Thema 0: LernZiele/ LernEinheiten
"STOFFWECHSEL als GRUNDLAGE allen LEBENS"

• ausführlich begründen, warum der Stoffwechsel die Grundlage des Lebens allgemein und spezifisch des menschlichen Lebens darstellt
• an mindestens je einem Beispiel die vier Hauptfunktionen des Stoffwechels anschaulich erläutern
• Enzyme charakterisieren und erklären, was substratspezifisch, wirkungsspezifisch bedeutet sowie die wichtigsten Faktoren, welche die Enzymgeschwindigkeit beeinflussen, graphisch und verbal darstellen
• für die Schule anschauliche Beispiele zur Bedeutung und wichtigen Funktionen des Stoffwechsels herleiten und mindestens zwei Versuche mit "schulgeeigneten" Enzymen theoretisch erklären und praktisch durchführen

Lerneinheiten Stoffwechsel --> Repetition wichtiger chemischer Grundlagen hier !!

1. Chemie als wichtige Grundlage der Biologie:
   Kenntnis der folgenden Grundbegriffe: chemische Elemente, Aufbau der Atome, Periodensystem der Elemente, chemische Bindungen, chemische Reaktionen (chemische Reaktionen bestehen aus dem Knüpfen oder Lösen von chemischen (Ver-)Bindungen; Redox-Reaktionen, Säure/Base-Reaktionen); anorganische Verbindungen (Salze, Säuren); organische Verbindungen (Kohlenhydrate).
   
2. Grundprinzipien des Lebens:
   Leben als Wechselwirkung zwischen Materie, Energie (an Energieträgern) und Information (an Informationsträger gebunden); die stoffliche Grundlage des Lebens (Elementarzusammensetzung C,H,O,N,S,P,Mg,Ca,Fe, Biomoleküle Kohlenhydrate, Fette, Proteine); Wesen des Fliessgleichgewichts
   
3. Stoffwechsel:
   Kenntnis der Grundprinzipien des Stoffwechsels (Prinzipien, 4 Schlüsselfunktionen [ATP-Bereitstellung, Bereitstellung von Wasserstoff als Reduktionsäquivalente NADPH/H⁺, Bereitstellung aktivierter Vorstufen, Biosynthese der Makromoleküle]); Kennzeichen des Betriebs- und Baustoffwechsels.
   
4. Enzyme als "Realisatoren des Stoffwechels":
   Enzyme steuern als Biokatalysatoren alle Umsetzungen im Körper. Dabei wirken sie reaktions- und substratspezifisch, setzen die Aktivierungsenergie herab und beschleungen so die zellulären Umsetzungen, ohne aber die Lage der Gleichgewichte zu verschieben. Rolle der Enzyme in Medizin und Technik.
   
   

Hauptziel dieser Veranstaltung ist es, 1. die vielen Funktionen der Pflanzen in Natur, Wirtschaft und Kultur aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften herauszuarbeiten und die zugrunde liegenden anatomischen, physiologischen, biochemischen und molekularbiologischen Fundamente zu erschliessen, 2. Sie zu einer aktiven Auseinandersetzung mit Pflanzen zu motivieren.

Sie sind am Ende dieser Einführung in die Pflanzenbiologie und ganz besonders am Ende der gesamten Veranstaltung "Pflanzenbiologie" in der Lage

• mindestens 10 Lebensbereiche aufzuzählen, wo Pflanzen unentbehrlich sind
• zu jedem bedeutenden Lebensbereich mindestens 2 praxisnahe Beispiele anzuführen
• zu jedem Lebensbereich mindestens ein geeignetes Demonstrationsobjekt, einen Beobachtungsauftrag und einen Schulversuch vorzuführen
• die besten Informationsquellen und Medien zum breiten Thema Pflanzen selbstständig zu befragen
  
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie bzw. können Sie

• 1: Pflanzenbiologie als Wissenschaft: Kenntnis der verschiedenen Disziplinen der Pflanzenbiologie, der besten Informationsquellen für Pflanzenbiologie (Lehrbücher und schulrelevante Literatur) sowie moderner Medien (Internet, CD-ROM, Video/DVD)
• 2: Mensch und Pflanze (Geschichte der Pflanzennutzung): Kenntnis der wichtigsten Phasen der Nutzung von Pflanzen
• 3: Bedeutung der Pflanzen: Die Bedeutung der Pflanzen im engeren und weiteren Sinne (d.h. direkte und indirekte Produkte und Dienstleistungen) anschaulich beschreiben, mindestens 10 Lebensbereiche aufzählen, wo Pflanzen unentbehrlich sind und zu jedem bedeutenden Lebensbereich mindestens zwei praxisnahe Beispiele aufführen
• 4: Veranschaulichung zur Bedeutung der Pflanzen: Zu jedem Lebensbereich mindestens ein geeignetes Demonstrationsobjekt vorschlagen, einen Beobachtungsauftrag anregen und einen Schulversuch vorführen
• 5: Pflanzen als nachwachsende Rohstoffe: Die Idee der "Nachwachsenden Rohstoffe" erklären und mit praktischen Beispielen veranschaulichen
• 6: Kennzeichen des Lebens am Bsp. Pflanze: Die Kennzeichen des Lebens am Beispiel der Pflanzen theoretisch und praktisch (mit mindestens einem schulgerechten Versuch) aufzeigen
• 7: Pflanzen als "Energie-Sammler und -Konzentrierer": Das zentrale Konzept "Pflanzen als Energie-Sammler und Energie-Konzentrierer" abstrakt und anschaulich erklären (Skript Abb. 1-8.1)
• 8: Rolle der Pflanzen in Stoffkreisläufen und Energieflüssen: Die Rolle der Pflanze im globalen Stoffkreislauf sowie deren Rolle in den Energieflüssen verstehen und auch auf Stufe der Organellen Chloroplast und Mitochondrien verstehen (Skript Abb. 1-3.1)
• 9: Pflanzengestalt: Die typische Pflanzengestalt in den Grundzügen verstehen.
  

Lerneinheiten "Einführung: Pflanze und Mensch"

1. Konzept "Botanik als älteste Wissenschaft":
   Der Mensch hat sich von Anbeginn an mit Pflanzen befassen müssen, da sie ihm als Nahrungsmittel und Heilmittelquelle dienten.Diese Beziehung umfasst fünf Phasen: 1. Landwirtschaft (15'000 - 10'000 v.u.Z. 2. Kulturpflanzenaustausch (17. - 19. Jh.); 3. Technisch-chemische Landwirtschaft: Mineraldünger, Mendelsche Gesetze und deren Anwendung (18. - 19. Jh.); 4. Grüne Revolution: Hochleistungspflanzen (ab 1960); 5. Gentechnische Revolution (ab 1990)
   
2. Konzept "Pflanze und Mensch":
   Pflanzen beeinflussen praktisch jeden Aspekt des menschlichen Lebens: Ernährung, Wirtschaft, Gesundheit, Freizeit.
   
3. Konzept "Rolle der Pflanzen":
   Pflanzen spielen für uns als Einzelpersonen in unserem Alltag wie auch für die Gesellschaft als ganzes, für die Industrie, aber auch für die ganze Welt des Lebendigen inkl. der Biosphäre eine unermesslich wichtige Rolle: Als Produzent von Nutzstoffen (z.B. Nahrung/Futter für alle heterotrophen Lebewesen [Mensch, Tiere, Pilze, viele Bakterien], Medizinalpflanzen/Medikamente, Faserstoffe z.B. für Bekleidung, Baustoffe [z.B. Hausbau, Instrumentenbau], Energieträger [nachwachsende wie auch fossile Energieträger, z.B. Erdölprodukte, Kohle, Holz] als auch durch ihre unschätzbaren "stillen" Dienstleistungen (Sauerstoffproduktion, Klima/Wasserhaushalt, Erosionsschutz, Schadstofffilter, Freizeitwert, u.v.a.).
4. Konzept: "Pflanzen sind Lebewesen":
   Pflanzen zeigen alle Merkmale des Lebens, die als grundlegende Systemeigenschaften des Stoffwechsels, der Produktivität und der Reizbarkeit zusammengefasst werden können.
5. Konzept: "Pflanzen als 'Energie-Sammler und -Konzentrierer'":
   Das "pflanzlichste" Merkmal ist ihre Autotrophie ("Selbst-Ernährer"). Ihre Lebensweise ist als Sammler von Lichtenergie und Konzentrierer dieser flüchtigen Energieform in stabile chemische Verbindungen wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette zu kennzeichnen.
6. Konzept: "Pflanzen als Entropieminderer":
   Die irreversible Umwandlung von arbeitsfähiger Energie (z.B. Energie in Nahrungsmitteln) in Entropie (= Wärme bzw. Unordnung im molekularen Bereich) ist der Motor des Lebens. Pflanzen vermögen mittels Chloroplasten durch die Fixierung der Strahlungsenergie in die chemische Energie der Biomoleküle diese arbeitsfähige Energie liefern, die den Aufbau von Strukturen (= Ordnung) ermöglichen und so temporär der Entropie (= Unordnung) entgegenwirken.
   Mensch und Tier sind dank der Mitochondrien in der Lage, ihrer Entropioezunahme durch aus pflanzlichen Energieträgern wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine (= Grundnahrungsmoleküle) gewonnem Atmungs-ATP entgegen zu wirken und so mindestens temporär dem "allgemeinen Zerfall" zu entkommen.
   
7. Konzept: "Stoffrecycling und Energieflüsse":
   Potentiell wäre im Ökosystem Erde dank der Pflanzen (Chloroplastenaktivität) und der Konsumenten/Zersetzer (Mitochondrienaktivität) ein balanciertes Recycling von Stoffen möglich; der Energiefluss hingegen ist physikalisch bedingt unidirektional.
8. Konzept "Pflanzengestalt":
   Die typische, höher entwickelte Landpflanze ist unverkennbar in Sprossachse ("Stängel" bei verholzter Pflanze), Blätter und Wurzel gegliedert, eine Organisationsform, die perfekt dem stationären Landleben angepasst ist.
   Die nicht-bewegliche Lebensweise verlangt nach riesigen "Sonnenenergiekollektoren" (= Blätter), optimaler Blattausrichtung, elastischem Halt und riesiger unterirdischer Wasser- und Nährsalzaufnahme (= Wurzelwerk).

Thema 2: LernZiele/ LernEinheiten
"Vom SAMEN zum KEIMLING"

Samen sind - neben dem Bau der Pflanzen - der perfekteste Ausdruck der Anpassung von Landpflanzen an die speziellen Lebensbedingungen des Festlandes. Samenbau und Samenkeimung lassen etwas von der Grossartigkeit des Lebens auf kleinstem Raum erkennen und mit einfachsten Mitteln erschliessen (Samenbau, Samenkeimung).

Sie sind am Ende dieses zweiten Kapitels der Pflanzenbiologie in der Lage

• 4 kognitive Lernziele zu erfüllen (2,4,5,6)
• 3 praktische Lernziele umzusetzen (1,3,7):
  - Samen sezieren --> Embryobau, Nachweis der wichtigsten Nährgewebsstoffe
  - minimale gärtnerische Praxiskenntnisse zur Anzucht von Pflanzen abzurufen und umzusetzen
  - an geeigneten Samen grundlegende Versuche zur Samenkeimung durchzuführen
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie über/bzw. können Sie

• 1: Struktur der Samen: Kenntnisse der Aufgaben und der Struktur der drei wichtigsten Samentypen (Samen- und Embryostruktur, Samen mit Nährgewebe [Endosperm], Samen mit Speicherkeimblättern, Getreidekorn (Skript Abb. 2-3.1), chemischer Nachweis der Nährgewebsspeicherstoffe) verbal als auch praktisch (Lupe, Stereomikroskop, Nachweisverfahren)
• 2: Keimruhe: Bedeutung und Mechanismen der Keimruhe kennen und jeweils an einem Bsp. erläutern
• 3: Pflanzenanzucht: Kenntnisse der 10 wichtigsten Samen/Pflanzen für grundlegende Schulversuche und "gärtnerisches Know-How" zur Anzucht von Samen
• 4: Keimungsbedingungen: Die Keimungsbedingungen der Samen kennen und theoretisch erklären
• 5: Keimungsablauf: Den Keimungsablauf in den wesentlichen Grundzügen kennen und die biochemischen Hintergründe verstehen
• 6: Phytochrom: Die überragende Bedeutung und die Mechanismen des Licht-Phytochromsystems kennen und praktische Anwendungen davon ableiten können (Skript Abb. 2-8.3)
• 7: Versuche zur Samenkeimung: Das Prinzip und die methodischen Grundzüge von Schulversuchen zum Thema Samenkeimung kennen (z.B. Keimungsbedingungen, Keimungsablauf, Keimungshemmung, Beeinflussung durch Schadstoffe).
  
  
  

Lerneinheiten "Vom Samen zum Keimling"

1. Konzept "Samen":
   Der Samen sind durch geschlechtliche Fortpflanzung, d.h. durch Befruchtung entstandene Fortpflanzungseinheiten, die aus einem Embryo (= einer aus den drei Grundorganen aufgebauten winzigen Pflanze), einer zur Erstentwicklung beigefügten Nährstoffreserve und der Samenschale bestehen, die Embryo und Nährgewebe umhüllt. Der Samen entwickelt sich aus der im Fruchtknoten befindlichen Samenanlage.
   Der Same dient der Vermehrung, Überdauerung, oft auch der Verbreitung höherer Pflanzen.
   
2. Konzept "Samenstruktur:
   Typ Feuerbohne (nährgewebelos): Eine Schützhülle umgibt den Embryo und das Nährgewebe; diese besteht aus der Samenschale (in der Regel mit Cuticula). Äusserlich erkennt man Nabelstrang (Samenfurche), Nabel Mikropylus. Unter der Samenschale sind zwei dicke Speicherkeimblätter [Kotyledonen] und der Embryo, bereits gegliedert in Keimwürzelchen, Hypocotyl, Epikotyl (künftige Sprossachse) und Primärblätter.
   Typ Ricinus (nährgewebehaltig): anstelle der dicken Speicherkeimblätter ist hier das Endosperm als Nährgewebe entwickelt, die Keimblätter sind dünn und entwickeln sich zu den oberirdisch fotosynthetisch aktiven Keimblättern.
   Typ Weizenkorn (Getreidefrucht): der Embryo liegt dem mächtigen Endosperm seitlich an
3. Konzept "Keimruhe":
   Als Schutz vor ungünstigen Bedingungen (Aussenfaktoren wie Wasserarmut, Kälte, Jahreszeit, Lichtmangel) und/oder inneren Faktoren (autonome Faktoren) verharren die meisten Samen in einer Keimruhe, bevor sie zu keimen beginnen. Ursachen der Keimruhe: Undurchlässige Samenschale, Keimungshemmstoffe, unreife Samen bzw. Embryo, Nachtrocknung, genetische Unterdrückung oder innere Uhr.
4. Konzept "Keimungsbedingungen":
   Nach Wegfall der Sperrmechanismen durch Zeitfaktor, physikalisch-chemisch-mikrobielle Korrosion, Anritzen der Samenschale, Lagerung bei feuchter Umgebung und bestimmter Temperatur.braucht es Wasser, Sauerstoff, Temperatur, Licht
5. Pflanzenanzucht:
   Grundlegende Kenntnisse zur Züchtung von Pflanzen ("Schulpflanzen": für Schulversuche einsetzbar): vgl. Testatarbeit 2sm, SS 2002; siehe auch unter Biowebsite "Kleine Gärtnerkunde für Lehrkräfte" [in Entwicklung!]): Samenbehandlung, Aussaat, geeignete Substrate, Pikieren, Wachstumsbedingungen, Pflege, vegetative Vermehrung.
6. Keimungsverlauf:
   Der Keimungsablauf lässt sich in 5 Phasen gliedern: 1. Quellung und RNA-Synthese; 2. Enzym-Aktivierung bereits vorliegender Enzyme und Neusynthese (Bsp. stärkeabbauende Amylasen), ausgelöst durch das Phytohormon Gibberellin; 3. Reservestoff-Mobilisierung/Nährstofftransport: Reservestoffe werden in transportfähige Grundbausteine abgebaut, Beginn von Zellteilungen; 4. Bildung der Keimwurzel; 5. Austritt des Keimsprosses und Entfaltung der primären fotosynthetisch aktiven Blätter. Unterschied zwischen hypogäischer und epigäischer Keimung.
7. Phytochrom:
   Das Phytochrom ist ein Sensorpigment, das als wasserlösliches Chrom-haltiges Protein in geringer Konzentration im Cytoplasma der Pflanzen vorkommt. Es reagiert auf Licht und photoperiodische änderungen und steuert als eine Art "inneres Auge" zahlreiche Entwicklungsprozesse (Samenkeimung, Gestaltbildung, Blütenbildung, u.a.). Die inaktive P_r kann durch hellrotes Licht (um 660 nm) in die aktive P_fr -Form überführt werden, während dunkelrotes Licht (um 730 nm) das Phytochromsystem wieder inaktiviert.
8. Versuche zur Samenkeimung:
   Die Samenkeimung an und für sich (epigäische [überirdische], hypogäische [unterirdische]) als elementares Erlebnis und deren Beeinflussung durch Umweltfaktoren (z.B. Temperatur, Licht, Wasser, Sauerstoff, Keimungshemmstoffe und Schadstoffe) sollen in selbstentwickelten Versuchsansätzen ausgetestet und interpretiert werden (vgl. auch Biopraktikum II).........................

Wachstum und Entwicklung sind wohl die augenfälligsten Erscheinungen im Lebenszyklus einer Pflanze. Diese unglaublich komplexen Prozesse führen von einem unauffälligen Samen zu einer hochdifferenzierten Gestalt einer der vielen Tausend Arten von Pflanzen: unverwechselbar, schön und wiederum ausgestattet mit der ganzen genetischen Fülle der Mutterpflanze. Wachstum und Entwicklung sind heute wieder Prozesse, die der Forschung viele Fragezeichen entlocken und erneut im Zentrum des Interesses stehen.

Am Ende dieses dritten Kapitels der Pflanzenbiologie sind Sie in der Lage

• 6 kognitive Lernziele zu erfüllen (1,2,3,4)
  
• 1 praktisches Lernziel (5) zum Thema "lebendige Schulversuche" mit Pflanzen umzusetzen, indem Sie einige interessante Schulversuche zu "Pflanzliches Wachstum und Entwicklung" kennen, durchführen bzw. selbstständig entwickeln können
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie bzw. können Sie

• 1: Wachstumsprozesse: Kenntnis der Wachtumsprozesse auf zellulärer Ebene (1. Zellzyklus, mit Interphase und Mitose [aus Kern- und Zellteilung]; 2. Zellstreckung; 3. Differenzierungswachstum) und auf organismischer Ebene
• 2: Entwicklungsprozesse: Überblick über die wichtigsten Prozesse der Entwicklung (Skript Abb. 3-1.1)
• 3: Bildungsgewebe (Meristeme): Charakterisierung, Lage und Bedeutung der pflanzlichen Meristeme und Vergleich des pflanzlichen Wachstums mit dem tierischen Wachstum wiedergeben
• 4: Differenzierung: Definition, Bedeutung und prinzipielle Abläufe der Differenzierung wiedergeben
• 5: Pflanzliche Hormone (Phytohormone): Konzept, Nachweis, wichtigste Klassen und exemplarische Wirkungen der wichtigsten Hormongruppen kennen
• 6: Pflanzliche Tumore: Die Tumorbildung als Beispiel "natürlicher Gentechnik" interpretieren
• 7: Schulversuche: Einige interessante Schulversuche zum Thema "Pflanzliches Wachstum und Entwicklung" kennen, durchführen bzw. selbstständig entwickeln.
  
  
  

Lerneinheiten "Vom Keimling zur unverkennbaren Pflanze"

1. Entwicklung von Pflanzen:
   Die Entwicklung von Pflanzen umfasst 1. Wachstum mit Teilungswachstum, Streckungswachstum und Differenzierungswachstum, 2. Differenzierung mit Zell- und Gewebedifferenzierung und 3. Musterbildung Daraus resultiert eine typische pflanzliche Gestalt (= Morphogenese).
   
2. Wachstum, Differenzierung, Entwicklung:
   Wachstum ist eine irreversible Volumenzunahme der Zelle bzw. der Pflanzenorgane, basierend auf mitotischen Kern- und anschliessenden Zellteilungen (Plasmavermehrung durch Proteinbiosynthese ---> Zellvermehrung, bzw. Zellteilungen im Zellzyklus), Streckungswachstum und Differenzierungswachstum. Das Streckungswachstum ist hauptverantwortlich für das primäre Wachstum und beruht auf Erweichung der Zellwand und positivem Turgordruck.
   Differenzierung ist die im Rahmen der Wachstumsvorgänge erfolgende Spezialisierung der Gewebe (Entstehung verschiedener Gewebe aus ursprünglich gleichartigen Zellen, verbunden mit einer Massezunahme).
   Entwicklung umfasst die in der Regel miteinander gekoppelten Prozesse des Wachstums, der Differenzierung und der Musterbildung (Entwicklung = Wachstum + Differenzierung + Musterbildung) und führt zu einer bestimmten Pflanzengestalt.
3. Konzept "Bildungsgewebe [Meristeme]:
   Pflanzliches Wachstum geht von Zellen mit embryonalem Charakter aus, den sog. Meristemzellen. Sie sind immer teilungsfähig und wenig spezialisiert (vergleichbar den "Stammzellen" bei Mensch und Tier). Alle Gewebe der Organe werden von den Meristemen aufgebaut. Diese an bestimmten Stellen lokalisierten Bildungsgewebe (z.B. Spross- und Wurzel-Scheitelmeristeme) sind für das immerwährende Wachstum des "offenen Systems" der Pflanzen verantwortlich.
   
4. Konzept "Differenzierung":
   Differenzierung ist ein Prozess, bei dem die Struktur und Funktion genetisch identischer Zellen verschieden wird. Differenzierung ist nicht auf eine Differenz im Genbestand (Genom) zurückzuführen, sondern ist primär das Resultat einer differentiellen Genaktivität, d.h. ein Unterschied der aktiven Gene während bestimmten Entwicklungsstadien. Differenzierung ist wichtig, weil es Zellen zu verschiedenen Aufgaben spezialisiert.
   Die Totipotenz pflanzlicher Zellen lässt sich auch an der Regeneration ganzer Pflanzen, Reparation, Wundverschluss, Knospenaustrieb nach Kahlfrass und der vegetativen Vermehrung von abgerissenen Sprossstücken erahnen.
   
5. Kontrolle von Wachstum/Entwicklung:
   Elektrochemische Signale, biophysikalische Kontrollen, genetische Kontrollen und Phytohormone sind Signale, die das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen kontrollieren. Die genetischen Kontrollmechanismen scheinen bei Tier und Pflanze nach dem gleichen Mechanismus abzulaufen.
   Phytohormone (Wuchsstoffe) sind pflanzliche Wachstumsfaktoren, die in der Regel einen verschiedenen Bildungs- und Wirkungsort haben. Sie sind in geringsten Konzentrationen aktiv. Die fünf wichtigsten Hormonklassen sind die Auxine, Gibberelline, Cytokinine, Dormine (Abscisinsäure) und Ethylen. Hormone sind für Wachstum und Entwicklung zwar notwendig, aber sie regeln diese Prozesse nicht. Verantwortlich dafür sind die Hormonkonzentrationen, die Sensitivität des Gewebes auf Hormone (Hormonrezeptoren?) und spezifische Genaktivitäten.
6. Konzept "Phytohormone":
   Hormone: Hormone sind stoffliche Faktoren, die im vielzelligen Organismus zur Übermittlung von Steuersignalen dienen. Sie sind sowohl für die Koordination von Stoffwechsel- und Entwicklungsprozessen als auch für die Übermittlung von Umweltreizen inklusive Stressoren zuständig.
   Pflanzenhormone koordinieren Wachstum, Entwicklung und Reaktionen einer Pflanze auf Reize aus ihrer Umgebung. Man unterscheidet 5 wichtige Klassen:
   - Indolessigsäure (IES) ist das aktivste natürliche Auxin; es stimuliert Zellstreckung, Differenzierung der Gefässsysteme, Fruchtentwicklung und Bildung der Adventivwurzeln. Über Ca²⁺ und Ca²⁺-bindendes Calmodulin werden die physiologischen Antworten gesteuert.
   - Gibberelline kontrollieren die Sprossverlängerung, fördern intensives Wachstum ganzer Pflanzen, stimulieren die Keimung bei Getreidearten, steuern die Jungpflanzen- und Seneszenzphase und vergrössern die Früchte, z.B. bei Trauben.
   - Cytokinine stimulieren Zellteilungen/Zellwachstum, Vergrösserungen der Keimblätter und Entwicklung von Seitenknospen; sie verzögern die Seneszenz und beeinflussen zusammen mit Auxinen die Spross- und Wurzelbildung.
   - Dormine (Abscisinsäure) veranlassen die Schliessung der Spaltöffnungen, unterstützen die Keimruhe in Samen und reduzieren ganz allgemein die stimulierenden Effekte der übrigen Phytohormone.
   - Ethylen stimuliert die Fruchtreifung, Blattabfall und die Seneszenz.
7. Natürlicher Gentransfer: Infektionstumor ("Wurzelhalsgalle"):
   Das im Boden lebende Agrobacterium tumefaciens löst durch eine besondere DNA (T_i-Plasmid [tumor inducing]) ein Tumorwachstum aus. Dieses Tumorwachstum wird durch drei Gene induziert, deren Produkte die Bildung von Auxinen und Cytokininen ermöglichen: Die Pflanzenzellen werden dadurch von der Hormonzufuhr unabhängig und es kommt zu einem ungehemmten Wachstum. Der Einbau der bakteriellen T-DNA ins pflanzliche Wirtsgenom kann zur Übertragung von Fremdgenen benutzt werden (T_i-Plasmid als Vektor).

Der Bau der Höheren Pflanzen ist in augenfälliger Weise dem Landleben angepasst. Festlandfaktoren und Anpassungen sind u.a. 1. festsitzende Lebensweise --> flächige Autotrophie-ermöglichende Strukturen: fotosynthese-betreibende Blätter; 2. räumliche Trennung der Fotosynthese-Substrate (Boden: Wasser, mineralische Nährstoffe, Luftraum: Kohlendioxid, Licht) --> ausgedehntes Wurzelsystem zur Stoffaufnahme und Verankerung, Sprossachsensystem zum Transport und zur Stütze; 3. Umweltbedingungen (geringer Wassergehalt der Atmosphäre, Wind, geringe CO₂-Konzentration, geringe Energiedichte) --> Verdunstungsschutz, stabil-elastische und stützende Pflanzenkörper, flächige Sonnenenergie-einfangende "Sonnenkollektorstrukturen" = Blätter). Das Einüben und letztlich Verständnis der Struktur-Funktion [Bau-Aufgabe] Wechselbeziehungen macht die Pflanzenanatomie zu einem idealen Kapitel zur Schulung des vernetzten Denkens.

Am Ende dieses vierten Kapitels der Pflanzenbiologie sind Sie in der Lage

• 5 kognitive Lernziele zu erfüllen (1,2,3,4,5)
  
• 1 praktisches Lernziel (6) zum Thema "lebendige Schulversuche" mit Pflanzen umzusetzen, indem Sie einige interessante mikroskopische Dauerpräparate zum Bau der Pflanzen kennen und auswählen können, an denen Sie die klar die Beziehung zwischen Struktur (Pflanzenbau) und Funktion (Aufgaben der betreffenden Zellen, bzw. Gewebe) von Pflanzen aufzeigen können.
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie bzw. können Sie

• 1: Prinzip des Pflanzenbaus: Den prinzipiellen Bau einer Pflanze - Wurzel, Sprossachse, Blätter - aus den Standortsbedingungen des Landlebens herleiten.
• 2: Pflanzliche Zelle: Den prinzipiellen Aufbau und die wichtigsten Bestandteile einer Pflanzenzelle kennen (Skript Abb. 4-6.2, 4-7.2).
• 3: Hauptgewebesysteme der Pflanzen: Die drei bzw. fünf Hauptgewebesysteme der Pflanze - Bildungsgewebe, Grundgewebe (mit Festigungsgewebe), Haut- bzw. Abschlussgewebe und Leitgewebesystem - kennen, im mikroskopischen Bild erkennen und deren Funktionen angeben [Vertiefung im Praktikum 4sm]
• 4: Organe der Pflanzen: Die drei Organe der einjährigen (nicht verholzten) Pflanzen im lichtmikroskopischen Bild erkennen, deren Hauptfunktionen aufzählen und deren Gewebe in den drei Kategorien (vgl. Pkt. 3) beschreiben [Vertiefung im Praktikum 4sm] Wichtig: Den Zusammenhang zwischen Bau (Struktur) und Aufgaben (Funktion) aus dem Bau bzw. aus den Aufgaben herleiten!
  
• 5: Holz: Die wichtigsten Elemente des Holzes kennen und sowohl am Modell wie auch im lichtmikroskopischen Bild beschreiben [Vertiefung im Biopaktikum 4sm]
• 6: Korrekt Mikroskopieren: Sie sind in der Lage, Dauerpräparate korrekt zu mikroskopieren, zu skizzieren und die wesentlichen Zelltypen bzw. Gewebetypen zu identifizieren und korrekt zu beschriften [Vertiefung im Biopraktikum 4sm].
  
  
  

Lerneinheiten "Bau der Pflanze"

1. Konzept "Sprosspflanzen" (Gefässpflanzen):
   Landpflanzen als höchst entwickelte Pflanzen teilen sich in die Gruppe der Moose [Bryophyten: Moospflanzen] und der Gefässpflanzen [Tracheophyten: Farnpflanzen und Samenpflanzen]. Landpflanzen haben als deutlichstes Merkmal der Landeroberung ein ausgeprägtes Wasser- und Mineralsalz-aufnehmendes Wurzel- und Transportsystem (= Leitbündelsystem) entwickelt und sind polar in Wurzel und Spross gebaut.
2. Konzept "Pflanzliche Grundorgane und Hauptleistungen":
   Um in trockener und CO₂-armer Umgebung existieren zu können, müssen Blätter als riesige äussere (= Blattspreite) und innere Oberflächen (= intrazelluläre Membransysteme [Chloroplasten]) ausgebildet "verdünnte Energien" (= Sonnenenergie) auffangen und viel Luft zur CO₂-Gewinnung durchströmen lassen, gleichzeitig aber den dabei zwangsläufig auftretenden Wasserverlust der Transpiration durch Spaltöffnungen geregelt minimieren.
   Die Sprossachse als statische Voraussetzung der flächigen Blattausbreitung und zusammen mit dem Wurzelwerk als Wasser-, Mineralsalz- und Assimilattransportsystem erlaubt eine effiziente Fotosynthese.
3. Konzept "Pflanzliche Zelle":
   Die pflanzliche Zelle ist der Grundbaustein der Gewebssysteme und Pflanzenorgane. Pflanzenzellen unterscheiden sich von tierischen Zellen durch Zellwand, Vakuole und Chloroplasten. Zellwand aus Zellulose und bei verholzten Zellen mit Lignin (Holzstoff) zusammen mit der Vakuole steifen die Pflanze aus, die fotosynthetisch aktiven Chloroplasten ermöglichen die pflanzentypische autotrophe Lebensweise.
4. Konzept "Organe der Pflanzen:
   Die wichtigsten Gewebe der Sprosspflanzen sind in funktioneller Hinsicht: 1. Bildungsgewebe (Meristeme), 2. Grundgewebe (Parenchyme), 3. Festigungsgewebe (Sklerenchyme, Kollenchyme), 4. Abschlussgewebe (z.B. Epidermis) und 5. Leitgewebe (Xylem, Phloem). Sie werden beim nichtverholzten Pflanzen häufig auch als Abschlussgewebe, Grundgewebe (Parenchym, Kollenchym, Sklerenchym) und Leitgewebe zusammengefasst.
5. Konzept "Sprossachse der Sprosspflanzen":
   Die Sprossachsen sind mittels Abschluss-, Festigungs-, Leit- und Speichergeweben in der Lage, den Pflanzenkörper aufzubauen, ihn mechanisch zu stabilisieren und den Transport von Wasser und Assimilaten zu gewährleisten. Für spezielle Funktionen bzw. an speziellen Standorten bzw. kann noch ein Ausscheidungsgewebe dazukommen.
6. Konzept "Blätter der Sprosspflanzen":
   Die Blätter sind mittels Epidermis (mit Spaltöffnungen), Palisadenparenchym und Schwammparenchym zur effizienten Fotosynthese, kontrollierten Transpiration und wirkungsvollen Thermoregulation in der Lage. Durch lichtgesteuerte Photoregulation und Synthese von Phytohormonen üben sie einen wichtigen Einfluss zur Gestaltentwicklung der ganzen Pflanze aus.
7. Konzept "Wurzeln der Sprosspflanzen":
   Die Wurzeln dienen der Verankerung der Pflanze und der lebenswichtigen Wasser- und Mineralstoffversorgung. Als Speicherorgan dient die Lagerhaltung von Assimilaten, aber auch der Überwinterung. In Wurzeln gebildete Phytohormone steuern Wachstum, Differenzierungs- und Regenerationsvorgänge.
   
8. Konzept "Längen- und Dickewachstum der Sprosspflanzen":
   Apikalmeristeme des Sprosses (in den Knospen) und an den Wurzelspitzen der krautigen Pflanzen liefern Zellen für das Längenwachstum (Streckungswachstum = Primärwachstum). In Holzpflanzen findet zudem ein sekundäres Dickenwachstum statt.

Fortpflanzung dient der Arterhaltung und Vermehrung der Verbreitung der eigenen Art. Hier haben die Pflanzen aussergewöhnliche und vielfältige Mechanismen entwickelt, die immer wieder zum Staunen und zur ästhetischen Freude Anlass geben. So hat sich ein eigenständiger Zweig der "Blütenbiologie" entwickelt, die mit einfachen Mitteln erforscht werden kann und gerade auch Laien sehr stark anspricht. Zudem sind wir Menschen Nutzniesser der "Produkte von Fortpflanzung und Vermehrung", den Blüten ("Blumen"), nährstoffreichen Samen und leckeren Früchten!

Am Ende dieses fünften Kapitels der Pflanzenbiologie sind Sie in der Lage

• 6 kognitive Lernziele zu erfüllen (1,2,3,4,5,6)
  
• 1 praktisches Lernziel (7) zum Thema "lebendige Schulversuche" mit Pflanzen umzusetzen, indem sie einige interessante Schulversuche zum Thema "Fortpflanzung und Vermehrung" (insbesondere vegetative Vermehrung) kennen, durchführen bzw. selbstständig entwickeln können.
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie bzw. können Sie

• 1: Begriffe "sexuelle", "ungeschlechtliche" Fortpflanzung", "Vermehrung": Sexuelle, asexuelle Fortpflanzung und Vermehrung definieren, Vorteile und Nachteile aufzählen und an typischen Beispielen dokumentieren.
• 2: Mitose und Meiose: Die Hauptabläufe der Mitose und Meiose kennen und deren spezifischen Ergebnisse aufzählen können (Schlüsselbegriffe: Metaphase, 1-Chromatid-Chromosom vs. 2-Chromatid-Chromosom [Schwesternchromatide], homologe Chromosomen, haploid, diploid, crossing over, Rekombination). Bedeutung der beiden Prozesse für Vermehrung und Fortpflanzung herleiten.
• 3: Bau der Blüte: Die männlichen und weiblichen Blütenorgane zeichnen und benennen (Skript Abb. 5-11.1, 5-13.1D).
• 4: Bildung Pollenkörner (und männlicher Spermazellen), weibliche Eizelle: Die Bildung der männlichen und weiblichen Keimzellen zeichnerisch und verbal beschreiben können und den Unterschied eines Pollenkorns zu einer tierischen Spermazelle verstehen.
• 5: Bestäubung und Befruchtung: Die Abläufe der Bestäubung an ausgewählten Beispielen schildern und insbesondere die Vorgänge Befruchtung verstehen (Schlüsselstichworte: vegetative und generative Zellen/ Spermakerne, doppelte Befruchtung).
• 6: Samen- und Fruchtbildung: Embryo-, Samen- und Fruchtbildung differenzieren und die Fruchtbildung aus dem Stempel herleiten.
  
• 7: Schulversuche: Einige interessante Schulversuche zum Thema "Fortpflanzung und Vermehrung" kennen, durchführen bzw. selbstständig entwickeln.
  
  
  

Lerneinheiten "Fortpflanzung und Vermehrung"

1. Konzept "Fortpflanzung als grundlegender Lebensprozess":
   Wachstum, Individualentwicklung und Fortpflanzung sind die grundlegenden Lebensprozesse, die bei allen Organismen vorkommen.
2. Konzept: "Vegetative (asexuelle) Fortpflanzung":
   Die ungeschlechtliche Fortpflanzung führt zu Individuen mit gleicher genetischer Ausstattung (= Klone); sie dient der Arterhaltung uns insbesondere der Vermehrung (Ausbreitung).
   Sie kann aus einer Einzelzelle (Zweiteilung bei Einzellern, Sprossung bei Hefen, Bildung spezifischer Keimzellen (Sporen) bei Algen, Pilzen, Moosen und Farnen) oder aber aus Zellverbänden (z.B. Brutbecher bei Lebermoos, Teilung von Blättern, Sprossachse oder Wurzel, Brutknospen, Brutzwiebeln, Ausläufer, Stecklinge) erfolgen.
3. Konzept "Reproduktion der Pflanzen":
   Fortpflanzung [Reproduktion] der Pflanzen ist ein Grundmerkmal des Lebens; sie dient dem Überleben der jeweiligen Art (Arterhaltung) und Anpassung an die Umwelt sowie der Artausbreitung.
   Zwei Grundvorgänge sichern den Fortbestand der Lebewesen im Wechsel der Generationen:
   - Mitose: die Teilung der Zellen (Kernteilung [Mitosen] und Cytokinese), vegetative bzw. asexuelle Fortpflanzung) mit dem Ergebnis ihrer zahlenmässigen Vermehrung und Ausbreitung [Propagation]
   - Meiose: durch Meiose entstandene Keimzellen (mit einem [1n, haploid] statt doppeltem [2n, diploid] Chromosomensatz) verschiedengeschlechtlicher Herkunft, die verschmelzen ---> sexuelle Fortpflanzung mit dem Ergebnis einer genetisch verschiedenen Nachkommenschaft.
4. Konzept "Sexuelle Fortpflanzung" bei Samenpflanzen:
   Keimzellenbildung: Durch Meiose und Mitosen (!!) entstehen im Pollensack der Staubblätter bzw. in der Samenanlage des Fruchtknotens aus der Embryosackmutterzelle die pflanzlichen Keimzellen (Pollenkorn mit Spermazellen, bzw. Eizelle).
   Bestäubung: Durch Bestäubung (Insekten, Wind, Wasser) gelangen Pollenkörner auf die weibliche Narbe, wobei nur bei einem arteigenen, aber fremden Pollen nach einer molekularbiologischen "Schlüssel-Schloss-Reaktion" die Pollenkeimung erfolgt.
   Befruchtung: nach erfolgter Bestäubung und der anschliessenden Befruchtung wächst unter mitotischen Zellteilungen die befruchtete Eizelle [Zygote] zum Embryo in einem Samen in einer Frucht heran.
   Die Blüte aus Blütenhülle, Staubblätter und Fruchtblätter (----> "Blütenpflanzen") und die Herausbildung der neuen Verbreitungseinheit Samen (----> "Samenpflanzen") stellen einen grossen evolutiven Gewinn für die Pflanzen dar (grosse genetische Variabilität, Eroberung sämtlicher Lebensräume, Anpassungsfähigkeit).
5. Konzept "Samen- und Fruchtbildung":
   Bei der anschliessenden Fruchtreifung entwickelt sich aus dem Fruchtknoten mit den Samenanlagen die Frucht mit den Samen. Die Frucht ist dasjenige Organ, das die Samen umschliesst und als attraktives Samenverbreitungsorgan funktioniert.

Fotosynthese ist der Lebensprozess schlechthin! Nichts, aber auch rein gar nichts wäre auf unserem Planeten vorzufinden, gäbe es nicht die Pflanzen, die als einzige über diesen Prozess der Superlative verfügen (abgesehen von einigen Bakterien, die aber quantitativ kaum eine Rolle mehr spielen). Pflanzen sind "Lichtfänger" und damit der Schlüssel aller Energieflüsse auf unserer Biosphäre. Die Suche nach Energie zeichnet das Leben aller anderen Organismen, vom Bau und den Lebensfunktionen bis hin zum Verhalten: die ständige Suche nach Energie, gebunden in der Nahrung. Diese Erkenntnis der zentralen Rolle der Fotosynthese und damit der Pflanzen schlechthin (vgl. Kap. 1 dieses Skripts!) muss in den Köpfen unserer Schülerinnen und Schüler, aber nicht nur dort (Ökonomen und Politiker und ..... haben letztlich ebenfalls kaum eine Ahnung von der überragenden Bedeutung der Fotosynthese) verankert werden. Es gilt, diesen lebenswichtigsten Prozess so anschaulich und eindringlich wie möglich darzustellen.

Am Ende dieses sechsten Kapitels der Pflanzenbiologie sind Sie in der Lage

• 5 kognitive Lernziele zu erfüllen (1,2,3,4,5,)
  
• 1 praktisches Lernziel (6) zum Thema "lebendige Schulversuche" mit Pflanzen umzusetzen, indem sie einige interessante Schulversuche zum Thema "Fotosynthese" kennen, durchführen bzw. selbstständig entwickeln können.
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie bzw. können Sie

• 1: Bedeutung der Fotosynthese: Die Bedeutung der Fotosynthese allgemein für sämtliche Organismenreiche und für die Ökosysteme inkl. global für die gesamte Biosphäre (CO₂- und O₂-Gaskreisläufe), im besonderen für den Menschen als biologisches Wesen, aber auch für seine Ökonomie aufzeigen.
• 2: Weg der Energie: Den Weg der Energie von der Sonne zum Pflanzenblatt, von den Pigmenten über die Elektronentransportketten bis in die Endprodukte NADPH/H⁺ und ATP (via H⁺-Gradienten in den Thylakoidmembranen) aufzeigen.
• 3: Pflanzenpigmente: Die Rolle der Pflanzenpigmente für die Fotosynthese aufzeigen und erklären, wieso Blätter normalerweise grün sind, im Herbst aber auch andersfarbig.
• 4: Licht- und Dunkelreaktionen: Begriffe der Licht- und Dunkelreaktionen definieren und die Hauptprodukte aufzählen können.
• 5: Calvinzyklus: Das Prinzip des Calvinzyklus verstehen und mit einfachen Summengleichungen erklären können. Die einmalige Stellung der Glukose bzw. der Stärke unter allen Biomolekülen veranschaulichen.
• 6: Versuche zur Fotosynthese: Historische und moderne Experimente sowie Schulversuche zum Thema Fotosynthese kennen und interpretieren [Vertiefung im Biopraktikum 4sm].
  
  
  

Lerneinheiten "Fotosynthese"

1. Bedeutung der Fotosynthese:
   Der Mensch nutzt die Pflanzen als unübertroffen vielfältige Nahrungs- und Rohstoffquellen und für eine Vielzahl weiterer Funktionen (z.B. Staubfilter, Lärm- und Erosionsschutz, Verschönerung der Umwelt, Erholungs- und Freizeitgestaltung). Diese vielseitigen Leistungen gehen letztlich alle auf die typisch pflanzliche Fähigkeit der Fotosynthese zurück, nämlich die diffus verteilte Sonnenenergie zu sammeln und hochkonzentriert in speicherbare Energieformen (chemische Bindungen der Fotosyntheseprodukte Kohlenhydrate und ihrer Folgeprodukte Fette und Proteine) festzulegen.
2. Konzept "Energie, von der Sonne gespendet, speist via Chloroplasten und Mitochondrien alles Leben:
   Sonnenenergie wird von Pflanzen konzentriert und in Form chemischer Energie gespeichert; dabei erwirtschaften die Pflanzen einen Überschuss.
   Wir Menschen und alle weiteren heterotrophen Organismen leben vom Überschuss der Fotosynthese; weiterer Überschuss wird als "fossile Energie" (Kohle, Gas, Erdöl) in Sedimentgesteinen deponiert.
3. Globale Aspekte der Fotosynthese:
   Erst durch die "Erfindung" der Fotosynthese vor ca. 3,5 Milliarden Jahre war die Entwicklung der heterotrophen, sauerstoffabhängigen Tiere und Menschen möglich. Die Fotosynthese ist der "biologische Motor" der biogeochemischen Kohlenstoff- und Sauerstoffkreisläufe. Der Jahrmillionen stabile CO₂-Gehalt der Atmosphäre verursachte durch die Infrarotabsorption den natürlichen, lebenswichtigen Treibhauseffekt. Die seit Mitte des letzten Jahrhunderts gewaltigen CO₂-Ausstösse durch den "Stoffwechsel der Technosphäre" (Verbrennungsprozesse fossiler Brennstoffe) führen zu einem verstärkten Treibhauseffekt bzw. zu einer globalen Erwärmung. Ob der Gesamtorganismus "Gaia" durch selbstorganisatorische Prozesse das Temperaturgleichgewicht halten kann, ist höchst unsicher.
4. Physiologie der Fotosynthese:
   Die Fotosyntheseleistung hängt von äusseren Faktoren (CO₂: supoptimal; Lichtqualität (blaue und rote Spektralanteile besonders wirksam), Lichtquantität (Lichtkompensationspunkt, Lichtgenuss), Temperatur und Wasser) ab.
   Als entscheidende innere Faktoren wirken die Blattpigmente (Chlorophylle, Carotenoide [Carotine, Xanthophylle]) und die Vergrösserung der Oberflächen (Palisadenparenchym, Chloroplastenanordnung und Chloroplastenzahl, Chloroplastenmembransysteme: Thylakoidmembrane) zur Absorption der sehr "verdünnt" anfallenden Sonnenenergie.
5. Konzept "Lichtreaktionen der Fotosynthese:
   Die lichtabhängigen Primärprozesse laufen in den Thylakoidmembranen ab. Unter Fotolyse (Wasserspaltung) und Fotonen-induzierte angeregte Chlorophyll-a-Elektronen wird mit zwei Fotosystemen entlang einer Elektronentransportkette Energie in Form von reduziertem NADPH + H⁺ (NADPH₂) gespeichert.
   Die im Protonengradienten und im Membranpotential zwischengespeicherte Energie wird über membrangebundene ATP-Synthetasen beim Protonenrückstrom in die Synthese von ATP umgesetzt (Fotophosphorylierung).
6. Konzept "Dunkelreaktionen der Fotosynthese:
   Die in den Lichtreaktionen gebildeten Produkte ATP (Energieträger) und NADPH + H⁺ (Reduktionsäquivalente) reduzieren mit Hilfe des Schlüsselenzyms Rubisco und einem C5-A-Akzeptor (Ribulosediphosphat [RudP], syn. Ribulosebiphosphat) das CO₂ über ein instabiles C6-Molekül und 2 C3-Spaltstücke (Glycerinsäure-3-Phosphat [= C3-Fotosynthese]) zum energiereichen reduzierten C3-Molekül Glycerinaldehyd-3-Phosphat. Eines von 6 gebildeten reduzierten C3-Molekülen wird zur Glucose-Synthese C6 dem CALVIN-Zyklus entnommen, die restlichen 5 baut ein Enzymsystem zu 3 C5-RudP-Molekülen um (= Regeneration des C-Akzeptors).
   Die Lichtatmung (Fotorespiration) kann die Effektivität der C3-Fotosynthese herabsetzen: C4- und CAM-Pflanzen sind ohne Lichtatmung wesentlich produktiver.

Der pflanzliche Stoffwechsel ist enorm vielseitig. Man unterscheidet den Primärstoffwechsel (Grundstoffwechsel) vom Sekundärstoffwechsel. Während der Primärstoffwechsel sozusagen das Rückgrat des Bau- und Energiestoffwechsels darstellt, ist der Sekundärstoffwechsel eine Art "Spielwiese der Evolution" mit Produkten, die nicht nur der Pflanze, sondern auch dem Menschen in ihrer enormen Fülle zugute kommen, z.B. als Heilmittel.

Am Ende dieses siebten Kapitels der Pflanzenbiologie sind Sie in der Lage

• 5 kognitive Lernziele zu erfüllen (1,2,3,4,5,)
  
• 1 praktisches Lernziel (6) zum Thema "lebendige Schulversuche" mit Pflanzen umzusetzen, nämlich Pflanzen von ihrer "beweglichen und reaktionsschnellen Seite" schulwirksam einzusetzen (d.h. Beobachtungen und Untersuchungen zur Bewegungsphysiologie der Pflanzen).
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie bzw. können Sie

• 1: Überblick Pflanzenphysiologie: Die "grossen Stoffwechselprozesse" im Überblick kennen (Primär- und Sekundärstoffwechsel, Entwicklungsphysiologie, Bewegungsphysiologie) und einige typische Beispiele anführen.
• 2: Primärstoffwechsel: Bedeutung des Primärstoffwechsels (Bereitstellung von Primär- oder Grundstoffen [wie Proteine, Kohlenhydrate, Lipide,] Energie und Funktionselementen [wie Enzyme, Cofaktoren] und die wichtigsten Primärprozesse (Glykolyse, Atmung, Fotosynthese) in den Grundzügen erklären
  
• 3: Naturstoffe des Sekundärstoffwechsels: Die Pflanzen als vielseitige Synthetiker von Naturstoffen mit je zwei Beispielen aus der Gruppe der Terpene, Phenole und N-haltigen Sekundärstoffe (Bsp. Alkaloide) charakterisieren.
• 4: Heilpflanzen: Ein Fallbeispiel einer typischen Heilpflanze anführen inkl. Anwendungen (Bsp. Weide, Spierstrauch, Thymian, Kaffeebaum, Küchenzwiebel, u.a.).
  
• 5: Bewegungsvorgänge: Das Prinzip einer Reiz-Reaktionskette bei Pflanzen am Fallbeispiel Venusfliegenfalle oder der Mimosa pudica ("Sinnespflanze") erklären
• 6: Schulversuche: Pflanzen von ihrer "beweglichen und reaktionschnellen Seite" schulwirksam einsetzen (d.h. die interessantesten und spektakulärsten Beobachtungen und Untersuchungen zur Bewegungsphysiologie der Pflanzen kennen, ausführen und interpretieren).
  
  
  

Lerneinheiten "Stoffwechselphysiologie der Pflanzen"

1. Konzept "Primär- und Sekundärstoffwechsel":
   Der Primärstoffwechsel umfasst als Grundstoffwechsel alle vitalen Lebensfunktionen der Baustoff- und Energiebereitstellung (= "Hauptstrasse des Stoffwechsels"). Zu den Primärstoffen gehören Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren, wichtige Funktionselemente (wie Enzyme, Coenzyme, Hormone) sowie eine Vielzahl von Stoffen als Zwischenstufen des Primärstoffwechsels (z.B. organische Säuren, Alkohole).
   Im Sekundärstoffwechsel werden Sekundärstoffe (syn. sekundäre Naturstoffe, Naturstoffe) gebildet, d.h. Naturstoffe, die in ihrer Biosynthese vom Stoffwechsel der Primärstoffe Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren abgeleitet sind (= "Nebenstrassen des Stoffwechsels"). Zu den Sekundärstoffen, die gegenüber dem Tier die unvergleichlich höhere metabolische Leistungsfähigkeit der Pflanzen dokumentieren, gehören die meisten Wirkstoffe unserer Arzneipflanzen wie Alkaloide, ätherische Öle, Gerbstoffe, Saponine, Bitterstoffe u.v.a.ie
2. Konzept "Pflanzliche Atmung":
   Die pflanzliche Atmung (syn. Dissimilation, Respiration, Zellatmung) führt unter stufenweisem Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen über den Citronensäurezyklus (syn. Citratzyklus) und Atmungskette zu ATP als biologischer Energiewährung (40%) und Wärme (60%), meist als Energieverlust. Der Wasserstoff der reduzierten organischen Substrate wird in einem Mehrstufenprozess über Wasserstoffüberträger [Reduktionsäquivalente] NADH/H⁺ auf elementaren Sauerstoff O₂ übertragen, wobei Wasser H₂O entsteht. Der Kohlenstoff (z.B. aus Glucose C₆H₁₂O₆) wird als Kohlenstoffdioxid CO₂ frei. Pflanzen atmen auch im Licht trotz gleichzeitig ablaufender Fotosynthese (fotosynthetisch hergestelltes ATP wird vollständig für die Zuckersynthese verbraucht) und im Dunkeln.
3. Konzept "Sekundäre Pflanzenstoffe (Naturstoffe)":
   Die Pflanzen produzieren eine Vielzahl von sekundären Stoffen, die man grob in drei Klassen einteilen kann: 1. Terpene (Grundbaustein: Isopren C₅H₈); 2. Phenole (Grundbaustein: Benzolring [C₆H₆ mit einer -OH-Gruppe]); 3. N-haltige Sekundärstoffe wie Alkaloide (Baustein: N-haltig). Diese Sekundärstoffe leiten sich aus dem Primärstoffwechsel ab, haben aber für Pflanze und Mensch eine grosse Bedeutung. Pflanze: lebensnotwendig als Cofaktoren von Enzymen und Redoxketten, als Phytohormone, als Baustoffe wie Lignin und vor allem als ökologische Biochemikalien zur Anlockung oder als Abwehrsystem der Pflanze (z.B. Frassschutz). Der Mensch nutzt diese Stoffe als Arzneimittel, Drogen und Rohstoffe für die Industrie.
4. Heilpflanzen:
   Heilpflanzen oder aus ihnen extrahierte Inhaltsstoffe werden traditionell in der Medizin eingesetzt. Viele dieser alten Heilmittel werden im Rahmen der alternativen Medizin wieder entdeckt und ihre pharmakologische Wirkung auf Grund genauerer Kenntnisse von physiologischen Zusammenhängen besser verstanden. Hier liegt noch ein grosses Potenzial für die Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente.
5. Pflanzliche Bewegungserscheinungen:
   Pflanzen bewegen sich 1. aufgrund äusserer Reize (= induzierte Bewegungen), 2. unabhängig von äusseren Signalen (= endogene resp. autonome Bewegungen) und 3. rein mechanisch. Beispiele für ausgelöste Bewegungen sind Nastien (ungerichtet), Tropismen (gerichtet), Taxien (freibewegliche Organismen) und intrazelluläre Bewegungen zur optimalen Umweltanpassung (Adaptation). Autonome Bewegungen sind "Schlafbewegungen" der Blätter, Spaltöffnungsbewegungen und Suchbewegungen. Mechanische Bewegungen werden durch Turgor-Schleuderbewegung, Quellungsbewegungen und Kohäsionsbewegungen repräsentiert. Die Mechanismen sind aktiv (Turgorveränderungen, Wachstum) oder passiv (physikalisch durch Austrocknen, Entquellen).

Das offensichtlichste Lebenszeichen der Pflanzen ist ihr Wasserkonsum! Ein jeder hat schon erlebt, wie rasch die schönsten Feldblumen welk werden oder wie schnell eine Zimmerpflanze in den Ferien (zuhause, im Schulzimmer) vertrocknet! Wasser ist für Mensch und Pflanze und damit für die Grundnahrungsmittelerzeuger absolut lebensnotwendig. Für die landwirtschaftliche Produktion wird immens viel Wasser verbraucht und wird dadurch bereits in naher Zukunft ein rares und umstrittenes Gut!

Am Ende dieses achten Kapitels der Pflanzenbiologie sind Sie in der Lage

• 7 kognitive Lernziele zu erfüllen (1,2,3,4,5,6,7)
  
• 1 praktisches Lernziel (8) zum Thema "lebendige Schulversuche" mit Pflanzen umzusetzen, indem sie sowohl "Schulzimmer-" als auch Feldversuche zum Thema Wasserhaushalt der Pflanzen kennen, durchführen bzw. selbstständig entwickeln können.
  

Lernzielübersicht
Nach der Lehrveranstaltung und Lektüre des Vorlesungsskripts verfügen Sie bzw. können Sie

• 1: Pflanzen des Festlandes: Die Erfordernisse des Landlebens anhand des pflanzlichen Baus und ihrer Ernährung (Stoffbeschaffung) erklären.
  
• 2: Grundlagen pflanzlicher Ernährung: Die Grundzüge der Ernährungsforschung und Ernährung herleiten: Hydrokultur, Elementaranalyse, Makroelemente (Nährelemente) und Mikroelemente (Spurenelemente, mit je drei Fallbeispielen). Die Bedeutung und Auswirkungen der Intensivierung des Nutzpflanzenanbaus herleiten.
  Schulexperiment zum Thema "Pflanzenernährung": Es gibt einen BIO-Preis zu gewinnen!
• 3: Wasserhaushalt: Den Weg des Wassers vom Bodenwasser bis zu den Spaltöffnungen im Blatt beschreiben und erklären.
• 4: Mechanismen des Wassertransportes: Die Mechanismen und Energiequellen des Wassertransportes beschreiben: Wasseraufnahme, Radialtransport bis Xylem, Wasserferntransport (Transpirationssog, Kohäsionstheorie, Wurzeldruck).
  
• 5: Spaltöffnungen: Die Bedeutung der Spaltöffnungen, das "Dilemma" der Transpiration und Fotosynthese (Wasserverlust gegen CO₂-Aufnahme) und die Regelung der Spaltöffnungsweite erklären.
• 6: Aufnahme und Transport der Ionen: Die Vorgänge der Ionenaufnahme und Transportes in den Grundzügen herleiten.
  
• 7: Transport der Fotosyntheseprodukte: Den prinzipiellen Mechanismus des Ferntransportes der Assimilate (aktiver Transport, Druckstromhypothese des Phloemtransportes) erklären.
• 8: Schulversuche: Zum Thema Ernährung/Wasserhaushalt der Pflanzen Beobachtungen und Schulversuche sowohl im Schulzimmer als auch im Freiland durchführen bzw. selbstständig entwickeln.
  
  
  

Lerneinheiten "Ernährung, Wasser- und Ionenhaushalt der Pflanze"

1. Landpflanzen und Ernährung:
   Landpflanzen können nur existieren, wenn sie über riesige Oberflächen (Blatt- und Wurzeloberflächen) die zum Stoffwechsel notwendigen Grundnährstoffe CO₂, H₂O und Mineralsalze (wie K⁺, Ca²⁺, NO₃^-) aufnehmen können. Dabei müssen sie einen ständigen Kompromiss zwischen Wasserverlust durch die Spaltöffnungen an die trockene Atmosphäre und der Aufrechterhaltung der Fotosynthese durch Aufnahme von CO₂ durch die gleichen Spaltöffnungen eingehen!
2. Pflanzliche Ernährung:
   Mittels Hydrokulturen und Elementaranalysen kann nachgewiesen werden, dass Pflanzen Makroelemente (> 0,1% der Trockenmasse: C, H, O, P, K, N, S, Ca, Mg) und Mikroelemente (Spurenelemente: < 0,01% der Trockenmasse: Cl, Fe, Mn, B, Zn, Cu, Mo, Ni) zur vollständigen Entwicklung benötigen.
3. Konzept "Turgor":
   Der Turgor ist der osmotisch bedingte Spannungszustand der Zelle bzw. der Druck des Zellinhaltes auf die Zellwand. Damit wird die Pflanzenzelle gespannt und dadurch wird auch die ganze Pflanze ausgesteift. Wasserverlust (z.B. durch Abreissen der Pflanze) oder das Herabsetzen des osmotischen Wertes führt zum Erschlaffen (Welken) der Pflanze.
   Osmose: Diffusion von Wasser durch Membranen, die durch Konzentrationsunterschiede von gelösten Stoffen (wie Zucker oder Ionen) zustande kommt. Dabei diffundiert das Wasser immer vom Ort höherer Wasserkonzentration (= Ort geringerer Stoffkonzentration) zum Ort geringerer Wasserkonzentration (= Ort höherer Stoffkonzentration)!!
4. Konzept "Pflanzlicher Wassertransport":
   Unter dem apoplastischen Transport (Mittelstreckentransport im zusammenhängenden Zwischenzellen- und Zellwandraum) wird das Haftwasser des Bodens über 1 Rhizodermis --> 2 Rindenzellen --> 3 Endodermis (mit Caspary-Barriere) ins Cytoplasma des --> 4 Perizykels und weiter als symplastischer Transport (im Protoplasten- und über Plasmodesmen"rohre") direkt in die wasserleitenden --> 5 Xylemelemente des Zentralzylinders transportiert. Die Energie für den Wassertransport stammt 1. indirekt aus dem osmotisch durch aktiven (Salz)-Ionentransport bedingten Symplastentransport (=Kurz- und Mittelstreckentransport), 2. vor allem vom enormen Transpirationssog (= Wasserdampfdruckdefizit zwischen Boden und Atmosphäre bzw. geringere Wasserkonzentration in der Atmosphäre --> Langstreckentransport) und 3., ergänzend bei ungünstigen Transpirationsbedingungen, dem ebenfalls aktiv erzeugten Wurzeldruck des Zentralzylinders. Der Ferntransport (Langstreckentransport) Wurzel - Blatt) wird durch Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen des dünnen Wasserfadens und Wandadhäsionseffekten in den Xylemelementen unterstützt.
5. Konzept "Assimilat-Transport":
   Der Ferntransport organischer Moleküle in der Pflanze erfolgt durch den bevorzugt abwärts gerichteten Assimilatstrom (Gegenstück zum Transpirationsstrom). Die Beladung der Siebröhrenglieder kann via Symplastenweg direkt oder aktiv mit Hilfe einer H⁺-pumpenden ATPase erfolgen, wobei die Saccharose mit dem H⁺-Gradienten In den Siebröhren erfolgt eine Lösungsströmung, die von einer osmotischen Potenzialdifferenz zwischen "source" (Quelle) und "sink" (Verbraucher) angetrieben wird. Die verschiedenen Stoffe bewegen sich dabei gemeinsam und zusammen mit dem Lösungsmittel Wasser im Lumen der Siebröhren (= sog. Massenstrommechanismus).