Referenten: Rauch, Dominik; Renfordt, Lisa; Springer, Miriam Unterrichtsthema: Bestäuber-Blüten-Beziehungen Außerschulischer Lernort: Tippelsberg, Bochum Klassenstufe: Qualifikationsphase 2 I.a. Abstract 1. Unterrichtseinheit: In dieser Unterrichtseinheit soll die Bestäuber-Blüten-Beziehung anhand von vier Beispielen exemplarisch erläutert werden. Bei der Art dieser ausgewählten Bestäuber-BlütenBeziehungen handelt es sich um Bestäubung durch Insekten (Entomophilie). Zunächst werden in einem allgemeinen theoretischen Teil der Blütenaufbau, die Nektarproduktion, Bestäubungsmechanismen und die Mundwerkzeuge der Insekten behandelt. Im Anschluss wird im praktischen Teil (Exkursion) die Bestäuber-Blüten-Beziehung von vier ausgewählten Beispielen bestimmt. 2. Exkursion inklusive Lernziele: Bei der Exkursion (inklusive Nachbesprechung) sollen die SuS durch Messungen der Nektarbzw. Glukosekonzentration und Beobachtungen der blütenanfliegenden Insekten die jeweiligen Bestäuber der ausgewählten Pflanzen bestimmen können. Des Weiteren sollen die SuS die Anpassungen von Blüte und Bestäuber aneinander erklären können. 3. Exkursionsort: Der Exkursionsort ist der Tippelsberg in Bochum. Der Tippelsberg, früher eine Deponie für Boden- und Bauschutt, wurde mit der Zeit durch Anlegen von Wanderwegen und durch Bepflanzung in ein Naherholungsgebiet umgewandelt. 1 I.b. Darstellung der Unterrichtsreihe Thema der Unterrichtsreihe: Bestäuber-Blüten-Beziehungen Anzahl der Unterrichts -stunden Thema der Unterrichtsstunden 2 Allgemeiner Blütenbau von Pflanzen 2 Nektarproduktion von Blütenpflanzen Bestäubung und Bestäubungsmechanismen 2 2 Mundwerkzeuge von Insekten Vorbesprechung der Exkursion 1 Exkursion zum Tippelsberg in Bochum 1/2 Tag Nachbesprechung der Exkursion 3 Bemerkungen ∙ allgemeiner Aufbau einer Blüte ∙ Gestaltung des : - Gynözeums - Andrözeums ∙ Was ist Nektar? ∙ Wo wird der Nektar innerhalb der Blüte produziert? ∙ Wo liegen die Nektarien? ∙ Anemophilie ∙ Hydrophilie ∙ Zoophilie →durch Insekten (Entomophilie) → durch Vögel (Ornithophilie) → durch Fledermäuse (Chiropterophilie) ∙ kauend-beißende Mundwerkzeuge ∙ kauend-leckend-saugende Mundwerkzeuge ∙ leckend-saugende Mundwerkzeuge ∙ saugende Mundwerkzeuge ∙ Besprechung der Vorgehensweise auf der Exkursion ∙ Besprechung des Exkursionsortes ∙ Organisatorisches für die Exkursion ∙ Beobachtungen der blütenanfliegenden Insekten bei den ausgewählten Pflanzen ∙ Messung der Nektarkonzentration mit Hilfe des Refraktometers ∙ Messung der Glukosekonzentration mit Hilfe der Glukose-Teststreifen ∙ Expertengruppen zu den einzelnen Pflanzen ∙ Jede Expertengruppe wertet die Ergebnisse der Exkursion für ihre Pflanze aus ∙ Erstellung eines Plakates zur Bestäuber-Blüten-Beziehung ihrer Pflanze ∙ Vorstellung der Ergebnisse (z.B. Museumsgang) 2 II.a. Einführung in den Exkursionsort Der Tippelsberg ist seit 2007 ein Naherholungsgebiet in Bochum. Ursprünglich handelte es sich um eine umgewandelte Deponie für Bau- und Bodenschutt. Auf dem höchsten Punkt des Tippelsbergs befindet sich eine Aussichtsplattform mit Stahlstelen, durch welche man einen guten Blick auf weite Bereiche des Ruhrgebietes und bestimmte Kulturstätten hat. Die Wanderwege auf dem Tippelsberg sind stellenweise befestigt und es sind zahlreiche Mülleimer vorhanden. Eine Unterstellmöglichkeit, sowie sanitäre Anlagen sind jedoch nicht vorhanden. Die ehemalige Deponie wurde versiegelt und renaturiert. Es können zahlreiche für das Ruhrgebiet typische, aber auch untypische Pflanzen gefunden werden. Die Pflanzenvielfalt reicht von Klee über Sanddorn bis zum Dreiblättrigen Stendelwurz. II.b. Einbindung in den Lehrplan Die Unterrichtsreihe der „Bestäuber-Blüten-Beziehungen“ ist in der Qualifikationsphase 2 der gymnasialen Oberstufe in dem Bereich „ökologische Verflechtungen und nachhaltige Nutzung“ anzusiedeln. In diesem Bereich soll das Leben nicht nur auf der Ebene isolierter Einzellebewesen betrachtet werden, sondern in komplexen Beziehungsgefügen auf der Organisationsebene Ökosystem. Diese Unterrichtseinheit fällt unter den Fachinhalt „Einfache Beziehungen zwischen Organismengruppen“ mit den Unterthemen Bestäubungsökologie und Nahrungsnetze. II.c. Lernziele für den Exkursionsort fachwissenschaftlich: - Die SuS können den Pflanzen … ihre Bestäuber zuordnen, indem sie die blütenanfliegenden Insekten beobachten und diese protokollieren. - Die SuS können die Anpassungen des Bestäubers und der jeweiligen Pflanze erklären. - Die SuS können den Blütenaufbau der Pflanzen … erklären. sozial: - Die SuS übernehmen in einer Gruppe Verantwortung, indem sie für einen Arbeitsbereich (Zeitmanagement, Protokollieren und …) der Gruppe verantwortlich sind. - Die SuS gehen verantwortungsbewusst mit ihrer Umwelt um. 3 methodisch: - Die SuS können die Zuckerkonzentration im Nektar mit Hilfe eines Refraktometers bestimmen. - Die SuS können den Glucosegehalt des Nektars mit Hilfe von Glucose-Teststäbchen bestimmen - Die SuS können aus Blüten den Nektar mit Hilfe von Kapillarstäbchen isolieren. III. Beschreibung der Exkursion 1. Ablauf: Die SuS werden nach der Wiederholung der vorbereiteten Unterrichtseinheit in Gruppen mit jeweils vier SuS eingeteilt. Als Ausgangspunkt für die Einteilung eignet sich die Aussichtsplattform auf dem Tippelsberg. Den Gruppen werden ihre Arbeitsblätter mit jeweiligen spezifischen Aufgaben ausgeteilt. Die Aufgabenstellung wird durchgesprochen und eventuelle Fragen werden geklärt. Danach werden die Gruppen zu den Ausgangspunkten ihrer Aufgaben geführt. (Die SuS könnten auch dazu aufgefordert werden, die ihnen zugewiesenen Pflanzen selbständig zu finden.) Anschließend führen die SuS die Messungen und Beobachtungen ihrer Gruppe in den ihnen vorgegebenen Zeiträumen durch und protokollieren ihre Ergebnisse auf ihren Arbeitsblättern. 2. Protokoll der Experimente und Tätigkeiten der Schüler Die SuS extrahieren mit Glaskapillarstäbchen den Nektar aus den Blüten einer Pflanze bis sie ca. 5 µl gesammelt haben. Dieser Vorgang wird wiederholt bis drei Messungen an drei Pflanzen der gleichen Art durchgeführt wurden. Die SuS notieren auf den Arbeitsblättern in den dafür vorgesehenen Spalten, wie viele Blüten beprobt werden mussten, um die benötigte Nektarmenge zu erhalten, und die extrahierte Nektarmenge für alle Messungen. Mit Hilfe des Refraktometers bestimmen die SuS anschließend die Zuckerkonzentration im Nektar und notieren diese ebenfalls auf den Arbeitsblättern. Wenn alle Messungen durchgeführt wurden, wird der Mittelwert der notierten Ergebnisse ermittelt und auf dem Arbeitsblatt eingetragen. Für die Glucose-Messung extrahieren die SuS erneut Nektar aus den Blüten einer Pflanze bis sie mindestens 4 µl gesammelt haben. Die benötigte Blütenzahl und die Nektarmenge werden in die dafür vorgesehenen Spalten des Arbeitsblatts eingetragen. Anschließend wird der Nektar auf das Testfeld der Glucose-Teststäbchen aufgetragen und das Ergebnis auf den Arbeitsblättern notiert. Dieses Vorgehen wird 3 Mal pro Pflanze wiederholt. Insgesamt messen die SuS drei Mal an drei Pflanzen der gleichen Art, sodass sie insgesamt 9 Messungen durchführen. Sie ermittelten auch bei diesen Messungen die Mittelwerte und tragen diese auf ihren Arbeitsblättern ein. 4 Für die Beobachtungsaufgabe beobachten die SuS für 30 Minuten, wie viele Bienen, Hummeln, Schmetterlinge, Fliegen oder andere Insekten die Pflanze anfliegen. Sie tragen ihre Zählung in Form einer Strichliste in die Tabelle auf ihrem Arbeitsblatt ein. Jedes Gruppenmitglied beschreibt darüberhinaus den Blütenaufbau, die Blütengröße, die Lokation des Nektars und die Blütenfarbe. Die SuS machen sich Gedanken, wie die Insekten an den Nektar gelangen und notieren ihre Ideen auf den Arbeitsblättern. Beispielarbeitsblätter für den gewöhnlichen Beinwell: Name: Gewöhnlicher Beinwell (Symphytum officinale L.) Familie: Raublattgewächse (Boraginaceae) Messung der Zuckerkonzentration im Nektar (Refraktometer) Messungen Pflanze 1 Benötigte Blüten 1 Benötigte Blüten 2 Benötigte Blüten 3 Mittelwert Nektarmenge 1 Nektarmenge 2 Nektarmenge 3 Mittelwert Zuckerkonzentration 1 Zuckerkonzentration 2 Zuckerkonzentration 3 Mittelwert Messungen Pflanze 2 Benötigte Blüten 1 Benötigte Blüten 2 Benötigte Blüten 3 Mittelwert Nektarmenge 1 Nektarmenge 2 Nektarmenge 3 Mittelwert Zuckerkonzentration 1 Zuckerkonzentration 2 Zuckerkonzentration 3 Mittelwert Messungen Pflanze 3 Benötigte Blüten 1 Benötigte Blüten 2 Benötigte Blüten 3 Mittelwert Nektarmenge 1 Nektarmenge 2 Nektarmenge 3 Mittelwert Zuckerkonzentration 1 Zuckerkonzentration 2 Zuckerkonzentration 3 Mittelwert 5 Messung der Glucose-Konzentration im Nektar (Glucose-Teststreifen) Messungen Pflanze 1 Benötigte Blüten 1 Benötigte Blüten 2 Benötigte Blüten 3 Mittelwert Nektarmenge 1 Nektarmenge 2 Nektarmenge 3 Mittelwert Glucose-Konzentration 1 Glucose-Konzentration 2 Glucose-Konzentration 3 Mittelwert Messungen Pflanze 2 Benötigte Blüten 1 Benötigte Blüten 2 Benötigte Blüten 3 Mittelwert Nektarmenge 1 Nektarmenge 2 Nektarmenge 3 Mittelwert Glucose-Konzentration 1 Glucose-Konzentration 2 Glucose-Konzentration 3 Mittelwert Messungen Pflanze 3 Benötigte Blüten 1 Benötigte Blüten 2 Benötigte Blüten 3 Mittelwert Nektarmenge 1 Nektarmenge 2 Nektarmenge 3 Mittelwert Glucose-Konzentration 1 Glucose-Konzentration 2 Glucose-Konzentration 3 Mittelwert Blütenanflug von Insekten (Beobachten) Insekt Anzahl Biene oder Hummel Schmetterling Fliege Beschreibung der Blüte (Beinwell): 4 Mal pro Gruppe _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 6 3. Datenanalyse 3.1 Ergebnisse der Exkursion (Sammlung der Schülerergebnisse) Beschreibung der Blüten: Brombeere (Rubus fructicosus) • 5 nicht verwachsene weiße Blütenblätter • weiße Blüten gegliedert in Kelch und Krone • Mit Stacheln • Blätter wechselständig Gewöhnlicher Beinwell (Symphytum officinale) • Staude • Blütenblätter hängend • Violette Blüten gegliedert in Kelch und Krone • Lanzettförmige Blätter wechselständig Salbei (Salvinia spec.) • Zygomorphe Blüte • Lippenblütler: Lamiaceae • Starker Eigengeruch • Kronblätter verwachsen → bilden „Bienenlandeplatz“ • Oberlippe sichelförmig • 2 Staubblätter schauen raus; Narbe noch höher • Antheren im Kelch • Schlund weiß Wald Ziest (Stachys sylvatica) • Blüten länglich lila • Länglicher Kelch • Stempel/Staubblätter oben und offen 7 • Ährige Blüten in Scheinquirlen • Unterlippe: weißer Fleck Weiße Lichtnelke (Silene latifolia) • Weiße 2,5 cm große Blüten • Dicker Sack • Kelch aufgeblasen • Behaarter Kelch • Kleine zentrale Öffnung • 5 Kronblätter (nicht verwachsen) • 5 Staubblätter (nicht verwachsen) • Oberständiger Fruchtknoten 3.2 erwartete Ergebnisse1 Weiße Lichtnelke (Silene latifolia) • Es sollte eine hohe Zuckerkonzentration zu messen sein • Anfliegende Insekten sollten nicht zu beobachten sein (evtl. Schmetterlinge) → Bestäuber sind Nachtfalter Brombeere (Rubus fructicosus) • Es sollte sehr schwierig sein eine Zuckerkonzentration zu messen Zuckerkonzentration: 12-49 %; Nektar pro Blüte (24 h): 4-6 mg • Anfliegende Insekten sind Hummel und Bienen → sammeln den Pollen, um die Brut zu füttern Salbei (Salvinia spec.)/Wald Ziest (Stachys sylvatica) • Es sollte ein hohe Zuckerkonzentration zu messen sein • Salbei: Zuckerkonzentration: 20-47 %; Nektar pro Blüte (24 h): 1-5 mg • Anfliegende Insekten sind Hummeln und Bienen Gewöhnlicher Beinwell (Symphytum officinale) 1 unveröffentlichte Messwerte und Beobachtungen von Dr. Pia Aumeier 8 • Es sollte eine hohe Zuckerkonzentration zu messen sein • Zuckerkonzentration: 19-52 %; Nektar pro Blüte (24 h): 5-8 mg • Anfliegende Insekten sind Bienen und Hummeln 3.3 Diskussion der Ergebnisse Da es während der gesamten Exkursion stark geregnet hat, konnten die blütenanfliegenden Insekten nicht beobachtet und gezählt werden. Außerdem waren die Nektar- und Glukosekonzentrationsmessungen nicht genau, da der Nektar durch den Regen verdünnt wurde. Somit konnten nur die Beschreibungen der Blüten in die Auswertung einbezogen werden. Die anderen Daten wurden mit Literaturwerten ergänzt. Es zeigt sich bei der weißen Lichtnelke eine hochspezifische Bestäuber-Blüten-Beziehung. Aufgrund des Blütenaufbaus können nur Insekten mit langen saugenden Mundwerkzeugen an den Nektar gelangen. Schmetterlinge (Falter) besitzen diese Art von Mundwerkzeugen. Darüber hinaus öffnen sich die Blüten erst gegen Abend vollständig und verströmen abends ihren Duft, der Nachtfalter anlockt. Tatsächlich sind die Bestäuber der weißen Lichtnelke somit Nachtfalter.2 Bei der Brombeere sind hauptsächlich Hummeln oder Bienen zu beobachten. Es kann nur eine sehr geringe Nektarkonzentration gemessen werden. Dies lässt darauf schließen, dass vor allem die sozialen Insekten die Blüten nicht wegen des Nektars anfliegen, sondern um den Pollen zu sammeln, mit dem sie ihre Brut füttern. Bei den anderen Pflanzen (Salbei, Wald-Ziest & Gewöhnlicher Beinwell) sind vor allem Insekten mit leckend-saugenden Mundwerkzeugen (Hummeln, Bienen & Fliegen) zu beobachten. Die Blüten der Pflanzen werden von diesen Insekten wegen der hohen Nektarkonzentrationen angeflogen. 4. Möglichkeiten zur Leistungsmessung, -bewertung Die Leistungsbewertung findet am Ende der Unterrichtsreihe in Form eines Tests statt. Die SuS müssen in der Lage sein, die erlernten Mundwerkzeuge den einzelnen Blütenformen zuzuordnen und das gelernte auf eine ihnen unbekannte Blüte anzuwenden. 2 Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen 9 IV. Reflexion Die Vorbereitungen für die Exkursion zum Bochumer Tippelsberg ließen sich gut durchführen. Das Gelände ist leicht begehbar und bietet die ausgewählten Pflanzenarten mit den verschiedenen Blütenformen nah an den Gehwegen. Literaturwerte liefern durchschnittliche Nektarkonzentrationen für verschiedene Pflanzenarten, die als Vergleichswerte herangezogen werden können. Die Materialien sind für die Lehrkräfte einfach zu organisieren. Das Refraktometer ist an Universitäten auszuleihen, falls die Schule nicht über ein solches verfügt. Die Glaskapillaren und destilliertes Wasser sollten in der Schule vorhanden sein. Glukose-Messstäbchen sind kostengünstig, zum Beispiel in einer Apotheke, zu erwerben. Das Exkursionsgelände eignet sich gut für die Durchführung der Exkursion, blütenanfliegenden Insekten lassen sich in dem freien Gelände gut beobachten protokollieren. Durchgeführt werden sollte die Exkursion in den späten Frühlingsfrühen Sommermonaten. Bei passendem Wetter lassen sich die Lernziele somit erreichen. die und und gut Durch die Arbeit im Feld mit echten Pflanzen und unbekannten, jedoch nicht zu kompliziert handhabbaren Materialien und die abwechslungsreichen Aufgaben kann die Motivation der SuS aufrechterhalten werden. Durch die ausgewählten verschiedenen Pflanzenarten lässt sich eine gute Gruppeneinteilung vornehmen. Innerhalb der Gruppe kann das soziale Lernziel erreicht werden. Die Gruppenmitglieder müssen gemeinsam dafür sorgen, dass die gestellten Aufgaben bearbeitet werden. Gleichzeitig übernimmt jedes Gruppenmitglied die Verantwortung, dass sorgfältig gemessen, protokolliert wird und die Zeiten eingehalten werden. Die Materialien für die Exkursion sind für SuS leicht handhabbar. Die methodischen Lernziele können durch die Durchführung der Messungen erreicht werden. Für die Sammlung der Proben wird der richtige Umgang mit den Glaskapillaren gefestigt. Auch die Handhabung des Refraktometers wird geübt, indem die Zuckerkonzentration des Nektars bestimmt wird. Durch den Umgang mit den Glukose-Teststäbchen wird der Glukosegehalt des Nektars bestimmt und gleichzeitig auch der Umgang mit diesem Material geübt. Inhaltliche Lernziele werden ebenfalls während der Messungen und Beobachtungen erreicht. Durch die Beschreibung des Blütenaufbaus und die Protokollierung der anfliegenden Insekten können die Anpassungen der Bestäuber an die jeweiligen Pflanzenarten mit ihren entsprechenden Blütenformen erklärt werden. Die durchgeführte Exkursion war von starkem, anhaltendem Regen überschattet. Auf dem Exkursionsgelände befindet sich kein Unterstand. Der Regen sorgte dafür, dass die SuS keine die Blüten anfliegenden Insekten beobachten konnten. Darüber hinaus sammelte sich Wasser in den Blüten, was eine Bestimmung der Zuckerkonzentration mit dem 10 Refraktometer unbrauchbar machte, da die Werte durch Verdünnung verfälscht wurden. Neben der Ansammlung des Wassers in den Blüten, konnte durch das Fehlen eines Unterstandes auch Regenwasser auf die Messfläche des Refraktometers gelangen, was zu einer weiteren Verdünnung der Proben führte und so die Werte ebenfalls unbrauchbar machte. Unter realen Bedingungen würde diese Exkursion nicht bei solch einem starken, anhaltenden Regen durchgeführt, da die inhaltlichen Lernziele dadurch nicht erreichbar werden und auch die methodischen Lernziele nur schwer erreichbar sind. Darüber hinaus lässt sich die Motivation der SuS bei sehr schlechtem Wetter nicht gut aufrechterhalten, die Frustration ob der fehlenden Erfolgserlebnisse ist zu groß. Es bestünde die Möglichkeit, einen anderen Exkursionsort mit einem Unterstand zu wählen, der ebenfalls verschiedene Blütenarten bietet. So könnte die Exkursion bei leichtem Niederschlag trotzdem durchgeführt werden, vorausgesetzt, die Insekten fliegen noch und die Blüten werden nicht zu starkem Regen ausgesetzt. Als Alternative bei anhaltendem schlechtem Wetter könnten im Klassenraum oder Kursraum entsprechende Blütenarten untersucht werden. Die Nektarmessungen, die Messung der Zuckerkonzentration und die Messung der Glukosekonzentration, könnten auf diese Weise dennoch durchgeführt werden. Jedoch ist es im Kursraum nicht möglich, die unter realen Bedingungen anfliegenden Insekten zu beobachten. Anhand von Literatur über bestäubende Insekten könnten allerdings trotzdem die Bestäuber-Blüten-Beziehungen verdeutlicht werden. Eine andere Möglichkeit wäre, bei gutem Wetter ein Video von den anfliegenden Insekten auf die entsprechenden Blüten anzufertigen, das die SuS im Unterricht auswerten können. Bei der Durchführung der Exkursion unter passenden Wetterbedingungen ist darauf zu achten, dass die SuS die Aufgabenstellungen verstehen und dass ihnen klar ist, aus welchen Einzelaufgaben der Exkursionsverlauf aufgebaut ist. Dafür sind klare und übersichtliche Aufgabenblätter vonnöten, die die Exkursionsteilnehmer durch den Verlauf „führen“. V. Checklisten allgemeines Organisatorisches: ∙ Welche Regeln sind an dem Exkursionsort Tippelsberg zu beachten? ∙ Wie komme ich zu dem Exkursionsort (öffentliche Verkehrsmittel, Bus mieten, Fahrgemeinschaften→ Wegbeschreibung)? ∙ vor Ort sind keine sanitären Anlagen 11 Exkursion: ∙ Welchen Pflanzen eignen sich für die Experimente? ∙ Welche von den geeigneten Pflanzen sind am Tippelsberg zu finden (zeitnahe Vorexkursion)? ∙ Wie viele Refraktometer stehen zur Verfügung und wie kann ich meine Gruppen danach einteilen? ∙ Wo bekomme ich die Glukoseteststreifen, (Apotheke)? Sind genügend Farbtabellen zum Abgleich vorhanden? 12 Literatur Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucher Nordrhein-Westfalen (2007): Lichtnelke. [Zugriff am 18.08.2013 unter http://www.landesumweltamt.nrw.de/natur/portraits/ pflanzen/lichtnelke_rote-weisse.htm] Angaben zu Nektarkonzentrationen: Anna Maurizio u. Friedgard Schaper: Das Trachtpflanzenbuch. Nektar und Pollen - die wichtigsten Nahrungsquellen der Honigbiene. München 41994. Experimente und Hintergrundwissen zum Thema Blüte und Insekten: Heß, Dieter: Die Blüte. Eine Einführung in Struktur und Funktion, Ökologie und Evolution der Blüten. Mit Anleitungen zu einfachen Versuche. Stuttgart ²1990. 13