025 – Beobachtung von Pflanzenzellen

Pflanzenzellen waren die ersten Zellen, die jemals von irgendjemandem gesehen wurden. 1665 legte Robert Hooke einen Korkspan unter ein Mikroskop, stellte fest, dass dieser in winzige Kammern unterteilt war, und entlieh sich das Wort Zelle aus den kleinen Räumen eines Klosters. Was Kork lesbar machte, wo tierisches Gewebe es nicht war, ist genau das, was Pflanzenmaterial heute zum besseren Lehrmittel macht: Eine feste Zellulosewand um jede Zelle zieht eine sichtbare Grenze, egal ob die Zelle gefärbt ist oder nicht.

Wasserpest, die Wasserpest, ist die Standardwahl. Ihr Blatt ist nur zwei Zellschichten dick, sodass ein ganzes Blatt flach und ohne Schnitte montiert werden kann und das Licht direkt hindurchscheint. In jeder Zelle sitzen Dutzende Chloroplasten, die dicht mit Chlorophyll gefüllt und daher so grün sind, dass sie ganz ohne Färbung zu sehen sind, während eine einzige große zentrale Vakuole den größten Teil des Volumens einnimmt und das Zytoplasma und die Chloroplasten in einer dünnen Schicht gegen die Wand drückt. Fast jedes charakteristische Merkmal einer Pflanzenzelle – Wand, Chloroplasten, Vakuole, eine geordnete Gewebegeometrie – ist in einem einzigen Präparat sichtbar.

Der Zellkern bildet die Ausnahme. Er ist in jeder Zelle vorhanden, aber nahezu durchsichtig und geht zwischen den Chloroplasten leicht verloren, weshalb im Labor zwei Objektträger anstelle von einem verwendet werden. Der erste ist ein einfacher Wasserpräparat-Objektträger, der die Zellen so zeigt, wie sie sind. Der zweite erhält einen Tropfen Lugolscher Lösung – Iod in Kaliumiodid –, die sich an Proteine und Nukleinsäuren bindet und den Zellkern gelbbraun einfärbt. Sie schalten die Durchlichtbeleuchtung ein, arbeiten sich über 40×, 100× und 400× hoch und verwenden den Grobtrieb nur bei der geringsten Vergrößerung, speichern bei jedem Schritt ein Bild und vergleichen die beiden Objektträger direkt. Zusammen mit Labor 024 über tierische Zellen gelesen, macht dieses Paar den strukturellen Unterschied zwischen den beiden Reichen sichtbar, anstatt ihn nur zu behaupten.

Bildungsziele

Einarbeitung in die Laborumgebung

• Suchen Sie vor Beginn das Mikroskop und seinen Schalter, die drei verwendbaren Objektive, den Grob- und Feinfokussknauf, den Objekttisch, das Becherglas, die Pinzette, die Objektträger, die Deckgläser und das Saugpapier.

Bedienung eines Lichtmikroskops

• Stellen Sie die Durchlichtbeleuchtung von unten ein und erklären Sie, warum ein zwei Zellen dickes Blatt ein fast ideales Präparat dafür ist.
• Wechseln Sie die Objektive in aufsteigender Reihenfolge – 4×, dann 10×, dann 40× – und berechnen Sie die jeweilige Gesamtvergrößerung mit einem 10× Okular.
• Verwenden Sie den Grobtrieb nur bei der niedrigsten Vergrößerung und den Feintrieb bei höheren, und erklären Sie, warum das 100-fache Ölimmersionsobjektiv von diesem Labor ausgeschlossen ist.

Herstellung eines Nativpräparats

• Übertragen Sie ein kleines Blatt mit einer Pinzette, ohne es zu zerreißen oder zu falten, überschwemmen Sie es mit Flüssigkeit, senken Sie ein Deckglas ab, ohne Luft einzuschließen, und tupfen Sie den Überschuss ab, damit das Deckglas flach aufliegt.
• Erklären Sie, warum das Blatt während des gesamten Vorgangs feucht bleiben muss und was mit den Zellen passiert, wenn das Präparat austrocknen gelassen wird.

Identifizierung von Pflanzenzellstrukturen

• Identifizieren Sie die Zellwand, die Chloroplasten, die zentrale Vakuole und – auf dem gefärbten Präparat – den Zellkern und nennen Sie die Funktion jedes Einzelnen.
• Beschreiben Sie die Anordnung der Zellen im Gewebe und bringen Sie diese ziegelsteinartige Geometrie mit dem Vorhandensein einer starren Wand in Verbindung.

Verwendung eines biologischen Färbemittels

• Vergleichen Sie das Wasserpräparat und das Lugol-Präparat direkt und sagen Sie präzise, welche Struktur der Farbstoff offenbart und welche Strukturen bereits ohne ihn sichtbar waren.

Beobachtung und Aufzeichnung

• Speichern Sie für beide Objektträger ein Mikroskopbild bei jeder Vergrößerung, annotieren Sie die 400-fache gefärbte Ansicht und schätzen Sie die Zellabmessungen anhand des bekannten Sehfelds anstatt zu raten.

Protokoll

Vorbereitung

1. Schalten Sie das Mikroskop ein, indem Sie den Schalter an der Vorderseite des Geräts betätigen. Sie schalten den Auflichtein, sodass das durchscheinende Licht von unten durch die Probe fällt, was ideal für transparente Präparate ist.
2. Füllen Sie den kleinen Becher vollständig mit kaltem Leitungswasser.
3. Legen Sie zwei saubere Objektträger auf Ihre Arbeitsfläche.

Vorbereitung der ersten Folie

1. Verwenden Sie eine Pinzette, um vorsichtig ein kleines Elodeablatt auf das erste Objektträger zu legen.
2. Geben Sie einen Wassertropfen auf das erste Objektträgerglas.
3. Bedecken Sie den Objektträger mit einem Deckgläschen.
4. Tupfen Sie überschüssiges Wasser vorsichtig mit saugfähigem Papier ab.

Vorbereitung der zweiten Folie

1. Bringen Sie mit einer Pinzette vorsichtig ein kleines Wasserpestblatt auf das zweite Objektträgerglas auf.
2. Geben Sie einen Tropfen Lugol'sche Lösung auf das zweite Objektträger.
3. Bedecken Sie den Objektträger mit einem Deckgläschen.
4. Tupfen Sie überschüssiges Wasser vorsichtig mit saugfähigem Papier ab.

Beobachtung der ersten Folie

1. Legen Sie das Präparat auf den Objektträgertisch des Mikroskops.
2. Klicken Sie auf dem Tablet auf die Schaltfläche «Mikroskop», um das Mikroskopbild anzuzeigen.
3. Sie können ein Bild der beobachteten Mikroskopansicht speichern, indem Sie auf die Schaltfläche «Bild speichern« im linken unteren Bereich des Abschnitts «Mikroskop« klicken.

Mikroskopeinstellung

1. Verstellen Sie die Vergrößerung durch Berühren der Mikroskopobjektive. Beginnen Sie die Beobachtung mit einer Vergrößerung von 40 x (rotes Objektiv – Beschriftung Plan 4/0,10).
2. Stellen Sie die Schärfe mit den Grobverstellknöpfen links und rechts am Mikroskop ein. Verwenden Sie bei dieser Vergrößerung ausschließlich die Grobverstellknöpfe.
3. Erhöhen Sie die Vergrößerung schrittweise von 40-fach auf 100-fach (gelbes Objektiv – mit der Bezeichnung „Plan 10/0,25“) und anschließend auf 400-fach (blaues Objektiv – mit der Bezeichnung „Plan 40/0,65“), wobei Sie jedes Mal ausschließlich mit dem Feineinstellknopf nachfokussieren. Bei diesen Vergrößerungen kann der Grobverstellknopf das Objektiv gegen den Objektträger drücken.

Hinweis: Eine Vergrößerung von 1000x (Objektiv weiß – beschriftet mit Plan 100/1.25) erfordert die Verwendung von Öl zwischen Objektiv und Deckglas. Dieses Objektiv wird daher in diesem Labor nicht verwendet.

Beobachtung der zweiten Folie

1. Ersetzen Sie die erste Folie durch die zweite Folie mit dem Elodea-Blatt und der Lugolschen Lösung.
2. Bei 400-facher Vergrößerung (blaues Objektiv – bezeichnet als Plan 40/0,65) beobachten, um einen Zellkern zu identifizieren, der durch das Lugolsche Reagenz gelb gefärbt erscheinen sollte.
3. Beobachtungen aufzeichnen: Wichtige Beobachtungen dokumentieren oder festhalten.

Mikroskop ausschalten

1. Schalten Sie das Mikroskop aus, indem Sie den Schalter an der Vorderseite des Geräts betätigen.

Erwartete Ergebnisse

Ein Satz von Referenzbildern der erwarteten Mikroskopansichten ist verfügbar in dieses Dokument (PDF).

Wie die Zellen aussehen und warum

Die einzige Tatsache, die fast jede Beobachtung erklärt, ist die Zellwand. Eine 0,1–1 µm dicke Cellulose-Schicht umgibt jede Zelle, ist steif genug, um einer Verformung zu widerstehen, und ist mit ihren Nachbarn verklebt. Zellen können sich daher nicht abrunden, aneinander vorbeigleiten oder überlappen: Sie behalten eine feste rechteckige Form bei und bedecken das Blatt lückenlos in geordneten Reihen. Wasserpest Blattzellen sind etwa 50–100 µm lang und 20–30 µm breit, sodass bei 400-facher Vergrößerung nur eine Handvoll das Gesichtsfeld ausfüllen – groß genug, dass nicht nur die einzelne Zelle, sondern deren Anordnung zum Gegenstand der Untersuchung wird.

Die Zellwand erklärt auch die Funktion der Vakuole. Da die Zellwand dem Druck standhalten kann, kann die Zelle osmotisch Wasser aufnehmen, bis ihr Inhalt mit einem Turgordruck von mehreren hundert Kilopascal nach außen gegen die Zellwand drückt. Das Wasser wird in einer großen zentralen Vakuole gespeichert, die in einer reifen Zelle 80–90 % des Volumens einnimmt und das Zytoplasma, die Chloroplasten und den Zellkern in eine dünne Randschicht drückt. Deshalb erscheinen die Chloroplasten eher als Randstreifen denn als gefüllte Scheibe, und deshalb wirkt das Zentrum jeder Zelle leer. Eine tierische Zelle, die in dasselbe Wasser gegeben würde, würde anschwellen und platzen, da sie keine Zellwand hat, die den Druck zurückdrücken könnte – der direkte Bezug zum Labor 004 zum Thema Osmose.

Die Chloroplasten sind ohne jede Färbung sichtbar, weil sie bereits einen Farbstoff enthalten. Chlorophyll absorbiert stark im roten und blauen Bereich und transmittiert im grünen, sodass jeder Chloroplast – ein linsenförmiges Organell mit einem Durchmesser von etwa 5 µm – dem Lichtstrahl genügend Licht entzieht, um als deutlicher grüner Körper erkennbar zu sein. Ein typischer Wasserpest Zelle enthält mehrere Dutzend. Sie sind zudem beweglich und driften langsam mit dem Zytoplasma, was einer der wenigen unter dem Lichtmikroskop beobachtbaren lebenden Prozesse ist.

Vergrößerung, Auflösung und Sichtfeld

Die Gesamtfunktionsvergrößerung ist das Produkt aus Objektiv und Okular: Mit dem Standard-10×-Okular gilt M = M_obj × M_Auge ergibt 4 × 10 = 40×, 10 × 10 = 100× und 40 × 10 = 400×. Was überhaupt getrennt werden kann, wird stattdessen durch die numerische Apertur bestimmt, die hinter der Vergrößerung jedes Objektivs aufgedruckt ist. Nach dem Abbeschen Kriterium d = λ / (2 × NA); für grünes Licht bei λ = 550 nm ergibt das rote Objektiv d = 550 nm ÷ (2 × 0,10) = 2,8 µm, das gelbe 1,1 µm und das blaue 550 nm ÷ (2 × 0,65) = 0,42 µm. Ein 5 µm großer Chloroplast ist daher mit allen drei auflösbar, was mit der Beobachtung übereinstimmt, dass die grünen Granula ab 100× sichtbar sind; das weggelassene 100×-Ölimmersionsobjektiv (NA 1,25) würde 0,22 µm erreichen, allerdings nur mit Immersionsöl, um die Strahlen mit steilem Winkel über den Zwischenraum zu leiten.

Das Sehfeld verringert sich proportional zur Objektivvergrößerung. Bei einem Okular mit der Sehzahl 18 mm beträgt der sichtbare Durchmesser beim roten Objektiv 18 ÷ 4 = 4,5 mm, beim gelben 1,8 mm und beim blauen 18 ÷ 40 = 0,45 mm oder 450 µm. Das bietet eine Möglichkeit, die Zellen ohne Messplatte zu vermessen: Ein 400-fach-Sehfeld von 450 µm Durchmesser, das von etwa sechs Zellen hintereinander überspannt wird, ergibt eine Zelllänge von jeweils nahe 75 µm, was im erwarteten Bereich liegt. Die Schärfentiefe nimmt noch schneller ab, von Dutzenden von Mikrometern bei 40-fach auf unter ein Mikrometer bei 400-fach, weshalb der Grobtrieb auf niedrige Vergrößerungen beschränkt ist – bei 400-fach befindet sich das Objektiv einen Bruchteil eines Millimeters über dem Deckglas, und eine Grobbewegung treibt Glas in Glas.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus — den sicheren Umgang mit dem Mikroskop und das Bestimmen der Bestandteile einer Pflanzenzelle sowie des dazugehörigen Vokabulars: Objektiv, Okular, Objekttisch, Grob- und Feineinstellung, Quetschpräparat, Deckglas, Farbstoff, Zellwand, Chloroplast, Vakuole, Zellkern.
• Aktivitäten — bereiten Sie beide Objektträger vor, betrachten Sie jeden bei 40-facher, 100-fach und 400-fach Vergrößerung und speichern Sie die sechs Bilder. Zeichnen Sie die 400-fach vergrößerte, gefärbte Ansicht und beschriften Sie die Zellwand, einen Chloroplasten, die zentrale Vakuole und den Zellkern. Beantworten Sie die Leitfragen: Welche Farbe haben die Chloroplasten und warum sind sie ohne jegliche Färbung zu sehen? Welche einzelne Struktur wurde durch die Lugolschen Lösung sichtbar gemacht? Warum sind die Zellen in ordentlichen Reihen angeordnet und nicht wahllos aufgetürmt?

11. Klasse

• Fokus – Quantifizierung der Beobachtung und Verknüpfung jeder Struktur mit ihrer Funktion.
• Aktivitäten — berechnen Sie die Gesamtvergrößerung jedes Objektivs mit einem 10-fachen Okular; verwenden Sie das Sehfeld (18 mm ÷ Objektivvergrößerung), um die Länge und Breite einer Zelle sowie den Durchmesser eines Chloroplasten zu schätzen, und vergleichen Sie diese mit den akzeptierten Werten von 50–100 µm, 20–30 µm und 5 µm; erklären Sie, wie die Zellwand sowohl für die rechteckige Form als auch für die kachelartige Anordnung verantwortlich ist; erklären Sie, warum die Chloroplasten einen Ring um eine scheinbar leere Mitte bilden, und nennen Sie die verantwortliche Struktur; und erstellen Sie eine nebeneinanderliegende Vergleichstabelle mit den Mundschleimhautzellen aus Labor 024, in der jede Struktur aufgelistet wird, die in der einen vorhanden und in der anderen abwesend ist.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus — die Optik, die das Instrument begrenzte, die physikalische Chemie des Turgors und die Selektivität der Färbung.
• Aktivitäten — Berechnen Sie die Abbe-Grenze d = λ / (2 × NA) für alle vier Objektive, einschließlich des ausgeschlossenen 100×/1,25, und erklären Sie, was Immersionsöl bewirkt und warum das Objektiv ohne es unbrauchbar ist; unterscheiden Sie Auflösung von Kontrast und nutzen Sie diesen Unterschied, um zu erklären, warum Chloroplasten keine Färbung benötigen, der Zellkern hingegen schon; bringen Sie die zentrale Vakuole mit dem Wasserpotential und dem Turgordruck in Verbindung, sagen Sie voraus, was nach dem Einbetten des Blattes in eine konzentrierte Salzlösung anstelle von Wasser zu sehen wäre, und benennen Sie das Ergebnis; erklären Sie die Chemie der Lugolschen Lösung (Triiodidbildung, Affinität zu Protein und Nukleinsäure sowie die separate blauschwarze Reaktion mit Stärke) und sagen Sie voraus, wie sich das gefärbte Bild zwischen einem Blatt, das 48 Stunden lang in hellem Licht gehalten wurde, und einem, das im Dunkeln gehalten wurde, unterscheiden würde; und entwerfen Sie eine Kontrolle, die eine echte Zellwand vom Rand einer eingeschlossenen Luftblase unterscheidet.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Auflicht-Mikroskop? Nein, das heißt: Durchlicht-Lichtmikroskop mit Durchlichtbeleuchtung und Plan-Objektiven 4/0,10, Plan 10/0,25 und Plan 40/0,65 sowie einem 10× Okular – 40×, 100× und 400× gesamt (das Plan 100/1,25 Öl-Objektiv wird nicht verwendet)
• 2 Mikroskopie-Objektträger
• 2 Deckgläser
• Pinzette (für die Handhabung der Blätter und Deckgläser)
• Tropfer
• Becherglas (50 mL), gefüllt mit Wasser
• Saugpapier

Produkte

• Wasserpest (Wasserpest) in Schwebe gelassene Blätter – ein kleines Blatt pro Objektträger
• Wasser (1 Tropfen, erste Folie)
• Lugol-Lösung 2% (1 Tropfen, zweiter Objektträger)