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13 spannende Experimente für Kinder im Sommer

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13 Experimente im Sommer

Die Sonne verwöhnt uns an langen, warmen Tagen. Ab und zu sorgen lauer Regen oder wilde Gewitter dafür, dass indes alles grünt und blüht. Der Sommer ist eine tolle Zeit für Experimente im Garten oder auf dem Balkon. In Keinsteins Kiste findet ihr viele spannende Anregungen, wie ihr die Natur um euch erforschen, die Sonnenenergie für Experimente nutzen oder einfach draussen Spass haben könnt. Was macht Blätter grün? Welche buchstäblich coolen Experimente eignen sich für heisse Tage? Oder wollt ihr lieber eine Rakete starten?

In dieser Sammlung von Sommer-Experimenten werdet ihr fündig!

Sicherheit – für euch und euren Garten

Wenn ihr draussen experimentiert, beachtet die gleichen Sicherheits-Grundregeln wie beim Experimentieren drinnen: Sucht euch einen spritz- und allenfalls feuerfesten Experimentierplatz, tragt passende Schutzkleidung (Malschürze wie beim Umgang mit Wasserfarben und bei aggressiven Stoffen Schutzbrille) und esst und trinkt nicht dort, wo ihr experimentiert!

Meine Checkliste zum sicheren Experimentieren findet ihr hier in Keinsteins Kiste zum Download.

Wenn ihr draussen experimentiert, habt ihr zudem einen unbestrittenen Vorteil: Für eine gute Belüftung ist immer gesorgt. Achtet aber darauf, dass eure Nachbarn nicht zu sehr unter stinkenden Experimenten leiden, falls ihr solche durchführt. Oder ladet sie einfach zum Mitforschen ein.

Ganz wichtig ist jedoch: Achtet darauf, dass keine flüssigen oder festen Bestandteile eurer Experimente an die Pflanzen oder in den Boden eures Gartens oder eurer Balkonkübel gelangen!

Das gilt besonders für Säuren und Basen wie Essig oder Natron und Seifen! Die können nämlich nicht nur unsere Haut, sondern auch Pflanzenteile beschädigen. Säuren und Basen können in grösseren Mengen zudem den pH-Wert im Boden so verändern, dass das Leben darin gehörig durcheinander gerät.

Seifen, genauer die Tenside darin, stören den Stoffaustausch zwischen Kleinstlebewesen und dem Wasser in ihrer Umgebung. So können sie für das Leben im Boden sehr gefährlich werden.

Sorgt deshalb für eine schützende Unterlage an eurem Experimentierplatz: Eine Maltischdecke, ein Tablett oder Backblech oder eine Plane auf dem Rasen können euch gute Dienste leisten.

Wenn ihr diese Sicherheitsvorkehrungen beachtet, steht dem Experimentierspass ohne Schaden an euch oder eurem Garten nichts mehr im Wege! Also los:

13 Experimente für draussen

Blätter transportieren Wasser – Ein Kontrollversuch macht es sichtbar

Experiment: Blätter transportieren Wasser - und warum ein Kontrollversuch wichtig ist

Mit diesem einfachen Experiment könnt ihr nicht nur sichtbar machen, dass Pflanzen trinken und schwitzen – und auf diese Weise Wasser aus dem Boden (oder einer Vase) in die Luft transportieren. Ihr könnt auch die Bedeutung eines Kontrollaufbaus (einer „Blindprobe“ oder auch einer Kontrollgruppe) für die Bewertung von Versuchsergebnissen aufzeigen. Oft zeigt sich das Ergebnis eines Versuch nämlich erst im Vergleich mit einem Aufbau ohne die entscheidende Zutat richtig deutlich. Das macht solche Kontrollversuche zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die grossen Forscher! Da ihr im Sommer reichlich Zweige mit grünen Blättern finden könnt, können auch eure kleinen Forscher einen solchen Vergleich durchführen. Die Anleitung dazu findet ihr hier.

Das geheimnisvolle Leben der Pflanzen

Rund um Pflanzen gibt es ohnehin so viel zu entdecken. Wenn ihr ein Mikroskop habt – schon ein einfaches USB-Mikroskop genügt! – könnt ihr euch den spannenden Aufbau von Blättern ansehen. Unterwegs könnt ihr nach Sonnen- und Schattenblättern oder nach Standort-Spezialisten Ausschau halten. Und wusstet ihr, dass ihr eine Pflanze, die nach einem langen heissen Tag die Blätter hängen lässt, nicht gleich aufgeben müsst? Ihr könnt sie ganz einfach wiederbeleben! Eine ganze Sammlung von Tipps und Anleitungen rund um Pflanzen und ihre Blätter findet ihr hier.

Photosynthese erleben

Blogbild Photosynthese

Pflanzen leben von Luft und Licht…und von Wasser natürlich. Weitere Nährstoffe brauchen sie nur in vergleichweise winzigen Mengen. So kommt es, dass die wilden Gewächse, in die sich selbst unsere Topfpflanzen im Zimmer manchmal verwandeln, uns immer wieder zum Staunen bringen. Das Geheimnis dahinter: Pflanzen bauen aus CO2 und Wasser mit Hilfe von Lichtenergie Kohlenhydrate – die Bestandteile ihrer selbst – auf. Dabei entsteht praktischerweise Sauerstoff als Abfall. Den Vorgang, der dahinter steckt, nennen die Biochemiker Photosynthese. Und ihr könnt nicht nur die Entstehung von Sauerstoff, sondern auch die Bildung von Stärke in Pflanzenteilen einfach nachweisen. Wie das geht, erfahrt ihr hier. 

Raketenstart mit dem perfekt berechneten Treibstoff

Wer eine Rakete starten möchte, braucht möglichst viel Triebkraft bei möglichst wenig Gewicht. Essig und Natron geben einen prima Treibstoff ab, der für euch weitestgehend ungefährlich ist. Hier erfahrt ihr nicht nur, wie ihr aus Abfällen eure eigene Rakete baut, sondern auch wie ihr das perfekte Gemisch für euren Treibstoff ausrechnen könnt. Stöchiometrie nennen Chemiker diese Art zu rechnen. Wenn ihr eure Startrampe auf dem Rasen errichtet, empfehle ich euch eine Plane darunter zum Schutz des Grüns. Denn der Antrieb dieser Rakete beruht zwar darauf, dass Essig und Natron einander neutralisieren. Aber es hat wohl noch kein Raketen-Experiment gegeben, bei dem nicht einmal irgendetwas schief gelaufen wäre!

Spass mit Elefantenzahnpasta

Womit putzen Elefanten sich die Zähne? Mit einer grossen Menge schaumigem Zeug? Könnte man meinen…aber Scherz beiseite. Diesen Schaum solltet ihr besser nicht anfassen – aber Zuschauen allein macht grossen Spass! Auch für diesen Schaumvulkan ist ein Gasentstehung die Triebkraft. Hier sorgt Hefe, die mit Wasserstoffperoxid fertig zu werden versucht, für seine Entstehung. Und damit es richtig schäumt, gehört ein Schuss Seife dazu. Da weder die noch Wasserstoffperoxid gesund für den Garten sind, rate ich auch hier dringend zu einer Auffangwanne. Damit steht dem grossen Spass nichts mehr im Wege. Wie ihr die Elefantenzahnpasta anrichtet – vielleicht in einer grösseren Ausgabe als meiner? – erfahrt ihr hier.

Hefegärung mit Sonnenenergie

Experiment: Gärung - die Superkraft von Hefe

Hefe kann nicht nur blitzschnell Wasserstoffperoxid loswerden, sondern auch, was euren Kuchen zum Aufgehen bringt: Sich ernähren. Die Art und Weise, wie Hefezellen ihre Nahrung „verdauen“, nennt man Gärung. Und dabei entsteht eine richtig grosse Menge CO2. Die kann nicht nur dafür sorgen, dass euer Teig schön fluffig wird, sondern auch einen Luftballon aufblasen. So könnt ihr mit einem solchen die Gärung ganz einfach sichtbar machen! Und da Hefe es gerne lauschig warm hat, liefert die Sommersonne euch die passende Energie dazu. Wie ihr den Versuch macht, erfahrt ihr hier.

Blattfarbstoffe trennen

Wusstet ihr, dass Blätter im Herbst nicht gelb und rot werden, sondern einfach nur nicht länger grün bleiben? Richtig: In einem grünen Blatt sind stets alle seine möglichen Farben enthalten: Grün, Gelb, Rot. Das Grün ist im Sommer bloss derart in der Übermacht, dass es alle anderen Farben überstrahlt. Im Herbst lagern die Pflanzen es jedoch ein, und übrig bleiben Gelb und Rot, bevor ihre Blätter welken und abfallen. Ihr wollt einen Beweis? Mit diesem spannenden Experiment könnt ihr die Farbstoffe aus grünen Blättern trennen und einzeln begutachten! Da ihr dazu Lösungsmittel braucht, ist die gute Belüftung draussen euch dabei ein grosser Vorteil.

Die mysteriöse Pharaoschlange

Dieser faszinierende Partyspass erfordert ein wenig Vorbereitung seitens grosser Forscher – und eine Geheimzutat, die ihr in der Apotheke oder Drogerie kaufen müsst. Welche das ist, verrate ich hier mitsamt der Anleitung und zwei weiteren verblüffenden Experimenten. Das folgende Spektakel lohnt jedoch den Aufwand: Ihr könnt Zucker zum Brennen bringen und beobachten, wie ein mächtiger Aschewurm sich wie von Zauberhand aus dem Sand erhebt und windet! Und wenn ihr das Ganze draussen macht, braucht ihr euch um den Rauchabzug keine grossen Gedanken zu machen. Ein Spass für jede Gartenparty!

Für heisse Tage im Sommer: Herzen schmelzen…

Ein Herz aus Eis

…oder was immer ihr sonst schmelzen lassen wollt. An heissen Tagen sorgt dieses coole Experiment für viel Spass und allfällige Abkühlung. Beobachtet, in welcher Weise Eis schmilzt, beschleunigt den Vorgang mit Salz und erschafft mit bunten Farben surreale Eiswelten. Ganz junge Forscher haben hier ebenso viel Freude wie grössere Kameraleute, die gern farbenfrohe Bilder aufnehmen. Achtet aber darauf, ein Auffangblech oder eine Folie zu verwenden, damit die Farben bleiben, wo sie hingehören und nicht in den Garten laufen! Anleitung und Hintergründe zum Experiment findet ihr hier.

Brausende Herzen schmelzen…mit Essig-Eis

Experiment am Valentinstag: Essigeisherzen in Soda

Für diese Variante des Farbenspiels beim Schmelzen macht ihr Eiswürfel nicht aus Wasser, sondern aus Haushaltsessig! In einer Natron- oder Sodalösung zeigen die beim Schmelzen ihren wahrhaft aufbrausenden Charakter. Mit etwas Tinte oder Lebensmittelfarbe wird das Ganze zudem zu einem weiteren Farbspektakel. Aber bitte nicht trinken – auch wenn sie sich neutralisieren sollten, können Essig und Natron auf Schleimhäute ätzend wirken! Auffangblech oder Plane schützen zudem euren Garten, wenn es hoch her geht. Die Anleitung zum Experiment findet ihr hier.

Eis wächst!

gefrorenes Wasser : Das Glas wird voller

Zur Weiterverwendung zwecks Abkühlung an heissen Tagen ist das Eis aus diesem Experiment geeignet. Wusstet ihr, dass Wasser beim Gefrieren wächst? Das ist eine ganz besondere Eigenschaft dieses allgegenwärtigen Stoffes. Forscher nennen sie auch die „Dichteanomalie“ des Wassers: Sie wissen, dass Wasser bei etwa +4°C am „kleinsten“ ist und, wenn es kälter wird, wieder wächst! Auch dann, wenn es beim Kälterwerden gefriert. Deshalb solltet ihr niemals geschlossene Glasflaschen mit Inhalt ins Gefrierfach legen. Denn wenn der Inhalt zu stark wächst, platzen sie! Wie ihr das Wachstum von Eis ganz ohne Gefahr sichtbar machen könnt, erfahrt ihr dagegen hier.

Kinetischer Sand für drinnen und draussen

Experiment DIY Kinetischer Sand - und wie er funktioniert

Ihr habt Sehnsucht nach dem Strand? Der Sandkasten ist öde geworden? Ihr habt gar keinen Platz dafür? Oder der Sommer ist verregnet? Dann habe ich eine gute Nachricht für euch. Mit diesem Rezept könnt ihr kinetischen Sand ganz einfach selber machen! Mit diesem praktischen Sand können kleine Forscher nach Herzenslust bauen und spielen, ohne dass der berüchtigte Strandferien-Effekt eintritt: Sand überall! Denn diese Sandkörner bleiben beieinander, anstatt sich im Wohnraum zu verteilen. So steht dem Spielspass auf der Terrasse oder sogar drinnen nichts mehr im Wege.

Natur-Bingo für den Sommer-Spaziergang am See

Tier-Bingo am See

Wir haben in diesem besonderen Jahr auf Fernreisen verzichtet und verbringen die Ferien zu Hause. Da gibt es auch so viel zu entdecken! Wenn ihr an einem See oder Teich wohnt oder Urlaub macht, könnt ihr euren Spaziergang durch die Natur dort mit einem spannenden Forscher-Bingo verbinden. Die Anleitung samt Bingokarte zum Ausdrucken findet ihr hier. Wer entdeckt zuerst alle gesuchten Tiere?

Und noch mehr Experimente im Sommer

Viele weitere Versuche in Keinsteins Kiste könnt ihr nicht nur drinnen, sondern ebenso gut auf der Terrasse oder dem Balkon machen. Stöbert und probiert also ruhig nach Herzenslust weiter. Ich wünsche euch viel Spass beim Experimentieren in diesem Forschersommer!

Eure Kathi Keinstein

Und was ist euer Lieblings-Sommer-Experiment? Wenn ihr einen Blog habt oder gerne einmal einen Gastbeitrag schreiben würdet, nehmt damit doch gleich an meiner Jubiläums-Blogparade teil!

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Experiment: Blätter transportieren Wasser – ein Kontrollversuch macht es sichtbar!

Experiment: Blätter transportieren Wasser - und warum ein Kontrollversuch wichtig ist

Es ist Herbst, und langsam färben sich die Blätter bunt. Sie zu sammeln und aufzuheben macht Freude. Aber wenn man nicht achtgibt, rollen sie sich nur zu schnell ein und werden spröde. Aber warum werden lose Blätter trocken? Weil sie nichts mehr zu trinken haben, ist eine naheliegende Antwort. Aber nicht die einzige: Dazu kommt, dass Blätter ständig Wasser an die Luft abgeben – als Wasserdampf, der von ihrer Oberfläche verdunstet.

Dieses Experiment zeigt, wo Pflanzen das Wasser hernehmen – und dass sie es tatsächlich von einem Ort an einen anderen befördern können.

Ihr braucht dazu

  • 2 gleiche Gläser
  • Wasser
  • einen Zweig mit grünen Blättern
  • etwas Speiseöl
  • ggfs. Pasteurpipette (z.B. Deckel einer Nasentropfen-Flasche)
Links: Glas mit einem Blatt einer Glyzine („Blauregen“), Rechts: Kontrolle ohne Blatt
Ich habe Olivenöl verwendet, dass eine gelbliche Farbe hat. Andere Speiseöle sind weniger farbig, funktionieren aber ebenso.
Bei dem dünnen Blattstiel hätte ich aber ewig warten können…

So geht’s

Füllt die Gläser etwa zwei Drittel hoch mit Wasser. Die Füllhöhe soll dabei in beiden Gläsern gleich sein. Schneidet den Zweig am unteren Ende schräg an und stellt ihn in ein Glas. Bedeckt nun die ganze Wasseroberfläche in beiden Gläsern mit einer Schicht Speiseöl. Eine Pipette kann beim sauberen Dosieren helfen. Ausserdem könnt ihr mit der Pipettenspitze das Öl zum Glasrand hin verstreichen, bis es daran kleben bleibt. Stellt anschliessend beide Gläser für einige Stunden, besser einen Tag lang an die Sonne oder in einen warmen Raum.

Mit einem verholzten Zweig vom Kirschbaum samt sieben Blättern konnte ich schliesslich doch einen Effekt beobachten…

Was ihr beobachten könnt

Der Wasserspiegel im Glas mit dem Zweig sinkt mit der Zeit, während jener im Glas ohne Zweig unverändert bleibt.

Nach zwei bis drei Stunden an der Sonne steht das Wasser im Glas mit den Zweigen 1 bis 2 Millimeter weniger hoch als im Kontrollglas.
Nach einem zusätzlichen Tag im Innenraum fällt das Ergebnis noch deutlicher aus: Der Unterschied beträgt jetzt mehr als 5 Millimeter!

Was passiert da?

Blätter geben über kleine Poren (Spaltöffnungen) an ihrer Oberfläche ständig Wasser(-dampf) an die Luft ab.

Blätter unter dem Mikroskop, mit sichtbaren Spaltöffnungen
Dies ist die untere Aussenhaut eines frischen Blattes meiner Tomatenpflanze bei 100-facher Vergrösserung. Die winzigen Spaltöffnungen (sie sind ca. 0,05 – 0,1 mm klein!) sind als dunkelgrüne Punkte gut erkennen (die Ränder der Spalten enthalten den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll, die übrigen Aussenhautzellen nicht). Diagonal durch das Bild verläuft eine „Blattader“, d.h. Leitungsbündel, in dessen Umgebung ebenfalls chlorophyllhaltige Zellen haften geblieben sind.

Durch den Wasserverlust entsteht ein Unterdruck, der über die Wurzeln der Pflanze Wasser aus dem Boden nach oben saugt. Als Leitungen dienen dabei dünne Röhren im Inneren der Stängel sowie die „Adern“ in den Blättern. Da der geschnittene Zweig weder Wurzeln noch Boden hat, wird das Wasser im Experiment direkt aus dem Glas gezogen. Mit dem Stängel werden nämlich auch die Röhren darin angeschnitten, sodass sie nun offen ins Wasser ragen. Mit dem schrägen Schnitt vermeidet ihr, dass die Öffnungen der Röhren flach auf den Glasboden gedrückt und so verschlossen werden.

Warum rollen sich trockene Blätter nun ein?

Einen guten Teil des in die Blätter hinauf gesogenen Wassers gibt die Pflanze nicht sofort wieder ab. Stattdessen speichert sie es in kleinen Hohlräumen (Vakuolen) in ihren Zellen. Sind die Vakuolen prall gefüllt, sind auch die Zellen prall und das Blatt erscheint straff und fest.

Wenn der Wassernachschub ausbleibt, werden die Vakuolen zunehmend entleert: Die Blätter werden zunächst schlaff (dieser Teil lässt sich umkehren und die Pflanze „wiederbeleben“ – wie genau, erfahrt ihr hier). Wenn die Wasservorräte ganz verbraucht sind, können die Blattzellen nicht mehr funktionieren und sterben ab. Ohne pralle, formgebende Wasserspeicher fallen die „Skelette“ der sterbenden und toten Zellen regelrecht in sich zusammen, sodass das Blattgewebe krumm und spröde wird.

Und wozu das Speiseöl?

Das Speiseöl verhindert, dass Wasser über die Wasseroberfläche verdunstet. So muss das Wasser, das im Glas mit dem Zweig fehlt, von dessen Blättern „ausgeschwitzt“ worden sein!


Ein Forschertrick: Sichere Ergebnisse durch Kontrollversuche

Das zweite, leere Glas dient als direkte Vergleichsmöglichkeit: Ihr könnt den Unterschied zwischen einem Glas mit Verdunstungsmöglichkeit über einen Zweig und einem Glas, aus dem nichts verdunsten kann, auf einen Blick sehen. So könnt ihr

  1. auch kleine Unterschiede rasch erkennen.
  2. sicher gehen, dass ihr den Zweig auch dann „schwitzen“ seht, wenn doch etwas Wasser durch das Öl verdunsten sollte. Das geschähe dann nämlich in beiden Gläsern in gleicher Weise. Folglich muss ein sichtbarer Unterschied etwas mit dem Zweig zu tun haben.

Auch die grossen Forscher machen Kontrollversuche

In der wissenschaftlichen Forschung sind solche Kontrollversuche von entscheidender Wichtigkeit. Je komplizierter die Versuche nämlich sind, desto mehr Umstände können das Ergebnis beeinflussen. Besonders wenn Lebewesen an Experimenten beteiligt sind, sind Forscher oft gar nicht in der Lage, jeden einzelnen dieser Umstände nachzuvollziehen und seinen Einfluss auf das Ergebnis zu bestimmen.

Ein Kontrollversuch unter möglichst gleichen Bedingungen, aber ohne das Detail, das man untersuchen möchte, zeigt einem die Summe aller zusätzlichen Einflüsse. Wenn das zu untersuchende Detail zu einem davon unterschiedlichen Ergebnis führt, kann man sicher sein, dass eben dieses Detail auch die Ursache dafür ist. Und das, ohne jeden einzelnen Umstand mit Einfluss zu kennen!

Das gilt für einfache Experimente wie den Nachweis eines Stoffs mit einem Reagenz bis hin zu Studien, in welchen Medikamente an Menschen getestet werden.

Mit Kontrollversuchen lässt sich der Placebo-Effekt „ausblenden“

Bei solchen Studien erhält eine zusätzliche Gruppe von Versuchspersonen, die „Kontrollgruppe“ genannt wird, ein Medikament ohne Wirkstoff – ein sogenanntes Placebo. Das menschliche Gehirn ist nämlich ein besonders schwer zu kontrollierender Einfluss auf Versuchsergebnisse: Es lässt uns selbst dann eine Veränderung unseres Befindens wahrnehmen, wenn kein Wirkstoff im genommenen Medikament ist (das nennen die Forscher den Placebo-Effekt)!

Der Placebo-Effekt tritt (wie viele andere Umstände) sowohl bei der Kontrollgruppe als auch bei der Gruppe mit Wirkstoff auf. Wenn das Ergebnis bei der Gruppe mit Wirkstoff trotzdem anders ist als das bei der Kontrollgruppe, hat das mit ziemlicher Sicherheit der Wirkstoff bewirkt. Gibt es dagegen keinen Unterschied zwischen der Gruppe mit Wirkstoff und der Kontrollgruppe, bewirkt der „Wirkstoff“ ebenso sicher nichts.   


Zusammenfassung

Dieses einfache Experiment zeigt, dass Pflanzen Wasser aus dem Boden (oder einem Glas) „trinken“ und als Wasserdampf an die Luft abgeben können.

Ein Kontrollversuch ohne Pflanze macht diesen Effekt im Vergleich direkt sichtbar. Ausserdem lässt sich mit seiner Hilfe ausschliessen, dass andere Faktoren für das Verschwinden des Wassers aus dem Glas verantwortlich sind. Derartige Kontrollen sind ein äusserst wichtiger Bestandteil wissenschaftlicher Forschung.

Ihr könnt euch die Trink- und Schwitz-Fähigkeit von Pflanzen übrigens direkt zu Nutze machen: Zimmerpflanzen im Raum sorgen dafür, dass auch im Winter die Raumluft nicht zu trocken wird!

Entsorgung

Den Zweig könnt ihr auf den Kompost oder in den Grünabfall geben. Oder ihr lasst ihn als Dekoration im Wasserglas stehen oder verwendet ihn für weitere Blatt-Experimente.

Wasser und Speiseöl könnt ihr in den Ausguss entsorgen. Die Super-Waschkraft von Spülseife hilft dabei, Ölreste von den Gläsern zu entfernen und fort zu spülen. Nicht verwendetes Speiseöl könnt ihr natürlich zum Kochen weiterverwenden.

Oder ihr nehmt bloss den Zweig aus dem Glas und verwendet es samt Inhalt für das Experiment mit der DIY-Lavalampe!

Ich wünsche euch viel Spass beim Experimentieren!

Hast du das Experiment nachgemacht:

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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Experimente: Das geheimnisvolle Leben der Pflanzen – Teil 1

Habt ihr euch auch schon einmal gefragt, wovon Pflanzen eigentliche leben? Wie sie an Energie und Nährstoffe kommen, um zu wachsen, Blätter und Blüten zu bilden?

Im Biologiebuch ist nachzulesen, dass Pflanzen tatsächlich fast nur von Luft, Licht und Wasser leben können! Das erkannten die Naturforscher Johan Baptista van Helmont und Joseph Priestley schon zu Beginn des 17. bzw. im 18. Jahrhundert.

Wie genau die Pflanzen es anstellen, aus ein paar winzigen Molekülen feste Stängel, Blätter und Blüten zu formen, könnt ihr mit spannenden Experimenten zu Hause und aufmerksamen Sinnen draussen selbst ergründen!

Um dieses faszinierende Thema zu würdigen und euch möglichst viele Naturforscher-Anregungen zu geben, widme ich dem Leben der Pflanzen zwei Beiträge, die diese und nächste Woche erscheinen sollen. So zeige ich euch heute wie Pflanzen ihre Nahrung aufnehmen und „Abfall“-Stoffe abgeben können. Der nächste Beitrag ist dann ganz der Energie- und Materialgewinnung durch Photosynthese gewidmet.

Aber fangen wir am Anfang an.

Pflanzen im Detail: Wie sind diese Lebewesen aufgebaut?

Eine typische Grünpflanze besteht aus Wurzeln, ggfs. einem Stängel oder Stamm und grünen Blättern. Wasser dringt in durch die Wurzeln ein und bringt die wenigen Nährstoffe, die aus dem Boden stammen, mit, wenn es in die verschiedenen Teile der Pflanze gelangt. Die grünen Blätter (und Stängel) sammeln Licht, mit dessen Energie die Pflanze aus Luft-Bestandteilen ihre Hauptnahrung herstellen kann: Glucose bzw. Traubenzucker. So viel mag den allermeisten unter euch bekannt sein.

Aber wie finden all diese Stoffe in der Pflanze ihren Bestimmungsort?

Versuch 1: Blätter ganz, ganz aus der Nähe betrachtet

Seht euch doch einmal ein Blatt genauer an. Bei grossen Blättern – zum Beispiel denen eines Ahorn-Baumes – könnt ihr schon mit blossem Auge ein Netzwerk wie aus Adern sehen. Tatsächlich sind diese Adern das Gegenstück zu unserem Blutgefässsystem: Sie sind Leitungen, durch welche Wasser und Nährstoffe transportiert werden! Und wie in unserem Gefässsystem gibt es neben den grossen Blatt-Adern auch kleinere und winzig kleine Gefässe, die in jeden Winkel reichen.

Habt ihr eine starke Lupe oder sogar ein Mikroskop? Schon mit einfachen Hilfsmittel könnt ihr die feinen Äderchen in Blättern sichtbar machen. Mein einfaches USB-Mikroskop mit angeblich 100-facher Vergrösserung reicht dazu schon aus.

Anleitung zum Mikroskopieren

  • Klemmt zum Mikroskopieren ein frisches, möglichst dünnes Blatt zwischen zwei Objektträger und schiebt es mit der Unterseite nach oben in die Halterung unter der Linse (oder fixiert die Träger mit Klebestreifen, wenn euer Mikroskop keine Halterung hat).
  • Beleuchtet das Blatt von unten (mein Gerät ist mit Beleuchtung von unten und von oben ausgestattet – es gibt jedoch kleine, günstige LED-Leuchten, die für Freihand-USB-Mikroskope ohne Unterbau den gleichen Zweck erfüllen). Die fast farblosen Blatt-Adern werden zwischen dem undurchsichtig grünen Blattgewebe hell aufleuchten.
Blatt Anatomie vergrössert
Oberseite eines Blattes des Ranunkelstrauchs bei Licht von unten: Die durchscheinenden Blattadern leuchten hell zwischen den Bereichen, die grosse Mengen des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll enthalten.
  • Noch eindrücklicher ist die Beleuchtung der Blattunterseite von oben: Die kleineren Blatt-Adern erscheinen dunkel, grössere Adern und Haare stehen hell hervor. Mit geübtem Auge und scharfem Bild lassen sich bei 100-facher Vergrösserung sogar einzelne Strukturen innerhalb der grünen Zell-Inseln ausmachen!
Blatt Anatomie Ranunkelstrauch
Die Unterseite eines Blattes des Ranunkelstrauchs bei Licht von oben: Blattoberfläche und grössere Blattadern sind von feinen weissen Härchen besetzt.

Ich habe ein junges Blatt von meinem Ranunkelstrauch (Kerria japonica), einem beliebten Zierstrauch, der auf meinem Balkon wächst, gepflückt. Die Blätter dieser Pflanze fühlen sich samtig an, was ein weiteres Detail erahnen lässt. Und die Mikroskopaufnahme zeigt es deutlich: Diese Blätter sind behaart – die feinen Härchen auf der Unterseite erscheinen im Bild als weisse Würmchen. Dazwischen schimmern die feinen Blattadern, die sich zwischen dunkelgrünen Inseln verzweigen.

  • Um mehr zu sehen ist es nötig, einzelne Schichten eines Blattes unter das Mikroskop zu bringen. Klebt dazu einen durchsichtigen Klebestreifen auf ein frisches Blatt und drückt ihn sorgfältig an (aber ohne das Blatt gänzlich zu zerquetschen!). Zieht den Streifen dann mit einem Ruck wieder ab. Wenn nun grüne Teile des Blattes am Streifen heften und das Blatt an betreffenden Stellen nur noch aus farbloser, dünner Haut besteht: Perfekt! Ihr habt alles bis auf eine Aussenhaut des Blattes entfernt. Platziert diese farblosen Stellen nun zwischen zwei Objektträgern unter dem Mikroskop:
Dies ist die untere Aussenhaut eines frischen Blattes meiner Tomatenpflanze bei 100-facher Vergrösserung. Die winzigen Spaltöffnungen (sie sind ca. 0,05 – 0,1 mm klein!) sind als dunkelgrüne Punkte gut erkennen (die Ränder der Spalten enthalten den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll, die übrigen Aussenhautzellen nicht). Diagonal durch das Bild verläuft ein Leitungsbündel, in dessen Umgebung ebenfalls chlorophyllhaltige Zellen haften geblieben sind.
  • Solltet ihr kein Mikroskop zur Hand haben, dafür aber eine Kamera mit Nahaufnahmen-(Makro-)Funktion, könnt ihr gegen das Licht durch grössere Blätter gleich an der Pflanze hindurch fotografieren und die Blattäderchen anschliessend auf einem grossen Bildschirm genauer betrachten (verwendet für solche Aufnahmen die bestmögliche Auflösung, dann könnt ihr am Bildschirm am weitesten hineinzoomen!).
Feigenblatt Makroaufnahme Gegenlicht
Ausschnitt aus einem Feigenblatt, gegen die Sonne aufgenommen (Samsung Galaxy NX, 16-50mm (kein Makro-Objektiv!), F/11, Belichtungszeit 1/200, ISO 100, Auflösung der Original-Aufnahme: 5472×3648 px)

Wer ein besseres Mikroskop hat, kann darüber hinaus sehen, woraus diese Inseln und alle anderen Teile des Blattes bestehen: Richtig, aus Zellen! Wie unsere Körperteile auch ist ein Blatt nämlich ein Organ, das sich aus vielen Zellen zusammensetzt. Und wer bei stärkerer Vergrösserung genau hinschaut, kann vielleicht eine aus Zellen zusammengesetzte Spaltöffnung in der Blattunterseite erkennen.

Am gründlichsten beobachtet Mensch übrigens beim Zeichnen! Wenn ihr möchtet, dass euch wirklich nichts entgeht, greift also zu Holzstiften und zeichnet ab, was ihr unter dem Mikroskop seht. Ich habe für euch eine Skizze des Längsschnittes durch ein Blatt, welche dessen Aufbau aus  Zellen zeigt.

Ein Blatt-Querschnitt aus der Nähe: Wie Blätter aufgebaut sind

Blatt-Anatomie: Querschnitt durch ein Pflanzen-Blatt
Skizze des Schnitts (von oben nach unten) durch ein Pflanzenblatt, wie er unter einem leistungsfähigen Lichtmikroskop erscheint: Blätter bestehen aus Zellen, die in unterschiedlichen Schichten angeordnet sind. Die Blattoberseite ist oben, die Unterseite ist unten. (By A.Spielhoff (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

(a) und (g) Die meisten Blätter sind von einer schützenden Wachsschicht („Cuticula“) überzogen.

(b) und (f) Epidermis-Zellen: Diese Zellen bilden die „Haut“ des Blattes: Sie enthalten keinen grünen Blattfarbstoff und sind lichtdurchlässig.

(c) Palisadengewebe: Die Zellen sind hier dicht an dicht aneinander gereiht. Sie enthalten reichlich grünen Blattfarbstoff (Chlorophyll) und „verarbeiten“ viel Sonnenlicht bei der Fotosynthese.

(d) Schwammgewebe: Die Zellen sind hier weniger dicht beieinander und weniger regelmässig angeordnet. In den freien Räumen dazwischen (j) befindet sich Flüssigkeit.

(e) Leitungsbündel: Eine Blattader ist in zwei Sorten Leitungen, die gebündelt eine „Ader“ bilden, unterteilt: eine Sorte für Wasser und eine für die Fotosynthese-Erzeugnisse.

(h) Eine Spaltöffnung, gebildet von zwei benachbarten Zellen. Diese besonderen Zellen können sich je nach Wassergehalt berühren oder den Spalt offen lassen.

(i) Der Hohlraum hinter der Spaltöffnung ist mit Luft gefüllt und dient der Kohlendioxid-Aufnahme und der Sauerstoff- und Wasser(dampf)abgabe.


Verschiedene Blätter für verschiedene Standorte

Dabei ist Blatt keineswegs gleich Blatt. Vielmehr sind Blätter an den Standort ihrer Pflanze und damit an den gewünschten Einsatz im Photosynthese-Business angepasst: Blätter, die in der Sonne wachsen, sind voll mit Photosyntheseanlagen und erzeugen viel Material, das abstransportiert werden möchte. So sind solche Blätter kräftig und tiefgrün. Die Blätter von Schattenpflanzen sind hingegen zarter und von blassgrüner Farbe: Sie enthalten weniger Chlorophyll und sind somit nicht darauf ausgelegt, grosse Mengen Sonnenenergie zu verwerten. Stattdessen würden sie in der prallen Sonne Schaden nehmen.

Expedition 1: Finde Sonnen- und Schattenpflanzen!

Haltet die Augen offen, wenn ihr draussen unterwegs seid. Findet angepasste Sonnen- und Schattenpflanzen. Als Hinweis gebe ich euch je ein Beispiel:

Links: Sauerklee (Gattung Oxalis) ist eine typische Schattenpflanze mit zarten, hellen, grossflächigen Blättern. Er ist daher nur in schattigen Wäldern zu finden. Rechts: Unser Pfirsichbaum ist mit seinen dicken, tiefgrünen Blättern ein echter Sonnenanbeter.

Viele Bäume bilden sowohl Sonnen- und Schattenblätter an ein und derselben Pflanze! Betrachtet und befühlt die Blätter an tief hängenden Buchenästen. Könnt ihr beide Sorten finden, bestenfalls sogar am gleichen Baum? Sonnenblätter werdet ihr aussen bzw. oben am Rand der Baumkrone finden, wo sie das meiste Licht abfangen, während Schattenblätter weiter innen bzw. unterhalb des Blätterdachs zu finden sind. Klettert aber nicht ungesichert auf hohe Bäume! Wenn es keine tief hängenden Äste gibt, sind Sträucher und Hecken oder ein frisch umgestürzter Baum einfacher zu erreichende Fundstellen für zweierlei Laub!

Zwei Blätter ein und derselben Buche: Links ein Sonnenblatt vom Rand der Krone – es fühlt sich steif und ledrig an und ist dunkelgrün. Rechts ein Schattenblatt tief aus dem Gehölz – es fühlt sich dünner, fast zart an und ist heller. Achtung: An den Spitzen von Zweigen können sehr helle junge Blätter sein. Sucht daher in der Nähe der Zweig-Ansätze nach „echten“ Schattenblättern!


Nahrung rein, Abfall raus: Wie Blätter funktionieren

Im Organ Blatt werden die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome von Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Lichtenergie zu Traubenzucker (Glucose) umgebaut (mehr dazu im Beitrag zur Photosynthese). Die nötigen Baustoffe müssen dazu aus der Luft bzw. aus dem Boden in die Blattzellen, genauer in die Chloroplasten, gebracht und der fertige Traubenzucker sowie Sauerstoff-„Abfall“ von dort fortgeschafft werden. Bloss haben Pflanzen kein schlagendes Herz, das die dazu nötigen Verkehrsströme antreiben könnte.

Dafür haben die Blätter ihre Spaltöffnungen mit den dahinter liegenden Hohlräumen. Durch die geöffneten Spalten kann Kohlendioxid in die Hohlräume eindringen (alle Gasteilchen sind ständig in Bewegung, sodass dazu kein gesonderter Antrieb nötig ist) und durch ihre grosse Oberfläche in das Innere des Blattes gelangen. Auf dem umgekehrten Weg gelangt Sauerstoff durch diese Öffnungen hinaus.

Wirklich genial ist der Trick, mit welchem Pflanzen ihr Wasser gegen die Schwerkraft aus dem Boden ziehen. Blätter können nämlich „schwitzen“, indem sie über ihre Spaltöffnungen Wasser abgeben. Dieses Wasser fehlt dann in den Blattzellen, die sich Nachschub aus den Blattadern holen. Der so entstehende „Unterdruck“ im Blattgefässsystem, das sich bis in die Wurzeln der Pflanze erstreckt, reicht aus, um Wasser aus dem Boden bis in die obersten Bereiche anzusaugen (Biologen nennen diesen Effekt dementsprechend „Transpirationssog“)! Und das funktioniert vom winzigen Kraut bis zu Dutzende Meter hohen Bäumen!

Dass der „Antrieb“ der Wasserversorgung in den Blättern, d.h. im oberen Teil von Pflanzen liegt, ist auch der Grund dafür, dass Schnittblumen in der Vase über viele Tage frisch bleiben können: Sie haben zwar keine Wurzeln mehr, aber durch das Schwitzen können sie auch durch das angeschnittene Leitungssystem in den Stängeln Wasser aus der Vase ansaugen.

Damit die Wasserversorgung der Pflanze nicht beim kleinsten Engpass aus dem Ruder läuft, hat jede Pflanzenzelle ein eigenes kleines Wasserreservoir, die Vakuole, in welcher sie Wasser zwischenlagern kann. Ausserdem verleiht eine prall gefüllte Vakuole ihrer Zelle eine pralle, steife Gestalt, die dazu beiträgt, das ganze Blatt bzw. die ganze Pflanze in Form zu halten.

Ihr möchtet den Beweis dafür erbringen? Hier ist er:

Versuch 2 : Die magische Pflanzen-Wiederbelebung

  • Giesst eine Topfpflanze so lange nicht oder stellt Schnittpflanzen in eine trockene Vase, bis ihre Blätter und Triebe schlaff (aber nicht spröde oder braun!) werden. Je nach Witterung kann das ein paar Stunden oder einen Tag dauern. Sehr gut funktioniert dieser Versuch zum Beispiel mit Sonnenblumen oder Blättern von Tomaten.

Wenn die Pflanze keinen Wassernachschub mehr hat, verbrauchen die Zellen ihre Vorräte aus den Vakuolen zum Schwitzen und für die Photosynthese. Die Entleerung ihrer Vakuole lässt die Pflanzenzelle erschlaffen, wie eine Ballonhülle ohne Luft darin.

  • Giesst nun die Topfpflanze reichlich oder gebt Wasser in die Blumenvase (und schneidet ggfs. den oder die Stängel noch einmal frisch an) und wartet wenige Stunden (z.B. bei Sonnenblumen) oder auch einen Tag (z.B. bei abgeschnittenen Tomatenblättern)..

Die zuvor schlaffe Pflanze wird sich in kurzer Zeit wieder aufrichten und straff und frisch aussehen, als wäre nichts gewesen!

Wiederbelebung Tomate Blatt
Ich habe meine Tomate ausgegeizt: Diese beiden Tomaten-Blätter in Bild 1 haben zwei warme Tage lang draussen unter der Tomatenpflanze gelegen: Sie hängen schlaff bis auf den Tisch. Nach der Aufnahme habe ich Wasser in das Glas gefüllt. Nach etwa 4 Stunden hat sich das rechte Blatt weitestgehend wieder aufgerichtet (Bild 2), nach 24 Stunden erscheinen beide Blätter frisch wie eben erst geschnitten (Bild 3).

Der Wassermangel in Zellen und Leitungssystem führt dazu, dass die Pflanze Wasser aus dem Boden bzw. der Vase ansaugt, sodass die Zellen ihre Vakuolen auffüllen können. So erhalten sie und die Pflanze ihre pralle, feste Gestalt zurück.

Damit Pflanzen bei warmer Witterung nicht drauf los schwitzen, bis sie austrocknen, können sich ihre Spaltöffnungen, die „Schweissporen“, nach Bedarf öffnen und schliessen: Ein solcher Spalt besteht aus zwei nebeneinander liegenden Zellen, die nicht fest miteinander verbunden sind. Nur wenn diese Zellen prall mit Wasser gefüllt sind, wölben sie sich so nach aussen, dass ein offener Spalt zwischen ihnen klafft. Wenn die Pflanze nicht genügend Wasser hat und die Schliesszellen erschlaffen, schliesst sich der Spalt, sodass die Pflanze nicht unnötig Wasser ausschwitzt.

Standortspezialisten unter den Pflanzen

Pflanzen wachsen nicht nur im Garten, auf der Wiese oder im Wald in gemässigtem Klima, sondern an den verschiedensten, zuweilen scheinbar unmöglichen Orten. Wie gelingt ihnen das? Die Pflanzenarten haben sich an ihren jeweiligen Standort, insbesondere an die dort vorhandene Wassermenge, gut angepasst.

Expedition 2 : Finde Pflanzen, die sich an unterschiedliche Wasserverfügbarkeit angepasst haben!

Pflanzen können anhand ihrer Anpassung an die Verfügbarkeit von Wasser in fünf übergeordnete Gruppen eingeteilt werden. In der Schweiz mit ihren vielfältigen Klimazonen könnt ihr Vertreter aller fünf Gruppen wild oder in Gärten finden. Ebenso gut könnt ihr diese kleine Expedition auch in einem botanischen Garten, im Gartencenter oder auf Reisen unternehmen.

Und hier sind für euch die fünf Pflanzengruppen:

Seerose

1. Wasserpflanzen: wachsen teilweise oder vollständig unter Wasser. Unterwasser-Pflanzen brauchen keine Spaltöffnungen, Pflanzen mit Schwimmblättern wie Seerosen nur an der Luftseite ihrer schwimmenden Blätter. Wasserpflanzen nehmen Wasser und darin gelöstes Kohlendioxid über ihre gesamte Oberfläche auf. Wurzeln haben sie daher kaum, denn die werden höchstens noch zum Festhalten benötigt.

Ausschliesslich an der Luft bzw. in trockenem Boden können Wasserpflanzen daher nicht überleben. Beispiel: Seerosen

Sumpfdotterblume

2. Pflanzen feuchter Standorte: findet man zum Beispiel in Regen- oder Nebelwäldern. Oder in Feuchtgebieten, die häufig mit Bodennebel aufwarten. Die extrem hohe Luftfeuchtigkeit an solchen Standorten hindert sie am „Ausschwitzen“ von Wasserdampf. Ihre grossen, dünnen Blätter können dank Rillen oder Haaren für eine noch grössere Oberfläche und vorgewölbten und damit „am Wind“ gelegenen Spaltöffnungen leichter Wasser abgeben.

Beispiel: Sumpfdotterblume (Caltha palustris – Achtung giftig, nicht anfassen!)

Übrigens: Manche Pflanzen, die auch bei „normaler“ Luftfeuchtigkeit zurecht kommen, können sich binnen kürzester Zeit an einen feuchten Standort anpassen. Solche eignen sich gut für die Bepflanzung einer „Hermetosphäre“. Die Anleitung zur Erschaffung eines solchen Gartens im Glas findet ihr übrigens hier!

Baeume im Fruehling

3. Pflanzen wechselfeuchter Standorte: Wachsen an Standorten, die nur gelegentlich feucht sind, d.h. flüssiges Wasser bieten. Dies können periodisch austrocknende Gebiete sein oder solche, in welchen es im Winter friert. „Wechselfeuchte“ Pflanzen legen in der trockenen Zeit eine Ruhepause ein: Sie werfen im Herbst die Blätter ab, ziehen sich in ein Minimum an Ausdehnung zurück oder überdauern die Trockenheit als Samen.

Beispiele: Alle Laubbäume, die im Herbst die Blätter verlieren, viele einjährige Pflanzen

Olivenbaum

4. Pflanzen trockener Standorte: In trockener Luft müssen Pflanzen das Schwitzen einschränken, um nicht zu verdursten, und ihr Wasser aus einem grossen Bereich des Bodens zusammenklauben. Sie haben daher ausgeprägte, tief oder weit reichende Wurzeln und kleine derbe Blätter mit dicker Wachsschicht. Die zahlreichen Spaltöffnungen darin befinden sich in kleinen Senken in der Blattoberfläche,

sodass Wasser nicht so leicht daraus entweichen kann. Beispiel: Olivenbaum (Olea europaea)

Hauswurz Rosetten

5. Pflanzen extrem trockener Standorte, auch als Sukkulenten bekannt: haben die Möglichkeit, Wasser in ihrem Innern langfristig zu speichern. Ihr Wasserspeichergewebe ist von einer festen, oft wehrhaften (Dornen, Stacheln!)  Aussenhülle umgeben. Sukkulenten haben eine kleine Oberfläche, d.h. Blätter sind – wenn vorhanden – sehr dick und fleischig.

Spaltöffnungen sind in geschützen Bereichen (z.B. Rillen eines Kaktus) abgesenkt. Beispiel: Hauswurz (Gattung Sempervivum)

All diese Spezialisten haben jedoch eines gemeinsam: Sie betreiben Fotosynthese! Und was sich dahinter verbirgt – wie Pflanzen aus Lichtenergie Nahrung gewinnen können – erfahrt ihr nächste Woche im zweiten Beitrag zum geheimnisvollen Leben der Pflanzen. Bis dahin wünsche ich euch viel Spass beim Erkunden und Experimentieren. Berichtet doch gleich hier im Kommentar von euren Erlebnissen!

Eure Kathi Keinstein

Hast du die Experimente nachgemacht: 

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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Das Geheimnis der bunten Blätter: Papier-Chromatographie für den Hausgebrauch

Letzte Woche hast du hier lesen können, warum viele Stoffe farbig erscheinen und warum wir unsere Welt bunt sehen. Jetzt im Herbst präsentieren sich Farben aber noch wundersamer als sonst: Die im Sommer grünen Blätter von Bäumen und Sträuchern werden gelb, orange und rot: sie ändern ihre Farbe!

Stoffe erscheinen farbig, weil ihre Elektronen Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen schlucken und vorübergehend auf ein anderes, erreichbares Energieniveau – eine höhere Etage im atomaren Hochhaus – wechseln können. Wenn sich die Farbe eines Gegenstands ändert, bedeutet das also, dass sich entweder der farbige Stoff darin verändert (und damit die Abstände zwischen den atomaren Hochhaus-Etagen), oder dass der Gegenstand mehrere farbige Stoffe enthält, deren Mischungsverhältnis sich ändert.

Mit dem hier beschriebenen Versuch kannst du nachweisen, dass Blätter von Pflanzen mehrere Farbstoffe enthalten. Dieser Versuch lässt sich bei Beachtung der Anleitung und Sicherheitsanweisungen in diesem Artikel und auf den Chemikalien-Behältern gefahrlos zu Hause durchführen. Kinder experimentieren nur unter der Aufsicht durch Erwachsene! Für Schäden in Folge der Durchführung, insbesondere bei Nichtbeachtung der Anweisungen, übernimmt Keinsteins Kiste keine Haftung.

Grüne Blätter enthalten Chlorophyll, einen grünen bzw. blaugrünen Stoff, der im Rahmen der Photosynthese die Energie absorbierter Lichtwellen in chemische Energie umwandelt. Diese Energie muss dann auf andere Moleküle übertragen werden. Das übernehmen andere Stoffe, die ebenfalls farbig sind: Die Carotinoide sind chemisch mit Vitamin A (beta-Carotin) verwandt und haben ähnlich diesem gelbe, orange bis rotbraune Farben. In einem frischen Blatt werden die Carotinoide jedoch vom Chlorophyll verdeckt bzw. damit vermischt, sodass die meisten Blätter im Sommer saftig grün erscheinen.

Im Herbst stellen viele Pflanzen ihren Photosynthese-Betrieb jedoch ein und machen Winterpause. Das damit überflüssige Chlorophyll in den Blättern wird dabei abgebaut, während die Carotinoide länger in den Blättern verbleiben. Ohne die Abdeckung durch bzw. die Mischung mit Chlorophyll erscheinen uns die Carotinoide nun uneingeschränkt gelb, orange und rot.


Einzelne Farbstoffe werden sichtbar, wenn man sie trennt

Um die einzelnen Farbstoffe im Farbgemisch der Blätter sehen und unterscheiden zu können, müssen wir sie voneinander trennen. Zum Trennen von Stoffen haben Chemiker viele verschiedene Strategien ersonnen, mit welchen sie die verschiedenen Eigenschaften verschiedener Stoffe nutzen. Bei Farbstoffen, die wir allein durch Ansehen unterscheiden können, genügt es diese an verschiedene Orte zu sortieren, an welchen wir sie einzeln betrachten können.

Die passende Strategie dazu wird Chromatographie genannt: Das Farbstoffgemisch wird mit einem Fliessmittel vermengt (auch bewegliche bzw. mobile Phase genannt) und durch eine Art Flussbett (auch ruhende bzw. stationäre Phase)strömen gelassen. Die Farbstoffe verhalten sich dabei wie Treibgut im Fluss: Je nach ihrer Beschaffenheit bleiben sie unterschiedlich stark an Grund und Ufern (also dem Flussbett) des Flusses haften und kommen in einer vorgegebenen Zeit unterschiedlich weit voran. Die unterschiedlichen Treibgutsorten (oder Farbstoffe) können wir dann an verschiedenen Abschnitten des Flussbetts einzeln betrachten.

Um Blattfarbstoffe zu trennen genügt ein Streifen Papier als stationäre Phase, der in einem Honigglas oder ähnlichem, das als Trennkammer dient, aufgehängt wird. Als Fliessmittel, das gemeinsam mit den Farbstoffen die mobile Phase bildet, kann ein Gemisch aus Aceton und Benzin verwendet werden.


Vorbereitung für einen Versuch: Trennung von Blattfarbstoffen mittels Papier-Chromatographie

Wichtig! Lies dir die folgende Anleitung bis zum Ende durch, bevor du mit einem Versuch beginnst! Sie enthält wichtige Hinweise zu möglicherweise gefährlichen Stoffen und zur richtigen Entsorgung von Abfällen!

Für die Papier-Chromatographie zur Trennung von Blattfarbstoffen brauchst du:

  • grüne (im Herbst auch gelbe und/oder rote) Blätter von Pflanzen (z.B. Ahorn-Blätter)
  • Zeichenblock
  • Aceton (ein Lösungsmittel, das man im Baumarkt im Malerbedarf bekommt)
  • Fleckbenzin (aus der Drogerie oder Apotheke)
  • Mörser und Stössel
    oder eine kleine, stabile Glas- oder Keramik-Schale und ein Werkzeug zum Zerstossen (wenn du mehrere Farbstoffgemische gleichzeitig trennen möchtest, empfehle ich für jedes Gemisch einen eigenen Mörser)
  • sauberen Sand (eine Messerspitze je Farbstoffgemisch)
  • ein leeres, sauberes Honig- oder Marmeladenglas mit Deckel und möglichst geradem Boden
  • Zwei Pasteur-Pipetten oder andere Dosierhilfen für kleine Flüssigkeitsmengen (z.B. Nasentropfen-Deckelpipetten aus der Drogerie)
  • Stecknadeln mit Kopf
  • Schere, Bleistift
  • Einen passenden Ort zum Experimentieren:
    Aceton und Benzin sind leicht flüchtig und sollten nicht unnötig eingeatmet werden! Arbeite deshalb im Freien oder in einem gut durchlüfteten Raum auf einer abwischbaren, lösungsmittelfesten Unterlage (kein Kunststoff!). Am Experimentierplatz und vor allem beim Experimentieren wird nicht gegessen, getrunken oder geraucht! Benzin und Aceton und ihre Dämpfe sind leicht entzündbar! Achte darauf, dass die Chemikalienflaschen wann immer möglich geschlossen sind. Da die Farbstoffe sehr lichtempfindlich sind, solltest du zudem bei gedämpftem Licht (in keinem Fall bei direkter Sonneneinstrahlung) und zügig arbeiten können.
  • Ich empfehle dir zudem eine Schutzbrille zu tragen:
    Lösungsmittel können die Augen reizen. Bei Augenkontakt mit den Flüssigkeiten wasche die Augen gründlich (10 Minuten lang!) aus und gehe danach im Zweifelsfall zum Augenarzt. Mit Schutzbrille ist es jedoch sehr unwahrscheinlich, dass Lösungsmittel-Spritzer in deine Augen gelangen.

So bereitest du den Versuch vor

Zur Vorbereitung des Versuchs (hier ist weder Eile noch Lichtschutz nötig) schneide von einem Zeichenblock-Bogen (Din A4) einen Querstreifen von 3 bis 5 cm Breite ab und führen ihn senkrecht in das offene Honigglas, bis er den Boden berührt. Markiere die Höhe des Glasrandes auf dem Streifen und falte ihn ca. 1 mm unter der Markierung. Schneide den Bereich „oberhalb des Glases“ in der Mitte senkrecht ein bis zum Falz, sodass du nun einen Halbstreifen nach vorn, den anderen nach hinten knicken kannst. Wenn du den Papierstreifen nun wieder in das Glas hängst, sodass die beiden Halbstreifen auf dem Rand aufliegen, sollte der ungeteilte Streifen senkrecht und gerade hängen und unmittelbar über dem Glasboden enden. Das ist unsere stationäre Phase.

Vorlage Chromatographie-Streifen

Muster für die Vorbereitung der stationären Phase:Der Streifen Zeichenblock-Papier ist quer dargestellt. Das rechte Ende entspricht unten und wird später in die Flüssigkeit in der Trennkammer getaucht. Fliessmittel und Farbstoffe laufen (bzw. steigen) im Versuch nach oben (entlang der Pfeilrichtung, die hier nach links dargestellt ist).

Nimm den Papierstreifen erst einmal wieder aus dem Glas. Fülle dann 8 ml (oder 8 gut gefüllte Pipetten) Fleckbenzin und 2 ml ( 2 gut gefüllte Pipetten) Aceton in das Glas. Sollte der Glasboden nicht ganz bedeckt sein, gib noch etwas mehr Benzin und Aceton im Verhältnis 4 : 1 hinzu. Schraube den Deckel auf das Glas, damit die Lösungsmitteldämpfe (du wirst sie riechen) nicht entweichen können.


Wie du die Farbstoffe aus den Blättern bekommst

Ab jetzt solltest du deinen Experimentierplatz vor direkter Sonneneinstrahlung bzw. Beleuchtung schützen und ohne längere Unterbrechung arbeiten können.

Gib eine Messerspitze Sand in einen Mörser. Zerschneide ein grünes (oder gelbes oder rotes) Ahornblatt in kleine Stücke (ich schneide das Blatt dazu alle 3 bis 5 mm längs ein und dann senkrecht dazu, sodass kleine Quadrate oder Rechtecke im Rechenkästchenformat entstehen) und gib die Schnipsel in den Mörser. Gib gerade so viel Aceton dazu, dass Flüssigkeit im Mörser sichtbar bleibt – in meinem Espressotassen-Mörser waren das eine, höchstens zwei Nasentropfen-Pipetten.

Aceton und Benzin müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle entsorgt werden! Indem du kleinstmögliche Mengen verwendest, die im Idealfall in kurzer Zeit verdunsten, vermeidest du unnötigen Abfall und bestenfalls den Gang zur Sammelstelle!

Zermahle die Blattschnipsel mit Sand und Aceton einige Minuten lang gründlich (sollte das Aceton dabei verdunsten, gib einfach noch ein paar Tropfen hinzu), bis das Aceton sich tief grün (oder gelb oder rot) gefärbt hat. Diese Lösung sollte möglichst viel Farbstoff in möglichst wenig Aceton enthalten. Eventuell überschüssiges Aceton kannst du einfach verdunsten lassen (den Behälter vor Licht schützen!).


Wie du die Chromatographie startest

Schiebe die Blattschnipsel beiseite und kippe den Mörser mit der Farbstofflösung etwas, sodass du die Flüssigkeit über dem Sand stehen siehst. Tauche einen Stecknadelkopf in die Lösung und tupfe die Flüssigkeit unten auf deinen Papierstreifen. Der Farbtupfer muss später oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Glas verbleiben! Ich habe meine Tupfer daher ca. 1 cm über dem unteren Streifenrand angebracht.

Lasse den ersten Tupfer kurz antrocknen und tupfe weitere Lösung auf dieselbe Stelle. Wiederhole das Auftragen, bis der Farbtupfer deutlich sichtbar und von intensiver Farbe ist. Dann schraube das Honigglas auf und hänge den Streifen wieder hinein, sodass sein Ende in die Flüssigkeit darin taucht. Lege den Deckel umgekehrt wieder auf die Glasöffnung, um die Lösungsmitteldämpfe am Entweichen zu hindern. Bewege das Glas jetzt nach Möglichkeit nicht mehr.

Chromatographie-Streifen im Honigglas

Papier-Chromatographie im Honigglas:Links der Papierstreifen, welcher die stationäre Phase bildet, mit einer getrennten Farbspur (aufgenommen nach dem Versuch); Rechts befindet sich der Streifen in der Honigglas-Trennkammer. Der graue Rand unten zeigt, wie weit das Papier in die Flüssigkeit eintaucht. Der zweite, nach hinten gecknickte Halbstreifen der Aufhängung wird hier durch den Deckel verdeckt.


Wie du deine Versuchsergebnisse sicherst

Die Flüssigkeit wandert von unten nach oben in den darin eintauchenden Papierstreifen – anfangs sehr schnell, später zunehmend langsamer. Dabei schwemmt sie die verschiedenen Farbstoffe unterschiedlich weit mit. Lasse den Versuch ca. 15 Minuten lang, maximal so lang, bis die Flüssigkeit den Falz fast erreicht hat, laufen, bevor du den Papierstreifen aus dem Glas nimmst und damit den Fluss stoppst. Schraube das Glas anschliessend gleich wieder zu.

Sieh dir die Verteilung der Farben an, während du den Streifen kurz trocknen lässt (die Lösungsmittel verdunsten sehr schnell, sodass das Papier im Nu trocken sein sollte). Markiere die farbigen Banden mit Bleistift und beschrifte sie. Da die Farbstoffe sich am Licht nach wie vor schnell zersetzen, können die Markierungen ggfs. für spätere Versuche als Referenz dienen. Wenn du Fotos machen möchtest, dann tu das am besten gleich nach dem Versuch, so lange die Farben noch am deutlichsten sichtbar sind. Der trockene Streifen lässt sich überdies zwischen den Seiten eines Buchs oder in einer geschlossenen Schachtel lichtgeschützt aufbewahren.

Papierchromatographie von grünen Blättern

Ergebnis der Chromatographie eines Farbstoffauszugs aus einem noch grünen Ahorn-Blatt: Beide Chlorophyll-Varianten sind deutlich zu sehen. Ausserdem haben sich die besser beweglichen Carotinoide vom etwas langsameren Lutein abgesetzt.

Wenn du die Farbstoffe aus einem grünen Blatt getrennt hast, solltest du von unten nach oben folgende Banden sehen können:

  • Startpunkt: Einige Stoffe wandern nicht erkennbar bzw. gar nicht, sodass der ursprüngliche Tupfen, nun gelblich-grau, immer noch sichtbar ist
  • gelbgrün: Chlorophyll B : Diese Variante des Chlorophylls wandert in Papier am langsamsten.
  • blaugrün: Chlorophyll A : Diese Variante des Chlorophylls wandert etwas schneller als Chlorophyll B.
  • gelb: Lutein (Xanthophyll) : Dies ist ein gelboranger Carotin-Farbstoff, der z.B. auch Eigelb gelb färbt.
  • orangegelb: einige weitere Carotinoide wandern noch schneller und damit weiter als Lutein.

Farbtupfer aus gelben Blättern enthalten keine sichtbaren Chlorophylle mehr, weshalb die Banden für Chlorophyll A und B bei solchen fehlen. Rote Blätter enthalten ebenfalls noch gelbe Carotinoide. Die roten Farbstoffe lösen sich weniger gut in Aceton und bewegen sich im beschriebenen Versuch nicht sichtbar vom Startpunkt fort.

Zum besseren Vergleich können auch mehrere Farbgemische auf einem breiten Papierstreifen nebeneinander untersucht werden.

Papierchromatographie von bunten Herbst-Blättern

Papier-Chromatographie mit mehreren Proben: Rechts eine weitere Probe von dem grünen Blatt aus dem ersten Versuch, in der Mitte eine Probe des Auszugs aus einem gelben Ahorn-Blatt, links aus einem dunkelroten Ahorn-Blatt. Das grüne Blatt enthält deutlich sichtbar Chlorophyll, das gelbe und rote Blatt nicht. Die Carotinoide und das Lutein sind bis an den Falz gewandert und dort gestaut worden (stoppe den Versuch, bevor das passiert!). Die roten Farbstoffe in der linken Probe haben sich nicht vom Startpunkt wegbewegt.


Weitere Chromatographie-Versuche

Enthalten Blätter von verschiedenen Pflanzenarten die gleichen Farbstoffe? Enthalten rote bzw. gelbe Lebensmittel (z.B. Gemüse, Früchte, Paprika-Gewürz) auch Carotinoide? Wie sieht es mit gelben und roten Blütenblättern aus?

Diesen Fragen kannst du mit weiteren Versuchen gemäss dieser Beschreibung einfach nachgehen. Fallen dir vielleicht noch mehr ein?


Entsorgung von Abfällen

Schraube das Honigglas nach dem Experimentieren gut zu, um den Rest des Fliessmittels für spätere Versuche aufzuheben. Mörser mit zermahlenen Blättern lasse über Nacht draussen (auf dem Balkon oder der Terrasse) stehen, bis die Lösungsmittelreste darin verdunstet sind. Blattreste und Sand kannst du dann in den Rest-Abfall geben. Lösungsmittelreste, die nicht verdunstet sind, müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle abgegeben werden. Fülle sie dazu in eine fest verschliessbare Flasche aus Glas oder Polyethylen (PE) bzw. Polypropylen (PP) (andere Kunststoffe werden eventuell von Aceton aufgelöst!) und lagere sie licht- und wärmegeschützt, bis du sie zur Abfall-Sammelstelle bringen kannst.

Fazit

Grüne Ahorn-Blätter enthalten zwei Varianten des Chlorophylls, den Carotin-Farbstoff Lutein und andere Carotinoide. Im Herbst werden die Chlorophylle schnell abgebaut, die Carotinoide wesentlich langsamer, sodass die Blätter sich gelb, noch später rot verfärben. Mittels Papier-Chromatographie mit Aceton/Benzin lassen sich Chlorophylle und Carotinoide mit wenig Zeitaufwand trennen.

Und die Farbstoffe welcher Pflanzenarten hast du getrennt?

Hast du das Experiment nachgemacht:

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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