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Auch Gewächse haben Durst!

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II Pflanzen • Beitrag 6 Wasserhaushalt der Pflanzen (Klassen 6–8) 1 von 22

11 RAAbits Realschule Biologie September 2013

Wie nehmen Pflanzen Wasser auf und wie transpor-tieren sie es?

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Mit Farbfotos und weiterem

Zusatzmaterial auf CD!

Auch Gewächse haben Durst! – Stationenlernen zum Wasserhaushalt der Pflanzen

Wilfried Probst, Oberteuringen

Wie alle Lebewesen sind Pflanzen auf eine ausreichende Wasserversorgung angewiesen. Im Gegensatz zu Tieren können sie jedoch keine Tränken aufsuchen und sich auch nicht durch Ortswechsel der Sonnenhitze oder austrocknenden Winden entziehen. Entspre-chend brauchen sie die richtige Ausstattung, die ihnen hilft, an ihrem Wuchsort nicht zu verdursten.

In diesem Stationenlernen führen Ihre Schüler zahlreiche Versuche zu Aufnahme, Trans-port und Abgabe des Wassers durch Pflanzen durch und erforschen die Bauweise des pflanz-lichen Wasserleitungssystems.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klassen: 6–8

Dauer: 6 Stunden (Minimalplan: 4)

Kompetenzen: Die Schüler …

· können erklären, wie Pflanzen Wasser aufnehmen, transportieren und ab geben.

· können begründen, warum eine ausrei-chende Versorgung der Pflanzen mit Wasser lebensnotwendig ist.

· können Versuche zum Wasserhaushalt der Pflanzen planen, durchführen und auswerten.

Aus dem Inhalt:

· Was passiert, wenn Pflanzen verdursten?

· Wie nehmen Pflanzenzellen Wasser auf und wie geben sie es ab?

· Der Ferntransport des Wassers bei Pflanzen – ein Stationenlernen

· Langzeitversuch zu Wurzelhaaren ( )

· Wie misst man die Wassertranspiration bei Pflanzen? ( )

IIWasserhaushalt der Pflanzen (Klassen 6–8) Pflanzen • Beitrag 62 von 22

11 RAAbits Realschule Biologie September 2013

Rund um die Reihe

Warum wir das Thema behandeln

Alle Lebensprozesse spielen sich im wässrigen Medium ab und Lebewesen bestehen zum größten Teil aus Wasser. Bei Pflanzen beträgt der Wasseranteil normalerweise zwischen 70 und 90 %. Der Wasserhaushalt ist deshalb für alle Lebensprozesse von besonderer Bedeu-tung. Um zu verstehen, wie Pflanzen wachsen und gedeihen, muss man eine Vorstellung davon haben, wie sie Wasser aufnehmen, transportieren und wieder abgeben bzw. verlieren. Diese Vorgänge lassen sich durch anschauliche Beobachtungen und Versuche leicht verständ-lich machen.

Was Sie zum Thema wissen müssen

Durchlauf statt Kreislauf

Die Land bewohnenden Gefäßpflanzen nehmen das Wasser vor allem durch die Wurzelhaare aus dem Boden auf und geben den größten Teil davon durch die Spaltöffnungen wieder an die Atmosphäre ab. Die Pflanze wird also ständig von Wasser durchströmt. Nur ein geringer Anteil davon wird für den Assimilatetransport in den Siebröhren abgezweigt. Im Gegensatz zu den Tieren haben die Pflanzen vor allem ein Durchlaufystem und kein Kreislaufsystem. Mit dem Wasserstrom werden auch lebenswichtige Mineralstoffe („Pflanzennährstoffe“) vom Boden in alle Pflanzenteile transportiert.

Verhungern oder verdursten? – Spaltöffnungen helfen!

Landpflanzen müssen damit zurechtkommen, dass die umgebende Luft normalerweise nicht wasserdampfgesättigt ist. So wird den Pflanzen durch Verdunstung ständig Wasser entzogen. Wenn die Pflanzen durch entsprechende Einrichtungen den Gasaustausch mit der Atmosphäre stark einschränken, können Sie zwar die Wasserabgabe erheblich verringern, gleichzeitig wird damit aber auch die Aufnahme von CO2 erschwert. Schutz vor Austrocknung bedeutet daher gleichzeitig Verminderung der CO2-Aufnahme und damit der Stoffproduktion durch Fotosynthese.

Die Pflanzen haben das Problem teilweise dadurch gelöst, dass sie, je nach Umweltbedin-gungen, die Wasserabgabe über Spaltöffnungen regulieren. Spaltöffnungen bestehen aus zwei meist bohnenförmigen Schließzellen, zwischen denen sich eine Öffnung befindet, die in Abhängigkeit vom Turgordruck der Schließzellen geschlossen oder mehr oder weniger weit geöffnet ist. Demgegenüber ist die Wasseraufnahme über die Wurzelhaare weitgehend von den Umweltbedingungen, der Verfügbarkeit des Wassers im Boden, abhängig.

Die Verfügbarkeit von Wasser – das Wasserpotenzial

Die Verfügbarkeit des Wassers in einem System wird auch über das Wasserpotenzial beschrieben. Reines Wasser hat unter Atmosphärendruck das Wasserpotenzial 0. Dasselbe gilt für Wasser in einem wasserdampfgesättigten Gasraum. Das Wasserpotenzial einer wäss-rigen Lösung oder eines nicht wasserdampfgesättigten Gasraums dagegen ist negativ. Die Energie, die zugeführt werden muss, um die Verfügbarkeit reinen Wassers zu erreichen, ist als Wasserpotenzial definiert. Da sie sich immer auf ein Volumen bezieht, ist die Einheit Energie pro Volumen, also ein Druck (z. B. Nm/m3 = N/m2 = 1 Pa). Im Falle des Wasserhaus-halts der Pflanzen handelt es sich dabei immer um negative Werte, weshalb man auch von einem Sog sprechen kann.

Aktiver und passiver Wassertransport in der Wurzel

Nur an den vordersten Wurzelspitzen sind die Zellwände nach außen nicht von einer wasser-abstoßenden Schicht aus Kutin überzogen. Zudem sind die Wurzelhautzellen in einem Abschnitt kurz hinter der Wurzelspitze zu langen Haaren ausgewachsen. Sie stehen in engem Kontakt zum Haftwasser des Bodens. Bei stark verzweigten Wurzeln kann diese wasser-

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aufnahmefähige Fläche der Wurzelhaare ein Mehrfaches der übrigen Pflanzenoberfläche betragen: Bei einer einzigen Roggenpflanze hat man eine Oberfläche von 400 m² berechnet, was dem 50-fachen der oberflächlichen Pflanzenteile entspricht (Strasburger 2002, S. 201).

In den Wurzelhaaren und in den Zellen der Wurzelrinde wird das Bodenwasser durch Quel-lung der Zellwände und osmotisch in die Zentralvakuolen der Zellen aufgenommen und weitergegeben. Dieser passive Wassertransport, der rein physikalischen Kräften folgt, findet in der inneren Wurzelhaut (Endodermis) ein Ende: Die Radialwände der Endodermiszellen sind mit Wasser abstoßenden Substanzen imprägniert und dadurch wasserundurchlässig (Caspary Streifen). Der Wassertransport von den Endodermiszellen in den Zentralzylinder ist ein aktiver Vorgang, bei dem Stoffwechselenergie umgesetzt wird. Der Druck, unter dem das Wasser in die Leitungsbahnen des Zentralzylinders gepumpt wird, ist als Wurzeldruck messbar.

Der Transpirationsstrom

Ist das Wasser in die Leitungsbahnen des Zentralzylinders gelangt, wird es durch die Wurzeln und die Sprossachsen bis in die Blätter transportiert. Aus den Zellwandkapillaren tritt es schließlich als Wasserdampf in die Zwischenzellräume über und diffundiert durch die Spalt-öffnungen in die Atmosphäre. Als Transportkraft wirkt das negative Wasserpotenzial der Atmosphäre. Es beträgt bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit schon unter –90 MPa. Dieser nega-tive Druck kann jedoch nur zum Transport genutzt werden, wenn die Wasserfäden in den Wasserleitungsgefäßen (Tracheiden und Tracheen) nicht abreißen. Dafür sind vor allem drei Sachverhalte entscheidend:

1. Die Kohäsionskraft zwischen den Wassermolekülen

2. Die Adhäsionskraft der Wassermoleküle an die Zellwandkapillaren

3. Die Oberflächenspannung am Ende der Wassersäule

Das negative Wasserpotenzial wird als eine nach innen gerichtete Kraft auf die Wände der Leitungsbahnen übertragen. Die Wände der Tracheen und Tracheiden können diesem Unter-druck nur standhalten, weil sie durch Verdickung und Verholzung vor dem Kollabieren geschützt sind.

Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung

Voraussetzungen der Lerngruppe

Die Klasse sollte mit dem Grundaufbau einer Pflanze aus Wurzel, Sprossachse und Blät-tern vertraut sein. Es wäre vorteilhaft, wenn die Schülerinnen und Schüler* Vorkenntnisse über Diffusion und Osmose sowie Aggregatzustände des Wassers, Verdunstung und rela-tive Luftfeuchtigkeit hätten. Auch sollten die Vorgänge bei der Fotosynthese bekannt sein.

*Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur "Schüler" verwendet.

Aufbau der Reihe

Zum Einstieg in die Einheit werden zwei Topfpflanzen (z.  B. zwei Alpenveilchen) gezeigt, von denen eine für längere Zeit nicht gegossen wurde. Die Schüler erarbeiten anhand von Arbeitsblatt M 1, wie sich die beiden Pflanzen unterscheiden, und versuchen, diese Unter-schiede zu erklären. Anschließend überlegen sich die Schüler eine Versuchsanordnung, mit deren Hilfe sie die äußerlich sichtbaren Veränderungen an einer Pflanze messen können, die bei Wassermangel auftreten. In Stunde 2 werden dann die makroskopisch erkennbaren Merkmale auf Änderungen in der zellulären Ebene zurückgeführt, indem die Vorgänge der Plasmolyse und Deplasmolyse unter dem Mikroskop betrachtet werden (Versuchsanleitung M 2). Anschließend kann ein Langzeitversuch zur Beobachtung des Wachstums von Wurzel-haaren angesetzt und durchgeführt werden (Zusatzmaterial auf CD ). In den Stunden 3–5 wird im Stationenlernen M 3–M 8 der Weg des Wassers durch die Pflanze mithilfe von Beob-achtungen und Versuchen nachvollzogen: An Station 1 (M  4) werden pflanzliche Leitungs-

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bahnen gefärbt, an Station 2 (M  5) der Stofftransport bei Tieren und Pflanzen verglichen, an Station 3 (M  6) die Wasserleitungsgefäße des Rhabarbers mikroskopiert, an Station 4 (M 7) die Reißfestigkeit von Leitungsbahnen getestet und an Station 5 (M 8) Spaltöffnungen unter dem Mikroskop betrachtet. Als Zusatzmaterial auf CD ( ) steht Ihnen eine Zusatz-Station zur Wasserleitung bei Lianen sowie eine Anleitung zur Transpirationsmessung von verholzten Zweigen zur Verfügung. Die Erkenntnisse aus der Einheit werden im Anschluss an das Stationenlernen mithilfe des Kreuzworträtsels M 9 spielerisch wiederholt.

Tipps zur Differenzierung

Besonders motivierte Schüler können bei den Arbeitsblättern M  2 und M  4 Expertenauf-gaben beantworten. Als Zusatzmaterial auf CD ( ) steht Ihnen für schnellere Gruppen eine Zusatz-Station zum Stationenlernen zur Wasserleitung bei Lianen zur Verfügung. Schnel-lere Gruppen können außerdem direkt im Anschluss an das Stationenlernen M  3–M  8 das Kreuzworträtsel M 9 lösen. Steht mehr Zeit zur Verfügung bzw. bei besonders interessierten Klassen können Sie eine Langzeituntersuchung zum Wachstum der Wurzelhaare bei Pflanzen ( ) sowie eine Transpirationsmessung von verholzten Zweigen ( ) durchführen.

Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler

Die Schüler …

· können beschreiben, welche Veränderungen bei einer Pflanze auftreten, wenn sie unter Wassermangel leidet.

· sind in der Lage, die makroskopischen Veränderungen einer welkenden Pflanze auf zellu-lärer Ebene zu erklären.

· können den Weg des Wassers durch die Pflanze beschreiben.

· können erklären, welche Kräfte für den Wassertransport von der Wurzel bis in die Blätter verantwortlich sind.

· können Aufbau und Funktion der Spaltöffnungen beschreiben.

· können den Bau der Wasserleitungsbahnen der Pflanzen beschreiben und ihre Funktion erklären.

· können einfache mikroskopische Schnittpräparate herstellen und unter dem Mikroskop betrachten.

· sind in der Lage, mit anderen Schülern Versuche sinnvoll zu planen, durchzuführen und auszuwerten.

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Medientipps

Literatur für Schüler

Probst, Wilfried (Hrsg.): Pflanzen leben. Unterricht Biologie 356 (Schüler-Kompakt). Friedrich Verlag. Seelze 2010

Enthält einfache Beobachtungsaufgaben und Versuchsanleitungen zum Leben von Pflanzen und ihren besonderen Eigenschaften und Funktionen.

Steinecke, Hilke u.  a.: Kleine Botanische Experimente. Harri Deutsch Verlag. Frankfurt am Main 2007

Die vorgestellten 56 Experimente mit Pflanzen können von Jugendlichen selbstständig durchgeführt werden, wofür die beigelegte CD Zusatzhilfen bietet. Einige Experimente beziehen sich auf den Wasserhaushalt der Pflanzen.

Literatur für Lehrer

Bresinsky, Andreas u.  a.: Strasburger  – Lehrbuch der Botanik. Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg 2008

Umfassendes Lehrbuch der Botanik. Im ersten Teil (Struktur) finden sich Angaben zu Struktur und Funktion von Zellen, Geweben und Grundorganen der Pflanzen, im vierten Teil (Ökologie) eine ausführliche Darstellung zum Wasserhaushalt.

Larcher, Walter: Ökophysiologie der Pflanzen: Leben, Leistung und Stressbewältigung der Pflanzen in ihrer Umwelt. UTB Verlag. Stuttgart 2001

In diesem Standardwerk zur Ökophysiologie der Pflanzen wird dem Wasserhaushalt ein breiter Raum gewidmet.

Lösch, Rainer: Wasserhaushalt der Pflanzen. Quelle & Meyer Verlag. Wiebelsheim 2003

Von den physikalisch-chemischen Grundlagen über den Wasserzustand der Zellen und Gewebe, dem Wasser im Boden, der Wasseraufnahme durch die Wurzeln, dem Wasserstrom durch die Sprossachsen, Evaporation, Transpiration und Spaltöffnungs-regulation bis hin zu den Reaktionen von Pflanzen auf Wassermangel – dieses Buch greift alle wesentlichen Aspekte des pflanzlichen Wasserhaushalts auf.

Probst, Wilfried: Wasserhaushalt der Landpflanzen. Unterricht Biologie 351: S. 51–52. Fried-rich Verlag. Seelze 2010

Aufgaben zu den Themen „Wasserverbrauch“, „zellulärer Wasserhaushalt“ und „Wassertransport im Xylem“. Die Aufgaben sind für S II formuliert, aber teilweise an S I-Niveau anpassbar.

Internetadressen

www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/dv01/1_04.htm

Einfache Anleitungen zum Mikroskopieren von Leitgewebe und Spaltöffnungen, zum Potetometerversuch zur Transpirationsmessung und zum Nachweis des Wassertrans-portweges durch Anfärben des Wassers.

www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Wasserhaushalt/dateien/1_start/dateien/start.html

Die Webseite der Uni Düsseldorf stellt das Thema übersichtlich und fundiert dar. Sie umfasst die Aspekte „Transportvorgänge“, „Der Weg von der Wurzel ins Blatt“ und „Ökologie des Wasserhaushalts“.

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Die Reihe im Überblick

· V = Vorbereitung SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt· D = Durchführung LK = Lösungskarte LEK = Lernerfolgskontrolle

= Zusatzmaterial auf CD

Stunden 1–2: Der zelluläre Wasserhaushalt

Material Thema und Materialbedarf

M 1 (Ab/SV)

· V: 20 min

· D: 10 min

Was passiert, wenn Pflanzen verdursten?

r �2 Töpfe mit Alpenveilchenoder Margeriten

r �1 Rolle Klebeband (pro Gruppe)

r �1 Schuhkarton (pro Gruppe)r �1 Lineal (pro Gruppe)r �Farbfotos zu M 1 ( )

M 2 (Ab/SV)

· V: 10 min

· D: 20 min

Beobachtet, wie Zellen Wasser aufnehmen und abgeben

r �Blatt- oder Blütenstiele des Alpen-veilchens oder Blätter mit roter Blattunterseite (pro Gruppe)

r �1 Packung Kochsalzr �1 Mikroskop (pro Gruppe)r �1 Objektträger (pro Gruppe)r �1 Deckglas (pro Gruppe)r �1 Becher mit Wasser (pro Gruppe)r �1 Pipette (pro Gruppe)r �1 Rasierklinge (pro Gruppe)

r �1 feine Pinzette (pro Gruppe)r �1 Filterpapierstreifen

(pro Gruppe)r �1 Digitalkamera (pro Gruppe)r �1 Blatt Zeichenpapier

(pro Schüler)r �1 Bleistift (4B) (pro Schüler)r �1 Papiertaschentuch (pro Gruppe)r �Farbfotos zu M 2 ( )

(SV)

· V: 10 min

· D: 20 min

Womit die Pflanzen trinken – Wurzelhaare

r �10 Keimlinge der Gartenkresse (pro Gruppe)

r �1 Petrischale (pro Gruppe)r �1 Fließpapier (pro Gruppe)r �3 Halteschablonen aus Pappe

und Gummiband (pro Gruppe)r �1 Federstahlpinzette (pro Gruppe)

r �3 Reagenzgläser (pro Gruppe)r �1 Reagenzglasständer

(pro Gruppe)r �1 Pipette (pro Gruppe)r �1 Flasche Speiseölr �Farbfotos zum Versuch ( )

Stunden 3–5: Stationenlernen zum Ferntransport des Wassers

Material Thema und Materialbedarf

M 3 (Ab) Der Ferntransport des Wassers – Stationsübersicht

M 4 (SV/LK)

· V: 5 min

· D: 15 min

Station 1: Färbt die Leitungsbahnen und verfolgt den Weg des Wassers

r 1 abgeschnittener Spross vom Großen Springkraut (pro Gruppe)

r 1 weißblütige Tulpe oder 1 weißblütiges Fleißiges Lies-chen (pro Gruppe)

r 1 Glas mit Leitungswasser

r verschiedene Farblösungen (z. B. Methylenblau-Lösung, Eosin-Lösung, Rote-Beete-Saft, Tinte, Lebensmittelfarbstoff-Lösungen)

r 1 Scherer �Farbfotos zu M 4 ( )

M 5 (Ab/LK) Station 2: Tier vs. Pflanze – Durchfluss statt Kreislauf

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M 6 (SV/LK)

· V: 15 min

· D: 15 min

Station 3: Stabile Röhren – Wasserleitungsgefäße vom Rhabarber

r Rhabarberkompottr 1 Glas mit Leitungswasserr 1 Digitalkamerar 1 Mikroskopr 1 Objektträger (pro Gruppe)

r 1 Deckglas (pro Gruppe)r 1 Pinzetter evtl. 1 Foto einer Rhabarber-

pflanze oder 1 Rhabarberblatt

M 7 (SV/LK)

· V: 15 min

· D: 15 min

Station 4: Prüft die Reißfestigkeit von Leitungsbahnen

r 1 Blatt der Schmucklilie oder des Hartriegels (pro Gruppe)

r 1 Blatt des Breitwegerichs (pro Gruppe)

r 1 Lupe (mehr als 10-fache Vergrößerung) oder 1 Binokular

M 8 (SV/LK)

· V: 5 min

· D: 30 min

Station 5: Spaltöffnungen – die Orte der Wasserabgabe

r 1 Blatt der Dreimasterblume (pro Gruppe)

r 1 Lupe oder 1 Binokularr 1 Mikroskopr 1 Objektträger (pro Gruppe)r 1 Deckglas (pro Gruppe)

r 1 Becher mit Wasserr 1 Pipetter 1 feine Pinzetter 1 flüssiger Kunststoffkleberr 1 Digitalkamerar Farbfotos zu M 8 ( )

(SV/LK)

· V: 10 min

· D: 15 min

Zusatz-Station: Untersuche die Wasserleitung bei Lianen

r 1 Sprossachse einer Waldrebe (Länge ca. 1 m)

r 1 Schale mit Wasserr 1 Lupe

(SV/LV)

· V: 20 min

· D: 40 min

So könnt ihr die Wassertranspiration einer Pflanze messen

r verholzte Zweige von Laub- oder Nadelbäumen (pro Gruppe)

r 1 Tube Vaseliner 1 Saugflasche mit einfach durch-

bohrtem Gummi- oder Silikon- stopfen (pro Gruppe)

r 1 Plastik- oder Silikonschlauch (ca. 0,5 m lang) mit 3 Schlauch-klemmen (pro Gruppe)

r 1 Trichter (pro Gruppe)

r 1 geeichte Pipette (1 ml, 5 ml) (pro Gruppe)

r 1 Stativ mit Haltering für Trichter und Halteklemme für Pipette (pro Gruppe)

r 1 Föhnr 1 Plastikbeutel (so groß, dass

er über den Zweig gestülpt werden kann) (pro Gruppe)

r 1 scharfe Gartenschere

Lösungskarten zu den Stationen 1–5

Stunde 6: Was hast du gelernt?

Material Thema und Materialbedarf

M 9 (LEK) Wasserhaushalt der Pflanzen kreuz und quer

MinimalplanInhaltliches Kernthema des Unterrichts ist der Weg des Wassers durch die Pflanze. Wenn man Versuch M 1 zur Messung des Welkvorgangs weglässt, kann man den Unterschied von normaler und verwelkter Zimmerpflanze direkt als Einstieg in die Plasmolyseuntersuchungen (Versuch M 2) verwenden und damit eine Stunde einsparen. Das Kreuzworträtsel M 9 kann auch als Hausaufgabe eingesetzt werden.

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