Erläutere das Konzept der ökologischen Nische und übertrage es auf das Beispiel des Weizens (M 1).

Leite aus dem Modellversuch die Auswirkungen einer erhöhten Salzkonzentration im Bodenwasser auf die Assimilatproduktion und damit den Weizenertrag ab (M 2).

Beurteile die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus dem Modellversuch auf die Realbedingungen beim Weizen (M 1, M 2).

Erläuterung ökologische Nische

• Das Konzept der ökologischen Nische beschreibt die Gesamtheit aller Wechselwirkungen zwischen einer Art und ihren abiotischen und biotischen Umweltfaktoren.

• Am Beispiel des Weizens wird dies u. a. wie folgt deutlich:

  • Weizen benötigt eine bestimmte Mineralstoffzusammensetzung im Boden

  • Weizen steht in interspezifischer Konkurrenz mit anderen Arten um begrenzte Ressourcen

In der Gesamtbetrachtung aller für den Weizen relevanten Umweltfaktoren ergibt sich dessen artspezifische ökologische Nische, wobei der Mensch bei der Kulturpflanze Weizen durch die Beeinflussung bestimmter Umweltfaktoren auf die Erfüllung der artspezifischen Ansprüche aktiv Einfluss nimmt.

Planung Modellversuch

• Anfertigen und mikroskopieren eines Präparats der Epidermis der roten Küchenzwiebel in Leitungswasser

• Epidermiszellen der roten Küchenzwiebel dienen als Modell für Pflanzenzellen in unterschiedlich konzentrierten Lösungen.

• Leitungswasser modelliert ein nicht von übermäßiger Bodenversalzung betroffenes Milieu und dient als Kontrollversuch.

• Gesättigte NaCl-Lösung modelliert eine starke Salzbelastung der Bodenlösung

• Leitungswasser muss dann gegen die gesättigte NaCl-Lösung ausgetauscht werden oder es wird ein zweites Präparat aus demselben Gewebe in gesättigter NaCl-Lösung statt Leitungswasser angefertigt.

• Nach kurzer Wartezeit wird erneut mikroskopiert. Alle anderen Parameter bleiben unverändert, um ausschließlich die Auswirkungen der höheren Salzkonzentration auf Pflanzenzellen zu überprüfen.

Durchführung des Modellversuchs

• Herstellung der Präparate

• Einstellung Mikroskop

• Qualität des Präparats in NaCl-Lösung

• sachgerechte Arbeitsweise unter Berücksichtigung der Sicherheitsbestimmungen

Beschreibung der Veränderungen

• Ablösung der Zellmembran von der Zellwand (Plasmolyse)

  → Schrumpfen des Protoplasten; intensivere Färbung und Schrumpfen der Zellsaftvakuole im Vergleich zur Zelle im Leitungswasser

Mikroskopische Zeichnung

• formal und inhaltlich richtige mikroskopische Zeichnung einer plasmolysierten Epidermiszelle der roten Küchenzwiebel, die mit dem Ersatzergebnis oder Präparat übereinstimmt

• vollständige und korrekte Beschriftung der sichtbaren Strukturen

Hinweis: Die Bewertungskriterien für die mikroskopische Zeichnung werden vom prüfenden Fachlehrer, wie im Unterricht behandelt, festgelegt.

Auswirkungen einer erhöhten Salzkonzentration im Bodenwasser

• die Beobachtungen aus dem Modellversuch beruhen auf einem Wasserausstrom aus der Zellsaftvakuole, der sich auch bei einer erhöhten Salzkonzentration im Bodenwasser einer Wurzelhaarzelle der Weizenpflanze einstellt

• Schädigung der Wurzelhaarzelle durch Wasserverlust aufgrund osmotischer Wirksamkeit der gesättigten NaCl-Lösung und damit Bestätigung der Hypothese aus M 2

• Wasseraufnahme über Wurzelhaarzelle nicht mehr möglich

• Wassermangel in der Weizenpflanze → Schließen der Stomata → kein bzw. weniger Kohlenstoffdioxid wird aufgenommen und im Calvin-Zyklus fixiert → geringere Glukosebildung → geringere Stärkebildung → geringere Assimilatproduktion → Weizenertrag nimmt ab

Beurteilung

Jedes Modell steht stellvertretend und vereinfachend für komplexe Realbedingungen:

Anstelle von Wurzelhaarzellen des Weizens wurden Epidermiszellen der Zwiebel verwendet. Bei beiden Zelltypen handelt es sich um Pflanzenzellen mit grundsätzlich ähnlichem Aufbau, sodass die beobachteten Prozesse in ähnlicher Form auch an Wurzelhaarzellen des Weizens ablaufen würden.

Gesättigte NaCl-Lösung steht als Modell stellvertretend für einen erhöhten NaCl-Gehalt der Bodenlösung, wobei unter realen Bedingungen eine solch hohe Konzentration vermutlich nicht erreicht wird und der auf dem Weizenfeld beobachtete Wasserverlust der Wurzelhaarzellen in der Regel weniger stark ausfällt.

Unter Realbedingungen kommen neben NaCl noch weitere Salze im Boden vor, die z. B. aus Düngemitteln stammen, und eine Vielzahl weiterer Faktoren, wie z. B. Bodentyp und Niederschlagsmenge, beeinflussen die osmotischen Verhältnisse im Boden.

Sachurteil: Der Modellversuch stellt eine Vereinfachung der realen Bedingungen dar, ist aber für eine Veranschaulichung des Grundproblems der Bodenversalzung grundsätzlich geeignet.