Aufgabe 2 – Photosynthese
Wenn im Sommer bei anhaltend hohen Temperaturen an verschiedenen Gewässern Badeverbote ausgesprochen werden, sind dafür häufig sogenannte „Blaualgen" verantwortlich. Ein starker Befall der Gewässer ist an der ausgeprägten Trübung des Wassers erkennbar. Da „Blaualgen" zu den Prokaryoten zählen, werden sie fachwissenschaftlich korrekt als Cyanobakterien bezeichnet. Die ebenfalls in Gewässern lebenden Grünalgen gehören zu den Eukaryoten. Sowohl Cyanobakterien als auch Grünalgen können Fotosynthese betreiben.
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Erstelle eine beschriftete Schemazeichnung des elektronenmikroskopischen Bildes eines Chloroplasten (Größe ca. 
Seite) und gib die Reaktionsgleichung der Fotosynthese mit Summenformeln an.
In einem klassischen Versuch (Abb. 1) konnte ENGELMANN zeigen, dass die Fotosyntheseaktivität von Grünalgen von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Dazu verwendete er die fadenförmige Grünalge Spirogyra und Bakterien, die Orte mit höherer Sauerstoffkonzentration aufsuchen.
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Abb. 1: ENGELMANN-Versuch (stark schematisiert)
Abb. 2: Absorptionsspektren der fotosynthetisch wirksamen Pigmente von Grünalgen (vereinfacht)
2.1
Beschreibe Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Beobachtung des ENGELMANN-Versuchs (Abb. 1).
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2.2
Erkläre die Verteilung der Bakterien im ENGELMANN-Versuch (Abb. 1) auf der Grundlage der Absorptionsspektren der Pigmente von Grünalgen (Abb. 2).
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Die Pigmentausstattungen von Cyanobakterien und Grünalgen unterscheiden sich und damit auch deren Absorptionsspektren. Abbildung 3 zeigt die Absorptionsspektren der Pigmente von Cyanobakterien.
3.1
Beschreibe, wo im Chloroplasten sich Chlorophyll befindet, und gib die Bedeutung des Chlorophylls für die Fotosynthese an.
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Abb. 3: Absorptionsspektren der fotosynthetisch wirksamen Pigmente von Cyanobakterien
3.2
Erläutere ausgehend von Abbildung 2 und 3 das zu erwartende Ergebnis bei einem mit Cyanobakterien statt Spirogyra entsprechend durchgeführten "ENGELMANN-Versuch".
Cyanobakterien und Grünalgen kommen gemeinsam in Gewässern vor. Insbesondere im Sommer können sich Cyanobakterien stark vermehren. Es bilden sich „Blaualgenteppiche" an der Wasseroberfläche. Dies hat einen Rückgang von Grünalgen direkt unterhalb der Wasseroberfläche und in den darunterliegenden, kühleren Schichten zur Folge. Abbildung 4 zeigt den prozentualen Zuwachs der Populationen des Cyanobakteriums Microcystis aeruginosa und der Grünalge Scenedesmus acuminatus in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Abb. 4: Prozentualer Zuwachs der Populationen des Cyanobakteriums Microcystis aeruginosa und der Grünalge Scenedesmus acuminatus jeweils in Reinkultur
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Erläutere die Dominanz der Cyanobakterien im Sommer mithilfe von Abbildung 4 und erkläre unter Berücksichtigung der Absorptionsspektren (Abb. 2 und 3) die Abnahme der Grünalgen in tieferen Schichten.
Das in „Blaualgenteppichen" dominierende Cyanobakterium Microcystis aeruginosa synthetisiert ein Gift namens Microcystin. Einer Hypothese zufolge hemmt dieses Gift die Vermehrung der Grünalgen bei höheren Temperaturen. Diese Hypothese wurde experimentell überprüft, indem die einzellige Grünalge Scenedesmus acuminatus gemeinsam mit Microcystis aeruginosa in Mischkultur kultiviert wurde. Als Kontrolle diente eine Mischkultur mit einer Microcystis aeruginosa-Mutante, die kein Gift produziert.
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Beschreibe die Planung und die Durchführung der Experimente zur Überprüfung der beschriebenen Hypothese sowie die zu erwartenden Ergebnisse im Fall einer Bestätigung der Hypothese.
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Beschriftete Zeichnung eines Chloroplasten:
Summengleichung der Fotosynthese:
Wasser und Kohlenstoffdioxid werden mittels Lichtenergie in Glucose und Sauerstoff umgewandelt.
Die Summenformel lautet:
2.1
ENGELMANN-Versuch:
Im ENGELMANN-Versuch wurde Licht in seine Spektralfarben zerlegt, indem ein Prisma mit weißem Licht bestrahlt wurde. Fotosynthese betreibende Spirogyra-Zellen und Sauerstoff sensible Bakterienzellen wurden diesem Spektrum unterschiedlicher Wellenlängen ausgesetzt. Es wurde abgewartet, bis sich eine sichtbare Verteilung der Bakterien eingestellt hatte. Im Versuch konnte beobachtet werden, dass sich die Bakterien bevorzugt im Bereich der Belichtung mit den Wellenlängen von 400 bis 500 nm und 600 bis 700 nm aufhalten.
2.2
Verteilung der Bakterien im ENGELMANN-Versuch:
Chlorophyll a und Chlorophyll b absorbieren Licht mit Wellenlängen von etwa 450 nm und 650 nm. Im Diagramm sind an diesen Stellen Absorptionsmaxima zu erkennen. Wird das Chlorophyll im Versuch mit Licht dieser Wellenlängen angeregt, so ist die Fotosyntheseaktivität dort am höchsten. Dementsprechend wird an diesen Stellen auch am meisten Sauerstoff produziert, und die örtliche Sauerstoffkonzentration steigt. Die Bakterienzellen bewegen sich gezielt zu Orten mit hoher Sauerstoffkonzentration. Daher ist die Bakteriendichte in den Bereichen der Wellenlängen zwischen 400 und 500 nm beziehungsweise zwischen 600 und 700 nm am größten.
3.1
Lokalisation des Chlorophylls im Chloroplasten und Bedeutung des Chlorophylls für die Fotosynthese:
Im Chloroplasten ist das Chlorophyll in den Thylakoidmembranen (Stromaseite) lokalisiert. Chlorophyll ist ein Farbpigment, welches in der Lage ist, Licht zu absorbieren und in chemische Energie umzuwandeln.
3.2
Erwartetes Ergebnis bei einem mit Cyanobakterien durchgeführten ENGELMANN-Versuch:
Zusätzlich zu den auch in Spirogyra vorkommenden Pigmenten, besitzen Cyanobakterien noch Phycoerythrin, Phycocyanin und Bakteriophyll a, die Licht weiterer Wellenlängen (ca. 550-650 nm und 700-800 nm) absorbieren. Somit steht den Spirogyra auch dieser Wellenlängenbereich für die Fotosynthese und Sauerstoffproduktion zur Verfügung. Cyanobakterien sind damit in der Lage, über nahezu alle Wellenlängenbereiche Sauerstoff zu produzieren. Daher würde man überall eine fast gleich dichte Population an Bakterien finden.
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Dominanz der Cyanobakterien im Sommer:
Bei höheren Temperaturen an der Wasseroberfläche im Sommer haben Cyanobakterien höhere Zuwachsraten als die Grünalgen. Das liegt daran, dass Cyanobakterien in der Lage sind, Licht des gesamten Spektrums zu absorbieren. Die Cyanobakterien sind vermehrt an der Oberfläche angesiedelt, wo sie den sogenannten „Blaualgenteppich“ bilden. Dadurch gelangt nur wenig Licht in tiefere Wasserschichten, wo Grünalgen leben. Daher nimmt die Populationsdichte der Grünalgen in tieferen Schichten ab, obwohl sie dort gemäß der Wassertemperatur eine höhere Zuwachsrate aufweisen.
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Experiment zur Überprüfung der Hypothese:
Es werden je zwei Mischkulturen bei verschiedenen Temperaturen angesetzt. Dabei wird eine Kultur aus S. acuminatus und M. aeruginosa und eine Kultur aus S. acuminatus und der M. aeruginosa -Mutante angesetzt. Alle Ansätze werden in einem definierten Zeitraum mit gleicher Intensität belichtet. Im Anschluss wird der Zuwachs der Cyanobakterien bzw. der Grünalgen (zum Beispiel durch Auszählen der Zellen) bestimmt. Es wird erwartet, dass die Populationsgröße der Grünalgen in der Mischkultur, in der Gift produziert wurde, bei höheren Temperaturen geringer ausfällt als in der Kultur mit der M. aeruginosa -Mutante. So lässt sich die Hypothese bestätigen, dass Cyanobakterien ein Gift produzieren, welches die Ausbreitung der Grünalgen bei höheren Temperaturen hemmt.