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AbituraufgabenDer Bau des Laubblatts

Nagellack-Abdrücke von drei Pflanzenarten und zwei Blätter derselben Buche: Was verrät der Bau eines Blattes über seinen Platz im Licht?

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Spaltöffnungen oben und unten

AFB I–II

Mit einem Abdruckverfahren (farbloser Nagellack wird auf die Blattoberfläche gestrichen, getrocknet und mit Klebefilm abgezogen) lassen sich die Spaltöffnungen einer Blattseite unter dem Mikroskop auszählen. Eine Kursgruppe hat so die Blätter von drei Pflanzenarten untersucht (M1). Die Blätter der Rotbuche stehen waagerecht und werden nur von oben beschienen; die Blätter des Maises stehen schräg bis steil aufgerichtet, sodass beide Seiten viel Licht erhalten.

M1Spaltöffnungsdichte auf Ober- und Unterseite
0501001502002503000220Rotbuche120175Sonnenblume6080MaisSpaltöffnungen je mm²BlattoberseiteBlattunterseite
Mittelwerte aus je zehn Gesichtsfeldern; Modellwerte, gerundet nach Literaturangaben.
  1. Beschreiben Sie den Bau eines bifazialen Laubblatts im Querschnitt von der Ober- zur Unterseite.
  2. Berechnen Sie mithilfe von M1 für jede Art den Anteil der Spaltöffnungen, der auf der Blattunterseite liegt, sowie die Gesamtzahl der Spaltöffnungen eines Rotbuchenblatts mit \(30\,\mathrm{cm^2}\) Blattfläche.
  3. Erklären Sie die Verteilung der Spaltöffnungen bei der Rotbuche mit dem Bau des Laubblatts.
  4. Deuten Sie die Werte des Maises im Vergleich zur Rotbuche.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Nennen Sie jede Schicht mit ihrem kennzeichnenden Merkmal — vergessen Sie die Leitbündel nicht.
Hinweis zu Aufgabe b)
Anteil = Unterseite / (Ober- + Unterseite). Rechnen Sie \(\mathrm{cm^2}\) in \(\mathrm{mm^2}\) um: \(1\,\mathrm{cm^2} = 100\,\mathrm{mm^2}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Was liegt unter der oberen, was über der unteren Epidermis? Denken Sie auch an Sonne und Wasserverlust.Erklären: auf Ursachen zurückführen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Beziehen Sie die Stellung der Blätter aus dem Einleitungstext ein.Deuten: Messwerte mit dem Fachwissen verknüpfen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Außen liegt die wachsartige, zellfreie Kutikula. Darunter folgt die einschichtige, lückenlose obere Epidermis aus chloroplastenfreien Zellen. Es schließt sich das Palisadengewebe an: lang gestreckte, dicht stehende Zellen mit sehr vielen Chloroplasten. Darunter liegt das Schwammgewebe aus unregelmäßig geformten, chloroplastenärmeren Zellen mit großen Interzellularen; hier verlaufen die Leitbündel mit Xylem (oben) und Phloem (unten). Den Abschluss bildet die untere Epidermis mit Spaltöffnungen aus je zwei Schließzellen und darüberliegender Atemhöhle, außen wieder von einer Kutikula bedeckt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Rotbuche: \(220/(0 + 220) = 100\,\%\); Sonnenblume: \(175/295 \approx 59\,\%\); Mais: \(80/140 \approx 57\,\%\).

Rotbuchenblatt: \(30\,\mathrm{cm^2} = 3000\,\mathrm{mm^2}\); \(3000\,\mathrm{mm^2}\cdot 220\,\mathrm{mm^{-2}} = 660\,000\) Spaltöffnungen (nur Unterseite).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Unter der oberen Epidermis liegt das dicht gepackte Palisadengewebe ohne größere Lufträume; Spaltöffnungen hätten dort keinen Anschluss an ein Interzellularsystem. Das lockere Schwammgewebe mit seinen großen Interzellularen liegt dagegen unten: Über die Atemhöhlen gelangt CO₂ von der Unterseite direkt in das Luftsystem und von dort zu den Palisadenzellen.

Zudem ist die Unterseite nicht direkt besonnt und kühler; über dort liegende Spaltöffnungen verdunstet weniger Wasser als auf der erwärmten Oberseite. Die Oberseite ist durch eine geschlossene Epidermis mit Kutikula gut gegen Wasserverlust geschützt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Beim Mais liegen die Spaltöffnungen auf beiden Seiten in ähnlicher Dichte (57 % unten), insgesamt ist die Dichte geringer als bei der Rotbuche. Da die aufgerichteten Blätter von beiden Seiten ähnlich viel Licht erhalten, gibt es keine ausgeprägte „Schattenseite“: Beide Seiten sind gleichermaßen belichtet und erwärmt, und auf beiden Seiten kann CO₂ für die Fotosynthese aufgenommen werden. Die Verteilung passt also zur Stellung des Blattes — das Maisblatt ist nicht bifazial gebaut wie das Rotbuchenblatt.

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Zwei Blätter einer Buche

AFB II–III

An einer frei stehenden Rotbuche wurden Blätter aus der sonnigen Außenkrone (Blatt A) und aus dem Inneren der Krone (Blatt B) untersucht. Neben dem Bau wurde der CO₂-Gasaustausch gemessen: Positive Werte bedeuten Aufnahme, negative Werte Abgabe von CO₂ (M2).

M2Bau und Gasaustausch zweier Blätter derselben Rotbuche
MerkmalBlatt A (Außenkrone)Blatt B (Kroneninneres)
Blattdicke≈ 200 µm≈ 100 µm
Palisadengewebe2 Zellschichten1 Zellschicht
Blattfläche25 cm²45 cm²
Spaltöffnungen je mm² (Unterseite)210150
CO₂-Gasaustausch im Dunkeln in \(\mathrm{µmol\,m^{-2}\,s^{-1}}\)−1,8−0,5
CO₂-Gasaustausch bei schwachem Licht in \(\mathrm{µmol\,m^{-2}\,s^{-1}}\)−0,4+0,8
CO₂-Gasaustausch bei starkem Licht in \(\mathrm{µmol\,m^{-2}\,s^{-1}}\)+12,0+5,0
Modellwerte in Anlehnung an Literaturangaben; Gasaustausch jeweils auf die Blattfläche bezogen.
  1. Vergleichen Sie den Bau der Blätter A und B anhand von M2 und ordnen Sie beide Blätter einem Blatttyp zu.
  2. Werten Sie die Messwerte zum CO₂-Gasaustausch aus und erklären Sie sie mit dem Blattbau.
  3. Nehmen Sie Stellung zu der Aussage: „Die Buche besitzt zwei Sorten von Genen – eine für Sonnenblätter und eine für Schattenblätter. Welche Blätter ein Ast trägt, ist erblich festgelegt.“
  4. Entwickeln Sie ein Experiment, mit dem sich prüfen lässt, dass die Lichtmenge die Ausbildung von Sonnen- und Schattenblättern bestimmt.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Nutzen Sie die ersten vier Zeilen der Tabelle als Vergleichskriterien.
Hinweis zu Aufgabe b)
Im Dunkeln misst man nur die Zellatmung. Bei Licht überlagern sich Fotosynthese und Zellatmung.Auswerten: Daten zu einer Gesamtaussage zusammenführen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Prüfen Sie, ob Zellen desselben Baumes unterschiedliche Erbinformation haben können.Stellung nehmen: Aussage prüfen, abwägen, eigene Position begründen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Eine Variable ändern, alles andere konstant halten — und genetisch gleiche Pflanzen verwenden. Beachten Sie, dass die Buche den Blatttyp schon in der Knospe anlegt.Entwickeln: Vorgehen begründet entwerfen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Gemeinsam: Beide Blätter zeigen denselben Grundbau (Schichtenfolge, Spaltöffnungen auf der Unterseite).

Unterschiede: Blatt A ist etwa doppelt so dick, hat zwei statt einer Palisadenschicht, eine kleinere Fläche (25 statt 45 cm²) und mehr Spaltöffnungen je mm² (210 statt 150). Blatt A ist ein Sonnenblatt, Blatt B ein Schattenblatt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Im Dunkeln geben beide Blätter CO₂ ab (nur Zellatmung); A gibt je Fläche mehr als dreimal so viel ab wie B, weil es mehr lebende Zellmasse je Fläche besitzt (dickeres Blatt, zwei Palisadenschichten).

Bei schwachem Licht gibt A noch CO₂ ab: Seine Fotosynthese reicht nicht aus, um die hohe Zellatmung auszugleichen. B nimmt bereits CO₂ auf, weil seine Zellatmung gering ist — das dünne Schattenblatt arbeitet bei wenig Licht mit Überschuss.

Bei starkem Licht nimmt A mit +12,0 mehr als doppelt so viel CO₂ auf wie B (+5,0): Mehr Palisadenschichten mit mehr Chloroplasten und mehr Spaltöffnungen ermöglichen eine hohe Fotosyntheseleistung, wenn genug Licht vorhanden ist.

Gesamtaussage: Jeder Blatttyp ist an die Lichtverhältnisse seines Standorts in der Krone angepasst.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage ist abzulehnen. Alle Zellen eines Baumes gehen durch Mitose aus der Zygote hervor und besitzen dieselbe Erbinformation. Sonnen- und Schattenblätter sind Modifikationen: Die Gene legen eine Reaktionsnorm fest, innerhalb derer die Lichtmenge am Ort der Knospe den Bau des Blattes bestimmt.

Richtig an der Aussage ist nur, dass die Fähigkeit, beide Blatttypen zu bilden, genetisch bedingt ist. Der konkrete Blatttyp eines Astes wird nicht vererbt; bei veränderten Lichtverhältnissen bildet derselbe Ast in einem späteren Jahr den anderen Blatttyp.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Hypothese: Die Lichtmenge während der Knospenbildung bestimmt den Blatttyp.

Vorgehen: Zweige desselben Baumes (gleiche Erbinformation) werden über eine Vegetationsperiode unterschiedlich belichtet — z. B. Zweige der sonnigen Außenkrone mit einem Schattiernetz abgedeckt, vergleichbare Zweige unbeschattet gelassen (Kontrolle). Alternativ werden Stecklinge eines Baumes unter hellem und schwachem Licht bei sonst gleicher Temperatur, Wasser- und Nährstoffversorgung angezogen. Da die Buche den Blatttyp in der Knospe anlegt, werden die Blätter erst im folgenden Frühjahr untersucht: Blattdicke, Zahl der Palisadenschichten (Querschnitt unter dem Mikroskop), Blattfläche, Spaltöffnungsdichte (Abdruckverfahren); mehrere Blätter je Gruppe.

Erwartung: Beschattete Zweige tragen Schattenblätter, unbeschattete Sonnenblätter — obwohl die Erbinformation gleich ist.