Worum geht es? Die Mechanismen der Photosynthese sind seit Jahrzehnten entschlüsselt. Dennoch hat die Forschung daran weiterhin eine hohe Bedeutung, z.B. wenn es um die nachhaltige Produktion von Nahrungsmitteln, die Sauerstoffproduktion oder die Klimaregulierung geht. Durch die Umsetzung der Theorie in die Praxis zeigt der Experimentiertag den Schüler:innen die wachsende Bedeutung der Photosynthese.
Bezug zur FZJ-Forschung Das Forschungszentrum Jülich erforscht im Bereich der Pflanzenwissenschaften (Institut für Bio- und Geowissenschaften, IBG-2) nachhaltige Wege der Biomasseproduktion und die Dynamik pflanzlicher Ökosysteme. Die Photosynthese als fundamentaler Prozess der primären Biomassebildung steht hierbei im Fokus moderner Phänotypisierungs- und Regulationsforschung. Eine besondere Rolle spielt hierbei die Chlorophyllfluoreszenz. Die Messung dieser Chlorophyllfluoreszenz ist eine Methode, um die Effizienz der Photosynthese einer Pflanze und somit ihren Zustand zu beurteilen. In diesem Zusammenhang ist das Institut IBG-2 maßgeblich an der Vorbereitung der FLEX-Mission (Fluorescence Explorer) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) beteiligt. Der Satellit erfasst globale Karten der Chlorophyllfluoreszenz, um die weltweite Photosyntheseaktivität aus dem All zu überwachen und den Einfluss variierender Umweltbedingungen auf die Pflanzen in Echtzeit zu ermitteln.
Ablaufbeschreibung Die Schüler:innen messen vormittags die Kohlenstoffdioxidabsorption und die Sauerstoffproduktion in Abhängigkeit des Lichts. Außerdem ermitteln sie den Einfluss abiotischer Faktoren auf die Photosyntheserate. Nach der Institutsbesichtigung stellen die Schüler:innen einen eigenen Blattextrakt her und machen die Rotfluoreszenz sichtbar. Mit der Durchführung einer Dünnschichtchromatographie und der Ermittlung des Absorptionsspektrum des Blattextrakts bekommen sie Einblicke in die einzelnen Blattfarbstoffe und deren Funktion innerhalb der Photosynthese.
Vorgesehene Experimente
Sauerstoffabgabe und Kohlenstoffdioxidaufnahme in Abhängigkeit des Lichts, mithilfe des LabQuest-Messsystems
Bestimmung der Photosyntheserate in Anhängigkeit der Wellenlänge des Lichts und der CO2-Konzentration, mittels Leaf Disc Assays
Herstellung eines Blattextrakt mit Hilfe von flüssigem Stickstoff und Sichtbarmachen der Rotfluoreszenz
Dünnschichtchromatographie des Blattextrakts
Photometrische Analyse des Blattextrakts
Lernvoraussetzungen
Die Schüler:innen sollen…
die Nettogleichung der Photosynthese kennen.
die Zusammensetzung der Luft kennen.
den Feinbau von Chloroplasten beschreiben.
Vorkenntnisse zur lichtabhängigen Reaktion und den Pigmenten (Chlorophyll a, b, Carotinoide) aufweisen.
ein grundlegendes Verständnis des Ablaufs von lichtabhängiger Reaktion und Calvin-Zyklus sowie Zellatmung haben.
Vorteilhafte, aber nicht zwingende Lernvoraussetzungen:
Aufbau und Eigenschaften von Biomembranen (insbesondere Kompartimentierung).
Grundbegriffe der Energetik (exergonisch, endergonisch, energetische Kopplung) sowie das ATP-ADP-System erklären können.
Funktionale Angepasstheiten Blattaufbau, Feinbau Chloroplast, Absorptionsspektrum von Chlorophyll, Wirkungsspektrum
Abhängigkeit der Photosyntheserate von abiotischen Faktoren
Zusammenhang von Primär- und Sekundärreaktionen
Fachliche Verfahren:
Chromatographie, im Speziellen Dünnschichtchromatographie
Kompetenzen des SII-Lehrplanes:
Die Schülerinnen und Schüler...
erklären:
- funktionale Angepasstheiten an die fotoautotrophe Lebensweise auf verschiedenen Systemebenen (S4–6, E3, K6–8). - das Wirkungsspektrum der Photosynthese mit den durch Chromatografie identifizierten Pigmenten (S3, E1, E4, E8, E13).
erläutern: - den Zusammenhang zwischen Primär- und Sekundärreaktionen der Photosynthese aus stofflicher und energetischer Sicht (S2, S7, E2, K9).
analysieren: - anhand von Daten die Beeinflussung der Photosyntheserate durch abiotische Faktoren (E4–11).
Ausgewählte Beiträge zu den Basiskonzepten
Struktur und Funktion:
Kompartimentierung ermöglicht gegenläufige Stoffwechselprozesse zeitgleich in einer Zelle.
Stoff- und Energieumwandlung:
Energetische Kopplung der Teilreaktionen von Stoffwechselprozessen.
Zusammenhang von aufbauendem und abbauendem Stoffwechsel, Stofftransport zwischen Kompartimenten, Redoxreaktionen, Energieumwandlung
Aufbauender Stoffwechsel:
Funktionale Angepasstheiten: Blattaufbau, Feinbau Chloroplast, Absorptionsspektrum von Chlorophyll, Wirkungsspektrum, Lichtsammelkomplex.
Energetisches Modell der Lichtreaktion
Abhängigkeit der Photosyntheserate von abiotischen Faktoren
Zusammenhang von Primär- und Sekundärreaktionen
Fachliche Verfahren:
Chromatographie, im Speziellen Dünnschichtchromatographie
Kompetenzen des SII-Lehrplanes:
Die Schülerinnen und Schüler...
erklären:
- funktionale Angepasstheiten an die fotoautotrophe Lebensweise auf verschiedenen Systemebenen (S4–6, E3, K6–8). - das Wirkungsspektrum der Photosynthese mit den durch Chromatografie identifizierten Pigmenten (S3, E1, E4, E8, E13).
erläutern: - den Zusammenhang zwischen Primär- und Sekundärreaktionen der Photosynthese aus stofflicher und energetischer Sicht (S2, S7, E2, K9).
vergleichen: - den membranbasierten Mechanismus der Energieumwandlung in Mitochondrien und Chloroplasten (S7, E12, K2).
analysieren: - anhand von Daten die Beeinflussung derPhotosyntheserate durch abiotische Faktoren (E4–11).
Ausgewählte Beiträge zu den Basiskonzepten
Struktur und Funktion:
Kompartimentierung ermöglicht gegenläufige Stoffwechselprozesse zeitgleich in einer Zelle.
Stoff- und Energieumwandlung
Energetische Kopplung der Teilreaktionen von Stoffwechselprozessen.
Prozessbezogene Kompetenzen (Auszüge):
Die Schülerinnen und Schüler sollen...
Untersuchungen und Experimente selbstständig, zielorientiert und sachgerecht durchführen und dabei mögliche Fehlerquellen benennen.
Aufzeichnungen von Beobachtungen und Messdaten bezüglich einer Fragestellung interpretieren, daraus qualitative und einfache quantitative Zusammenhänge ableiten und diese formal beschreiben.
kriteriengeleitet beobachten und messen sowie gewonnene Ergebnisse objektiv und frei von eigenen Deutungen beschreiben.
Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten strukturiert dokumentieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge.
Daten bezüglich einer Fragestellung interpretieren, daraus qualitative und einfache quantitative Zusammenhänge ableiten und diese fachlich angemessen beschreiben.
Lernform Experimentierboxen, arbeitsteilige und arbeitsgleiche Gruppenarbeit (meist Zweiergruppen)
Anzahl der Teilnehmenden min. 10 Personen max. 24 Personen (Sollte Ihre Lerngruppe größer sein, kontaktieren Sie uns bitte im Vorfeld.) plus 1-2 Begleitpersonen
Beginn - Ende 08:45 - ca. 16:00 Uhr
Kosten 10,00 € pro Person inklusive Mittagsverpflegung
Haben Sie noch Fragen? In unseren FAQ haben wir bereits zahlreiche Antworten zusammengetragen. Wenn Sie die benötigte Information dort nicht finden, kontaktieren Sie uns gerne.
