Licht als Energie und der Rückweg

Light as Energy, and the Way Back

Natur und Technik Klasse 6 7 Aufgaben
BiologieBotanikPhotosyntheseZellatmung

Licht hat keine Masse, die man wiegen könnte: Es ist nicht Baustoff, sondern die Energie, mit der das Blatt aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Traubenzucker baut und Sauerstoff abgibt. Am Lichtregler der Figur sehen die Kinder, dass ein Blatt im Dunkeln CO₂ abgibt statt aufnimmt — die Pflanze betreibt wie jedes Lebewesen ständig Zellatmung — und erst ab etwa einem Prozent des Sonnenlichts netto Kohlenstoff gewinnt. Verbrennt Holz, läuft alles rückwärts: Der Kohlenstoff geht als CO₂ in die Luft zurück, die gespeicherte Lichtenergie wird zur Wärme des Feuers. Das bereitet den Kohlenstoffkreislauf und die Zellatmung in Klasse 10 vor.

Was fehlt dem Baum im dunklen Keller? Nicht Stoff — Luft und Wasser hat er genug. Es fehlt Licht. Licht kann man nicht wiegen; ein Sonnenstrahl macht nichts schwerer, auf das er fällt. Es ist kein Baustoff, sondern Energie. Mit ihr zerlegt das grüne Blatt Kohlenstoffdioxid und Wasser und setzt die Atome neu zusammen: zu Traubenzucker, dem Rohstoff für Holz, und zu Sauerstoff, den es abgibt.

Kohlenstoffdioxid + Wasser
↓ Licht
Traubenzucker + Sauerstoff

Diesen Umbau mit Lichtenergie nennt man Photosynthese. Den Zucker braucht der Baum aber nicht nur zum Bauen. Jede seiner Zellen lebt, und leben kostet Energie. Die holt sich die Zelle, indem sie Zucker mit Sauerstoff wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abbaut — die Zellatmung, genau wie in deinen Muskeln. Ein Blatt nimmt also CO₂ auf und gibt zugleich CO₂ ab. Was davon überwiegt, hängt am Licht.

Dunkle das Blatt mit dem Regler ganz ab. Was macht die Pflanze dann mit dem CO₂? Suche danach die Helligkeit, bei der Aufnahme und Abgabe genau gleich groß sind. Waagrecht die Helligkeit in Prozent des vollen Sonnenlichts, senkrecht die CO₂-Aufnahme des Blatts — unter null gibt es CO₂ ab. Der Pfeil am Blatt zeigt, ob CO₂ hinein- oder herausgeht. Die Einheiten sind relativ, die Form folgt gemessenen Sonnenblättern.

Schiebst du den Regler ganz nach links, dreht sich der Pfeil am Blatt um: Die Pflanze gibt CO₂ ab, weil nur noch die Zellatmung läuft. Schon ab etwa 1 % des vollen Sonnenlichts holt die Photosynthese mehr Kohlenstoff herein, als die Atmung hinausschickt; bei viel Licht flacht die Kurve ab, weil das Blatt nicht schneller kann. Netto wächst ein Baum also nur an Tagen, nachts wird er ein klein wenig leichter.

Und wenn Holz verbrennt, läuft die ganze Geschichte rückwärts. Der Kohlenstoff verbindet sich mit Sauerstoff und steigt als CO₂ in die Luft, aus der er kam; der Wasserstoff wird wieder zu Wasserdampf. Zurück bleibt eine Handvoll Asche, die Mineralstoffe aus der Erde. Die Wärme des Feuers ist die Lichtenergie der Sommer, in denen der Baum gewachsen ist.

Van Helmonts Weide war also zum größten Teil aus Luft gebaut — mit Wasser und der Energie des Lichts, und mit 57 g aus der Erde. Einiges hat dieser Artikel bewusst ausgelassen: wie der Chloroplast die Atome im Einzelnen umbaut, warum ein Baum trotz der kleinen Menge auf Stickstoff und Phosphor aus dem Boden angewiesen ist, und die Überraschung, dass der abgegebene Sauerstoff aus dem Wasser stammt, nicht aus dem CO₂. Die Gleichungen von Photosynthese und Zellatmung warten im nächsten Thema; der Weg des Kohlenstoffs durch Atmosphäre, Wälder und Meere ist der Kohlenstoffkreislauf, und in Klasse 10 zerlegst du die Zellatmung in die Schritte, mit denen eine Zelle aus Zucker Energie gewinnt.

Voraussetzungen (1)

Energie und Energieumwandlung
Klasse 5
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Leicht
Multiple Choice #1 12s ▶ Testen

Was baut das grüne Blatt im Licht aus Kohlenstoffdioxid und Wasser?

  • ● Traubenzucker und Sauerstoff
  • ○ Kohlenstoffdioxid und Wärme
  • ○ Erde und Wasser
Kohlenstoffdioxid + Wasser → (Licht) → Traubenzucker + Sauerstoff. Aus dem Zucker baut der Baum später Holz.
Mittel
Multiple Choice #1 15s ▶ Testen

Eine Pflanze steht nachts im Dunkeln. Was misst ein CO₂-Messgerät direkt an ihren Blättern?

  • ● Die Pflanze gibt CO₂ ab
  • ○ Die Pflanze nimmt CO₂ auf
  • ○ Es findet kein Gasaustausch statt
Ohne Licht ruht die Photosynthese, die Zellatmung läuft weiter. Die Zellen bauen Zucker ab und geben CO₂ ab — wie wir.
Wahr / Falsch #2 12s ▶ Testen

Licht ist ein Baustoff, aus dem die Pflanze einen Teil ihrer Masse macht.

✓ Falsch
Licht liefert die Energie für den Umbau, aber keine Masse. Die Masse stammt aus Kohlenstoffdioxid und Wasser (und ein wenig aus den Mineralstoffen der Erde).
Multiple Choice #3 15s ▶ Testen

Ein trockenes Holzscheit verbrennt im Kamin. Wohin geht der größte Teil seiner Masse?

  • ● als Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf in die Luft
  • ○ in die Asche
  • ○ nirgendwohin — Masse verschwindet beim Feuer
Beim Verbrennen läuft die Photosynthese rückwärts: Kohlenstoff und Wasserstoff verbinden sich mit Sauerstoff und gehen als Gase dorthin zurück, woher sie kamen. Die Asche ist nur ein winziger Rest.
Wahr / Falsch #4 12s ▶ Testen

Pflanzen betreiben Zellatmung nur nachts.

✓ Falsch
Pflanzenzellen atmen Tag und Nacht. Am Tag nimmt das Blatt aber mehr CO₂ für die Photosynthese auf, als es durch die Atmung abgibt — deshalb fällt die Atmung tagsüber in der Bilanz nicht auf.
Schwer
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Bei welcher Helligkeit nimmt das Blatt in der Figur genauso viel CO₂ auf, wie es abgibt?

  • ● bei etwa 1 % des Sonnenlichts
  • ○ bei etwa 50 % des Sonnenlichts
  • ○ bei vollem Sonnenlicht
Schon bei wenig Licht gleicht die Photosynthese die Atmung aus. Darunter — in der Dämmerung, im tiefen Schatten — verliert die Pflanze netto Kohlenstoff.
Wahr / Falsch #2 20s ▶ Testen

Kressesamen keimen eine Woche lang im Dunkeln. Danach haben die Keimlinge zusammen weniger Trockenmasse als vorher die Samen.

✓ Wahr
Im Dunkeln läuft nur die Zellatmung: Die Keimlinge verbrauchen den Vorrat der Samen und atmen ihn als CO₂ aus. Lang und bleich werden sie trotzdem — Wachsen in die Länge ist nicht dasselbe wie Zunehmen.