshaus von 20 °C auf 30 °C zu heizen und zusätzlich mit \(\ce{CO2}\) zu begasen. An trüben Wintertagen erreicht das Licht im Gewächshaus nur etwa 5 klx. In einem Laborversuch wurde die Netto-\(\ce{CO2}\)-Aufnahme von Tomatenblättern unter drei Bedingungen gemessen (M2).
- Nennen Sie die unabhängigen Variablen, die abhängige Variable und drei zu kontrollierende Variablen des Versuchs in M2.
- Werten Sie M2 im Hinblick auf den jeweils begrenzenden Faktor aus.
- Entwickeln Sie ein hypothesengeleitetes Experiment, mit dem sich im Schullabor prüfen lässt, ob eine \(\ce{CO2}\)-Erhöhung bei 5 klx die Fotosyntheserate von Tomatenblättern steigert. Gehen Sie auch auf mögliche Fehlerquellen ein.
- Beurteilen Sie den Plan des Gärtners.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Unabhängige Variablen: Beleuchtungsstärke (entlang jeder Kurve), \(\ce{CO2}\)-Konzentration (A gegenüber B) und Temperatur (B gegenüber C).
Abhängige Variable: Netto-\(\ce{CO2}\)-Aufnahme der Blätter.
Kontrollierte Variablen, z. B.: Pflanzensorte und Blattalter, Blattfläche in der Küvette, Luftfeuchtigkeit, Wasserversorgung, Lichtqualität (Lampentyp), Messdauer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bei 0 klx zeigen A und B eine Atmungsrate von 1, C von 2 mg · dm⁻² · h⁻¹: Die höhere Temperatur steigert die Zellatmung (RGT-Regel).
Schwachlicht (bis etwa 8 klx): Alle Kurven liegen dicht beieinander (bei 5 klx A ≈ 2,8, B ≈ 2,9, C ≈ 1,9). Mehr \(\ce{CO2}\) (A → B) ändert fast nichts — Licht ist der Minimumfaktor. C liegt sogar tiefer, weil die Atmung stärker gestiegen ist als die lichtbegrenzte Bruttofotosynthese.
Starklicht (40 klx): A sättigt bei etwa 8,6, B erreicht 13,7 — bei 0,04 % begrenzt \(\ce{CO2}\). C erreicht 18,4 — bei 0,10 % \(\ce{CO2}\) und 20 °C begrenzt die Temperatur (Enzymaktivität des Calvin-Zyklus).
Gesamtaussage: Die Rate wird jeweils vom Faktor begrenzt, der im Minimum ist; ein anderer Faktor wirkt erst, wenn dieser erhöht wurde.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Hypothese, z. B.: „Bei 5 klx steigert eine \(\ce{CO2}\)-Erhöhung von 0,04 % auf 0,10 % die Nettofotosyntheserate nicht wesentlich, weil Licht begrenzt.“
Durchführung: Gleich große Blattstücke derselben Pflanze in geschlossene Küvetten mit \(\ce{CO2}\)-Sensor; ein Ansatz mit Umgebungsluft, einer mit auf 0,10 % angereicherter Luft (bzw. Blattscheibchen-Methode mit zwei \(\ce{NaHCO3}\)-Konzentrationen). LED-Lampe auf 5 klx eingestellt (Luxmeter), Temperatur 20 °C (Wasserbad), gleiche Messdauer. Unabhängige Variable: \(\ce{CO2}\)-Konzentration; abhängige Variable: \(\ce{CO2}\)-Abnahme pro Zeit und Blattfläche.
Kontrollen: Dunkelansatz zur Bestimmung der Atmungsrate; mindestens drei Wiederholungen je Ansatz, Mittelwerte bilden.
Fehlerquellen: Erwärmung durch die Lampe, undichte Küvetten, Sensordrift, unterschiedliche Blätter (Alter, Dicke), sinkende \(\ce{CO2}\)-Konzentration während der Messung. Die Hypothese ist bestätigt, wenn sich die Raten nicht über die Streuung hinaus unterscheiden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
An trüben Tagen (5 klx) ist Licht der Minimumfaktor. \(\ce{CO2}\)-Begasung steigert die Nettorate kaum (2,8 → 2,9); Heizen auf 30 °C senkt sie sogar (→ 1,9), weil die Atmung zunimmt. Zusätzlich steigt die Atmung nachts, sodass die Pflanzen noch mehr Assimilate verlieren. Der Plan kostet Energie und Geld und bewirkt das Gegenteil.
Sinnvoll wäre zuerst eine Zusatzbeleuchtung. Erst bei hohem Lichtangebot lohnen \(\ce{CO2}\)-Begasung und höhere Temperatur (bei 40 klx: 8,6 → 13,7 → 18,4). Einschränkung: Es handelt sich um Modellwerte für einzelne Blätter; das Wachstum der ganzen Pflanze hängt zusätzlich von Wasser, Mineralstoffen und der Atmung aller Organe ab.