Hauptinhalt

Fotosynthesekurse

Bedeutung der Fotosynthese

Sämtliche Organismen, egal ob Pflanze oder Tier, sind aus Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Es ist die Leistung grüner Pflanzen, dieses Kohlenstoffdioxid im Rahmen der Fotosynthese aufzunehmen, ihn unter Verwendung von Sonnenenergien und Wasser in Zuckerverbindungen zu überführen, die Grundlage für sämtliches Leben auf der Erde sind. Fotosynthese kann daher als einer der ältesten und wichtigsten biologische Prozesse auf dem Planeten Erde bezeichnet werden.

Fotosynthese im Biologieunterricht

Aufgrund seiner fundamentalen Bedeutung für das Leben auf der Erde ist die Fotosynthese ein wichtiges Thema im Biologieunterricht der Sekundarstufe I und II. Zur Zeit ist sie in der Oberstufe im Kerncurriculum Q2 Ökologie verortet.

Fotosynthesekurse im Schüler:innenlabor

Das Thema Fotosynthese eignet sich hervorragend zur Einführung und Vertiefung wichtiger biologischer Labormethoden oder aber ins selbstständige Experimentieren, wie es der Kompetenzbereich "Erkenntnisgewinnung" des Kerncurriculums vorsieht. Oft sind aufgrund der schulorganisatorischen Rahmenbedingungen und der Arbeitsbelastungen der Lehrkräfte derartige Versuche und Experimente kaum noch oder nur unter erheblichem Aufwand durchführbar. An dieser Stelle möchte der Botanische Garten mit seinem Schüler:innenlabor den naturwissenschaftlichen Unterricht der Schulen durch moderne Inhalte in einer authentischen Umgebung ergänzen und Schulklassen einen ortsnahen, preisgünstigen und lernförderlichen außerschulischen Lernort bieten - und dies bereits seit über 10 Jahren.

Gleichzeitig ist das Schüler:innenlabor wichtiges Element der Lehramtsausbildung im Botanischen Garten und ermöglicht vielen Studierenden den direkten Kontakt mit OberstufenschülerInnen. Teile des Kurses (v.a. die praktischen Arbeiten im Labor) werden maßgeblich von den Studierenden mitbetreut. Dies ermöglicht authentische Begegnungen und schult die Studierenden sowohl im Umgang mit den Schüler:innen, als auch mit den anspruchsvollen fachlichen Themen des Oberstufenbiologieunterrichts. Gleichzeitig ist der Austausch zwischen Schüler:innen und Studierenden - über sämtliche Fragen des studentischen Lebens in Marburg - bereits für viele TeilnehmerInnen der Laborkurse Anlass und Anregung für ein Studium an der Philipps-Universität gewesen.

Erfahrungsberichte

Laborkurs 1: Fotosyntheseforschung früher und heute

"Fotosynthese im Reagenzglas" lautet der Untertitel dieses Laborkurses. Bei der Aufklärung biochemischer Reaktionswege der Fotosynthese wird sehr oft mit isolierten Chloroplasten „in vitro“ experimentiert. Ausgehend von einer theoretischen Besprechung der molekularen Grundlagen isolieren die Schüler:innen aus frisch im Garten geernteten Spinat die Chloroplasten. Hiermit untersuchen sie in verschiedenen Ansätzen den Elektronentransports an der Thylakoidmembran - so wie es bereits der Naturforscher Robert Hill in den 1930er Jahren getan hat. Der Schwerpunkt dieses Kurstages liegt auf dem eigenständigen hypothesengeleiteten Experimentieren. Im Anschluss an die Experimentierphase werfen wir über eine Videoeinspielung einen Blick in die aktuelle Fotosyntheseforschung, die am benachbarten Max-Planck-Institut stattfindet.
Siehe auch: https://science.sciencemag.org/content/354/6314/900.abstract.

Vor dem Laborteil erfolgt eine Erkundung in ausgewählten Gewächshäusern des Botanischen Gartens (ca. 75 Minuten). Dies ist der Einstieg in den Kurstag und legt nochmal einen phänomenologischen Fokus auf die Fotosynthese der Pflanzen sowie die Pflanzenanpassungen von Wüsten- und Tropenpflanzen im Vergleich.

Der Kurstag dauert von 9:00 bis ca. 15:15 Uhr. Sollten Sie gerne früher oder später starten, ist dies auf Nachfrage teilweise möglich. Es gibt zwei Pausen von etwa 25 Minuten, in denen die Teilnehmer:innen Selbstmitgebrachtes verzehren können.

Grober Überblick über einen Kurstag (die Zeiten variieren je nach Kurs)

Ein typischer Kursablauf mit Beginn um 9:00 Uhr ist folgender:
9:00 Uhr: Beginn im Seminarraum des Schüler:innenlabors
9:15 Uhr - 10:45 Uhr: Erkundung in den Gewächshäusern (s.o.)
Pause
11:00 Uhr - 11:15 Uhr: Wiederholende und vorbereitende Theorie
11:15 Uhr - 13:30 Uhr: Laborphase
Pause
13:50 Uhr - 15:15 Uhr: Auswertung der Laborphase und Einblick in die aktuelle Fotosyntheseforschung

Anschließend: Zeit zur weiteren, freien Erkundung des Botanischen Gartens
Laborkurs 2: Blattpigmentanalyse

Vor der Etablierung des Laborkurses "Fotosyntheseforschung früher und heute" war dieser Laborkurs für lange Jahre das Herzstück unserer Schüler:innenlaborarbeit und ist aufgrund des hohen Anteils an Laborarbeit und Schüler:inneneigenaktivität noch immer sehr beliebt. Der Fokus liegt bei diesem Kurs etwas weniger auf dem eigenständigen Experimentieren, als mehr auf einem Höchstmaß an Laborarbeit und der Einführung in die Arbeit mit Dünnschichtchromatographie und Spektralphotometern.
Nach einer kurzen (wiederholenden) Besprechung des Aufbaus, der Funktion und Bedeutung der Blattpigmente erhalten die Schüler:innen den Auftrag, die Blattpigmente aus ihren gesammelten Pflanzenproben zu extrahieren, zu isolieren und zu identifizieren. Hierzu nutzen sie moderne Trenn- und Analyseverfahren. Eine Einführung in die beiden Methoden erfolgt in der Zwischenbesprechung. Während die Chromatographie läuft, gibt es eine etwa 75-90 minütige Mittagspause. Während dieser können Sie und Ihr Kurs ins nahegelegene Mensabistro gehen, Selbstmitgebrachtes verzehren, Pizza bestellen oder auf eigene Faust die weiteren Gewächshäuser und das Außengelände erkunden.

Der Kurs dauert von ca. 9:00 Uhr bis 15:00 Uhr. Sollten Sie gerne früher oder später starten, ist dies auf Nachfrage teilweise möglich.

Absofort besteht die Möglichkeit, den Kurs um etwa 90 Minuten zu verlängern und einen Einblick in das moderne Verfahren der Hochleistungsflüssigkeitschromatograpie (HPLC) zu bekommen. Das Schüler:innenlabor verfügt über eine eigene HPLC. In einem Theorieteil lernen die Schüler:innen das Prinzip einer HPLC kennen; im Labor wird anschließend die Anlage vorgestellt und erklärt sowie eine Blatpigmentauftrennung mittels der HPLC durchgeführt. Bedenken Sie aber, dass dies nur bei Lerngruppen sinnvoll ist, die über die Maßen belastbar sind, denn bereits der Labrtag bis 15 Uhr ist erfahrungsgemäß sehr fordernd für die Schüler:innen. Gerne können Sie auch an einem zweiten Termin vorbeikommen und dann Einblicke in die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie bekommen.

Alternativ besteht ab 2023 die Möglichkeit, dass 3-4 besonders interessierte Schülerinnen und Schüler den Laborkurs Blattpigmenteanalyse parallel anhand der HPLC durchlaufen. Der Kurstag verlängert sich dadurch nicht. Diese Schülerinnen extrahieren und analysieren die Blattpigmente nicht mittels Dünnschichtchromatographie sondern mittels HPLC und lernen dabei dieses Analyseverfahren vertiefend kennen. In der Abschlussbesprechung des Kurstages präsentieren sie ihren Mitschülern die von ihnen durchgeführte Blattpigmentanalyse mittels HPLC. Aufgrund des besonderen Anspruchs dieser Methode und des beschränkten Arbeitsbereichs an der HPLC ist dieses Angebot für maximal 3-4 besonders interessierte und/oder leistungsstarke Schülerinnen und Schüler möglich.

Grober Überblick über einen Kurstag (die Zeiten variieren je nach Kurs)

Ein typischer Kursablauf mit Beginn um 9:00 Uhr ist folgender:
9:00 Uhr: Beginn im Seminarraum des Schüler:innenlabor
9:15 Uhr - 10:30 Uhr: Erkundung in den Gewächshäusern (s.o.)
Pause
10:45 Uhr - 11:30 Uhr: Wiederholende und vorbereitende Theorie
11:30 Uhr - 12:30 Uhr: Laborphase I
Pause (aufgrund der Chromatographie mindestens 75 min.)
13:45 Uhr - 14:45 Uhr: Laborphase II
14:45 Uhr - 15:00 Uhr: Auswertung der Laborphase

Anschließend: Zeit zur weiteren, freien Erkundung des Botanischen Gartens
Ergänzungsmodul "Meet a Scientist"

In Kooperation mit dem Max-Planck-Institut Marburg und dem Projekt Green Science Lab bieten wir seit diesem Jahr das Ergänzungsmodul "Meet a Scientist" an. Es dient zur Vertiefung vor allem des Laborkurses Photosynthese im Reagenzglas und zur Berufsorientierung der Schüler:innen.

Im Anschluss an den von Ihnen gebuchten Laborkurs kommen zwei Wissenschaftler:innen des MPI zu Besuch in den Botanischen Garten und stehen den Schüler:innen Rede und Antwort rund um das Thema Fotosyntheseforschung in Marburg, Arbeitsalltag im Labor, Studium, Ausbildungsweg und alles was es sonst noch so erfahrenswertes aus dem Leben eines Wissenschaftlers/einer Wissenschaftlerin gibt.

Das Modul verlängert den gebuchten Kurstag um ca. 30-40 Minuten und ist kostenlos!
Kerncurriculumbezug

Kerncurriculum Biologie gymnasiale Oberstufe, S.13. Quelle: Hessisches Kultusministerium.

Die Fotosynthesekurse sind so konzipiert, dass sie vielfältige Bezüge zum Kerncurriculum Biologie aufweisen. Dies legitimiert den Besuch des außerschulischen Lernorts Schüler:innenlabor (nicht nur gegenüber der Schulleitung) in besonderem Maße.

Im Laborkurs 1 - Fotosyntheseforschung früher und heute - werden vor allem die folgenden konkreten Kompetenzen angebahnt:

Kompetenzbereich F1:
Ihre Schüler:innen erklären die Lichtreaktion der Fotosynthese und erläutern die Hill-Reaktion sowie zentrale Aspekte der aktuellen Fotosyntheseforschung. Sie strukturieren ihr Fachwissen zur Lichtreaktion anhand des Basiskonzepts "Kompartimentierung". Sie ordnen detailliertes Fachwissen zur Hill-Reaktion in einen größeren Zusammenhang ein.

Kompetenzbereich F2:
Ihre Schüler:innen analysieren den naturwissenschaftlichen Sachverhalt der Hill-Reaktion. Sie entwickeln beim Experimentieren problembezogene Lösungsstrategien unter Einbezug von naturwissenschaftlichen Prinzipien.

Kompetenzbereich E1:
Ihre Schüler:innen formulieren Hypothesen zur Hill-Reaktion und planen methodisch korrekte Experimente zu deren Überprüfung. Sie begründen die Wahl geeigneter Arbeitstechniken und Methoden, wenden diese an und beziehen qualitative und quantitative Aspekte mit ein. Selbst ermittelte Daten und Beobachtungen werten sie unter Beachtung möglicher Fehlerquellen aus. Sie protokollieren ihr Experiment sach- und fachgerecht entsprechend des naturwissenschaftlichen Erkenntniswegs.

Kompetenzbereich E2:
Ihre Schüler:innen sind motiviert, den naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozess sowie den Erkenntniswert naturwissenschaftlicher Arbeitsmethoden und Ergebnisse bei der gemeinsamen Auswertung ihrer Experimentergebnisse zu hinterfragen. Anhand des Videos zur Fotosyntheseforschung in Marburg können sie erläutern, dass Forschung auch von persönlichen Motiven und gesellschaftlichen Interessen geleitet ist. Sie erläutern, inwiefern sich aus Entdeckungen der Fotosyntheseforschung neue Fragen und Hypothesen ergeben können und inwiefern Modelle und Theorien immer auf dem aktuellen Wissensstand beruhen und ständig aufgrund neuer Erkenntnisse überprüft und ggf. modifiziert werden müssen.

Kompetenzbereich K3:
Ihre Schüler:innen diskutieren anhand der Experimenteplanung zur Hill-Reaktion naturwissenschatsbezogenene Sachverhalte sowie ihre Arbeitsergebnisse. Sie verwenden hierbei die in den Theorieblöcken zum Kurs erlernte Fachsprache. Dabei formulieren sie Argumente, die Belege, Begründungen und Schlussfolgerungen enthalten.

Im Laborkurs 2 - Die Blattpigmentanalyse - werden vor allem die folgenden konkreten Kompetenzen angebahnt:

Kompetenzbereich F1:
Ihre Schüler:innen erklären die Lichtreaktion der Fotosynthese anhand von Fachbegriffen und können diese anhand des Basiskonzepts "Kompartimentierung" einordnen. Sie erklären unterschiedliche fachliche Aspekte der Blattpigmente und ordnen detailliertes Fachwissen in einen größeren Zusammenhang ein.

Kompetenzbereich F2:
Ihre Schüler:innen können den naturwissenschaftlichen Sachverhalt der Chromatographie von Blattpigmenten erläutern. Sie entwickeln unter Einbezug von naturwissenschaftlichen Regeln (unterschiedliche Löslichkeit der Blattpigmente im Laufmittel) und anhand der Auswertung der DC-Platten problembezogene Erklärungen (typische Anordnung der Banden).

Kompetenzbereich E1:
Ihre Schüler:innen können die naturwissenschaftliche Untersuchung der Blattpigmentextraktion, -auftrennung und -analyse weitestgehend eigenständig durchführen und eigenständig auswerten. Sie erläutern die Ergebnisse sowohl der Dünnschichtchromatographie als auch der spektralphotometrischen Untersuchung.

Kompetenzbereich K3:
Ihre Schüler:innen diskutieren anhand der Dünnschichtchromatographieplatten sowie der Ausdrucke ihrer selbst gemessenen Absorptionsspektren ihre Arbeitsergebnisse ("naturwissenschatsbezogenene Sachverhalte"). Sie verwenden hierbei die in den Theorieblöcken zum Kurs erlernte Fachsprache. Anhand der Analyse der Chromatographieplatten und der Absorptionsspektren können sie Argumente, die Belege, Begründungen und Schlussfolgerungen enthalten formulieren.
Maximale Kursgröße

Unser Labor verfügt über maximal 22 Arbeitsplätze (sechs Dreiergruppen und eine Zweiergruppe). Zur Not können an den Arbeitsplätzen der Zweiergruppen auch drei Schüler*innen arbeiten, so dass die maximale Kursgröße bei 23 Teilnehmer*innen liegt. Wir empfehlen jedoch mit maximal 22 Teilnehmer*innen anzureisen.
Freie Termine 2024 und 2025

Terminübersicht 2025:

Wir freuen uns sehr über die überwältigende Nachfrage nach Oberstufen-Experimentalkursen im Botanischen Garten Marburg. Wir arbeiten daran, dass wir wieder mehr finanzielle und personelle Mittel haben, um noch mehr Laborkurse anbieten zu können und allen anfragenden Kolleg:innen einen Kurstermin anbieten zu können. Es tut uns außerordentlich leid, dass wir viele Anfragen nach Kursen nicht erfüllen können.

Freie Termine 2025

Aufgrund der hohen Nachfrage sind alle Termine für Fotosynthesekurse von März bis Oktober 2025 ausgebucht.
Vorwissen

Eine detaillierte Übersicht über die wünschenswerten (aber nicht zwangsläufig notwendigen) Voraussetzungen zum Besuch des Fotosynthesekurses bekommen Sie bei Kursbuchung per E-Mail bzw. spätestens 2-3 Monate vor dem Kurs zugeschickt.

Für den Laborkurs 1 sollten Sie bereits in die Fotosynthese eingestiegen sein und die Lichtreaktion behandelt haben. Für den Laborkurs 2 sind Sie im besten Fall bereits in die Fotosynthese eingestiegen und haben die Aufgabe der Blattpigmente besprochen.
Kosten

Zum ersten Mal seit Gründung des Labors 2010 müssen wir leider den Materialkostenpreis minimal erhöhen. Die Kosten für den eintägigen Laborkurs inklusive Eintritt und Labormaterial liegen bei einer Materialpauschale von 130€ pro Kurstag sowie 5€ pro Teilnehmendem Personalkostenpreis. Ein Kurs mit 15 Teilnehmer:innen zahlt dementsprechend 130€ + 75€ = 13,60 € pro Person. Ein Kurs mit 20 Teilnehmer:innen zahlt 130€ + 100€ = 11,50 € pro Teilnehmer:in. Sehr kleine LK-Kurse <10 SuS könnten z.B. noch besonders engagierte GK-SuS mitbringen.
Schulen, deren Besuch durch die Marburger lokale Bildungsplanung unterstützt werden, zahlen einen geringeren Personalkostenpreis.
Weitere Wünsche und Fragen?

Schreiben Sie Ihre Frage in eine Mail an deurer(at)staff.uni-marburg.de und Sie bekommen schnellstmöglich eine Antwort. Da ich nur selten direkt im Schüler:innenlaborbüro telefonisch erreichbar bin, rufe ich Sie gerne telefonisch zurück, wenn Sie mir Ihre Telefonnummer zukommen lassen.

Wir freuen uns, Sie bei uns im Schüler:innenlabor begrüßen zu dürfen!