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Hintergrund: Fotosynthese und Zellatmung - Wer erneuert verbrauchte Luft?

Schon seit Jahrhunderten weiß man, dass Menschen und Tiere in einem dicht geschlossenen Raum nach einiger Zeit ersticken können. Den Menschen war daher schon sehr früh klar, dass durch das Atmen die Luft „verdorben" wird. Der englische Prediger und Naturforscher Joseph Priestley stellte sich im 18. Jahrhundert die Frage, ob denn auch Pflanzen in einer derart verdorbenen Luft sterben.

Um diese Frage zu klären, führte er eine einfache Versuchsreihe durch:

● In einem wassergefüllten Holztrog befestigte er - knapp unter der Wasseroberfläche - ein Brett und darüber stellte er eine umgedrehte Glasglocke. So erhielt er einen luftdicht abgeschlossenen Raum unter der Glocke.

● Er gab nun zwei Mäuse unter die Glasglocke und beobachtet deren Verhalten. Die Tiere wurden immer stiller, nach etwa 1,5 Stunden schienen sie „einzuschlafen", sie erstickten. Nachträglich eingebrachte Mäuse erstickten fast augenblicklich.

Damit hatte Priestley folgenden Beweis erbracht: Tiere „verderben" beim Atmen die Luft und sterben dann am Einatmen der „verdorbenen" Luft.

Priestley stellte sich nun die Frage, ob auch Pflanzen in der durch tierische Atmung verdorbenen Luft sterben. Deshalb steckte er eine Pfefferminzpflanze in die Glocke mit verbrauchter Luft und wartete auf deren Tod. Dieser war selbst nach einer Woche noch nicht eingetreten. Ganz im Gegenteil: Die Pflanze gedieh in der verdorbenen Luft besonders gut. Er folgerte deshalb: Pflanzen leben anders als Tiere, sie gedeihen in von Tieren „verdorbener" Luft sehr gut.

Pfefferminze, Maus (Quelle: Colourbox)

Nur mit Hilfe der Pfefferminzpflanze, die unter der Glasglocke neuen Sauerstoff produziert, kann die Maus im Experiment überleben (Quelle: Colourbox)

In einem weiteren Versuch brachte Priestley unter eine Glocke mit verdorbener Luft eine Minzepflanze und nach einiger Zeit zusätzlich zwei Mäuse. Er beobachtete Erstaunliches: In der Pflanzenluft blieben die Mäuse lange Zeit quicklebendig. Daraus schloss er folgendes: "Pflanzen können nicht nur in verdorbener Luft überleben, sondern streben danach, den Effekt der Atmung umzukehren und die Luft wieder „mild und heilsam" zu machen, sodass Tiere darin überleben können."

Priestley wusste damals - im 18. Jahrhundert - noch nichts über die Zusammensetzung der Luft. Heute, nach fast 250 Jahren weiterer Forschung, weiß man, dass Luft kein einheitlicher Stoff ist. Es ist ein Gemisch verschiedener, farbloser Gase. Eines davon ist der Sauerstoff, den Priestley entdeckte. Dieses Gas ist für das Überleben von Priestleys Mäusen zuständig. Es lässt sich in einem einfachen Schulversuch nachweisen, der so ähnlich auch von Priestley durchgeführt wurde.

Im Versuch werden Sprosse der Wasserpest (eine Wasserpflanze) zusammengebunden und unter einem umgedrehten Trichter in ein wassergefülltes Becken gegeben. Im Trichter befinden sich die Pflänzchen ebenfalls im Wasser. Der Trichterhals ragt dabei über die Wasseroberfläche hinaus und ist durch einen Hahn abgeschlossen, so dass kein Gas entweichen kann. Wird diese Versuchsanordnung ans Fenster, also ins Licht gestellt, dann fällt auf, dass aus der Pflanze Gasblasen entweichen und im Wasser aufsteigen. Im Dunkeln entwickeln sich dagegen keine Gasblasen. Beschleunigen kann man die Gasentwicklung, indem man die Versuchsanordnung mit dem Diaprojektor beleuchtet.

Mit der sogenannten Glimmspanprobe kann man nachweisen, um welches Gas es sich handelt: Man fängt das Gas durch Aufdrehen des Hahnes am Trichterhals in einem Reagenzglas auf. Hält man einen glimmenden Span in das Reagenzglas, dann entzündet sich dieser zu einer Flamme. Es muss also Sauerstoff zugegen sein. Aus diesen Versuchen kann gefolgert werden: Pflanzen produzieren unter Einfluss von Licht Sauerstoff.

Mit diesen Versuchsergebnissen kann die Beobachtung von Priestley erklärt werden, dass Mäuse in einem abgeschlossenen Glasgefäß dann lange überleben, wenn Pflanzen mit in dem Gefäß sind. Die Pflanzen produzieren Sauerstoff, der anscheinend von den Tieren zum Atmen benötigt wird.

Tiere atmen „verdorbene" Luft aus. Diese enthält ein Gas, das sich in einem weiteren einfachen Versuch nachweisen lässt. Gibt man Kalkwasser in ein Glasgefäß und bläst Atemluft in dieses Wasser, dann wird das Kalkwasser trübe und bildet einen milchig-weißen Niederschlag von Calziumkarbonat.

Diese Reaktion ist ein Nachweis für Kohlenstoffdioxid. Mit diesem Versuch wird nachgewiesen, dass die ausgeatmete Luft von Tieren und Menschen große Mengen an Kohlenstoffdioxid enthält.

Priestley beobachtete in seinen Glasglocken-Versuchen, dass Pflanzen in der von Tieren verdorbenen Luft besonders gut gedeihen. Man kann daraus die Vermutung ableiten, dass für die Pflanzen das Kohlenstoffdioxid der ausgeatmeten Luft gut ist. Auch hierüber gibt ein Versuch Aufschluss, der so genannte Hungerversuch:

Kressepflanze (Quelle: Colourbox)

Entzieht man der Kressepflanze das Kohlendioxid, dann stirbt sie (Quelle: Colourbox)

Kressesamen werden in zwei kleine Blumentöpfe ausgesät. Sobald die Samen auskeimen, wird jeder Blumentopf unter eine Glasglocke gestellt. Unter der einen Versuchsanordnung befindet sich ein Gefäß mit verdünnter Natronlauge. Diese entzieht der Luft das Kohlenstoffdioxid. Der Versuch zeigt, dass die Pflanze ohne Kohlenstoffdioxid nicht überleben kann. Sie stirbt ab.

Zusammenfassend zeigen alle beschriebenen Versuche, dass für die Atmung der Tiere der Sauerstoff entscheidend ist. Er wird eingeatmet und beim Ausatmen wird Kohlenstoffdioxid abgegeben. Pflanzen wiederum gedeihen deshalb in verdorbener Luft so gut, weil sie auf Kohlenstoffdioxid angewiesen sind. Sie nehmen dieses auf, nutzen es zur Herstellung organischen Materials und geben Sauerstoff ab.