Stellen Sie sich eine Welt vor, in der das unsichtbare Zusammenspiel von Stoffen und Energie das Fundament allen Lebens bildet. Dieses Buch entführt Sie in die faszinierende Welt der Ökosysteme, wo die Fotosynthese als treibende Kraft die Umwandlung von Sonnenlicht in lebensnotwendige Energie ermöglicht. Entdecken Sie, wie Pflanzen, die Produzenten unserer Welt, Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Glukose umwandeln – ein Prozess, der nicht nur ihre eigene Existenz sichert, sondern auch die Grundlage für alle anderen Lebewesen bildet. Erforschen Sie die komplexen Zusammenhänge von Nahrungsnetzen und Stoffkreisläufen, von den kleinsten Mikroorganismen bis zu den größten Raubtieren, und verstehen Sie, wie Energie durch die verschiedenen Trophieebenen fließt. Tauchen Sie ein in die Details der Assimilation und Dissimilation, die grundlegenden Prozesse des Stoff- und Energieumsatzes, und lernen Sie die entscheidende Rolle von Chloroplasten und Mitochondrien kennen. Untersuchen Sie die Faktoren, die die Fotosynthese beeinflussen – Licht, Temperatur, CO2-Gehalt, Wasser und Chlorophyll – und wie diese das Wachstum und die Verteilung von Pflanzen in verschiedenen Umgebungen bestimmen. Anhand von anschaulichen Beispielen und Grafiken wird das Prinzip "Fressen und gefressen werden" lebendig, und Sie erkennen, wie jede Art in einem Ökosystem eine unverzichtbare Rolle spielt. Erfahren Sie mehr über Energiepyramiden und Biomassenpyramiden und verstehen Sie, warum nur ein Bruchteil der Energie von einer Trophieebene zur nächsten weitergegeben wird. Dieses Buch ist eine Reise durch die elementaren Prozesse, die unsere Welt am Leben erhalten, und ein Muss für alle, die die Geheimnisse der Natur entschlüsseln wollen. Es bietet einen umfassenden Einblick in die Ökologie und verdeutlicht die Bedeutung des Stoff- und Energieumsatzes für das Gleichgewicht und die Stabilität unserer Ökosysteme. Lassen Sie sich von der Komplexität und Schönheit der Natur begeistern und entdecken Sie, wie alles miteinander verbunden ist. Ein tiefgehendes Verständnis der Fotosynthese, des Stoffwechsels und der Energieflüsse ermöglicht es, die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt besser zu verstehen und nachhaltige Lösungen zu entwickeln. Begleiten Sie uns auf dieser Entdeckungsreise und werden Sie Teil einer neuen Generation von Umweltbewussten, die sich für den Schutz unserer natürlichen Ressourcen einsetzen. Dieses Buch ist mehr als nur eine Einführung; es ist ein Aufruf zum Handeln, um die Wunder der Natur zu bewahren.
Stoff- und Energieumsatz im Ökosystem
Einführung in die neue Thematik: Fotosynthese
Wiederholung: Was ist eine Nahrungskette?
Die Nahrungskette beruht auf dem Prinzip "groß frisst klein" bzw. "fressen und gefressen werden"(siehe voriges Stundenprotokoll).
Die Pflanzen als Produzenten, stehen am Anfang dieser Nahrungskette, da diese organische Biomasse mit Hilfe der Fotosynthese produzieren.
In diesem Sinne wurde das Thema dieser Stunde angesprochen, mit dem wir uns dann auch beschäftigten. Die Fotosynthese, als wichtigster biochemischer Vorgang dieser Erde und der Stoff- und Energiewechsel wurde zusammenfassend unter den folgenden Gesichtspunkten betrachtet:
1) Faktoren, die die Fotosynthese beeinflussen ( S. 2 - S. 5)
2) Stoff- und Energiewechsel als grundlegende Lebesnsprozesse (S. 6- S. 9)
Die Fotosynthese
1) Warum ist die Fotosynthese so wichtig?
Die Fotosynthese ist der qualitativ und quantitativ wichtigste biochemischer Vorgang auf der Erde. Alle organischen Stoffe und Energiequellen stammen aus der Fotosynthese und ist eine Form der autotrophen Assimilation (siehe Definition S. 6). Die Fotosynthese ist eine chemische Reaktion und lässt sich anhand einer Gleichung gut veranschaulichen.
Bruttogleichung: 6CO2 + 6H2O _ C6H12O6 + 6O2 _
-Pflanze gibt Sauerstoff an Umgebung ab
Erläuterungen zu Bruttogleichung:
- Es wird Strahlungsenergie mit Hilfe des Chlorophylls in chemische Energie umgewandelt. Aus energiearmen, anorganischen Verbindungen, wie CO2 und H2O werden durch Absorption von Sonnenstrahlung energiereiche Kohlenhydrate, wie Glukose (C6H12O6) erzeugt.
2) Wovon ist die Fotosynthese abhängig?
Die Fotosynthese ist von den Außenbedingungen ihrer Umwelt abhängig. Aus diesem Grund wurden Überlegungen angestellt, inwiefern welche Faktoren die Fotosynthese beeinflussen. Experimente zu diesem Thema wurden mit Hilfe von Kurven ausgewertet und analysiert und wir kamen zu der Erkenntnis, dass die Fotosynthese von fünf Faktoren abhängig ist.
1) Das Licht
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Es handelt sich hierbei um eine Sättigungskurve. Das heisst, die Kurve erreicht einen sogenannten Sättigungsbereich, in dem die maximale Fotosyntheserate konstant im Kurvenverlauf ist.
Aus der Kurve kann man deutlich erkennen, dass die Sonnenpflanzen leistungsfähiger sind als die Schattenpflanzen. Das ist auf die Größe und den Aufbau der Blätter beider Pflanzen zurückzuführen. Die Sonnenblätter z.B. haben eine durchaus größere Blattoberfläche um eine höhere Fotosyntheserate zu erreichen, als die Schattenpflanzen.
Beispiel
Überlegung: Gegeben sind gleiche Lichtverhälltnisse für beide Pflanzen mit einer Lichtintensität von 5000 Lux. Was kann man über die Fotosyntheserate für die Sonnen- und die Schattenpflanzen aussagen?
Die Schattenpflanze ist in dem Fall leistungsfähiger als die Sonnenpflanze, da sie bereits bei einer geringen Lichtintensität besser Fotosynthese betreiben kann als Sonnenpflanzen.
Die Farbe, also die Wellenlänge des Lichts spielt ebenfalls eine große Rolle.
- Fotosynthese primär von Lichtintensität abhängig Beleuchtungsstärke und Wellenlänge des Lichts wichtig
- Kurvenverlauf · Sättigungskurve
2) Temperatur
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Auswertung der Kurve:
Es handelt sich hierbei um eine Optimumskurve. Das heisst, die Kurve erreicht bei einer bestimmten Temperatur ihren Maximalwert und fällt daraufhin. In dieser Darstellung ist das sehr gut zu erkennen.
(1) In diesem Bereich, wo die Kurve ansteigt, gilt die RGT-Regel. Diese lautet: Eine Erhöhung der Temperatur um 10° führt zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit bzw. eine Erniedrigung der Temperatur um 10° führt zu einer Verdopplung der Reaktionszeit und demnach einer Erniedrigung der Reaktionsgeschwindigkeit.
(2) Optimum: In diesem Bereich ist die Fotosyntheserate am höchsten. Das ist wiederum regionsbedingt und pflanzenspezifisch ( siehe unten: Temperaturabhängigkeit der Fotosynthese bei unterschiedlichen Standorten).
(3) In diesem Bereich greift die RGT- Regel nicht mehr. Es kommt zur Denaturierung der Proteine. D.h., die Enzyme sind funktionsunfähig. Sie arbeiten temperaturabhängig. Bei einer bestimmten höheren Temperatur schützt sich die Pflanze vor dem Austrocknen, indem sie ihre Spaltöffnungen schließt und den Gasaustausch damit unterbindet. Das hat zur Folge, dass immer weniger bzw. gar kein Sauerstoff mehr abgegeben wird, was den deutlichen Kurvenfall zu erklären hat.
Temperaturabhängigkeit der Fotosyntheserate bei unterschiedlichen Standorten
Pflanzen verschiedener Klimazonen und Standorte sind durch die Lage ihrer Temperaturoptima an die dort herschenden Temperaturverhältnisse angepasst. Wintergrüne Pflanzen können zum Beispiel unter 0°C Fotosynthese betreiben, wobei tropische Pflanzen ihr Optimum bei 30°C bis 40°C haben.
Die folgende Darstellung bringt das zum Ausdruck
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- deutliche Temperaturabhängigkeit, die für enzymgesteuerte Reaktionen typisch sind
- Reaktionsgeschwindigkeit der biochem.. Prozesse bestimmt Fotosyntheseleistung
- Kurvenverlauf: Optimumskurve ( RGT-Regel, Optimum, Denaturierung der Proteine)
3) Der CO2-Gehalt in der Luft
Die Pflanze ist in ihrer Aufnahme von Kohlenstoffdioxid eingeschränkt, da sie nur einen bestimmten Gehalt aus ihrer Umgebung aufnehmen kann. Unmittelbar über dem Boden ist eine höhere Kohlenstoffdioxidkonzentration zu verzeichnet, infolge der Atmung der Bodenorganismen.
Eine Optimumskurve stellt die Abhängigkeit der Fotosyntheserate von dem CO2 -Gehalt optisch sehr gut dar. Eine Erhöhung der CO2-Konzentration hat eine Erhöhung der Fotosyntheseleistung zur Folge. Demnach stellt die natürliche Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Luft einen begrenzenden Faktor dar, da die maximale Fotosyntheserate bei einem bestimmten Kohlenstoffdioxidgehalt erreicht wird und danach fällt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4) Der H2O-Gehalt
Wasser ist in geringen Mengen notwendig für die Fotosynthese. Die Wasseraufnahme findet über die Spaltöffnungen statt und wirkt also indirekt auf die Fotosynthese ein. Es wurden noch keine quantitativen Beziehungen zwischen dem Faktor Wasser und der Fotosynthese erfasst.
5) Chlorophyll (-Menge)
Das Chlorophyll ist ein grüner Pflanzenfarbstoff, der meistens in den Chloroplasten lokalisiert ist . Es dient als Biokatalysator bei der für die Fotosynthese notwendigen Umwandlung von Lichtenergie in die Energie der Stoffe.
Fotosynthese abhängig von:
- Licht
- Temperatur
- CO2 - Gehalt
- H2O - Gehalt
- Chlorophyll (-Menge)
- Wenn diese Faktoren übereinstimmen, kann Glukose produziert werden
Stoff und Energieumsatz im Ökosystem
Was bedeuted Stoff- und Energieumsatz?
- grundlegende Lebensprozesse
- umfasst alle im Organismus ablaufenden Vorgänge zur Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von Stoffen und Energie im Verlaufe bestimmter Lebensvorgänge
Grundbegriffe
Definitionen:
- Assimilation: (lat. assimilare - Angleichung) Umwandlung körperfremder Stoffe in körpereigene Stoffe (sogenannte Assimilate) unter Energieaufwand
- endotherme Reaktion ( Reaktion, die Energie benötigt)
- autotrophe Assimilation: - Umwandlung energiearmer, anorganischer Stoffe in energiereiche organische Stoffe unter Ausnutzung äußerer Energiequellen
- meist bei Organismen mit Chlorophyll (Fotosynthese)
- energiearme, organische Stoffe: CO2 / H2O ; Mineralien und Salze energiereiche, organische Verbindungen: Glukose
- organisch: -Verbindungen, die Kohlenstoffe enthalten bzw. (als Orientierung!!!) die durch lebende Organismen entstanden sind
- heterotrophe Assimilation: -Umwandlung körperfremder, organischer Stoffe in körpereigene, organische Stoffe unter Ausnutzung der in den körperfremden Sotffen enthaltenen Energie
- meist bei Organismen ohne Chlorophyll
- Dissimilation: -Abbau von energiereichen Stoffen in energieärmere Stoffe unter Freisetzung von Energie für Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge
a) Atmung- mit Sauerstoff
b) Gärung:- ohne Sauerstoff
- fotoautotroph: benötigte Energie stammt aus dem Sonnenlicht
- chemoautotroph: Energie stammt aus chemischen Reaktionen
- alle Pflanzen sind autotroph·in der Lage, die Energie aus dem Sonnenlicht zu nutzen
- Tiere, Menschen, Konsumenten... sind heterotroph
Betreibt eine Pflanze Dissimilation?
Die Pflanze betreibt Dissimilation in den Mitochondrien zum Wachsen. Der Blattaufbau ist zum Beispiel eine endotherme Reaktion, das heisst, eine Reaktion, die Energie benötigt. Woher kommt aber die notwendige Energie? Die Pflanze betreibt Fotosynthese, um Glukose als energiereichen, organischen Stoff aufzubauen. Dissimilation läuft unter Freisetzung von Energie ab. Aus dem Grund wird die für das Wachstum notwendige Energie aus der Glukose entnommen.
Beide Zeichnungen stellen schematisch die Assimilation und Dissimilation dar.
In den Chloroplasten findet die Assimilation statt, da für diesen Vorgang, das in den Chloroplasten enthaltene Chlorophyll von hoher Bedeutung ist. Die Dissimilation findet in den Mitochondrien, den Kraftwerken unserer Zelle statt.
Das Schema zeigt, dass die Assimilation nur am Tag stattfinden kann, da dieser Vorgang (siehe Definition) nur unter Ausnutzung äußerer Energiequellen (Sonne) existiert. Kohlenstoffdioxid als körperfremder Stoff, wird in der Zelle zu körpereigenen, organischen Stoffen umgewandelt (· Sauerstoff).
In den Mitochondrien findet widerum sowohl in der Nacht als auch am Tag Dissimilation statt, da laut Definition, energiereiche, körpereigene Stoffe ( in dem Fall Sauerstoff) in energieärmere Stoffe ( hier: Kohlenstoffdioxid) unter Freisetzung von Energie umgewandelt werden.
Vertreter in einem Nahrungssystem
In den in der Tabelle abgebildetem Kreisläufen, wird a) der Stoffumsatz und b) der Energieumsatz innerhalb einer Nahrungskette dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Nahrungskette beruht auf dem Prinzip "fressen und gefressen werden" und beinhaltet zwei wichtige Faktoren, die dabei eine Rolle spielen. Zum einen ist das der Stoffumsatz und zum anderen der Energieumsatz innerhalb einens Nahrungssystems.
Der Produzent (immer Pflanzen) produziert Biomasse, eine organische Verbindung (Verbindungen mit Kohlenstoff), die als energiereicher, organischer Stoff von den Konsumenten erster Ordung (K1 ;Pflanzenfresser)aufgenommen wird. Dieser organische Stoff erhällt seine Energie aus der Sonnenenergie. Die Konsumenten zweiter Ordnung (K2) nehmen ebenfalls über ihre Nahrung (als Pflanzen - oder Fleischfresser) organische, energiereiche Stoffe zu sich, die sie zum Teil auch wieder verbrennen. Die Destruenten (D) haben die Aufgabe, die Konsumenten zweiter Ordnung als abgestorbenes Material zu zersetzen.und in diesem Zusammenhang, den Produzenten Mineralien als anorganischen, energiearmen Stoff zur Verfügung zu stellen. An dieser Stelle schliest sich der Stoffkreislauf wieder. Beim Energieumsatz kann man feststellen, dass die Destruenten zwar energiereiche, organische Stoffe zu sich nehmen, wiederum anorganische, energiearme Stoffe an die Produzenten abgeben.Da sich in diesem Fall kein Kreislauf ausgebildet hat, nennt man diese Situation Energiesackgasse, da der weitergegebene Stoff energiearm ist.
(Definition) Energiesackgasse:Die Energie wurde verbraucht und kann nur durch Sonnenenergie wieder hergestellt werden.
Anwendung zum Thema "Stoff- und Energieumsatz im Ökosystem" Ergänzungen zum Arbeitsblatt
Abb. 3
Die Abbildung zeigt eine Biomassenpyramide, Aus dieser Abbildung kann man eindeutig erkennen, dass die Hechte am Ende einer Nahrungskette stehen, die Karpfen hinter ihnen und die Wasserflöhe und Algen dahinter. Jeder Gruppe wird der Begriff "Trophieebene" zugeordnet. Eine Trophieebene fasst alle Organismen, die in einer Nahrungskette die gleiche Position innehaben, zusammen ( alle Destruenten, alle K1, K2... ). Auch in dieser Abbildung greift das Prinzip "fressen und gefressen werden". Es wird gezeigt, dass 1000 kg Algen, 100 kg Wasserflöhe ernähren können. Das heisst also auch, dass 10 kg Karpfen von 100 kg Wasserflöhen leben können usw.. Man kann feststellen, dass die Biomasse, die von einer Trophieebene zur anderen gebracht wird, um 90% bzw. auf 10% abnimmt. Das heisst, nur 10 % der Biomasse erreicht die nächste Trophieebene.
Abb. 1
Diese Abbildung zeigt eine Energiepyramide für die Lebewesen des Mendota-Sees in den USA. Das Verhältnis der einzelnen Trophieebenen steht im selben Verhältnis zueinander wie bei der Biomassenpyramide. Die Energie/m2 nimmt von Trophieebene zu Trophieebene um 90% auf 10% ab.
In diesem Zusammenhang muss erwähnt werden, dass jede Trophieebene dissimiliert. Es werden nämlich auch in diesem Fall energiereiche, körpereigene Stoffe in energieärmere Stoffe umgewandelt, wobei Energie freigesetzt bzw. verloren geht. Dieser Energieverlust ist vor allem in der ersten Abbildung deutlich zu erkennen, da die Energie von Trophieebene zu Trophieebene auf 1/10 des vorrangegangenen Wertes abnimmt.
Abb. 4
Häufig gestellte Fragen
Was ist eine Nahrungskette und welche Rolle spielen Pflanzen dabei?
Eine Nahrungskette basiert auf dem Prinzip "fressen und gefressen werden". Pflanzen, als Produzenten, stehen am Anfang der Nahrungskette, da sie durch Fotosynthese organische Biomasse produzieren.
Was ist Fotosynthese und warum ist sie wichtig?
Fotosynthese ist der wichtigste biochemische Vorgang auf der Erde. Dabei werden organische Stoffe und Energiequellen erzeugt. Sie wandelt Strahlungsenergie mithilfe von Chlorophyll in chemische Energie um, wobei aus energiearmen, anorganischen Verbindungen wie CO2 und H2O energiereiche Kohlenhydrate wie Glukose entstehen. Sauerstoff wird als Nebenprodukt freigesetzt.
Von welchen Faktoren ist die Fotosynthese abhängig?
Die Fotosynthese wird von folgenden fünf Faktoren beeinflusst: Licht (Intensität und Wellenlänge), Temperatur, CO2-Gehalt, H2O-Gehalt und die Chlorophyll-Menge.
Wie beeinflusst das Licht die Fotosynthese?
Die Fotosynthese ist primär von der Lichtintensität abhängig. Sonnenpflanzen sind leistungsfähiger bei hoher Lichtintensität, während Schattenpflanzen bereits bei geringerer Intensität besser Fotosynthese betreiben können. Die Wellenlänge des Lichts spielt auch eine Rolle.
Wie beeinflusst die Temperatur die Fotosynthese?
Die Fotosyntheserate ist temperaturabhängig. Es gibt eine Optimumskurve: Bis zu einer bestimmten Temperatur steigt die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel), erreicht dann ein Optimum und fällt schließlich ab, da es zur Denaturierung der Proteine kommt. Pflanzen verschiedener Klimazonen haben unterschiedliche Temperaturoptima.
Wie beeinflusst der CO2-Gehalt die Fotosynthese?
Eine Erhöhung der CO2-Konzentration führt zu einer Erhöhung der Fotosyntheseleistung bis zu einem bestimmten Punkt, danach fällt die Rate wieder. Die natürliche CO2-Konzentration in der Luft kann ein begrenzender Faktor sein.
Was bedeuten Stoff- und Energieumsatz?
Stoff- und Energieumsatz sind grundlegende Lebensprozesse, die alle Vorgänge zur Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von Stoffen und Energie im Organismus umfassen.
Was ist Assimilation und Dissimilation?
Assimilation ist die Umwandlung körperfremder Stoffe in körpereigene Stoffe unter Energieaufwand (endotherme Reaktion). Es gibt autotrophe (Nutzung äußerer Energiequellen, z.B. Fotosynthese) und heterotrophe (Nutzung der Energie in körperfremden Stoffen) Assimilation. Dissimilation ist der Abbau von energiereichen Stoffen in energieärmere Stoffe unter Freisetzung von Energie.
Wie hängen Assimilation und Dissimilation in Pflanzen zusammen?
Die Pflanze betreibt Fotosynthese (Assimilation), um Glukose zu produzieren. Die Dissimilation (Atmung) in den Mitochondrien nutzt die Energie der Glukose zum Wachsen und für andere Lebensprozesse.
Was ist eine Energiesackgasse?
Eine Energiesackgasse tritt auf, wenn Energie verbraucht wird und nur durch Sonnenenergie wiederhergestellt werden kann. Das passiert, wenn Destruenten organische Stoffe zersetzen und anorganische Stoffe an Produzenten abgeben, ohne dass ein Energiekreislauf entsteht.
Was ist eine Trophieebene und wie verhält sich die Biomasse/Energie zwischen den Trophieebenen?
Eine Trophieebene fasst alle Organismen zusammen, die in einer Nahrungskette die gleiche Position innehaben. Die Biomasse und Energie nehmen von Trophieebene zu Trophieebene um ca. 90% ab (nur 10% werden an die nächste Ebene weitergegeben). Ein Teil der Energie wird durch Dissimilation verloren.
- Quote paper
- Judith Ortmann (Author), 2000, Stoff- und Energieumsatz in einem Ökosystem, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/104818
