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Photosynthese-Modelle. „False facts are highly injurious to science for they often endure long“ Charles Darwin Daniel I. Arnon: Photosythesis Research 46, 1995. Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen. Photosynthese-Modelle 1.

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Photosynthese-Modelle


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Presentation Transcript
photosynthese modelle
Photosynthese-Modelle
  • „False facts are highly injurious to sciencefor they often endure long“Charles DarwinDaniel I. Arnon: Photosythesis Research 46, 1995

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 1
Photosynthese-Modelle 1
  • Basisdaten
    • Photosynthese eines Laubbaumes an einem Tag12 kg Kohlenhydrate und 9000 Liter Sauerstoff
    • Photosynthese eines ha Waldes in einem Jahr275 Tonnen Biomasse, Energiegewinn 2,3 x 108 kJ
    • Photosynthese bildet weltweit in einem Jahr1,54 x 1011 Tonnen Kohlenhydrate
    • Photosynthese nutzt nur 0,05% der einfallenden Sonnenstrahlung (Nettophotosynthese)

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 2
Photosynthese-Modelle 2
  • Recherche in DatenbankenAntworten auf das Stichwort „Photosystem“
    • Current Contents Januar 1999 bis heute: 266 Publikationen3. April - 14. Mai 1999: 71 Publikationen
    • Biological AbstractsZweite Jahreshälfte 1998: 235 Publikationen
    • MedlineErste Jahreshälfte 1999: 68 Publikationen

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 3
Photosynthese-Modelle 3
  • Recherche im InternetAntworten auf das Stichwort „Photosynthesis“
    • AltaVista: 62 020 Web-Sites (2 495 deutsche)
    • HotBot: 27 989 Web-Sites (720 deutsche)
    • Excite: 12 472 Web-Sites
    • Infoseek: 11 198 Web-Sites (898 deutsche)
    • Yahoo: sehr viele (712 deutsche)
    • Lycos: sehr vieledazu kommen individual researcher‘s sites, groups, educational

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 4
Photosynthese-Modelle 4
  • Rolle im Biologieunterricht
    • Trotz der großen Bedeutung der Photosynthese ist das Thema ganz häufig unterrepräsentiert.
    • Die Lehrkräfte schrecken vor der enormen Komplexität des Stoffes zurück
    • Pflanzen sind weit weniger interessant als Tiere
    • Es dauert zu lange bis neue wissenschaftliche Erkenntnisse allgemein bekannt werden
    • Verfügbare Modelle sind häufig ‚falsch‘

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 5
Photosynthese-Modelle 5
  • Warnung eines Lehrbuchautors
    • Obwohl viele Einzelheiten in den letzten Jahren soweit aufgeklärt werden konnten, daß wir den Gesamtprozeß im Prinzip verstehen, existieren weiterhin ‚weiße Flecken‘
    • Daher ist nicht auszuschließen, daß bald Korrekturen von dem hier entworfenen Bild der Photosynthese angebracht werden müssen
    • Zurückhaltung bei der Beschreibung der Lokalisaltion und Interaktion von Komponenten der photosynthetisch aktiven Membran ist nicht unbeabsichtigtGerhard Richter: Biochemie der Pflanzen, Thieme 1996

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 6
Photosynthese-Modelle 6
  • Didaktische Reduktion
    • ist die Leistung, schwierige Inhalte auf die Voraussetzungen und Fähigkeiten von Lernenden abzustimmen
    • hat die Aufgabe, komplizierte Sachverhalte auf wesentliche Teile und Sinnzusammenhänge zu beschränken
    • vereinfacht ohne falsche Vorstellungen zu bilden Eschenhagen, Kattmann, Rodi: Fachdidaktik Biologie, Aulis, Köln 1985

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 7
Photosynthese-Modelle 7
  • Didaktische Transformation
    • bezeichnet den gesamten Vorgang der Wissens-vermittlung von fachlichen Aussagen und wissenschaftlichen Methoden
    • Berücksichtigt dabei die Ziele, die Lernbedingungen und das Vorwissen der Lernenden aber auch die zur Verfügung stehende Zeit
    • schließt insofern die didaktische Reduktion mit einLothar Staeck: Zeitgemäßer Biologieunterricht, Cornelsen, Berlin 1995

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 8
Photosynthese-Modelle 8
  • Didaktische Rekonstruktion
    • Es reicht nicht aus, komplexe Sachverhalte auf das jeweils geforderte Niveau zu vereinfachen
    • Im Lernprozeß müssen theoretische Vorannahmen, kontroverse Auffassungen und Ergebnisse der Nachbardisziplinen mit berücksichtigt werden
    • Die Wissensvermittlung wird durch didaktische Rekonstruktion nicht einfacher sondern komplexerDieter Rodi in: Fachdidaktik Biologie, Aulis, Köln 1985

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 9
Photosynthese-Modelle 9
  • Zwei Wege zum Ziel
    • Sektoriale ReduktionInhaltliche Ausschnittsbildung eines komplizierten wissenschaftlichen Ausgangssachverhalts.Folgen: Einengung des Gültigkeitsbereiches der wissenschaftlichen Ausgangsaussage
    • Strukturelle ReduktionVereinfachung des Umfangs und der Komplexität wissenschaftlicher Strukturen und Phänomene.Folgen: Gültigkeitsumfang der Aussage bleibt

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 10
Photosynthese-Modelle 10
  • DFG-Projekt KAVIS „Wissenserwerb“Knowledge Acquisition Video Instruction System
    • Untersuchung zur Beeinflussung und Förderung des Wissenserwerbs durch Medien
    • Analyse von kognitive und affektive Faktoren der Rückmeldung im Lernprozeß
    • Effektivität von differenziertem Feedback beim Wissenserwerb im naturwissenschaftlichen Bereich
    • Interaktives Lernen mit Medien und Modellen

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 11
Photosynthese-Modelle 11
  • DFG-Projekt KAVIS „Wissenserwerb“Knowledge Acquisition Video Instruction System
    • Dipl.Psych. P.-M. Fischer, Daimler-Benz, Stuttgart
    • Ing.grad. J. Jeuck, Medientechnologie, Tübingen
    • Prof. Dr. H. Mandl, Pädagogische Psychologie und Lernforschung, jetzt LMU München
    • Ich selbst
    • und weitere Mitarbeiter des Deutschen Instituts für Fernstudienforschung (DIFF)

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 12
Photosynthese-Modelle 12
  • DFG-Projekt KAVIS „Wissenserwerb“Knowledge Acquisition Video Instruction System
    • Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten sind publiziert und die entwickelten Materialien und Methoden auf zahlreichen Tagungen und Messen vorgestellt worden
    • Hier soll ein kleiner Ausschnitt der evaluierten Modelle zur Photosynthese vorgestellt werden
    • Unter Berücksichtigung der aktuellen Forschung werden Modelländerungen vorgeschlagen

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 13
Photosynthese-Modelle 13
  • Beispiel 1Anordnung der Komponenten nach Redox-Eigenschaften

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

anordnung der komponenten nach redox eigenschaften
Anordnung der Komponenten nach Redox-Eigenschaften

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 14
Photosynthese-Modelle 14
  • Beispiel 2Anordnung der Komponenten in der Thylakoid-Membran

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

anordnung der komponenten in der thylakoid membran
Anordnung der Komponenten in der Thylakoid-Membran

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 15
Photosynthese-Modelle 15
  • Wissenschaftliche Basis
    • Hill und Bendall (1960)Die Umwandlung von Licht in chemisch verfügbare Energie durch Chloroplasten erfolgt in mehr als einer Lichtreaktion (drei, später zwei)
    • Melvin Calvin (1962)Fixierung von Kohlenstoffdioxid in einem Kreisprozess mit Hilfe von ‚Lollipop‘ Experimenten unter Verwendung von radioaktiv markiertem Kohlenstoff

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 16
Photosynthese-Modelle 16
  • Einige aktuelle Forschungsergebnisse
    • Revision der Redoxeigenschaften
    • Untersuchungen mit Mutanten, die nur ein Photosystem (PSII) besitzen
    • Molekulare Struktur eines Reaktionszentrums
    • Struktur der Photosysteme
    • Verteilung der Komponenten in der Membran
    • Dynamik der Komponenten

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 17
Photosynthese-Modelle 17
  • Revision der Redoxeigenschaften
    • Die Redoxeigenschaften der an den Lichtreaktionen beteiligten Komponenten wurden mit verbesserten Methoden neu bestimmt
    • Insbesondere das Photosystem II enthält im angeregten Zustand eine erheblich größere Energiemenge (Elektronnegativität)
    • Diese reicht aus, um ohne weitere Beteiligung von Photosystem I das NADP+ direkt zu reduzieren

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 18
Photosynthese-Modelle 18
  • Untersuchungen mit Mutanten
    • Die Mutante G4 von Chlamydomonas reinhardtii besitzt nur das Photosystem II
    • Auch kleinste Mengen von Komponenten des Photosystems I wurden nicht nachgewiesen
    • Die Mutante kann trotzdem NADP+ reduzieren
    • Der Calvin-Zyklus läuft normal ab
    • Die Mutante wächst wie der Wildtyp im Licht unter Bildung von Sauerstoff und Kohlenhydraten

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 19
Photosynthese-Modelle 19
  • Verteilung der Komponenten in der Membran
    • Photosystem II kommt nur in den Membranen der Granastapel vor
    • Photosystem I ist auf die Membranbereich der Stroma-Thylakoide beschränkt
    • Die ATPase findet nur in den Bereichen der freiliegenden Stroma-Thylakoide Platz.
    • Die beiden Photosysteme kommen also fast nie in dierekter Nachbarschaft vor.

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 20
Photosynthese-Modelle 20
  • Dynamik der Komponenten
    • Es besteht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den Photosystemen und den übrigen Komponenten in der Thylakoid-Membran
    • Insbesondere die nicht in der Membran verankerten Komponenten sind beweglich
    • Dadurch wird ein rascher Energieaustausch zwischen den Photosystemen auch bei deren räumlicher Trennung gewährleistet

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 21
Photosynthese-Modelle 21
  • Beispiel 1Anordnung der Komponenten nach Redox-Eigenschaften

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

anordnung der komponenten nach redox eigenschaften25
Anordnung der Komponenten nach Redox-Eigenschaften

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 22
Photosynthese-Modelle 22
  • Beispiel 2Anordnung der Komponenten in der Thylakoid-Membran

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

anordnung der komponenten in der thylakoid membran27
Anordnung der Komponenten in der Thylakoid-Membran

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

anordnung der komponenten in der thylakoid membran28
Anordnung der Komponenten in der Thylakoid-Membran

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen

photosynthese modelle 24
Photosynthese-Modelle 24
  • Zusammenfassung
    • Photosynthese betrifft nicht nur die Forschung, sondern auch ganz direkt alle Menschen, denen Grundkenntnisse dazu vermittelt werden sollten
    • Ein guter Weg ist didaktische Rekonstruktion
    • Die Beispiele und Modelle stammen aus einem KAVIS Projekt, das von der DFG finanziert wurde
    • Die aktuelle Forschung bedingt eine laufende Revision und Anpassung der Modellvorstellungen

Universität Salzburg, Naturwissenschaftliche Fakultät, 9. Juni 1999 Hans Dieter Frey, Tübingen