EDEN liegt nicht im Paradies. von Peter und Paul Büchner Altes Gymnasium Bremen Klasse 7c 2020

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1 EDEN liegt nicht im Paradies von Peter und Paul Büchner Altes Gymnasium Bremen Klasse 7c

2 Inhaltsverzeichnis: Seite 1 : Seite 2 : Seite 3 : Titelblatt Inhaltsverzeichnis Motivation Seite 3 : Leitfrage 1: Was brauchen Pflanzen zum Keimen und um zum Wachstum? Versuchsaufbau, Beobachtung und Deutung Seite 10 : Leitfrage 2: Beeinflussen die Gase der Erdatmosphäre die Photosynthese? Versuchsaufbau, Beobachtung und Deutung Seite 14 : Leitfrage 3: Welche Art von Licht wird von den Blättern für die Photosynthese benötigt? Versuchsaufbau, Beobachtung und Deutung Seite 17 : Fazit: Was haben uns unsere Versuche an Erkenntnis gebracht? 2

3 EDEN liegt nicht im Paradies Motivation Was brauchen Pflanzen zum Keimen und zum Wachstum? Wir wollten uns mit dieser Frage beschäftigen, weil wir uns für Umweltfragen interessieren und uns bei fridays for future noch einmal bewusst geworden ist, dass sich die Welt gerade verändert und sich damit auch die Umwelt für Pflanzen verändert. Durch den Klimawandel wird es heißer und trockener. Die Wassermenge durch Regen und Grundwasser sowie die Temperatur verändern sich. Leitfrage 1: Was brauchen Pflanzen zum Keimen und um zum Wachstum? Material und Methode: Wir säten die Samen dicht, um einen Teelöffel Samen pro Pflanzengefäß unterzubringen. Alle Pflanzengefäße wurden zunächst zur Verhinderung von Staunässe mit einer zweilagigen Schicht von Kieselsteinen bestückt. Darauf gaben wir dann Erde (Versuchsansatz Nr.1 bis Nr.4). Diese Versuchsansätze wurden befeuchtet / gegossen. Nur der Versuchsansatz Nr. 2 wurde nicht gegossen / befeuchtet. Täglich wurde gegen 17:00 gemessen und, wenn die Pflanze zu trocken war, dann wurde auch gegossen. Der Versuchsansatz Nr.3 stand bei ungefähr 14 C bis 16 C in der Garage unter einem nach Westen ausgerichteten Dachfenster ohne direkte Sonneneinstrahlung. In der Küche standen die anderen Pflanzen Nr.1, Nr.2, Nr.4, Nr.5 und Nr.6. Dort war es im Versuchszeitraum mit 19 C bis 25 C sehr viel wärmer. Das Küchenfenster ist ein nach Osten ausgerichtetes Fenster. Die Pflanzen im Ansatz Nr.4 wurden unter einer Pappschachtel angezogen und im Dunklen gehalten. Nach 13 en brachen wir den Versuch ab, da die meisten Pflanzen in den Ansätzen abstarben. Woche 1 Experiment 1 Experiment 2 ohne Wasser Experiment 3 kühl (Garage) Experiment 4 ohne Licht Experiment 5 ohne Erde Zusatzexperiment

4 Woche 2 Experiment 1 Experiment 2 ohne Wasser Experiment 3 kühl (Garage) Experiment 4 ohne Licht Experiment 5, ohne Erde Zusatzexperiment

5 Länge in cm Wachtum der Sprossachse in cm V1: Kontrolle ,7 7,5 9, , V2: trocken V3: kalt 0 0 1,5 1,5 2,5 3,7 5 5, V4: dunkel ,5 8 8,5 8,5 8,5 9 10,5 0 0 V5: Watte , , V6: extra ,5 8 8,6 9, , Achsentitel V1: Kontrolle V2: trocken V3: kalt V4: dunkel V5: Watte V6: extra Das Wachstum der Kresse gibt an, welche Umweltfaktoren für das Wachstum der Pflanzen wichtig sind. In der Biologie spricht man auch von abiotischen Faktoren, um nichtbelebte Umweltfaktoren zu benennen. Ein solcher belebter Umweltfaktor wäre ein Kresse essender Mensch, also ein biotischer Faktor. Wir haben nur abiotische Faktoren untersucht. Im ersten Versuch haben wir die Umweltfaktoren Wasser, Temperatur, Licht und Mineralstoffe untersucht. [nach 1,2,3] V1: Um Ergebnisse vergleichen zu können, braucht man eine Kontrolle (V1). Eine solche Kontrolle haben wir unter Bedingungen angezogen, wie sie auch in einem normalen Garten zu finden wären. Diese Pflanzen hatten viel Licht, immer genug Wasser und eine warme Umgebung. V2: Im Versuchsansatz 2 haben wir den Pflanzen kein Wasser gegeben. Das kann auch in einem trockenen Sommer in Bremen passieren. Der Kontinent Australien hat in vielen Regionen keinen Niederschlag über mehrere Jahre. Das konnte man in den letzten Wochen immer wieder im Weser-Kurier lesen. Wenn einer Pflanze auf Dauer Wasser fehlt, dann geht sie ein. Bei uns hat nicht einmal eine Keimung stattgefunden. (vgl. Diagramm: Länge der Wurzel). V3: Es gibt die sogenannte RGT-Regel ( Reaktions-Geschwindigkeits- Temperatur-Regel ). Diese besagt, dass bei einer Temperaturerhöhung um 10 C auch der Stoffwechsel um den Faktor 2-4 beschleunigt. Die Pflanzen wachsen also in der Wärme schneller. Die Mathematik und Chemie dahinter ist sicherlich 5

6 interessant. Leider haben wir in der siebten Klasse noch kein Chemie und in Mathe lösen wir nur einfache Gleichungen. V4: Bei diesem Versuch haben wir die Kresse Samen in der Dunkelheit gehalten. Wir konnten zwar eine Keimung beobachten, aber dann sind die Pflanzen vergeilt. Darunter versteht man, dass die Pflanze um ihr Leben wächst. Vom zweiten bis zum fünften sind die Pflanzen so schnell wie in keinem anderen Ansatz gewachsen. Aber dann ist ihnen das Baumaterial ausgegangen, da sie ja keine Photosynthese betreiben konnten. Ohne Photosynthese und ohne neues Baumaterial ist Wachstum schwierig. Die Pflanze wird zwar größer aber auch immer dünner wie eine magersüchtige Pflanze. Zwischen dem elften und zwölften sind die Pflanzen dann verhungert. Der Vorrat aus dem Kressesamen war verbraucht. V5: Watte besteht nur aus Cellulose. Verbrennt man Watte, so produziert sie nicht einmal richtig Asche. Dies liegt daran, dass Watte keine Mineralstoffe enthält. Die Kresse hat also nur die Mineralstoffe, welche sich schon im Kressesamen befinden. Irgendwann ist der Vorrat alle. Darum kann man auf Watte Kresse nicht unendlich lange wachsen lassen. Nach ungefähr zwei bis drei Wochen ist dann Schluss. V6: Am Abend des dritten es haben wir nach der Messung einen Teil der Pflanzen aus V4 (ohne Licht) umgepflanzt. Die ungesund oder gelblich aussehenden Pflanzen veränderten sich und bekamen schnell eine normale grüne Farbe. Die Pflanzen bildeten in den Blattgrünkörnchen (Chloroplasten) den grünen Farbstoff Chlorophyll. Pflanzen brauchen Chlorophyll, um Licht für die Photosynthese aufnehmen zu können. Mit der aufgenommenen Lichtenergie können sie dann die Stoffe Wasser und Kohlendioxid zu Zucker und Sauerstoff umbauen. 6

7 Länge der Wurzel in cm Länge der Wurzel V1: Kontrolle 0 0, V2: trocken V3: kalt 0 0,7 2,8 3,7 4 V4: dunkel 0 1, V5: Watte 0 0,4 2,5 6,5 6,5 V6: extra ,7 3,7 Achsentitel V1: Kontrolle V2: trocken V3: kalt V4: dunkel V5: Watte V6: extra Dieser Versuch zeigt, dass unter normalen Bedingungen eine Pflanze nur Wasser braucht, um zu keimen. Auf Watte und Erde verläuft die Keimung bestens. Ob Licht hier einen Einfluss hat, bezweifeln wir. Der Unterschied zur Kontrolle ist nicht groß und das könnte auch an unserer Messung gelegen haben. V6 entspricht der Erwartung. Beim Umtopfen werden immer kleine Wurzeln zerstört und das verzögert die Entwicklung. Hält man die Pflanze unter kälteren Bedingungen, so ist ihre Entwicklung verzögert. Darum hat sie den zweitniedrigsten Wert am fünften. 7

8 Blattlänge in cm Blattbreite in cm Blattbreite in cm 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, V1: Kontrolle ,3 0,3 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 V2: trocken V3: kalt ,2 0,1 0,3 0,5 0,5 0,5 0,4 0,5 0,5 V4: dunkel ,2 0,15 0,2 0,2 0,2 0,5 0,5 0 0 V5: Watte ,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 V6: extra ,3 0,4 0,45 0,5 0,5 0,5 0,7 0,5 V1: Kontrolle V2: trocken V3: kalt V4: dunkel V5: Watte V6: extra Blattlänge in cm 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, V1: Kontrolle ,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 3 V2: trocken V3: kalt ,5 0,8 1 1,5 1,5 1, V4: dunkel ,5 1 1,2 1,4 1,5 2 2,5 0 0 V5: Watte ,8 1,5 1,5 1,7 2 1,5 1,5 1,5 1,5 V6: extra ,5 2 2,5 2,5 2,5 3, V1: Kontrolle V2: trocken V3: kalt V4: dunkel V5: Watte V6: extra An den en 9, 10 und 13 haben die Kontrolle, die Extragruppe (Bedingungen wie Kontrolle) und die kälter gehaltenen Kressepflanzen die gleiche Blattbreite. Dass die kalt gehaltene Pflanze bei den Spitzenreitern liegt, darf eigentlich nicht sein. Vergleicht man das Ergebnis jedoch mit der Blattlänge, so fällt auf, dass die Blätter der in der kälteren Umgebung gehaltenen Pflanzen zwar breit, aber kurz sind. (Glück gehabt Doch kein Messfehler!). 8

9 Bei V5 (Watte) sind die Blätter eher klein (Länge und Breite). Das könnte daran liegen, dass sie nicht genügend Mineralien für den Bau der Blätter und damit auch des Chlorophylls haben. Das sagt schon das alte Gesetz von Liebig. [nach 1,2] Der Faktor (das Mineralsalz), das am wenigsten vorhanden ist, begrenzt die Menge an Dingen, die gebaut werden können. Hat man alle Teile um 100 Autos zu bauen, aber nur 75 Lenkräder, dann kann man leider nur 75 Autos bauen. Hat man nur für 1000 grüne Blattzellen die Mineralsalze, dann kann man nur diese Menge an Zellen bauen. Unser Vater hat uns die Gleichung der Photosynthese aufgeschrieben: Wasser und Kohlendioxid wird zu Zucker (Glucose) und Sauerstoff 6 H2O + 6 CO2 => 1 C6H12O6 + 6 O2 Diese Gleichung erklärt viel! Ohne Wasser kann die Photosynthese nicht ablaufen. Es macht also keinen Sinn wenn ein Samen ohne Wasser keimt. Wir machen ein Gedankenspiel: Vielleicht kann der Samen ja keimen und ein Pflänzchen bilden, aber dann würde die Pflanze verhungern, weil sie auf Dauer ohne Wasser keine Photosynthese betreiben kann und auch keinen Zucker als Nahrung produzieren kann. Dann lieber einige Monate oder Jahre in der Erde warten und später keimen. Im Nationalmuseum in Kopenhagen haben sie mit Getreidekörnern (also Samen) aus einem Wikingergrab experimentiert. Die Getreidekörner lagen trocken in einer Urne aus Ton. 20% der Samen sind nach 1200 Jahren noch gekeimt. Pflanzensamen können also LANGE auf Regen warten. [4] Die Gleichung der Photosynthese hat aber auch eine Frage bei uns entstehen lassen. Beeinflussen die Gase der Luft die Photosynthese. Leitfrage 2: Beeinflussen die Gase der Erdatmosphäre die Photosynthese? Die Luft enthält 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, ungefähr 1% Edelgase und 0,04% Kohlenstoffdioxid. Also sind nur 0,04% Kohlenstoffdioxid! [nach 5] Was würde passieren, wenn man das wichtigste Gas der Photosynthese in größerer Menge hinzu geben würde? Sollte dann nicht nach dem Gesetz von Liebig alles besser schneller und in größerer Menge ablaufen? Sollten dann eine Pflanze nicht mit mehr Kohlendioxid besser wachsen können? Dann haben wir bei einem Mathe-Training für die Mathematikolympiade in der Botanika auch noch vom EDEN-Projekt in der Antarktis gehört. [6] Das kleine Pappmodel zeigt einen Container mit künstlicher Beleuchtung und Atmosphärenkontrolle. Wir dachten uns: Das können wir auch! In der Schule haben die Chemiker Sauerstoffgas und Kohlendioxidgas in der Gasflasche. Und unser Vater darf diese Flaschen bedienen. 9

10 durchschnittliche Größe der Pflanze in cm Also lag der Beschluss nahe, selbst das Gas der Atmosphäre zu kontrollieren. Da wir aber die Flaschen nicht über die Weihnachtsferien mit nach Hause nehmen durften, mussten wir einen einfachen Versuchsaufbau erfinden. Wattepads und Marmeladengläser! Gläser sind lichtdurchlässig, und wenn man drei Wattepads aufeinanderlegt, so passt da viel Wasser rein. Auf jedes Wattepad haben wir 20 Kressesamen gegeben und ein Probengläschen (ungefähr 6ml) Wasser. Alle Ansätze hatten also die gleiche Menge an Wasser. Die Wattepads lagen im Deckel. Dann hat unser Vater uns Schutzbrillen und den Schlauch der Gasflasche gegeben. Wir haben dann so gut wie möglich die Luft aus dem Glas mit dem aus dem Schlauch austretenden Gas ausgespült. Unsere fünf Versuchsansätze enthielten zwei Mal Sauerstoff, zwei Mal Kohlenstoffdioxid und einmal normale Luft als Kontrolle. Kressekeimung und durchschnittliches Wachstum in verschiedenen Atmosphären (Umgebungsgasen) Sauerstoff ,7 2,2 2,3 2,4 2,5 3,4 3,5 3,6 3,4 3,2 3,6 3,6 3,7 3,7 Sauerstoff 2 0 1,3 1,5 2, ,5 3,2 3,2 3,4 3,3 3,1 3,4 Kohlendioxid 1 0 1,6 3,4 4 4,2 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,4 4,6 4,5 4,5 4,6 4,6 Kohlendioxid Luft 0 1,5 2,3 3,5 3,5 3,7 3,9 4,2 4,6 4,7 4,7 5 4,8 4,9 4,8 4,8 4,8 4,8 Zeit in en Sauerstoff 1 Sauerstoff 2 Kohlendioxid 1 Kohlendioxid 2 Luft Alle Ansätze zeigten Keimung und Wachstum nur ein Ansatz nicht! Was war da passiert? An mangelnder Photosynthese lag es nicht. Der Ansatz Kohlendioxid-2 hatte nicht einmal gekeimt. Und das hatten wir ja schon einmal. Wenn ein entscheidender Stoff fehlt, dann klappt die Keimung nicht! 10

11 Ansatz Kohlenstoffdioxid 2: Was fehlte also? Bei nur Sauerstoff funktionierte die Keimung. Also braucht die Keimung eine Mindestmenge an Sauerstoff! Aber wieso? Da haben wir uns gefragt, wie wir unsere Energie produzieren. In unserem Biologie Buch [1] steht, dass wir Sauerstoff benötigen, damit wir die Nahrung im Stoffwechsel verbrennen können. Die chemische Gleichung dafür ist die Zellatmung. Und das ist fast die Photosynthese rückwärts. Nur dass wir kein Licht, sondern Wärme abgeben. Zucker (Glucose) und Sauerstoff wird zu Wasser und Kohlendioxid 1 C6H12O6 + 6 O2 => 6 H2O + 6 CO2 Wenn also zum Anfang der Kresse Samen nur Zellatmung betreibt, dann braucht er eine Mindestmenge an Sauerstoff! Und in einem Ansatz (Kohlendioxid 2) wurde der Sauerstoff anscheinend völlig vom Kohlendioxid verdrängt. Fazit: Kein Sauerstoff keine Keimung! Zu viel Sauerstoff scheint aber auch nicht gut zu sein! Selbst am zweiten liegen Luft (Kontrolle) und Kohlenstoffdioxid 1 in Führung. Beim Ansatz Kohlendioxid 1 haben wir wahrscheinlich nicht alle Luft und damit nicht allen Sauerstoff verdrängt. Die Menge scheint für eine gute Keimung gereicht zu haben. Die Wachstumswerte für Luft sind aber genauso gut oder besser! Zu viel Sauerstoff scheint also nicht gut zu sein. Darauf gehen wir später noch ein (Zahl der grün und gesund aussehenden Pflanzen). Ansatz Kohlenstoffdioxid 1: Dieser Ansatz wächst speziell in der ersten Woche gut sichtbar besser als der Ansatz mit Luft als Atmosphäre. Die Pflanzen im Ansatz Kohlenstoffdioxid 1 haben einfach mehr Baumaterial für die Photosynthese. Das ist wie mit einem Bausatz: hat man alle Teile in Griffweite, dann geht es schnell. Muss man warten oder laufen, um an Teile zu kommen, dann dauert es länger. In der Chemie gibt es dafür einen mathematischen Zusammenhang [nach 7]. v = k * c (Wasser) * c (Kohlendioxid) Die Geschwindigkeit der Reakion errechnet sich aus der Reaktions- Geschwindikgeits-Konstante multipliziert mit der Konzentration (Menge pro Volumen) der Stoffe. In unserem Versuch ist die Wassermenge immer gleich. Die Konstante ist wie der Name verrät konstant. Erhöht man also die Menge an Kohlendioxid pro Volumen (hier im Marmeladenglas), dann ist die Reaktionsgeschwindigkeit höher. Mehr Glukoseteilchen werden pro gebaut. Und damit kann die Pflanze mehr Glukoseteilchen pro verbauen und wachsen! Nach ungefähr einer Woche 11

12 maximales Wachstum in cm haben die Kressepflanzen ihre endgültige Höhe erreicht. Wie beim Menschen: hat man eine bestimmte Größe bis zum Ende der Pubertät nicht erreicht, dann wächst man danach auch nicht mehr. Das Ende der Kresse-Pubertät scheint nach einer guten Woche erreicht zu sein Kressekeimung und maximales Wachstum in verschiedenen Atmosphären (Umgebungsgasen) Zeit in en Sauerstoff 1 Sauerstoff 2 Kohlendioxid 1 Kohelndioxid 2 Luft Das Diagramm Kressekeimung und maximales Wachstum in verschiedenen Atmosphären zeigt nur den Ausgang eines Wettrennens. Eigentlich sieht man das Gleiche wie beim vorherigen Diagramm. Ansatz Sauerstoff 1 und 2: Wie kann man das schlechte Abschneiden der Versuchsgruppen deuten? Mit Sauerstoff ist es wie mit Essig in der Salatsauce. Etwas Balsamiko mit Olivenöl ist lecker auf Salat. Der Essig hat 5%, d.h. der Rest ist Wasser. Nähme man den 20%igen Reinigungsessig, dann wäre die Sauce nicht mehr lecker. Und bei 100%igem Eisessig wäre es gefährlich, die Sauce zu kosten. Mit Sauerstoff ist es auch so. Zu viel Sauerstoff kann nicht nur Eisen rosten lassen. Auch Zellen von Pflanzen können durch Sauerstoff geschädigt werden. Wir haben versucht herauszufinden, wie viel Sauerstoff Pflanzen vertragen. Dabei sind wir im Internet auf eine Zahl gestoßen. Es hat sich dabei gezeigt, dass in 80 Millionen Jahre altem Bernstein eingeschlossene Luft rund 30 Volumen% Sauerstoff enthielt. In 25 Millionen Jahre altem Bernstein aus der Dominikanischen Republik fand sich etwas weniger Sauerstoff als in der heutigen Luft und im Baltischen Bernstein von 40 Millionen Jahren lag der Luftsauerstoffgehalt auf demselben Niveau wie heutzutage. [8] 12

13 Anzahl der gesunden Pflanzen Also haben Pflanzen schon einmal 30% Sauerstoff ausgehalten. Wir haben aber mit viel mehr Sauerstoff gearbeitet. Selbst wenn die Samen 10% des Sauerstoffs verbraucht haben sollten, dann wäre noch die dreifache Menge an Sauerstoff übrig. Und diese große Menge an Sauerstoff schadet den Pflanzen. Sie sind also ohne Feuer verbrannt. Das Pflanzengewebe ging kaputt und Pilze konnten die stark geschädigten Pflanzen gut angreifen. Ab dem vierzehnten konnte man Schimmel sehen. Der hat die toten Pflanzen und später alles überzogen und sich von den Resten ernährt. Schimmel scheint der hohe Sauerstoffgehalt nicht zu stören oder er kommt besser damit zurecht. Zahl der grün und gesund aussehenden Pflanzen bei 20 Samen pro Ansatz Sauerstoff Sauerstoff Kohlendioxid Kohlendioxid Luft Zeit in en Sauerstoff 1 Sauerstoff 2 Kohlendioxid 1 Kohlendioxid 2 Luft Zustand der Pflanzen: O2 I:alle Pflanzen gekippt, Werte nur noch Schätzwerte, 3 tot, 10 grün und gesund O2 II: bis auf zwei Pflanzen alle gekippt, 4 Pflanzen in schlechtem Zustand, 6 Pflanzen grün und gesund CO2 I: alle Pflanzen stehen noch, alle 18 Pflanzen grün und gesund Luft: eine gekippt, 16 Pflanzen grün und gesund Zustand der Pflanzen: O2 I: Schimmelbildung, alle tot oder schlechter Zustand, 2 Pflanzen etwas besser O2 II: noch kein Schimmel, alle tot oder schlechter Zustand bis auf zwei Pflanzen CO2 I: wachsen prächtig, standfest, alle 18 Pflanzen grün und gesund CO2 II: heute kurz geöffnet, Zusatzexperiment, starker Kressegeruch Luft: zwei gekippt, 16 Pflanzen grün und gesund Zustand der Pflanzen: O2 I: Schimmelbildung, alle tot oder schlechter Zustand, 2 Pflanzen etwas besser O2 II: erster Schimmel, alle tot oder schlechter Zustand bis auf zwei Pflanzen CO2 I: wachsen prächtig, standfest, alle 18 Pflanzen grün und gesund CO2 II: keine Veränderung Luft: zwei gekippt, 16 Pflanzen grün und gesund 13

14 Zustand der Pflanzen: O2 I: Schimmelbildung, alle tot oder schlechter Zustand, 2 Pflanzen etwas besser O2 II: Schimmel, alle tot oder schlechter Zustand bis auf zwei Pflanzen CO2 I: wachsen prächtig, standfest, alle 18 Pflanzen grün und gesund CO2 II: keine Veränderung Luft: zwei gekippt, 16 Pflanzen grün und gesund Zustand der Pflanzen: O2 I: Schimmelbildung, alle tot oder schlechter Zustand, 1 Pflanze etwas besser O2 II: Schimmel, alle tot oder schlechter Zustand bis auf zwei Pflanzen CO2 I: standfest, alle 18 Pflanzen grün und gesund CO2 II: keine Veränderung Luft: zwei gekippt, 16 Pflanzen grün und gesund Zustand der Pflanzen: O2 I: Schimmelbildung, alle tot oder schlechter Zustand, 1 Pflanze etwas besser O2 II: Schimmel, alle tot oder schlechter Zustand bis auf zwei Pflanzen CO2 I: standfest, alle 18 Pflanzen grün und gesund CO2 II: keine Veränderung Luft: zwei gekippt, 16 Pflanzen grün und gesund Zustand der Pflanzen: O2 I: Schimmelbildung, alle tot oder schlechter Zustand, 1 Pflanze etwas besser O2 II: Schimmel, alle tot oder schlechter Zustand bis auf zwei Pflanzen CO2 I: standfest, alle 11 Pflanzen grün und gesund, 7 Pflanzen an Glas gelehnt CO2 II: 6 Samen gekeimt N2: 4 gekippt, alle 12 grün und gesund Luft: zwei gekippt, 16 Pflanzen grün und gesund Leitfrage 3: Welche Art von Licht wird von den Blättern für die Photosynthese benötigt? Um herauszufinden, welche Lichtfarben von Blättern benötigt werden, haben wir eine Chromatographie gemacht und Absorptionsspektren gemessen. Dafür haben wir zuerst die Blattfarbstoffe extrahiert. Unter Extrahieren versteht man herausholen. Dafür haben wir eine Eigenschaft von Blattfarbstoffen genutzt. Sie sind gut in Aceton löslich. [nach 9,10] Zuerst haben wir auf dem Schulhof Gras gesammelt. Das haben wir mit einer Schere klein geschnitten und mit Sand in einem Mörser zerrieben. Zwischendurch haben wir immer wieder etwas Aceton hinzu gegeben. Aceton ist nicht gut für die Haut, Augen und Lunge. Deshalb sollte man mit Schutzbrille und in einem gut gelüfteten Raum arbeiten. Nach einigen Minuten hatten wir eine trübe grüne Flüssigkeit. Die haben wir mit einem Kaffeefilter filtriert wie beim Kaffee kochen. Dadurch haben wir eine klare Lösung erhalten. Damit konnten wir weiter arbeiten. Bei einer Chromatographie trägt man mit einer sogenannten Kapillare den Blattfarbstoff oder eine andere Probe auf die Platte auf. Wir haben eine wasserliebende Kieselgelplatte verwendet. Als Laufmittel haben wir eine Mischung aus 7 Teilen Petrolether (schnell verdunstendes Benzin) und 3 Teilen Aceton (Nagellackentferner) verwendet. Wie bei einem Stück Küchenrollenpapier, das nur zum Teil im Wasser hängt, zieht sich die Flüssigkeit durch die 14

15 Lücken nach oben. Das Laufmittel (Petrolether / Aceton) läuft die Platte hoch. Dabei lösen sich die Stoffe unterschiedlich gut im Laufmittel. Die, welche sich besser lösen, die laufen weiter, diejenigen, die sich schlechter lösen, die laufen weniger weit mit nach oben. In einem alten Biologiebuch (Linder [2]) haben wir die Abbildung eines Chromatogramms von Blattfarbstoffen gefunden. Dort haben sie auch Petrolether und Aceton im gleichen Verhältnis wie wir verwendet. Darum konnten wir die Abbildung direkt mit unserem Chromatogramm vergleichen. Inhaltsstoff Laufstrecke in cm Auftragspunkt 0 Xanthophyll (gelborange) 5,8 Chlorophyll b (grün) 6,2 Chlorophyll a (grün) 7,2 Carotinoide (orange) 10,2 Um die Lichtenergie einzufangen, braucht die Pflanzenzelle den Blattfarbstoff Chlorophyll. Der ist grün und liegt in zwei unterschiedlichen Formen vor. Anscheinend braucht die Pflanze beide Chlorophyllsorten. Um ein Absorptionsspektrum messen zu können,braucht man ein Spektrometer. Unser Spektrometer kann nur an acht verschiedenen Wellenlängen [11] messen. Was zwischen den Messpunkten passiert, kann man nicht sagen. Aber man bekommt ganz gute Werte und kann einschätzen, wie das ganze Spektrum aussehen sollte. Was ist ein Spektrum. Das ist hier das aufgezeichnete Absorptionsverhalten, also welche Farben des Lichts von den Farbstoffen geschluckt (absorbiert) werden und welche Lichtwellenlängen (Lichtfarben) durchgehen. Unsere Lösung sah grün aus. Also sollte grünes Licht mit einer Wellenlänge um 500nm wenig oder gar nicht absorbiert werden. Und genau das haben wir gefunden. Blaues Licht um 440nm bzw. 470nm wurde sehr, sehr gut von unseren Blattfarbstoffen absorbiert. Auch bei 680nm fand eine Absorption statt. Das ist also das Licht, was die Pflanze aufnimmt. Grünes Licht wird von der Pflanze nicht absorbiert (vgl. Diagramm). Mischt man viel blaues Licht und etwas rotes Licht, bekommt man violett. Violett leuchtende LEDs wären als Pflanzenleuchten völlig hinreichend. Es muss kein weißes Licht sein, wie wir es verwendet haben. Und wenn man das grüne und gelbe Licht nicht produzieren muss, dann spart man Energie. Und das senkt bei der Pflanzenaufzucht in einem Schrank oder EDEN-Container die Kosten. 15

16 Absorption Lichtabsorption von Blattfarbstoffen in Aceton und Wasser 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, nm blau 470nm blaugrün 490nm grün 520nm gelbgrün 550nm gelb 580nm orange 590nm orangerot 680nm rot Absorption in Aceton 0,9 0,7 0,46 0,39 0,37 0,37 0,39 0,43 Absorption in Wasser 1 0,72 0,49 0, ,02 0,06 0,17 Absorption in Wasser 2 1,06 0,76 0,29 0,06 0,02 0,03 0,11 0,28 Absorption in Wasser 3 1,69 1,2 0,53 0,19 0,12 0,17 0,29 0,46 Wellenlänge der Messung in nm Absorption in Aceton Absorption in Wasser 1 Absorption in Wasser 2 Absorption in Wasser 3 Der Weser-Kurier hat am Montag, den 13. Januar 2020 unter dem Titel Mission Nachhaltigkeit, Wie der Gemüseanbau der Zukunft aussehen könnte [12] berichtet. Dort wird der Gemüseanbau in Wachstumsschränken beschrieben. Die Firma Infarm zieht in Wachstumsschränken Kräuter für die Supermarktkette EDEKA. Diese Schränke stehen sogar in den Supermärkten. Auf einem Photo sieht man, dass sie violettes Licht verwenden. Also können unsere Überlegungen mit dem Wachstumsschrank und dem violetten Licht nicht ganz falsch gewesen sein. 16

17 Fazit: Was haben uns unsere Versuche an Erkenntnis gebracht? Aus unserem Biologiebuch [1] haben wir schon herauslesen können, dass Pflanzen Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid benötigen. Es ist aber eine Sache, das zu lesen, und eine andere Sache, es selber zu sehen und es beweisen zu können. Wir konnten sogar die Bedeutung der Temperatur (vgl. RGT-Regel) und die Bedeutung der Lichtwellenlänge herausfinden! In der Raumfahrt sind solche Erkenntnisse von Bedeutung. Würde man eine Station auf dem Mond oder dem Mars bauen wollen, so könnte man in geschlossenen Behältern Pflanzen ziehen. Dafür wäre nicht einmal Erde nötig. Die Mineralien könnte man im Wasser an die Pflanze bringen. In der Antarktis züchtet man bereits Gemüse in einem EDEN-Container. Man muss zwar die Temperatur und das Licht kontrollieren, aber man kann die Temperatur optimal steuern, und man kann auch violettes Licht statt weißem Licht nehmen. Das senkt die Energiekosten. Das macht dann die Aufzucht der Pflanzen billiger und umweltfreundlicher. Die Städte wachsen immer weiter. Warum sollte man nicht Gemüse im Keller oder einem leerstehenden Raum anziehen? Das Problem ist der Strom für die LED-Lampen. Der Strom dafür würde zu mindestens zum Teil aus nicht erneuerbaren Energiequellen wie Kohle und Erdöl stammen. Das wäre dann auch schlimm für den Klimawandel. Windkraftwerke produzieren aber auch nachts Strom, wenn er kaum gebraucht wird. Man könnte dann nachts die Pflanzen künstlich beleuchten, und wenn sie dann tagsüber kaum Licht oder kein Licht bekommen, ist das auch nicht schlimm. Und wenn man sie 24 Stunden pro beleuchten würde, würden sie auch doppelt so schnell wachsen. Steht der Wachstumsschrank in der Nähe des Supermarktes oder sogar im Supermarkt, dann fallen faktisch die Transportkosten und das CO2 aus dem Lkw für den Transport weg. Besser für die Umwelt! Schimmel ist ein Problem! Die Pflanzen im Ansatz mit der Sauerstoffatmosphäre sind verschimmelt. Mit weniger Sauerstoff ist das sicher ein kleineres Problem. Aber das ist wie mit einem Kühlschrank. Hat man Schimmel in der Packung Käse, dann ist der ganze Käse in der Packung betroffen. Und wenn die Dose nicht gut geschlossen ist, dann kann der Schimmel sich in den ganzen Kühlschrank ausbreiten. Also Vorsicht mit Schimmel! Ein Garten hinter dem Haus oder Kräuter auf der Fensterbank sind prima und einfach zu pflegen. Wer aber in einem Hochhaus ohne Balkon lebt, kann sich mit wenig Aufwand und violetten LEDs einen kleinen Garten im Schrank anlegen. Dann sind eigene Tomaten und Radieschen nicht mehr weit entfernt! In den Supermarkt zu gehen und ein Bund Bio-Radieschen oder Bio-Tomaten zu kaufen, dürfte aber preiswerter sein Selbst züchten macht aber mehr Spaß. Jedenfalls hat es uns Spaß gemacht, Kresse auf dem Schreibtisch wachsen zu lassen. Und gut geschmeckt hat sie auch! 17

18 Literaturverzeichnis: 1. Natura 7 bis 10, Dr. Horst Bickel,1. Auflage, Ernst Klett Verlag, 2006, Stuttgart 2. Linder Biologie, 20. Auflage, von Horst Bayrhuber und Ulrich Kull, J.B.Metzler, 1989, Stuttgart 3. Bioskop, Einführungsphase Niedersachsen, Herausgeber Jörn Peters, Westermanngruppe, 2017, Braunschweig 4. Ausstellungstext im dänischen Nationalmuseum, Kopenhagen, Besuch Elemente Chemie I, Ausgabe Baden-Württemberg, Werner Eisner, 2. Auflage, Ernst Klett Verlag, 1996, Stuttgart 6. EDEN-Projekt, _erste-ernte-im-antarktisgewaechshaus-eden-iss_26679.html entnommen: Jan Elemente Chemie II, Dr. Thomas Bitter, 1. Auflage, Ernst Klett Verlag, 2010, Stuttgart 9. Lichtenthaler HK, Pfister K: Praktikum der Photosynthese. Quelle und Meyer, Heidelberg 1978, 10. S. Buschmann C, Grumbach KH: Physiologie der Photosynthese. Springer, Berlin FOKUS Physik, SII, Peter Ackermann, 1. Auflage, Cornelsen, 2017, Berlin 12. Weser-Kurier, 13. Januar 2020, S.13, Mission Nachhaltigkeit, Wie der Gemüseanbau der Zukunft aussehen könnte Titelbild: und eigenes Bild 18