VL 2 Teil 2

Question 1

Wofür steht PhAR?

Answer 1

„Photosynthetically active radiation” = photosynthetisch nutzbare Strahlung

Question 2

Wie unterscheiden sich die Absorption und Reflektion der Solarstrahlung in Wald und auf der Wiese und was kann man daraus schließen?

Answer 2

Im Mischwald:
* 10% der einfallenden Strahlung an der Oberfläche der
Baumkronenschicht reflektiert
* an Baumkronenschicht ebenfalls meiste Strahlung absorbiert
* nur 9% kommen in Kraut- und Strauchschicht an
* nur 2% kommen am Boden an

auf der Wiese:
* 20% der Strahlung werden an Vegetation reflektiert
* in mittleren und unteren Schichten (dort Phytomasse am dichtesten) Großteil der Strahlung absorbiert
* 5% der photosynthetisch nutzbaren Strahlen erreichen die Bodenoberfläche
-> Vegetation beeinflusst die vertikale Verteilung der Solarstrahlung

Question 3

Wie entwickelt sich PhAR im Jahresverlauf eines Laubwaldes?
Wie kann sie dargestellt werden?

Answer 3

PhAR schwankt innerhalb Verlaufs eines Jahres
* photosynthetisch nutzbare Strahlung gemessen in Mol Photonen pro Tag
* Darstellung in Isoplethen (Linien mit gleichem PhAR)
* im Sommer stärkste Strahlungsintensität (4500 mol/Tag),
größtenteils abgefangen durch Blätter
-> nur 2% erreichen Boden
* im Frühling 2500 mol/Tag, größte PhAR-Werte, da Blattaustrieb noch nicht erfolgt -> am Boden (20-50%)
* im Winter nur 1500 mol/Tag, nur ca. 2% erreichen Boden (wegen niedrigem Sonnenstand und kurzer Tageszeit)

Question 4

Wie bedingt die verfügbare Strahlung die photosynthetische Aktivität?
Welche Werte sind dabei relevant?

Answer 4

• je mehr Strahlungsintensität, desto höher die Photosyntheserate
• Lichtsättigungspunkt = maximale Photosyntheserate
• Lichtkompensationspunkt = CO2-Aufnahme durch Photosynthese und CO2-Abgabe durch Atmung gleich hoch -> Netto-Photosyntheserate = 0
• bei PhAR-Werten unter Lichtkompensationspunkt entsteht
  Netto-CO2-Verlust vom Blatt an Atmosphäre

Question 5

Wie funktioniert der C3 -Stoffwechselweg?

Answer 5

1. Lichtreaktion:
   * photochemische Reaktion
   * Chlorophyll nimmt Energie auf
2. Dunkelreaktion (Calvin-Benson-Zyklus):
   * Einbau von CO2 in ein einfaches Zuckermolekül (Pentose) in Chloroplasten in den Mesophyllzellen
   * Schlüsselenzym RubisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase)
   * CO2+ RuBP -> 2 x 3-PGS à Hexose (3-PGS = 3-Phosphoglycerinsäure)

Question 6

Wie unterscheiden sich Schatten- und Sonnenpflanzen in ihrer Anpassung an
Lichtverfügbarkeit?

Answer 6

Schattenpflanzen:
* niedrige Lichtkompensationspunkte und Lichtsättigungspunkte
* erzielen bei sehr geringer Lichteinstrahlung einen Gewinn aus der CO2-Assimilation durch Photosynthese
* max. Photosyntheserate wird bei geringen LichtIntensitäten erreicht
* feuchtigkeitsliebend
* große, dünne Blätter
* typische Schattenpflanzen: Sauerklee, Springkraut

Sonnenpflanzen:
* Anpassung in Bau und Stoffwechsel an Standort mit starker Sonneneinstrahlung
* doppelt so hohe Nettoprimärproduktion und schnelles Wachstum
* Gehalt am Enzym RubisCO niedriger an schattigen Standorten reicht Lichtenergie nicht zur CO2-Fixierung aus
* Blätter derb, klein und mit Haaren/ Wachs überzogen für Schutz vor übermäßiger UV-Strahlung und Wasserverlust
* mehr Spaltöffnungen für besseren Gasaustausch
* typische Sonnenpflanzen: Heidekraut, Silberdistel oder Thymian

Question 7

Welche Anpassungen auf Sonnen- und Schattenstandorte gibt es innerhalb eines pflanzlichen
Individuums?

Answer 7

• kleine, dunkle, schmale und dicke Sonnenblätter in Kronenregionen mit mehrschichtigem Palisadenparenchym für hohe Photosyntheseaktivität
• große, dünne und helle Schattenblätter in dunkleren, inneren Bereichen der Baumkrone
• Lichtkompensations- und Lichtsättigungspunkte wie bei Schatten- und Sonnenpflanzen

Question 8

Was ist das Wasserpotential und wie ist es relevant für den Wassertransport und die Transpiration in Blätter

Answer 8

• Wasserpotential (ψ in Megapascal) = Arbeit pro Masseneinheit Wasser, die geleistet
  werden muss, um eine bestimmte Wassermenge aufzunehmen
• Megapascal beschreibt Druck
• Wasser fließt von Regionen mit hohen zu Regionen mit niedrigem Wasserpotential
• daher für Transpiration wichtig, dass vom Boden über Wurzeln und Blag bis zur Atmosphäre ein Gefälle des Wasserpotentials besteht
  -> je geringer der Wassergehalt des Bodens, desto mehr muss Transpiration reduziert werden (um Wasserpotentialgradienten für Transport aufrecht zu halten)
• bei zunehmender Trockenheit kann Wasserpotenzial nicht weiter reduziert werden,
  Stomata werden geschlossen -> Nettophotosyntheserate sinkt auf Null
• als Sparstrategie für CO2 und Wasser

Question 9

Wie funktioniert der C4-Stoffwechselweg?
Welche Vorteile hat er?

Answer 9

• 2 Kompartimente – Mesophyllzellen und Bündelscheidenzellen
• in Mesophyllzellen: CO2 reagiert mit Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Oxalacetat
  (OAA) => Malat
• Schlüsselenzym Phosphoenolpyruvat- (PEP)-Carboxylase
• Transport Malat in Bündelscheidenzellen -> dort Umkehrung des Prozesses und
  CO2- Freisetzung
• weitere Fixierung wie im C3-Stoffwechsel
• räumliche Trennung erhöht Effizienz der Photosynthese
  o PEP-Carboxylase reagiert nicht wie RubisCO mit Sauerstoff
  o Abbau von Malat erhöht Konzentration an CO2 in Bündelscheidenzellen
  o Wasserverlust/ Transpiration über Stomata reduziert, da CO2-Freisetzung in Bündelzellen auch bei geschlossenen Stomata
• insgesamt Anpassung an heiße, trockene Standorte

Question 10

Was lässt sich im Vergleich der Nettophotosyntheseraten der C3/ C4 Pflanzen feststellen?

Answer 10

• C4 Pflanzen haben höhere Photosyntheserate & bessere Kohlenstoffallokation
• typische C4 Pflanzen sind Gräser (Tropen, Subtropen), Sträucher (trocken oder salzhaltige Standorte)
• C4 Stoffwechsel nicht bei Algen, Moosen, Farnen, Gymnospermen, ursprünglichen Angiospermen
  -> Stoffwechselweg ist erst später in Evolution entstanden
• mit Anstieg der Temperaturen werden C4 Pflanzen begünstigt (Nord-Süd-Verteilung C4 Pflanzen in Nordamerika)

Question 11

Wie funktioniert der CAM-Stoffwechselweg und bei welchen Pflanzen kommt er
vor?

Answer 11

• Crassulaceen-Säurestoffwechsel (Crassulacean Acid Metabolism)
• Anpassung von Sukkulenten an sehr hohe Sonneneinstrahlung und wenig
  Wasser (insbesondere in Familie der Crassulaceae)
• ähnlich C4 Stoffwechsel: erster Schritt ist CO2-Fixierung in Malat aus PEP
• Malat in Vakuolen der Mesophyllzellen gebunden
• CO2 Fixierung nachts (kühl und feucht) -> Stomata auf!
• CO2 tagsüber für die weiteren Reaktionen der Photosynthese verwendet –
  Stomata zu!
  ⇒ zeitliche Trennung (Tag/Nacht) ⇒ Anpassung an Wüsten-Standorte
• CAM im Vergleich zu C4 und C3 langsam und ineffizient, jedoch deutlich geringerer Wasserverlust tagsüber
• typische CAM-Pflanzen:
  o Crassulaceae (Dickblattgewächse) = Blattsukkulenten, mit dicken Blättern, in
  denen viel Wasser gespeichert werden kann z.B. Gattung Sempervivum (Hauswurz)
  o Aziocaceae (Mittagsblumengewächse) z.B. Lithops – auch bekannt als lebender
  Stein -> verbreitet in südlichem Afrika oder Australien

Question 12

Wie sind Pflanzen innerartlich an die Temperaturen angepasst?

Answer 12

• Laborversuch: Klone des Salzstrauches Atriplex bei unterschiedlichen Temperaturen
  aufgezogen wurden, eine Verschiebung des Temperaturoptimums in die jeweilige Richtung der Aufzuchgemperatur
• an natürlichen Standorten über die jahreszeitlichen Schwankungen
• Temperaturoptimum der Photosynthese des Kresotobusches verschiebt sich zu den jeweiligen Temperaturen im Habitat hin und liegt im Winter bei 20°C, im Herbst bei 30°C
• -> phänotypische Plastizität im Bezug zur Tages- und Jahreszeit (Umweltsituation)

Question 13

Zusammenfassung Anpassungsstrategien innerhalb der Photosynthese

Answer 13

1. Funktionelle Gruppen: C3, C4, CAM
   * unterschiedliche Wege der CO2 Fixierung & Speicherung
   -> räumliche Trennung bei C4
   ->zeitliche Trennung bei CAM
2. Art: Sonnen- und Schattenpflanzen
   * Morphologisch: Blattgröße, UV-Schutz, Zahl Spaltöffnungen
   * Physiologisch: Lichtkompensationspunkt, Lichtsättigungspunkt
3. Individuen:
   * Sonnen-und Schattenbläger
   * phänotypische Plastizität

Question 14

Wie wird die Produktivität von Ökosystemen gemessen?

Answer 14

• gemessen anhand der Primärproduktion
  o Prozess bei dem durch Photosynthese organische Verbindungen und damit Biomasse aufgebaut wird
  o in Energieeinheiten pro Flächeneinheit und Zeiteinheit (z.B. kcal/m2/Jahr)
  o unterschieden in Bruttoprimärproduktion und Nettoprimärproduktion
• Bruttoprimärproduktion (BPP)
  o gesamte organismische Substanz, die im Laufe eines Zeitraums (i.d.R. eines Jahres) durch photoautotrophe Organismen in einem Ökosystem gebunden wird
• Nettoprimärproduktion (NPP)
  o BPP minus Verlust der Energie durch Respiration
  o Primärproduzenten (Photoautotrophe) verbrauchen Energie über die Atmung
  (Respiration = R)

Question 15

Wozu dient die Hell-Dunkel-Flaschen-Methode und wie funktioniert sie?

Answer 15

• zur BesMmmung der BPP, RespiraMon und NPP des Phytoplanktons aquaMscher Systeme
• Methode:
  o Wasserproben mit Phytoplankton (= Primärproduzenten) in je lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Flasche gegeben
  o InkubaMon der Flaschen für festgelegten Zeitraum
  o in heller Flasche: SauerstoffprodukMon durch Photosynthese, Sauerstoffverbrauch durch RespiraMon à
  Zunahme O2-KonzentraMon entspricht NPP
  o in dunkler Flasche: keine Photosynthese, O2-KonzentraMon nimmt durch RespiraMon ab
  o O2-Differenz zwischen beiden Flaschen = syntheMsch
  produziertes O2

Question 16

Welche Faktoren beeinflussen die Produktivität von aquatischen Systemen?

Answer 16

• 1. Licht
     o BPP und NPP abhängig von Wassertiefe, Respiration mit zunehmender Tiefe konstant
     o bei Kompensationsebene ist BPP = Respiration -> NPP = 0 (Kompensationsebene allgemein bei Lichtintensitäten unter 1% der Oberflächenintensität erreicht)
• 2. Nährstoffe
     Stickstoff, Eisen, Phosphor (P = am meisten limitierender Faktor in aquatischen Ökosystemen)
• 3. Temperatur
     o bestimmend für Stoffwechselrate
• begrenzende Faktoren gut erkennbar an Verteilung der Primärproduktion in Weltmeeren:
  o höchste Produktion an Küsten und Flachmeeren
  -> geringe Wassertiefe, gute
  Versorgung mit Licht und Nährstoffen (durch Gezeiten und Zuflüsse von Süßgewässern)
  o geringste Produktion in offenen Ozeanen
  ->à Nährstoffwüste, NPP nur bei nährstoffhaltigen Strömungen z.B. Humboldt-Strom vor Südamerika

Question 17

Welche Faktoren beeinflussen die Produktivität von terrestrischen Systemen?

Answer 17

• Bestimmung der Produktivität schwieriger als bei aquatischen Systemen
• mögliche Technik: puls-modulierte Chlorophyll-Fluoreszenz-Messung
  o nicht-invasive Methode, Strahlungspulse ausgesandt
  o Re-Emissionen der absorbierten Strahlung gemessen = Chlorophyll-Fluoreszenz
  o daraus Elektronentransferrate berechnet -> Produktion von Zucker ableitbar
• 1. Temperatur:
     o dominierender Faktor der Produktivität
     o Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel (RGT-Regel)
     -> besagt, dass bei
     10°C Temperaturerhöhung eine chemische Reaktion zwei bis viermal so schnell verläuft
     o NPP korreliert mit Temperatur und Niederschlag
     -> höchste Produktion am
     Äquator, abnehmend nach Norden und Süden, niedrigste Werte in Wüst und
     Arktis
• 2. Wasser:
     o Photosyntheserate stark von Wasserverfügbarkeit abhängig
• 3. Nährstoffe:
     o insbesondere Stickstoff oft stark limitierende Rolle

Question 18

Wie verteilt sich die globale NPP im Juni und Dezember?

Answer 18

• Schätzung der NPP durch täglichen Scann der Erde migels Satellitentechnik Advanced
  Very High ResoluMon Radiometer (AVHRR)
  o Messung der NPP anhand spezifischem ReflekMonsmusters von grünen Pflanzen (absorbieren mehr Licht im sichtbaren Bereich (380-750mm) als bei IR-Bereich (750-1100mm)
• im Juni: höchste NPP auf Nordhalbkugel (Meer und Land)
• im Dezember: höchste NPP auf Südhalbkugel