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.