Spaltöffnungen oben und unten
AFB I–IIMit 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.
- Beschreiben Sie den Bau eines bifazialen Laubblatts im Querschnitt von der Ober- zur Unterseite.
- 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.
- Erklären Sie die Verteilung der Spaltöffnungen bei der Rotbuche mit dem Bau des Laubblatts.
- Deuten Sie die Werte des Maises im Vergleich zur Rotbuche.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
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.
Zwei Blätter einer Buche
AFB II–IIIAn 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).
| Merkmal | Blatt A (Außenkrone) | Blatt B (Kroneninneres) |
|---|---|---|
| Blattdicke | ≈ 200 µm | ≈ 100 µm |
| Palisadengewebe | 2 Zellschichten | 1 Zellschicht |
| Blattfläche | 25 cm² | 45 cm² |
| Spaltöffnungen je mm² (Unterseite) | 210 | 150 |
| 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 |
- Vergleichen Sie den Bau der Blätter A und B anhand von M2 und ordnen Sie beide Blätter einem Blatttyp zu.
- Werten Sie die Messwerte zum CO₂-Gasaustausch aus und erklären Sie sie mit dem Blattbau.
- 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.“
- Entwickeln Sie ein Experiment, mit dem sich prüfen lässt, dass die Lichtmenge die Ausbildung von Sonnen- und Schattenblättern bestimmt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
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.