Einstieg: Ein Glas, das jahrelang lebt
Es gibt Flaschengärten: verschlossene Glasgefäße mit Erde, Moos und kleinen Pflanzen. Manche stehen jahrelang, ohne geöffnet zu werden, und die Pflanzen leben weiter. Wie ist das möglich, wenn niemand neue Luft hineinlässt? Die Antwort liegt im Zusammenspiel von Fotosynthese und Zellatmung.
Erklärung: Zwei Vorgänge, die sich ergänzen
Vergleiche die beiden Wortgleichungen:
| Fotosynthese | Zellatmung | |
|---|---|---|
| Ausgangsstoffe | Kohlenstoffdioxid und Wasser | Traubenzucker und Sauerstoff |
| Produkte | Traubenzucker und Sauerstoff | Kohlenstoffdioxid und Wasser |
| Energie | Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt und gespeichert | chemische Energie wird freigesetzt und nutzbar |
| Ort | Chloroplasten | Mitochondrien |
| Wer? | grüne Pflanzen, Algen, manche Bakterien | fast alle Lebewesen, auch Pflanzen |
| Wann? | nur bei Licht | immer, Tag und Nacht |
Die Produkte der einen Reaktion sind die Ausgangsstoffe der anderen. Stoffe bewegen sich deshalb im Kreislauf. Die Energie dagegen fließt nur in eine Richtung: Sie kommt als Licht von der Sonne, wird im Traubenzucker gespeichert und bei der Zellatmung für Lebensvorgänge genutzt. Am Ende wird sie als Wärme an die Umgebung abgegeben. Deshalb braucht das Leben ständig neues Sonnenlicht.
Im Flaschengarten bilden die Pflanzen am Tag durch Fotosynthese Traubenzucker und Sauerstoff. Pflanzen, Bodentiere und Bakterien verbrauchen davon durch Zellatmung einen Teil und geben Kohlenstoffdioxid und Wasser ab, die wieder in die Fotosynthese gehen. Nur Licht muss von außen hineinkommen.
Beispiele
Beispiel 1: Die Bilanz eines Tages Eine Pflanze bildet an einem sonnigen Tag mehr Traubenzucker, als sie in 24 Stunden durch Zellatmung abbaut. Den Überschuss speichert sie als Stärke oder baut ihn in neue Zellen ein. Deshalb wächst sie. In einem dunklen Keller verbraucht sie ihre Vorräte nur noch und verliert Trockenmasse.
Beispiel 2: Verbrauchte Luft wird wieder brauchbar Priestley zeigte: In Luft, in der eine Kerze erloschen war, konnte nach einigen Wochen mit einer Minzepflanze wieder eine Kerze brennen, und eine Maus blieb darin am Leben. Ingenhousz fand heraus, dass das nur gelingt, wenn die Pflanze Licht bekommt. Heute wissen wir: Die Pflanze setzt bei Licht mehr Sauerstoff frei, als sie selbst durch Zellatmung verbraucht. Versuche mit Tieren führt man dafür heute nicht mehr durch, Sauerstoffmessgeräte zeigen dasselbe.
Typische Fehlvorstellungen
| Aussage | Was stimmt |
|---|---|
| „Pflanzen atmen nicht.“ | Alle lebenden Pflanzenzellen betreiben Zellatmung. |
| „Pflanzen atmen nur nachts.“ | Die Zellatmung läuft Tag und Nacht. Am Tag wird sie von der schnelleren Fotosynthese überdeckt. |
| „Pflanzen holen ihre Nahrung aus dem Boden.“ | Traubenzucker bildet die Pflanze selbst aus Kohlenstoffdioxid und Wasser. Aus dem Boden kommen Wasser und Mineralstoffe. |
| „Bei der Fotosynthese entsteht Energie.“ | Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt. Energie entsteht nie neu. |
| „Atmung bedeutet Luft holen.“ | Die Zellatmung ist ein Stoffwechselvorgang in den Mitochondrien. Luftholen ist die äußere Atmung. |
| „Sauerstoff ist ein Abfall der Pflanze, den sie nicht braucht.“ | Die Pflanze braucht Sauerstoff für die eigene Zellatmung. Sie gibt bei Licht nur den Überschuss ab. |
Merksatz
Fotosynthese und Zellatmung bilden einen Stoffkreislauf: Die Produkte der einen sind die Ausgangsstoffe der anderen. Die Energie fließt dagegen in eine Richtung, vom Sonnenlicht über den Traubenzucker zu den Lebensvorgängen und schließlich als Wärme in die Umgebung.
Selbsttest
Grundlagen
- Ergänze: Bei der Fotosynthese entstehen ___ und ___. Bei der Zellatmung entstehen ___ und ___.
- Wo in der Zelle findet die Fotosynthese statt, wo die Zellatmung?
- Nenne den Nachweis für Stärke, für Sauerstoff und für Kohlenstoffdioxid.
Weiter
- Erkläre, warum man sagt: „Stoffe gehen im Kreis, Energie fließt durch.“
- Ein Wurzelstück einer Möhre liegt in einem verschlossenen Glas mit Kalkwasser. Nach einem Tag ist das Kalkwasser trüb. Erkläre.
- Prüfe die Aussage: „Ein Wald produziert nachts Sauerstoff, weil die Bäume dann ausruhen.“
Knobeln
- Ein Aquarium mit Wasserpflanzen und Fischen steht in einem dunklen Raum. Nach einigen Tagen schnappen die Fische an der Oberfläche nach Luft. Erkläre den Zusammenhang und schlage eine Lösung vor.
- Würde ein verschlossener Flaschengarten auch in völliger Dunkelheit dauerhaft funktionieren? Begründe mit Stoff- und Energiefluss.
Lösungen
- Fotosynthese: Traubenzucker und Sauerstoff. Zellatmung: Kohlenstoffdioxid und Wasser.
- Fotosynthese in den Chloroplasten, Zellatmung in den Mitochondrien.
- Stärke: Iod-Kaliumiodid-Lösung färbt sich blauschwarz. Sauerstoff: Glimmspanprobe, der Span flammt auf. Kohlenstoffdioxid: Kalkwasser wird trüb.
- Kohlenstoffdioxid, Wasser, Traubenzucker und Sauerstoff werden bei den beiden Vorgängen immer wieder ineinander umgewandelt, sie gehen also im Kreis. Die Energie kommt als Licht hinein, wird gespeichert und genutzt und verlässt das System schließlich als Wärme. Sie kann nicht erneut für die Fotosynthese verwendet werden.
- Die Zellen der Möhrenwurzel leben und betreiben Zellatmung. Sie geben dabei Kohlenstoffdioxid ab, das das Kalkwasser trübt. Fotosynthese findet in der Wurzel nicht statt.
- Die Aussage ist falsch. Nachts findet keine Fotosynthese statt, es wird also kein Sauerstoff gebildet. Die Bäume ruhen auch nicht, ihre Zellen betreiben weiter Zellatmung und verbrauchen Sauerstoff.
- Im Dunkeln betreiben die Pflanzen keine Fotosynthese mehr. Pflanzen, Fische und Bakterien verbrauchen durch Zellatmung den Sauerstoff im Wasser. Der Sauerstoffgehalt sinkt, die Fische bekommen zu wenig. Lösung: Licht einschalten, damit die Pflanzen wieder Sauerstoff bilden, oder eine Belüftungspumpe einsetzen.
- Nein. Ohne Licht findet keine Fotosynthese statt. Es wird kein Traubenzucker und kein Sauerstoff mehr gebildet. Die Zellatmung verbraucht die Vorräte und den Sauerstoff, bis die Lebewesen absterben. Stoffe könnten zwar im Kreis laufen, aber ohne Energiezufuhr von außen kommt der Kreislauf zum Stillstand.