Die Fotosynthese ist neben der Zellatmung der bedeutsamste Stoffwechselprozess, der das Leben auf der Erde maßgeblich beeinflusst. Vor allem Pflanzen, aber auch Algen und Bakterien, können mithilfe des Chlorophylls die Strahlungsenergie des Sonnenlichtes nutzen, um energiereiche Verbindungen wie Glucose zu produzieren. Die Thematik der Fotosynthese begegnet Lernenden im Biologieunterricht sowohl in der Sekundarstufe 1 als auch in der Oberstufe. In diesem Modul wird den Schüler:innen die Möglichkeit geboten, über die Datenerfassung und -auswertung der lichtabhängigen Fotosyntheseaktivtät zugrunde liegende Fachinhalte experimentell zu erforschen und visuell gestützt zu erarbeiten.
Elodea im Rampenlicht – Mit unterschiedlichen Wellenlängen zur Erkenntnis
Illustration von Julia Heise, 2023, CC BY-NC 4.0
Salat vom Fließband oder Obst aus dem Keller? Indoor Gardening / Farming macht es möglich.
Frisches Obst und Gemüse zu jeder Jahreszeit? Klingt unvorstellbar, ist aber die Zukunft. Nicht nur der Klimawandel sondern auch eine zunehmende Urbanisierung und Erdbevölkerung erzwingen ein Umdenken in der Lebensmittelindustrie. Indoor Gardening / Farming stellt einen neuen Ansatz dar, um den Bedarf an frischen Lebensmitteln zu bewältigen. Die Idee, Pflanzen ohne Sonnenlicht anzubauen, stammt aus der Raumfahrttechnologie und wird zunehmend auch auf der Erde weiterentwickelt und umgesetzt.
Eine der größten Herausforderungen ist die Sicherstellung der notwendigen abiotischen Faktoren. Vor allem das Licht, welches für den Aufbau energiereicher Verbindungen unabdingbar ist, muss den Pflanzen zur Verfügung gestellt werden. Doch Licht ist nicht gleich Licht – um ertragreiches Wachstum zu fördern, werden Speziallampen gebraucht, die das Chlorophyll in den Pflanzenzellen besonders anregen.
In diesem Modul soll herausgefunden werden, welches Lichtspektrum (Wellenlänge) die Fotosynthese und somit auch das Pflanzenwachstum begünstigt. Mittels der Wasserpest als Modellorganismus soll der Einfluss unterschiedlicher Licht-Wellenlängen auf die Fotosyntheseaktivität untersucht werden.
Für das Verständnis und die Arbeit mit den Videos sollten die Lernenden Vorwissen zur Fotosynthese aufweisen. Die Grundgleichung und dazugehörigen Reaktionsprozesse der Fotosynthese sind für das videobasierte Erforschen elementar. Außerdem ist ein chemisches Basiswissen wünschenswert. Da für das Experiment die Verwendung des pH-Indikators Bromthymolblau von zentraler Bedeutung ist, kann das Material zum pH-Indikator unterstützend eingesetzt werden, um ggf. auch die chemischen Prozesse zur Farbveränderung zu erläutern.
Die Erarbeitung des Einflusses der Wellenlänge auf die Fotosyntheseaktivität kann mittels des Videomaterials je nach (eigens) geplanter Messmethode in Kleingruppen oder nacheinander erfolgen.
Beide Videos zeigen zunächst den experimentellen Aufbau (inkl. die Herstellung des Indikators) und gehen dann in die Durchführung des Experimentes über. Dabei wird aber nicht die gesamte Durchführung aufgezeichnet, sondern es werden zu den jeweiligen Messzeitpunkten die einzelnen Experimentalansätze eingeblendet. Entlang des Erkenntnisprozesses sollten daher die Lernenden zunächst phänomengestützt eine Forschungsfrage und Hypothesen erarbeiten, um dann ggf. mithilfe der Materialbilder, -liste oder dem Startbild der Videos eine experimentelle Planung zu vollziehen.
Da die Videos zur Fotosynthese zwei unterschiedliche Messmethoden fokussieren (direkte und indirekte Messung), kann hier auch ein differenzierter Ansatz von Beginn an gewählt werden oder die Videos werden passend zur individuellen Planung eingesetzt.
Die eigene Planung kann aber auch hinsichtlich fachmethodischer Entscheidungen und Schwierigkeiten (z.B. Messungen anlegen) mit der Durchführung in den Videos verglichen und reflektiert werden. Ebenso ermöglicht die Auswertung der über das videobasierte Experiment generierten Daten eine Rückbindung und Prüfung der aufgestellten Hypothesen.
Fachmethodische Fähigkeiten über unterschiedliche Messmethoden fördern.
Neben der Erarbeitung des fachlichen Zusammenhanges von Wellenlänge und Fotosyntheseaktivität bietet die Einheit auch die Option unterschiedliche Möglichkeiten der Messwerterfassung zu entdecken und anzuwenden. Die Erhebung, Aufbereitung, (fehleranalytische) Auswertung der Messdaten sowie eine Gegenüberstellung und der Vergleich der jeweiligen Messmethoden können über das Modul fokussiert werden.
In Video 1 werden die Daten indirekt über die Farbveränderungen des pH-Indikators erfasst. Dazu wird direkt eine Vergleichsskala eingeblendet, die aber auch separat den Lernenden (siehe Material) zur Verfügung gestellt werden kann, um die Messdaten abzulesen und in einen Zahlenwert zu überführen, zu dokumentieren und / oder grafisch aufzubereiten.
Die direkte Messung der festgelegten Messgrößen (pH-Wert und gelöster Sauerstoffgehalt) erfolgen in Video 2 über den Einsatz eines digitalen Messwerterfassungssystems (inkl. digitaler Messsensoren). Hier können die Messdaten direkt abgelesen und ebenfalls in eine Wertetabelle oder ein Diagramm überführt werden.
Das Videomaterial „Fotosynthese“
Fotosyntheseaktivität über indirekte Messungen ermitteln
In dem Video werden der Aufbau und die Durchführung (inkl. der Herstellung des pH-Indikators) des Experimentes deutlich.
Die indirekte Messung erfolgt alle 30 Minuten mittels der Farbveränderung des pH-Indikators Bromthymolblau und einer passenden Farbskala.
Fotosyntheseaktivität über direkte Messungen ermitteln
In dem Video werden der Aufbau sowie die Durchführung dargestellt und die Erhebung der exakten Messwerte für die Auswertung mit digitalen Messsensoren gezeigt.
Die Datenerhebung des PH-Wertes und des gelösten Sauerstoffgehaltes erfolgt alle 30 Minuten
Hier können Sie sich die experimentierbezogenen Materialien zu den beiden Videos herunterladen. Zudem stehen Ihnen ein Hintergrundpapier zum pH-Indikator sowie eine Übersicht zu den einzelnen Wellenlängen der Lichtfarbe zur Verfügung.
Urheber:innen dieses Moduls: Unterstützt durch das VidEX-Team ist Laura Pfafferodt hauptverantwortlich für die Videogestaltung. Sie hat mit ihrer Abschlussarbeit und ihrem Engagement das VidEX-Angebot enorm bereichert!