Abitur Brandenburg Biologie 2026 · GK · Fotosynthese bei Algen

Ausgewählte stoffwechselphysiologische Aspekte von Algen

Die Fotosynthese läuft bei Algen im Prinzip genauso ab wie bei höheren Pflanzen. Im Detail aber zeigen sich bei verschiedenen Algenarten einige Besonderheiten. Dadurch wird die Nutzung von Algen unter anderem für den Einsatz gegen den Klimawandel interessant.

Material 1: Chloroplast der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii

Die einzellige Grünalge C. reinhardtii bewegt sich mithilfe ihrer zwei Geißeln fort. Sie besitzt einen Augenfleck, mit dem sie die Richtung und die Intensität des einfallenden Lichts ermittelt. Die Fotosynthese läuft bei C. reinhardtii prinzipiell so ab wie bei Landpflanzen. Der Chloroplast füllt bei der Grünalge einen großen Teil der Zelle aus und enthält als besondere Struktur ein Pyrenoid (siehe Abb. 1). In der Matrix des Pyrenoids liegt das Enzym Rubisco in hoher Konzentration vor.

Material 2: Pyrenoid der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii

Kohlenstoffdioxid ist im Wasser als Gas gelöst und liegt dort im Gleichgewicht mit Hydrogencarbonat vor. In der Grünalge C. reinhardtii lässt sich das Enzym Carboanhydrase im so genannten periplasmatischen Raum zwischen Zellwand und Zellmembran nachweisen (Abb. 2). Die Carboanhydrase katalysiert die gegenseitige Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Hydrogencarbonat. Die ungeladenen Kohlenstoffdioxid-Moleküle können die Zellmembran und die Membranen des Chloroplasten sehr leicht in beide Richtungen passieren, während die geladenen Hydrogencarbonat-Ionen $\text{HCO}_3^-$ nicht frei durch die Membranen diffundieren können. Sie werden von Hydrogencarbonat-Transportproteinen unter ATP-Verbrauch durch die Membranen transportiert.

Material 3: Untersuchungen am Blasentang

Braunalgen bilden teilweise große, blattartige Strukturen und nehmen große Mengen Kohlenstoffdioxid auf. Der zur Gruppe der Braunalgen gehörende Blasentang ( Fucus vesiculosus) ist im Nordatlantik sowie in der Nord- und Ostsee weit verbreitet.

Forschende interessieren sich insbesondere für seinen Inhaltsstoff Fucoidan, ein Polysaccharid, das der Blasentang aus Fructose-6-phosphat herstellt. Fructose-6-phosphat ist ein Zwischenprodukt der Glykolyse und des Calvin-Zyklus. Fucoidan dient dem Blasentang zum einen als Zellwandbestandteil, zum anderen als schleimige Schutzschicht gegen Mikroorganismen und Austrocknung, da der Blasentang aufgrund von Gezeitenströmungen zeitweise im Trockenen liegen kann. Der Blasentang bildet die schleimige Schicht ständig neu, da sie im Wasser relativ schnell abgelöst wird. Fucoidan kann im Meerwasser nur von sehr wenigen Bakterien abgebaut werden, sodass der weitaus größte Teil auf den Meeresboden sinkt, wo das Fucoidan von Sediment überlagert wird und dann für Hunderte bis Tausende von Jahren verbleibt.

In einem Experiment an der Ostseeküste wurden Blasentang-Individuen für 5 Stunden entweder in durchsichtige oder in schwarze mit Wasser gefüllte Plastikbeutel eingeschlossen. Im Wasser in den Beuteln wurden zu Beginn und nach 5 Stunden die Konzentrationen von Sauerstoff und gelöstem Fucoidan gemessen (Tab. 1).

(Quelle: In Anlehnung an Buck-Wiese et al., 2022, S. 5)

1

Stellen Sie die wesentlichen Schritte des Calvin-Zyklus dar. [6 BE]

2

Vergleichen Sie den elektronenmikroskopisch erkennbaren Aufbau des Chloroplasten einer Landpflanze mit dem Aufbau des Chloroplasten von Chlamydomonas reinhardtii anhand von sechs Aspekten (M 1). [4 BE]

3

Erläutern Sie den in Abbildung 2 dargestellten Prozess der $\text{CO}_2$-Anreicherung ausgehend vom im Wasser gelösten $\text{CO}_2$ bis zur Stärkebildung im Pyrenoid (M 2). [7 BE]

4

Erklären Sie die in Tabelle 1 dargestellten Befunde (M 3). [7 BE]

Ausgewählte stoffwechselphysiologische Aspekte von Algen

Die Fotosynthese läuft bei Algen im Prinzip genauso ab wie bei höheren Pflanzen. Im Detail aber zeigen sich bei verschiedenen Algenarten einige Besonderheiten. Dadurch wird die Nutzung von Algen unter anderem für den Einsatz gegen den Klimawandel interessant.

Material 1: Chloroplast der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii

Die einzellige Grünalge C. reinhardtii bewegt sich mithilfe ihrer zwei Geißeln fort. Sie besitzt einen Augenfleck, mit dem sie die Richtung und die Intensität des einfallenden Lichts ermittelt. Die Fotosynthese läuft bei C. reinhardtii prinzipiell so ab wie bei Landpflanzen. Der Chloroplast füllt bei der Grünalge einen großen Teil der Zelle aus und enthält als besondere Struktur ein Pyrenoid (siehe Abb. 1). In der Matrix des Pyrenoids liegt das Enzym Rubisco in hoher Konzentration vor.

Material 2: Pyrenoid der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii

Kohlenstoffdioxid ist im Wasser als Gas gelöst und liegt dort im Gleichgewicht mit Hydrogencarbonat vor. In der Grünalge C. reinhardtii lässt sich das Enzym Carboanhydrase im so genannten periplasmatischen Raum zwischen Zellwand und Zellmembran nachweisen (Abb. 2). Die Carboanhydrase katalysiert die gegenseitige Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Hydrogencarbonat. Die ungeladenen Kohlenstoffdioxid-Moleküle können die Zellmembran und die Membranen des Chloroplasten sehr leicht in beide Richtungen passieren, während die geladenen Hydrogencarbonat-Ionen $\text{HCO}_3^-$ nicht frei durch die Membranen diffundieren können. Sie werden von Hydrogencarbonat-Transportproteinen unter ATP-Verbrauch durch die Membranen transportiert.

Material 3: Untersuchungen am Blasentang

Braunalgen bilden teilweise große, blattartige Strukturen und nehmen große Mengen Kohlenstoffdioxid auf. Der zur Gruppe der Braunalgen gehörende Blasentang ( Fucus vesiculosus) ist im Nordatlantik sowie in der Nord- und Ostsee weit verbreitet.

Forschende interessieren sich insbesondere für seinen Inhaltsstoff Fucoidan, ein Polysaccharid, das der Blasentang aus Fructose-6-phosphat herstellt. Fructose-6-phosphat ist ein Zwischenprodukt der Glykolyse und des Calvin-Zyklus. Fucoidan dient dem Blasentang zum einen als Zellwandbestandteil, zum anderen als schleimige Schutzschicht gegen Mikroorganismen und Austrocknung, da der Blasentang aufgrund von Gezeitenströmungen zeitweise im Trockenen liegen kann. Der Blasentang bildet die schleimige Schicht ständig neu, da sie im Wasser relativ schnell abgelöst wird. Fucoidan kann im Meerwasser nur von sehr wenigen Bakterien abgebaut werden, sodass der weitaus größte Teil auf den Meeresboden sinkt, wo das Fucoidan von Sediment überlagert wird und dann für Hunderte bis Tausende von Jahren verbleibt.

In einem Experiment an der Ostseeküste wurden Blasentang-Individuen für 5 Stunden entweder in durchsichtige oder in schwarze mit Wasser gefüllte Plastikbeutel eingeschlossen. Im Wasser in den Beuteln wurden zu Beginn und nach 5 Stunden die Konzentrationen von Sauerstoff und gelöstem Fucoidan gemessen (Tab. 1).

(Quelle: In Anlehnung an Buck-Wiese et al., 2022, S. 5)

5 Beurteilen Sie die Kultivierung von Blasentang in Algenfarmen an der Atlantikküste als Maßnahme gegen den Klimawandel (M 3).

[6 BE]