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BG11: Stoff- und Energiewechsel Stationenlernen

Frau Andrae

Stoff- und Energiewechsel = ist die Aufnahme, die Umwandlung und die Abgabe von Stoffen und Energie

-

in jeder Zelle laufen Stoffwechsel- und Energiewechselprozesse ab alle Lebewesen sind offene Systeme, d.h. sie tauschen permanent Stoffe und Energie mit ihrer Umwelt aus.

1. Fotosynthese Station 1: Beschreiben Sie den Vorgang der Fotosynthese. Nutzen Sie M1 als Hilfe.

Ort der Fotosynthese:

________________________________________________________

Ausgangsstoffe: aufgenommen über:

___________________

________________

________

Endprodukte: abgegeben über:

___________________

gespeichert als:

___________________

Summengleichung:

________________________________________________________

Wortgleichung:

________________________________________________________

__________________________________________________________________________________

BG11: Stoff- und Energiewechsel Stationenlernen

Frau Andrae

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Station 2: Erläutern Sie den Prozess der Fotosynthese als autotrophe Assimilation und endothermen Prozess! Nutzen Sie M2 als Hilfe. Die Fotosynthese ist eine Form der ___________________ _________________, bei der der Aufbau von ____________________ aus ____________________ und _______________ unter Zufuhr von _______________energie und mithilfe des Chlorophylls erfolgt. Dabei wird _________________________ abgegeben. Als endotherm werden in der Chemie Reaktionen bezeichnet, bei denen Energie zugeführt werden muss. Zugeführte Energie: __________________________ Dabei ist der Energieinhalt der Ausgangsstoffe ( _____________ und _______________) kleiner als der Energieinhalt der Produkte. Energiereiches Produkt: _____________________________ .

Station 3: Beschriften Sie die Bestandteile des Chloroplasten. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Bau und Funktion des Chloroplasten. Nutzen Sie M3 als Hilfe.

Chloroplasten reiche Gewebe sind: __________________________ und _______________________ Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Bau und Funktion:

Station 4: Erläutern Sie die Bedeutung der Fotosynthese! Nutzen Sie M4 als Hilfe. 1)

2)

3)

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Station 5: Erläutern Sie die äußeren Einflussfaktoren auf die Fotosynthese!

Werten Sie die Diagramme hinsichtlich der Fotosyntheseleistung aus! Nutzen Sie M5.

Salat, Tomaten und Gurken werden in Gewächshäusern gepflanzt, um ein ganzjähriges Angebot zu gewährleisten. Überlegen Sie welche Maßnahmen in einem Gewächshaus ergriffen werden bzw. welche Bedingungen herrschen, damit ein optimales Pflanzenwachstum mit hohen Erträgen erfolgen kann. Ergänzen Sie die Abbildung entsprechend! Nutzen Sie M5.

Umweltfaktoren: 1 __________________ 2___________________

1

2

3

4

3___________________ 4___________________ Maßnahmen: 1__________________

2__________________

1

2

3

4 3___________________

4___________________

Station 6: Erläutern Sie, warum eine ausgeglichene Mineralstoffversorgung für ein gutes Pflanzenwachstum erforderlich ist und eine Überdüngung vermieden werden sollte. Nutzen Sie M6 als Hilfe.

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M1: Ablauf der Fotosynthese: Fotosynthese findet ausschließlich in den Chloroplasten (griech. chloros = grün; plastos = geformt) der Pflanze statt. Vornehmlich im Palisaden-, aber auch im Schwammgewebe sind Chloroplasten enthalten. An der Unterseite des Blattes befinden sich Schließzellen, die den Austausch der Gase koordinieren. CO2 strömt von außen in die Interzellulare ein. Das für die Photosynthese nötige Wasser transportiert die Pflanze von Innen über die Leitbündel (das Xylem) in die Zellen. Der grüne Farbstoff Chlorophyll sorgt für die Absorption des Sonnenlichts. Ohne diese Energie kann die Photosynthese nicht ablaufen. Nachdem Kohlenstoffdioxid und Wasser in Sauerstoff und Glucose umgewandelt wurden, öffnen sich die Schließzellen und geben den Sauerstoff an die Umwelt ab. Die Glucose verbleibt in der Zelle und wird von der Pflanze u.a. zu Stärke umgewandelt. Stärke ist im Vergleich zur Glucose ein Polysaccharid und nur schwer löslich, womit auch bei starkem Wasserverlust die Stärke in der Pflanze verbleibt. Fotosynthese Formel

Licht

6 H2O + 6 CO2

6 O2 + C6H12O6 Chlorophyll

Wasser + Kohlenstoffdioxid

Sauerstoff + Glucose

Die Pflanze benötigt sechs Moleküle Wasser + sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid und Licht. Daraus entstehen in einem chemischen Prozess sechs Sauerstoffmoleküle und Glucose Schattenpflanzen sind an lichtarme Standorte angepasst. Zur optimalen Ausnutzung der Lichtintensität haben sie dünne Blätter mit großen Blattoberflächen und einen speziell an einen geringen Lichteinfall angepassten Fotosyntheseapparat. Schon bei geringer Sonneneinstrahlung kann so in ausreichendem Maße Fotosynthese betrieben werden, um das Wachstum der Pflanze zu gewährleisten. Durch Steigerung der Lichtintensität kann die Fotosyntheserate nicht erhöht werden, da der Fotosyntheseapparat von Schattenpflanzen nicht in der Lage ist, die stärkere Strahlung zu nutzen. Schattenpflanzen verfügen zudem über keinen effizienten Transpirationsschutz. Bei starker Sonneneinstrahlung werden die Spaltöffnungen geschlossen, dadurch kann kein CO2 mehr aufgenommen werden. Die Fotosyntheseleistung sinkt.

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M2: Fotosynthese als autotrophe Assimilation und endogener Prozess Assimilation ist ein anaboler Prozess, bei dem aufgenommene, fremde anorganische und organische Stoffe aus der Umwelt in Bestandteile des Organismus umgewandelt werden, meistens unter Energiezufuhr.

Assimilation = Aufbau körpereigener organischer Stoffe

Autotrophe Assimilation

Heterotrophe Assimilation

aus anorganischen Stoffen werden körpereigene Stoffe aufgebaut z.B. Fotosynthese

aus organischen Stoffen werden körpereigene Stoffe aufgebaut

Algen, Pflanzen, sowie einige Bakterien mit Chlorophyll

Menschen, Tiere, Pflanzen, Pilze und viele Bakterien

Die Stoffumwandlungen während der Fotosynthese sind mit Energieumwandlungen verbunden. Wie alle chemischen Verbindungen enthalten auch die Ausgangsstoffe und Produkte der Fotosynthese chemische Energie. Bei einem Vergleich der Energieinhalte (E) der Ausgangsstoffe und der Produkte der Fotosynthese erkennt man, dass der Energieinhalt der Ausgangsstoffe kleiner ist als der Energieinhalt der Produkte: E Kohlenstoffdioxid + Wasser

<

E Glucose + Sauerstoff

Das bedeutet, dass die Fotosynthese ein endothermer Prozess ist. Zur Bildung von Glucose und Sauerstoff aus Kohlenstoffdioxid und Wasser während der Fotosynthese ist wie bei jeder endothermen chemischen Reaktion Energie notwendig. Bei der Fotosynthese ist das Lichtenergie. Die Glucose hat einen sehr hohen Energiegehalt, sie ist ein energiereicher Stoff. Während der Fotosynthese nimmt das Chlorophyll Lichtenergie auf. In den Chloroplasten wird Lichtenergie in chemische Energie der Glucose umgewandelt.

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M3: Aufbau der Chloroplasten In den Zellen des Palisaden- und Schwammgewebes befinden sich grüne, linsenförmige Zellbestandteile, die Chloroplasten. Sie haben einen Durchmesser von 4 bis 6 μ m und eine Dicke von 2 bis 3 μm. Eine Zelle aus dem Palisadengewebe des Laubblatts enthält etwa 18– 20 Chloroplasten. Der Chloroplast ist von einer Chloroplastenhülle umgeben, die aus zwei Membranen besteht. Eine Membran ist eine sehr dünne Haut aus Plasma. Der Innenraum des Chloroplasten ist von einer farblosen Grundsubstanz der Matrix ausgefüllt. Sie wird von Membranen durchzogen, die Membranstapel bilden. Durch die Stapelbildung entsteht eine große Oberfläche. Auf den Membranen ist ein grüner Farbstoff aufgelagert, der als Chlorophyll bezeichnet wird. Das Chlorophyll ist ein kompliziert aufgebauter organischer Stoff, der nur in Pflanzen und Bakterien vorkommt. Ein wichtiges Mineralsalz ist Magnesium, was ein Bestandteil des Chlorophylls ist. Fehlt Magnesium, kann das Chlorophyll das Licht nicht absorbieren.

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M4: Bedeutung der Fotosynthese Die Fotosynthese ist der bedeutendste Prozess für das Leben auf der Erde. Bei der Fotosynthese entsteht Sauerstoff, der die Lebensgrundlage der Tierwelt einschließlich des Menschen ist Die Lichtenergie wird bei der Fotosynthese in chemisch nutzbare Energie in Form von Glucose umgewandelt. Glucose ist Grundlage für die Bildung weiterer organischer Stoffe wie Kohlenhydrate (Cellulose, Stärke), Fett und Eiweiße, die den Tieren und Menschen als Nahrung dient. Neben den Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen wird in den Pflanzenzellen eine große Zahl anderer Stoffe gebildet. Dazu gehören Vitamine, Nektar, Harz, Duft- und Geschmacksstoffe, Holzstoff (Lignin), Farbstoffe und Alkaloide. Einige Stoffe aus der Gruppe der Alkaloide werden wirtschaftlich vom Menschen genutzt (z. B. das Koffein aus den Früchten des Kaffeestrauchs als Genussmittel, das Atropin aus den Früchten der Tollkirsche als Mittel zur Erweiterung der Pupillen beim Augenarzt). Die bei der Fotosynthese aufgebaute Biomasse dient uns heute als Rohstoff wie Kohle, Erdgas und Erdöl. Wichtigster Ausgangsstoff für Erdöl sind Algen und Plankton. Sterben diese, sinken sie zu Boden, d.h., sie sedimentieren. Gelangen sie dabei in großen Tiefen in eine Senke, kann sich Faulschlamm bilden. Durch hohen Druck und hohe Temperaturen werden chemische Prozesse im Faulschlamm ausgelöst. Die großen Moleküle, die vor allem aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen, werden aufgebrochen. Übrig bleibt ein Gemisch von vielen verschiedenen kleineren KohlenwasserstoffMolekülen, dem Erdöl. Nach dem Absterben einzelner Bäume versinken diese im Sumpf. Zersetzungsprozesse, wo Sauerstoff erforderlich ist, finden somit nicht statt – es entsteht zunächst Torf. Durch weitere geologische Prozesse entsteht Kohle.

M6: Bedeutung von Mineralsalzionen für die Pflanze Die Mineralstoffe, die über die Wurzel in die Pflanze aufgenommen werden, sind u. a. für den Ablauf aller biochemischen Prozesse und auch zum Aufbau von Zellstrukturen notwendig. Chloroplasten benötigen Mineralstoffe (Mg, Fe, Cu, Mn) für den Bau des Fotosyntheseapparats. Auch die Eiweiße entstehen auf der Grundlage von Fotosyntheseprodukten. Betrachtet man die Formel von Glucose (C 6 H 12 O 6 ) lässt sich feststellen, dass sie wie alle Kohlenhydrate nur aus den chemischen Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) besteht. Eiweiße enthalten neben diesen chemischen Elementen aber auch Stickstoff (N) und Schwefel (S). Deshalb sind zum Aufbau von Eiweißen auch Mineralsalze notwendig (z. B. Nitrate und Sulfate), die diese chemischen Elemente enthalten.

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M5: Einflussfaktoren auf die Fotosynthese Viele unserer Zimmerpflanzen kommen aus tropischen Klimagebieten mit gleichmäßigen Tageslängen (12 Stunden). In den Wintermonaten, wenn es bei uns nur 7 Stunden hell ist, beobachtet man bei diesen Pflanzen nur ein geringes oder gar kein Wachstum. Im Sommer wachsen die Zimmerpflanzen wieder schneller und die Laubblätter werden größer. Während der günstigen Lichtverhältnisse im Sommer läuft die Fotosynthese in den Zimmerpflanzen intensiver ab als in den Wintermonaten. Bis zum Erreichen einer bestimmten Lichtstärke, die für verschiedene Pflanzenarten unterschiedlich hoch ist, bewirkt eine Erhöhung der Lichtstärke eine Erhöhung der Intensität der Fotosynthese. Es werden mehr Fotosyntheseprodukte (Glucose) gebildet, die den Pflanzen für die Bildung weiterer organischer Stoffe und damit für das Wachstum zur Verfügung stehen. Durch eine zusätzliche Belichtung der tropischen Zimmerpflanzen von November bis Ende Februar, z. B. mit Leuchtstofflampen, kann man erreichen, dass diese Pflanzen auch im Winter optimal gedeihen. In Gewächshäusern nutzt man die Zusatzbelichtung vor allem bei der Anzucht von Jungpflanzen und der Produktion von Zierpflanzen (z. B. Rosen) in den Wintermonaten. Dazu werden in den Gewächshäusern Natriumhochdruckdampflampen installiert. Die Intensität der Fotosynthese wird auch vom Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft beeinflusst. Die Luft enthält 0,03–0,04 % Kohlenstoffdioxid. Die Erhöhung des Kohlenstoffdioxidgehalts der Luft (z. B. auf 0,08 % in Gewächshäusern) bewirkt, dass die Fotosynthese in den Pflanzen intensiver abläuft. Dazu wird Kohlenstoffdioxid aus CO2-Tanks durch Schläuche in das Gewächshaus geleitet (CO2-Begasung). Mithilfe von Messfühlern wird der Gehalt an Kohlenstoffdioxid in der Luft des Gewächshauses kontrolliert. Außerdem müssen die Pflanzen ausreichend mit Wasser versorgt werden. Steht den Pflanzen genügend Wasser zur Verfügung, sind die Spaltöffnungen der Laubblätter geöffnet, und die Pflanzen können das Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff für die Fotosynthese aufnehmen. Verengen sich die Spaltöffnungen infolge von Wassermangel, wird die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid behindert und dadurch der Ablauf der Fotosynthese eingeschränkt. Wie bei allen enzymatisch gesteuerten Reaktionen ist auch die Fotosyntheseleistung von der Temperatur abhängig und wird in Form einer Optimumkurve beschrieben. So steigt die Fotosyntheseleistung bei Erhöhung der Außentemperatur bis zu einem bestimmten Punkt deutlich an. Bei höheren Temperaturen laufen die biochemischen Vorgänge schneller ab. Bei zu hoher Temperatur werden Eiweiße, wie z.B. Enzyme, geschädigt und die Fotosynthese kann nicht mehr ablaufen. Gleichzeitig haben höhere Temperaturen Einfluss auf den Wassergehalt innerhalb der Pflanze. Durch die erhöhte Transpiration sinkt der Wassergehalt in der Pflanze, sodass sich bei höheren Temperaturen die Spaltöffnungen schließen und so die Kohlenstoffdioxidzufuhr stark behindern.

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Anwendungsaufgaben – Zusatz: Zusatz 1: Zimmerpflanzen müssen mit Wasser und mit Pflanzendünger versorgt werden. Begründen Sie diese beiden Maßnahmen!

Zusatz 2: Eine zu geringe Wasserzufuhr kann zur Verengung der Spaltöffnungen führen. Erläutern Sie die Folgen für das Wachstum der Zimmerpflanze!

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Quellen: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/biologie/artikel/fotosynthese#,

https://www.wie-funktioniert.com/wie-funktioniert-eigentlich-die-photosynthese/

Lösung Anwendungsaufgaben: Zusatz 1: Zimmerpflanzen müssen mit Wasser und mit Pflanzendünger versorgt werden. Begründen Sie diese beiden Maßnahmen! Wasser und die im Pflanzendünger enthaltenen Mineralien sind für die Pflanze Nährstoffe. Wasser ist zum einen die Grundlage für den Ablauf der Fotosynthese, da es Ausgangsstoff für diesen Stoffwechselprozess ist. Zum anderen reguliert es den Schließmechanismus der Spaltöffnungen und beeinflusst somit auch die CO2 - Aufnahme der Pflanze. Es ist weiterhin ein grundlegendes Lösungs-, Transport-, und Quellungsmittels sowie ein wichtiges Reaktionsmedium, da sich die meisten biologischen Reaktionen im wässrigen Milieu vollziehen. Der Pflanzendünger stellt gelöste Nährelemente zur Verfügung, die die Pflanze ebenfalls zum Leben braucht. Die Makromoleküle, wie z.B. C, O, H, N, S, Mg sind lebensnotwendig. Wenn nur ein Makroelement fehlt, kommt es zu Mangelerscheinungen. Chloroplasten benötigen Mineralstoffe (Mg, Fe, Cu, Mn) für den Bau des Fotosyntheseapparats. Auch die Eiweiße entstehen auf der Grundlage von Fotosyntheseprodukten

Zusatz 2: Eine zu geringe Wasserzufuhr kann zur Verengung der Spaltöffnungen führen. Erläutern Sie die Folgen für das Wachstum der Zimmerpflanze! Die Fotosynthese läuft nur noch eingeschränkt ab, da über die Spaltöffnungen im Normalfall u.a. CO2 aufgenommen wird. Durch den Wassermangel verschließen sich die Spaltöffnungen. Die Pflanze kann damit CO2 nicht in ausreichender Menge aufnehmen. Dadurch werden die Produkte der lichtabhängigen Reaktion nicht mehr vollständig umgesetzt und die Fotosyntheserate sinkt. Die für das Wachstum notwendige Biomasse (Glucose-> Stärke-> Cellulose) wird nicht mehr ausreichend produziert. Somit führt der Wassermangel auf längere Sicht zum verminderten Wachstum der Zimmerpflanze. Außerdem beeinträchtigt der Wassermangel auch die weiteren Lebensfunktionen, da Wasser Lösungs-, Transport- und Quellungsmittel ist und außerdem als wichtiges Reaktionsmedium eine entscheidende Rolle spielt.

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2. Zellatmung

Station 1: Nennen Sie die Bedeutung der Zellatmung! Informationen finden Sie in M1. _________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________

Station 2: Beschreiben Sie den Vorgang der Zellatmung! Informationen finden Sie in M1.

Ort der Zellatmung:

_______________________________________________________

Summengleichung:

_______________________________________________________

Wortgleichung:

________________________________________________________

Station 3: Äußere Einflussfaktoren auf die Zellatmung Erläutern Sie, welche äußeren Einflussfaktoren die Atmung beschleunigen bzw. vermindern. Nutzen Sie dazu die Informationen aus M2 und M3.

Station 4: verlustarme Lagerung von Obst, Gemüse und Getreide Nach der Ernte verändert sich die innere und äußere Qualität von Obst, Gemüse und Getreide. Es kommt zu Substanzverlust (Schrumpeln), Veränderungen im Aussehen und im Geschmack. Erklären Sie, warum es zum Substanzverlust kommt. Während des Transports, im Handel und im Haushalt ist daher auf eine verlustarme Lagerung zu achten. Leiten Sie Möglichkeiten ab, wie der Substanzverlust bei der Lagerung gemindert bzw. verzögert werden kann. Nutzen Sie M3.

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Station 5: Die Zellatmung- ein Prozess der Dissimilation. Informationen finden Sie in M4. Ergänzen Sie folgende Begriffe: Atmung / anorganische / nutzbare / chemische / höher / Energie / katabolischer / Gärung / arme / ATP/ organische / energie / thermische Die Dissimilation ist ein ___________________________________ Prozess, bei dem ____________________ reiche, _______________________________________ Stoffe (Fette, Kohlenhydrate, Proteine) in energie___________________________ z.T. _______________________ Stoffe z.B. CO2 und Wasser unter _____________________________________freisetzung abgebaut werden. Zellatmung und Gärung zählen zu den Dissimilationsprozessen. Bei der _________________________ erfolgt die Dissimilation bei Anwesenheit von Sauerstoff (aerobe Bedingungen), bei der __________________________ bei Sauerstoffabwesenheit (anaerobe Bedingungen). Bei beiden Vorgängen wird die _______________________ Energie der Glucose in chemische Energie in Form von ______ (Adenosintriphosphat) und __________________ Energie umgewandelt. Die im ATP gespeicherte chemische Energie ist die für die Lebensprozesse _______________________ Energie. Die Energiemenge, die ausgehend von einer bestimmten Anzahl Glucosemoleküle in chemische Energie in Form von ATP umge...