Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion

Fotosynthese – experimentelle Nachweise der Reaktion – Biologie

Wie kann man Fotosynthese nachweisen? Pflanzen produzieren mithilfe der Energie aus dem Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid energiereiche Glucose und Sauerstoff. Dieser Prozess wird Fotosynthese genannt. Die Reaktionsgleichung der Fotosynthese lautet:

$\ce{\underset{Kohlenstoffdioxid}{6CO2} + \underset{Wasser}{6H2O} -> \underset{Glucose}{C6H12O6}+ \underset{Sauerstoff}{6O2}}$

Wie wurden diese Zusammenhänge entdeckt? Mit welchen Experimenten wurde die Fotosynthese nachgewiesen? Diesen Fragen gehen wir im folgenden Text auf den Grund.

Experimente zur Fotosynthese – Definition

Um herauszufinden, ob eine Fotosynthese stattfindet, kann man verschiedene Experimente anwenden. In historischen Versuchen zur Fotosynthese wurde erforscht, dass Pflanzen zum Wachstum Wasser, Licht und Gase benötigen.

Der Wissenschaftler Johan Baptista van Helmont fand in seinen Experimenten zur Fotosynthese heraus, dass Pflanzen zur Bildung von organischer Materie auf Wasserzufuhr angewiesen sind. Daneben spielen auch Licht, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eine Rolle. Dies wurde von dem Forscher Joseph Priestley beschrieben. Diese Experimente lernst du im folgendem Video kennen: Joseph Priestley und die Entdeckung der Fotosynthese. Im Folgenden erfährst du, wie genau diese Zusammenhänge aussehen.

Versuche zur Fotosynthese – Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Licht

Belichtet man den Spross der Wasserpest, einer Wasserpflanze, in einem mit Wasser gefüllten Gefäß, kann man folgende Beobachtung machen:

An einigen Stellen der Pflanze treten Gasblasen aus. Diese steigen nach oben und werden in einem geschlossenen Gefäß gesammelt. Mit einem glimmenden Span lässt sich Sauerstoff nachweisen (Glimmspanprobe). Feuer benötigt Sauerstoff, um zu brennen. Glimmt der Span weiter, ist Sauerstoff im Gefäß vorhanden. Mit diesem Versuch wurde nachgewiesen, dass Sauerstoff bei der Fotosynthese entsteht.

Erfolgt die Durchführung des Versuchs in abgekochtem – also kohlenstoffdioxidfreiem – Wasser, kann kein Sauerstoff nachgewiesen werden. Somit konnte mit diesem Experiment zur Fotosynthese und der Wasserpest als Versuchspflanze auch nachgewiesen werden, dass zur Fotosynthese Kohlenstoffdioxid benötigt wird.

Erfolgt die Durchführung des Versuchs in Dunkelheit, entsteht ebenfalls kein Sauerstoff. Die Schlussfolgerung aus diesen Ergebnissen ist, dass die Fotosynthese von Licht und Kohlenstoffdioxid abhängig ist. Dieser Zusammenhang wurde von dem Wissenschaftler Jan Ingenhousz beschrieben, der diese Experimente zur Fotosynthese durchgeführt hat.

Den Zusammenhang zwischen Fotosynthese und Licht hat der Wissenschaftler Theodor Wilhelm Engelmann mit seinen Experimenten zur Fotosynthese genauer untersucht. Weißes Licht ist eine Mischung unterschiedlicher Lichtfarben verschiedener Wellenlängen und Energie. Licht kann z B. durch ein Prisma in die einzelnen Spektralfarben zerlegt werden. Ein solches Spektrum projizierte Engelmann auf einen Algenfaden. Je stärker die fotosynthetische Aktivität in einem bestimmten Farbbereich war, desto mehr Sauerstoff entstand in diesem Bereich.

Um den Sauerstoffgehalt zu bestimmen, setzte Engelmann in diesem Versuch sauerstoffliebende (aerobe) Bakterien ein. Diese sammelten sich dort an, wo Sauerstoff durch Fotosynthese in großer Menge gebildet wurde. Die Bereiche von rotem und blauem Licht wiesen die höchste Bakteriendichte auf. Damit lag dort die höchste Sauerstoffkonzentration vor. Diese Bereiche entsprechen auch dem Absorptionsspektrum des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll, dem Ort der Fotosynthese. Mit seinem Versuch zur Fotosynthese hat Engelmann nachgewiesen, dass Licht verschiedener Wellenlängen für die Fotosynthese unterschiedlich wirksam ist.

Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Im folgenden Steckbrief sind die Lebensdaten und bedeutendsten Entdeckungen von Theodor Wilhelm Engelmann zusammengefasst:

Versuche zur Fotosynthese – Experimente von Trebst und Arnon

Die Wellenlängen des Lichts, die im Versuch von Engelmann die höchste Fotosyntheseaktivität auslösen, entsprechen auch dem Absorptionsspektrum des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll in den Chloroplasten, dem Ort der Fotosynthese. Die Wissenschaftler Trebst und Arnon fanden mit verschiedenen Experimenten heraus, dass die Fotosynthese ein zweistufiger Prozess ist. Es kommt zu einer lichtabhängigen und einer lichtunabhängigen Reaktion.
Die lichtabhängige Reaktion findet dabei in den Thylakoiden der Chloroplasten statt. Bei den Thylakoiden handelt es sich um Ausstülpungen der Chloroplastenmembran. Die lichtunabhängige Reaktion läuft im Stroma, dem Innenraum der Chloroplasten, ab.

Versuche zur Fotosynthese – Stärkebildung

Ein weiterer einfacher Versuch zur Fotosynthese, der auch als Schülerexperiment in der Schule oder von Kindern zu Hause durchgeführt werden kann, zeigt den Zusammenhang zwischen Licht und Fotosynthese auf: Ein Laubblatt wird stellenweise mit Aluminiumfolie verdunkelt und der restliche Teil belichtet. Nach einigen Stunden löst man die Blattfarbstoffe mit Alkohol und gibt eine Jodlösung hinzu. Diese färbt Stärke dunkelblau. Nur an den Stellen, die zuvor belichtet wurden, ist eine solche Färbung erkennbar. Hier wurde durch Fotosynthese Glucose gebildet und in Form von Stärke gespeichert, die sich im Experiment verfärbt hat.

Dieses Video

In diesem Video lernst du verschiedene Experimente zur Fotosynthese kennen. Du kannst dir anschauen, welche Faktoren bei der Fotosynthese eine Rolle spielen und wie man das in einfachen Versuchen zeigen kann. So sind zum Beispiel Kohlenstoffdioxid, Licht und Chlorophyll für die Fotosynthese notwendig.

Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter und Übungen zum Thema Versuche zur Fotosynthese zu bearbeiten. Viel Spaß!