iLAB-Forscherkisten

Wie funktioniert die moderne Pflanzenzellkultivierung?

Einen Einblick dazu bietet die Forscherkiste “Mit Biotechnik zur modernen Pflanzenzüchtung” mit welcher das Wachstum von Pflanzenzellen auf Agarplatten erforscht werden kann.

Die Schüler*innen lernen zunächst Ziel und Nutzen der modernen Pflanzenzellkultivierung kennen und arbeiten anschließend mit auf Agarplatten kultivierten Basilikumzellen. Nach einer zweiwöchigen Kultivierung unter verschiedenen Belichtungsbedingungen stehen analytische Untersuchungen an. Zum einen wird die gebildete Biomasse durch Auswiegen bestimmt; des Weiteren steht bei einer photometrischen Messung die Bestimmung des Chlorophyllgehaltes als Maß für die Photosyntheseleistung im Fokus. In der Auswertung vergleichen die Schüler*innen das Wachstum und die Photosyntheseleistung bei den unterschiedlichen Kultivierungsbedingung.

DIESE FORSCHERKISTE IST AKTUELL IM AUFBAU UND KANN IN KÜRZE AUSGELIEHEN WERDEN

Die Forscherkiste wurde im Projekt ARWIN im Rahmen von U.EDU entwickelt.

Das Vorhaben "U.EDU: Unified Education - Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette" wird im Rahmen der gemeinsamen "Qualitätsoffensive Lehrerbildung" von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert. 

Mit dieser Experimentierkiste lernen die Schüler*innen wie Mikroorganismen in sogenannten Bioreaktoren kultiviert werden können. Dabei können sie selbst einen Bioreaktor aufbauen und eine Alge darin kultivieren. Zusätzlich können sie mit einem Photometer das Algenwachstum überprüfen. Das hierzu verwendete Photometer basiert auf einer Physical-Computing-Plattform (Arduino) und ist eine Entwicklung der Firma
desklab. Es muss zuerst von den Schüler*innen zusammengebaut werden. Dies fördert das Verständnis sowohl für die Elektronik als auch die photometrische Messung.

Was benötigt Hefe zum Wachstum oder warum geht Hefeteig? Dieser Frage wird mithilfe der Experimentierkiste nachgegangen. Dabei werden die Versuche mal bei unterschiedlichen Temperaturen, mal mit unterschiedlichen Zuckerkonzentrationen durchgeführt. Außerdem wird der  Einfluss der Zuckerart, des Lösungsmittels (Wasser/Öl) und die Auswirkung beim Zusatz von Salz untersucht.

Am Beispiel eines Hubschraubermodells wird das Zeichnen auf Isometriepapier und das Zeichnen mittels eines 3D-CAD-Programms (Sketch-Up) gelernt. Zusätzlich wird auf die Bedeutung von Plänen bei der Herstellung von Produkten eingegangen.

Die Experimentierkiste enthält ein Baukastensystem, welches es ermöglicht, Maschinen, mit unterschiedlichen Getrieben zusammenzubauen und deren Vor- und Nachteile einander gegenüberzustellen. Es werden Grundbegriffe wie  Welle, Nabe, Übersetzungsverhältnis ebenso kennengelernt wie physikalische Zusammenhänge (Drehrichtungen, Umdrehungsgeschwindigkeiten bei Getrieben). In einem weiteren Versuch werden Elektromotor und Generator verglichen.

Mit dieser Experimentierkiste erfahren die Schüler*innen, wie Forscher*innen und Ingenieur*innen vorgehen, wenn sie eine Strömung, die sie nicht sehen können, untersuchen wollen. Die Schülerinnen und Schüler können sich durch den Vergleich zweier umströmter Formen Gedanken zu windschnittigen Formen machen. Außerdem werden sie dazu angeregt, Phänomene aus dem Alltag wahrzunehmen, zu hinterfragen und zu erforschen (z.B. warum hat der Golfball Dellen?).

Schon bereits etablierte Versuche zur Fest-Flüssig-Extraktion von Photopigmenten aus Zellen höherer Pflanzen eröffnen den SchülerInnen deren bunte Vielfalt und rücken das Blatt als Organ der Photosynthese in den Fokus. Analog zu diesen Methoden werden in dieser Experimentierkiste Photopigmente und Phycobiliproteine aus den phototrophen Mikro- und Makroalgen gewonnen und mit einem Photometer vermessen.

Ziel ist es, den Wissenshorizont der Schülerinnen und Schüler durch die Erläuterung von Struktur-Funktions-Beziehung von photosynthetisch aktiven Strukturen in phototrophen Mikro- und Makroalgen zu erweiterten. Zu diesem Zweck wurden einfach durchzuführende Experimente mit einer Unterrichtsreihe entwickelt, die den Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe II die bunte Welt der Photopigmente und Phycobiliproteine näherbringen sollen.

Neben den grünen Chlorophyllen und den gelb- orangefarbenen Carotinoiden in Pflanzen haben Cyanobakterien und Rotalgen zusätzliche Lichtantennenkomplexe entwickelt, die sogenannten Phycobilisome, die aus verschiedenen Phycobiliproteinen (blau: C-Phycocyanine und Allophycocyanin; rot: Phycoerythrine) bestehen. Mikro- und Makroalgen und deren Bedeutung im Hinblick auf den Klimawandel öffnen so neue Felder an Lehr-Lern-Kontexten und Relevanzen zur Verknüpfung der „Sustainable Development Goals“ (SDGs) im naturwissenschaftlichen Unterricht.

Mit den Materialien dieser Experimentierkiste lassen sich die Pigmente grüner Pflanzen durch Kreidechromatographie auftrennen und sichtbar machen. Sie empfiehlt sich somit als anschaulischer Einstieg in das Thema Photosynthese. Außerdem bietet sie eine Einführung in die Grundlagen der Chromatographie.