Abitur-Lernzettel Biologie LK Q2 2024 – Photosynthese, Zellatmung & biotische/abiotische Faktoren

Mesophyten & Photosynthese-Grundlagen

Mesophyten & Blattaufbau

Pflanzen feuchter Orte (Mesophyten) besitzen spezielle Blattgewebe zur Regulation des Wasserhaushalts.

• Kutikula: Wachsschicht, die vor unkontrollierter Verdunstung schützt.
• Palisadenparenchym: Gewebe mit vielen Chloroplasten, Hauptort der Photosynthese.
• Leitbündel: Transportiert Wasser im Xylem (tot) und Nährstoffe im Phloem (lebend).

Chloroplasten & Lichtabsorption

Die Photosynthese nutzt verschiedene Pigmente, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln.

• Endosymbiontentheorie: Erklärt die Doppelmembran sowie eigene DNA und Ribosomen.
• Wirkungsspektrum: Summe aller Absorptionsspektren von Chlorophyll a/b und Carotinoiden.

💡 Tipp: Das Xylem transportiert Wasser durch Transpirationssog nach oben, während das Phloem Assimilate flexibel in alle Pflanzenorgane verteilt.

Die lichtabhängige Reaktion

Fotolyse & Elektronentransport

Lichtenergie spaltet Wasser und treibt den Elektronenfluss über zwei Fotosysteme (FS I und II) an.

• Fotolyse des Wassers: Spaltet $H_2O$ in $O_2$, Elektronen und $H^+$-Protonen.
• Elektronenlöcher: Belichtetes FS II gibt Elektronen ab, die durch die Fotolyse ersetzt werden.

Chemiosmose & ATP-Synthese

Der Aufbau eines Protonengradienten treibt die Bildung von Energieäquivalenten an.

• Protonenpumpe: Transportiert $H^+$ aktiv gegen das Gefälle in den Thylakoidinnenraum.
• ATP-Synthase: Nutzt den Rückfluss der Protonen ins Stroma zur ATP-Synthese.

Beispiel: $12\,H_2O + 12\,NADP^+ + 18\,ADP + 18\,P \rightarrow 6\,O_2 + 12\,NADPH + 12\,H^+ + 18\,ATP$

💡 Tipp: Sauerstoff ist bei der Photolyse des Wassers eigentlich nur ein Abfallprodukt.

Lichtunabhängige Reaktion & Photorespiration

Der Calvin-Zyklus

Im Stroma der Chloroplasten wird $CO_2$ mithilfe von ATP und $NADPH+H^+$ zu Glucose reduziert.

• Kohlenstofffixierung: Das Enzym Rubisco bindet $CO_2$ an Ribulose-1,5-bisphosphat.
• Reduktionsphase: PGS wird unter Energieverbrauch zu PGA (Glycerin-3-phosphat) reduziert.
• Regenerationsphase: Ein Teil des PGA bildet Glucose, der Rest regeneriert den $CO_2$-Akzeptor.

Photorespiration

Bei $CO_2$-Mangel fixiert das Enzym Rubisco fälschlicherweise Sauerstoff statt Kohlenstoff.

• Energieverlust: Es entsteht ein $C_2$-Körper, dessen Recycling ATP und NADPH verbraucht.

💡 Tipp: Die Photorespiration schützt die Pflanze bei geschlossenen Stomata vor einem gefährlichen Elektronenstau in der Lichtreaktion.

Zellatmung & Ökologische Faktoren

Die Phasen der Zellatmung

Die Zellatmung baut Glucose unter aeroben Bedingungen in den Mitochondrien ab, um ATP zu gewinnen.

• Glykolyse: Glucose wird im Zellplasma zu zwei Molekülen Pyruvat gespalten.
• Citratzyklus: Findet in der Matrix statt und liefert $CO_2$ sowie NADH und $FADH_2$.
• Atmungskette: Erzeugt via Chemiosmose an der inneren Membran etwa 34 ATP.

Ökologische Grundlagen

Ein Ökosystem besteht aus unbelebten und belebten Strukturen, die eng zusammenwirken.

• Biotop: Gesamtheit aller unbelebten, abiotischen Faktoren wie Licht und Temperatur.
• Biozönose: Gemeinschaft aller lebenden, biotischen Faktoren in einem Lebensraum.

💡 Tipp: Merk dir für Prüfungen die Bruttogleichung: Aus einem Molekül Glucose entstehen maximal 38 ATP.

Biotische Faktoren: Symbiose & Parasitismus

Symbiose

Eine interspezifische Lebensgemeinschaft, die für beide Partner klare Vorteile bringt.

• Ektosymbiose: Die Partner bleiben körperlich getrennt, wie bei der Blütenbestäubung.
• Endosymbiose: Ein Partner lebt im Körper des anderen, wie Knöllchenbakterien.
• Mykorrhiza: Pilz liefert Wasser/Minerale, Pflanzenwurzel liefert Photosyntheseprodukte.

Parasitismus

Eine Beziehung, bei der ein Parasit den Wirt schädigt, ihn aber meistens nicht direkt tötet.

• Holoparasiten: Vollschmarotzer ohne eigenes Chlorophyll, komplett vom Wirt abhängig.
• Hemiparasiten: Halbschmarotzer wie die Mistel, betreiben noch selbst Photosynthese.

💡 Tipp: Ein Parasitoid ist die tödliche Ausnahme – er tötet seinen Wirt am Ende seiner Entwicklung immer.

Räuber-Beute-Beziehungen & Fortpflanzung

Lotka-Volterra-Regeln

Diese Regeln beschreiben die periodischen Schwankungen von Räuber- und Beutepopulationen.

• 1. Regel: Die Populationsgrößen schwanken periodisch und zeitlich phasenverschoben.
• 2. Regel: Die Mittelwerte beider Populationen bleiben langfristig konstant.
• 3. Regel: Nach starker Dezimierung erholt sich die Beutepopulation deutlich schneller.

Fortpflanzungsstrategien

Arten passen ihre Fortpflanzung an die Stabilität ihres Lebensraums an.

• r-Strategen: Viele Nachkommen, kurze Lebensspanne, kaum Brutpflege (z. B. Insekten).
• K-Strategen: Wenige Nachkommen, hohe Investition in Brutpflege (z. B. Säugetiere).

💡 Tipp: Die Lotka-Volterra-Regeln gelten nur für extreme Spezialisten und vernachlässigen alle äußeren Umwelteinflüsse.

Schutzmechanismen, Konkurrenz & Nahrungsnetze

Schutzmechanismen & Konkurrenz

Organismen nutzen Tarnung und Warnsignale oder weichen Konkurrenz aktiv aus.

• Mimese: Nachahmung von Gegenständen der Umwelt zur Tarnung vor Feinden.
• Mimikry: Nachahmung wehrhafter Arten durch harmlose Tiere zur Abschreckung.
• Konkurrenzausschluss: Zwei Arten mit identischen Ansprüchen können nicht koexistieren.

Stoffkreislauf & Trophieebenen

Die Nahrungskette ordnet Organismen nach ihrer Rolle im Energiefluss.

• Produzenten: Stellen aus anorganischen Stoffen organisches Material her (autotroph).
• Konsumenten: Ernähren sich heterotroph von Produzenten oder anderen Konsumenten.
• Destruenten: Zersetzen totes organisches Material wieder zu anorganischen Stoffen.

💡 Tipp: In der Realität bilden Nahrungsketten komplexe, dreidimensionale Nahrungsnetze, da Konsumenten meist mehrere Beutequellen nutzen.

Ökologische Nische & Temperaturtoleranz

Ökologische Nische & Potenz

Die Nische beschreibt das Beziehungsgefüge einer Art mit ihrer Umwelt.

• Fundamentalnische: Physiologisches Optimum einer Art ohne Konkurrenzdruck.
• Realnische: Tatsächlich genutzter Lebensraum unter realen Konkurrenzbedingungen.
• Stenopotent: Arten mit einem sehr schmalen Toleranzbereich gegenüber Umweltfaktoren.

Temperatur als abiotischer Faktor

Die Temperatur beeinflusst direkt die Stoffwechselprozesse über die RGT-Regel.

• RGT-Regel: Eine Erhöhung der Temperatur um $10^\circ C$ verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit.
• Denaturierung: Ab ca. $40^\circ C$ zerstören Hitzeeinwirkungen die dreidimensionale Struktur der Enzyme.

💡 Tipp: Die ökologische Potenz ist wegen der Konkurrenz im Lebensraum immer kleiner als die physiologische Potenz.

Thermoregulation bei Tieren

Gleichwarme vs. Wechselwarme Tiere

Tiere nutzen unterschiedliche Strategien, um ihre Körpertemperatur zu regulieren.

• Homoiotherm (gleichwarm): Halten Körpertemperatur aktiv konstant; hoher Energiebedarf.
• Poikilotherm (wechselwarm): Passen Körpertemperatur an; verhaltensgesteuerte Regulation.

Klimaregeln (nur für Gleichwarme)

Geografische Verbreitungsmuster hängen stark mit der Thermoregulation zusammen.

• Bergmannsche Regel: Tiere in kalten Regionen sind größer als nah verwandte Arten in warmen Gebieten.
• Allensche Regel: Körperanhänge (Ohren, Schwänze) sind in kalten Regionen deutlich kleiner.

Beispiel: $\text{Großes Volumen (produziert Wärme)} \leftrightarrow \text{Kleine Oberfläche (verliert wenig Wärme)}$

💡 Tipp: Die Allensche und Bergmannsche Regel funktionieren ausschließlich bei gleichwarmen Tieren.

Abiotische Faktoren: Licht & Wasser

Anpassung an den Lichtfaktor

Pflanzen besitzen je nach Standort spezialisierte Blatttypen zur optimalen Lichtnutzung.

• Sonnenblatt: Dicke Kutikula, mehrschichtiges Palisadengewebe für maximale Photosynthese.
• Schattenblatt: Große, dünne Blattoberfläche zur effizienten Nutzung von Schwachlicht.

Anpassung an den Wasserfaktor

Der anatomische Aufbau der Blätter ist streng an die Wasserverfügbarkeit angepasst.

• Xerophyten (Trockenpflanzen): Kleine Blätter, dicke Kutikula, versenkte Stomata mit Haaren.
• Hygrophyten (Feuchtpflanzen): Große Blätter, dünne Kutikula, herausragende Stomata.
• Hydrophyten (Wasserpflanzen): Besitzen ein Aerenchym (Luftgewebe) für Auftrieb und Gasaustausch.

💡 Tipp: Xerophyten nutzen ihre behaarten Spaltöffnungen in tiefen Gruben, um dort feuchte Luft als Transpirationsschutz einzuschließen.