Calvin-Zyklus und Photorespiration

Aktive Lernformen eignen sich besonders für den Calvin-Zyklus und die Photorespiration, weil die Schüler die komplexen Zusammenhänge zwischen Stoffwechselwegen, Enzymaktivitäten und Umweltbedingungen durch eigenes Handeln begreifen. Durch Simulationen und kollaborative Analysen wird der Unterschied zwischen lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen greifbar, was das Verständnis für die Dynamik der Photosynthese vertieft.

• Klasse 13
• Biologie der Oberstufe: Von der Molekulargenetik zur globalen Ökologie
• 3 Aktivitäten
• 30 Min.–45 Min.

Lernziele

1. Analysieren Sie die Schritte des Calvin-Zyklus und identifizieren Sie die Rolle von Rubisco bei der CO2-Fixierung.
2. Erklären Sie die biochemischen Ursachen und Konsequenzen der Photorespiration im Kontext von Rubisco und Sauerstoff.
3. Berechnen Sie die Netto-Energiebilanz für die Synthese eines Glucose-Moleküls aus CO2 und Wasser unter Berücksichtigung von ATP- und NADPH+H+-Verbrauch.
4. Vergleichen Sie die Effizienz der CO2-Fixierung unter verschiedenen Umweltbedingungen (z.B. hohe O2-Konzentration, hohe Temperatur).

Forschungskreis

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Forschungskreis: Die Bilanz des Zyklus

Schüler berechnen in Gruppen den Bedarf an ATP und NADPH+H+ für die Synthese eines Moleküls Glucose. Sie müssen dabei berücksichtigen, wie viele Umdrehungen des Zyklus nötig sind und woher die Energie stammt.

Vorbereitung & Details

Warum gilt Rubisco als das wichtigste, aber ineffizienteste Enzym der Welt?

Moderationstipp: Legen Sie bei der 'Collaborative Investigation' Wert darauf, dass die Schüler ihre Berechnungen der Kohlenstoffbilanz Schritt für Schritt dokumentieren, um Fehlschlüsse zu vermeiden.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Planspiel

⏱ 30 Min.·Ganze Klasse

Planspiel: Rubisco-Dilemma

In einem Spiel simulieren Schüler das Enzym Rubisco. Sie müssen 'CO2-Bälle' fangen, aber wenn 'O2-Bälle' (Sauerstoff) in der Überzahl sind, unterlaufen ihnen Fehler, was die Photorespiration und den Energieverlust veranschaulicht.

Vorbereitung & Details

Wie kompensiert die Photorespiration Energieverluste unter Stress?

Moderationstipp: Nutzen Sie die 'Simulation: Rubisco-Dilemma', um die Schüler aktiv zu einer Entscheidung zu führen, ob sie Rubisco als 'gutes' oder 'schlechtes' Enzym bewerten – dies fördert die Argumentationsfähigkeit.

Setup: Flexibler Raum für verschiedene Gruppenstationen

Materials: Rollenkarten mit Zielen und Ressourcen, Spielwährung oder Token, Rundenprotokoll

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Ich-Du-Wir (Denken-Austauschen-Vorstellen)

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

Ich-Du-Wir (Denken-Austauschen-Vorstellen): Regeneration des Akzeptors

Schüler erarbeiten paarweise, warum die Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat für den Fortbestand des Zyklus kritisch ist und was passieren würde, wenn dieser Schritt blockiert wäre (z.B. durch Herbizide).

Vorbereitung & Details

Welche Bilanz ergibt sich für die Synthese eines Glucose-Moleküls?

Moderationstipp: Verwenden Sie beim 'Think-Pair-Share' zur Regeneration des Akzeptors konkrete Strukturformeln der Zwischenprodukte, um die Kohlenstoffumverteilung sichtbar zu machen.

Setup: Standard-Klassenzimmer; die Lernenden wenden sich dem Sitznachbarn zu

Materials: Diskussionsimpuls (projiziert oder gedruckt), Optional: Notizblatt für die Partnerarbeit

• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbstwahrnehmung
• Beziehungsfähigkeit

Dieses Thema unterrichten

Erfahrene Lehrkräfte setzen bei diesem Thema auf eine klare Trennung zwischen den lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen, um den Schülern die Abhängigkeiten zu verdeutlichen. Vermeiden Sie es, den Calvin-Zyklus isoliert zu betrachten – betonen Sie stets die Verbindung zu ATP/NADPH+H+-Bereitstellung und den Umweltbedingungen. Nutzen Sie die evolutionäre Perspektive von Rubisco, um zu zeigen, dass 'Ineffizienz' im Kontext der damaligen Atmosphäre nachvollziehbar war.

Was Sie erwartet

Erfolgreiches Lernen zeigt sich darin, dass die Schüler die drei Phasen des Calvin-Zyklus erklären, die Rolle von Rubisco kritisch diskutieren und die Photorespiration als Folge der Oxygenase-Aktivität von Rubisco einordnen können. Sie sollen zudem die Bilanz des Zyklus berechnen und die Bedeutung von G3P als direktes Produkt erkennen.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Collaborative Investigation zur Bilanz des Calvin-Zyklus wird oft fälschlich angenommen, dass die Dunkelreaktion nur nachts stattfindet.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie die Gelegenheit, die Schüler auf die Abhängigkeit von den Produkten der Lichtreaktion hinzuweisen. Lassen Sie sie in der Gruppe diskutieren, warum die Fixierung von CO2 tagsüber effizienter ist und wie die Begriffe 'Dunkelreaktion' und 'lichtunabhängige Reaktion' korrekt zu verwenden sind.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Simulation Rubisco-Dilemma wird Glucose häufig als direktes Produkt des Calvin-Zyklus genannt.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lenken Sie die Aufmerksamkeit der Schüler im Gespräch auf die Strukturformeln der Zwischenprodukte. Zeigen Sie konkret, wie aus G3P über mehrere Schritte Glucose entsteht, und lassen Sie die Schüler die Kohlenstoffbilanz für einen vollständigen Zyklus durchrechnen.

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

Nach der Collaborative Investigation zur Bilanz des Calvin-Zyklus erhalten die Schüler eine Grafik mit CO2- und O2-Verlauf in einem geschlossenen System. Sie sollen erklären, wie die Photorespiration die CO2-Aufnahme beeinflusst und welche Bedingungen dies begünstigen.

Kurze Überprüfung

Während der Simulation Rubisco-Dilemma stellen Sie den Schülern eine Liste von Zwischenprodukten bereit. Sie identifizieren die Moleküle, die spezifisch für den Calvin-Zyklus sind, und erklären, warum diese für die CO2-Fixierung notwendig sind.

Diskussionsfrage

Nach dem Think-Pair-Share zur Regeneration des Akzeptors diskutieren die Schüler die Frage, warum Rubisco trotz Ineffizienz das häufigste Enzym der Erde ist. Sie leiten die Diskussion zu evolutionären Kompromissen und Umweltbedingungen, unter denen die Oxygenase-Aktivität vorteilhaft sein könnte.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie leistungsstärkere Schüler auf, die Photorespiration in ein Ökosystemmodell zu integrieren und zu berechnen, wie sich erhöhte Temperaturen auf die CO2-Fixierung auswirken.
• Für Schüler mit Verständnisschwierigkeiten bereiten Sie eine vereinfachte Flussdiagramm-Vorlage vor, in die sie die Zwischenprodukte des Zyklus eintragen können.
• Vertiefen Sie mit der ganzen Klasse, wie C4- und CAM-Pflanzen das Rubisco-Dilemma umgehen, indem Sie die Unterschiede im Bau und Stoffwechsel dieser Pflanzen im Vergleich zu C3-Pflanzen analysieren.

Schlüsselvokabular

Rubisco	Das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase, das CO2 bei der Photosynthese fixiert, aber auch mit Sauerstoff reagieren kann.
Photorespiration	Ein Stoffwechselweg, der unter Beteiligung von Rubisco und Sauerstoff abläuft und zur Freisetzung von CO2 und zum Verbrauch von Energie führt.
CO2-Fixierung	Der Prozess, bei dem anorganischer Kohlenstoff (CO2) in organische Moleküle eingebaut wird, typischerweise als erster Schritt des Calvin-Zyklus.
ATP und NADPH+H+	Energieträger und Reduktionsmittel, die in den lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese gebildet und im Calvin-Zyklus zur Reduktion von CO2 verwendet werden.
Regeneration des Akzeptormoleküls	Der letzte Schritt des Calvin-Zyklus, bei dem das CO2-bindende Molekül (Ribulose-1,5-bisphosphat) unter ATP-Verbrauch wiederhergestellt wird.