Auch im Jahr 2023 erreichte das Beethoven-Gymnasium kurz vor den Sommerferien wieder die frohe Botschaft: Drei Schüler:innen können sich zu den vielen Hans-Riegel-Fachpreisträger:innen der letzten 17 Jahre zählen, dieses Mal in den Fächern Biologie und Physik. Damit erhielt das Beethoven-Gymnasium in diesem Jahr sogar die meisten Preise der von der 1987 gegründeten Hans-Riegel-Stiftung in Kooperation mit der Universität Bonn verliehenen Facharbeitsauszeichnungen für Schüler:innen der Region Bonn/Rhein-Sieg. Am Nachmittag des 16.08.2023 wurden Clara Strauß, Philipp Irsen und Leo Leutner (alle Q2) zusammen mit den anderen Preisträger:innen aus den Fächern Biologie, Geographie, Mathematik, Chemie, Physik und Informatik in der Aula der Universität Bonn geehrt:
3. Platz im Fach Biologie – Leo Leutner (Fachlehrer: Tim Goßner)
„Cucurbitacinvergiftungen durch bittere Zucchini. Analyse von Einflussfaktoren wie Klimawandel und Covid19-Pandemie auf die Häufigkeit humaner Intoxikationen 2008-2022“
Die Neugier eine zufällige Beobachtung verstehen zu wollen, zeichnet den Wissenschaftler aus. Diese Neugier wurde bei Herrn Leo Leutner geweckt, als er ein unerwartet bitter schmeckendes Zucchinigericht vorgesetzt bekam. Diesem Phänomen wollte er auf den Grund zu gehen. Erfand schnell heraus, dass das gehäufte Auftreten bestimmter Giftstoffe (Cucurbitacine) in Zucchinis und anderen Kürbisgewächsen weit verbreitet aber wenig verstanden ist.
Cucurbitacine dienen den Pflanzen eigentlich als Fraßschutz. Aus Kulturpflanzen wurden sie jedoch herausgezüchtet. Unter bestimmten Umständen treten sie aber erneut auf und führen beim Verzehr zu Vergiftungen, die sogar zum Tod führen können.
Bei einer ersten Recherche zu möglichen Hintergründen des Wiederauftretens dieser Giftstoffe konnte Herr Leutner Hinweise auf klimatische Einflussfaktoren (Hitze- und Trockenstress) finden. Außerdem stieß er auf Hinweise, dass auch im Kontext von Hobbygärtnerei häufig Rückkreuzungen auftreten und diese Pflanzen wieder Curcubitacine bilden. Präzise formulierte Herr Leutner daraufhin zwei Arbeitshypothesen: Das Auftreten curcubitacinhaltiger Kulturpflanzen könnte einerseits mit dem Klimawandel in Verbindung stehen. Andererseits könnte es durch die Covid-19-Pandemie gefördert worden sein, da während der Isolation und aufgrund der geschlossenen Restaurants vermehrt Nahrungspflanzen selbst angebaut wurden. Das häufigere Kochen zuhause und der Verzehr des eigenen Gemüses könnten der Grund für einen Anstieg an Vergiftungsfällen sein.
In seiner Arbeit leitet Herr Leutner zunächst Vorkommen und der Struktur von Cucurbitacinen sowie deren Eigenschaften und Giftwirkung ein. Im Hauptteil überprüft er seine Hypothesen. Anhand der Klimadaten des Deutschen Wetterdienstes für die letzten 15 Jahre dokumentiert er einen Trend zu wärmeren und trockeneren Sommern. Seine Recherche bei der Informationszentrale gegen Vergiftungen des Landes NRW ergibt zudem einen Anstieg der Vergiftungsfällen durch bittere Zucchini mit einem deutlichen Peak im Coronajahr 2020. Leo Leutner setzt anschließend die Klimadaten und die Daten zu den Vergiftungsfällen miteinander in Beziehung und analysiert und diskutiert diese bezogen auf seine Hypothesen. Er kommt zu dem Schluss, dass der Klimawandel und die Covid-19-Pandemie mit dem Anstieg von Vergiftungsfällen durch Cucurbitacine in ursächlicher Verbindung stehen.
Das Gutachter:innen-Team der Biologie hat Herrn Leo Leutner übereinstimmend für einen Preis ausgewählt. Uns haben die innovative Fragestellung und die konsequente Herangehensweise überzeugt. Beeindruckt haben uns dabei insbesondere die sorgfältig durchgeführten, umfangreichen Recherchearbeiten und die detailgenaue Betrachtung und Interpretation der Daten.
3. Platz im Fach Physik – Philipp Irsen (Fachlehrer: Enno Fischer)
„Die Messung der Lichtgeschwindigkeit nach der Drehspiegelmethode“
Im Jahre 1850 hat Leon Foucault ein Experiment entwickelt, um die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Die Idee war relativ simpel: Man nimmt eine Lichtquelle, projiziert diese auf einen Spiegel, das Licht wird abgelenkt, trifft auf einen zweiten Spiegel, wird zurückgeschickt und trifft wieder auf den ersten Spiegel. Danach misst man, wo das Licht auftrifft. Dreht man diesen Spiegel, führt dies zu einer Auslenkung des Lichtstrahls auf dem Rückweg. Eigentlich klingt dies ganz simpel, jedoch mit der Einschränkung durch das ‚kleine‘ Detail, dass die Lichtgeschwindigkeit 300.000 km/s beträgt. Somit benötigt man für das Experiment entweder eine relativ lange Strecke oder extrem präzise Messungen. Ersteres lässt sich auf der Erde selbstredend nicht realisieren. Folglich müssen die Messungen dieses Experiments sehr präzise sein. Foucault führte das Experiment mit einer Blendlichtlaterne als Lichtquelle durch, Philipp Irsen nahm dafür einen Laser, was deutlich komfortabler ist. Foucault verwendete einen Drehspiegel, der noch mit einem durch Dampfmotor betrieben wurde, mit einer Pfadlänge von 20 Metern. Die größte Herausforderung dieses Experimentes ist und war aber nicht die exakte Messung, sondern die Genauigkeit der Drehung des Spiegels; man muss exakt wissen, wie schnell sich dieser dreht. Foucault löste diese Herausforderung durch die Nutzung einer Sirene: Er klebt diese auf den Spiegel, dann löste dieser bei Drehung einen Pfeifton aus und aus der Tonhöhe des Pfeifens ließ sich die Drehgeschwindigkeit ableiten. Heute arbeitet man dazu mit einem Oszilloskop. Nun stellt sich vielleicht für Außenstehende die Frage, wofür Philipp Irsen dann überhaupt den Preis bekommen hat. Das Experiment bleibt trotz technischen Fortschritts, und damit vergleichsweise erleichterter Durchführung, dennoch „äußerst schwierig“ (so beschreibt Philipp Irsen es selbst in seiner Facharbeit). Denn sogar mit den moderneren Methoden ist Philipp Irsens Messwert deutlich schlechter als der von Foucault, was auf ‚kleine Details‘ zurückzuführen ist, die einem das Leben als engagierten Physikschüler erschweren. Eigentlich suggeriert der Titel der Facharbeit auch ein fälschliches und zu triviales Bild: Die Arbeit offeriert nämlich einen äußerst umfassenden Blick in die Geschichte des Lichtes sowie der Lichtgeschwindigkeitsmessung, von astronomischen bis hin zu den aktuellen Methoden. Im Gutachten zur Bewertung dieser Facharbeit steht: „Bemerkenswert ist die Selbstreflexion des eigenen Handelns im direkten Vergleich zu seinen forschenden Vorgängern. Herr Irsen bemerkt wie hervorragend deren Messungen waren unter Verwendung der – im Vergleich zu heute – doch sehr einfachen und augenscheinlich wenig präzisen Messgeräten.“ Insgesamt hat dem Gutachter:innen-Team die Arbeit sehr gut gefallen und diese wird daher mit dem dritten Platz im Fach Physik ausgezeichnet.
1. Platz im Fach Biologie – Clara Strauß (Fachlehrerin: Teresa Wirtz)
„Stickstoffdünger - Gefahr oder Nutzen für Ökosysteme?“
Stickstoff ist allgegenwärtig, alles Leben auf der Erde ist von diesem Element abhängig.
Trotzdem wird er, wenn sein natürlicher Kreislauf durch den Menschen gestört wird, zum Problem und gefährdet das fragile Gleichgewicht unserer Ökosysteme. In der Landwirtschaft ist die Düngung mit Stickstoffverbindungen Standard, so werden Ernteerträge maximiert und steigende Bedarfe gedeckt. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wird zusätzlicher Stickstoff freigesetzt, der sich in der Atmosphäre oder im Grundwasser anreichert. Die Belastung des Grundwassers mit Nitrat übersteigt in Deutschland schon an gut jeder fünften Messstelle den gesetzlich festgelegten Grenzwert. Doch was bedeutet das für Pflanzen, Tiere und Menschen?
Um den Nutzen verglichen mit den Gefahren von Stickstoffdüngung abzuwägen führt Frau Clara Strauß in ihrer Facharbeit gezielte Wachstumsversuche durch. An Kohlrabipflanzen kann sie bestätigen, dass eine bessere Versorgung mit pflanzenverfügbarem Stickstoff zu einer Steigerung des Wachstums und der Fotosynthese führt. Jedoch reagieren nicht alle Pflanzen auf eine erhöhte Stickstoffkonzentration im Boden mit gesteigertem Wachstum; bei manchen hat sie sogar einen hemmenden Effekt.
Darüber hinaus gehen von einer Düngung, vor allem wenn sie den Bedarf der Pflanzen übersteigt, zusätzliche gravierende Risiken aus: Emissionen des Treibhausgases Distickstoffmonoxid reichern sich in der Atmosphäre an, die Auswaschung von Nitrat belastet das Grundwasser und versauert den Boden. All das stellt eine Gefahr für die Ökosysteme und die Gesundheit von uns Menschen dar. Frau Strauß legt das sehr eindrücklich und an verschiedenen Beispielen dar.
Sollte man dann überhaupt noch düngen? Frau Strauß stellt sich dieser Frage und beantwortet sie dialektisch mit einem klaren „ja, aber…“. Ja, für die Sicherstellung der Ernährung der Weltbevölkerung ist eine Optimierung der Erträge unerlässlich, aber trotzdem gibt es keine Alternative zum Schutz der natürlichen Ökosysteme, von denen auch wir ein Teil sind.
Sie schlägt vor, die Landwirtschaft besser über die Folgen der Düngung aufzuklären und dadurch ein Bewusstsein für eine „gute fachliche Praxis“ zu schaffen, die auch gesetzlich noch besser verankert sein sollte. „Auf diese Weise kann der Nutzen von Stickstoff ausgeschöpft und gleichzeitig die damit einhergehende Gefahr wirksam begrenzt werden“.
Die Arbeit von Clara Strauß, ihre Auseinandersetzung mit dem komplexen und schon viel diskutierten Thema der Stickstoffdüngung, entwickelt sich zu einem kleinen Juwel. Clara Strauß setzt sich umfassend und differenziert mit der Problematik auseinander und nimmt dabei unterschiedliche Blickwinkel ein. Sie hat eine beeindruckend wissenschaftliche Herangehensweise, indem sie ihre Annahmen zielsicher mit experimentellen Daten belegt. Dadurch wird die Arbeit nie trivial, sondern bleibt immer bedeutsam. Die Arbeit von Clara Strauß hat uns sehr beeindruckt, und sie zu lesen viel Spaß gemacht. Wir waren uns einig, ihre Arbeit mit dem ersten Platz auszuzeichnen.
