Mikroskopische Übungen zum zellulären Aufbau Stand: 09.06.2018 Jahrgangsstufen 12 Fach/Fächer Biologie (Ausbildungsrichtung Sozialwesen) Übergreifende Bildungsund Erziehungsziele Zeitrahmen Benötigtes Material 120 bis 140 Minuten Lichtmikroskope, Mikroskopier-Ausrüstung (Objektträger, Deckgläser, Pinzette, Rasierklingen), Becherglas, Tropfpipette, Küchenrolle, Methylenblau, Mundspatel/Teelöffel, rote Küchenzwiebeln, Wasserpest, Digitalkamera/Smartphone Kompetenzerwartungen Diese Aufgabe unterstützt den Erwerb folgender Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler erläutern biologische Zusammenhänge unter Verwendung der Fachsprache, geben diese in fachspezifischer Darstellungsform wieder und begründen die Eignung der gewählten Darstellungsform. (B12 1) nutzen geeignete Quellen zur Recherche von biologischen Sachverhalten und präsentieren ihre Ergebnisse unter Verwendung der biologischen Fachsprache und moderner Medien sach-, adressaten- und situationsgerecht. (B12 1) vergleichen mithilfe von licht- und elektronenmikroskopischen Abbildungen verschiedene Zelltypen hinsichtlich ihres Aufbaus, um sie dem prokaryotischen oder eukaryontischen Grundtyp zuzuordnen. (B12 2) erläutern biologische Grundprinzipien, u. a. die Kompartimentierung der eukaryotischen Zelle, anhand der Strukturen und der Funktionen der Zellorganellen. (B12 2) Seite 1 von 12
Aufgaben I) Praxisteil Herstellen eigener Präparate 1. Stellen Sie in verschiedenen Gruppen die folgenden mikroskopischen Frischpräparate her (Präparationsanleitungen: siehe Hinweise zum Unterricht): A B C Zwiebelhäutchen Wasserpestblättchen Mundschleimhautzellen Mikroskopieren der hergestellten Präparate 2.1 Betrachten Sie die angefertigten Präparate mit verschiedenen Vergrößerungen unter einem Lichtmikroskop. Halten Sie Ihre Beobachtungen wie folgt fest: zu A: Beschreiben Sie in Worten die Form und sichtbare Bestandteile einer Zelle. Fotografieren Sie das mikroskopische Bild. zu B: zu C: Fertigen Sie eine Übersichtsskizze eines Blattausschnittes an. Fotografieren Sie das mikroskopische Bild. 2.2 Legen Sie in die drei verschiedenen Frischpräparate jeweils ein Haar unter das Deckglas. Vergleichen Sie unter dem Mikroskop die Größenverhältnisse der Zellen mit dem Haardurchmesser und halten Sie Ihre Schätzungen schriftlich fest. Seite 2 von 12
II) Theorieteil Zelltypen im Vergleich 3.1 Erarbeiten Sie aus den mikroskopischen Untersuchungen und Ihren Beobachtungen die Unterschiede der einzelnen Zellen und leiten Sie daraus die systematische Zuordnung zu Tieren und Pflanzen ab. Beziehen Sie bei Ihren Überlegungen auch die jeweilige Lebensweise des gesamten Organismus mit ein. 3.2 Im Folgenden sehen Sie Schemazeichnungen verschiedener Zellen. Entscheiden Sie für jede Zeichnung, ob eine tierische Zelle, pflanzliche Zelle oder Bakterienzelle vorliegt. Begründen Sie Ihre Zuordnungen! (Die Größenverhältnisse der Zeichnungen stimmen nicht überein.) a) b) c) d) e) f) Elektronenmikroskopische Betrachtung Die lichtmikroskopische Auflösung zeigt zahlreiche Details der Zellen nicht. Diese werden erst im Elektronenmikroskop sichtbar. 4.1 Recherchieren Sie den Feinbau von Pflanzen-, Tier- und Bakterienzellen. Unterscheiden Sie dabei Zellbestandteile ohne, mit einfacher und mit doppelter Membran. Stellen Sie diese vergleichende Betrachtung in einer geeigneten Tabelle dar. 4.2 Ordnen Sie mithilfe Ihrer Rechercheergebnisse den gemeinsamen Bestandteilen von Pflanzenund Tierzelle stichpunktartig spezifische Funktionen zu. 4.3 Begründen Sie das Fehlen einiger Bestandteile in bestimmten Zellen. Seite 3 von 12
4.4 Ein allen Zelltypen gemeinsames biologisches Grundprinzip ist die Kompartimentierung. Erläutern Sie diesen Fachbegriff mithilfe Ihrer Rechercheergebnisse und geben Sie zwei weitere biologische Grundprinzipien an. Größenvergleich von Zellen 5.1 Begründen Sie, unter Verwendung der folgenden Grafik, mit welchem Mikroskop Sie die angegebenen Zellen bzw. Zellbestandteile untersuchen würden. 5.2 Zeichnen Sie in die Tabelle einen Stern für die Dicke eines durchschnittlichen Haares ein. Rechnen Sie die angegebene Größendimension Nanometer (nm) in Mikrometer (µm) und Millimeter (mm) um und tragen Sie dies in die entsprechenden Kästchen in die Tabelle ein. Auflösungsvermögen: Auge Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Zellen bzw. Zellbestandteile: Menschliche Eizelle Mundschleimhautzelle Erythrozyt Mitochondrium Ribosom Haar? 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 nm µm? mm? Seite 4 von 12
Hinweise zum Unterricht Die Aufgabenteile können auch unabhängig voneinander bearbeitet werden. Vor der Bearbeitung der Teilaufgabe 3 empfiehlt es sich, die Unterschiede von Tier-, Pflanzen- und Bakterienzellen im Unterricht zu behandeln. Binnendifferenzierung ist bei Teilaufgabe 4 durch Recherchematerial und Aufgabenstellung möglich. Bei Teilaufgabe 5 bietet es sich an, die SI-Präfixe zu wiederholen, um den Schülerinnen und Schülern eine Vorstellung der Größenverhältnisse zu erleichtern. Präparationsanleitungen zur Herstellung von Frischpräparaten zu A) Untersuchung von Zwiebelhautzellen (Allium cepa) Material: - Frischmaterial der roten Küchenzwiebel - Mikroskopier-Ausrüstung - Lichtmikroskop Durchführung: 1. Entfernen Sie von einer Zwiebel die roten, abgestorbenen Außenhäute und vierteln Sie die Zwiebel. 2. Schneiden Sie die Innenseite einer Zwiebelschuppe mit einer Rasierklinge ein. 3. Fassen Sie mit der Pinzette flach unter den Schnitt und ziehen Sie vorsichtig ein Stück Haut (ca.5 mm breit und lang) ab. 4. Bringen Sie einen Tropfen Wasser in die Mitte des Objektträgers und schieben Sie das Zwiebelhäutchen faltenfrei in den Wassertropfen. 5. Legen Sie das Deckglas auf. 6. Beobachten Sie das Objekt unter dem Mikroskop bei ca.100facher und ca. 200facher Vergrößerung. Seite 5 von 12
zu B) Untersuchung von Zellen der Wasserpest (Elodea canadensis) Material: - Frischmaterial der Wasserpest - Mikroskopier-Ausrüstung - Lichtmikroskop Durchführung: 1. Zupfen Sie mit der Pinzette ein Blättchen der Wasserpest ab. Geben Sie dieses auf den Objektträger in einen Wassertropfen und decken Sie es mit einem Deckglas vorsichtig ab. 2. Stellen Sie mit dem Mikroskop zunächst die schwächste Vergrößerung scharf ein. 3. Vergrößern Sie anschließend, so dass Sie einige Zellen deutlich sehen können (ca.100fach). zu C) Untersuchung von Zellen der Mundschleimhaut Material: - Mundspatel oder sauberer Teelöffel - Mikroskopier-Ausrüstung - Methylenblaulösung zum Einfärben - Lichtmikroskop Durchführung: 1. Bringen Sie einen Tropfen Wasser in die Mitte des Objektträgers. 2. Schaben Sie mit einem sauberen Löffel oder Mundspatel an der Innenseite der Wange etwas Mundschleimhaut ab und geben Sie diese zu dem Wassertropfen. 3. Färben Sie das Präparat mit Methylenblau ein, indem Sie einen Tropfen Farbstofflösung an den Rand des Deckglases geben und auf der anderen Seite mit etwas Küchenpapier die Flüssigkeit durch das Präparat ziehen. 4. Legen Sie das Deckglas auf. 5. Beobachten Sie das Objekt unter dem Mikroskop bei ca.100facher Vergrößerung. Seite 6 von 12
Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler 1. Herstellen eigener Präparate Hinweis: Alternativ wäre hier auch die Verwendung von Fertigpräparaten oder Abbildungen denkbar. 2. Mikroskopieren der hergestellten Präparate 2.1 zu A: Erkennbar sind zahlreiche, mehreckige Gebilde die netzartig verbunden sind. Innerhalb der einzelnen Abgrenzungen sind kleine Körner und der Zellkern nahe am Rand sichtbar. Bei der roten Zwiebel ist der zentrale Raum rot gefärbt. Foto - mikroskopisches Bild: Foto: Zwiebelhaut einer roten Küchenzwiebel Foto: Zwiebelhaut einer Küchenzwiebel Seite 7 von 12
zu B: Übersichtsskizze eines Blattausschnittes zu C: mikroskopische Bild Foto: Mundschleimhautzellen zu 2.2 Schätzungen: Die Breite von drei Zwiebelzellen entspricht etwa dem Durchmesser des Haares. Die Breite von zwei Wasserpestzellen entspricht etwa dem Durchmesser des Haares. Ein bis zwei Mundschleimhautzellen entsprechen etwa dem Durchmesser des Haares. Zelltypen im Vergleich 3.1 Unterschiede: Form und Gestalt: Größe: Farbe: Sonstiges: Zellen A und B sind vieleckig und formstabil, Zellen C rundlich Zellen A und B etwa gleich groß, Zellen C etwas kleiner Zellen A und C haben keine grünen Zellbestandteile, Zellen B schon Zellen A und B erscheinen vielschichtig begrenzt Zuordnung: Zellen A und B sind pflanzliche Zellen, die Zwiebel als Speicherorgan besitzt keine Chloroplasten, da sie nicht fotosynthetisch aktiv ist. Zellen C sind tierische Zellen, welche keine Chloroplasten besitzen, da sie keine Fotosynthese betreiben. Seite 8 von 12
3.2 a) Bakterium (E. Coli) b) Pflanze (Euglena) c) Tier (Mundschleimhaut) d) Pflanze (Wasserpest) e) Pflanze (Zwiebel) f) Tier (Neuron) Begründungen: a) Kein Zellkern, prokaryotische Zelle b) Zellkern und Chloroplasten c) Zellkern, keine Vakuole, keine Chloroplasten d) Zellkern, Chloroplasten, Vakuole und Zellwand e) Zellkern, Vakuole und Zellwand f) Zellkern, keine Vakuole, keine Chloroplasten Elektronenmikroskopische Betrachtung 4.1 Pflanzenzelle Tierzelle Bakterienzelle keine Membran Ribosomen Ribosomen Ribosomen Cytoskelett Cytoskelett Cytoskelett (Centrosom) einfache Membran Vakuole Endoplasmatisches Reticulum (ER) Endoplasmatisches Reticulum (ER) Dictyosomen (Golgi- Apparat) Dictyosomen (Golgi- Apparat) Peroxisomen Peroxisomen Seite 9 von 12
Lysosomen doppelte Membran Zellkern Mitochondrien Chloroplasten Zellkern Mitochondrien 4.2 Gemeinsame Bestandteile: Ribosomen Cytoskelett Endoplasmatisches Reticulum Dictyosomen Peroxisomen Zellkern Mitochondrien Funktionen (Stichwörter): Bioproteinsynthese mechanische Festigkeit, Stabilität, Transportvorgänge, Bewegungsvorgänge Interzellulärer Stofftransport, Synthese und Verarbeitung von Stoffen Umwandlung, Speicherung und Transport von Produkten des ER Katalytischer Abbau von Zellgiften Steuerzentrale, Speicherung und Weitergabe der Erbinformation Orte der Zellatmung, Energielieferanten 4.3 Bei den Tierzellen fehlt die Vakuole, weil die Aufgabe der Zerlegung von Biomolekülen (Vorgänge der hydrolytischen Verdauung) hier von den Lysosomen übernommen wird. Bei den Pflanzenzellen fehlen die Lysosomen, weil die Aufgabe der Zerlegung von Biomolekülen (Vorgänge der hydrolytischen Verdauung) hier von der Vakuole übernommen wird. Bei den Tierzellen fehlen die Chloroplasten, weil Tiere nicht fotosynthetisch aktiv sind. Bei Bakterien fehlen membranumgrenzte Zellbestandteile. Das Fehlen eines Zellkerns ist ein wichtiger Hinweis darauf, dass sie evolutiv älter sind und daraus resultiert die einfachere Struktur. 4.4 Erklärung Kompartimentierung: Damit ist die funktionelle Aufteilung des Raumes in Teilbereiche gemeint. Lebende Systeme, wie vor allem eukaryotische Zellen, besitzen durch Membranen abgegrenzte Reaktionsräume. Die Abgrenzung ermöglicht das gleichzeitige Ablaufen unterschiedlicher stoffwechselbiologischer Prozesse. Daraus ergeben sich weitere biologische Grundprinzipien, wie z.b.: - Arbeitsteilung - Differenzierung - Oberflächenvergrößerung Seite 10 von 12
Größenvergleich von Zellen Auflösungsvermögen: Auge Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Zellen bzw. Zellbestandteile: Menschliche Eizelle Mundschleimhautzelle Erythrozyt Mitochondrium Ribosom Haar? 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 nm 1 10 100 µm zu 5. Begründungen: 0,1 mm Eizelle (durchschnittliche Größe 110000 bis 140000 nm): Mit dem Auge nur als Punkt sichtbar, deshalb muss die Untersuchung mit dem Lichtmikroskop erfolgen. Mundschleimhautzelle (durchschnittliche Größe 50000 bis 100000 nm): Mit dem Auge nicht mehr auflösbar, deshalb nur unter dem Lichtmikroskop sichtbar und untersuchbar. Erythrozyt (durchschnittliche Größe 6000 bis 8000 nm): Mit dem Lichtmikroskop nur als Punkt sichtbar, deshalb muss die Untersuchung mit dem Elektronenmikroskop erfolgen. Mitochondrium (durchschnittliche Größe 1000 bis 5000 nm): Mit dem Lichtmikroskop nur schwer sichtbar, deshalb nur unter dem Elektronenmikroskop gut sichtbar und untersuchbar. Ribosom (durchschnittliche Größe 25 nm): Mit dem Lichtmikroskop nicht sichtbar, deshalb nur unter dem Elektronenmikroskop sichtbar und untersuchbar. Seite 11 von 12
Quellen- und Literaturangaben alle Fotos und Zeichnungen: ISB München Seite 12 von 12