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Lernaufgabe zum Thema Diffusion Enver Isis, 02.11.2014
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Lernaufgabe zum Thema Diffusion und Osmose
0. Anmerkungen zur Lernaufgabe
Bezug zum Lehrplan:
Die folgende Lernaufgabe stammt aus dem Bereich der Zellbiologie, wo es darum
geht grundlegende Vorgänge in der Zelle zu verstehen und zu erklären. Diese
Lernaufgabe deckt somit den Stoff einer Quarta (9. Schuljahr) ab.
Leitidee:
Die Diffusion und die Osmose sind zweifelsohne zwei wichtige physikalische Prozesse, die in jeder Zelle ablaufen (müssen) und daher alle Zellen gleichermassen betreffen. Mit dieser Lernaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler das Wissen über die grundlegenden Prinzipien der Diffusion und der Osmose erarbeiten, verstehen und anwenden um in einem späteren Schritt Stoffwechselvorgänge besser zu erfassen und „Phänomene“ in der Natur besser erklären zu können. Damit diese Lernaufgabe nicht nur theoretisch bleibt sondern auch einen praktischen Bezug hat, führen die SuS dazu ein Experiment durch, protokollieren und evaluieren die Messergebnisse und versuchen diese mit der von ihnen erarbeiten Theorie in Einklang zu bringen. Lernziele:
Dispositionsziele (v.a. Haltungen von SuS):
Die SuS verstehen die Diffusion und Osmose als zentrale zelluläre Transportprozesse
Die SuS erkennen den Erklärungswert der Diffusion und Osmose für viele „Phänomene“ im Alltag und in der Natur an (Kirschen platzen bei Regen auf, Salatblätter werden schlaff, werden sie zu früh in die Salatsauce gelegt).
Die SuS sind mit der wissenschaftlichen Arbeitsweise vertraut (Hypothesen formulieren, Experiment durchführen, Ergebnisse protokollieren und auswerten)
Operationalisierbare Lernziele:
Die SuS verstehen das zugrundeliegende Prinzip der Diffusion und der Osmose und können es in eigenen Worten wiedergeben.
Die SuS können dieses Prinzip/Wissen auf lebende tierische/pflanzliche Zellen übertragen (Wissenstransfer!).
Die SuS kennen die Eigenschaften von hypo-, iso- und hypertonischen Lösungen und können deren Wirkung auf Zellen erklären.
Die SuS können ein Experiment selbst durchführen, Ergebnisse protokollieren und auswerten.
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Vorwissen der SuS:
Viel Vorwissen ist für diese Aufgabe nicht nötig, da die SuS das erforderliche Wissen en passant erarbeitet wird. Was jedoch wichtig wäre, sind Kenntnisse über… - den Aufbau und die Eigenheiten pflanzlicher und tierischer Zellen - die Organellen und deren Funktion (Bsp. Zellmembran = Barriere, Zoll etc.) - die chemische Struktur von Wasser und das Konzept der Hydrophilie/Hydrophobie - die chemischen Inhaltsstoffe innerhalb einer Zelle (Ionen, Zucker…) - den Aufbau und die Bestandteile der Zellmembran - die Brownsche Molekularbewegung in der Chemie (wäre super, aber geht auch ohne) Zeit und Sozialform:
Die Aufgabe dauert 30 Minuten und kann entweder als Einzel- oder Partnerarbeit gelöst werden. Dabei ist mit dem Experiment als solches zu starten, welches man dann nach 20-25`auswerten kann. Die Lernaufgabe besteht aus drei Pflichtaufgaben und einer Wahlaufgabe (höhere Anforderungen). Die Pflichtaufgaben, die nicht gelöst wurden, sind als Hausaufgabe gedacht.
Vor und Nach der Lernaufgabe
Unterrichtsbeginn (5`):
Zuerst erfolgt eine kurze Einführung in das Thema. Dies geschieht mit einem so
genannten „Informierenden Unterrichtseinstieg“ (IU), wo kurz erklärt wird was genau
folgt und wie die Stunde aussieht. Dann zeige ich einige Phänomene aus dem Alltag
wie Salatblätter, die schlaff werden wenn sie zu früh in die Salatsauce kommen oder
Kirschen die bei Regen platzen und sage den Schülern, dass wir diesen Prozessen
auf die Spur gehen wollen und dass sie am Schluss der Lektion in der Lage sein
sollten diese Phänomene zu erklären.
Unterrichtsende (10`):
Die letzten paar Minuten dienen der Ergebnissicherung, wo nochmals alles
zusammengefasst und auf den Punkt gebracht wird. Hier erfolgt dann auch die
Klärung im Plenum. Nun kommen wir zu den paar Beispielen vom Anfang zurück.
Wieso platzen die Kirschen jetzt bei Regen auf? Und was passiert mit den
Salatblättern in der Salatsauce? Wichtig erscheint hierbei nicht, dass sie alles
verstanden haben, sondern dass sie zwei oder drei Take-Home-Messages aus
diesem Unterricht mitnehmen sollten.
Lernaufgabe zum Thema Diffusion Enver Isis, 02.11.2014
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Quellen:
Literatur
Beyer I. et al. (2012) Natura; Biologie für die gymnasiale Oberstufe. Klett und Balmer
Verlag, Stuttgart und Zug
Eckebrecht, D. (2005). Natura; Biologie für Gymnasien. Oberstufe
Aufgabensammlung. Ernst Klett Verlag: Stuttgart Düsseldorf Leipzig
Paul, A. (2011). Biologie heute entdecken S II. Schroedel Verlag: Braunschweig
Internet
http://www.u-helmich.de/bio/cyt/reihe02/Diffusion2.pdf (28.10.2014)
http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_kmno4.htm (28.10.2014)
http://www.biologie-lexikon.de/lexikon/plasmolyse.php (29.10.2014)
http://www.hoffmeister.it/biologie/06.04-zellmembran_und_zellulaere_vorgaenge.pdf (29.10.2014)
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1. Lernaufgabe (Theorieteil)
Anleitung zum Experiment
Bevor Sie sich nun den Texten zuwenden, machen wir zusammen ein kleines
Experiment. Da dieses Experiment einer Vorbereitung bedarf und eine kurze Zeit
andauert (ca. 20`), sollte mit dem Experiment gestartet werden. Das Experiment
sollten dann wiederum 5 Minuten vor Schluss abbrechen um damit einhergehend die
Aufgabe 3 lösen zu können.
Durchführung(5` zu Beginn und 5`am Schluss): Schneide aus einer Kartoffel drei
möglichst gleichgroße Streifen aus. Miss jeweils die Länge und die Masse aller
Streifen und trage die Ergebnisse in die Tabelle ein. Lege nun den Streifen 1 in ein
Gefäß mit destilliertem Wasser den zweiten Streifen in eine 0.9%- Salzlösung und
den letzten in 2%-Salzlösung. Nimm alle Streifen nach 20` aus den Flüssigkeiten und
ermittle erneut ihre Längen und ihre Massen und (vorher abtrocknen!).
Streifen vor dem Versuch
Streifen nach 20` in destilliertem
Wasser
Streifen nach 20`in 0.9%- Salzlösung
Streifen nach 20`in 2%-
Salzlösung
St 1 St 2 St 3 Streifen 1 Streifen 2 Streifen 3
Länge
Masse
Beobachtungen:
Diffusion
Diffusion (lat. diffundere, sich ergiessen oder verstreuen) beschreibt einen Prozess der gleichmässigen und gegenseitigen Durchmischung zweier Stoffe, die sich z.B. in einer Lösung befinden. Diese Gleichverteilung ihrerseits basiert auf der ständigen und ungerichteten Eigenbewegung von Teilchen, auch Brownsche Bewegung genannt. Neben der Brownschen Bewegung ist das jedoch auch Vorhandensein eines Konzentrationsgefälles (siehe später) von zentraler Bedeutung für die Diffusion. Wichtig ist auch die Temperaturabhängigkeit dieser Prozesse; die Brownsche Bewegung und damit auch die Diffusion laufen bei grösserer Temperatur schneller ab. Man muss sich das Ganze so vorstellen, dass die Teilchen in ständiger Bewegung sind und dabei immer wieder aneinanderstossen. Wenn nun die Temperatur erhöht wird, hat dies zur Folge, dass die Eigenbewegung der Teilchen grösser wird und dies wiederum führt dazu, dass es zu mehr Stössen kommt und die Verteilung schneller voranschreitet. Auch die Teilchensprösse hat einen Einfluss auf die Diffusiongeschwindigkeit.
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Um dies besser zu verstehen schauen wir uns dies an einem Beispiel an: Wirft man ein gut lösliches Salz wie z.B. Kaliumpermanganat (KMnO4) in ein wassergefülltes Reagenz- oder Becherglas dann lässt sich mit der Zeit das Folgende beobachten:
Abb. 1&2: Kaliumpermanganatkristall (KMnO4) in einer Wassersäule und dessen schematische Darstellung
Wir sehen mit der Zeit, dass das am Grund des Glases befindliche Kaliumpermanganat immer weiter hoch steigt und das Wasser färbt (Abb.1). Dies kann man so erklären, dass zu Beginn am Boden eine hohe Konzentration der Farbteilchen vorliegt, während in der Mitte und oben keine Farbteilchen vorhanden sind. Es liegt also ein Konzentrationsunterschied vor. Dieser Konzentrationsunterschied wird mit der Zeit immer wie geringer, da sich nun auch Farbteilchen durch ihre Eigenbewegung zufällig zur Mitte wie auch zum oberen Ende im Gefäss bewegen. Es kommt zum Konzentrationsausgleich (Abb.2). Nach einer gewissen Zeit herrscht überall die gleiche Konzentration an Teilchen. Würde man dieses Gefäss erhitzen, so würde die Verteilung in einem Bruchteil der Zeit erfolgen. Die Diffusion durch eine Membran
Sehen wir uns nun die Diffusion bei einer
durchlässigen Membran an:
Hier sehen wir einen Behälter mit Wasser, der durch
eine durchlässige Membran getrennt ist. Zu Beginn
tröpfeln wir einen roten Farbstoff ins Wasser (A) was
zur Entstehung eines Konzentrationsgradienten führt.
Im Verlaufe der Zeit diffundieren die Farbteilchen von
rechts nach links durch die Membran (B). Simultan
dazu diffundiert eine Anzahl anderer Farbstoff- und
Wasserteilchen in die andere Richtung; dies ist jedoch
hier vernachlässigbar klein. Es kommt schliesslich zum
Ausgleich der Konzentrationen auf beiden Seiten (C).
Abb. 3: Diffusion durch eine durch-
lässige Membran
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Osmose
Die Diffusion scheint unbestrittenermassen eine wichtige Rolle zu spielen. Doch
wenn wir uns unsere Zellen ansehen, stellen wir fest, dass wir es nie mit einer ganz
durchlässigen Membran zu tun haben. Unsere Zellmembranen (Biomembranen
generell) zeichnen sich durch die Tatsache aus, dass sie gewisse Stoffe wie Wasser
durchlassen, während andere Stoffe wie z.B. der Zucker zurückgehalten werden.
Diese Eigenschaft der Membranen bezeichnen wir als selektiv permeabel, was so
viel bedeutet wie teilweise oder wahlweise durchlässig. Hier haben wir also eine ganz
andere Ausgangssituation. Nehmen wir also wieder das Beispiel von vorhin nur mit
der Einschränkung, dass die Wassermoleküle nicht aber die Farbstoffmoleküle durch
die Membran hindurch gehen können. So erhalten wir also folgendes Bild:
Hierzu müssen wir die Wasserteilchen, die sich im Wasser befinden ebenfalls
visualisieren. Während sich auf der rechten Seite hauptsächlich Farbstoffteilchen und
weniger Wasserstoffteilchen befinden, finden wir auf der linken Seite nur
Wasserteilchen (A). Auch hier besteht somit ein
grosses Konzentrationsgefälle. Da aber nur die
Wasser- nicht jedoch die Farbteilchen die Membran
passieren können, findet eine Bewegung der
Wasserteilchen von links nach rechts statt (B). Eine
Wanderung der Wasserteilchen von rechts nach links
findet ebenfalls statt, kann aber hier vernachlässigt
werden. Dies führt dazu, dass das eine Becken an
Volumen zunimmt, während das andere mit der Zeit
immer wie weniger Wasser enthält. Dabei steigt auf
der rechten Seite neben der Wassersäule auch der
hydrostatische Druck rapide an. Dieser Prozess des
Einströmens geschieht so lange bis sich ein
Gleichgewicht zwischen den durch den osmotischen
Druck einströmenden und den durch den
hydrostatischen Druck ausströmenden Wasserteilchen
einstellt.
Abb. 4: Schematische Darstellung der Osmose
Noch anschaulicher ist hierbei die
Betrachtung derselben Situation in
einem U-Rohr wo wir zu Beginn ein
Gefälle haben, dass sich immer mehr
ausgleicht indem Wasser von rechts
nach links strömt.
Abb. 5: Osmose in einem U-Rohr
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Wichtig zu erwähnen ist, dass auch hier Diffusion stattfindet, nur eben durch eine
selektiv permeable Membran; diesen Prozess nennt man Osmose.
Merke: Osmose bezeichnet die Bewegung von Wasserteilchen von einem Ort mit
einer niedrigen Konzentration an gelösten Teilchen zu einem Ort mit einer hohen
Konzentration derselben, immer mit dem Ziel Konzentrationsausgleich zu erzeugen.
Versuchen Sie nun mit diesem Wissen die Aufgabe 1 zu lösen.
Hypotonisch, isotonisch und hypertonisch
Da wir nun das Prinzip der Diffusion und der Osmose kennen und um die
Grundlagen für die Bewegung von Wasserteilchen Bescheid wissen, können wir uns
nun verschiedenen Szenarien widmen.
a) Hypotonisch
Als hypotonische Lösung bezeichnen wir eine Lösung, die weniger konzentriert ist
d.h. weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere enthält.
b) Isotonisch
Isotonische Lösungen sind gekennzeichnet durch dieselbe Konzentration gelöster
Teilchen. Ist eine umgebende Lösung also isotonisch so haben wir dieselbe
Konzentration ausserhalb wie innerhalb einer Zelle.
c) Hypertonisch
Hypertonisch ist eine Lösung dann wenn die Konzentration gelöster Teilchen jene im
Zellinnern übertrifft.
Versuchen Sie nun die Aufgabe 2 zu lösen.
Osmose bei pflanzlichen Zellen
Pflanzenzellen bestehen im Gegensatz zu tierischen Zellen aus einer Zellwand,
welche der Zelle Festigkeit und Halt gibt und durchlässig ist. Gelangt nun die
Pflanzenzelle in eine hypertonische Lösung, treten nun mehr Wasserteilchen aus
Vakuole und Cytoplasma aus als eintreten; die Vakuolen verkleinern sich und
Plasmalemma löst sich dabei von der Zellwand (im Extremfall löst sich alles bis auf
kleine dünne Plasmafäden sog. „Hechtsche Fäden“) während die Zellwand ihrerseits
die Form behält. Es entsteht ein Hohlraum zwischen Plasma und Zellwand. Diesen
Vorgang nennt man Plasmolyse.
Gibt man nun eine hypotonische Lösung z.B. destilliertes Wasser hinzu, so dehnen
sich Vakuole und Plasma wieder aus. Der Protoplast (Vakuole und Cytoplasma) wird
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dabei gegen die Zellwand gedrückt. Dieser Vorgang heisst Deplasmolyse. Eine
weitere Ausdehnung wird durch die Starrheit der Zellwand verhindert. Dieser Druck
des Protoplasten auf die Zellwand nennt man Turgor, man sagt auch die Zellen seien
turgeszent. Der Turgor ist von zentraler Bedeutung z.B. für die Festigkeit von
pflanzlichem Gewebe.
Abb. 5: Plasmolyse und Deplasmolyse bei Rotkohlzellen
Abb. 6: Schematische Darstellung der Plasmolyse und der Deplasmolyse in Pflanzenzellen
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0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150
Hö
he
in m
m
Zeit in Minuten
Steigrohrexperiment
Höhe im Steigrohr
Aufgabe 1 - Osmometer
Sie führen ein Steigrohrexperiment durch (für Abbildung siehe unten) und nach 2
Stunden erhalten Sie folgende Messergebnisse.
(*Lösung = Zucker- oder Salzlösung)
a) Erklären Sie den Versuch und die Ergebnisse. Wieso steigt die Wassersäule
überhaupt?
b) Irgendwie scheint die Flüssigkeit im Rohr ab einer gewissen Zeit nicht wirklich
steigen zu wollen. Woran liegt das?
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Aufgabe 2 – Hypo-, Iso- und Hypertonisch
Ausgangssituation: Sie legen eine tierische Zelle z.B. ein Erythrozyt in 3
verschiedene Medien, wovon eine jeweils hypo-, iso-, und hypertonisch ist. Nun
wissen Sie, dass die Membran der Erys Wasser durchlässt gelöste Stoffe aber nicht.
a) Zeichnen Sie die verschiedenen Situationen in die Tabelle ein.
b) Zeichnen Sie jeweils die Wege der Wasserteilchen und begründen Sie Ihre
Vorschläge mit der bekannten Theorie.
c) Versuchen Sie das Schicksal der Erys auszumachen? Ordnen Sie den
Lösungen jeweils ein Bild der Erys zu und begründen Sie.
Aussenmedium Hypoton Isoton Hyperton
a)
b)
c) Hypton -> C weil die Teilchen… und dies führt dazu, dass…
Bild A) Bild B) Bild C)
Erythrozyt
Gelöste Teilchen
Wasserteilchen
Erythrozyt ?
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Aufgabe 3 – Kartoffelstreifenexperiment
Nachdem Sie die Daten vom Experiment erfasst haben versuchen sie nun die
Ergebnisse einander zu erklären.
Was würde passieren wenn wir das Stück das vorher in der 2% Lösung war nun in
destilliertes Wasser legen?. Vergegenwärtigen Sie sich um welche Prozesse es sich
dabei handelt.
Freiwillig: Aufgabe 4 (höhere Anforderungen)
a) Hühnerei in der Salzlösung: Hühnereier wurden zuvor in Essigsäure gelegt
(dies wird gemacht um die Schale zu entfernen). Anschliessend wurden die
Eier jeweils in destilliertem Wasser oder in konzentrierter Kochsalzlösung
gelegt. Ordne die Werte in die Tabelle.
Versuche dies in eigenen Worten zu erklären.
Dest. Wasser
(…)
Konz. Kochsalzlösung
(…)
Masse (g) Grösse (cm) Masse (g) Grösse (cm)
Zeit (t0) 58,3 6 6
t1 (nach 24 Std.) 45,6 6
t2 (nach 48 Std.) 6,2
81.9 ; 5.6 ; 6.15 ; 77.4 ; 37.4 ; 55.7 ; hypertonisch ; hypotonisch
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b) Pulsierende Vakuole im Paramecium
Fritz und Peter unterhalten sich über das Pantoffeltierchen Paramecium. Fritz
behauptet, dass die pulsierende Vakuole im Paramecium ein osmoregulatorisches
Organ ist (d.h. die Osmose kontrolliert). Peter hingegen behauptet, dass die
pulsierende Vakuole keinen Einfluss auf die Osmose hat. Nun wissen Sie folgendes:
„Mit zunehmender Salzkonzentration im Aussenmedium nimmt die Menge an Wasser
ab, die von pulsierenden Vakuole nach aussen beförder wird.“
Wer hat Ihrer Meinung Recht und wieso? Was sagt Ihnen dies über die Funktion der
pulsierenden Vakuole?
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Lösungen zu den Aufgaben
1) Osmometer
a) Die gelösten Teilchen im Inneren der Glocke und die Wasserteilchen
ausserhalb sind in freier Bewegung (Diffusion). Wäre die Membran für
beide Stoffe durchlässig dann würden sich beide Stoffe mischen bzw.
wären gleichmässig verteilt und die Wassersäule würde nicht steigen.
Doch da wir es mit einer semipermeablen Membran zu tun haben, wird der
Durchtritt von gelösten Teilchen verhindert während die Wasserteilchen
ohne Probleme die Membran passieren können. Infolge des
Konzentrationsgefälles diffundieren nun mehr Wasserteilchen durch die
Membran hindurch in die Glocke als umgekehrt-> die Wassersäule steigt.
b) Ab einer gewissen Zeit bewirkt der entstandene hydrostatische Druck,
dass gleich viele Wasserteilchen zur gleichen Zeit die Membran in beide
Richtungen passieren. Der hydrostatische Druck entspricht daher dem
osmotischen Druck und es kommt zum Stillstand der Wassersäule.
2) Hypo-, Iso- und Hypertonisch
Aussenmedium Hypoton Isoton Hyperton
a)
b)
c) Hypton -> C weil die Teilchen… und dies führt dazu, dass…
Wasser dringt in die Erys ein, sie schwellen an und platzen, da sie keine Zellwand haben. Diesen Prozess nennen wir Lyse oder lysis.
Es gibt kein Netto-wassertransport (Wasseraufnahme und- abgabe entsprechen einander) und somit bleibt die Form der Erys erhalten.
Wasser strömt aus den Erys heraus ins Aussenmedium. Dabei verändert die Zelle ihre Form (Stechapfelform der Erys)
Erythrozyt
Gelöste Teilchen
Wasserteilchen
Erythrozyt ?
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3) Kartoffelstreifenexperiment
Destilliertes Wasser ist hypotonisch. Es kommt zu einem Nettoeinfluss des Wassers
in die Zellen, welche sich dabei ausdehnen; die Länge und die Masse des
Kartoffelstücks steigt. Zudem sind die Stück straff, fest und knackig (Turgor).
Da sich in der 0.9% Salzlösung nichts an der Länge verändert, können wir
annehmen, dass diese Lösung isotonisch zum Zellplasma ist und kein Nettotransport
an Wasser vorliegt.
Die 2% Salzlösung hingegen ist hypertonisch und deswegen fliesst Wasser aus der
Zelle hinaus ins Aussenmedium, so dass der Protoplast schrumpft; Die Stücke
werden kleiner und wiegen weniger (Plasmolyse). Zudem wirken sie schlaff und
biegsamer als die Stücke in dest. Wasser.
Legen wir nun das Stück, das vorher in der 2% Salzlösung war in dest. Wasser so
wird das Wasser sehr schnell aufgenommen und der Protoplast dehnt sich aus; das
Stück beginnt wieder zu wachsen. Mit der Zeit wird immer wie weniger Wasser
aufgenommen und es kommt irgendwann zum Stillstand. Dieser Prozess heisst
Deplasmolyse.
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4) Höhere Anforderungen
a) Hühnerei in der Salzlösung ( höhere Anforderungen)
Dest. Wasser
hypotonisch
Konz. Kochsalzlösung
hypertonisch
Masse (g) Grösse (cm) Masse (g) Grösse (cm)
Zeit (t0) 58,3 6 55,7 6
t1 (nach 24 Std.) 77,4 6,15 45,6 6
t2 (nach 48 Std.) 81,9 6,2 37,4 5,6
Die Eihaut wirkt hier wie eine semipermeable Membran, die Wasserteilchen
durchlässt nicht aber die im Ei enthaltenen Teilchen (z.B. Ionen).
Zwischen dem destilliertem Wasser und den im Ei gelösten Teilchen herrscht ein
Konzentrationsgefälle und das Wasser neigt, um dieses Gefälle auszugleichen,
dorthin zu strömen, wo die Konzentration an gelösten Teilchen am grössten ist, in
diesem Fall in das Ei-Innere. Dies führt dazu, dass sich durch den osmotischen
Druck das Ei aufbläht; die Grösse und Masse steigt.
Umgekehrt sieht es bei der Salzlösung aus deren Teilchenkonzentration viel grösser
ist als die im Ei. Hier verlässt das Wasser das Ei und strömt hinaus; das Ei wird nun
kleiner und leichter.
b) Pulsierende Vakuole im Paramecium
Fritz hat Recht. Die pulsierende Vakuole ist ein osmoregulatorisches Organ, denn
mit zunehmender Salzkonzentration sollten rein durch Osmose mehr
Wassermoleküle das Paramecium verlassen bzw. die Wahrscheinlichkeit dafür sollte
grösser sein. Die Menge des ausströmenden Wassers ist aber tatsächlich gering.
Dies lässt sich nur dadurch erklären, dass die Osmose reguliert wird bzw. die
pulsierende Vakuole osmoregulatorisch wirkt.
