Aufgaben: Die Beobachtung unter dem Mikroskop

In der Zeichnung des Lichtmikroskops sind drei Teile mit „?“ gekennzeichnet. Schreibe den Namen jedes Teils auf und erkläre seine Funktion.

Bringe die Schritte zur Herstellung eines Präparats aus Zwiebelzellen in die richtige Reihenfolge: (a) mit dem Deckglas bedecken und darauf achten, dass keine Luftblasen bleiben, (b) eine dünne Schicht Zwiebelhaut auf den Objektträger legen, (c) einen Tropfen Lugolsche Lösung zum Färben hinzugeben, (d) überschüssige Flüssigkeit mit Filterpapier entfernen.

Wozu werden viele Präparate vor der Beobachtung unter dem Mikroskop gefärbt? Nenne ein Beispiel für eine Färbung, die im Schullabor verwendet wird.

Nenne die beiden Teile des Mikroskops, die Linsen enthalten, und erkläre, wo man hindurchschaut und wohin das Präparat gelegt wird.

Erkläre, was Objektträger und Deckglas sind und wozu jedes bei der Herstellung eines Präparats dient.

Beschreibe, wie man ein Mikroskop vom Schrank zum Arbeitstisch tragen muss, damit es nicht beschädigt wird: Welche Teile fasst man an und mit wie vielen Händen?

Was muss man am Ende einer mikroskopischen Übung tun? Bringe diese Aufgaben in die richtige Reihenfolge und erkläre sie: das Licht ausschalten, die Linsen mit dem Spezialtuch reinigen, das Präparat entfernen und entsorgen, das Mikroskop wegräumen und sich die Hände waschen.

Um etwas unter dem Lichtmikroskop zu beobachten, muss man es in sehr dünne Schichten schneiden. Erkläre, warum das Präparat Licht durchlassen muss und was geschieht, wenn es zu dick ist.

Ein Mikroskop hat ein Okular von $10\times$ und Objektive von $4\times$, $10\times$ und $40\times$. Berechne die Gesamtvergrößerung, die mit jedem Objektiv erreicht wird, und erkläre, mit welchem von ihnen man die Beobachtung immer beginnen muss und warum.

Beim Betrachten eines Präparats erscheint das Bild sehr dunkel und man sieht nur einen Ausschnitt des Präparats. Nenne zu jedem Problem zwei mögliche Ursachen und sage, was du tun würdest, um sie zu beheben, ohne das Objektiv zu wechseln.

Warum muss man zuerst mit dem Objektiv der geringsten Vergrößerung scharf stellen und den Feintrieb für die stärkeren Objektive aufheben? Erkläre, was passieren kann, wenn man den Grobtrieb mit dem Objektiv von $40\times$ benutzt.

Ein Mikroskop hat ein Okular von $10\times$ und ein Objektiv von $20\times$. Berechne die Gesamtvergrößerung. Wenn du zu einem Objektiv von $40\times$ wechselst, erkläre, was mit der Größe des Bildes, mit dem Bereich des Präparats, den du sehen kannst, und mit der Lichtmenge geschieht.

Das Bild im Mikroskop steht auf dem Kopf. Wenn du das Präparat beim Hindurchschauen vorsichtig nach rechts schiebst, überlege, in welche Richtung sich das Bild im Okular zu bewegen scheint und welche praktische Folge das hat, wenn du einem Mikroorganismus folgst, der sich fortbewegt.

Du hast eine Zelle mit dem Objektiv von $10\times$ scharf gestellt und wechselst zu dem von $40\times$: Das Bild ist etwas unscharf und dunkler. Erkläre, welchen Trieb du zum Nachfokussieren benutzen musst (und welchen du nicht anfassen darfst) und welche Einstellung der Beleuchtung das Bild verbessern kann.

Beschreibe, wie du ein Nasspräparat von einem Haar oder einer Faser deines Pullovers zum Betrachten unter dem Mikroskop herstellen würdest: Welche Materialien würdest du verwenden und in welcher Reihenfolge würdest du vorgehen? Welcher Unterschied besteht zwischen diesem selbst hergestellten Präparat und einem dauerhaften Laborpräparat?

Nenne drei Sicherheitsregeln für die Arbeit mit biologischen Proben und Farbstoffen im Schullabor und erkläre den Grund für jede.

Mit dem Objektiv $10\times$ (Gesamtvergrößerung $100\times$) hat das Sichtfeld einen Durchmesser von etwa $1{,}5\ \text{mm}$. Eine Zwiebelzelle ist etwa $0{,}25\ \text{mm}$ lang. Schätze, wie viele Zellen in einer Reihe quer durch das Sichtfeld passen würden, und begründe, was mit dem Durchmesser des Sichtfeldes geschieht, wenn man zum Objektiv $40\times$ wechselt.

Ein Forschungsteam möchte in Echtzeit filmen, wie ein einzelliges Protozoon in einem Tropfen Stillwasser schwimmt und Bakterien fängt, und gleichzeitig den inneren Aufbau der Viren, die diese Bakterien befallen, in allen Einzelheiten fotografieren. Ein Schüler schlägt vor, dafür nur ein Transmissionselektronenmikroskop zu verwenden. Beurteile seinen Vorschlag mit Begründung: Erkläre, warum man das lebende Protozoon mit diesem Gerät nicht beobachten kann, und bestimme, welches Mikroskop in welchem Fall eingesetzt werden muss und warum.

Beim Mikroskopieren von Mundschleimhautzellen, die mit Methylenblau angefärbt wurden, erkennt eine Gruppe nur formlose blaue Flecken. Nenne mindestens drei Fehler, die beim Herstellen des Präparats gemacht worden sein können, und erkläre, wie du den Versuch wiederholen würdest, damit er gelingt.

Ein Mitschüler betrachtet ein Präparat unter dem Mikroskop mit $400\times$. Das Sichtfeld hat bei diesem Objektiv einen Durchmesser von $0{,}4\ \text{mm}$, und die Zelle, die er betrachtet, nimmt etwa die Hälfte dieses Durchmessers ein. Dein Mitschüler behauptet: „Da das Mikroskop $400$-fach vergrößert und die Zelle $0{,}2\ \text{mm}$ groß erscheint, muss ihre wirkliche Größe $0{,}2 \times 400 = 80\ \text{mm}$ betragen, sie ist fast acht Zentimeter lang!“\na) Finde den Denkfehler in seiner Überlegung und erkläre den Unterschied zwischen der wirklichen Größe und der vergrößerten, scheinbaren Größe.\nb) Berechne die richtige wirkliche Größe der Zelle in Millimetern und in Mikrometern ($1\ \text{mm} = 1\,000\ \mu\text{m}$).\nc) Wenn du gleiche Zellen hintereinander in einer Reihe anordnen würdest, wie viele würden auf einen Zentimeter eines Lineals passen?

Du möchtest überprüfen, ob die Zellen in der Wachstumszone einer Zwiebelwurzel kleiner sind als die der Zwiebel. Plane den Versuch: Welche zwei Präparate fertigst du an, wie schätzt du die Zellgröße mithilfe des Sichtfeldes ab, welche Datentabelle verwendest du und wie viele Zellen misst du, damit der Vergleich zuverlässig ist?

Betrachtet man den aus einer Zeitung ausgeschnittenen Buchstaben „e“ unter dem Mikroskop, erscheint er um 180° gedreht (auf dem Kopf und seitenverkehrt). Sage voraus, wie der Buchstabe „p“ aussehen wird, bevor du ihn betrachtest, erkläre, warum diese Umkehrung auftritt, und beschreibe, wie du deine Vorhersage überprüfen würdest.

Analysiere die folgenden Daten zum Auflösungsvermögen (dem kleinsten Abstand, bei dem zwei Punkte noch getrennt wahrgenommen werden) von drei Instrumenten:\n• Menschliches Auge: $0{,}1\ \text{mm}$ ($100\ \mu\text{m}$).\n• Zusammengesetztes Lichtmikroskop: $0{,}2\ \mu\text{m}$.\n• Elektronenmikroskop: $0{,}0002\ \mu\text{m}$.\n\nDir stehen vier biologische Proben zur Verfügung:\n1. Eine pflanzliche Zwiebelzelle ($100\ \mu\text{m}$).\n2. Ein Bakterium ($2\ \mu\text{m}$).\n3. Ein Grippevirus ($0{,}1\ \mu\text{m}$).\n4. Die Zellmembran einer Zelle ($0{,}008\ \mu\text{m}$).\n\na) Leite ab, welches Instrument du mindestens brauchst, um jede der vier Proben zu erkennen.\nb) Begründe anhand dieser Daten, warum man im 17. und 18. Jahrhundert schon Zellen und Bakterien beobachten konnte, die Existenz und der Aufbau der Viren aber erst nach der Erfindung des Elektronenmikroskops im 20. Jahrhundert nachgewiesen werden konnten.

In einem Online-Shop wird ein „Schul-Lichtmikroskop mit bis zu $50\,000\times$ Vergrößerung, mit dem man Viren und Moleküle beobachten kann, für nur 30 €“ angeboten.\na) Nutze die Analogie des Vergrößerns eines niedrig aufgelösten Digitalfotos (dabei erhält man nur größere Pixel, aber keine neuen Details), um zu widerlegen, dass diese Werbung ehrlich ist, und sage voraus, was du tatsächlich sehen würdest, wenn du mit sichtbarem Licht eine so hohe Vergrößerung erzwingst.\nb) Erkläre, welche grundlegende physikalische Änderung das Elektronenmikroskop gegenüber dem Lichtmikroskop bringt, um diese Grenze zu überwinden und Strukturen von wenigen Nanometern scharf abzubilden.

Herausforderung zum Thema. Stell dir vor, du arbeitest mit dem Naturkundemuseum deines Bundeslandes zusammen und gestaltest ein Infoblatt über das mikroskopische Leben im Haushalt.

1. Suche nach echten Proben: Rufe eine Datenbank mit frei verfügbaren Bildern auf (z. B. von Bildungsservern oder Forschungseinrichtungen). Lade zwei echte mikroskopische Aufnahmen herunter: ein Bakterium (Lactobacillus aus Joghurt) und eine Pflanzenzelle (Zwiebelepidermis). Notiere die Vergrößerung und den angegebenen Maßstabsbalken.

2. Messung und Auswertung: Miss mit deinem Lineal die Zelle auf dem Foto und berechne mithilfe des Maßstabs ihre wirkliche Größe in Mikrometern ($1\text{ }\mu\text{m} = 0,001\text{ mm}$). Erstelle eine Vergleichstabelle mit: berechneten wirklichen Maßen (z. B. $1,8\text{ }\mu\text{m}$ im Vergleich zu $120,5\text{ }\mu\text{m}$), Zelltyp (Prokaryot oder Eukaryot) sowie Vorhandensein oder Fehlen von sichtbarem Zellkern, Zellwand und Zytoplasma.

3. Abschlussbericht: Verfasse einen begründeten Vorschlag (höchstens $1$ Seite), in dem du erklärst, warum die Zelle bei beiden Organismen die Grundeinheit des Lebens ist, warum sie sich unter dem Mikroskop unterscheiden und welche Vorteile dieses Instrument für ihre Untersuchung bietet.

Bewertet wird:

• Genaue Bestimmung und Einordnung der Zellstrukturen von Prokaryoten und Eukaryoten.

• Richtige Berechnung der wirklichen Zellgröße anhand des Mikroskopmaßstabs.

• Begriffliche Klarheit bei der Begründung, dass die Zelle die funktionelle und strukturelle Einheit der Lebewesen ist.