Mikroskopieren

Mikroskopieren Hinweis: Sämtliche hier vorgestellten Arbeitsaufträge finden Sie im >Arbeitsheft

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Das Mikroskop ermöglicht zusammen mit der Lupe Einblicke in die Mikrowelt. Die Schülerinnen und Schüler erleben die Systeme der Natur aus einer anderen Perspektive. Beim Arbeiten mit einem Mikroskop lassen sich verschiedene fachspezifische Arbeitsweisen wie das Betrachten, das Beobachten und das Untersuchen erlernen. Das Anfertigen von Präparaten, das Färben von Objekten und das Anlegen von Kulturen stellen spezielle biologische Arbeitsweisen in Bezug auf das Mikroskop dar. Der sorgsame Umgang mit dem Mikroskop in Gruppenarbeit betont soziale Kompetenzen.

1. Unterrichtseinheit: Einführung in das Mikroskopieren

Ausgangspunkt ist ein mikroskopisches Präparat mit einem Bienenflügel. Die Schülerinnen und Schüler sollen das Präparat zunächst gegen das Licht mit Hilfe einer Lupe betrachten. Es zeigt sich dabei, dass die Dornen des Flügels weder mit bloßem Auge noch mit der Lupe zu sehen sind. Bevor die Schüler das Objekt im Mikroskop betrachten, erfolgt eine grundlegende Einführung in das Arbeiten mit einem Mikroskop. Zunächst werden die wichtigsten Grundregeln besprochen und erläutert:

Trage das Mikroskop immer am Tragbügel, nie an den beweglichen Teilen!
Arbeite genau nach den Anweisungen!
Die Linsen (Okular und Objektive) dürfen niemals angefasst werden!
Arbeite sorgsam mit viel Feingefühl und wende bei der Mechanik niemals Gewalt an!
Sollen Teile (auf Anweisung) abmontiert werden, müssen sie sicher auf den Tisch gelegt werden, so dass sie keinesfalls vom Tisch rollen oder fallen!
Zu Beginn wird immer das kleinste Objektiv eingestellt (in der Regel das 4er-Objektiv). Die Blende ist anfangs ganz geöffnet.
Beim Drehen der Objektiv-Drehscheibe zum nächst größeren Objektiv ist darauf zu achten, dass das Objektiv nicht den Objekttisch oder das Objekt berührt, da das Glas sonst zerkratzen kann.

Die Einführung in das Arbeiten mit dem Lichtmikroskop erfolgt, in dem die Lehrperson die durchzuführenden Handlungen vorführt und die Schüler es nachmachen.

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Tubus und Okular

Das Okular wird aus dem Tubus gezogen und betrachtet. Die Schüler erkennen ein Linsensystem, das aus mindestens zwei Linsen besteht. Dreht man das Okular um, lässt es sich als Lupe verwenden, beispielsweise zum Betrachten der eigenen Fingerabdrücke. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Gläser der Linsen keinesfalls berührt werden dürfen. Nachdem das Okular so auf den Tisch gestellt wurde, dass es nicht wegrollen kann, nimmt man durch Lösen der kleinen Fixierschraube den Tubus ab. Mit Hilfe des Tubuses können die Schülerinnen und Schüler ihren Nachbarn um die Ecke betrachten. Ein Prisma im Tubus lenkt die Lichtstrahlen um. Bei dem Mikroskop kann man nun durch das Objektiv auf den Objekttisch schauen. Danach wird das Mikroskop wieder sorgfältig zusammengebaut.

Drehscheibe und Objektive

Die Drehscheibe ermöglicht den Einsatz von verschiedenen Objektiven. Daraus resultieren verschiedene Vergrößerungen. Die Gesamtvergrößerung des Mikroskops ergibt sich, in dem die Vergrößerung des Okulars mit der Vergrößerung des Objektivs multipliziert wird. So erreicht man mit einem 10er-Okular bei einem durchschnittlichen Schülermikroskop (bis 40er-Objektiv) maximal eine 400fache Vergrößerung:

Weitfeld-Okular	Objektiv	Gesamtvergrößerung
10x	4x	40x
10x	10x	100x
10x	40x	400x
10x	100x Ölimmersion *)	1000x

*) Bei einem 100er-Objektiv wird ein Tropfen Immersionsöl auf das Deckglas getropft, bevor man das Objektiv einschwenkt. Zum Wegwischen des Öls wird nach der Arbeit ein weiches Tuch verwendet. Aufgrund des geringen Abstandes zum Objekt und der Empfindlichkeit der Linsen, besteht hier bei unsachgemäßer Bedienung die Gefahr des Zerkratzens der Linse. Daher eignet sich dieses Objektiv nur für Schüler der Sekundarstufe II.

Die Schüler berechnen auf ihrem Arbeitsblatt die möglichen Vergrößerungen ihres Mikroskops und ergänzen die fehlenden Begriffe.

Objekttisch, Grob- und Feintrieb, Gesichtsfeld

Zur Vereinfachung empfiehlt sich zunächst der Einsatz von Mikroskopen ohne Kreuztische und ohne Objektträgerklemmen. Auf den Objekttisch wird ein transparentes Lineal oder ein Geodreieck gelegt, so dass man durch das Okular die Millimeterskala des Lineals betrachten kann. Im Handel sind auch Objektträger mit einer 0,1mm-Skala erhältlich. Die Scharfeinstellung auf die Skala erfolgt mit Hilfe des Grob- und Feintriebs. Die Aufgabe lautet nun: Wieviele Millimeter breit ist das Gesichtsfeld bei 40facher Vergrößerung? Bei einem guten Weitfeld-Okular dürfte das Gesichtsfeld etwa 4,5mm betragen. Nun wählt man die nächste Vergrößerung und bestimmt erneut das Gesichtsfeld. Der Versuch mit dem Lineal wird aufgrund des zu geringen Abstandes nicht mehr mit dem 40er-Objektiv durchgeführt.

Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass das Gesichtsfeld mit zunehmender Vergrößerung abnimmt. Es zeigt sich dabei, dass man am besten immer mit der kleinsten Vergrößerung beginnt, da man dann den größten Überblick hat.

Lampe und Blende

An diesem Punkt brennen die Schülerinnen und Schüler sicherlich schon darauf, den Bienenflügel im Mikroskop zu betrachten. Zunächst stellen sie das Mikroskop wieder in den "Ausgangszustand" (kleinstes Objektiv, Blende ganz geöffnet) und schalten dann die Lampe ein. Der Objektträger mit dem Präparat wird dann auf den Objekttisch gelegt. Mit Hilfe von Grob- und Feintrieb stellen sie ein scharfes Bild ein. Durch das Zuziehen der Blende wird das Bild etwas abgedunkelt und man erhält einen besseren Kontrast. Die Schüler sollen zunächst das bestmögliche Bild, mit dem bestmöglichen Kontrast einstellen. Durch Verschieben des Objektträgers suchen sie ein Stelle, zum Beispiel am Flügelrand, an der die Dornen des Flügels besonders gut zu sehen sind. Erst dann erfolgt die Wahl der nächsten Vergrößerung. Hierbei muss die Blende wieder etwas geöffnet werden.

Dornen auf einem Bienenflügel

Festhalten des Bildes und Anfertigen einer Zeichnung

Zum mikroskopischen Arbeiten gehört immer das Anfertigen einer Zeichnung. Diese wird mit einem spitzen Bleistift angefertigt und sollte groß und arbeitsblattfüllend sein. Genaues Betrachten ist die Grundlage für eine exakte Zeichnung. Daher erhalten die Schüler genügend Zeit für ihre Zeichnung, die sie im Arbeitsheft anfertigen. Sie äußern auch Vermutungen, welche Funktion die Dornen auf den Flügeln besitzen (>äußerer Bau der Honigbiene). Nach Beendigung der Aufgaben im Arbeitsheft, räumen sie auf und stellen das Mikroskop wieder in den Ausgangszustand.

Download einer Kopiervorlage für mikroskopische Zeichnungen

2. Unterrichtseinheit: Schnitte anfertigen und Färben am Beispiel pflanzlicher und tierischer Zellen

Epithelzellen der Mundschleimhaut und Bakterien der Mundhöhle

Da beim Lichtmikroskop das Objekt mit von unten kommendem Licht durchschienen wird, benötigt man möglichst dünne Schnitte. Als Werkzeug eignen sich Rasierklingen oder Skalpelle. Letztere eignen sich für Schüler, da hier die Verletzungsgefahr nicht so groß ist. Pro Arbeitsgruppe empfiehlt sich die Anschaffung eines mikroskopischen Bestecks mit folgendem Inhalt: Skalpell, Pinzette, Pipette, Pinsel, spitze Schere, Päpariernadel- oder Lanzettennadel. Am besten nimmt man ein Kästchen, in dem das weitere Zubehör vorhanden ist, z.B. Objektträger, Deckgläschen, Papiertaschentücher, destilliertes Wasser, Methylenblaulösung, etc.. Selbstverständlich müssen auch diese Geräte sorgfältig behandelt und verantwortungsbewusst eingesetzt werden. Färbungen führen zu einer wesentlichen Verbesserung des Kontrasts. Außerdem lassen sich bestimmte Teile, z.B. die Zellkerne von Zellen sichtbar machen. Das Frischpräparat ist - wenn möglich - auf jeden Fall dem Dauerpräparat vorzuziehen, da letztere zu Entfärbungen und Schrumpfungen neigen. Präparate mit menschlichem Blut wie das Herstellen von Blutausstrichen sind im Unterricht nicht mehr erlaubt.

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Ein einfaches und schönes Frischpräparat lässt sich aus der Mundschleimhaut herstellen. Mit einem Teelöffel schabt man im Mund an der inneren Wange etwas Schleimhaut ab und gibt einen winzigen Tropfen davon auf einen Objektträger. Zur Färbung wird mit Hilfe einer Pipette oder einer Tropfflasche ein Tropfen Methylenblaulösung hinzugegeben. Das Auflegen des Deckglases erfolgt durch Auflegen des Gläschens auf die Kante und durch nachfolgendes Fallenlassen. Es darf nicht zuviel Flüssigkeit genommen werden, da sonst die Flüssigkeit über den Deckglasrand fließt. Ein Zuviel an Flüssigkeit lässt sich mit einem Papiertaschentuch absaugen.

Menschliche Zellen der Mundschleimhaut (mit Methylenblau gefärbt)

Das Methylenblau färbt die Zellkerne der Zellen blau, das Zellplasma wird hellblau gefärbt. Das Zellplasma wird von der elastischen Zellhaut (Zellmembran) zusammengehalten. Die Zellen sind etwa 0,1mm groß. Mit etwas Glück hängen sie noch zusammen. In der Mundschleimhaut bilden die Epithelzellen ein geschlossenes Gewebe. Die kleinen Kügelchen und Stäbchen stellen Bakterien dar, die ebenfalls in der Mundhöhle leben.

Pflanzliche Zellen in einem Zwiebelhäutchen

Eine frische Zwiebel wird enthäutet und eine Zwiebelschuppe abgelöst. In die Innenseite ritzt man mit dem Skalpell kleine Quadrate von ca. 0,5cm Kantenlänge und zieht mit einer Pinzette vorsichtig ein dünnes Häutchen ab. Nachdem es auf einem Objektträger ausgebreitet wurde, tropft man einen Tropfen Methylenblaulösung hinzu. Nach dem Auflegen des Deckgläschens erhält man ein Präparat, das unter dem Mikroskop deutlich den Aufbau einer pflanzlichen Zelle zeigt. Sichtbar ist der Zellkern, umgeben vom Zellsaftraum (Vakuole), der Wasser und Nährstoffe enthält. In der Mitte der Zellwände erkennt man eine Mittellamelle. Aus ihr sind die eigentlichen Zellwände entstanden. Bei genauer Beobachtung lässt sich an der Zellwand ein Saum erkennen, das Zellplasma. Im Zellkern findet man bei starker Vergrößerung die Kernkörperchen.

Zwiebelzellen (mit Methylenblau gefärbt)

Chloroplasten und Plasmaströmung bei der Wasserpest

Die Wasserpest (Elodea canadensis) ist in jeder Aquarienabteilung eines Zoofachgeschäfts erhältlich. Ein Blättchen wird von einer Wasserpest mit einer Pinzette abgezupft und auf einen Objektträger gelegt. Nach dem Auftropfen eines Tropfen Wassers legt man das Deckglas auf. Wir erkennen zunächst ein Blatt mit einer doppelten Lage von Zellen. In der Nähe der Mittelrippe lassen sich die langgestreckten Zellen einer Schicht am besten beobachten. Man erkennt bei 400facher Vergrößerung deutlich die grün gefärbten Chloroplasten, die der Zellwand entlangwandern. Die Bewegung kommt durch eine Strömung im Zellplasma zustande, die durch sich zusammenziehende Faser-Eiweiße im Plasma verursacht wird. Chloroplasten enthalten Chlorophyll (Blattgrün). Dieser Farbstoff ermöglicht bei der Wasserpflanze die Photosynthese.

Zellen und Chloroplasten der Wasserpest bei 400facher Vergrößerung

Vergleich von tierischen und pflanzlichen Zellen

Pflanzliche und tierische Zellen unterscheiden sich in einigen Punkten. So fehlen der tierischen Zelle die Chloroplasten, die Vakuolen (Zellsaftraum) und die Zellwände. Anhand der mikroskopierten Beispiele lassen sich die Unterschiede herausarbeiten:

Bestandteil	pflanzliche Zelle	tierische Zelle	Funktion
Zellwand	ja	nein	Stabilität
Zellhaut	ja	ja	Stoffaustausch
Zellplasma	ja	ja	Transport und Verwertung von Nährstoffen
Zellsaftraum (Vakuole)	ja	nein	Wasser- und Nährstoffvorrat
Zellkern	ja	ja	Steuerung ("Kommandozentrale") und Erbinformationen
Chloroplasten	ja	nein	Photosynthese

In diesem Zusammenhang kann auch ein Dauerpräparat von menschlichem Blut (Färbung nach Pappenheim) mikroskopiert werden (>Blutbild des Menschen). Die weißen Blutkörperchen besitzen einen Zellkern, während die roten Blutkörperchen aus kernlosen Zellen bestehen.

Spezialisierte Zellen: Spaltöffnungen an der Unterseite eines Blattes der Tradescantia

Die Tradescantia ist eine in jeder Gärtnerei erhältliche, immergrüne Topfpflanze. Am geeignetsten ist die Tradescantia albiflora, die Blätter mit grüner Unterseite besitzt. Eine alternative Pflanze für den Biologie-Fachraum stellt das Fleißige Lieschen dar, das ebenfalls relativ große Spaltöffnungen hat.

Spaltöffnungsapparat der Tradescantia bei 400facher Vergrößerung

Nach dem Einritzen mit einem Skalpell lässt sich von der Unterseite ein dünnes Häutchen mit einer Pinzette abziehen. Dieses wird in einem Tropfen destilliertem Wasser präpariert. Bei 400facher Vergrößerung sieht man deutlich die Spaltöffnungen der Blätter. Man erkennt zwei längliche Schließzellen, die einen offenen Spalt begrenzen. Vier Nebenzellen umgrenzen die beiden Schließzellen. Das gesamte System aus Spalt, Schließzellen und Nebenzellen nennt man Spaltöffnungsapparat. Durch dieses System erfolgt der Gasaustausch von Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff mit der Atmosphäre.

Brennhaare der Brennnessel

Die Brennnessel ist eine seit dem Mittelalter vielfach verwendete Heilpflanze. Auf den Blättern und an den Stielen befinden sich die kanülenförmigen Brennhaare, die sich gut unter dem Mikroskop betrachten lassen. Zum Mikroskopieren schneidet man ein 2cm langes Stück eines Blattstieles ab und legt dieses auf einen Objektträger. Es wird ohne Deckglas und Wasser mikroskopiert. Es empfiehlt sich, ausgewachsene Pflanzen zu verwenden.

Brennhaar der Brennnessel mit Köpfchen am Ende

Das einzellige Brennhaar sitzt in einem mehrzelligen Gewebebecher. Am Ende des Brennhaares befindet sich ein Köpfchen, das bei Berührung abbricht. Das Brennhaar wirkt wie eine Injektionsspritze und das Nesselgift - bestehend aus Histamin, Serotonin und Acetylcholin - kann zum Einsatz kommen. In der Zellwand des Brennhaares ist Kieselsäure eingelagert, die dem Haar eine starre Haltung ermöglicht.

Einzeller im Plankton des Wassers: Grünes Augentierchen (Euglena viridis)

Früher wurde das Grüne Augentierchen den Pflanzen zugeordnet, heute zählt man es zu den Geißeltierchen (Flagellaten). Zuchten von Euglena (und Pantoffeltierchen, sowie Hydra) erhält man im Laborbedarf:

In Deutschland: Hedinger oder Klüver und Schulz
In der Schweiz: Bachmann Lehrmittel AG

Zur Weiterzucht benötigen die Augentierchen Nährstoffe. Am besten eignet sich hierzu etwas (ungedüngte) Gartenerde und ein kleines Stück Schweizer Käse. Umhüllt man das Zuchtglas mit Alufolie und lässt einen kleinen Lichtschlitz, dann kann man nach ein paar Stunden beobachten, dass sich die Augentierchen am Licht sammeln.

Auf dem Foto sind die langen Geißeln, der Augenfleck und die Chloroplasten erkennbar

Zum Mikroskopieren entnimmt man einen Tropfen aus der Kultur und gibt ihn auf einen Objektträger. Nach dem Auflegen des Deckglases erkennt man unter dem Mikroskop hunderte der kleinen Einzeller. Die Lebewesen sind sehr flink, oft findet man aber auch einige Exemplare, die stillhalten oder sich am Deckglas festsetzen. Bei 400facher Vergrößerung lassen sich Einzelheiten erkennen, z.B. der rote Augenfleck, die lange Geißel am Vorderende, pulsierende Vakuolen oder die grünen Chloroplasten.

Pantoffeltierchen (Paramecium caudatum)

Das Pantoffeltierchen gehört zu den Wimpertierchen und kommt in fast allen Gewässern vor. Zur Weiterzucht der Pantoffeltierchen empfehlen sich ca. 2 Stück getrocknete Kohlrabischnitzel (1x1cm) und 2 Tropfen Kondensmilch pro Liter Wasser. Bei der Entnahme von Pantoffeltierchen aus der Zucht mit einer Pipette verwendet man nur den letzten Tropfen, da sich die Einzeller an der Wasseroberfläche sammeln. Zur Einschränkung der Bewegung gibt es viele Möglichkeiten: Man kann sie unter dem Deckglas zwischen zwei Haaren fixieren oder man nimmt nur sehr wenig Wasser. Die Pantoffeltierchen bieten eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Beobachtung, z.B.:

Beobachtung des Baus: Wimpern, Mundfeld, Zellafter, pulsierende Vakuolen, Zellkern (an lebenden Tierchen nur nach einer Färbung mit Karmin-Essigsäure zu sehen)
Fütterung mit gefärbter Hefe (Kongorot) und Weg der Nahrung im Körper

Auf dem Bild sind die Wimpern, das Mundfeld und Nahrungsteilchen im Pantoffeltierchen zu erkennen

Weitere interessante Lebewesen

Hat man eine Möglichkeit zur Beschaffung der Kugelalge Volvox, sollte man dies den Schüler nicht vorenthalten. Volvox globator gehört wie die Euglena zu den Geißeltierchen. Bis zu 20000 Zellen bilden eine Kolonie in großen Gallertkugeln. Die Einzelzellen sind durch Plasmastränge miteinander verbunden. Ob es sich dabei um eine Kolonie von vielen Einzellern oder um einen einzigen Vielzeller handelt, lässt sich nicht entscheiden. Volvox stellt ein Zwischenglied zwischen den Einzellern und den Vielzellern dar. Sehr schön lässt sich auch die Fortpflanzung der Volvox durch die Bildung von Tochterkugeln beobachten.

Volvox globator mit Tochterkugel

Eines der interessanten Lebewesen zum Mikroskopieren für Schüler stellt ohne Zweifel der Süßwasserpolyp Hydra dar. Zur Zucht schüttet man die käufliche Hydrakultur in ein großes Gefäß mit Wasser und gibt kleine Salinenkrebschen (Artemia-Nauplien) hinzu, die im Aquariengeschäft erhältlich sind. Da die Polypen bis zu zwei Zentimeter groß werden können, benötigt man Objektträger mit Vertiefung. Nach der Zugabe von Wasser und dem Auflegen von einem Deckglas beobachtet man die Vielzeller bei kleiner Vergrößerung. Man erkennt einen zweischichten Körperaufbau und die Fangarme mit den Nesselkapseln.

Fangarme des Hydra

Das Fressen der Hydra kann durch die Zugabe von Salinenkrebschen beobachtet werden. Berührt ein Beutetier diese Kapseln, explodieren sie und ein Nesselgift tritt heraus. Dieser Vorgang geht jedoch so schnell, dass er kaum zu beobachten ist. Quetscht man aber ein kleines Exemplar einer Hydra auf einem normalen Objektträger zwischen ein Deckglas, lassen sich die abgesprengten Nesselkapseln und die Fangarme gut beobachten.

Auf dem Bild sind die Nesselkapseln zu erkennen (Pfeile)

Betreuen von Plankton-Aquarien

Zur Herstellung eines Plankton-Aquariums kauft man im Zoofachgeschäft Wasserpest und ein kleines Aquarium aus Kunststoff. Es eignen sich aber auch andere große Glasgefäße. Nach dem Befüllen mit Wasser gibt man die Wasserpest hinzu und stellt das Aquarium an das Fenster an einen nicht zu sonnigen Platz. Zum Beimpfen eignet sich ein wenig Teichwasser, als Nahrung kann man noch 1-2 getrocknete Kohlrabischnitzel hinzugeben. Zur Herstellung der Schnitzel schneidet man einen frischen Kohlrabi in kleine, 1x1cm große Würfel und trocknet diese auf der Heizung.

Nach einigen Wochen oder Monaten stellt sich im Aquarium ein ökologisches Gleichgewicht ein. Es treten verschiedene Perioden auf. Manchmal wimmelt es im Aquarium von Rädertierchen, später findet man mit einigem Glück auch Wasserflöhe und Wasserschnecken.

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