Pflanzenphysiologische Versuche in der Schule

Wild, Aloysius

Pflanzenphysiologische Versuche in der Schule

Quelle & Meyer, 1999

Inhaltsverzeichnis

Einleitung 1
I Zur Geschichte des Biologieunterrichts in Deutschland 1
II Die experimentelle Erkenntnismethode 5
III Die Bedeutung schulischer Experimente 7
Kapitel 1 Biologisch wichtige Makromoleküle und ihre Bausteine I:

Mono-, Di- und Polysaccharide
12
A Theoretische Grundlagen 12
1.1 Einleitung 12
1.2 Monosaccharide (einfache Zucker) 13
1.3 Glykoside, Di- und Oligosaccharide 15
1.4 Polysaccharide 17
B Versuche 20
V 1.1 Kohlenhydrate 20
V 1.1.1 Verkohlung von Zuckern: Zersetzung von Zucker mit Schwefelsäure 20
V 1.1.2 Verkohlung von Zuckern: Pharaoschlangen 21
V 1.1.3 Allgemein qualitativer Kohlenhydratnachweis nach Molisch 22
V 1.2 Mono- und Disaccharide 24
V 1.2.1 Nachweis von reduzierenden Zuckern: Die Fehlingsche Probe 24
V 1.2.2 Nachweis von reduzierenden Zuckern: Reduktion von Methylenblau 25
V 1.2.3 Enzymatischer Glucosenachweis 26
V 1.2.4 Nachweis von Pentosen 28
V 1.2.5 Nachweis von Ketohexosen (Seliwanoff-Probe) 29
V 1.3 Polysaccharide 30
V 1.3.1 Makromolekulare Struktur der Polysaccharide (Faraday-Tyndall-Effekt) 30
V 1.3.2 Nachweis von Stärke 31
V 1.3.3 Nachweis von Cellulose 33
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Kapitel 2: Biologisch wichtige Makromoleküle und ihre Bausteine II:

Aminosäuren, Peptide, Proteine
34
A Theoretische Grundlagen 34
2.1 Einleitung 34
2.2 Aminosäuren - Die Bauelemente der Proteine 35
2.3 Die Primärstruktur der Proteine 37
2.4 Die Sekundärstruktur 38
2.5 Tertiär- und Quartärstruktur, supramolekulare Strukturen 40
B Versuche 42
V 2.1 Aminosäuren 42
V 2.1.1 Nachweis von Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff und Wasserstoff in Aminosäuren 42
V 2.1.2 Farbreaktionen mit Ninhydrin 43
V 2.1.3 Xanthoproteinreaktion 44
V 2.1.4 Bestimmung der pH-Werte von Aminosäuren 46
V 2.1.5 Pufferwirkung von Aminosäuren 47
V 2.1.6 Chromatographische Trennung von Aminosäuren 48
V 2.1.7 Auftrennung von Aminosäuren im Fruchtsaft der Zitrone 50
V 2.2 Peptide/Proteine 52
V 2.2.1 Biuret-Reaktion 52
V 2.2.2 Kolloidaler Charakter von Proteinen (Faraday-Tyndall-Effekt) 53
V 2.2.3 Bedeutung des Cysteins bei Tertiärstrukturen 54
V 2.2.4 Fällung von Proteinen 55
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Kapitel 3: Eigenschaften und Wirkungsweise von Enzymen 57
A Theoretische Grundlagen 57
3.1 Einleitung 57
3.2 Chemische Struktur der Enzyme 58
3.3 Enzyme erniedrigen die Aktivierungsenergie 59
3.4 Mechanismus der enzymatischen Katalyse 60
3.5 Kinetik der Enzymreaktionen 61
3.6 Beeinflussung und Regulation von Enzymen 63
3.7 Einteilung und Nomenklatur der Enzyme 64
B Versuche 66
V 3.1 Wirkungsweise von Enzymen 66
V 3.1.1 Katalytische und biokatalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid 66
V 3.1.2 Erniedrigung der Aktvierungsenergie durch Urease 68
V 3.1.3 Zersetzung von H2O2 durch Katalase bei verschiedenen Substratkonzentrationen 69
V 3.2 Eigenschaften von Enzymen 72
V 3.2.1 Substratspezifität und kompetitve Hemmung der Urease 72
V 3.2.2 Enzymhemmung durch Schwermetalle 74
V 3.2.3 pH-Abhängigkeit des Stärkeabbaus durch die Mundspeichel-Amylase 75
V 3.2.4 Abhängigkeit der Katalaseaktivität vom pH-Wert 77
V 3.2.5 Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität am Beispiel der Urease 79
V 3.2.6 Todesringe und Todesstreifen 81
V 3.2.7 Der Haushaltstipp: Die Braunfärbung aufgeschnittener Äpfel 83
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Kapitel 4: Bau, Eigenschaften und Funktionen von Biomembranen

Die pflanzliche Zelle als osmotisches System
85
A Theoretische Grundlagen 85
4.1 Einleitung 85
4.2 Chemischer Aufbau von Membranen 86
4.3 Membranmodelle 88
4.4 Transportphänomene: Diffusion und Osmose 89
4.5 Die pflanzliche Zelle als osmotisches System, Wasserpotential der Zelle, Plasmolyse und Deplasmolyse 91
B Versuche 93
V 4.1 Bau von Biomembranen 93
V 4.1.1 Vereinfachtes Modell einer Biomembran 93
V 4.2 Transportphänomene: Diffusion und Osmose 94
V 4.2.1 Diffusion von Kaliumpermanganat in Wasser 94
V 4.2.2 Osmose-Grundmodell 95
V 4.2.3 Künstlich osmotische Zellen: Der Chemische Garten 96
V 4.2.4 Osmometermodell der Pflanzenzelle 98
V 4.3 Die osmotischen Eigenschaften der Zelle 100
V 4.3.1 Semipermeabilität von Membranen 100
V 4.3.2 Osmose pflanzlicher Gewebe 102
V 4.3.4 Welken durch Turgorverlust 103
V 4.3.5 Plasmolyse und Deplasmolyse 104
V 4.4 Membranschädigungen 106
V 4.4.1 Einwirkung von Spülmittel auf die Schraubenalge Spirogyra 106
V 4.4.2 „Ausbluten“ von Rotkohl durch äußere Einflüsse 107
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Kapitel 5: Ernährung und stoffliche Zusammensetzung der Pflanzen 109
A Theoretische Grundlagen 109
5.1 Einleitung 109
5.2 Nährelemente und Nährstoffe 110
5.3 Verfügbarkeit der Pflanzennährstoffe 110
5.4 Rhizosphäre und Mykorrhiza 112
5.5 Aufnahme der Nährstoffe durch die Pflanze 113
5.6 Stoffliche Zusammensetzung der Pflanzen 115
5.7 Funktionen der einzelnen Nährelemente und Ernährungszustände der Pflanze 115
B Versuche 117
V 5.1 Nährstofferschließung im Boden durch Pflanzen 117
V 5.1.1 Ladung der Bodenkolloide 117
V 5.1.2 Protonenabgabe durch die Wurzel 118
V 5.1.3 Ionenaustausch an den Bodenkolloiden 120
V 5.1.4 Der „Marmorplattenversuch“ 121
V 5.1.5 Reduktion von Eisen(III)-Ionen durch Wurzeln 122
V 5.1.6 Phosphatasenwirkung 123
V 5.2 Stoffliche Zusammensetzung der Pflanzen 125
V 5.2.1 Bestimmung des Wassergehaltes von Pflanzen 125
V 5.2.2 Einfache Elementaranalyse der Trockensubstanz 126
V 5.2.3 Bestimmung des Aschegehaltes an der Trockensubstanz 127
V 5.2.4 Qualitative Analyse von Pflanzenasche 129
V 5.3 Einfluss der Nährelemente auf das Wachstum der Pflanzen (Mangelkulturen) 131
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Kapitel 6: Wasserhaushalt der Pflanzen 134
A Theoretische Grundlagen 134
6.1 Einleitung 134
6.2 Besondere physikalische und chemische Eigenschaften des Wassers 134
6.3 Die Verfügbarkeit von Wasser im Boden 136
6.4 Die Wasseraufnahme 137
6.5 Die Wasserabgabe 139
6.6 Der Mechanismus des Wasserferntransports 141
B Versuche 143
V 6.1 Die Wasserabgabe 143
V 6.1.1 Blätter als Transpirationsorgane 143
V 6.1.2 Nachweis der Lage und Transpiration der Spaltöffnungen 144
V 6.1.3 Ein Blätter-Mobilé 145
V 6.1.4 Mikroskopieren von Spaltöffnungen 146
V 6.1.5 Modellversuch zum Randeffekt 147
V 6.1.6 Besonderheiten bei Schwimmblättern 148
V 6.1.7 Verdunstungsschutz durch Cuticula und Korkschicht 150
V 6.2 Der Mechanismus des Wasserferntransports 151
V 6.2.1 Das Gipspilzmodell 151
V 6.2.2 Transpirationsmessung mit dem Potometer 152
V 6.2.3 Demonstration des Transpirationssoges 154
V 6.3 Der Wurzeldruck 154
V 6.3.1 „Bluten“ verletzter Pflanzen 154
V 6.3.2 Guttation 155
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Kapitel 7: Photosynthese I: Energieumwandlung 157
A Theoretische Grundlagen 157
7.1 Einleitung 157
7.2 Die Chloroplasten als Organelle der Photosynthese 157
7.3 Die Chlorophylle und Carotinoide 159
7.4 Lichtabsorption und Energieleitung in den Pigmentantennen 161
7.5 Das Z-Schema des photosynthetischen Elektronentransports 164
7.6 Photophosphorylierung - Bildung des Energieäquivalents 168
B Versuche 171
V 7.1 Die Chloroplasten als Organelle der Photosynthese 171
V 7.1.1 Lichtmikroskopische Betrachtung von Chloroplasten 171
V 7.2 Isolation und Trennung der Chloroplastenfarbstoffe (Chlorophylle und Carotinoide) 172
V 7.2.1 Extraktion der Photosynthesepigmente aus Blättern - Gewinnung eines Rohchlorophyllextrakts 172
V 7.2.2 Trennung der Blattpigmente durch Ausschütteln und durch Verseifung des Chlorophylls 174
V 7.2.3 Papierchromatographische Trennung der Chloroplastenfarbstoffe 176
V 7.2.4 Chromatographie mit Tafelkreide 179
V 7.2.5 Dünnschichtchromatographische Trennung der Chloroplastenfarbstoffe 181
V 7.3 Lichtabsorption der Chloroplastenfarbstoffe 183
V 7.3.1 Lichtabsorption durch eine Rohchlorophylllösung (Vergleich dicker und dünner Chlorophyllschichten) 183
V 7.3.2 Lichtabsorption durch verschieden dicke Blattschichten 185
V 7.3.3 Lichtabsorption durch eine Carotinlösung 186
V 7.4 Eigenschaften des Chlorophylls 188
V 7.4.1 Chlorophyllabbau durch Säuren - Pheophytinbildung; Kupferchlorophyll 188
V 7.4.2 Umfärben von Blättern beim Kochen (Pheophytinbildung) 189
V 7.4.3 Fluoreszenz von Chlorophyll in Lösung (in vitro) 190
V 7.5 Photochemische Aktivität 192
V 7.5.1 Fluoreszenz von Chlorophyll an Blättern (in vivo), Steigerung der Chlorophyllfluoreszenz

durch Hemmung der Photosynthese mit Herbiziden und durch tiefe Temperatur
192
V 7.5.2 Photoreduktion von Methylrot durch Chlorophyll und Ascorbinsäure 194
V 7.5.3 Einfacher Versuch zur Hill-Reaktion mit DCPIP (Dichlorphenolindophenol) als Elektronenakzeptor 196
V 7.5.4 Einfacher Versuch zur Hill-Reaktion mit Ferricyanid als Elektronenakzeptor 199
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Kapitel 8: Photosynthese II: Substanzumwandlung und

Ökologie der Photosynthese
201
A Theoretische Grundlagen 201
8.1 Einleitung 201
8.2 Die CO2-Assimilation (Calvin-Zyklus) 202
8.3 Lichtatmung (Photorespiration) 205
8.4 C4-Pflanzen 207
8.5 Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM) 212
8.6 Anpassung an die Lichtbedingungen 214
B Versuche 215
V 8.1 Nachweis des bei der Photosynthese gebildeten Sauerstoffs 215
V 8.1.1 Pflanzen machen „verbrauchte“ Luft wieder „frisch“ 215
V 8.1.2 „Nagelprobe“: Abhängigkeit der Sauerstoffbildung vom Licht 218
V 8.1.3 Sauerstoffnachweis mit Indigocarmin: Abhängigkeit der Sauerstoffbildung von

Kohlendioxid, Licht und Temperatur
220
V 8.1.4 Messung der Photosyntheseintensität mit der Aufschwimmmethode 224
V 8.2 Nachweis der photosynthetisch gebildeten Stärke in Blättern 226
V 8.2.1 Die Chloroplasten als Ort der photosynthetischen Stärkebildung 226
V 8.2.2 Abhängigkeit der Stärkebildung vom Licht 228
V 8.2.3 Abhängigkeit der Stärkebildung vom Kohlendioxidgehalt der Luft 230
V 8.3 Beobachtungen und Experimente bei C4-Pflanzen 232
V 8.3.1 Vergleichende Betrachtung der Blattquerschnitte von C3- und C4-Pflanzen im Lichtmikroskop 232
V 8.3.2 Stärkebildung in Maisblättern 234
V 8.3.3 Nachweis des nichtzyklischen Elektronentransportes in den Mesophyllchloroplasten von

Maisblättern mit Hilfe der Hill-Reaktion
236
V 8.3.4 Nachweis der unterschiedlichen Photosynthese-Effektivität von C3- und C4-Pflanzen 239
V 8.3.5 Kohlendioxid-Konkurrenz zwischen C3- und C4-Pflanzen 241
V 8.4 Experimente zum Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM) 244
V 8.4.1 Kohlendioxid-Fixierung der CAM-Pflanzen bei Nacht 244
V 8.4.2 Diurnaler Säurerhythmus der CAM-Pflanzen: pH-Bestimmung im Zellsaft 246
V 8.5 Anpassung höherer Pflanzen an die Lichtbedingungen 248
V 8.5.1 Vergleichende anatomische Betrachtung von Sonnen- und Schattenblättern 248
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Kapitel 9: Dissimilation I: Glykolyse und Gärung

(anaerobe Dissimilation)
251
A Theoretische Grundlagen 251
9.1 Einleitung 251
9.2 Bereitstellung des Ausgangssubstrates 252
9.3 Glykolyse 252
9.4 Gärung (anaerober Stoffwechsel) 255
B Versuche 258
V 9.1 Versuche zur Glykolyse und alkoholischen Gärung 258
V 9.1.1 Die Entstehung von Reduktionsäquivalenten im Verlauf der Glykolyse 258
V 9.1.2 Die Substratabhängigkeit der alkoholischen Gärung 260
V 9.2 Alkoholische Gärung 262
V 9.2.1 Die Entstehung von Kohlendioxid bei der alkoholischen Gärung 262
V 9.2.2 Der Nachweis von Acetaldehyd als Zwischenprodukt der alkoholischen Gärung 263
V 9.2.3 Der Nachweis von Ethanol durch Verbrennen 265
V 9.2.4 Der Nachweis von Ethanol mit Kaliumdichromat 266
V 9.2.5 Die Teiglockerung durch Hefe 267
V 9.2.6 Die Temperaturabhängigkeit der Hefe-Enzyme 269
V 9.2.7 Die Energieausbeute gärender Hefepilze 271
V 9.2.8 Die Herstellung von Met 274
V 9.2.9 Die schädigende Wirkung von Alkohol 276
V 9.3 Milchsäuregärung 278
V 9.3.1 Die Herstellung von Joghurt 278
V 9.3.2 Die Herstellung von Sauerkraut 280
V 9.4 Essigsäurebildung 281
V 9.4.1 Die Herstellung von Weinessig 281
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Kapitel 10: Dissimilation II: Atmung (aerobe Dissimilation) 284
A Theoretische Grundlagen 284
10.1 Einleitung 284
10.2 Mitochondrien 284
10.3 Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-Coenzym A 285
10.4 Citratzyklus 286
10.5 Endoxidation, Atmungskette 288
10.6 Alternative Wege der NADH-Oxidation in pflanzlichen Mitochondrien (Überlaufmechanismen) 290
10.7 Atmungsketten-Phosphorylierung (oxidative Phosphorylierung) 292
B Versuche 294
V 10.1 Kohlendioxidentstehung und Sauerstoffverbrauch bei der Atmung 294
V 10.1.1 Sichtbarmachen der Atmung 294
V 10.1.2 Die Kohlendioxidentstehung bei der Atmung: qualitativer Nachweis 296
V 10.1.3 Die Kohlendioxidentstehung bei der Atmung: quantitativer Nachweis 297
V 10.1.4 Nachweis des Sauerstoffverbrauchs und der Kohlendioxidproduktion bei der Atmung durch den Kerzentest 300
V 10.1.5 Nachweis des Sauerstoffverbrauchs und der Kohlendioxidproduktion

von Weizenkeimlingen durch das Warburg- Manometer
302
V 10.1.6 Vergleich der Respirationsquotienten von kohlenhydratreichen und fettreichen Keimlingen 304
V 10.1.7 Gegenüberstellung von Atmung und Photosynthese 305
V 10.1.8 Kohlendioxidentstehung bei der menschlichen Atmung 307
V 10.2 Versuche zu konkreten Reaktionsschritten der Atmung 308
V 10.2.1 Modellversuch zur Oxidation des Pyruvats 308
V 10.2.2 Modellversuch zu den wasserstoffübertragenden Enzymen im Citratzyklus 309
V 10.2.3 Dünnschichtchromatographischer Nachweis von Säuren des Citratzyklus in verschiedenen Früchten 311
V 10.2.5 Modellversuch zur Atmungskette 313
V 10.2.6 Die Wärmeabgabe bei der Atmung 316
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Kapitel 11: Phytohormone 318
A Theoretische Grundlagen 318
11.1 Einleitung 318
11.2 Auxine 320
11.3 Gibberelline 323
11.4 Cytokinine 324
11.5 Abscisine 325
11.6 Ethylen (Ethen) 326
B Versuche 327
V 11.1 Auxine 327
V 11.1.1 Der Einfluss von IES auf das Streckungswachstum 327
V 11.1.2 Die Adventivwurzelbildung durch IES 330
V 11.1.3 Der Einfluß von IES auf die apikale Dominanz 332
V 11.1.4 Die Verminderung der Blattabscission durch IES 334
V 11.2 Gibberelline 336
V 11.2.1 Die Wirkung von Gibberellinen auf das Längenwachstum bei Zwergerbsen 336
V 11.3 Cytokinine 337
V 11.3.1 Die Verzögerung der Blattseneszenz durch Cytokinine 337
V 11.3.2 Der Kotyledonen-Biotest 340
V 11.4 Abscisinsäure 341
V 11.4.1 Die Hemmung der Samenkeimung durch Abscisinsäure 341
V 11.5 Ethylen 343
V 11.5.1 Ethylen-Biotest: Dreifach-Reaktion 343
V 11.5.2 Die Förderung des Blattfalls durch Ethylen 345
V 11.5.3 Die Förderung der Fruchtreifung durch Ethylen 346
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Kapitel 12: Same und Samenkeimung 348
A Theoretische Grundlagen 348
12.1 Einleitung 348
12.2 Bau und Entwicklung der Samen 348
12.3 Die Samenkeimung 352
B Versuche 356
V 12.1 Bau der Samen 356
V 12.1.1 Bau der Samen der Feuerbohne 356
V 12.2 Quellung 358
V 12.2.1 Beobachtung der Quellung bei Kressesamen 358
V 12.2.2 Quellung als rein physikalischer Prozess 359
V 12.2.3 Demonstration des Quellungsdrucks 360
V 12.3 Keimung 361
V 12.3.1 Darstellung verschiedener Keimungsstadien 361
V 12.3.2 Epigäische und hypogäische Keimung 362
V 12.3.3 Abhängigkeit der Keimung von der Sauerstoffversorgung 364
V 12.3.4 Abbau von Stärke bei der Keimung 365
V 12.4 Sperrmechanismen der Keimung 367
V 12.4.1 Keimungshemmung durch Sperrschichten und Inhibitoren im Samen 367
V 12.4.2 Keimungshemmende Wirkung des Fruchtfleischs 368
V 12.4.3 Einfluss ätherischer Öle auf die Keimung 369
V 12.5 Der ökologische Vorteil der Samenruhe 371
V 12.5.1 Temperaturbehandlung von Weizensamen 371
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Kapitel 13: Physiologie der Bewegungen 372
A Theoretische Grundlagen 372
13.1 Einleitung 372
13.2 Bewegungen lebender Organe 373
13.3 Sonstige Bewegungen 380
13.4 Bewegungen in den Zellen 381
13.5 Die freien Ortsbewegungen (Lokomotionen) 382
B Versuche 384
V 13.1 Phototropismus 384
V 13.1.1 Lichtinduzierte Krümmungsbewegungen bei Erbsenkeimlingen 384
V 13.1.2 Phototrope Krümmungsversuche am Klinostaten 385
V 13.1.3 Versuche zum Resultantengesetz 387
V 13.1.4 Krümmungsversuch an Senfkeimlingen in Wasserkultur 388
V 13.2 Gravitropismus 389
V 13.2.1 Gravitrope Krümmungen von Sprossachse und Wurzel 389
V 13.2.2 Gravitropische Krümmungsversuche am Klinostaten 390
V 13.3 Chemotropismus 391
V 13.3.1 Chemisch induzierte Krümmungsbewegung 391
V 13.4 Nastien 393
V 13.4.1 Nastische Bewegungen bei Tulpenblüten (Thermonastie) 393
V 13.4.2 Nastische Bewegungen bei der Sinnpflanze Mimosa pudica (Seismonastie) 394
V 13.4.3 Thigmonastische Bewegungen der Blätter von Dionaea (Venusfliegenfalle) 396
V 13.4.4 Rankenbewegungen bei Erbsenkeimlingen (Thigmonastie) 398
V 13.5 Quellungsbewegungen (hygroskopische Bewegungen) 400
V 13.5.1 Quellungsbewegungen bei Kiefernzapfen 400
V 13.6 Bewegungen in den Zellen 401
V 13.6.1 Chloroplastenbewegung bei Mougeotia 401
V 13.6.2 Moosblättchen 402
Literatur 404
Index 406