Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion
Pflanzen nutzen Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid, um energiereiche Glucose und Sauerstoff zu produzieren - ein Prozess namens Fotosynthese. Entdecke historische Experimente zur Fotosynthese von Helmont und Priestley und lerne, wie Licht und Gase mit diesem Prozess zusammenhängen. Interessiert? Dies und vieles mehr erfährst du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion
Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion – Biologie
Wie kann man Fotosynthese nachweisen? Pflanzen produzieren mithilfe der Energie aus dem Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid energiereiche Glucose und Sauerstoff. Dieser Prozess wird Fotosynthese genannt. Die Reaktionsgleichung der Fotosynthese lautet:
$\ce{\underset{Kohlenstoffdioxid}{6CO2} + \underset{Wasser}{6H2O} -> \underset{Glucose}{C6H12O6}+ \underset{Sauerstoff}{6O2}}$
Wie wurden diese Zusammenhänge entdeckt? Mit welchen Experimenten wurde die Fotosynthese nachgewiesen? Diesen Fragen gehen wir im folgenden Text auf den Grund.
Experimente zur Fotosynthese – Definition
Um herauszufinden, ob eine Fotosynthese stattfindet, kann man verschiedene Experimente anwenden. In historischen Versuchen zur Fotosynthese wurde erforscht, dass Pflanzen zum Wachstum Wasser, Licht und Gase benötigen.
Der Wissenschaftler Johan Baptista van Helmont fand in seinen Experimenten zur Fotosynthese heraus, dass Pflanzen zur Bildung von organischer Materie auf Wasserzufuhr angewiesen sind. Daneben spielen auch Licht, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eine Rolle. Dies wurde von dem Forscher Joseph Priestley beschrieben. Diese Experimente lernst du im folgendem Video kennen: Joseph Priestley und die Entdeckung der Fotosynthese. Im Folgenden erfährst du, wie genau diese Zusammenhänge aussehen.
Versuche zur Fotosynthese – Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Licht
Belichtet man den Spross der Wasserpest, einer Wasserpflanze, in einem mit Wasser gefüllten Gefäß, kann man folgende Beobachtung machen:
An einigen Stellen der Pflanze treten Gasblasen aus. Diese steigen nach oben und werden in einem geschlossenen Gefäß gesammelt. Mit einem glimmenden Span lässt sich Sauerstoff nachweisen (Glimmspanprobe). Feuer benötigt Sauerstoff, um zu brennen. Glimmt der Span weiter, ist Sauerstoff im Gefäß vorhanden. Mit diesem Versuch wurde nachgewiesen, dass Sauerstoff bei der Fotosynthese entsteht.
Erfolgt die Durchführung des Versuchs in abgekochtem – also kohlenstoffdioxidarmem – Wasser, kann kein Sauerstoff nachgewiesen werden. Somit konnte mit diesem Experiment zur Fotosynthese und der Wasserpest als Versuchspflanze auch nachgewiesen werden, dass zur Fotosynthese Kohlenstoffdioxid benötigt wird.
Erfolgt die Durchführung des Versuchs in Dunkelheit, entsteht ebenfalls kein Sauerstoff. Die Schlussfolgerung aus diesen Ergebnissen ist, dass die Fotosynthese von Licht und Kohlenstoffdioxid abhängig ist. Dieser Zusammenhang wurde von dem Wissenschaftler Jan Ingenhousz beschrieben, der diese Experimente zur Fotosynthese durchgeführt hat.
Den Zusammenhang zwischen Fotosynthese und Licht hat der Wissenschaftler Theodor Wilhelm Engelmann mit seinen Experimenten zur Fotosynthese genauer untersucht. Weißes Licht ist eine Mischung unterschiedlicher Lichtfarben verschiedener Wellenlängen und Energie. Licht kann z B. durch ein Prisma in die einzelnen Spektralfarben zerlegt werden. Ein solches Spektrum projizierte Engelmann auf einen Algenfaden. Je stärker die fotosynthetische Aktivität in einem bestimmten Farbbereich war, desto mehr Sauerstoff entstand in diesem Bereich.
Um den Sauerstoffgehalt zu bestimmen, setzte Engelmann in diesem Versuch sauerstoffliebende (aerobe) Bakterien ein. Diese sammelten sich dort an, wo Sauerstoff durch Fotosynthese in großer Menge gebildet wurde. Die Bereiche von rotem und blauem Licht wiesen die höchste Bakteriendichte auf. Damit lag dort die höchste Sauerstoffkonzentration vor. Diese Bereiche entsprechen auch dem Absorptionsspektrum des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll, dem Ort der Fotosynthese. Mit seinem Versuch zur Fotosynthese hat Engelmann nachgewiesen, dass Licht verschiedener Wellenlängen für die Fotosynthese unterschiedlich wirksam ist.
Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in der folgenden Abbildung dargestellt:
Im folgenden Steckbrief sind die Lebensdaten und bedeutendsten Entdeckungen von Theodor Wilhelm Engelmann zusammengefasst:
| Jahr | Ereignis |
|---|---|
| 1843 | Geburt in Leipzig |
| 1862 | Studien über Bewegung der Einzeller |
| 1892 | Studien über Muskelkraft; Muskelkontraktion |
| 1897 | Studien über spektroskopische Wirkung auf Bakterien, Engelmann-Bakterienversuch zur Fotosynthese |
| 1909 | Tod in Berlin |
Versuche zur Fotosynthese – Experimente von Trebst und Arnon
Die Wellenlängen des Lichts, die im Versuch von Engelmann die höchste Fotosyntheseaktivität auslösen, entsprechen auch dem Absorptionsspektrum des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll in den Chloroplasten, dem Ort der Fotosynthese. Die Wissenschaftler Trebst und Arnon fanden mit verschiedenen Experimenten heraus, dass die Fotosynthese ein zweistufiger Prozess ist. Es kommt zu einer lichtabhängigen und einer lichtunabhängigen Reaktion.
Die lichtabhängige Reaktion findet dabei in den Thylakoiden der Chloroplasten statt. Bei den Thylakoiden handelt es sich um Ausstülpungen der Chloroplastenmembran. Die lichtunabhängige Reaktion läuft im Stroma, dem Innenraum der Chloroplasten, ab.
Versuche zur Fotosynthese – Stärkebildung
Ein weiterer einfacher Versuch zur Fotosynthese, der auch als Schülerexperiment in der Schule oder von Kindern zu Hause durchgeführt werden kann, zeigt den Zusammenhang zwischen Licht und Fotosynthese auf: Ein Laubblatt wird stellenweise mit Aluminiumfolie verdunkelt und der restliche Teil belichtet. Nach einigen Stunden löst man die Blattfarbstoffe mit Alkohol und gibt eine Jodlösung hinzu. Diese färbt Stärke dunkelblau. Nur an den Stellen, die zuvor belichtet wurden, ist eine solche Färbung erkennbar. Hier wurde durch Fotosynthese Glucose gebildet und in Form von Stärke gespeichert, die sich im Experiment verfärbt hat.
Dieses Video
In diesem Video lernst du verschiedene Experimente zur Fotosynthese kennen. Du kannst dir anschauen, welche Faktoren bei der Fotosynthese eine Rolle spielen und wie man das in einfachen Versuchen zeigen kann. So sind zum Beispiel Kohlenstoffdioxid, Licht und Chlorophyll für die Fotosynthese notwendig.
Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter und Übungen zum Thema Versuche zur Fotosynthese zu bearbeiten. Viel Spaß!
Transkript Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion
Hallo! Wenn man dich fragt, was für die Fotosynthese benötigt wird und was dabei entsteht, dann weißt du einfach, dass Licht, Wasser und Co2 benötigt wird und dass Sauerstoff und Glukose entstehen.
Doch was für uns so einfach ist, galt es damals erst noch herauszufinden. Wie fand man heraus, dass Sauerstoff bei der Fotosynthese frei wird und wie weist man entstandene Glukose nach? Experimente dazu und noch mehr lernst du in diesem Video!
Geschichte der Fotosynthese
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wusste man bereits, dass Pflanzen Kohlenstoffdioxid und Wasser aufnehmen und dabei das lebenswichtige Gas Sauerstoff abgeben.
Man stellte fest, dass das Volumen an aufgenommenem Kohlenstoffdioxid gleich dem Volumen an abgegebenem Sauerstoff ist. Deshalb nahm man zunächst auch fälschlicherweise an, dass das Kohlenstoffdioxid bei der Fotosynthese gespalten wird und dabei Sauerstoff entsteht. Wie wir heute wissen stimmt das nicht und der abgegebene Sauerstoff stammt aus der Spaltung von Wasser.
Atmung, Fotosynthese und Kompensationspunkt
Es fiel auch auf, dass die Fotosynthese lichtabhängig ist und in Dunkelheit nicht abläuft. Nachts wird dagegen von der Pflanze Sauerstoff aufgenommen und Kohlenstoffdioxid abgegeben, da dann nur die Atmung in der Pflanze abläuft.
Das kann man leicht sehen, wenn man die Kohlenstoffdioxid-Aufnahme bzw. die -Abgabe untersucht, indem man eine Pflanze zum Beispiel unter eine Glasglocke stellt und dann die Gaszusammensetzung untersucht. In Dunkelheit gibt die Pflanze Kohlenstoffdioxid ab, da sie atmet.
Mit steigender Lichtintensität kann Fotosynthese stattfinden. Am Kompensationspunkt halten sich Fotosynthese und Atmung die Waage und es wird genauso viel Sauerstoff durch Atmung verbraucht wie durch Fotosynthese produziert wird. Bei höheren Lichtintensitäten überwiegt die Fotosynthese und es wird Kohlenstoffdioxid aufgenommen.
Wasserpest
Einfache Versuche zur Fotosynthese kann man mit Wasserpflanzen durchführen. Ein Versuch zur Abhängigkeit der Fotosynthese von Licht und Kohlenstoffdioxid wird mit einem Spross der Wasserpest durchgeführt. Die Wasserpest produziert bei Belichtung Sauerstoff, der als Bläschen sichtbar wird. Diesen Sauerstoff kann man mittels eines Trichters und eines Reagenzglases auffangen. Mit der Glimmspanprobe kann Sauerstoff nachgewiesen werden.
In Dunkelheit wird kein Sauerstoff freigesetzt, so dass dieser Versuch sehr anschaulich die Lichtabhängigkeit und die Sauerstoffproduktion der Fotosynthese zeigt. Wenn man das Wasser, in das die Wasserpest gelegt wird, vor Versuchsbeginn abkocht und so das gelöste Kohlenstoffdioxid entfernt, bilden sich bei Belichtung keine Bläschen. Dieses Experiment zeit dir also, dass auch Kohlenstoffdioxid für die Fotosynthese benötigt wird.
Fotosyntheseaktivitäten
Ein weiteres Experiment wurde von Engelmann mit Schraubenalgen durchgeführt. Dieser bestrahlte längliche Schraubenalgen mit Licht verschiedener Wellenlängen. Das kann man machen, indem man weißes Licht mittels einem Prismas in die einzelnen Wellenlängen zerlegt.
Engelmann konnte beobachten, dass sich aerobe, also sauerstoffabhängige, Bakterien in bestimmten Bereichen der Schraubenalge ansammeln. Das liegt daran, dass in diesem Bereichen Sauerstoff gebildet wird, der von den aeroben Bakterien benötigt wird.
Die Bakterien sammeln sich vor allem in den Bereichen, wo blaues und rotes Licht auf die Algen trifft. Dort wo grünes Licht auf die Algen trifft, sammeln sich nur wenig Bakterien an. Engelmann konnte daraus schließen, dass für Fotosynthese rotes und blaues Licht notwendig ist, während grünes Licht für die Fotosynthese nahezu unwirksam ist.
Stärke
Wie Du ja sicher weißt, entsteht bei der Fotosynthese zunächst Traubenzucker, der dann in Stärke umgewandelt wird. Das kann man leicht in einem Versuch mit zum Beispiel einem Laubblatt eines Baumes zeigen. Dazu deckt man einen Teil des Blattes mit einem Streifen Alufolie ab, während der andere Teil des Blattes dem Licht ausgesetzt ist.
Entfernt man nach einiger Zeit die Blattfarbstoffe mit Alkohol und behandelt dann das Blatt mit einer Jod-Lösung, die ein Nachweis für Stärke ist, färben sich die belichteten Bereiche des Blattes schwarzblau. Die rot-braune Jodlösung wird bei Vorhandensein von Stärke nämlich schwarzblau. Damit zeigt man, dass in diesem Bereichen des Blattes Stärke gebildet wird.
Nichtgrüne Bereiche eines Blattes bilden wie die abgedeckten Bereiche keine Stärke. Das zeigt dir also auch, dass die grünen Blattfarbstoffe, die Chlorophylle, für die Fotosynthese notwendig sind.
Zusammenfassung
Jetzt hast Du jede Menge Versuche zur Fotosynthese und Atmung kennengelernt. Du hast gesehen, dass die Lichtintensität und die Wellenlängen des Lichtes entscheidend für die Fotosynthese ist und wie man am Wasserpest die Abhänigkeit des CO2 für die Fotosynthese zeigen kann. Außerdem weißt du nun, dass bei der Fotosynthese Sauerstoff frei wird und dass Glukose in den Chloroplasten entsteht. Den Sauerstoff weist du mit der Glimmspanprobe nach, die Glukose in den Chloroplasten mit einer Iodlösung. Tschüss und bis zum nächsten Mal!
Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion Übung
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Ordne den Tatsachen die entsprechenden Erkenntnisse über die Fotosynthese zu.
TippsTraubenzucker (Glukose) wird im Blatt als Stärke gespeichert.
LösungDie Fotosynthese ist für die meisten Organismen ein lebensnotwendiger Prozess. Im 19. Jahrhundert dachte man noch, dass der gebildete Sauerstoff aus dem $CO_2$ stammt.
Dank zahlreicher Experimente wissen wir heute aber besser über die Fotosynthese Bescheid. Ein grundlegender Versuch mit der Wasserpest zeigt zunächst, dass bei der Fotosynthese $O_2$ entsteht, dies aber nur bei Licht und der Anwesenheit von $CO_2$ geschieht.
Engelmann zeigte, dass aber nicht jedes Licht wirksam ist, sondern nur bestimmte Wellenlängen des Lichtes die Fotosynthese ermöglichen. Dass dabei dann $CO_2$ in Glukose und schließlich in Stärke umgewandelt wird, kann man mit einem Stärkenachweis und einer abgedunkelten Stelle am Blatt zeigen. Nur Teile des Blattes, die dem Licht ausgesetzt waren, werden eine dunkle Färbung bei der Iodprobe erhalten.
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Fasse den Versuch zum Stärke-Nachweis zusammen.
TippsIod weist eigentlich nur die Stärke nach, nicht den Traubenzucker.
LösungZunächst muss ein Bereich des Blattes abgedeckt werden, damit hier keine Fotosynthese ablaufen kann. Erst dann wird das Blatt in das Licht gelegt, damit die Fotosynthese $CO_2$ in Traubenzucker umwandelt. Dies geschieht in den Chloroplasten, welche den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll enthalten. In den Chloroplasten wird der Traubenzucker dann auch sofort in Stärke umgewandelt und kurzzeitig gespeichert. Dieser Prozess findet natürlich nur in den Chloroplasten statt, wenn Licht auf sie fällt. Die Chloroplasten im abgedeckten Bereich bilden keine Stärke. Entfärbt man nun das Blatt mit Alkohol und gibt anschließend Iodlösung hinzu, verbinden sich die Iod-Teilchen mit der Stärke. Es entsteht eine blaue dunkle Färbung. Die abgedeckte Stelle bleibt dementsprechend entfärbt, da die Iod-Teilchen keine Stärke zum Binden nutzen können.
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Erläutere die Versuchsergebnisse von Engelmann.
TippsEngelmann untersuchte die Wirkung von verschiedenen Wellenlängen des Lichtes auf die Fotosynthese.
LösungEngelmann zeigte, dass die Fotosynthese von bestimmen Wellenlängen abgängig ist. In seinem Versuch nutzte er
- Algen zur Sauerstoffproduktion,
- sauertoffliebende Bakterien, um den Ort der Sauerstoffproduktion anzuzeigen, und
- verschiedene Wellenlängen des Lichtes.
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Erläutere das Experiment von Joseph Priestley.
TippsDie brennende Kerze und die Maus scheinen den gleichen Stoff zu benötigen.
LösungPriestley konnte zeigen, dass sowohl Kerze als auch Maus ein Substanz aus der Luft benötigen. Er kam zu der Überlegung, dass diese Substanz jedoch irgendwie produziert werden müsse, da alle lebenden Tiere der Erde diese Substanz sonst verbrauchen würden. Er stellte fest, dass Pflanzen in der Lage sind, diese Substanz herzustellen und die „verbrauchte Luft“ wieder nutzbar zu machen. Heute weiß man, dass Kerze und Maus $O_2$ verbrauchen und ohne diesen nicht brennen bzw. atmen können. Pflanzen hingegen produzieren $O_2$. Setzt man Pflanze und Maus unter die Glasglocke, herrscht ein Kreislauf zwischen Produktion durch die Pflanze und Verbrauch durch die Maus.
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Vervollständige die Fotosynthesereaktion.
TippsLicht ist eine Voraussetzung für die Fotosynthese.
LösungDie Fotosynthese benötigt Licht, $CO_2$ (Kohlenstoffdioxid) und $H_2O$ (Wasser). Daraus entsteht $O_2$ (Sauerstoff) und Traubenzucker (Glukose).
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Beschreibe das Diagramm zum Lichtkompensationspunkt.
TippsDie Fotosyntheserate beschreibt, wie effektiv die Fotosynthese abläuft.
LösungEine Pflanze verbraucht wie wir Menschen Sauerstoff. Auch Pflanzen betreiben Zellatmung, um ihre Zellen am Leben zu halten. Der Unterschied ist jedoch, dass Pflanzen ihren Sauerstoff selbst produzieren und sogar eine Überschussproduktion leisten können. In Dunkelheit läuft jedoch keine Fotosynthese ab. Pflanzen können nur die Atmung nutzen und nehmen hierfür Sauerstoff aus der Umgebung auf und geben $CO_2$ ab. Je höher die einfallende Lichtmenge ist, umso effektiver wird die Fotosynthese und es wird $CO_2$ aufgenommen und Sauerstoff abgegeben. Der Punkt, an dem beide Prozesse gleich groß sind, heißt Lichtkompensationspunkt. Über diesen Punkt hinaus beginnt der Bereich, in dem die Fotosynthese überwiegt.
Wie funktioniert Fotosynthese?
Fotosynthese – Zellatmung – Stoffkreislauf
Entdeckung der Fotosynthese
Chloroplasten – Bau und Funktion (Basiswissen)
Autotrophe und heterotrophe Ernährung – Fotosynthese als Grundlage des Lebens
Traubenzucker – wichtiges Produkt der Fotosynthese
Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion
Beeinflussung der Fotosyntheseleistung
Atmung bei Pflanzen
Chromatografie der Blattfarbstoffe – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll
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wow
cool
ein tolles Video! weiter so ^^
Hallo Alper,
unter der Fotosynthese versteht man den Aufbau von organischen Substanzen aus anorganischen Substanzen mithilfe von Lichtenergie. Das bedeutet, grüne (also chlorophyllhaltige) Pflanzen sind in der Lage Kohlenstoffdioxid und Wasser in Glucose und Sauerstoff umzuwandeln. Glucose ist sehr energiereich und wird von der Pflanze für andere Prozesse gebraucht. Folgende Videos könnten dir beim Verstehen der Fotosynthese helfen. Das zweite Video erklärt die Reaktionsgleichung der Fotosynthese.
http://www.sofatutor.com/biologie/videos/entdeckung-der-fotosynthese
Viele Grüße aus der Redaktion!
Und was ist jetzt Fotosynthese ???