027 – Keimung

Die Keimung ist der Zeitpunkt, an dem ein trockenes, ruhendes Saatgut zu einer lebenden Pflanze wird. Durch Imbibition aufgenommenes Wasser reaktiviert den Stoffwechsel des Samens, Enzyme bauen die in den Keimblättern gespeicherte Stärke und Proteine ab, die Radicula bricht hervor und verankert den Keimling, und der Spross drückt sich nach oben zur Oberfläche. Nichts davon erfordert Licht: Ein Samen keimt im Dunkeln auf Basis der in ihm enthaltenen Reserven völlig problemlos. Was jedoch Licht erfordert, ist der nächste Schritt. Chlorophyll kann im Dunkeln nicht aufgebaut werden, sodass ein Keimling, der ohne Licht die Luft erreicht, blass bleibt, seinen Stängel in einem schützenden Haken gebogen hält und seine Blätter nie öffnet; er zehrt von seinen Reserven, bis diese aufbraucht sind. Bei Licht streckt sich der Haken, die Keimblätter und die ersten Blätter entfalten sich und färben sich grün, und die Pflanze schaltet von der Veratmung ihrer Reserven auf die eigene Zuckerproduktion durch Photosynthese um. Saatgutfirmen, Züchter und Gewächshausbetreiber sind darauf angewiesen, genau zu wissen, wie viel Licht ein Keimling für diesen Übergang benötigt und wie schnell. In diesem Labor weichen Sie drei Bohnensamen in Wasser ein, pflanzen sie in drei identische, nummerierte Töpfe und stellen dann jeden Topf in eine andere Lichtumgebung: Topf 1 in einen geschlossenen Schuhkarton, Topf 2 auf die Theke neben der Spüle bei normalem Raumlicht und Topf 3 direkt unter eine eingeschaltete Lampe. Alle drei erhalten dieselbe Erde und dasselbe Gießwasser. Sie stellen dann die Uhr jeweils um 24 Stunden vor und gießen die Pflanzen jeden Tag für den Zeitraum von zehn Tagen, wobei Sie alle drei Töpfe täglich fotografieren, sodass das Licht die einzige Variable ist, die sie voneinander unterscheidet.

Bildungsziele

Einarbeitung in die Laborumgebung

• Lokalisieren und identifizieren Sie die Blumentöpfe, die 50-ml-Bechergläser, die Spritzflasche, die Lampe, den Schuhkarton und die Uhr, und geben Sie an, welche Rolle die einzelnen Gegenstände im Experiment spielen.
• Finden Sie die Bildtabelle auf dem Tablet und verstehen Sie, dass sie für jeden Tag des Experiments ein Foto von jedem Topf enthält.

Design eines kontrollierten Vergleichs

• Identifiziere Licht als die unabhängige Variable und nenne, was bewusst konstant gehalten wird: derselbe Samentyp, dieselbe Erde, derselbe Topf, dieselbe Wassermenge nach demselben Zeitplan und dieselbe Temperatur.
• Erklären Sie, warum die drei Töpfe in jeder anderen Hinsicht absolut identisch behandelt werden müssen, damit ein Unterschied zwischen ihnen überhaupt eine Bedeutung hat.

Saatgutvorbereitung und Aussaat

• Weichen Sie jeweils eine Bohne in drei 50-ml-Bechergläsern ein, die zur Hälfte mit Leitungswasser gefüllt sind, und erklären Sie, warum das Aufweichen der Samenschale die Keimung beschleunigt.
• Pflanzen Sie die eingeweichten Samen in die nummerierten Töpfe und behalten Sie zehn Tage lang im Auge, welcher Samen in welchem Topf ist.

Tägliche Wartung und Zeitkontrolle

• Gießen Sie alle drei Töpfe jeden Tag mit der Spritzflasche und geben Sie jedem die gleiche Menge.
• Stellen Sie die Uhr um 24 Stunden vor und wiederholen Sie den Zyklus, sodass die zehntägige Sequenz vollständig und unterbrechungsfrei ist.

Beobachtung und Dokumentation

• Erfassen Sie für jeden Topf an jedem Tag, ob der Trieb hervorgetreten ist, seine ungefähre Höhe, seine Farbe und ob sich der Haken geöffnet und die Blätter entfaltet haben.
• Nutzen Sie die täglichen Fotografien, um den Tag festzulegen, an dem jede Phase stattfand, anstatt sich am Ende auf das Gedächtnis zu verlassen.

Interpretation des Ergebnisses

• Unterscheide die Keimung, die in allen drei Töpfen stattfindet, vom anschließenden Wachstum und der Vergrünung, die dies nicht tun.
• Setzen Sie das Aussehen jedes Keimlings in Beziehung zu dem ihm zur Verfügung stehenden Licht, und geben Sie an, was das Experiment mit nur einer Pflanze pro Bedingung beweisen kann und was nicht.

Protokoll

Die Vorbereitung und die Beobachtung

1. Legen Sie jeweils einen Bohnensamen in die drei 50-ml-Becher.
2. Füllen Sie jeden 50-ml-Becher zur Hälfte mit Leitungswasser, um die Bohnensamen zu erweichen.
3. Pflanzen Sie die Bohnensamen in die Blumentöpfe mit den Nummern 1 bis 3 (um sie aufzunehmen, halten Sie Ihre offene Hand nach oben gerichtet am Boden des Becherglases).
4. Gießen Sie mit der Spritzflasche die Bohnenpflanzen mit der Nummer 1 bis 3.
5. Stellen Sie Bohnenpflanze 1 in den Schuhkarton, Bohnenpflanze 2 auf die Theke neben das Waschbecken und Bohnenpflanze 3 unter die Lampe.
6. Schalte die Lampe ein.
7. Sie müssen ein paar Tage warten, um die Keimung der Bohnenpflanze zu beobachten, abhängig von den Wasser- und Lichtverhältnissen.
8. Klicke auf den roten Knopf der Uhr, um die Zeit um 24 Stunden vorzuschalten.
9. Gieße jede der drei Pflanzen mit der Sprühflasche.
10. Wiederholen Sie den Schritt, die Zeit um 24 Stunden vorzuschieben und die drei Pflanzen zu gießen (Schritte 8 und 9), und beobachten Sie die Entwicklung der Bohnenpflanze, bis das Äquivalent von 10 Tagen vergangen ist.
11. Beobachten Sie die Entwicklung der Keimung von Bohnenpflanzen in Bezug auf die Lichteinstrahlung über die Tage.
12. Die Ergebnisse sind in der Tabelle des Tablets zu finden.

Erwartete Ergebnisse

Ergebnisse sind unter folgendem Link (PDF) zu finden

Alle drei Samen keimen. Was sie voneinander unterscheidet, ist alles, was geschieht, nachdem der Trieb die Luft erreicht hat. Die folgende Tabelle zeigt den Zustand jedes Topfes am Ende der zehntägigen Sequenz, wie er in den täglichen Fotografien der Simulation festgehalten wurde.

Die täglichen Fotografien erlauben es auch, die Abfolge der Keimung selbst zu datieren. Eine Bohne ist ein epigäischer Keimer, sodass die Stadien in einer festen Reihenfolge ablaufen, und dieselbe Reihenfolge zeigt sich in allen drei Töpfen, obwohl sich nur in zweifachen davon im weiteren Verlauf Blätter entwickeln.

Warum Licht nicht zum Keimen, aber zum Überleben benötigt wird. Die Keimung erfordert Wasser, Sauerstoff und eine geeignete Temperatur, und die Energie dafür stammt aus dem Samen, nicht von der Sonne: Die Keimblätter einer Bohnenpflanze sind ein Speicher für Stärke, Protein und Lipide, und Amylasen hydrolysieren diese Stärke zu Zuckern, die der wachsende Embryo veratmet. Aus diesem Grund keimt Topf 1 in völliger Dunkelheit im selben Zeitplan wie die anderen beiden. Die Reserven sind jedoch endlich. Ein Keimling wird erst dann autark, wenn er Photosynthese betreiben kann, 6 CO₂ + 6 Std.₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, und das erfordert grünes Gewebe. Der letzte Schritt beim Aufbau von Chlorophyll, die Umwandlung von Protochlorophyllid in Chlorophyllid, wird bei Blütenpflanzen selbst durch Licht angetrieben, sodass ein Keimling im Dunkeln das Pigment physikalisch nicht herstellen kann. Topf 1 stirbt an Tag 10 also nicht vor Hunger – er hat noch Reserven –, aber er hat keinen Weg zur Autotrophie und würde, bliebe er im Kasten, seine Keimblätter erschöpfen und sterben.

Zwei Wachstumsprogramme, ein Keimling. Ein Samen im Dunkeln hört nicht einfach auf zu wachsen; er folgt einem anderen und völlig sinnvollen Programm, das als Skotomorphogenese bezeichnet wird. Die Streckung des Sprosses wird der Entfaltung der Blätter vorgezogen, Chlorophyll wird nicht gebildet, und die Spitze ist in einem Haken geschützt, denn in der Natur bedeutet Dunkelheit, dass sich der Keimling noch unter der Erde befindet und sein einziger nützlicher Schritt darin besteht, die Oberfläche zu erreichen. Das erste Licht, das er empfängt, wird von Photorezeptoren wahrgenommen – Phytochromen für rotes und dunkelrotes Licht, Cryptochromen für blaues – und schaltet die Pflanze auf Photomorphogenese um: Der Haken öffnet sich, die Streckung des Sprosses verlangsamt sich, die Keimblätter und Laubblätter entfalten sich, und Chlorophyll reichert sich an. Topf 1 zeigt das Dunkelprogramm, die Töpfe 2 und 3 zeigen das Lichtprogramm, und der Unterschied zwischen Topf 2 und 3 zeigt, dass das Lichtprogramm weiterhin auf die Lichtmenge reagiert.

Warum die Lampe die Theke schlägt. Die drei Positionen unterscheiden sich stärker, als man vermuten könnte. Indirekte Innenbeleuchtung auf einer Theke liegt typischerweise in der Größenordnung von 100 bis 500 Lux, eine Schreibtischlampe aus nächster Nähe liefert mehrere tausend Lux und volles Tageslicht im Freien reicht von etwa 10.000 Lux bis zu mehr als 100.000 Lux. Ein Bohnenblatt erreicht seinen Kompensationspunkt – an dem die Photosynthese genau die Atmung ausgleicht – bei einigen Dutzend µmol Photonen pro m² pro Sekunde liegt und erst weit darüber saturiert. Topf 2 befindet sich daher oberhalb der Schwelle, bei der er überleben und grün werden kann, aber deutlich unter dem Niveau, bei dem er so schnell wächst, wie er könnte, während Topf 3 näher an diesem Niveau liegt, weshalb er in denselben zehn Tagen die größere Blattfläche anreichert. Die Rangfolge der drei Töpfe entspricht der Rangfolge des Lichts, das sie erhalten.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus der Unterschied zwischen Keimen und Wachsen und der Wortschatz eines kontrollierten Vergleichs.
• Aktivitäten: Stellen Sie die drei Töpfe auf und gießen Sie sie nach demselben Zeitplan; erfassen Sie Farbe, Höhe und Blattzustand für jeden Topf an jedem Tag in einer Tabelle wie Tabelle 1; identifizieren Sie die eine Variable, die geändert wurde, und listen Sie drei auf, die konstant gehalten wurden; geben Sie an, welcher Topf am besten und welcher am schlechtesten abgeschnitten hat, und erklären Sie in einem Satz, warum der Topf im Karton blass ist.

11. Klasse

• Fokus quantitativer Vergleich der drei Behandlungen und die Chemie hinter der Farbe.
• Aktivitäten: lesen Sie die Höhen aus den täglichen Fotografien ab und tragen Sie die Höhe gegen den Tag für alle drei Töpfe in ein einziges Achsenkreuz ein; erklären Sie, warum Chlorophyll im Dunkeln nicht gebildet werden kann, und benennen Sie das Pigmentstadium, das durch Licht freigegeben wird; erklären Sie den Haken und dessen Entfaltung; erklären Sie, wie der Keimling in der Schachtel überhaupt am Leben bleibt, und prognostizieren Sie, was mit ihm geschehen würde, wenn er an Tag 10 unter die Lampe gestellt würde; ordnen Sie die drei Positionen nach Beleuchtungsstärke und bringen Sie die Rangfolge mit dem beobachteten Wachstum in Verbindung.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus Versuchsdesign und was ein einzelner Sämling pro Behandlung nachweisen kann und was nicht.
• Aktivitäten: Liste jede Variable auf, die dieses Protokoll unkontrolliert lässt, und spezifiziere die Wiederholung, die Randomisierung der Topfposition und die verblindete Auswertung, die erforderlich sind, um die Demonstration in eine Messung zu verwandeln; argumentiere für die Trockenmasse und die Blattfläche gegenüber der Höhe als Antwortvariable und beschreibe, wie jede gemessen würde; erkläre Etiolierung als adaptive Strategie und nicht als Defekt und unterscheide die Rollen von Phytochrom und Cryptochrom; entwirf ein Folgeexperiment, das den Effekt der Lichtquantität von der Lichtqualität trennt, zum Beispiel eine Nur-Blau- und eine Nur-Rot-Behandlung bei angepasstem Photonenfluss; und erkläre, warum das tägliche Öffnen der Box zum Gießen von Topf 1 die Dunkelbehandlung schwächt und wie du dies vermeiden würdest.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Blumentöpfe (3, nummeriert von 1 bis 3)
• Bechergläser (50 mL, eines pro Samen)
• Waschflasche
• Schuhkarton
• Lampe
• Uhr (lässt die Zeit um 24 Stunden vorrücken)

Produkte

• Bohnensamen (3)
• Boden
• Leitungswasser