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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!

Experiment mit Wasser : Die Münzwippe

Endlich hat es gewittert und ein wenig abgekühlt! Dazu war heute vormittag noch Regen angesagt. Zeit für ein kleines Experiment für zwischendurch, das ihr sowohl draussen als auch drinnen machen könnt. Dabei geht es um die Superkräfte von Wasser ….oder doch nicht?

Unglaubliche Kräfte schlummern nämlich nicht nur in Wasser, sondern auch in der Luft! – Und diese Kräfte könnt ihr mit ganz einfachen Mitteln selbst erforschen:

Ihr braucht dazu

  • ein Trinkglas
  • einen glatten Pappstreifen, aus einem Tetrapack zugeschnitten
  • kleine Münzen (z.B. Fünfräppler, aber Eurocents tun es genauso)
  • Wasser
Für das Experiment braucht ihr: Trinkglas, Wasser, Pappstreifen aus Tetrapak, kleine Münzen

Die Idee habe ich von “Schule und Familie“. Wie dort beschrieben mit einem einfachen Pappstreifen funktioniert das Experiment aber nicht so recht: Die Pappe saugt sich im Nu mit Wasser voll, wird weich und krumm, sodass die Münzen vorzeitig abrutschen. Die “Innen-“seite eines Tetrapacks ist jedoch wasserdicht beschichtet (das Getränk soll ja im Karton bleiben). Da wird nichts krumm und die Münzwippe funktioniert wunderbar.

So geht’s

  • Füllt das Glas randvoll – und ein Bisschen darüber hinaus – mit Wasser. Das Wasser soll sich leicht über den Glasrand aufwölben. Eine saubere Tropfpipette (zum Beispiel der Deckel einer Nasentropfen-Flasche, gibt es auch einzeln für kleines Geld in der Drogerie!) kann dabei helfen, die letzten Tropfen vorsichtig einzufüllen.
  • Legt den Tetra-Pappstreifen mit der “Innenseite” nach unten und mit einem Ende so auf das Glas, dass er die Öffnung ganz verschliesst. Vielleicht merkt ihr schon, wie er sich festsaugt.
Alles bereit: Ein Ende der Pappe liegt mit der Beschichtung nach unten auf dem Glas.
Alles bereit: So liegt die Pappe richtig auf dem Glas!
  • Stapelt nun vorsichtig eine Münze nach der anderen auf das überhängende Ende. Der Streifen wird trotz Übergewicht eine ganze Weile auf dem Glas liegen bleiben! Ich habe fünf Fünfräppler geschafft, bevor der Streifen sich beim sechsten schliesslich doch gelöst hat. Wer schafft mehr?
Die Münzwippe in Aktion: Das Gewicht von fünf Fünfräpplern kann den Pappstreifen nicht vom Glas lösen!
Fünf “Füüferli” und es hält immernoch…

Was passiert da?

Superkraft von Wasser : Adhäsion

Das zunehmende Gewicht der Münzen auf dem überhängenden Ende lässt den Pappstreifen wie auf dem Glas festgeklebt erscheinen. Wie festgeklebt? Dabei handelt es sich bei Weitem nicht nur um einen Vergleich!

Wassermoleküle werden tatsächlich von vielen anderen Stoffen angezogen und ziehen selbst wiederum diese Stoffe an. Diese Erscheinung nennen die Physiker “Adhäsion” – und die anziehenden Kräfte “Adhäsionskräfte”. Es gibt verschiedene Theorien, wie diese Adhäsionskräfte zustande kommen. Aber die meisten davon haben gemeinsam, dass die Teilchen von Stoffen sich genau dann besonders anziehend finden, wenn bestimmte ihrer Eigenschaften sich ähneln.

Eine dieser Eigenschaften ist die Ausstattung von Teilchen mit elektrischer Ladung. Wenn ihr schon einmal den Zaubertrick mit dem krummen Wasserstrahl ausprobiert habt, wisst ihr, dass Wassermoleküle relativ starke Ladungen tragen (für die etwas fortgeschritteneren Forscher unter euch: Physiker nennen Wasser deshalb “polar”). So ziehen sie nicht nur einander stark an, sondern werden auch von anderen Stoffen mit elektrischen Ladungen angezogen.

Gemäss dieser “Polarisationstheorie” wäre also davon auszugehen, dass auch die Innenfläche des Getränkekartons elektrische Ladungen trägt bzw. polare Bestandteile hat, die Wassermoleküle anziehen und so zum Haftenbleiben bringen.

Aber eigentlich ist es doch gar nicht wünschenswert, dass das Getränk im Tetrapack kleben bleibt! Deshalb werden die Tetrapack-Entwickler doch sicher vermieden haben, ein all zu adhäsionsfreudiges Material für ihre Beschichtung zu verwenden. Und trotzdem klappt das Experiment…

Superkraft von Luft : Luftdruck

Eine zweite Erklärung für den “klebenden” Pappstreifen ist, dass die Pappe weniger am Wasser klebt, als dass sie durch die Luft darauf gedrückt wird. Die Erdatmosphäre, die aus unzähligen frei umherwuselnden Teilchen besteht, drückt nämlich von allen Seiten auf jedes Hindernis, das ihr in die Quere kommt.

Die wuselnden Teilchen trommeln laufend auf jede von Luft umgebene Oberfläche ein – und wir nehmen dieses Dauer-Trommelfeuer mit unseren groben Sinnen als Druck wahr. Der Luftdruck am Erdboden beträgt etwa 1 bar (oder 1000 Millibar), was eine beträchtliche Menge ist. Schliesslich drückt ja eine gut 30 Kilometer hohe Luftsäule auf die wuselnden Teilchen in eurer Nähe und drängt sie so eng zusammen, dass sie entsprechend dicht und heftig auf alle Oberflächen trommeln.

So auch auf den Pappstreifen, der auf dem Glas liegt. Dieser Luftdruck ist so stark, dass er – allenfalls gemeinsam mit einer ziehenden Adhäsionskraft – die Münzen auf dem freien Streifenende aufwiegt: Der Luftdruck (und die Adhäsion) drücken das Glasende des Pappstreifens zunächst stärker nach unten als das Gewicht der Münzen das freie Ende. Erst wenn das Gewicht der Münzen zu gross wird, wippt das freie Ende des Streifens nach unten, während das Glas-Ende nach oben schnellt.

Da diese “Wippe” nicht am Angelpunkt auf dem Glasrand befestigt ist, fällt der Aufbau damit sofort zusammen.

Münzwippe überlastet: Der Pappstreifen ist vom Glasrand gekippt.
…aber die sechste Münze war zu viel: Der Streifen wippt in Richtung der Münzen und stürzt vom Glasrand.

Bonus-Versuch für draussen

Ihr wollt sehen, wie stark der Luftdruck sein kann? Dann füllt wie oben beschrieben das Glas bis zum Rand mit Wasser und legt den Pappstreifen darauf, sodass die Öffnung vollständig bedeckt ist. Haltet den Streifen fest und dreht das Glas mit der Öffnung nach unten. Dann lasst den Pappstreifen los (das Glas natürlich nicht!). Wenn alles gutgeht, sorgt der Luftdruck allein dafür, dass die Pappe auf der Öffnung und das Wasser im Glas bleibt!

Weil dieses Experiment aber nicht immer auf Anhieb funktioniert empfehle ich euch dringend, das draussen oder im Badezimmer zu probieren! Da richtet eine mögliche Überschwemmung nämlich keinen grossen Schaden an.

Entsorgung

Die ist bei diesem Versuch denkbar einfach:

Da ich mit Trinkwasser aus der Leitung und ausschliesslich mit Hilfsmitteln aus der Küche experimentiert habe, trinke ich das Wasser gerade aus, während ich blogge 😉 . Auch sonst könnt ihr das Wasser noch für alles benutzen, wozu man Wasser braucht. Den Tetra-Pappstreifen könnt ihr aufheben, sodass ihr die Experimente jederzeit wieder vorführen und eure Lieblingsmenschen verblüffen könnt.

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren! Und…kennt ihr vielleicht Gelegenheiten aus eurem Alltag, bei welchen ihr (wirkliche) Adhäsionskräfte beobachten könnt?