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Frage der Woche
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Grüne statt lila Kühe |
 Langsam geht die Sonne über den majestätischen Gipfeln auf. Auf der Alm reibt sich Senn Josef den Schlaf aus den Augen, bevor er die Tür des Kuhstalls öffnet. Munter springen die Kälbchen voraus, während die Mutterkühe gemessenen Schrittes folgen. Im Licht der Morgensonne schimmert ihre grüne Haut. Trotz der geschlossenen Schneedecke muss Josef kaum zufüttern: Einen großen Teil ihres Energiebedarfs decken die Tiere durch Fotosynthese. Die Cyanobakterien, die in die oberen Hautschichten eingelagert sind, verwerten das Sonnenlicht und sorgen für den Aufbau von Eiweiß und Kohlehydraten. Nur ausreichend Wasser muss vorhanden sein; deshalb überprüft Josef noch einmal, dass die Tränke eisfrei ist, ehe er die kleine Herde auf der Weide zurücklässt und sich anderen Aufgaben widmet...
Eine Zukunftsvision? Grüne Kühe, die sich von Sonnenlicht ernähren, sind wohl mehr Vision als Zukunft. Aber ganz real ist, dass sich weltweit viele Forscher damit beschäftigen, den Prozess der Fotosynthese besser zu verstehen und „nachzubauen“. Das hat mehrere Gründe. |
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| Frage 1 (Klassenstufe 7-11) |
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| Als Fotosynthese bezeichnet man einen Prozess, bei dem mit Hilfe der Energie aus Licht Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden in |
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a) Wasserstoff und Eiweiß
b) Kohlenhydrate und Sauerstoff
c) Fett und Graphit
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| Lösung: |
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Bei der Fotosynthese werden Kohlenhydrate und Sauerstoff gebildet. Die Pflanzen bauen die Kohlenhydrate anschließend aber auch in Fette und Eiweiße um.
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| Um das Sonnenlicht aufzunehmen, brauchen Organismen, die Fotosynthese betreiben, einen Farbstoff, der das Licht absorbiert. Dieser Farbstoff heißt bei grünen Pflanzen |
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a) Chlorophyll
b) Chloroform
c) Lyophil
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| Lösung: |
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Chlorophyll ist richtig. Es wird auch „Blattgrün“ genannt.
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| Nicht nur Stiefmütterchen und Apfelbäume betreiben Fotosynthese, sondern auch andere Lebewesen, zum Beispiel |
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a) der Schleimpilz Trichia favoginea
b) der Brasilianische Sonnenfrosch Rana solaris brasiliana
c) das Cyanobakterium Oscillatoria limosa
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| Lösung: |
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c) Cyanobakterien betreiben ebenfalls Fotosynthese.
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 8-11) |
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Zurück zu unserer Vision vom Anfang: Zugegeben, die Geschichte von den grünen Kühen klingt ziemlich weit hergeholt. Aber es gibt tatsächlich mindestens ein Beispiel für ein Tier, in dessen Zellen Algen leben, die Photosynthese betreiben und mit dem Tier in Symbiose existieren: Bei der Grünen Hydra oder Hydra viridissima handelt es sich um eine 10 bis 15 Millimeter lange Süßwasserpolypenart. (Unfreundlicherweise verdaut die Grüne Hydra hin und wieder einige ihrer symbiotischen Untermieter.) |
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Nenne die Vorteile, die Symbiont und Wirt von dieser symbiotischen Beziehung haben.
Symbiont: |
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| Lösung: |
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Symbiont: Chlorella-Alge: Schutz durch den größeren Organismus,Stickstoffverbindungen, die sonst ausgeschieden würden.
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| Wirt: |
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| Lösung: |
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Wirt: Hydra: Stoffwechselprodukte aus der Photosynthese der Alge
(Die Grünalgen (Chlorophyta – Chlorophyceae – Chlorella sp.) liefern als Produkte der Photosynthese Zuckerverbindungen (Maltose) und Sauerstoff an den Süßwasserpolypen. Hydra viridis stellt den Algen Stickstoffverbindungen in Form von Ammonium/Ammoniak und Kohlendioxid zur Verfügung, das bei den Stoffwechselvorgängen bei der Verdauung von Beutetieren entsteht und das von den Algen zum Wachstum als wichtiger Dünger benötigt wird.)
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 9-11) |
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| Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen zum Beispiel aus Siliziumdioxid ist die künstliche Fotosynthese deshalb so interessant, weil... |
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a)...man damit grüne Kühe züchten kann, die von Sonnenlicht leben
b)...die Energie aus dem Sonnenlicht chemisch gespeichert wird
c)...bei einem Effizienzvergleich die Fotosynthese silizium-basierte Solarzellen (also Fotovoltaik) im Hinblick auf die verwertbare Energiemenge deutlich schlägt.
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| Lösung: |
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b) Die Energie wird chemisch gespeichert. So kann sie transportiert und gelagert werden. Die Effizienz der Fotosynthese in natürlichen Pflanzen bezogen auf die Gesamtlichtmenge reicht mit max. 4-5 % in der Praxis bei weitem nicht an die von handelsüblichen Silizium-Fotovoltaikzellen heran (Wirkungsgrad > 14 %). Theoretisch wurde der Wirkungsgrad in natürlicher Umgebung (also mit Sonnenlicht) zu maximal 20 % berechnet, allerdings wird ein Teil davon gebraucht, um den Stoffwechsel der Pflanze aufrecht zu erhalten und steht nicht für den Aufbau von Biomasse zur Verfügung.
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 10-11) |
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| Ein netter Nebeneffekt der natürlichen Fotosynthese ist, dass CO2 aus der Luft gebunden und in andere Moleküle eingebaut wird. Warum kann der Chemiker das nicht so einfach nachmachen? |
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a) Weil das CO2 farblos und flüchtig ist.
b) Weil CO2 giftig ist und leicht explodiert.
c) Weil CO2 sehr reaktionsträge ist.
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| Lösung: |
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CO2 ist energetisch sehr niedrigstehend. Mit geeigneten Katalysatoren kann man die Doppelbindung zwar „knacken“, aber man braucht dafür viel Energie. In einzelnen Projekten wird derzeit erforscht, wie man aus CO2 z.B. Kunststoffe erzeugen kann.
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Der Unterschied zwischen organischer Fotovoltaik und der künstlichen Fotosynthese besteht darin, dass bei der Fotovoltaik Strom erzeugt wird; bei der künstlichen Fotosynthese dagegen soll direkt Wasser gespalten werden, ohne dass zunächst Strom fließt. Um dies zu bewerkstelligen benötigt man einen sogenannten Fotokatalysator.
Bis zu einer effektiven künstlichen Photosynthese hat die Forschung sicher noch einen weiten Weg vor sich. Fotokatalysatoren finden heutzutage aber schon praktische Verwendung. |
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| Welcher Stoff wird als Fotokatalysator schon kommerziell eingesetzt, und welchen Effekt möchte man damit erreichen?
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| Lösung: |
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Fotokatalytische Materialien wie TiO2 werden in selbstreinigenden Dachziegeln und sonstigen Oberflächen eingesetzt. Das TiO2 sorgt bei Lichteinfall dafür, dass organische Moleküle gespalten und Verschmutzungen so abgebaut werden.
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