Vorgänge, die zu Quellung und Keimung führen

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Grundlagen zum Thema Vorgänge, die zu Quellung und Keimung führen
Vorgänge, die zu Quellung und Keimung führen
Habt ihr euch jemals gefragt, wie aus einem winzigen Samen eine große Pflanze wächst? Dieser Vorgang, bekannt als Keimung, ist ein komplexer Prozess, der in der Natur ständig stattfindet. Dabei spielt der Übergang von der heterotrophen zur autotrophen Ernährung des Samens eine wichtige Rolle. Lasst uns im folgenden Text die verschiedenen Vorgänge kennenlernen, die dazu führen.
Wasseraufnahme
Der erste Schritt in der Samenkeimung ist die Wasseraufnahme, die auch als Imbibition bekannt ist. Der trockene Samen absorbiert Wasser aus seiner Umgebung, was dazu führt, dass er aufquillt. Dieser Prozess aktiviert die metabolischen Prozesse im Inneren des Samens.
Enzymaktivierung
Sobald der Samen Wasser aufgenommen hat, werden spezielle Proteine, die wir als Enzyme bereits kennengelernt haben, aktiviert. Diese Enzyme helfen dabei, die im Samen gespeicherte Stärke in Einfachzucker (Glucose) umzuwandeln, die der Keimling als Energiequelle nutzen kann. Dies bezeichnen wir auch als Heterotrophie. Gespeicherte Reserven werden verbraucht, um zu wachsen.
Zellteilung und -differenzierung
Mit ausreichender Energie beginnen die Zellen im Inneren des Samens, sich zu teilen und zu spezialisieren. Dieser Prozess, auch als Zellteilung und -differenzierung bekannt, ermöglicht es dem Keimling, zu wachsen und seine verschiedenen Strukturen auszubilden.
Sauerstoffaufnahme
Die Sauerstoffaufnahme ist ein weiterer entscheidender Prozess während der Samenkeimung. Bei der Zellatmung verwenden die Zellen des Keimlings Sauerstoff, um die aus der Stärke gewonnenen Zucker abzubauen und Energie freizusetzen. Diese Energie wird für das Wachstum und die Entwicklung des Keimlings benötigt.
Reaktion auf Licht und Temperatur
Zuletzt reagieren viele Samen auf spezifische Licht- oder Temperaturbedingungen, um den Keimungsprozess auszulösen. Manche Samen benötigen beispielsweise eine Kältephase, während andere Licht für die Keimung benötigen. Sobald der Keimling an die Oberfläche tritt und Licht absorbiert, beginnt er, die autotrophe Ernährungsweise zu adoptieren, indem er Fotosynthese betreibt und seine eigenen Nährstoffe produziert.
Zusammenfassung
Der Keimungsprozess ist ein komplexer Vorgang, bei dem der Samen von einem Zustand der Ruhe zu aktiver Entwicklung übergeht, dabei seine heterotrophe Phase verlässt und schließlich autotroph wird. Dieser Übergang erfordert eine Reihe von Prozessen, darunter die Wasseraufnahme, Enzymaktivierung, Zellteilung und -differenzierung, Sauerstoffaufnahme und die Reaktion auf Licht und Temperatur.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Vorgänge, die zu Quellung und Keimung führen
Transkript Vorgänge, die zu Quellung und Keimung führen
Hallo, willkommen zum zweiten Praktikum. Heute werden wir die Ursachen und Vorgänge ergründen, die zur Keimung und Quellung führen. Dazu solltest du Vorkenntnisse über die Osmose haben. Die trockenen Bohnensamen sind durch passive und aktive Entquellungsvorgänge während der Reifung der Hülsen im letzten Jahr hervorgegangen. Das dauerte Tage bis Wochen im Spätsommer. Sobald man die Speisebohnensamen ins Wasser legte, werden die Verhältnisse umgekehrt. Die gegenläufige Quellung setzt schnell ein und das Wasserdefizit wird aufgehoben. Schauen wir uns kurz die Veränderung der Samen an, die wir ins Wasser gelegt hatten. Bereits nach wenigen Minuten verändert sich die Oberfläche der trockenen Bohnensamen. Sie wird stellenweise schrumpelig. Offensichtlich quillt die Samenschale örtlich unterschiedlich schnell auf, sodass sie runzlig wird. Die Samenschale wird damit durchlässig und das Innere nimmt solange Wasser auf, bis die Schale wieder gestrafft ist. Im ersten Praktikum bewiesen wir, dass die Bohnensamen ungefähr das 13fache ihres ursprünglichen Wassergehaltes aufgenommen haben. Wie kam der Wassereinstrom aber zustande? Was verursacht, dass das Wasser regelrecht, wie von einem Magneten angezogen, eingesaugt wird? Die Antwort muss im Samen zu finden sein. Könnte es mit den Speicherstoffen zusammenhängen? Na klar, das ist es. Was steht hier auf der Verpackung? Aha, hm, Brennwert - interessiert mich nicht. Eiweiß 21,2 Gramm, Kohlenhydrate 37,3 Gramm, davon Zucker 2,6 Gramm und Fett 1,6 Gramm. Ich glaube, dass nur die Kohlenhydrate bei der Wasseraufnahme eine entscheidende Rolle spielen. Nur, was meint man hier mit Kohlenhydrate? Cellulose als Kohlenhydrat ist in der Samenschale. Sie quillt, wird durchlässig und gedehnt. Weiteren Einfluss wird sie nicht haben. Nun, Zucker ist klar, macht nur 2,6 Gramm aus. Die Zuckermenge ist also gering. Aber sie kann zunächst ausreichen, einen Wassereinstrom zu bewirken, der den pflanzlichen Embryo aktiv werden lässt. Andererseits dürfte aber die Zuckermenge nicht ausgereicht haben, derartig hohe osmotische Saugkräfte entstehen zu lassen, dass so viel Wasser in den Samen einströmt, dass er sogar in der Lage ist, den Gipsblock aufzusprengen. Hm, wo kommt nun aber weiterer Zucker her? Fetteiweis und Zellulose als wichtigster Ballaststoff können es nicht sein. Dann bleibt doch nur noch-, Moment, da habe ich eine Idee. Es könnte doch Stärke sein. Nur die ist auf dem Etikett nicht angegeben. Denn Stärke ist ein Speicherstoff und natürlich ist Stärke auch ein Kohlenhydrat. Zum Glück habe ich Lugolsche Lösung dabei. Wollen wir sehen, ob es Stärke ist? Denn mit Lugolscher Lösung oder auch Iod-Kaliumiodidlösung genannt, kann man den Stärkenachweis durchführen. Eine Farbreaktion zeigt die Stärke an. Die tiefviolette Färbung wird dadurch hervorgerufen, dass Iod-Moleküle in das Innere der spiralförmigen Amylose-Moleküle eingelagert werden. Nun ja, das kann jeder in einem Chemiebuch nachlesen. Da steht nämlich: Stärke ist kein einheitlicher Stoff. Sie besteht zu etwa 20% Amylose und zu etwa 80% Amylopektin. Beide sind Polysaccharide, die nur aus Glukose-Molekülen aufgebaut sind. Nun, was unterscheidet Amylose und Amylopektin? Die Amylose ist kettenförmig, spiralig gebunden. Das Amylopektin hingegen ist kettenförmig verzweigt. Mich interessiert, wie die Farbreaktion auf den beiden Keimblättern im Mikroskop aussieht. Was wurde in den Keimblättern eingefärbt. Dazu stelle ich ein Frischpräparat her. Wasser ist das Einschlussmittel für das dünngeschnittene Keimblattgewebe. Aha! Hier sind die Zellwände und die recht großen Stärkekörnchen zu sehen. Eigenartigerweise haben sie die gleiche Form wie Samen. Nun setze ich an den Rand des Deckgläschens einen Tropfen Lugolsche Lösung. Nach 30 Sekunden ist eine leichte Einfärbung zu erkennen. Offensichtlich diffundiert die Nachweislösung recht schnell zum Schnittpräparat hin und hinein. Hier sind die Ergebnisse nach 60 und 90 Sekunden im Foto zu sehen. Fassen wir das Bisherige kurz zusammen: 1.: Die Samen- und Keimlingsruhe wird aufgehoben, wenn das Wasserdefizit nach der Quellung ausgeglichen wird. 2.: Die chemisch und mikroskopisch nachgewiesene Stärke ist der Hauptspeicherstoff der Bohnensamen. 3.: Die Stärke ist die inaktive, unlösliche Form der Glucose in Zellen. Sie erzeugt keine osmotischen Saugkräfte. Stärke als Speicherstoff ist aber Stoff- und Energiequelle für den Keimling nach der Samenruhe. Wir haben zwar jetzt auf zweierlei Wegen die Stärke nachgewiesen, dennoch ist unsere Ausgangsfrage "Wie kommt der Wassereinstrom in den Samen zustande?" noch nicht beantwortet. Nun, das geht so vor sich. Der enzymreiche Keimling wird durch eindiffundierendes Wasser genaktiviert. Er schüttet daraufhin Enzyme aus, wie zum Beispiel die Amylase, die die Stärkespaltung einleitet. Dabei entsteht die Glucose. Die Konzentrationserhöhung von Glucose im quellenden Zellplasma schreitet schnell voran. Die Zellen werden hypertonisch, das heißt, die Saugkraft der Zelle nimmt zu. Es erfolgt der Einstrom von Wasser über die halbdurchlässige Zellmembran sehr zügig und setzt sich so lange fort, bis ein Konzentrationsausgleich erfolgt ist und der Wanddruck der Zelle und des umliegenden Gewebes dem Einhalt gebietet. In diesem isotonischen Zustand, Input und Output von Wasser sind gleich, ist die Quellung abgeschlossen und sie geht nahtlos in die Keimung und nachfolgend in die Entwicklung der jungen Pflanze über. Bevor die junge Pflanze entsteht, ernährt sich der Keimling heterotroph. Das bedeutet, dass er seine Lebensenergie aus dem Speicherstoff Stärke bezieht, indem er Zucker veratmet, das heißt also biologisch oxidiert. In dieser Phase aktiviert der Keimling weitere Stoffe, wandelt sie um und bildet Zellen für die ersten pflanzlichen Organe, nämlich Wurzeln und Blatt. Die Keimung beginnt mit dem Austrieb der Keimwurzel und endet mit der Ausbildung des ersten fotosynthetisch aktiven Blattes. Die junge Pflanze ernährt sich von jetzt ab autotroph. Das heißt, sie bildet Glucose selbstständig mithilfe von Lichtenergie und Chlorophyll und den anorganischen Stoffen Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die Glucose ist der molekulare Baustein der meisten Inhalts- und Baustoffe von grünen Pflanzen. Ich möchte das neue Wichtige zusammenfassen: Wir haben gelernt, dass osmotische Vorgänge zu Quellungserscheinungen führen. Wir wissen jetzt auch, dass die Glucose osmotisch aktiv ist. Die Stärke hingegen ist die unlösliche und inaktive Form des Kohlenhydrats. Wir wissen auch, dass die Entquellungsvorgänge zur Keimlingsruhe führen, die Quellung hingegen, das heißt also die Wasseraufnahme, aktiviert den Keimling. Wir wissen, dass Samenpflanzen zu Beginn ihrer Entwicklung kurzzeitig heterotroph sind, das heißt, sie verwerten ihre Speicherstoffe zwecks Energiegewinnung und stofflichem Umbau. Und letzten Endes wissen wir, dass die Keimlinge mit dem Ergrünen in die länger währende autotrophe Ernährungsphase übergehen. Das heißt also, sie betreiben Fotosynthese. So, das war es für heute. "Tschüss", sagt Octavus.
Vorgänge, die zu Quellung und Keimung führen Übung
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Welcher Vorgang gehört nicht zur Quellung und Keimung eines Samens?
TippsSauerstoff wird während der Keimung benötigt, um die aus der Stärke gewonnenen Zucker abzubauen und Energie freizusetzen.
LösungDie Sauerstoffaufnahme ist ein weiterer entscheidender Prozess während der Samenkeimung. Bei der Zellatmung verwenden die Zellen des Keimlings Sauerstoff, um die aus der Stärke gewonnenen Zucker abzubauen und Energie freizusetzen.
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Definiere die heterotrophe Phase eines Samens.
TippsZwei Antworten sind korrekt.
LösungIn der heterotrophen Phase ernährt sich ein Samen nicht durch Fotosynthese, sondern nutzt gespeicherte Nährstoffe innerhalb des Samens aus der Mutterpflanze, bis er wachsen und selbst Fotosynthese betreiben kann.
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Welcher Prozess wird hier beschrieben?
TippsDer erste Schritt in der Samenkeimung ist die Wasseraufnahme.
LösungMit ausreichender Energie beginnen die Zellen im Inneren des Samens, sich zu teilen und zu spezialisieren. Dieser Prozess, auch als Zellteilung und -differenzierung bekannt, ermöglicht es dem Keimling, zu wachsen und seine verschiedenen Strukturen auszubilden.
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Benenne die Vorgänge der Quellung und Keimung in der richtigen Reihenfolge.
TippsSobald der Keimling an die Oberfläche tritt und Licht absorbiert, ist das Ende der Quellung und Keimung erreicht.
Lösung- Wasseraufnahme: Trockene Samen nehmen zunächst Wasser auf, quellen und aktivieren interne Prozesse.
- Enzymaktivierung: Nach der Wasseraufnahme werden Enzyme aktiviert, um gespeicherte Stärke in Glukose umzuwandeln.
- Zellteilung und -differenzierung: Die Energiezufuhr durch die Glukose ermöglicht es den Samenzellen, sich zu vermehren und spezifische Aufgaben zu übernehmen.
- Sauerstoffaufnahme: Für die weitere Energiegewinnung nutzen Keimlingszellen Sauerstoff zur Zellatmung.
- Reaktion auf Licht und Temperatur: Samen reagieren auf Licht und Temperatur, und nach dem Keimen beginnt der Keimling mit der Photosynthese.
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Wo beginnt hier die autotrophe Phase des Samens?
TippsIn diesem Stadium beginnt der Keimling, Fotosynthese zu betreiben und seine eigenen Nährstoffe zu produzieren.
LösungSobald der Keimling an die Oberfläche tritt und Licht absorbiert findet der Wechsel von einer heterotrophen zu einer autotrophen Ernährungsweise statt. Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Fotosynthese und der Keimling produziert seine eigenen Nährstoffe.
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Wieso benötigen manche Samen Licht und andere Kältephasen zur Keimung?
TippsZwei Antworten sind richtig.
LösungDas Licht signalisiert den Samen, dass sie an der Erdoberfläche sind und es sicher ist zu keimen. Es hilft den Samen zu erkennen, dass sie in einer Umgebung sind, in der sie Zugang zu ausreichend Licht für die Fotosynthese haben werden, sobald sie gekeimt sind.
Einige Samen benötigen eine Kältephase, um sicherzustellen, dass sie nicht im Herbst keimen, wenn sie auf die Erde fallen, sondern im Frühling, wenn die Bedingungen optimal sind. Die Kältephase stellt sicher, dass der Samen den Winter erfährt und erst dann keimt, wenn die Gefahr von Frost und ungünstigen Bedingungen vorüber ist.

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