Wovon leben Pflanzen? Die Fotosynthese

Einstieg: Woher kommt das Holz eines Baumes?

Aus einer Eichel, die wenige Gramm wiegt, wird in hundert Jahren ein Baum mit vielen Tonnen Holz. Woher kommt all dieser Stoff? Die meisten Menschen antworten: aus dem Boden. Diese Antwort klingt logisch, denn die Wurzeln stecken ja in der Erde. Sie ist aber zum größten Teil falsch. In dieser Lektion verfolgst du, wie Forscher das herausgefunden haben.

Erklärung: Zwei historische Versuche

Van Helmonts Weidenversuch

Der flämische Arzt Johan Baptista van Helmont pflanzte im 17. Jahrhundert einen Weidenschössling von 5 Pfund in einen Topf mit 200 Pfund getrockneter Erde. Fünf Jahre lang goss er nur mit Wasser und deckte den Topf ab, damit kein Staub hineinfiel. Dann wog er erneut:

	Beginn	nach 5 Jahren	Änderung
Weide	5 Pfund	gut 169 Pfund	etwa 164 Pfund mehr
Erde	200 Pfund	knapp 200 Pfund	nur etwa 2 Unzen weniger (rund 60 g)

Die Erde hatte also fast nichts verloren. Van Helmont schloss daraus, dass die Weide aus Wasser gewachsen sei. Sein Versuch war sorgfältig, seine Deutung aber unvollständig: Einen Stoff aus der Luft hatte er nicht bedacht.

Priestleys Versuch mit Minze und Kerze

Um 1771 stellte der Engländer Joseph Priestley eine brennende Kerze unter eine Glasglocke. Nach kurzer Zeit erlosch sie. Eine Maus unter einer solchen Glocke wurde bewusstlos. Stellte er aber einen Minzezweig in die „verbrauchte“ Luft und wartete einige Wochen, konnte darin wieder eine Kerze brennen. Die Pflanze hatte die Luft wieder brauchbar gemacht. Dass Pflanzen das nur im Licht schaffen, zeigte wenige Jahre später, 1779, der Arzt Jan Ingenhousz. Heute wissen wir: Die Pflanze hatte Sauerstoff abgegeben.

Die Fotosynthese

Grüne Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Luft über ihre Blätter auf und Wasser über die Wurzeln. In den Chloroplasten ihrer Blattzellen bauen sie daraus mit der Energie des Lichts Traubenzucker (Glucose) auf. Dabei entsteht Sauerstoff, den die Pflanze abgibt. Diesen Vorgang nennt man Fotosynthese. Der grüne Farbstoff Chlorophyll in den Chloroplasten fängt das Licht ein.

$\text{Kohlenstoffdioxid} + \text{Wasser} \xrightarrow[\text{Chlorophyll}]{\text{Licht}} \text{Traubenzucker} + \text{Sauerstoff}$

Die Energie des Lichts geht dabei nicht verloren und entsteht auch nicht neu. Sie wird umgewandelt und ist anschließend im Traubenzucker als chemische Energie gespeichert. Traubenzucker ist deshalb ein energiereicher Stoff.

Aus Traubenzucker baut die Pflanze weitere Stoffe auf:

• Stärke als Speicherstoff, etwa in Kartoffelknollen oder Getreidekörnern,
• Cellulose als Baustoff der Zellwände, also auch des Holzes,
• zusammen mit Mineralstoffen aus dem Boden auch Fette und Eiweiße.

Der größte Teil der Masse eines Baumes besteht aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffbausteinen, die aus Kohlenstoffdioxid und Wasser stammen. Der Boden liefert Wasser und nur kleine Mengen an Mineralstoffen.

Beispiele

Beispiel 1: Van Helmont neu gedeutet Die Weide hat etwa 164 Pfund zugenommen, die Erde nur etwa 2 Unzen verloren. Die 2 Unzen sind vermutlich zum Teil Mineralstoffe, die die Pflanze aus dem Boden aufgenommen hat, zum Teil vielleicht auch Messungenauigkeit. Die übrige Masse stammt aus Wasser und aus Kohlenstoffdioxid der Luft, die die Weide durch Fotosynthese zu Traubenzucker und daraus zu Holz verarbeitet hat.

Beispiel 2: Warum die Kerze wieder brennt Die Kerzenflamme hat den Sauerstoff unter der Glocke verbraucht. Die Minze gibt bei Tageslicht durch Fotosynthese Sauerstoff ab. Nach einigen Wochen ist wieder genug Sauerstoff unter der Glocke, damit die Kerze brennt.

Merksatz

Bei der Fotosynthese bauen grüne Pflanzen in den Chloroplasten aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Lichtenergie Traubenzucker auf. Dabei wird Sauerstoff frei. Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt. Den größten Teil ihrer Masse baut die Pflanze aus Stoffen der Luft und aus Wasser auf, nicht aus Erde.

Übungen

Grundlagen

1. Schreibe die Wortgleichung der Fotosynthese auf und markiere Ausgangsstoffe und Produkte.
2. Nenne die zwei Bedingungen über dem Reaktionspfeil und erkläre, wozu sie nötig sind.
3. Nenne zwei Stoffe, die die Pflanze aus Traubenzucker herstellt, und ihre Aufgabe.

Weiter

4. Erkläre, warum van Helmonts Schlussfolgerung „Die Weide besteht aus Wasser“ nur teilweise richtig war.
5. Jan Ingenhousz stellte 1779 Pflanzen in „verbrauchte“ Luft, einige im Licht, andere im Dunkeln. Nur bei den belichteten Pflanzen wurde die Luft wieder brauchbar. Erkläre das Ergebnis.
6. „Pflanzen machen aus Licht Energie.“ Verbessere den Satz fachlich.

Knobeln

7. Die chemische Gleichung der Fotosynthese lautet vereinfacht: $6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$. Zähle auf beiden Seiten die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome und prüfe, ob die Gleichung ausgeglichen ist.
8. Plane einen Versuch nach dem Vorbild van Helmonts, der zeigt, dass Pflanzen zum Wachsen Licht brauchen. Gib an, was du veränderst, was du gleich lässt und was du misst.

Lösungen

1. Kohlenstoffdioxid + Wasser → Traubenzucker + Sauerstoff (mit Licht und Chlorophyll). Ausgangsstoffe: Kohlenstoffdioxid und Wasser. Produkte: Traubenzucker und Sauerstoff.
2. Licht liefert die Energie für den Aufbau von Traubenzucker. Chlorophyll fängt das Licht ein. Ohne Licht oder ohne Chlorophyll findet keine Fotosynthese statt.
3. Zum Beispiel Stärke als Speicherstoff und Cellulose als Baustoff der Zellwände. Auch Fette und Eiweiße (mit Mineralstoffen aus dem Boden) sind richtig.
4. Wasser ist ein Ausgangsstoff der Fotosynthese und trägt zur Masse bei. Den zweiten Ausgangsstoff, Kohlenstoffdioxid aus der Luft, hat van Helmont nicht berücksichtigt. Die kleine Abnahme der Erde zeigt, dass auch etwas Mineralstoff aus dem Boden stammt.
5. Ohne Licht findet keine Fotosynthese statt. Die Pflanzen im Dunkeln gaben keinen Sauerstoff ab. Sie verbrauchte durch ihre Zellatmung sogar selbst etwas Sauerstoff.
6. Pflanzen wandeln Lichtenergie in chemische Energie um und speichern sie im Traubenzucker. Energie wird nicht erzeugt, sondern umgewandelt.
7. Links: C: 6, H: $6 \cdot 2 = 12$, O: $6 \cdot 2 + 6 \cdot 1 = 18$. Rechts: C: 6, H: 12, O: $6 + 6 \cdot 2 = 18$. Die Gleichung ist ausgeglichen.
8. Zum Beispiel: zwei gleich große Kressesaaten oder Bohnenpflanzen in gleicher, gewogener Erde, gleiche Wassermenge, gleiche Temperatur. Eine Gruppe steht im Licht, die andere im Dunkeln (veränderte Größe: Licht). Nach zwei bis drei Wochen werden Pflanzen und Erde getrocknet und gewogen (gemessene Größe: Trockenmasse). Erwartung: Die Pflanzen im Licht nehmen deutlich mehr Trockenmasse zu.