Schon seit Jahrhunderten erkundet die Menschheit die Welt und versucht sie sich auf verschiedensten Wegen zu erklären. Naturwissenschaftler machen es auf ihre ganz spezielle Weise: Sie stellen Theorien auf, führen Experimente dazu durch, um dann anschließend die Theorien beweisen oder auch widerlegen zu können. Für zwei Tage durfte ich in die Welt von Hill und Calvin eintauchen und das Leben wortwörtlich unter dem Mikroskop betrachten.

Bereits am Sonntag nach Göttingen angereist, war ich nicht nur auf meine zukünftigen Mitbewohner, sondern auch vor allem auf die bevorstehenden Experimente gespannt. Der Kurs, den ich besuchte, beschäftigte sich mit dem Thema Fotosynthese, sodass ich in dieser Zeit die genauen Abläufe der Fotosynthese, wie auch besondere Formen der Fotosynthese, die C4- und CAM-Pflanzen, kennen lernte.

Am Montag in aller Frühe ging es dann los. Eine Gruppe von gerade einmal zwölf Leuten versammelte sich auf der Biologieetage und erwartete Frau Dr. Stella Aspelmeier schon erwartungsvoll. Nach einer kurzen Einführungsphase wurde uns das erste Thema erläutert. Das Thema für diesen Tag umfasste neben einer kurzen historischen Einführung über die Entdeckung der Fotosynthese auch den Ablauf der Umsetzung von Lichtenergie in chemische Energie, wozu wir dann zur Verdeutlichung eine Dünnschichtchromatographie durchführten, die Absorptionsspektren der Fotosynthese-Pigmente ermittelten und die Hill-Reaktion nachstellten.

Mithilfe einer Dünnschichtchromatographie können die einzelnen Blattpigmente einer Pflanze auf einer Chromatographieplatte sichtbar gemacht werden, sodass man die genaue Zusammensetzung und folglich auch die Funktion der Blattpigmente ermitteln kann. So trugen wir nach dem Herauslösen der Blattfarbstoffe aus den Blättern den gewonnenen Extrakt mit einer Kapillarpipette Punkt für Punkt zu einer dünnen Linie auf die Chromatographieplatte auf und stellten diese anschließend in einen Behälter mit Laufmittel. Nachdem das Laufmittel schon fast die obere Kante der Platte erreicht hatte, nahmen wir diese aus dem Behälter heraus. In einem Gruppengespräch wurde uns dann erklärt, um welche Farbstoffe es sich letztendlich handelt, denn je nachdem welche Ladung und welches Gewicht die Moleküle aufweisen, werden sie von dem Laufmittel dementsprechend weit getragen. In unseren untersuchten Blättern fanden wir Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotine und Xanthophylle. Im nächsten Schritt sollte der gewonnene Extrakt auch dazu dienen, ein Absorptionsspektrum zu erstellen, denn ein Teil der Lichtenergie des weißen Sonnenlichts wird vom grünen Blatt aufgenommen und im Prozess der Fotosynthese zum Aufbau von Zucker verwendet. Die Frage ist nur, welcher Teil des weißen Lichts von den Pigmenten genutzt, d. h. absorbiert wird. Für diesen Versuch benutzten wir zusätzlich ein Spektralfotometer. Dieses Gerät kann den Anteil des Lichts verschiedener Wellenlängen messen, der von einer Pigmentlösung absorbiert oder auch durchgelassen wird. Hierzu wird im Spektralfotometer weißes Licht von einem Prisma in verschiedene Wellenlängen (Farben) zerlegt, die nacheinander durch die zu untersuchende Lösung fallen. Das durchgelassene Licht, also die Wellenlänge, die nicht von den Pigmenten absorbiert wird, fällt auf eine Fotozelle, die es wiederum ermöglicht das auftreffende Licht in elektrischen Strom umzuwandeln. Die dabei entstehende Stromstärke wird dann von dem Messinstrument aufgezeichnet. Bei jeder Änderung der Wellenlänge wird gemessen, welcher Teil des Lichts die Probe durchdringt oder - umgekehrt - welcher Anteil von ihr absorbiert wird. Trägt man nun alle Messergebnisse zusammen, entsteht eine Kurve, mit der man feststellen kann, welche Wellenlängen des weißen Lichts von der Pflanze genutzt werden können. Durch die zuvor nachgewiesenen Stoffe Chlorophyll a und Chlorophyll b ist die Absorption vom roten und blauen Licht besonders ausgeprägt und diese Wellenlängen können daher von der Pflanze auch besonders gut genutzt werden. Im grünen Bereich hat das Absorptionsspektrum ein Tal, da die Pigmente diese Wellenlänge durchlassen.

Nach der Mittagspause kam auch schon der letzte Teil des Tages auf uns zu: Die Hill-Reaktion. Doch zunächst wurde uns noch einmal der Ablauf der Licht- und der Dunkelreaktion erklärt. Hierbei ist wichtig, dass nicht nur Licht allein die Fotosynthese ermöglicht, sondern auch Wasser eine wichtige Rolle in dieser Reaktion einnimmt. So handelt es sich bei der Lichtreaktion um mehrere zusammenhängende Redoxketten, an deren Ende das für die Dunkelreaktion benötigtes Reduktionsmittel NADPH entsteht. Das von der Pflanze aufgenommene Wasser wird in einer Reaktion aufgespalten, sodass pro Molekül Wasser ein halbes Molekül Sauerstoff, 2 H+-Ionen und 2 Elektronen entstehen. Diese Elektronen werden dann weiter an das Fotosystem II gegeben. Und um nun den Zusammenhang zwischen der Fotolyse des Wassers und der Lichtenergie zu erstellen, haben wir eine einfache Version der von R. Hill beschriebenen Reaktion durchgeführt. Hierfür haben wir statt dem im Blatt vorkommenden NADP+ einen künstlichen Elektronenakzeptor benutzt, der nach Elektronenaufnahme seine blaue Farbe verliert, so dass man genau erkennen kann, in welchem Fall Elektronen entstanden oder auch nicht entstanden sind. Nachdem wir die intakten Chloroplasten aus den Blättern gewonnen hatten, stellten wir zwei gleiche Lösungen her, wobei eine von beiden beleuchtet und die andere mit einer Folie umwickelt wurde, sodass kein Licht an die Lösung kommen konnte. Schon bald erkannten wir einen Unterschied zwischen beiden Lösungen: Die Lösung, die zusätzlich beleuchtet wurde, verlor relativ schnell ihre blaue Farbe, die von dem künstlichen Elektronenakzeptor ausging. Zusätzlich sind auch kleine Gasbläschen entstanden, die deutlich an der Oberfläche zu erkennen waren. Die Lösung, die sich jedoch in Dunkelheit befand, wies keine Veränderung auf. Aus diesen Beobachtungen ist Folgendes zu schließen: Nur durch die Zugabe von Lichtenergie kann das Wasser gespalten werden, wodurch Sauerstoff freigesetzt wird. Denn durch die Lichtenergie werden Elektronen des Fotosystems II angeregt und können auf einen Elektronenakzeptor übertragen werden. Hierdurch entsteht jedoch eine Elektronenlücke in dem Fotosystem II, sodass die Wassermoleküle aufgespalten werden, um diese Lücke wieder zu schließen. Die Lösung, die sich in der Dunkelheit befand, konnte kein Licht aufnehmen, wodurch auch keine Elektronenlücke entstand und folglich die Wassermoleküle auch nicht zerlegt werden konnten.Dies war der erste Experimentiertag im XLAB und ich freute mich schon auf die nächsten Experimente.

Das Thema am zweiten Tag waren die besonderen Formen der Fotosynthese, denn nicht alle Pflanzenarten betreiben gleich Fotosynthese. Die Fotosynthesevarianten unterscheiden sich vor allem beim Ablauf der Dunkelreaktion. Da ist zunächst einmal die C4-Pflanze, bei der die Vorfixierung des CO2 und die Kohlenhydratbildung anders als bei der C3-Pflanze in zwei räumlich getrennten Bereichen des Blattes erfolgen. Bevor das Kohlenstoffdioxid an den Calvin-Zyklus weitergeleitet wird, wird dieses angereichert, wodurch der Wirkungsgrad der Fotosynthese steigt. Die Anreicherung verläuft, indem das CO2 an einen Vorläufer aus 3 C-Atomen, den sogenannten Phosphoenolpyruvat (PEP), geknüpft und somit die Oxalessigsäure gebildet wird. Von dieser Säure wird anschließend zweimal CO2 abgespalten, das in den Calvin-Zyklus aufgenommen wird. Dies klingt nach einem unnützen Energie- und Arbeitsaufwand für die Pflanze. Dem ist jedoch nicht so; es ist sogar ein enormer Vorteil für Pflanzen, die an trockene Standorte angepasst sind: Das Enzym PEP-Carboxylase, das bei den C4-Pflanzen das CO2 an PEP bindet, hat eine viel höhere Affinität zu CO2 als die Ribulose-1,5 Bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (RuBP-C/O), die im Calvin-Zyklus CO2 an Ribulose-1,5 Bisphosphat (RuBP) bindet. Daher können Pflanzen bei stärker geschlossenen Spaltöffnungen und damit geringeren inneren CO2-Konzentrationen noch eine Nettofotosynthese betreiben und dabei ihre Wasserverluste möglichst gering halten.

Eine weitere besondere Form der Fotosynthese weisen die CAM-Pflanzen auf. Bei diesen Pflanzen findet die Vorfixierung des CO2 nachts statt und die gebildete C4-Säure wird zunächst in der Vakuole gespeichert. Tagsüber werden dann von der Säure die CO2-Moleküle abgespalten und das so wieder frei werdende CO2 wird in den Chloroplasten derselben Zellen im Calvin-Zyklus zu Zucker reduziert.

Um die Zwischenlagerung der Säure bei den CAM-Pflanzen zu belegen, haben wir einige Versuche durchgeführt. Für den ersten Versuch benötigten wir sowohl Blätter einer Pflanze, die sich 24 Stunden im Hellen bei 24°C befanden, wie auch Blätter, die 24 Stunden im Dunkeln bei 8°C lagen. Beide Pflanzen wurden nach Beendung der jeweiligen Periode eingefroren. Schon bei der Herstellung des Blattextraktes konnten Unterschiede festgestellt werden. So hatten die Dunkelblätter nach dem Zerkleinern und Abkochen eine olivegrüne Farbe und die Hellblätter eine kräftige dunkelgrüne Farbe. Nach der Bestimmung des pH-Wertes der Extrakte stellten wir fest, dass die Hellblätter einen höheren pH-Wert hatten als die Dunkelblätter. Aus diesen Beobachtungen ist zu folgern, dass in den Dunkelblättern viel mehr Säure vorhanden ist als in den Hellblättern. So kommt es dazu, dass die Säure nach dem Zerschneiden der Blätter auch das Chlorophyll angreift, wodurch die Blätter ihre kräftige grüne Farbe verlieren. Dadurch, dass auf die Dunkelblätter kein Licht fiel, konnte auch die gespeicherte Säure nicht verwendet werden. Die Hellblätter jedoch lagen nur im Licht, sodass die Säure fast vollständig in Zucker umgewandelt werden konnte.

In dem zweiten Versuch mit dem gewonnenen Extrakt ging es um die quantitative Bestimmung der Äpfelsäure (Malat). Hierzu haben wir uns eines Enzyms mit dem Namen Malatdehydrogenase bedient. Dieses Enzym gaben wir in das Gemisch aus unserem Extrakt und NAD+, sodass Oxalacetat und NADH entstand. Da jedoch das Gleichgewicht dieser Reaktion stark auf der linken Seite liegt, würde nur ein Teil des Malats umgesetzt werden können. Um dennoch alle vorhandenen Malat-Moleküle umsetzen zu können, bedarf es einer weiteren Reaktion, in der Oxalacetat mit Glutamat reagiert. Auch bei diesem Versuch nutzten wir das Spektralfotometer, in dem das weiße Licht durch ein Prisma in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt wird. Auch hier wird gemessen, wie viel des Lichtes einer Wellenlänge durch die Probe hindurchdringt, bzw. wie viel von der Probe absorbiert (Extinktion) wird. Bei der Umsetzung von Malat in Oxalacetat verändert der Verbrauch von NAD+ die Absorption der Lösung. So kann die Umsetzung des Malats am Fotometer verfolgt werden. In beiden Fällen stieg zu Beginn der Reaktion die Extinktion enorm an und wurde zum Ende hin immer geringer. Jedoch war das Ende der Reaktion bei den Hellblättern schneller zu beobachten als bei den Dunkelblättern. So konnte Folgendes nach diesem Versuchen festgestellt werden: Der Malatgehalt ist in den Dunkelblättern doppelt so groß wie in den Hellblättern und spricht für die Ergebnisse aus dem ersten Versuch.

Bei dem letzten Versuch des Kurses wurde der Aufbau eines C4- und eines C3-Pflanzenblattes unter dem Mikroskop untersucht. So ist bei einer C4-Pflanze eine Art Gesicht zu beobachten. Zunächst ist das mittig liegende Phloem zu erkennen, über dem zwei große Augen zu sehen sind. Dies ist das Xylem, die sogenannten Wasserleitungen. Darum herum befindet sich Festigungsgewebe, wobei die sehr groß ausgefallenen Zellen die Bündelscheidenzellen sind, in denen auch der Calvin-Zyklus abläuft. Noch weiter außen liegen die grünen Mesophyllzellen, der Ort der Lichtreaktion. Es ist also eine deutliche räumliche Trennung der Licht- und Dunkelreaktion zu erkennen.

Dies war auch schon der letzte Tag im XLAB. Ich habe nicht nur besonders viele spannende Dinge gelernt und gesehen, sondern auch neue Leute vor Ort kennen gelernt und Spaß gehabt. Auch wenn es „Schule“ in den Ferien war, hat es sich wirklich gelohnt. Oftmals hat man in der Schule nicht die Möglichkeit, Experimente über Stunden auszuführen oder es fehlen die passenden teuren Geräte dazu. So kann ich nur an zukünftige 11.- und 12.-Klässler appellieren, dass sie die Chance nutzen, sich für das Herschelstipendium zu bewerben, wenn sie sich ihnen bietet.

Zum Abschluss möchte ich mich noch bei dem Elternverein bedanken, da dieser mir die Möglichkeit, an dem Ferienkurs im XLAB Göttingen teilzunehmen, ermöglich hat. Ich hoffe, dass auch in Zukunft dieses Projekt weiter gefördert wird und auch, dass das Interesse der Schüler steigt.

Olga Jabs

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