27Pflanzen-Wasserhaushalt

SEKUNDARSTUFEN

27pflanzen-Wasserhaushalt

Höhere Pflanzen: Wasserhaushalt und Transporte

Experimente und Informationen:

Wassertransport im Spross, Wassertransport im Holz Adhäsion und Kohäsion im Vegleich: Wasserleitung bei Moosen Wassertransport durch die Blätter

Wassertransport in den Wurzeln Wurzel Einfluss der Blattzahl und des Windes Transpiration

Wassertransport im Blatt: Test 1 Wassertransport in der Pflanze Test2

Pflanzen und Wasserangebot Pflanzen sind extrem auf das Wasserangebot angewiesen. In der Evolution haben sich die Pflanzen nach Maßgabe des Wasserangebots entwickelt. Daraus geht hervor, wie wichtig das Wasserangebot in der Evolution gewesen ist und noch ist. Auf Grund der Standorte kann man auf den Bau der Pflanzen schließen und eine ökologische Einstufung vornehmen. Pflanzenbau und Standort bzw. ökologische Nische: Pflanzenstandorte und Wasserangebot nach Gerhard-Dirksen Lit: Yann Fragnière, Nicolas Ruch, Evelyne Kozlowski, Gregor Kozlowski: (2018) Botanische Grundkenntnisse auf einen Blick Haupt, Bern Weiler, E. u. L. Nover (2008): allgemeine Botanik, Thieme Gerhardt-Dierksen, A. (2018) Blickpunkt Pflanze, Aulis Schneider, V. (1995): Wasserhaushalt der Pflanzen, Fotosynthese IN: Eschenhagen, Katmann, Rodi: Handbuch des Biologieunterrichts, Bd. 3: S.11-45 ; Systematik: https://de.wikipedia.org/wiki/Systematik_des_Pflanzenreichs; Gerhardt-Dirksen, A. (2010): Blickpunkt Pflanze Aulis; Weiler/Nover (2008): Botanik, Thieme https://www.biologie-seite.de/Biologie/Pflanzen https://lehrerfortbildung-bw.de/u_matnatech/bio/gym/bp2004/fb3/5_kenntnis/9_buch/

Wassertransporte in Stamm und Ästen

Wasserhaushalt und Wassertransporte Wasser ist für alle Zellen lebenswichtig. Auch für jede Pflanzenzelle. Tiere besitzen oft eine fast wasserdichte Haut. Sie können daher ihre Zelle praktisch schwimmend in der Lymphe am Leben erhalten. Trotzdem muss der Mensch jeden Tag rund zwei Liter Wasser trinken, da er durch Schwitzen, durch Ausatemluft und durch die Nierentätigkeit ständig Wasser verliert. Im Gegensatz zu den Tieren lebt die Pflanze vom "durchlaufenden Wasser". Das bedeutet, sie kann nur leben, wenn sie Wasser aufnimmt, an alle Zellen verteilt und wieder abgibt. Die Wassertransporte durch ihren Körper hindurch können riesige Mengen umfassen. So hat man errechnet, dass eine normal große Buche täglich ca 20 Badewannen voll Wasser verdunstet, das durch ihren Körper hindurch transportiert wird. Bei Früchten und Dauerorganen hat sich durch die Ausbildung dicker Korkschichten in der Evolution als Vorteil erwiesen, dass sie sehr viel Wasser im Innnern speichern können, z.B. Apfelsinen oder Kartoffeln. Bei Getreide kann man beobachten, dass durch Wasserabgabe in den Samen ein "latentes" Leben auch in wasserarmen Zeiten aufrechteralten werden kann. Sobald Wasser aufgenommen wird, erwachen die Zellen zu einem neuen normalen Pflanzenleben. Der Transport von Wasser aus dem Boden in die Blätter und schließlich in die Luft als Wasserdampf wird durch viele physikalische Kräfte gewährleistet. Die Sogspannung auf flüssiges Wasser wird durch den geringen Wassergehalt der Luft bewirkt (Verdunstung). Daher gibt Wasser ständig einige Moleküle an die Luft ab. Für Pflanzen gilt: Der herrschende Luftdruck von 1 Bar würde eine Wassersäule von rund 10 m erlauben. Die Kohäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen betragen 350 bar. Sie sind so stark, dass eine Wassersäule von 350 m Höhe möglich wäre. Aber in den Leitbündeln im Stamm wirken Kohäsionskräfte zwischen Wasser und Zellulosewänden, die rund o,2 Bar pro Meter betragen. Diese müssen als Reibungswiderstand abgezogen werden. Das bedeutet, dass ein Baum nur bis zu einer Höhe von 130 bis 150 Meter ausreichend mit Wasser versorgt werden kann. Die Realität entspricht einer solchen Überschlagsrechnung: Der höchste lebende Baum ist 120 Meter hoch. (vgl. Schneider, V. (1998) Wassertransport IN: Eschenhagen/Kattmann/Rodi Bd3, 14ff; Deubner)

Versuch 1

Wo wird das Wasser geleitet?

Stängel der Waldrebe

Querschnitt durch einen Stängel der Waldrebe mit dem Messer.

Die Leitbündel sind mit bloßem Auge als schwarze Punkte zu erkennen. Mit einer Lupe treten einzelne Strukturen hervor.

Leitungsbahnen als schwarze Punkte

1: Besorge Dir einen Stängel einer Waldrebe von etwa 1 cm Durchmesser, etwa 8 cm lang. Gebe in ein Schälchen etwas Wasser, füge 1 Tropfen Spülmittel zu. Versuche nun durch den Stängel hindurch Luft zu blasen, um das Wasser aufzuschäumen.

2:Schneide das Stück der Waldrebe an einem Ende sehr glatt zu und stelle einen möglichst dünnen Querschnitt her mit einer Rasierklinge oder einem sehr scharfen Messer. Zeichnung mit Lupe!

Zeichnung (Schemazeichnung mit auffälligen Strukturen)

Versuch 2 :

Wo im Stängel wird das Wasser geleitet?

Besorge Dir drei dünne Äste mit Blättern.

Vorgehensweise:

1: Entferne evtl. einige Blätter bis alle Äste die gleiche Anzahl von Blättern mit ungefähr gleicher Größe haben.
2: Schneide einen Stängel nur soweit ein, dass Du ein Stück der äußeren Schicht abheben kannst.
3: Schneide den zweiten Stängel soweit ein, bis nur noch das weißliche Holz zu sehen ist.
4: Der dritte Stängel bleibt unbehandelt
5: Dann stelle alle drei getrennt in Wasser. Evtl. muss man die Äste anbinden.

Protokoll: Notiere die Wasserhöhe in den Gefäßen sofort. Notiere am nächsten und übernächsten Tag die Wasserhöhen in den Gefäßen.

Gemessene Werte:

a) _______________ b) _______________ c) _______________

Erklärung?

Versuch 3

Wasserleitung im Holz

Weise nach, dass auch im Stamm von Bäumen Wasser geleitet wird!

Versuchsaufbau

Bedarf:

Mehrere Holzstücke (längs geschnitten) von verschiedenen Bäumen, die über Nacht in Wasser gelegen haben. Liane, Erle, Fichte, Buche, Efeu, Waldrebe, Hasel, nicht geeignet: Holunder

Die abgebildete Vorrichtung, am besten 5mal.

Gut geeignet sind: Runde Holzstücke, die in einen Gummischlauch von 0,5 cm Durchmesser passen; Dichtungsmasse aus dem Bastelgeschäft

Versuch:

1.   Spanne die Holzstücke wasserdicht in kleine Schlauchstücke ein.
2.   Achte darauf, dass die Oberflächen fettfrei und mit Wasser bedeckt sind. Luftbläschen musst Du unbedingt entfernen. Das geht am besten, wenn man die Holzstücke in einen Erlenmeyer in Wasser legt, luftdicht verschließt und mit einer Wasserstrahlpumpe die Luft absaugt.
3.   Klemme das Holzstück mit dem Schlauch in die Apparatur ein.
4.   Fülle mit Wasser auf, löse die Klemme, notiere die Uhrzeit.
5.   Warte, bis Wassertropfen sich bilden und notiere die Uhrzeit wieder.
6.   Lasse den Versuch bis zur nächsten Unterrichtsstunde weiterlaufen.
7.   Vergleiche die Wassermengen in den verschiedenen Gläschen, indem du die Gläschen mit Wasser wiegst und dann die Gläschen ohne Wasser.
8.   Notiere genau, wie viel Gramm Wasser durch die verschiedenen Holzstücke geleitet worden ist.

Aufgabe: Stelle eine Reihenfolge der Wasserleitfähigkeit her und überlege, wo die Bäume wachsen.

Ziehe Rückschlüsse zur Wachstumsfähigkeit bei Trockenheit.

Versuch 4

Kohäsion und Adhäsion

1: Demonstration der Wasserleitung in Pflanzen

Steigt das Wasser wirklich im Stengel hoch?

2: Kapillarwirkung

Frage: Warum sind die Leitgefäße so dünn?

Material: Zwei Diagläschen, Wasser mit Methylenblau gefärbt, saubere Plastikschalen (Frischkäseschalen). Streichhölzer

Durchführung:

Stelle die Gläschen, Zusammengehalten durch ein Gummiband und getrennt durch ein Streichholz in die Flüssigkeit.

Beobachtung: Wie hoch steigt die Flüssigkeit?

Zeichne den Flüssigkeitsstand ein.

Vergleiche die Beobachtungen und versuche eine Erkärung!

Versuchsaufbau

Querschnitt durch ein Sproßstück

und Versuchsaufbau zum Nachweis der Wirkung von

Kohäsion und Adhäsion beim Wassertransport

Versuch 5

Vergleich höhere Pflanzen - Moose

Aufgabe: Führen Sie die Versuche durch und finden Sie eine Erklärung bezüglich des Wassertransports !

1: Aufgabe: Stellen Sie fest, wie viel Wasser in einer bestimmten Zeit aus dem Glas mit bestimmten Materialien in den Untersetzer hineintropft.

Tipp: Die Versuchsmaterialien sollten gut feucht sein. Sie sollen ungefähr gleiche Dicke haben (Verdrillte Wollfäden und Seidenfäden nutzen). Die Spitzen müssen am Anfang des Versuchs unterhalb der Wasseroberfläche liegen.

Für den Versuch ist besonders ein Spross des "Felißigen Lieschens" geeignet

Versuchsaufbau:

Erklären Sie das Ergebnis auf Grund chemischer Eigenschaften der beteiligten Stoffe und der Möglichkeit, Wasser zu „leiten“.

Erklären Sie das Ergebnis auf Grund chemischer Eigenschaften der beteiligten Stoffe und der Möglichkeit, Wasser zu „leiten“.

2: Wasserhaltevermögen bei Moosen

Material: Waage, Handvoll Moos

Durchführung:

1. Man lässt das Moos über Nacht bei Zimmertemperatur trocknen.
2. Man wiegt die Moosmasse aus
3. Dann lässt man das Moos so viel Wasser aufnehmen, wie möglich. (Unter Wasser tauchen und abtropfen lassen.)
4. Erneutes Wiegen.

Interpretation: (Nutzen Sie Internet und Lehrbücher).

Interpretieren Sie die Wasserleitfähigkeit von Mosen an Hand des morpologischen Aufbaus

z:B. Torfmoos (vgl. dirksen-Gerhard (2019): Blickpunkt Pflanze S. 31)

Wassertransport im Blatt

Versuch 6

Wasserdurchlässigkeit des Blattes

Nach: Steinecke, H/I.Meyer/G.Pohl-Apel (2007): kleine botanische Experimente, 65ff;

vgl. auch: Schlüter/Kremer 2015: Modelle im Biologieunterricht,302ff

Material: Mikroskop, Objektträger, Wasser, Saugpumpe, Gummischlauch, Dichtungsmasse

Pflanzen: frische Blätter von Buche, Zimmerpflanzen Kapuzinerkresse

Versuch:

Man schließt ein Blatt mit festem Stängel an die Apparatur an und dichtet mit Dauerplastischer Masse ab.
Man versucht dann, und versucht, Luft durch die Apparatur zu saugen.
Es sollten sich Luftperlen durch das Wasser bewegen, wenn das Blatt luftdurchlässig ist.

Tipp: Eine Saugpumpe kann man sich auf diese Weise herstellen:
ein alte Fahrradpumpe wird aufgeschraubt, das Lederplättchen umgekehrt und alles wieder zusammengeschraubt. Die Pumpe saugt nun Luft an und pumpt nicht mehr.

Nachweis

der Luftdurchlässigkeit

bei Blättern

Versuch 7

Wohin wird das Wasser geleitet?

Vorbereitung: Herstellung des Kobaltchlorid- Papiers:

Man stellt sich eine konzentrierte Kobaltchlorid Lösung her.

Einige Blätter Fließpapier lässt man in dieser Lösung sich blau färben.
Dann trocknet man die Papierstücke Ofen bei 50 Grad.
Das nun blau gefärbte trockene Papier legt man in Petrischalen, die man zuvor ebenfalls bei 50 Grad getrocknet hat. Sie behalten die blaue Färbung einige Tage. Die Farbe verblasst wegen des Wasserdampfs in der Luft.

Reaktion

1: Nachweis der Wasserabgabe von Blättern nach außen.

Material: 2 Glasscheiben, etwa 10x 10 cm (aus Bilderrahmen), Gummibänder oder Wäscheklammern.

Objekte: frische, aber außen trockene Blätter von Linde, Zimmerlinde und anderen Blättern, die möglichst stabil sein sollten.

Durchführung:

1: Man legt jeweils auf eine Glasscheibe ein Blatt Kobaltchlorid-papier, dann ein trockenes Blatt einer Pflanze, darauf ein Blatt Kobaltchloridpapier und darauf die zweite Glasscheibe.
2: Man presst alles mit einer Wäscheklammer zusammen, ohne das Blatt zu quetschen.
3: Nach einiger Zeit kann man „rote Punkte“ auf dem Papier beobachten.

Zur Kontrolle legt man ein Papierstück an die Luft, ein anderes besprüht man mit wenig Wasser und beobachtet die Reaktion

Aufgabe: Schemazeichnung des Ergebnisses auf einem gesonderten Blatt

Interpretation?

Versuch 8

Untersuchung von Spaltöffnungen

Material: Mikroskop, Becher mit Wasser, Glasstäbchen, Pipette, Rasierklingen, Objektträger, Objektgläschen,

Objekte: Blatt von Helleborus, oder Linde: das Blatt muss fest, aber gut mit einer Rasierklinge zu schneiden sein.

Vorgehensweise:

1: Aufbringen eines Wassertropfens auf einen Objektträger,
2: Abbringen der Schnitte unter Wasser.
3: Aufbringen eines Deckgläschens.
4: Das Präparat auf den Arbeitstisch legen.
5: Das Objektiv von der Seite her möglichst nahe über das Präparat führen, ohne ins Wasser einzutauchen.
6: Mit dem Drehknopf das Objektiv nach oben drehen, bis das Bild scharf ist.
7: Die Blende so einstellen, dass die Zellen gut zu sehen sind.
8: Aufsuchen einer gut getroffenen Spaltöffnung.

Je nach Schnittführung und Zufall erhält man Längs- oder Querschnitte vom Blatt mit entsprechenden Spaltöffnungen.

Aufgabe: Zeichnung mit Beschriftung auf einem zweiten Blatt

Mögliche Abbildungen im Mikroskop von Spaltöffnungen

Spaltöffnung von unten

Spaltöffnung von der Seite

längs und quer

Versuch 9

Regulation: Spaltöffnungen

Basteln Sie sich ein Funktionsmodell

Bestandteile: Bindfaden, Alter Fahrradschlauch,

ein Fahrradventil mit Schlauchanschluss, Klebeband, Luftpumpe, (vgl. Abb.).

Befestigen Sie die Enden derart, dass die beiden Schläuche fest zusammen liegen.

Pumpen Sie Luft ein und beobachten, was passiert. Lassen Sie die Luft wieder ausströmen.

Was ist zu beobachten?

Vergleichen Sie das Funktionsmodell mit dem mikroskopischen Bild einer Spaltöffnung!

Stellen Sie Analogien zur wirklichen Spaltöffnung her!

Klebeband ____________________________

Fahrradschlauch ____________________________

Luft im Schlauch ____________________________

Versuch 10

Randeffekt

Problem: Warum liegen die Spaltöffnungen sehr verteilt und aus welchen Gründen sind sie sehr klein?

Analyse der Verteilung von Spaltöffnungen:

Aufgabe 1: Ermitteln Sie, wie viele Spaltöffnungen an der Unterseite des Blattes sind!

1: Stellen Sie dazu einen Flächenschnitt entlang der Blattunterseite her.
2: bringe das Stück in Wasser auf einen Objektträger und lege ein Stück mm- Papier darauf.
3: Zähle am Rand eines Millimeters entlang, wie viele Spaltöffnungen zu sehen sind.
4: Wiederhole an drei verschiedenen Stellen die Messung.

Ergebnis: Anzahl der Spaltöffnungen

1 Messung: _________ 2te Messung: _________ 3te Messung: _________

Summe geteilt durch 3: _________ Mittelwert: _________

Aufgabe 2: Warum liegen so viele Spaltöffnungen nebeneinander?

Material: drei Petrischalen (ohne Deckel), Alufolie, Nadel bzw. spitzer Bleistift, Wasser

Modellversuch

Versuch 11

Transpiration bei Pflanzen

Gruppenarbeiten mit verschiedenen Pflanzen und unterschiedlicher Anzahl von Blättern bei einer Pflanze

Der Begriff Transpiration ist irreführend und sachlich falsch, trotzdem eingebürgert.

Transpiration meint eigentlich Schwitzen beim Menschen. Pflanzen schwitzen aber nicht, vielmehr schließen sie die Spaltöffnungen bei Hitze und öffnen sie diese bei trübem Wetter. Die höheren Pflanzen können in bestimmten Grenzen die passive Wasserabgabe unter bestimmten Bedingungen steuern.

Geräte: vgl. Abbildung, Haartrockner (Haushaltsföhn)

Material:

frischer dünner Ast eines Baumes mit Blättern. Besonders geeignet sind:

Rotbuche, Buche, Linde, Pappel, Kirsche, Hasel

Versuchsaufbau

Tipps: Zur Vermeidung von Luftblasen in den wasserleitenden Gefäßen sollte der Ast möglichst frisch sein und in Wasser stehend transportiert werden. Unmittelbar vor dem Versuch muss eine neue Schnittfläche unter Wasser mit einer Rasierklinge neu angelegt werden. Als Abdichtungsmaterial hat sich dauerplastische Knetmasse bewährt.

Die Pipette füllt sich, wenn man den Stopfen luftblasenfrei in den Wasserbehälter drückt. Andernfalls kann man die Pipette kurz entfernen, mit Wasser füllen und erneut einsetzen. Im Wasserbereich dürfen keine Luftblasen enthalten sein!

Aufgaben (in Gruppen oder in einem Projekt:

Messung mit 10 Blättern am Ast alle 2 min 15 min lang.
Messung mit 10 Blättern und Föhn kalt alle 2 min 15 min lang
Messung mit 10 Blättern und Föhn handwarm alle 2 min 15 min lang
Messung mit 10 Blätter am Ast alle 2min 15min lang.
Messung mit 6 Blättern am Ast alle 2min 15min lang
Messung mit 3 Blättern am Ast alle 2min 15min lang

Jede Versuchsreihe wird mit einer Grafik anschaulich dargestellt. Bezeichnung (Legende), die die Grafiken erklären, nicht vergessen!

Test 1 zum Wassertransport

Aufgabe: Geben Sie den Weg des Wassers durch ein Blatt mit Hilfe von Pfeilen an und erklären Sie

a) Die Wirkung von Spaltöffnungen und deren Bedeutung für die ganze Wasserversorgung
b) Den Randeffekt

Wassertransport in der Wurzel

Versuch 17

Wie wachsen Wurzel bei unterschiedlichem Wasserangebot?

Objekte: Kressesamen, Bechergläser, Wasser, Filtrierpapier oder Papierstreifen aus Wasserfarbenmalpapier, Objektträger

Versuch:

1.    Gebe 20ml Wasser in ein passendes Becherglas
2.    Lege auf einen Objektträger einen Streifen feuchtes Filterpapier aus
3.    Bringe am oberen Teil 2 oder 3 Kressesamen aus (Wenn diese vorher in Wasser gelegt werden, bilden sie einen Schleim um sich. Die Samen lassen sich dann besser mit einer Pinzette aufbringen.
4.    Lege den fertigen Objektträger schräg in das Becherglas
5.    Decke das Becherglas mit Alufolie a, damit das Wasser nicht verdunstet.
6.    Beobachte die sich bildenden Würzelchen zuerst mit dem bloßen Auge, dann mit der Lupe und dann mit dem Mikroskop.
7.    Fertige eine Zeichnung an mit der Verteilung der Würzelchen
8.    Fertige eine genaue Zeichnung an von wenigen Zellen mit „Wurzelhaaren“. (eine Zelle so groß wie der eigene Daumen) mit Beschriftung!

Interpretation:

Wassertransport in der Wurzel Sachliche Grundlage Wasser wird durch Osmose in die Zellen der Wurzelhaare aufgenommen. Durch eine stufenweise Erhöhung der Salzkonzentration wird das Wasser bis zum Zentralzilinder geleitet. Im Zentralzilinder wird das Wasser jedoch als Wasser in den Leitbündeln in die Höhe geleitet. Dies geschieht durch den Unterschiede der Wasserdampfkonzentration (in Wasser 100% und in Luft meist unter 10%) Diese Unterschiede bewirken eine sogenannte Saugspannung, die das Wasser von unten bis zu den Blättern hochsteigen lässt. Versuche zum Übertritt von Wasser in den Zentralcylinder sind auf schulischem Niveau nicht bekannt. Einen Hinweis auf diesen Übertritt gibt der Wurzeldruck.

Wurzelkasten

(Sachs`scher Wurzelkasten nach dem

Erfinder benannt.)

Damit konnten zum ersten Mal lebende Wurzeln

genauer untersucht werden.

Seintenwurzeln und Wurzelhärchen

der Bohne durch die Glasscheibe

fotografiert.

Versuch 12

Wasserleitung bis zum Zentralzilinder

Problem: In der Wurzel muss Wasser von den Wurzelhaarzellen bis zum Zentralzylinder geleitet - transportiert- werden. Wie??

Aufgabe 1: Wasserleitung von Zelle zu Zelle (Modellversuch)

Apparat:

Man klebt an Plexiglasrohren (5 cm Durchmeser und 8cm lang)

Plexiglasplatten mit Bohrungen für Stopfen und Schrauben. Zwischen die Platten klemmt man Cellophanstücke (oder aufgeschnittenen Dialysierschlauch) und schraubt fest zusammen. Die beiden äußeren Rohre sind mit Kleber und Acrylscheiben abgedichtet.

Man bringt in

In Rohr 1 Wasser,
In Rohr 2 10%ige Zuckerlösung
In Rohr 3 30%ige Zuckerlösung.

Dann fügt man luftblasenfrei die Kapillarröhren in Gummistopfen in die vorgebohrten Löcher ein.

Aufgabe: Beobachtung des Wasserstandes nach 30min und am nächsten Tag

Versuch 13

Versuch zum Nachweis des Wurzeldrucks

Problem: Wie kommt das Wasser aus den Zellen der Wurzel in die toten Leitungsbahnen?

Versuchsdurchführung:

1: Man schneidet eine gesunde Pflanze kurz oberhalb des erkennbaren Sprossstücks ab und verbindet den Stiel luftdicht mit einem Gummischlauch und mit einer Messpipette. Abdichtung mit plastischem haftbaren Knetgummi.
2: Nach zwei Tagen misst man den Wasserstand in der Messpipette.

Beobachtung:

Erklärung zu den Versuchen? (vgl. Internet bzw. Lehrbücher der Botanik)

Offensichtlich kann die Wurzel aktiv Wasser aufnehmen und dadurch einen Wasserdruck von unten nach oben ausüben!

Test Wasserleitung in der der höheren Pflanze

anze: