Baumpatenschaft - Die grüne Kraft

Pflanzen sind ein wichtiger Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs. Ihre Vermehrung ist der Schlüssel zur Ernährung der Lebewesen auf der Erde. Durch Fotosynthese wandeln sie Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht in Sauerstoff und Einfachzucker um, die sie als Brennstoff verwenden. Als Primärproduzenten bilden sie die Basis eines Ökosystems und versorgen die nächsten Trophiestufe. Die Fotosynthese ist die Hauptquelle des Sauerstoffs in der Atmosphäre. Ohne Fotosynthese könnte der Kohlenstoffkreislauf nicht stattfinden, und aerobes Leben würde nicht existieren.

Zur Demonstration der Fotosynthese eignen sich Wasserpflanzen besser als Landpflanzen, da

• unter Wasser viele Faktoren die Sauerstoffproduktion bei Landpflanzen einschränken und
• die von Wasserpflanzen gebildeten Sauerstoffblasen im Wasser sichtbar und gesammelt werden können.

Wasserpflanzen in Pflanzenkläranlagen haben das Potenzial für die Zweitbehandlung von Abwasser, und ihr Haupteinsatzgebiet ist die letzte Stufe in mehrstufigen Systemen. Ihre Aktivität führt zu einer Reduzierung von löslichem Kohlendioxid im Wasser, da sie in der Zeit hoher fotosynthetischer Aktivität die Menge an gelöstem Sauerstoff erhöhen. Die Verwendung von Wasserpflanzen in Pflanzenkläranlagen ist derzeit auf den Versuchsmaßstab beschränkt.

Egeria densa (Abbildung 2) ist wegen ihrer sauerstoffanreichernden Eigenschaften eine begehrte Wasserpflanze in Aquarien und kleinen Teichen. Sie hat sich jedoch zu einer ernstzunehmenden invasiven Art in größeren Süßwasservorkommen entwickelt, wo dichte Matten die Erholungsmöglichkeiten einschränken und einheimische Arten verdrängen sowie Fischwanderungsmuster und Lebensräume behindern, Wasser- und Bootsbewegungen einschränken usw. Daher sollten alle Wasserpflanzen, die im Klassenzimmer oder im Schullabor verwendet werden, ordnungsgemäß als Hausmüll entsorgt und auf keinen Fall in lokale Süßwasserquellen eingebracht werden.

Aufgaben für Schüler*innen

Die Schüler*innen sehen sich das Video „Fotosynthese von Wasserpflanzen“ an, führen das Experiment selbst durch und halten die Ergebnisse fest.

Materialien

• Egeria densa (Dichtblättrige Wasserpest)
• Glas oder durchsichtiges Plastikgefäß mit Deckel
• Leitungswasser
• Mit Kohlendioxid versetztes Leitungswasser (kann selbst gemacht werden, indem man mit einem Trinkhalm ins Wasser ausatmet)
• Falls verfügbar, Wasser aus einem Aquarium oder einem Teich, das durch die Zersetzung organischer Stoffe mit Kohlendioxid angereichert ist
• Kohlensäurehaltiges Wasser langsam in das Gefäß gießen und ruhen lassen
• Der klare obere Teil einer Natronlösung (1 Teelöffel auf 1 Glas Wasser), die einige Stunden ruhen muss, da das zunächst trübe Wasser die Fotosynthese hemmt

Für dieses Experiment können Sie entweder direktes Sonnenlicht oder starkes künstliches Licht (Tischlampe) verwenden. Die Schüler*innen sollten auch in der Lage sein zu unterscheiden, zwischen:

den Sauerstoffbläschen, die sich auf den Blättern bilden oder aus den abgeschnittenen Stängeln der Pflanzen kommen, und

den winzigen Kohlendioxidbläschen, die zu Beginn des Experiments aufsteigen können.

Während der Fotosynthese transportiert die Egeria densa den produzierten Sauerstoff von den Blättern zum Stamm. Ein Teil des Sauerstoffs entweicht aus den Blättern und bildet Sauerstoffblasen im Wasser, aber der größte Teil entweicht aus dem Stängel, weil die intrazellulären Lufträume größer sind.

Alle Pflanzen brauchen zum Überleben Wasser. Pflanzen verwenden es, um Nährstoffe zu ihren Wurzeln, Stängeln, Blättern und Blüten zu transportieren und um ein Austrocknen und Verwelken zu verhindern. So wie Menschen Venen und Arterien haben, die das Blut im Körper transportieren, haben Pflanzen das Xylem, das aus Millionen winziger Röhren aus Zellulose besteht, die Wasser transportieren.

Die Wassermoleküle wandern in den engen Röhren nach oben und ermöglichen es der Pflanze, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Diese Kapillarwirkung trägt dazu bei, dass das Wasser in die Wurzeln gelangt. Allerdings kann die Pflanze das Wasser nur eine kurze Strecke nach oben ziehen, danach kann sie die Schwerkraft nicht mehr überwinden (siehe Abbildung unten). Da die Wassermoleküle gerne zusammenhalten (Kohäsion) und an den Wänden der Zelluloseröhren haften bleiben (Adhäsion), steigen sie in den Röhren den ganzen Weg von den Wurzeln bis zu den Blättern auf. Das Wasser verdunstet dann aus den Blättern und hilft dabei, mehr Wasser aus den Wurzeln zu ziehen. Damit das Wasser zu allen Zweigen und Blättern gelangt, wirken im Xylem der Pflanze Adhäsions- und Kohäsionskräfte, die das Wasser zum vom Stamm am weitesten entfernten Blatt befördern.

Die Bewässerung einer bewurzelten Pflanze mit gefärbtem Wasser führt in der Regel nur zu einer geringen Farbveränderung der Pflanze, da die Wurzeln das Eindringen des im Allgemeinen nicht nährstoffhaltigen Farbstoffs in die Stele und damit in die Pflanze verhindern. Eine spürbare Farbveränderung wird wahrscheinlich nur bei Pflanzen mit weißer Färbung oder Blüten auftreten. Die Pflanzen verlieren durch die winzigen Poren in ihren Blättern Feuchtigkeit und wenn die Wurzeln und Stängel das gefärbte Wasser aufnehmen, erreicht es schließlich die Blüten und färbt sie.

Aufgaben für Schüler*innen

Die Schüler*innen sehen sich das Video „Kapillarwirkung“ an und erproben den Prozess mit Chinakohl, Sellerie, weißen Nelken und verschiedenen Lebensmittelfarben. Da der Prozess von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, wie der Verdunstung von den Blättern, der Farbstoffkonzentration und der Wassertemperatur, können sie das Experiment wiederholen und die Ergebnisse mit veränderten Parametern vergleichen:

1. Eine Probe in hellem Licht und eine in völliger Dunkelheit, Farbstoffkonzentration 10 Tropfen pro 100 ml Wasser, gleiche Umgebungstemperatur
2. Eine Probe in kaltem Wasser (15 °C) und eines in warmem Wasser (35 °C), Farbstoffkonzentration 10 Tropfen pro 100 ml Wasser, gleiche Umgebungstemperatur,
   gleiche Lichtbedingungen für beide
3. Eine Probe in einer Lösung von 5 Farbstofftropfen pro 100 ml und eine in einer Lösung von 20 Farbstofftropfen pro 100 ml, gleiche Umgebungstemperatur, gleiche Lichtbedingungen für beide
4. Eine Probe in der Nähe einer Wärmequelle oder eines Entfeuchters und eine unter normalen Bedingungen, gleiche Lichtbedingungen für beide, Farbstoffkonzentration 10 Tropfen pro 100 ml Wasser

Die Experimente sollten jeweils zwischen drei und zwölf Stunden dauern und es können verschiedene Farbstoffe getestet werden. Selbstgemachte gefilterte Säfte aus Roter Bete, Karotte oder Spinat können ebenfalls untersucht werden. Die Schüler*innen machen Vorher-Nachher-Bilder, machen Notizen und diskutieren die Ergebnisse im Klassenzimmer.

Das Gefäßgewebe der Pflanzen, das sich aus Leitgewebe – Xylem und Phloem – zusammensetzt, bildet ein durchgängiges System im Pflanzenkörper. Dieses System stellt Transportwege für Wasser, Nährstoffe und Signalmoleküle bereit und schützt den Pflanzenkörper vor mechanischen Belastungen. Das Xylem transportiert Wasser von den Wurzeln zu den Blättern, und das Phloem transportiert Nährstoffe von den Blättern zum Rest der Pflanze. Xylem ist ein Gewebe, das aus toten Zellen besteht, die ein Röhrensystem bilden, während Phloem aus lebenden Zellen besteht, die längliche und dünnwandige Siebröhren bilden.

Spaltöffnungen (siehe Abbildung unten) sind winzige Öffnungen oder Poren im Pflanzengewebe, die typischerweise in Pflanzenblättern zu finden sind und den Gas- und Wasseraustausch ermöglichen. Pflanzen, die an Land leben, haben in der Regel Tausende von Spaltöffnungen auf der Oberfläche ihrer Blätter. Die meisten Spaltöffnungen befinden sich auf der Unterseite der Pflanzenblätter, wodurch sie weniger Wärme und Luftströmungen ausgesetzt sind. Bei Wasserpflanzen mit schwimmenden oder auftauchenden Blättern befinden sich die Spaltöffnungen auf der Blattoberseite, und in der Regel sind die Spaltöffnungen ständig geöffnet. Spaltöffnungen sind mit dem Gefäßgewebe der Pflanze verbunden und arbeiten mit diesem zusammen.

Aufgaben für Schüler*innen

Die Schüler*innen sehen sich das Video „Spaltöffnungen und Gefäßgewebe“ an und stellen den Versuchsaufbau nach. Dann wiederholen sie das Experiment, das die Verbindung der Spaltöffnungen mit anderen Teilen der Pflanze durch winzige Röhrchen zeigt. So bestimmen sie die Seite des Blattes, auf der sich die Spaltöffnungen befinden:

1. Sie bestreichen die Oberseite des Blattes sorgfältig mit Vaseline und versuchen, Luft durch den Trinkhalm zu saugen.
2. Sie machen das Gleiche mit der Unterseite des Blattes und versuchen erneut, Luft durch den Trinkhalm zu saugen.

Die Schüler*innen vergleichen die Ergebnisse und berichten über ihre Schlussfolgerungen.

Materialien

• Gefäß mit Deckel
• Bohrer für die Löcher im Deckel
• Wasser
• Knetmasse
• Pflanze mit großen Blättern wie zum Beispiel die Calla-Lilie
• Vaseline
• Pappstrohhalm, vorzugsweise einen zum Umknicken

Transpiration ist der Prozess der Wasserbewegung durch eine Pflanze und der Verdunstung von oberirdischen Teilen wie Blättern, Stängeln und Blüten. Das Wasser gelangt vom Boden in die Wurzeln der Pflanze und durch das Splintholz in die Blätter. Das von der Sonne erwärmte Wasser verdunstet und tritt durch Tausende von Spaltöffnungen aus, die sich meist an der Unterseite der Blätter befinden (siehe Abbildung unten). Pflanzen brauchen Wasser, aber nur ein kleiner Teil des von den Wurzeln aufgenommenen Wassers wird für Wachstum und Stoffwechsel verwendet. Die Transpiration ist für das Überleben einer Pflanze entscheidend, da sie

1. die Aufnahme von Nährstoffen (Ionenbewegung) verbessert,
2. Wasser liefert, das die Zellen turgeszent, also mit Wasser gefüllt hält,
3. die Blattzellen mit Wasser für die Fotosynthese versorgt,
4. die Blätter durch Verdunstung kühl hält.

Transpiration ist auch ein wichtiger Faktor im Wasserkreislauf, da sie eine der Hauptquellen für Wasser in der Atmosphäre ist.

Aufgaben für Schüler*innen

Die Schüler*innen sehen sich das Video „Transpiration in einem Gefäß“ an und stellen den Vorgang nach. Anstelle der Gläser können sie auch durchsichtige Plastiktüten verwenden, solange sie fest um die Pflanze und ihren Topf gewickelt sind. Sie können entweder einen abgeschnittenen Pflanzenstamm wie im Video oder eine Topfpflanze verwenden. Die Schüler*innen werden gebeten, das Experiment zu wiederholen und die Ergebnisse hinsichtlich der beobachteten Kondensation auf der Innenwände des Glases oder des Kunststoffs zu vergleichen, wenn das Experiment

1. in vollem Sonnenlicht und
2. in völliger Dunkelheit aufgestellt wird.

Materialien

• 2 Gläser mit Deckel (eines kleiner als das andere, damit es leicht in das größere passt) oder alternativ durchsichtige Plastiktüten
• In den Deckel des kleineren Glases wird ein Loch gebohrt.
• Knetmasse
• Eine Pflanze, die gerne feucht bleibt

Ein Potetometer misst die Wasserrate, die ein Pflanzentrieb verbraucht. Damit lässt sich die Transpiration von Pflanzentrieben für unterschiedliche Zeiträume bestimmen.

Die Transpirationsrate kann auf zwei Arten geschätzt werden:

1. Indirekt – durch Messung des Absinkens des Wasserspiegels im Messrohr über einen bestimmten Zeitraum. Man geht davon aus, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Pflanze Wasser aufnimmt, das notwendig ist, um die Menge Wasser zu kompensieren, die durch die Transpiration verloren geht.
2. Direkt – durch Messung der Masseverringerung des Potetometers über einen bestimmten Zeitraum. Dabei wird davon ausgegangen, dass jeglicher Masseverlust auf die Transpiration zurückzuführen ist.

Ein einfaches Potetometer besteht aus einem Kapillarrohr, an das eine Pflanze angebracht ist (siehe Abbildung unten). Die Wasseraufnahme wird gemessen, indem die Zeit bestimmt wird, die eine Blase im Schlauch benötigt, um sich eine bestimmte Strecke zu bewegen.

Die Untersuchung der Transpirationsrate ist sehr wichtig, da das Überleben von Pflanzen, die durch Hitze und Trockenheit gestresst sind, von der Transpirationsrate abhängt. Ein zu hoher Wasserverlust kann zu einer Austrocknung der Pflanzen führen. Da Wasser in vielen Fällen ein begrenzender Faktor ist, konzentriert sich ein Großteil der Pflanzenforschung auf den Versuch, die Wassernutzung der Pflanzen zu verbessern, um die Produktivität in Kombination mit der Fotosynthese zu steigern.

Aufgaben für Schüler*innen

Die Schüler*innen sehen sich das Video „Ein einfaches Potetometer“ an und bauen ihr eigenes Instrument aus einem gebrauchten Glasgefäß, etwas Silikondichtmasse und einem Glastrinkhalm. Dann zeichnen sie die Transpirationsraten unter verschiedenen Bedingungen auf (1 Messung pro Stunde):

1. volles Sonnenlicht
2. völlige Dunkelheit
3. hohe Temperatur (die Pflanze steht in der Nähe einer Wärmequelle)
4. hohe Luftfeuchtigkeit (die Pflanze ist mit einer durchsichtigen Plastiktüte abgedeckt)
5. Wind (die Pflanze wird vor einen Tischventilator gestellt)

Für die in den folgenden Bildern gezeigte Versuchsanordnung wurde ein Glasstrohhalm mit einem Innendurchmesser von 5 mm verwendet (kontinuierliches Kunstlicht: 12-W-LED-Lampe in 20 cm Entfernung vom nächsten Blatt, Raumtemperatur: 12,7 °C, Luftfeuchtigkeit: 54,8 % RH / Relative Luftfeuchtigkeit). Die Wasseraufnahme der Pflanze in einem Zeitraum von 31 Stunden wurde mit 2,5 Gramm berechnet.

Materialien

• Gefäß mit Deckel
• Bohrer für ein Loch im Deckel
• Knetmasse
• Glasstrohhalm
• Aquariumsilikon
• Pipette
• Pflanzliches Öl
• ausgedrucktes Lineal (Download Vordruck)
• Pflanze

Möglichkeiten für gesellschaftliches Engagement

„Pflanzenblindheit“ ist die Unfähigkeit, die Pflanzen in der eigenen Umgebung zu erkennen oder wahrzunehmen. Vielen Menschen fällt es viel leichter, das Bild eines Tieres zu erkennen oder sich daran zu erinnern als an das einer Pflanze, und dieses Defizit schmälert das Interesse an der entscheidenden Rolle, die Pflanzen in der Biosphäre und für den Menschen spielen. Menschen und Pflanzen haben aber eine vielschichtige Beziehung, die weit in unsere gemeinsame Evolutionsgeschichte zurückreicht. Dieses Erbe zeigt sich auch heute, denn Pflanzen liefern Nahrung, Ballaststoffe, Arzneimittel und Energie für Menschen und Tiere auf der ganzen Welt. Während der COVID19-Pandemie 2020/2021 strömten die Menschen in die Parks. In Parks konnte man sich im Gras und im Schatten der Bäume entspannen, Blumen bewundern, an der frischen Luft spazieren gehen oder sogar in einem Gemeinschaftsgarten Lebensmittel anbauen. Diese Momente waren gesundheitsfördernd und machten deutlich, wie sehr die Beziehung zu Pflanzen die Gesundheit und das Wohlbefinden des Menschen fördert. Die Gesellschaft sollte ermutigt werden, weiterhin die Vorzüge von Grünanlagen und Parks zu genießen. Lokale Veranstalter sollten Grünflächen statt Innenräume und kahle Plätze als Veranstaltungsorte stärker in Betracht ziehen.

Es ist für jeden wichtig, sich wieder mehr mit unseren Grünflächen zu beschäftigen. Auch jüngere Schüler*innen können eine Baumpatenschaft übernehmen und sich um ihn kümmern, indem sie ihn z. B. in trockenen Monaten gießen, ihm einen Namen geben oder einen QR-Code mit gesammelten Informationen über den Baum erstellen. Die Schüler*innen könnten auch darüber nachdenken, was sie für größere Grünflächen wie Parks tun könnten, z. B., indem sie Müll sammeln oder sich erkundigen, welche Pflanzen und Tiere dort leben.