Lernaufgabe Anpassung an Umweltfaktor Wasser Ivo Widmer an... · verschiedenen Habitaten zuordnen...

LERNAUFGABE ÖKOLOGIE

ANPASSUNGEN VON PFLANZEN AN DIE

VERFÜGBARKEIT VON WASSER Fach Biologie Stufe Gymnasium, 10. Schuljahr Bearbeitungsdauer 30 Minuten Autor Ivo Widmer

FACHDIDAKTIK BIOLOGIE – LERNAUFGABE ÖKOLOGIE IVO WIDMER

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Lernaufgabe: Anpassungen von Pflanzen an die Verfügbarkeit von Wasser Didaktische Informationen Kontext der Lernaufgabe Die SuS haben sich in den vorangehenden Lektionen Grundlagenwissen über den Bau und die Funktion der höheren Pflanzen angeeignet. Insbesondere wurden die grundlegenden Pflanzenorgane (Wurzel, Spross, Blatt, Blüte und Frucht) und ihre Funktion besprochen. Zusätzlich wurden abiotische und biotische Umweltfaktoren und in diesem Zusammenhang der Begriff der ökologischen Nische erlernt. Ebenfalls haben die SuS den Umgang mit dem Mikroskop bereits geübt. Sie können das Mikroskop bedienen und haben auch bereits mehrere mikroskopische Zeichnungen angefertigt. Durch die Bearbeitung dieser Lernaufgabe sollen die SuS nun neu strukturelle und anatomische Anpassungen der Pflanzen an abiotische Faktoren lernen. Sie sollen den unterschiedlichen Aufbau von Weich- und Hartlaubblättern als Anpassung an Umweltbedingungen verstehen und die unterschiedlichen Strukturen benennen können. Vertieft soll in dieser Lernaufgabe die Anpassung an die Verfügbarkeit von Wasser erarbeitet werden. Einordnung im Lehrplan Auszug aus dem Lehrplan für den gymnasialen Bildungsgang im Kanton Bern, Fachlehrplan Biologie, Grundlagenfach, 10. Schuljahr, Themengebiet Ökologie: Grobziel Inhalt Die Bedeutung der Pflanzen in Ökosystemen erkennen und über Grundlagenwissen zu Bau und Funktion der höheren Pflanzen verfügen.

Wurzel, Spross, Blatt, Blüte, Frucht

Arten kennen und verstehen, dass jede Art unterschiedliche Ansprüche an ihren Lebensraum besitzt.

Biotop, Ökosystem, ökologische Nische, abiotische und biotische Faktoren, ökologische Potenz, Anpassungen an abiotische Faktoren.

Sozialform Einzelarbeit Dauer 30 Minuten Lernziele • Die SuS können anhand der Querschnitte von 2 verschiedenen Blatttypen (Weich- und

Hartlaub), die strukturellen Unterschiede erkennen, diese benennen und die Blätter verschiedenen Habitaten zuordnen (K3 Anwenden).

• Die SuS können durch die vergleichende Analyse von unterschiedlichen Pflanzentypen und ihren Umweltansprüchen strukturelle Unterschiede als Anpassung an die Verfügbarkeit von Wasser herausarbeiten (K4 Analyse).

• Die SuS kennen die wichtigsten baulichen Anpassungen von Pflanzen an die Verfügbarkeit von Wasser (K1 Wissen).

• Die SuS erkennen die Wichtigkeit des Umweltfaktors Wasser für die Gestalt der höheren Pflanzen (K5 Synthese).


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Hinführen zur Lernaufgabe Anpassungen von Pflanzen an die Verfügbarkeit von Wasser Sie haben sich in den vorangehenden Lektionen bereits Grundlagenwissen über den Bau und die Funktion der höheren Pflanzen angeeignet. Insbesondere haben Sie grob die grundlegenden Pflanzenorgane (Wurzel, Spross, Blatt, Blüte und Frucht) und ihre Funktion erarbeitet und gelernt. Die Grundstruktur der Pflanzenorgane der höheren Pflanzen ist immer gleich. Allerdings können wir zum Teil erhebliche strukturelle und funktionelle Anpassungen an die Umwelt feststellen. Wie Sie wissen, beeinflussen abiotische (z.B. Temperatur, Strahlung, Wasser) und biotische (z.B. Konkurrenten, Parasiten, Symbionten) Umweltfaktoren das Vorkommen und die Gestalt der Pflanzen. Durch die Bearbeitung dieser Lernaufgabe erlernen Sie die wichtigsten strukturellen Anpassungen der höheren Pflanzen an die Verfügbarkeit von Wasser. Sie vertiefen in diesem Zusammenhang die zentrale Rolle der Blattstruktur. Nach dem Bearbeiten der Lernaufgabe sollten Sie über folgendes Wissen beziehungsweise Fertigkeiten verfügen:

• Sie können anhand der Querschnitte von 2 verschiedenen Blatttypen (Weich- und Hartlaub) die strukturellen Unterschiede erkennen, diese benennen und die Blätter verschiedenen Habitaten (Umweltbedingungen) zuordnen.

• Sie kennen weitere wichtige bauliche Anpassungen von Pflanzen an die Verfügbarkeit von Wasser.

• Sie erkennen die Wichtigkeit des Umweltfaktors Wasser für die Gestalt der höheren Pflanzen.

• Sie können durch die vergleichende Analyse von unterschiedlichen Pflanzentypen und ihren Umweltansprüchen strukturelle Unterschiede als Anpassung an die Umwelt herausarbeiten.

Vorgehen Gehen Sie alleine und selbständig die Lernaufgaben der Reihe nach durch und bearbeiten Sie die Aufgaben und Fragen. Es stehen Ihnen für beide Arbeitsaufträge insgesamt 30 Minuten zur Verfügung. Am Ende der Lektion werden wir die Aufgaben im Plenum besprechen. Einige von Ihnen werden dem Rest der Klasse Ihre Teillösungen präsentieren und Fragen beantworten. Material Arbeitsblätter Notiz- und Schreibmaterial Lichtmikroskop Blattquerschnittspräparate


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Arbeitsauftrag 1 – Anpassungen des Blattaufbaus an unterschiedliche Umweltbedingungen 1. Lesen Sie den einleitenden Text („Einleitung – Der Blattaufbau“) 2. Schauen Sie sich die 2 Blattquerschnitte an den bereits eingerichteten

Mikroskopierarbeitsplätzen unter dem Lichtmikroskop an. 3. Skizzieren Sie die 2 verschiedenen Querschnitte und benennen Sie die Strukturen mit

Hilfe des untenstehenden Textes („Einleitung – Der Blattaufbau“) und des dazugehörigen Blattquerschnittes. Gibt es Strukturen, die Sie noch nicht kennen? Welche Funktion könnten diese erfüllen?

4. Vergleichen Sie die Blattquerschnitte und stellen Sie die Unterschiede tabellenartig dar.

5. Überlegen Sie sich welche Funktion die Anpassungen haben. An welche Klimas sind die 2 Blatttypen angepasst? Können Sie Beispiele von Pflanzen nennen, die diese Merkmale besitzen?

6. Zusatzaufgabe (fakultativ): Überlegen Sie sich mögliche Versuche, wie man die Wirkung von verschiedenen Merkmalen als Transpirationsschutz untersuchen könnte. Wie könnte ein vereinfachtes Modell aussehen, das die verschiedenen Anpassungen simuliert und wo die Wirksamkeit verglichen werden kann?

7. Vervollständigen Sie allenfalls Ihre Skizzen und Antworten während der gemeinsamen Besprechung.

Dauer: Für diesen Auftrag stehen Ihnen 15 Minuten zur Verfügung Einleitung – Der Blattaufbau Cuticula (auf den Epidermiszellen aufliegende Wachsschicht) und Epidermis (griech. epi über, darauf; derma Haut; primäres Abschlussgewebe von Sprossachse und Blättern) der Blattober- und Blattunterseite verhindern den Durchtritt von Stoffen, vor allem von Wasserdampf. Die Spaltöffnungen (Stomata) übernehmen die kontrollierte Wasserdampfabgabe und den Austausch von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2). Meist sitzen sie in der Epidermis der Blattunterseite (Ausnahmen: vergleichen Sie im Arbeitsauftrag 2). Die Stomata werden durch je zwei Schliesszellen gebildet und münden nach innen in das lockere Schwammgewebe, das zusammen mit dem chloroplastenreichen Palisadengewebe der Photosynthese dient (Bild 1).

Bild 1. Blattquerschnitt


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Arbeitsauftrag 2 - Generelle strukturelle Anpassungen von Pflanzen an die Verfügbarkeit von Wasser 1. Lesen Sie den einleitenden Text 2. Bearbeiten Sie die Aufgaben. Ergänzen Sie die fehlenden Angaben und markieren Sie

in den Abbildungen mit roter Farbe die jeweiligen strukturellen Anpassungen. Die Aufzählung von Beispielen einheimischer Pflanzen ist fakultativ. Hinweis: Beachten Sie die jeweiligen Umweltbedingungen an die die verschiedenen Pflanzen angepasst sind. Das Vergleichen der Abbildungen und das Suchen von Unterschieden erleichtert Ihnen diese Aufgabe.

3. Ergänzen Sie allenfalls Ihre Lösungen während der abschliessenden Besprechung Dauer: Für diesen Auftrag stehen Ihnen 15 Minuten zur Verfügung Einleitung – Anpassung an die Verfügbarkeit von Wasser Ob eine Pflanze längerfristig mit dem Wasserangebot an ihrem Standort auskommt, hängt davon ab, ob ihre Wasserbilanz positiv ist. Darunter versteht man die Differenz von Wasseraufnahme und Wasserabgabe. Wie Sie bereits wissen, wird die Wasserabgabe bei den meisten Pflanzen über die Spaltöffnungen reguliert und so auf die Wasseraufnahme abgestimmt. Die Pflanze verliert jedoch auch bei geschlossenen Spaltöffnungen Wasser, so zum Beispiel über die Epidermis und die Cuticula. Viele Pflanzen sind durch strukturelle Anpassungen an die unterschiedliche Verfügbarkeit von Wasser an ihren Standorten angepasst. Die funktionellen Anpassungen betreffen sowohl die Wasseraufnahme als auch die Wasserabgabe und es sind unterschiedliche Pflanzenorgane betroffen. Der Umweltfaktor Wasser hat folglich einen grossen Einfluss auf die Verbreitung und die Gestalt von Pflanzen. Im Folgenden werden verschiedene funktionelle Typen von Pflanzen und ihre jeweiligen Anpassungen abgebildet. Ergänzen Sie die fehlenden Informationen.


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Wasserpflanzen (Hydrophyten) Trockenpflanzen (Xerophyten)

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en • Ausreichend Wasser vorhanden

• Viele Pflanzenteile unter Wasser

• Trocken

• Stark besonnt

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Wasserspeicherpflanzen (Sukkulenten) Aufsitzerpflanzen (Epiphyten)

Um

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en • Sehr trockene Standorte

• Seltene oder unregelmässige Niederschläge

• Wachsen auf Rinde, Ästen und Astgabeln

• Entziehen den besiedelten Pflanzen kein

Wasser und keine Nährstoffe

• Wenig Wasser und Nährstoffe verfügbar

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Lösungen Arbeitsauftrag 1 3. Blattquerschnitte a) Weichlaubiges Blatt: Buche (Fagus sylvatica)

ep: Epidermis mit dünner Cuticula sp: Spaltöffnungen pl: Palisadenparenchym s: Schwammparenchym b) Hartlaubiges Blatt: Olivenbaum (Olea europaea)

Cu: Dicke Cuticula oE: obere Epidermis Pp: Palisadenparenchym Sch: Schwammparenchym SA: Spaltöffnungsapparat uE: untere Epidermis SH: Schuppenhaare


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4. Strukturelle Unterschiede zwischen Buchenblatt und Olivenblatt Weichlaubiges

Blatt (Buche) Hartlaubiges Blatt (Olivenbaum)

Funktion

Epidermis mit Cuticula

Dünne Zellwände und Cuticula

Dick, mit Wachsschicht

• Setzt Transpiration herab

Palisadengewebe Einschichtig Mehrschichtig, zum Teil auf Ober- und Unterseite

• Mehrschichtigkeit als Anpassung an die verstärkte Sonnenstrahlung

Spaltöffnungen Unterseite Auf der Ober- und Unterseite, eingesenkt

• Einsenkung schützt vor Wind (weniger Transpiration)

Behaarung Keine Behaarung sichtbar

Auf der Unterseite schirmförmige Schuppenhaare

• Schuppenhaare schützen die Spaltöffnungen vor starker Strahlung

• und verringern die Luftzirkulation (Wasserdampfgesättigte Zone um Spaltöffnung weniger gestört -> weniger Wasser wird transpiriert)

5. Klimatische Anpassung und Beispiele Das hartlaubige Olivenbaum-Blatt ist optimal an trockene und warme Sommer und milde Winter angepasst, typisch für die Mittelmeerregion. Die Hartlaubigkeit ist eine Anpassung an die sommerliche Trockenperiode während der die dicke Cuticula die Transpiration herabsetzt. Die Blätter sind immergrün und die Pflanzen verlieren ihre Blätter nicht zu einer bestimmten Jahreszeit. Beispiele: Oleander, Erdbeerbaum, Stein-Eiche Das weichlaubige Buchen-Blatt ist an mitteleuropäisches Klima angepasst. Da die Sonneneinstrahlung in diesen Gebieten nicht übermässig hoch ist und normalerweise ausreichend Wasser zur Verfügung steht, braucht das Blatt keine strukturellen Anpassungen. Die Blätter werden vor der kalten Jahreszeit abgeworfen. Beispiele: Birke, Pappel, Eberesche 6. Versuche zur Wirkung von Transpirationsschutzeinrichtungen Es können Joghurtbecher als Modelle für wasserhaltige Blätter gebraucht werden. Die verschieden gestalteten Blattoberflächen (behaart, unbehaart; mit/ohne Wachsschicht) können zum Beispiel mit Folienstreifen oder mit einer Ölschicht simuliert werden. Eingesenkte Spaltöffnungen können durch grössere Joghurtbecher simuliert werden. Die unterschiedlich präparierten Joghurtbecher werden mit gleichen Mengen Wasser gefüllt und bei Zimmerluft stehen gelassen. Nach einigen Tagen oder Stunden können die Joghurtbecher gewogen werden und die Versuchsergebnisse können erklärt werden und mit Transpirationsschutzeinrichtungen bei Pflanzen verglichen werden.


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Lösungen Arbeitsauftrag 2 Wasserpflanzen (Hydrophyten) Trockenpflanzen (Xerophyten)

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en • Ausreichend Wasser vorhanden

• Viele Pflanzenteile unter Wasser

• Trocken

• Stark besonnt

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• Dünne Epidermis

• Durchlüftungsgewebe (Aerenchym)

• Schwimmblätter haben Spaltöffnungen auf

Blattoberseite

• Kleine Blätter

• Verdornte Blätter

• Mehrschichtige Epidermis

• Dicke Cuticula

• Eingesenkte Spaltöffnungen

• Rollblätter

• Behaarung

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• Aufnahme von Wasser, CO2 und Nährstoffen

• Gaswechsel der untergetauchten Pflanzenteile

• Alle baulichen Anpassungen schränken die

Transpiration ein

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• Schilfrohr

• Sumpf-Schwertlilie

• Wasserlinse

• Laichkraut

• Thymian

• Steinkraut


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Wasserspeicherpflanzen (Sukkulenten) Aufsitzerpflanzen (Epiphyten)

Um

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ing

ung

en • Sehr trockene Standorte

• Seltene oder unregelmässige Niederschläge

• Wachsen auf Rinde, Ästen und Astgabeln

• Entziehen den besiedelten Pflanzen kein Wasser

und keine Nährstoffe

• Wenig Wasser und Nährstoffe verfügbar

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• Ähnliche Merkmale wie Trockenpflanze

• Zusätzliche Speichergewebe in Spross oder

Blättern

• Blätter oft zu Dornen umgewandelt

• Blattzisternen und Saugschuppen

• Sprossknollen

• Luftwurzeln

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• Transpirationsschutz

• Frassschutz

• Speicherung von Wasser

• Sammeln und Aufnehmen von (Regen-) Wasser

• Nährstoffaufnahme über Luftwurzeln

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• Mauerpfeffer

• Hauswurz

• Bei uns leben nur Flechten und Moose epiphytisch

auf Bäumen

• In den tropischen (Nebel)wäldern hingegen gibt es

auch unter den höheren Pflanzen zahlreiche

Epiphyten (viele Farne, Orchideen und

Ananasgewächse)


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Literaturangaben Lehrplan Maturitätsausbildung Kanton Bern Biologie Oberstufe, Cornelsen, 2011, Seiten 318, 320-321. Linder Biologie, Schroedel, 2010, Seite 81. Unterricht Biologie – Mittelmeer. http://www.forstbotanik.uni-freiburg.de/Lehre/Skripten/Skript%20Forstbotanik%20II

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