Einleitung Kompetenzen und Anforderungsbereiche · Die Zuordnung zu Anforderungsbereichen ... „beschreibe”, „erläutere” und „erkläre”. Gerade im Biologieunterricht bieten

6 Einleitung

EinleitungKompetenzen und Anforderungsbereiche

Sowohl die Bildungsstandards für den mittleren Schulabschluss wie auch die Einheitlichen Prü-fungsanforderungen in der Abiturprüfung sehen neben dem Fachwissen weitere Kompetenzbe-reiche vor, die das Fach Biologie vermitteln soll.

Kompetenzbereiche

„Unter Kompetenzen versteht man die verfüg-baren oder erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, bestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen Bereitschaften und Fähigkeiten, Problemlösungen verantwortungsvoll zu nutzen. Kompetenz ist nach diesem Verständnis eine Disposition, die Personen befähigt, konkrete Anforderungssituationen zu bewältigen. In der Abiturprüfung werden biologische sowie natur-wissenschaftliche und allgemeine Kompetenzen verlangt. Sie werden den Kompetenzbereichen Fachkenntnisse, Methoden, Kommunikation und Reflexion zugeordnet und sind als solche wesent-licher Bestandteil der Prüfung“ (EPA-Biologie, S. 5).

Den prozessbezogenen Kompetenzbereichen Er-kenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewer-tung aus der Sekundarstufe I entsprechen in den Kernlehrplänen für die Oberstufe die Kompetenz-bereiche Umgang mit Fachwissen, Erkenntnisge-winnung, Kommunikation und Bewertung. Obwohl die Basiskonzepte primär dem Bereich Fachwissen zugeordnet werden (Inhaltsdimension), bezieht sich die Arbeit mit ihnen natürlich auch auf die prozessbezogenen Kompetenzen.

Anforderungsbereiche

Die drei Anforderungsbereiche beziehen sich auf die Einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung (EPA) und den Kernlehrplan. Sie unterscheiden vor allem nach dem Grad der

Selbstständigkeit und dem der Komplexität der gedanklichen Verarbeitungsprozesse. Insofern beschreiben sie die Abstufung der Anforderung durch die Aufgabe.

– Anforderungsbereich I umfasst dabei das Wie-dergeben von Sachverhalten und Kenntnissen im gelernten Zusammenhang, die Verständnis-sicherung sowie das Anwenden und Beschrei-ben geübter Arbeitstechniken und Verfahren.

– Anforderungsbereich II umfasst das selbst-ständige Auswählen, Anordnen, Verarbeiten, Erklären und Darstellen bekannter Sachverhalte unter vorgegebenen Gesichtspunkten in einem durch Übung bekannten Zusammenhang und das selbstständige Übertragen und Anwenden des Gelernten auf vergleichbare neue Zusam-menhänge und Sachverhalte.

– Anforderungsbereich III umfasst das Verarbei-ten komplexer Sachverhalte mit dem Ziel, zu selbstständigen Lösungen, Gestaltungen oder Deutungen, Folgerungen, Verallgemeinerungen, Begründungen und Wertungen zu gelangen. Dabei wählen die Schülerinnen und Schüler selbstständig geeignete Arbeitstechniken und Verfahren zur Bewältigung der Aufgabe, wen-den sie auf eine neue Problemstellung an und reflektieren das eigene Vorgehen.

(aus dem Kernlehrplan für die Sekundarstufe II Gymnasien und Gesamtschule in NRW Biologie, S. 52 f.).

Fächerübergreifende Inhalte

Die zunehmende „Output-Orientierung“ der Lehrpläne erfordert nicht nur eine horizontale oder vertikale Vernetzung der Themen innerhalb des Faches Biologie mit dem entsprechenden Kompetenzerwerb, sondern auch den „Blick über den Tellerrand“. Unsere Schüler von heute sollen später immer dort, wo biologisches Verständnis und problemlösendes Denken gefordert ist, enga-giert, verantwortungsbewusst und sachbezogen entscheiden können. Zur Vorbereitung könnten fächerübergreifende Aspekte dienen. Mögliche Ansatzpunkte dazu sind ethische Probleme, der Umgang mit der Umwelt, die Folgen gentech-nischer Experimente oder neuer biotechnolo-gischer Verfahren, wie z. B.:– Dürfen Menschen Menschen klonen? Dazu

bietet sich ein Projekt „Gen-Ethik“ zusammen mit einem Ethikkurs an.

– „Wir sind dabei, die Erde in eine riesige mensch-liche Futterkrippe zu verwandeln“ (Spektrum d. Wiss., Heft 8/2002, S. 42). Projekt zusammen mit Gemeinschaftskunde- oder Deutschkurs.

Fachwissen— Lebewesen— biologische Phänomene— Fachbegriffe— PrinzipienDazu Fakten kennen und den Basiskon-zepten zuordnen

Erkenntnisgewinnung— Beobachten— Vergleichen— Experimentieren — Modelle nutzenDie Arbeitstechniken anwenden können

KommunikationInformationen sach- und fachbezogen erschließen und aus-tauschen können

BewertungBiologische Sach-verhalte in verschie-denen Kontexten er-kennen und bewerten können

Basiskonzepte— System— Struktur und Funktion— Entwicklung

1 KompetenzbereicheundBasiskonzepte

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7© Als Kopiervorlage für den eigenen Unterrichtsgebrauch freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2014

Kompetenzerwartungen

Umgang mit Fachwissen Schülerinnen und Schüler können …

UF1 Wiedergabe ausgewählte biologische Phänomene und Konzepte beschreiben.

UF2 Auswahl biologische Konzepte zur Lösung von Problemen in eingegrenzten Bereichen auswäh-len und dabei Wesentliches von Unwesentlichem unterscheiden.

UF3 Systematisierung die Einordnung biologischer Sachverhalte und Erkenntnisse in gegebene fachliche Strukturen begründen.

UF4 Vernetzung bestehendes Wissen aufgrund neuer biologischer Erfahrungen und Erkenntnisse modifizieren und reorganisieren.

Erkenntnisgewinnung

E1 Probleme und Fragestellungen in vorgegebenen Situationen biologische Probleme beschreiben, in Teilprobleme zerle-gen und dazu biologische Fragestellungen formulieren.

E2 Wahrnehmung und Messung kriteriengeleitet beobachten und messen sowie gewonnene Ergebnisse objektiv und frei von eigenen Deutungen beschreiben.

E3 Hypothesen zur Klärung biologischer Fragestellungen Hypothesen formulieren und Möglichkeiten zu ihrer Überprüfung angeben.

E4 Untersuchungen und Experi-mente

Experimente und Untersuchungen zielgerichtet nach dem Prinzip der Variablenkon-trolle unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften planen und durchführen und dabei mögliche Fehlerquellen reflektieren.

E5 Auswertung Daten bezüglich einer Fragestellung interpretieren, daraus qualitative und einfache quantitative Zusammenhänge ableiten und diese fachlich angemessen beschreiben.

E6 Modelle Modelle zur Beschreibung, Erklärung und Vorhersage biologischer Vorgänge begrün-det auswählen und deren Grenzen und Gültigkeitsbereiche angeben.

E7 Arbeits- und Denkweisen an ausgewählten Beispielen die Bedeutung, aber auch die Vorläufigkeit biologischer Modelle und Theorien beschreiben.

Kommunikation

K1 Dokumentation Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten strukturiert dokumentie-ren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge.

K2 Recherche in vorgegebenen Zusammenhängen kriteriengeleitet biologisch technische Fragestel-lungen mithilfe von Fachbüchern und anderen Quellen bearbeiten.

K3 Präsentation biologische Sachverhalte, Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten darstellen.

K4 Argumentation biologische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumenten begründen bzw. kritisieren.

Bewertung

B1 Kriterien bei der Bewertung von Sachverhalten in naturwissenschaftlichen Zusammenhängen fachliche, gesellschaftliche und moralische Bewertungskriterien angeben.

B2 Entscheidungen in Situationen mit mehreren Handlungsoptionen Entscheidungsmöglichkeiten kriteriengeleitet abwägen, gewichten und einen begründeten Standpunkt beziehen.

B3 Werte und Normen in bekannten Zusammenhängen ethische Konflikte bei Auseinandersetzungen mit biologischen Fragestellungen sowie mögliche Lösungen darstellen.

B4 Möglichkeiten und Grenzen Möglichkeiten und Grenzen biologischer Problemlösungen und Sichtweisen mit Bezug auf die Zielsetzungen der Naturwissenschaften darstellen.

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Aufgabenstellungen mit Operatoren

Operatoren statt W-Fragen

Die klassischen W-Fragen wurden in den letzten Jahrzehnten durch Operatoren abgelöst. Die Auf-gaben der zentralen Abiturklausuren am Ende der Oberstufe müssen unter Verwendung von Opera-toren gestellt werden. Die Lernenden sollten daher im Unterricht die Gelegenheit haben, das Arbeiten mit den Operatoren zu üben. Während einige Ope-ratoren in der Sekundarstufe I noch vereinfacht wurden, empfiehlt es sich, in der Oberstufe die in den Abiturklausuren verwendeten Operatoren ein-zuführen. Hierzu kann den Lernenden auch Liste der Operatoren ausgehändigt werden (s. Seite 9).

Die Arbeit mit Operatoren ist für die Lernenden nicht nur im Bezug auf die Abiturprüfungen sinnvoll, sondern auch hinsichtlich ihres weiteren Bildungsweges. Die Operatoren können einzelnen Schritten des wissenschaftlichen Arbeitens, wenig-stens näherungsweise, entsprechen.

Operatoren können ferner den verschieden Anfor-derungsbereichen und Kompetenzen zugeordnet werden. Beispielsweise sollen die Lernenden die Bedeutung, aber auch die Vorläufigkeit biolo-gischer Modelle beschreiben können (Kompeten-zerwartungen Erkenntnisgewinn E7 des Kernlehr-plans). Dies kann nur an konkreten Beispielen wie etwa dem Aufbau der Biomembran überprüft werden. Hier können die Lernenden beobacht-bares mit Modellen erklären, die unterschiedlichen Modelle vergleichen und deren Entwicklung dar-stellen. Die Zuordnung zu Anforderungsbereichen ist bei Operatoren einfacher als bei W-Fragen, da Operatoren spezifischer sind. Trotzdem ergibt sich die Schwierigkeit einer Aufgabe nicht allein aus dem Operator. Die Darstellung eines Versuchser-gebnisses kann leichter sein als die Darstellung des Zusammenhangs des technischen Fortschritts und der Entwicklung der Membranmodelle.

Operatoren sind, anders als W-Fragen, tatsächliche Arbeitsanweisungen. Sie zielen auf ein bestimmtes Verhalten der Lernenden, nicht auf ein bestimm-tes Wissen. Als solche sind sie sehr präzise und messbar. Beispielsweise kann die W-Frage „Wie ist die Zellmembran nach dem Modell von Singer und Nicolson aufgebaut?“ sehr unterschiedlich verstan-den werden. Unter Verwendung durch Operatoren können explizite Arbeitsaufträge erteilt werden, etwa „Nennen Sie die Bestandteile …“, „Erklären Sie den Aufbau …“ oder „Vergleichen Sie folgende Modelle …“

Vielfalt der Operatoren

Von den vielen zur Verfügung stehenden Opera-toren werden einige besonders häufig verwendet, wie „nenne”, „beschreibe”, „erläutere” und „erkläre”. Gerade im Biologieunterricht bieten sich jedoch auch Möglichkeiten zur Abwechslung in einem interessanten und vielfältigen Unterricht.

Beispielsweise können neben Versuchsergebnis-sen auch Versuchdurchführungen protokolliertwerden. Die Ergebnisse der Lernenden können im Rahmen des wertschätzenden Umganges mit Schülerergebnissen etwa in einer Kursmappe zusammengestellt oder auf einem Plakat aufge-hängt werden und so auch anderen bzw. nach-folgenden Kursen zur Verfügung gestellt werden. Eine geeignete Möglichkeit zur Darstellungvon Ergebnissen zu finden, ist oft nicht profan, schult aber nicht nur die Fähigkeit der Lernenden zur Auswahl passender Darstellungsformen, sondern auch die der Auswertung gegebener Grafiken und Beschreibungen. Bei der Auswertung gegebener Versuchsergebnisse können die Lernenden die Überprüfung von Hypothesen, Modellen, Aussagen, etc. erlernen. An diesen Beispielen können aber auch Kriterien für die Protokollierung eigener Ver-suchsdurchführungen und -ergebnisse und deren grafischer Darstellungen in der Klasse erarbeitet werden.

Eine im Biologieunterricht noch selten genutzte Methode ist die Arbeit mit mistery cards (s. Seite 16ff). Diese bietet die Möglichkeit, das Vorwissen der Lernenden zu aktivieren und die Vorstellungen der Lernenden zum Inhalt des Unterrichtsgesprä-ches zu machen. Ferner können die Lernenden die Vernetzung verschiedener Erkenntnisse innerhalb der Biologie wahrnehmen, indem sie einzelne Aspekte analysieren,zusammenfassen,vergleichenund hieraus Schlussfolgerungen ableiten.

Auch Pro-Contra-Debatten oder rollengeleitete Podiumsdiskussionen bieten Möglichkeiten, den Biologieunterricht abwechslungsreich zu gestal-ten. Hierbei müssen die Lernenden zu einem Sachverhalt bzw. Gegenstand, beispielsweise Tierversuchen (s. Seite 49) oder Doping im Sport (s. Seite 125), Stellungnehmenund diesen bewer-ten. Dadurch können die Lernenden insbesondere ihre Fähigkeiten in den Kompetenzbereichen Kommunikation und Bewertung erweitern. Ferner zeigt sich hier die Bedeutung des Unterrichtsfachs für den Alltag der Lernenden und folgt damit der Forderung des Kernlehrplans, die Lernenden in die Lage zu versetzten, bei der Entscheidungsfin-dung Werte, Normen und Fakten zu kennen, nach denen die Interessen und die Folgen biologischer Forschung beurteilt werden können.

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Übersicht über die Operatoren

Liste der Operatorenübersicht für den Biologieunterricht des Bildungsportals des Landes Nordrhein-Westfalen (http://www.standardsicherung.schulministerium.nrw.de/abitur-gost/fach.php?fach=6)

Operator Beschreibung der erwarteten Leistung

Ableiten Auf der Grundlage wesentlicher Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen.

Analysieren und Untersuchen Wichtige Bestandteile oder Eigenschaften auf eine bestimmte Fragestellung hin herausarbeiten. Untersuchen beinhaltet ggf. zusätzlich praktische Anteile.

Angeben siehe „Nennen”

Auswerten Daten, Einzelergebnisse oder andere Elemente in einen Zusammenhang stel-len und gegebenenfalls zu einer Gesamtaussage zusammenführen.

Begründen Sachverhalte auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Beziehungen von Ursachen und Wirkung zurückführen.

Beschreiben Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben.

Beurteilen Zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fach-wissen und Fachmethoden formulieren und begründen.

Bewerten Einen Gegenstand an erkennbaren Wertkategorien oder an bekannten Beurtei-lungskriterien messen.

Darstellen Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden etc. strukturiert und gegebenenfalls fachsprachlich wiedergeben.

Deuten siehe „Interpretieren”

Diskutieren synonym wird verwendet: Erörtern

Argumente und Beispiel zu einer Aussage oder These einander gegenüberstel-len und abwägen.

Erklären Einen Sachverhalt mithilfe eigener Kenntnisse in einen Zusammenhang einord-nen sowie ihn nachvollziehbar und verständlich machen.

Erläutern Einen Sachverhalt veranschaulichend darstellen und durch zusätzliche Informa-tionen verständlich machen.

Ermitteln Einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren.

Erörtern siehe „Diskutieren”

Hypothese entwickeln synonym wird verwendet: Hypothese aufstellen

Begründete Vermutung auf der Grundlage von Beobachtungen, Untersu-chungen, Experimenten oder Aussagen formulieren

Interpretieren synonym wird verwendet: Deuten

Fachspezifische Zusammenhänge in Hinblick auf eine gegebene Fragestellung begründet darstellen

Nennen synonym wird verwendet: Angeben

Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne Erläuterungen aufzählen

Protokollieren Beobachtungen oder die Durchführung von Experimenten detailgenau zeichne-risch einwandfrei bzw. fachsprachlich richtig wiedergeben.

Prüfen siehe „Überprüfen”

Skizzieren Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduziert über-sichtlich grafisch darstellen.

Stellung nehmen Zu einem Gegenstand, der an sich nicht eindeutig ist, nach kritischer Prüfung und sorgfältiger Abwägung ein begründetes Urteil abgeben.

Überprüfen bzw. Prüfen Sachverhalte oder Aussagen an Fakten oder innerer Logik messen und eventu-elle Widersprüche aufdecken.

Vergleichen Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln.

Zeichnen Eine möglichst exakte grafische Darstellung beobachtbarer oder gegebener Strukturen anfertigen.

Zusammenfassen Das Wesentliche in konzentrierter Form herausstellen.

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10 Arbeitsmethoden in der Biologie

Schülerbuch Seite 4/5

A1 Beobachtete biologische Phänomene führen zu wissenschaftlichen Fragestellungen, wenn die Hintergründe und Zusammenhänge aufgeklärt werden sollen. Überlegungen aus unseren Erfahrungen und Vorwissen führen jedoch nicht zu einer Lösung dieser Fragestel-lung, sondern zu verschiedenen Hypothesen. Erste experimentelle Untersuchungen zu den beobachteten Phänomenen führen zu Daten, mit denen die Hypothesen gefestigt oder widerlegt werden. In den Experimenten darf daher jeweils nur ein Faktor aus den Hypothe-sen geändert werden, um eindeutig zu sein.

Arbeitsblatt Seite 11

A1 zuZitat1: Goethe benutzte den Theorie-Begriff eher als Gegenteil zu Praxis und verwendet ihn so im Sinne von „unsichere Annahme“.

zuZitat2: siehe zu 1 zuZitat3:Hawking stellt den Bezug zu Spiel-

regel 6 heraus, dass gute Theorien auch gute Vorhersagen zulassen.

zuZitat4:Durkheim lehnt einen Zusammen-hang der Sozialwissenschaften zu anderen Wissenschaften, wie z. B. der Biologie, ab und verletzt damit die Forderung nach der Einbindung wissenschaftlicher Ergebnisse in Nachbardisziplinen. Mit der Findung der Auto-nomie des Wissenschaftsbereiches verletzt er die Forderung nach äußerer Konsistenz.

zuZitat5:Mahner betont in Zitat 5 die Forde-rung der Überprüfbarkeit.

zuZitat6:Papst Paul VI. fordert Wissenschaft-ler auf, göttliche Gesetze zu bestätigen und verletzt damit die Forderung, dass Glaubens- und Wertvorstellungen keinen Einfluss auf die Wissenschaft haben dürfen.

zuZitat7: Hoyle, ein Vertreter der Zeugen Jehovas, versucht hier ein göttliches Wesen als Schöpfer anzunehmen und verletzt damit die Forderung des Naturalismus.

A2 Aus der Forderung heraus, dass widerlegte Hypothesen verworfen oder verändert werden müssen, ergibt sich automatisch, dass es kei-ne endgültigen Wahrheiten geben kann und die Modelle sich im Forschungsgeschehen der Wirklichkeit immer mehr annähern.

A3 Die Annahme übernatürlicher Wesenheiten, die jegliche natürliche Gesetze durchbrechen könnten, würde dazu führen, dass jeder Zu-stand der Natur damit erklärt werden könnte, auch widersprüchliche. Dies würde das Ende der naturwissenschaftlichen Forschung be-deuten, da eine ihrer Grundannahmen falsch wäre.

Gefrierschutzproteine

Das folgende Beispiel zeigt den Weg von beobach-teten Phänomenen über geplante und durch-geführte Experimente bis zur Entwicklung einer möglichen Theorie zur Erklärung der Phänomene.

Beobachtbare Phänomene:– Stellt man Glasflaschen mit Wasser gefüllt für

mehrere Stunden in die Gefriertruhe, zerspringt das Glas in kleinste Teile (bitte diesen Versuch nicht nachmachen!).

– Im frischen Zustand eingefrorene Pfirsiche, Tomaten oder Gurken sind nach dem Wieder-auftauen matschig und sehen unappetitlich aus.

– Viele Fische in polaren Regionen der Erde überleben in Gewässern, die kälter sind als der Gefrierpunkt ihres Blutes.

– Der nordamerikanische Waldfrosch (Ranasylva-tica) kann tiefgefroren den Winter überstehen. Im Frühjahr taut er auf und hüpft davon. Auch sein Laich kann einfrieren und sich nach dem Auftauen normal weiter entwickeln.

– Eine norwegische Form des Borkenkäfers über-lebt Wintertemperaturen von bis zu –20 °C.

Freilandbeobachtungen oder Experimente– In die Scheibenwaschanlage des Autos füllt

man zu Beginn des Winters ein alkoholhaltiges Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, damit man auch bei Temperaturen bis zu –35 °C die Scheibe noch reinigen kann.

– Unter 0 °C kaltes Meerwasser ist aufgrund seines Salzgehaltes flüssig.

– Im Winter wird Salz gestreut, damit keine Eisbil-dung stattfindet.

– Eiskristalle können spitz und nadelförmig wer-den und Zellen zerstören.

– Im Blut von Antarktisfischen lassen sich soge-nannte Glykoproteine nachweisen. Das sind mit Zucker verknüpfte Eiweißmoleküle.

– Untersucht man den Blutzuckerspiegel des Waldfrosches, so lässt sich von Herbst bis zum Winter hin ein rapider Anstieg auf das bis zu 250fache des im Sommer normalen Wertes beobachten.

Mögliche Theorie– Organismen (Antarktisfische, Waldfrosch) sind

an Temperaturen rund um den Gefrierpunkt angepasst. Sie besitzen spezielle Gefrierschutz-proteine in ihren Körperflüssigkeiten, die sich bildende Eiskristalle binden und deren Vernet-zung verhindern.

Arbeitsmethoden in der BiologieWie forschen Biologen?

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© Als Kopiervorlage für den eigenen Unterrichtsgebrauch freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2014 11

Theorie und Wirklichkeit

Die „Spielregeln“ der Naturwissenschaften lassen sich wie folgt formulieren:1. Gegenstand der naturwissenschaftlichen Forschung

sind Dinge der belebten und unbelebten Natur, die sich mit Sinnesorganen erfassen lassen oder durch Hilfsgeräte wahrgenommen werden können. Dinge, deren Existenz nicht eindeutig beweisbar ist, wie übernatürliche Kräfte, Geistwesen, Götter oder der-gleichen, stellen keinen Teil der Naturwissenschaf-ten dar.

3. Die Naturwissenschaften versuchen Regeln und Zusammenhänge in der Natur zu finden und zu erklären.

4. Grundlage naturwissenschaftlichen Erkennens sind objektive, wiederholbare Beobachtungen. Diese liegen vor, wenn sie von unabhängigen Personen wiederholt gemacht werden können. Religiöse Überzeugungen, Glaubens- oder Wertvorstellungen bzw. ideologische Einbindungen dürfen keinen Einfluss auf diese Beobachtungen haben (Naturalis-mus).

5. Alle Erkenntnisse müssen den Regeln der Logik gehorchen und dürfen sich demzufolge z. B. nicht widersprechen. Diese Widerspruchsfreiheit muss sowohl innerhalb der Theorie (innere Konsistenz) als auch zu Nachbardisziplinen (äußere Konsistenz) bestehen.

6. Zu diesen objektiven Tatsachen stellt der Naturwis-senschaftler Vermutungen über dahinterstehende Zusammenhänge — sogenannte Hypothesen — auf, die durch Experimente überprüft und bestätigt oder widerlegt werden. Hypothesen müssen falsifizierbar (widerlegbar) sein, um als naturwissenschaftlich an-erkannt zu werden. Widerlegte Hypothesen müssen verworfen oder verändert werden.

7. Kann man mit einer durch viele Beobachtungen, Ex-perimente und kritische Betrachtungen wiederholt bestätigte Hypothese immer mehr natürliche Phä-nomene verstehen, widerspruchsfrei erklären und neue Dinge vorhersagen, nennt man sie eine Theo-rie. Im Gegensatz zur weit verbreiteten laienhaften Vorstellung, dass eine Theorie etwas Unsicheres, d. h. Vermutetes ist, ist eine naturwissenschaftliche Theorie die am besten belegte und abgesicherte Aussage, die Naturwissenschaftler machen können.

Zitat 1„Grau, teurer Freund, ist alle Theorie. …“ (Goethe)

Zitat 2„Laien verwechseln häufig die Begriffe Theorie und Hypothese.“

Zitat 3„Gut ist eine Theorie wenn sie zwei Voraussetzungen erfüllt: Sie muss eine große Klasse von Beobachtungen auf der Grundlage eines Modells beschreiben, das nur wenige Elemente enthält, und sie muss bestimmte Voraussagen über die Ergebnisse künftiger Beobachtungen ermöglichen.“ (Stephen W. Hawking, Leonard Mlodinow: Die Kürzeste Geschichte der Zeit. Copyright © 2005 by Rowohlt Verlag GmbH, Reinbek)

Zitat 4„Soziale Phänomene formen ein autonomes System und können nur durch andere soziale Systeme erklärt werden. (Durkheim, 1895, Gründer der Sozialwissenschaften)

Zitat 5„Der Naturalismus ist für die

Wissenschaften keine belie-

bige Setzung, sondern er wird

gleichsam von deren methodo-

logischen Prinzipien erzwungen.

Wissenschaftliche Hypothe-

sen und Theorien sollen z. B.

überprüfbar sein. Überprüfbar

ist aber nur das, mit dem wir

wenigstens indirekt interagieren

können, was sich gesetzmäßig

verhält. Übernatürliche Wesen-

heiten entziehen sich hingegen

unserem Zugriff …“

(Mahner, 2002)

Zitat 6„So werden dann die Wis-senschaftler — besonders die Katholiken unter ihnen — durch ihren Beitrag beweisen, dass es so ist, wie die Kirche lehrt: dass nämlich, es keinen wahren Widerspruch geben kann zwischen den göttlichen Gesetzen hinsichtlich der Übermittlung des Lebens und dem, was echter Liebe dient'." (Humanae Vitae, Papst Paul VI., 1968).

Zitat 7„Statt die verschwindend geringe Wahrschein-lichkeit zu akzeptieren, das Leben sei durch blinde Naturkräfte aufgetreten, schien es besser zu sein anzunehmen, dass der Ursprung des Lebens ein vorsätzlicher intellektueller Akt war.“ (Hoyle, 1998)

A1 Nehmen Sie auf der Grundlage der „Spielregeln“ und der Definition des Theorie-Begriffs Stellung zu den angegebenen Zitaten. Untersuchen Sie in diesem Zusammenhang, in welcher Hinsicht einige der Aussa-gen die geforderten Grundregeln verletzen.

A2 Kommentieren Sie die Aussage: „Naturwissenschaftler finden keine endgültigen Wahrheiten, sondern nähern ihre Modelle und Theorien der Wirklichkeit immer mehr an.“

A3 Erläutern Sie, welche Konsequenzen es hätte, wenn man übernatürliche Erklärungen in den Naturwissen-schaften akzeptieren würde.

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A1 In dem Diagramm ist die Individuenzahl einer regelmäßig gefütterten Wasserfloh-Population in Abhängigkeit von der Zeit in Tagen bei einer Temperatur von 18 °C dargestellt. Das Diagramm zeigt ein begrenztes Wachstum mit einem sigmoiden Kurvenverlauf der Wasser-floh-Population. Die Individuenanzahl der Wasserflöhe beträgt am 10. Tag ca. 5. Bei leich-ten Schwankungen in der Populationsgröße steigt die Anzahl der Wasserflöhe bis zum 45. Tag auf ca. 30 Individuen. Ab dem 45. Tag ist ein nahezu linearer, steiler Anstieg in der Individuen-Population der Wasserflöhe auf ca. 200 Individuen bis zum 62. Tag zu beobachten. Anschließend schwankt die Population leicht um einen Wert von ca. 180 Individuen bis zum Ende der Untersuchung am 110. Tag.

A2 Die Individuenanzahl der Hasen ist wesentlich größer als die Anzahl der Luchse. Würde man eine y-Achse verwenden, würde es Probleme in der Auswahl der Achsenskalierung geben: Orientiert man sich an der Population der Hasen, wären Veränderungen in der Population der Luch se kaum in dem Diagramm erkennbar, sodass eine Deutung des Diagramms kaum möglich wäre.

A3 Die Maxima der Luchspopulation folgen zeit-versetzt den Maxima der Hasenpopulation. Luchse ernähren sich von Schneeschuhhasen. Je größer die Population der Schneeschuhha-sen ist, desto größer sind die Überlebenschan-cen der Luchse sowie deren Geburtenrate. Die Population der Luchse steigt zeitverzögert. Durch eine erhöhte Luchspopulation steigt

die Sterberate der Hasen, ihre Population wird zunehmend kleiner. Aufgrund des Nahrungsmangels sinkt die Luchspopulation wieder zeitversetzt zur Hasenpopulation. Im Diagramm ist dies z. B. in den Jahren 1922 und 1923 zu erkennen: Im Jahr 1922 wies die Hasenpopulation ein Minimum auf, im Jahr 1923 folgt das Minimum der Luchspopulation.

A4 a) Punktdiagramm oder Balkendiagramm: Bei einer kontinuierlichen Darstellung des Zigarettenkonsums würde sich ein Punkt- diagramm anbieten. Werden Gruppierungen gewählt, wie z. B. 5 bis 10 Zigaretten pro Tag, ist das Verwenden eines Balkendiagramms sinnvoll. b) Kreisdiagramm oder Stapeldiagramm: Es sollen Anteile verschiedener Gruppen an einer Gesamtheit dargestellt werden. c) Balkendiagramm oder Säulendiagramm: Es handelt sich bei den Ökosystemen um verschiedene Bezugsgrößen, die getrennt von-einander betrachtet werden müssen. Es gibt keine stufenlose x-Achse. d) Kurvendiagramm: Die Beziehung zweier Größen zueinander ist (zumindest theoretisch) bei einer kontinuierlichen Messung mit jeder vorstellbaren Zwischengröße zugänglich.


A1 individuelle Lösung; Arbeit im Team

A2 individuelle Lösung

A3 Versuch 1: Nur Traubenzucker wird umgesetzt (Nachweis der Substratspezifität) Versuch 2: Je höher die Substratkonzentration, desto schneller erfolgt der Substratumsatz (Sättigungskurve). Versuch 3: Je höher die Temperatur, desto schneller erfolgt die Umsetzung (RGT-Regel).

Hinweise zum Arbeiten mit Hefe

Das Thema „Gärung“ eignet sich besonders für den forschend-entwickelnden Unterricht. Da Hefen und alkoholische Gärung bekannt sind, werden Schülerinnen und Schüler Versuche mit diesem Organismus planen können, z. B. die Zellen mit Nährstoffen (Zucker unterschiedlicher Konzentrati-on oder chemischer Beschaffenheit) zu versorgen und unter Sauerstoffabschluss zu halten. Mit diesen Versuchen lassen sich die Kenntnisse über Enzyme vertiefen oder in die Hypothesenbildung einbringen. Dabei können unterschiedliche Tech-niken eingesetzt werden (s. Abb.). Es ergeben sich Ausblicke auf die Mikrobiologie (Hefesuspension auf Standardagar ausplattieren, Kolonien mikro-skopieren, Sprossungsvorgang, Generationswech-sel) und auf die menschliche Gesundheit (Alkohol als Zellgift).

Wie wertet man wissenschaftliche Daten aus?

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�� Gärröhrchen nach Einhorn

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Welche Faktoren beeinflussen die Gärung?

Mit den folgenden Experimenten können verschiedene Einflüsse auf die Stoffwechselvorgänge in Hefezellen untersucht werden. Für alle Versuche wird eine Hefelösung (20 g Bäckerhefe auf 100 ml Wasser) angesetzt.

3) Einfluss der TemperaturMaterial:10%ige Zuckerlösung aus Versuch 2; Brutschrank, Kühlschrank mit Eisfach, 4 Standgärröhrchen, He-felösung, Thermometer, Filzschreiber

Durchführung: Reagenzgläser und Standgärröhrchen numerie-ren; je Reagenzglas 3,5 ml der Zuckerlösung und 7 ml der Hefelösung mischen. Die Lösung in den kugelförmigen Ansatz füllen, das Gärröhrchen drehen und klopfen, bis der geschlossene Schen-kel gefüllt ist.

Beobachtung:Je ein Gärröhrchen im Brutschrank (ca. 37 °C), bei Zimmertemperatur, im Kühlschrank und 25 min lang in dessen Eisfach aufstellen und im Abstand von 5 min das gebildete Gasvolumen ablesen. Die Zimmertemperatur und die Temperatur im Kühl-schrank bzw. in dessen Eisfach messen.

A1 Führen Sie die Versuche entsprechend den Anweisungen arbeitsteilig in drei verschiedenen Gruppen durch. Halten Sie alle Versuchsergebnisse in einer Tabelle fest.

A2 Übertragen Sie die Wertepaare in ein Diagramm (Abb. 1).

A3 Deuten Sie die Versuchsergebnisse.

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1 Diagramm

1) Einfluss des SubstratsMaterial:Traubenzucker, Haushaltszucker, Milchzucker, 4 Rea-genzgläser, 4 Standgärröhrchen, Hefelösung, Mess- zylinder, Pipetten, Waage, Glasstäbe, Spatel, Teelöffel, Filzstifte

Durchführung:Reagenzgläser und Standgärröhrchen numerieren; je Reagenzglas 0,35 g des betreffenden Zuckers in 3,5 ml Wasser lösen und 7 ml Hefelösung dazugeben und gut durchmischen. Die Lösung in den kugelför-migen Ansatz füllen, das Gärröhrchen drehen und klopfen, bis der geschlossene Schenkel gefüllt ist. Das vierte Gärröhrchen mit 10,5 ml Hefelösung ohne Zucker füllen.

Beobachtung:Die Gärröhrchen bei Zimmertemperatur aufstellen und 25 min lang im Abstand von 5 min das gebildete Gasvolumen ablesen.

2) Einfluss der SubstratkonzentrationMaterial:Haushaltszucker, 4 Reagenzgläser, 4 Standgärröhr-chen, Hefelösung, Messzylinder, Pipetten, Filzstifte, 4 Flaschen mit Gäraufsatz.

Durchführung: Reagenzgläser und Standgärröhrchen numerieren; jeweils 1, 2, 5 und 10 g Haushaltszucker in 50 ml Wasser lösen; davon je 3,5 ml der Zuckerlösung und 7 ml Hefelösung gut durchmischen. Die Lösung in den kugelförmigen Ansatz füllen, das Gärröhrchen drehen und klopfen, bis der geschlossene Schenkel gefüllt ist, bei Zimmertemperatur aufstellen und 25 min lang im Abstand von 5 min das gebildete Gasvolumen ablesen.

Beobachtung:Die Gärröhrchen bei Zimmertemperatur aufstellen und im Abstand von 5 min das gebildete Gasvolumen ablesen.

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A1 Modelle entstehen durch Ergebnisse wis-senschaftlicher Untersuchungen. Durch neue Untersuchungsmethoden können zusätzliche Ergebnisse die Modelle verfeinern. Auch durch eine große Anzahl von Untersuchungs-ergebnissen und deren Zusammenführung wird eine Verfeinerung der Modellvorstellung erreicht.

A2 Modelle tragen zu einem besseren Verständ-nis komplexer Vorgänge oder Abbildungen bei, da sie wesentliche Aspekte herausstel-len und vereinfachen. Man kann sie für ein besseres Lernverständnis einsetzen, da sie gegenüber Texten oder Gleichungen anschau-licher sind und durch die Vereinfachung das Verständnis erleichtern.

A3 In der Grafik ist auf der x-Achse die Zeit in Minuten und auf der y-Achse die maximale Enzymaktivität in % aufgetragen. Bei einer Temperatur von 38 °C liegt die Aktivität über den gesamten Messzeitraum bei 100 %. Bei einer Temperatur von 65 °C sinkt die Aktivität innerhalb von 10 min sehr schnell auf 0 % ab.

A4 Mithilfe des Modells lässt sich der Kurvenver-lauf veranschaulichen, da durch die höhere Temperatur die Form des Enzyms verändert wird und das aktive Zentrum dadurch verklei-nert ist, sodass das Substrat nicht mehr passt und somit nicht mehr verändert werden kann. Der Wert sinkt dadurch innerhalb von 10 min, da in diesem Zeitraum die Veränderung erfolgt sein muss.

A5 Alternative Modelle können von anderen Formen des Enzyms ausgehen oder von der Annahme, dass das Substrat sich ändert und nicht mehr in das aktive Zentrum passt. Dies wäre auch eine zweite Hypothese, die über-prüft werden müsste.

A6 Das Auffällige an den Bewegungsmustern ist, dass sie eine ungerichtete Bewegung eines integralen Proteins in alle Richtungen darstel-len. Gleichzeitig gehen diese Muster jeweils nur über kleine Räume, bevor sie sprunghaft in einen weiteren abgegrenzten Raum über-gehen.

A7 In der ursprünglichen Modellvorstellung war eine offene ungehinderte Bewegung integraler Proteine in der Membran möglich. Diese Vorstellung wurde durch die neuen Bewegungsmuster eingeschränkt. Dies lässt sich durch das unterhalb der Membran liegen-de Cytoskelett erklären. Membranproteine, welche die gesamte Membran durchdringen, werden in ihrer Bewegung durch die Struk-turen des Cytoskeletts eingeschränkt.

A8 Eine naturwissenschaftliche Fragestellung un-terscheidet sich von anderen Fragestellungen dadurch, dass sie durch Untersuchungen oder Experimente beantwortet wird. Sie untersucht naturwissenschaftliche Vorgänge.


A1 individuelle Lösung (Hinweis: Diese Aufgabe eignet sich gut für eine Gruppenarbeit.)

A2 Kriterien können hier etwa die Übersichtlich-keit oder die Nähe zum Originalobjekt sein.

A3 Jede Nachbildung oder Darstellung eines origi-nalen Objektes ist ein Modell. Abbildung 2 ist die zweidimensionale, schematische Darstel-lung einer Pflanzenzelle, im Gegensatz zum dreidimensionalen, selbst erstellten Objekt. In der schematischen Darstellung sind die Organellen gut erkennbar und beschriftet. Die Abbildung dient der übersichtlichen Darstel-lung der Organellen einer Pflanzenzelle. Die Größenverhältnisse, die Anzahl der einzelnen Organellen oder die originale Farbgebung wurden dabei vernachlässigt. An einem dreidi-mensionalen Modell kann beispielsweise die Anordnung der Organellen vor- bzw. hinterei-nander besser verdeutlicht werden. Dafür sind diese Modelle oft weniger übersichtlich und schwerer zu beschriften.

Literaturhinweise

Fleige, J., Seegers, A., Upmeier zu Belze, N. A. & Krüger, D.: Förderung von Modellkompetenz im Biologieunterricht. MNU 65 2012 S. 19 — 28

Krell, M. & Krüger, D.: Wie werden Modelle im Bi-ologieunterricht eingesetzt? — Ergebnisse einer Fragebogenstudie. In: Erkenntnisweg Biologie-didaktik 2013 S. 9 — 26

Welche Bedeutung haben Modelle?

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Viele Phänomene und Strukturen, die in der Biologie untersucht werden, haben sehr komplexe Zusammenhän-ge. Sie können sehr groß sein, beispielsweise globale Stoffkreisläufe oder so klein, dass sie auch unter einem Mikroskop nicht gesehen werden können, wie der Aufbau von Enzymen. Daher kommen solche Modelle, die der Veranschaulichung dienen, in der Biologie oft zum Einsatz.

Erstellung eines Modells der Pflanzenzelle

Modelle, die den Aufbau einer Zelle veranschaulichen, können gut selbst gebastelt werden. Hierfür können sehr unterschiedliche Materialien verwendet werden. Für die äußere Begrenzung (Zellmembran) eigenen sich besonders durchsichtige Gefäße, um das Zellinnere aus verschiedenen Perspektiven betrachten zu können. Zellorganellen können aus formbaren Materialien erstellt werden oder es werden passende Gegenstände gesammelt (etwa Steinchen). Zur Darstellung verschiedener Membranen können beispielswei-se Zellophanfolie, Plastiktüten oder Luftballons verwendet werden.

Der genaue Aufbau eines Zellmodells steht dabei im Zusam-menhang damit, was mit dem Modell gezeigt werden soll. Beispielsweise können die verschiedenen Organellen einer Pflanzenzelle gezeigt werden, das Größenverhältnis der einzelnen Organellen verdeutlicht werden oder die Erklärung licht-mikroskopischer Bilder als zweidimensionale Abbildungen dreidi-mensionaler Objekte im Vordergrund stehen. Abhängig vom verfolgten Ziel können unterschiedliche Materialien notwendig sein. Für die Darstellung der Größenverhältnisse müssen beispielsweise Objekte aus sehr formbaren Materialien erstellt werden.

Herstellung eines Zellmodells

A1 Erstellen Sie ein Modell einer Pflanzenzelle. Entscheiden Sie im Vorfeld, was Sie anhand des Modells zeigen wollen.

A2 Vergleichen Sie Ihre Modelle mit denen Ihrer Mitschüler. Begründen Sie welche Darstellungen Ihnen besonders geeignet erscheinen.

A3 Die Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Pflanzenzelle. Begründen Sie, weshalb dies ein Modell ist und vergleichen Sie es mit dem von Ihnen erstellten Modell. Gehen Sie dabei auch auf die Vor- und Nachteile der beiden Modelle ein.

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1 MöglicheMaterialienzumBaueinesZellmodells

durchsichtige Plastikbox Knetmasse Tüte

2 SchematischeDarstellungeinerPflanzenzelle)

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SchülerbuchSeite13

A1 VergleichenSiedieVorstellungenzudenAnimalculesmitdenenzurEntstehungvonMäusenunderläuternSieunterdiesemAs-pektdieBedeutungderExperimentevonRedi undPasteur.

– DieAnimalculessindmitdenMäusenvergleich-barauchwennSiewesentlichkleinersind.DiefehlendenExperimentezurUntersuchungderAussagenführeninbeidenFällenzudenFehlvorstellungen.DieExperimentevonRediundPasteuR,diezueinerverändertenErklärungderVorgängeführten,warenähnlich,dasienachwiesen,dassnurdort,wobereitsLebenvorhandenwar,Lebewesennachzuweisensind.

A2 BeschreibenSieAbb.3underläuternSieunterdemAspektderZelltheoriedieAussagederAbbildung.

– DermenschlicheKörperbestehtausOrganenundGeweben,diewiederumausZellenbeste-hen.AlleverschiedenenGewebebestehenausZellen.DiesistdieAussagederZelltheorie:AlleLebewesenbestehenausZellenundZellensinddieGrundbausteinedesLebens.Darauskannmanschließen,dassalleProzesseinunseremKörperinZellenablaufen.

A3 ErklärenSieanhandderTexteaufSeite4,waseinenaturwissenschaftlicheFragestellungist,undbeziehenSiedieseAussageaufdieZelltheorie.

– EinenaturwissenschaftlicheFragestellungunterscheidetsichvonanderenFragestellungendadurch,dasssiedurchUntersuchungenoderExperimentebeantwortetwird.SieuntersuchtnaturwissenschaftlicheVorgänge.

ArbeitsblattSeite17

A1 ZumThemaEntstehungvonLebewesentragendieKarten1,2,3,und4bei.DieKarten6und7lieferneinenBeitragzumThemaZell-theorie.DieKarte5istwenigrelevant,dasienurAlltagserfahrungenbeschreibt,dieauchinMaterial2zumAusdruckkommen.

A2 LangeZeitexistiertenparallelzweiVorstel-lungenzurEntstehungvonLebewesen,diebeidedurchAlltagserfahrungengestütztwur-den:InsbesonderebeigrößerenSäugetierenundbeimMenschenwarbekannt,dasseinegewisseZeitnachderZeugungNachkommengeborenwurden.BeikleinenSäugernundanderenKlein-undKleinstlebewesennahmmanan,dassLebewesenuntergeeignetenBedingungenausunbelebterMaterieentstehenkönnen.DieVersuchevonRediundPasteur zeigten,dassLebewesennichtanzutreffensind,wennderZugangverhindertwird.DamitbliebalsErklärungdesscheinbarspontanenEntstehensvonLebewesennurdieunbemerkteEinwanderungbzw.dieAblage

vonbefruchtetenEiern.HookeschlossausseinenBeobachtungen,dassArtenaussterbenkönnenunddasssichausUrformenScharenähnlicherArtenbildenkönnen.

A3 DieEntwicklungvonVergrößerungsapparatenermöglichtedasErkennenalsGrundelementevonmehrzelligenLebewesenunderöffnetedenBlickaufEinzellerundBakterien.DurchdievergleichendeBetrachtungunterschied-lichsterLebewesenkonntedieZellealsGrund-bausteinallerLebewesenerkanntwerden.

ArbeitenmitMystery-Karten

DieArbeitmitMystery-Kartenkanndazubeitra-gen,dassdieLernendenInformationenzueinemThemanichtnursammeln,sondernauchderenRe-levanzimRahmeneinerFragestellungbeachten.Siekönnenüben,durchdasOrdnenderInforma-tionenzueinerLösungderAufgabenstellungzugelangen.

IneinemweiterenSchrittkanndiesesVorgehengefördertwerden,wenndieLernendenzueinemThemaselbstInformationskartenerstellenunddiesedanninGruppenweiterbearbeitenunddabeimithilfederLehrkraftihrVorgehenreflek-tieren.

Literaturhinweise

Dubbert, K.:Mystery: SorgeumdenEisbären.In:UnterrichtBiologieHeft387S.26–332013

Thomson, K. S.: HookesFossilienunddieAnti-Evo-lutionstheorie.InSpektrumderWissenschaftHeft4/2006

Medienhinweise

FWU4201702RobertHookeunddieZelleHagemannVideo180113GrundlagenderZytologieUnterhttp://www.mikroskopie.degibteszahl-

reicheLinkszuverschiedenenFirmenfürMikroskopeundPräparate(mitzumTeilgutenAbbildungen)

1 Zellforschung1.1 Zellenwerdenuntersucht Lebewesen bestehen und entstehen aus Zellen

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Die Entstehung von Lebewesen (1)

A1 OrdnenSiedieMaterialkartendenThemen„EntstehungvonLebewesen”und„Zelltheorie”zu.

A2 ErläuternSieunterVerwendungdesMaterials,wiesichdieVorstellungvonderEntstehungvonLebe-wesenimVerlaufderJahrhunderteentwickelthat.

A3 ErläuternSieunterVerwendungdesMaterials,wiesichdieVorstellungvomAufbauvonLebewesenimVerlaufderJahrhunderteentwickelthat.

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HeuteistunsdieVorstellungselbstverständlich,dassLebewesendieNachkommenandererLebewesensind.AußerdemwissenwirvielüberdenAufbauvonLebewesenundüberdieZellen,ausdenensiebestehen.UnserBildvonLebewesenundihrerEntstehunghatsichinJahrhundertenweiterentwickelt,weilsichNaturforscherimmerwiederdamitbeschäftigthaben.

DieArbeitmitMaterialkarten(misterycards):WennSiezueinemThemarecherchieren,müssenSieInformationensammeln,sievergleichen,sieaufihreRelevanzbezüglichderFragestellungprüfenundsieineinesinnvolleOrdnungbringen.ErstdannkönnenSiedieInformationensinnvollverwenden,umeineLösungzueinerFragestellungzuerarbeiten.WendenSiedieseVorgehensweiseaufdiefolgendenFragestellungenan.

1 DerenglischeMathematikerNaturforscherRobert Hooke(1635—1703)beschreibineinem1665veröf-fentlichtenWerkdieÄhnlichkeitzwischendemheutelebendenNautilusundSteinen,diewirheutealsVersteinerungenvonAmmonitenbezeichnen.InHookesZeitwardieVorstellungvonVersteinerungenausgestorbenerArtenrevolutionär.

1 SolcheSteineführteHookeauffrühereMeerestierezurück 2 HookeerkanntedieÄhnlichkeitzuNautilus

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© Als Kopiervorlage für den eigenen Unterrichtsgebrauch freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 201418


2 DeritalienischeArztFrancesco Redi (1626—1697)prüfteexperimentelldiever-breiteteAnsicht,dassFliegenausverwesendemFleischent-stehenkönnten.DieVorstel-lungberuhteaufAlltagsbeo-bachtungenanFleischrestenundTierkadavern.Francesco RedisetztedreiVersuchean.

3 VonMenschenundvongroßenSäugetierenwarseitMenschengedenkenbekannt,dasssievonMütternoderMuttertierengeborenwerden.AndererseitsmachtenMenschenBeobachtungen,diedamitnichtimEinklangzustehenschienen.Sokamesvor,dasssiebeimÖffneneinesGetreidesacksMäusevorfan-den.BeimAufräumendesDachbodenskonnteesvorkommen,dassineinemStapelalterKleidungeinNestmitjungenMäusenzumVorscheinkam,ohnedassElterntiereinderNähewaren.SolcheundähnlicheBeobachtungennährtendieVorstellung,ausGetreideundaltenKleidernkönntenLebewesenwieMäuseentstehen.Esgabsogar„Rezepte“zurHerstellungvonMäusen.

VersuchsandsätzevonRedi

ohneDeckel miteinemTuchverschlossenmitDeckel

4 DerniederländischeNaturforscherAntony van Leeuwenhoek(1632—1723)beobachtete1675durcheinselbstgebautesMikroskopEinzellerundBakterieninWasserproben,dieerRegentonnenundPfützenentnommenhatte.ErbezeichnetedieLebewesenzusammenfassendalsAnimalcules.UntersuchungenanInsekteneiernundSpermienmachtenihnzueinemGeg-nerderTheoriederSpontanzeugung,alsoderEntstehungvonLebewesenausunbelebterMaterie.

Animalcules-DarstellungnachvanLeeuwenhoek

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5 DerfranzösischeChemikerundMikrobiologeLouis Pasteur (1822–1895)führteVersuchsreihendurch,umdieFragezuklären,unterwelchenBedingungenKleinstlebewesenanzutreffensind.

6 DerBotanikerMatthias Schleiden(1804–1881)undderZoologeTheodor Schwann(1810–1882)erkanntendurchlichtmikroskopischeUntersuchungen,dassalleLebewesentrotzallihrerUnterschiedlichkeiteineEigenschaftgemeinsamhaben:AlleLebewesenbestehenausZellen.

a)

b)

Bakterienzellenin der Luft

Nährlösung mit Bakterienzellen Abtöten der Bakterienzellen

Bakterienzellenin der Luft

kondensiertesWasser sammelt sich

im Glasrohr an

VersuchsansätzevonPasteur

UnterschiedlicheZellen

Assimilationszelle (z. B. im Blattgewebe) Pantoffeltierchen

Epidermiszelle (z. B. auf der Blattoberseite)

Speicherzelle (z. B. in der Kartoffelknolle)

Wurzelhaarzelle

7 Theodor Schwannkonnteanvie-lenBeispielennachweisen,dasssichalleZelleneinesVielzellersauseinerbefruchtetenEizelleentwickeln.

DerdeutscheArztRudolf Virchow(1821–1902)prägtedenSatz:„JedeZellekannnurauseineranderenZelleentstehen.”(lat.Omniscellulaecellula).ErführteKrankheitenaufStörungenvonKörperzellenzurück.

StadienderEmbryonalentwicklung

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SchülerbuchSeite15

A1 BeschreibenSiedieVorteilederFluoreszenz-mikroskopieimVergleichzurherkömmlichenLichtmikroskopie.

– SpezifischeStrukturenkönnengenaulokalisiertundvonanderenStrukturenabgegrenztwer-den.EssindmitdemSTED-VerfahrensehrhoheAuflösungenmöglich(Proteinebene).

A2 DasmenschlicheHaarhateinenDurchmes-servonca.0,1mm.BeiRotenBlutzellendesMenschenbeträgtderDurchmesserca.8μm.BerechnenSie,wievieleRoteBlutzellennebeneinandergereihtdenDurchmesserdesHaaresergeben.

– 0,1mmentsprechen10000μm;10000μm:8μm=1250Erythrocyten;1250RoteBlutkörperchenaneinandergereihtergebendieDickeeinesmenschlichesHaaresvon0,1mm.

ArbeitsblattSeite21

A1 1)Okular(vergrößertdasZwischenbild)2)Tubus(bringtOkularindenentsprechendenAbstandunderzeugtDunkelheitfürdieEnt-stehungdesZwischenbildes)3)Objektiv(entwirftvergrößertesZwischen-bildvomObjekt)4)Objektträger(bringtdasObjektindenStrahlengang)5)Objekttisch(zurFixierungdesPräparats)6)Kondensor(Linsensystem;führtzuange-passtemBeleuchtungsstrahlengang)mitBlende(Kontrastveränderung),7)Lichtquelle(durchstrahltdasObjekt)8)Fuß(trägtMikroskopundbeinhaltetBeleuchtung),9)Stativ(Halterung)10)Grobtrieb(EinstellungderBildebene)11)Feintrieb(ScharfstellendesBildes)

A2 ImLichtmikroskopistdieBeleuchtungsquelleunterdemPräparatangebracht.DasLichtfälltdurchdieLinseimObjektivunderzeugteinZwischenbild,dasdurchdieLinseimOkularnocheinmalvergrößertwird.ImFlu-oreszenzmikroskopdurchläuftdasLichtderLichtquellezunächstdenAnregungsfilter,dernurLichteinerbestimmtenWellenlänge(hierunter420nm)aufdasObjektgelangenlässt.HierdurchwerdenbestimmteMolekülezumAufleuchtenangeregt.DurcheinenzweitenFilterwirdnurdieFluoreszenzstrahlungimOkularzuEntstehungeinesBildesverwen-det.DasuntersuchteObjektmussStrukturenoderSubstanzenenthalten,dieentwedervonsichausoderdurchentsprechendeBehand-lungbeidieserBeleuchtungfluoreszieren.AußerdemmussdasMikroskopüberspezielleEinrichtungenverfügen,diedasAnregungs-lichtvomFluoreszenzlichttrennenundsoeineBildentstehungmöglichmachen.

Literaturhinweise

Huisken, J. S. et.al.:OpticalSectioningDeepInsideLiveEmbryosbySelectivePlaneIlluminationMicroscopy.In:ScienceVol.305/2004,S.1007–1009

Stripf, R. (Hrsg.):Lichtmikroskopie.In:PraxisderNaturwissenschaften,Heft4/53,2004

Medienhinweise

FWU4201702RobertHookeunddieZelleHagemannVideo180113GrundlagenderZytologieUnterhttp://www.mikroskopie.degibteszahl-

reicheLinkszuverschiedenenFirmenfürMikroskopeundPräparate(mitzumTeilgutenAbbildungen)

Licht- und Fluoreszenzmikroskopie

1 RasterundAuflösungsvermögen

Hooke-Mikroskop

Leeuwenhoek-Gerät

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Lichtmikroskopie

InderGeschichtederZellbiologiehatdasauszweiLinsenzusammengesetzteMikroskopvonRobert Hooke(1667)unddasVergrößerungsglasvonAntony van Leeuwenhook(um1700)einenerstenBlickindieWeltderZelleerlaubt.HeutigeMikroskopeerzeugendasBilddurchverschieden-artigeBauprinzipienundkönnendurchspezielleVerfah-renunterschiedlicheDetailshervorheben.

DurchdieVerwendungspeziellerFarbstoffekannmaneinzelneStrukturenimObjektanfärbenundsobessererkennbarmachen.BeiderPhasenkontrastmikroskopienutztmandieTatsacheaus,dassLichtbeimDurchtrittdurchverschiedeneZellbestandteileunterschiedlichstarkgebrochenwird.EineVeränderungamKondensorführtzueinemdeutlichkontrastreicherenBild.

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1 Lichtmikroskop

Lichtquelle

Kondensor

Zwischen-bild

Okular

Auge

Objekt

Objektiv

a)

2 StrahlengangimLichtmikroskop(a)undimFluoreszenzmikroskop(b)

b)Auge

Okular

selektrischeSperrfilter

Strahlung über420 nm

Anregungs-filterLichtquelle

Strahlung unter420 nm

ObjektivKondensor

Anregungs-strahlung

Fluoreszenz-strahlung

Präparat

A1 BeschriftenSiedasSchemazumheutigenLichtmikroskop(Abb.1)underläuternSiekurzdieFunktionendereinzelnenBauteile.

A2 BeiderFluoreszenzmikroskopiewirddasPräparatmitkurzwelligemLichtbestrahlt.DiekurzwelligeStrahlungregtbestimmteMoleküleimObjektzurFluoreszenzan.VergleichenSieanhandAbb.2denStrahlengangineinemFluoreszenzmikroskopmitderineinemLichtmikroskopunderklärenSiedieBedeutungderFilterhinsichtlichderVorteileundderEinschränkungenderFluoreszenzmikroskopie.

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Praktikum: Herstellung von mikroskopischen Präparaten

SchülerbuchSeite16/17

A8 DieSkizzesolltezeigen,wiedieZellwändebe-nachbarterZellenjeweilsaufeinanderstoßen.„Kreuzungen“solltenvermiedenwerden.

A9 Essollteunbedingtdaraufgeachtetwerden,dassdieskizzierteZellegroßgenugangelegtwird,umdieEinzelheitenmithinreichenderGenauigkeitdarstellenzukönnen.InderRegelsinddieMittellamellenundTüpfelrechtguterkennbar,währenddasCytoplasmahäufigSchwierigkeitenbereitet.DerHinweisdarauf,dieBlendeetwaszuschließenunddie„Zellenden“genauerzubetrachten,istofthilfreich,daderCytoplasmabelagdortdickerist.DerZellkernmitseinenNucleoliistmeistalsetwaskontrastreichereStrukturzuerken-nen.Zell-undTonoplastenmembransindnichtdirektsichtbar.SiemüssenmithilfeandererMethodenerarbeitetwerden.

A10DurchAufnahmevonMethylenblauerschei-nendieZelleninsgesamtdichterundkon-trastreicher.DieMundschleimhautzellensinddanngutzuerkennen,derZellkernistdeutlichzuidentifizieren.DadieZellenimUnterschiedzurZwiebelhauteinzelnaufdemObjektträ-gerliegenundkeineZellwandbesitzen,istihreFormunregelmäßigunddieOberflächeerscheint„zerknautscht“.

ArbeitsblattSeite23

A1 s.Abbildung

A2 DieBlattabdrückeunterscheidensichinFormundAnordnungderSpaltöffnungen(Unter-seitederBlätter),aufderOberseitefehlendieSpaltöffnungen.Thymianbesitztdornen-artigeHaare.DieZellenbildenstetseinenlückenlosenVerband,esgibtunterschiedlicheZellformen(s.Abbildung).

A3 DiemikroskopischenUntersuchungenderge-trocknetenGewürzezeigenimWesentlichenGewebe-undZelltrümmer.DieTrockenprä-paratelassendurchLufteinschlüsseundihreDickekeinegenauerenUntersuchungenzu.InWasseruntersuchtwerdeneinzelneBlatt-strukturendeutlicher.

HinweisezudenExperimenten

DieExperimentezudenGewürzpflanzenkönnenarbeitsteiliginverschiedenenGruppendurchge-führtwerden.DieSkizzeninderRandspaltezeigendieBlattbesonderheitenimSchema.

Literaturhinweise

Hahn, H., Michaelsen, J.: MikroskopischeDiagnostikpflanzlicherNahrungs-,Genuss-undFuttermit-teleinschließlichGewürze.Springer,Berlin1996

Hohmann, B.:MikroskopischeUntersuchungpflanzlicherLebensmittelundFuttermittel:derGassner.Behr,Hamburg2007

Plattner, H., Hentschel, J.: Zellbiologie.Thieme,Stuttgart2006

Liebstöckel-Blatt Thymian-Blatt Schnittlauch-Blatt

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Gewürze anhand von Blattabdrücken untersuchen

Material:BlättervonLiebstöckel,Thymian,SchnittlauchsowiederentrockeneGewürzzubereitungen,farbloserNagellackoderAlleskleber,Mikroskop,Rasierklinge,Pinzette

Durchführung:– BestreichenSieeinigeBlätterderGewürzpflanzenober-undunterseitsdünnmitdemfarblosenNagellack

odereinemTropfenAlleskleberundlassenSiedieBlätterfürca.20Minutentrocknen.ZiehenSiedieBlatt-abdrückedanachmitderPinzetteab.

– UntersuchenSiewährenddessenmitdemMikroskopdiegetrockneten,geriebenenoderzerstoßenenGewürzesowohlalsTrockenpräparatewieauchinWasser.

– FertigenSiemöglichstdünneOberflächen-bzw.QuerschnittevonfrischenBlätternan.

DasDilemmaderPflanzen—VerdurstenoderErsticken?ImSonnenlichtdrohenPflanzenauszutrocknen.UmdieszuverhindernsinddieBlättermiteinerwachsartigenSchicht(Kutikula)überzogen,dasWasserkannsonichtausdemBlattverdunsten.DieKutikulaverhindertabergleichzeitigdenGasaustausch,alsodieAufnahmevonKohlenstoffdioxidunddieAufnahmebzw.dieAusstoßungvonSauerstoff.DerGasaustauschistfürdieFotosyntheseunddieZellatmungunerlässlich.

EineLösungbietendieSpaltöffnungen.ZellenderEpidermissindzuSchließzellenumgeformt.ZwischendenSchließzellenfindetsicheineÖffnung,durchdiederGasaustauschmitZellenausdemBlattinnerenundderumgebendenLuftstattfindenkann.VerdunstetzuvielWasserschließensichdieSpaltöffnungenundschützensodiePflanzevorzugroßemWasserverlust—dannkannallerdingsauchkeinGasaustauschmehrstattfinden.SinktdieTemperaturkönnendieSpaltöffnungenwiedergeöffnetwerden.

A1 FertigenSieeineZeichnungderPräparatemitihrenBeson-derheitenanundbeschriftenSiedieSkizzen.StellenSiezunächstbeischwacherVergrößerungdurchZuziehenderBlendedenKontrasteinundzeichnenSiedannbeistärkererVergrößerung.

A2 BeschreibenSiedieAnordnungderSpaltöffnungenbeidendreiGewürzpflanzen.GebenSiean,welchebesonderenStrukturenThymianbesitzt.

A3 DieBestandteilederGewürzzubereitungenlassensichnurschwereinanderzuordnen.GebenSieGründedafüran.

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$2 Thymianblatt

1 BeispielefürGewürzpflanzen

ThymianLiebstöckel Schnittlauch

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SchülerbuchSeite19

A1 BeschreibenundvergleichenSiedieelektro-nenmikroskopischenBildereinesMitochon-driumsinAbb.1undAbb.2unterdemAspektderTEM-undREM-Technik.

– DasEM-BildinAbb.1zeigtkeineräumlicheAnordnung,sondernnurdieAufteilungvonRäumen,diedurchMembranengetrenntwerden.ManerkenntnurdieSchnittflächederMembranen.DasEM-BildinAbb.2zeigteineräumlicheStruktur.DieMembranensindauchalsFlächenzuerkennen.

A2 ErläuternSieanhandvonAbb.3,wiemanausdenUltradünnschnittenzueinerräumlichenDarstellunggelangt.

– DieeinzelnenSchnittederTEM-AbbildungenzeigenjeweilsnurdieSchnittflächederMemb-ranen.DurchdasAnordnenderSchnittflächenübereinanderergibtsicheineräumlicheStruk-tur,dadieSchnittflächenunterschiedlichgroßoderräumlichandersangeordnetsind.

ArbeitsblattSeite23

A1 DielichtmikroskopischeAufnahmeistwenigerscharfunddetailreich,wegendergeringenGrößedesPollensbefindetsichdasLicht-mikroskopanderoberenGrenzedesAuflö-sungsvermögens.DasREM-BildermöglichtdiedreidimensionaleDarstellungdesObjektsundzeigtdieOberflächedesPollens.OhnedenPollenaufzubrechenistesnichtmöglichdasInnereabzubilden.DieTEM-AufnahmezeigteinenUltradünnschnittdesObjektes.HierkanndasInneredesPollensdetaillierterkanntwerden.

A2 Lichtmikroskopeverfügennurübereinver-hältnismäßiggeringesAuflösungsvermögen,ermöglichenaberdieMikroskopielebenderZellen.FernersindPräparatemeisteinfachanzufertigenundermöglicheneinenerstenÜberblickaufdaszuuntersuchendeObjekt.DadiebenötigtenMaterialienundGeräteinderAnschaffungnichtsehrteuersind,findensiebreitereAnwendung.DasTEMbietetdasgrößteAuflösungsvermögenunddientinForschungoderDiagnostikzurdetailliertenDarstellungkleinsterStrukturen,wieZell-bestandteilen,VirenoderderDNA.AllerdingsistdieHerstellungeinesObjektesmittelsUltradünnschnitttechnikbesondersaufwän-dig.SowohlbeiErzeugungvonTEM-wieauchvonREM-AufnahmenmussfürgewöhnlichderKontrasterhöhtwerden,derUltradünnschnittentfälltbeidemREM-Verfahrenaber.DasAuflösungsvermögendesREMistgeringeralsdasdesTEM,aberdeutlichgrößeralsdasdesLichtmikroskops.DiemittelsREMerzeugtenBilderweiseneinehoheTiefenschärfeauf.

A3 Lichtmikroskopewerdennachwievorhäufigverwendet,nebenderForschungbeispielswei-seauchinderMedizinoderderKriminalistik.SieermöglicheneinemeistausreichendeVergrößerung,dienenderGewinnungeinesÜberblickes,ermöglichendieBeobachtunglebenderZellenundsindverhältnismäßigeinfachzubedienen.REMundTEMgelangennurdannzumEinsatz,wenneinegrößereAuflösungoderTiefenschärfenotwendigist.

Literaturhinweise

Munk, K. (Hrsg.):Biochemie— Zellbiologie.G.Thie-meVerlag,Stuttgart2008

Wanner, G.: Mikroskopisch-BotanischesPraktikum.G.ThiemeVerlag,Stuttgart2004

Elektronenmikroskopie

1 Transmissionselektronenmikroskop

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Vergleich mikroskopischer Aufnahmen

1 Andentanne

EsgibteineVielzahlkleiner,abersehrrelevanterStruktureninderBiolo-gie.VieledieserStrukturenkönnennurunterdemMikroskopbetrachtetwerden,dadasAuflösungsvermögendesmenschlichenAugeszugeringist,umsiezuerkennen.

IstauchdasAuflösungsvermögendesLichtmikroskopszugering,kannaufzweiverschiedeneArtenderElektronenmikroskopiezurückgegriffenwerden,dieTransmissionselektronenmikroskopie(TEM)unddieRaster-elektronenmikroskopie(REM).

DieverschiedenenbildgebendenVerfahrenbietenunterschiedlicheVor-undNachteile.MithilfederelektronenmikroskopischenVerfahrenkönnenstärkereVergrößerungenvorgenommenwerdenundsokleineStrukturengenauerbetrachtetwerden.AllerdingsmüssendieObjektenacheinemVerfahrenvorbereitetwerden,dassdieBeobachtungleben-derZellenausschließt.DieinZellenstattfindendenProzessekönnendahernichtinihremAblaufbeobachtetwerden.WillmanverschiedeneStadieneinesProzessesdarstellen,gelingtdiesnurdurchdieMikrosko-piemehrererZellenineinemjeweilsunterschiedlichenStadium.

UnterdemLichtmikroskophingegenkönnenauchlebendeZellenbeobachtetwerden.SokannbeispielsweisedieGeschwindigkeitderProtoplasmaströmunginPflanzenzellengemessenwerdenoderdieBewegungvonBakterienuntersuchtwerden.AußerdemistdieHerstellungvonObjektenzurlichtmikroskopischenUntersu-chungwenigeraufwändig.

2 DreiAufnahmeneinesPollensderAndentanne(Araucariaaraucana)

A1 BeschreibenundvergleichenSiedieAbbildungeneinesPollensderAndentanne,diemithilfedesLicht-mikroskops,desTEMunddesREMaufgenommenwurden(Abb.2).

A2 StellenSiedieVor-undNachteilederdreiMikroskopierverfahrengegenüber.HierbeikönnenSieauchaufdasSchulbuchzurückgreifenodereineInternetrecherchedurchführen.

A3 NehmenSieStellungzufolgenderAussage:„LichtmikroskopesindeineveralteteTechnik,dieheutenichtmehrbenötigtwird.“BegründenSieIhrePosition.

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LichtmikroskopischesBild TEM-Bild REM-Bild

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Der Bau tierischen und pflanzlicher Zellen

SchülerbuchSeite21

A1 OrdnenSiedieverschiedenenOrganellennachgemeinsamenKriterien.LegenSiehierbeianhandderInformationenimTextOrdnungskriterienselbstfest.

– Ordnungskriterienkönnensein:DieGrößederOrganellen,dieMembranalsDoppelmembran,EinfachmembranoderkeineMembran,dieFunktionundBedeutunginderZelle,obdieOrganellensichteilenkönnenodernicht.

ArbeitsblattSeite27

A1 LösungsieheTabelle.Beispielkönntensein:DieäußereHüllmembranderMitochondriengrenztandasCytoplasmaundandenInter-membranraum(nichtplasmatisch),dieinnereMembranhatdieMatrixalsplasmatischePhase.BeiOrganellenmiteinfacherMembranistdieeineSeitejeweilsdemCytoplasma,dieanderedernichtplasmatischenPhasezuge-wandt.

A2 BläschenschnürensichvoneinerMem-branabundkönnenmiteineranderenverschmelzen.HierdurchentstehenneueKompartimenteoderesverschmelzenzweiKompartimentezueinem.TrotzdembleibtinbeidenFällendieKompartimentierungsregelerhalten,d.h.stetsgrenzteineMembraneineplasmatischePhasevoneinernichtplasma-tischenab.

A3 DurchdieKompartimentierungwerdenStoff-wechselwegegetrennt,diedadurcheffektiver,störungsfreierundregulierbarablaufen.MembrangebundeneProzessefindenaufdergroßenOberflächederinnerenMembranderMitochondrienbzw.andenMembranendesERundderDictyosomenstatt.VolumenmäßigdominiertdasCytoplasma.DieLeberzellenderRattenweiseneinenhohenVolumenanteilanMitochondrienauf.AuchdasraueundglatteERistrelativstarkausgeprägt,beieinemVerhältnisdesglattenzumrauenERvonca.1zu2.DieLeberzellehatdemzufolgeeinenhohenEnergiestoffwechsel(Mitochondrien)undeinehoheProduktivität,vorallemhin-sichtlichderEnzymproduktion(rauesER).

Literaturhinweise

Alberts, B.: MolekularbiologiederZelle.Wiley-VCH,Weinheim2003Goodsell, D.:WieZellenfunktionieren–Wirtschaft

undProduktionindermolekularenWelt.Spektr.Akad.Verlag,Heidelberg2010

Zelle

Zellmembran

+

ohne Membran

Ribosomen Peroxisomen

Endoplas-matischesRetikulum

Lysosomen MitochondrienChloroplasten

Vakuole(n)

Cytoskelett

Centriol

Golgi-Apparat

mit einfacher Membran mit Doppelmembran *

*) Der Zellkern könnte auch hier eingeordnet werden, ist aber aufgrund seiner besonderen Funktion ausgegliedert.

Zellwand beiPflanzenzellen

Zellkern mit Doppelmembran, Karyoplasma, Chromatin

und Nucleoli

Organellen im Cytoplasma Grundplasma

Cytoplasma

Zellinhalt = Protoplasma

1 KompartimenteeinerZelle 2 LösungzuAufgabe2(Arbeitsblatt)

ZellorganellemitEinfachmembran

Funktion

Plasmamembran FilterundKontaktzonezumAußenbereich,AbgabeundAuf-nahmevonSignalenundStoffen

ERundDictyo-somen

Synthese,Speicherung,TransportvonStoffen(Fette,Eiweißeusw.)

Vakuole Abbau,Ablagerung,SpeicherungvonStoffen

ZellorganellemitDoppelmembran

Funktion

Zellkern DNA-Replikation

Mitochondrien Zellatmung,Energiegewinnung

Chloroplasten Fotosynthese

ZellorganelleohneMembran

Funktion

Ribosomen OrtderEiweißsynthese

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Kompartimentierung einer Zelle

DieKompartimentierungsregel,die1965vonE. Schnepf aufgestelltwurde,besagt,dasseinebiologischeMembranstetseinenichtplasmatischePhasevoneinerplas-matischenPhasetrennt.Stoffwechselre-aktionenkönnenindenplasmatischenBereichen,dennichtplasmatischenBereichenundmembrangebundenab-laufen.DieAbbildung1zeigtschematischdieKompartimentierungeinerZelle.DieTabelle(Abb.2)gibtan,welchenAnteilZellorganelleneinerRattenleberzelleanalleninderZellevorhandenenVoluminabzw.Oberflächenhaben.

Zellbestandteile absolutesVolumen(µm3)

AnteilamZell-volumen(%)

AnzahlderStrukturen(Absolutwerte)

Oberflächen(µm2)

gesamteZelle 4940 100 (1) 1740

Zellkern 4300 106 1

Cytoplasma 4640 94

ImCytoplasmaenthalten:GrundplasmaundrestlicheKomponen-tenMitochondrien

2723

1070

1111153,811121,7

1665

außen:7450innen:34800

Dictyosomen(Golgi-Stapel) <50 <1 mehrere

Lysosomen <41 0,8 ca.100

EndoplasmatischesRetikulum(ER)davon:glattesER

rauesER(rER)rER-gebundeneRibosomen

756

42894467

15,4

11115,91

1119,5

ca.21,27x106

63000

25100

37900

2 AnteilverschiedenerKomponentenaneiner„typischen”Säugetierzelle(ZellenderRattenleber)

A1 StellenSieineinerÜbersichtZellorganellenmitDoppelmembranundeinfacherMembransowiederenFunktionentabellarischzusammen.ErläuternSiedieKompartimentierungsregel.VerwendenSiehierfürauchInformationenausdemSchulbuch.

A2 WieabgeschnürteBläschenzeigen,istinderaktivenZelledasMembransysteminständigerBewegung.WirddadurchdieKompartimentierungsregeldurchbrochen?BegründenSieIhreEinschätzung.

A3 ErläuternSie,welchebiologischeBedeutungdieKompartimentierungfüreineZellehat.GebenSieSchlussfolgerungenan,dieausdenDateninAbb.2hinsichtlichderwesentlichenReaktionsräumebzw.Reaktionsflächengezogenwerdenkönnen.

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1 KompartimentierungamBeispieleinerLeberzelle

Mitochondrium

Ribosomraues Endoplasmatisches Retikulum

Golgi-Apparat

NukleolusZellkern

glattes Endo-plasmatisches Retikulum

Kernhülle

Lysosom

Zellmembran

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SchülerbuchSeite23

A1 ErklärenSieineinemText,welcheBedeutungdieZentrifugationfürWissenschaftlerbeiderErforschungderZellehat.

– UmdieFunktiondereinzelnenOrganellenuntersuchenzukönnen,müssensiegetrenntvondenanderenOrganellenvorliegen.EineMöglichkeit,dieOrganellenvoneinanderzutrennen,istdieDichtegradientenzentrifugation.HierbeiistdieunterschiedlicheDichtederOrga-nellendieVoraussetzung,sehrkleineStrukturenvoneinanderzutrennen.

A2 VergleichenSieineinemkurzenTextdieDifferentialzentrifugationmitderDichtegradi-entenzentrifugation.

– DieDifferentialzentrifugationnutztdieunter-schiedlicheSedimentationsgeschwindigkeitderverschiedenenOrganellen.DurchTestswirddieZeitermittelt,bissichdiejeweiligenOrganellenamBodenabsetzen.DerRestbleibtimÜber-stand.BeiderDichtegradientenzentrifugationlassensichindenverschiedenenDichtezonendiederDichteentsprechendenOrganellengleichzeitigauftrennenundabsaugen.

A3 IneinemModellversuchwerdendreiTisch-tennisbällemitverschiedenkonzentriertenKochsalzlösungengefüllt.GibtmandieBälleineinenStandzylindermitWasser,sinkenalledreiaufdenBoden.LöstmanRohrzuckerindemStandzylinderauf,beginnenzweizuschweben,derdrittebleibtuntenliegen.ErklärenSiediesesModellexperimentunterdemAspektderDichtegradientenzentrifuga-tion.

– DieverschiedenenKonzentrationenderKoch-salzlösungindenTischtennisbällenführendazu,dasssiesichjenachDichteinderZucker-lösunganordnen.Sieentsprechendenverschie-denenOrganellen,dieZuckerlösungderLösungimZentrifugenglas.AlleszusammenwäredasaufgetrennteHomogenat.

ArbeitsblattSeite29

A1 WenngenugSalzzudemWasserimGlaszylin-dergegebenwurde,beginntjenerTennisballmitderamstärkstenverdünntenLösungzuschweben.WirdweiteresSalzhinzugegeben,erhebtsichauchderzweiteTennisball.JenerTennisballmitdergesättigtenLösungver-bleibtinBodennähe.

A2 IstdieDichtederLösungimGlaszylinderhöheralsdieDichtederLösungimTennisballsteigtdieserauf.WirdstetigSalzhinzugege-ben,erhebtsichzunächstderTennisballmitdergeringstenVerdünnung,dadieserdiegeringsteDichteaufweist.JenerTennisballmitdergesättigtenLösungsteigtnichtandieOberfläche,dabeigleicherTemperaturdieDichtedergesättigtenLösungindemTennisballnichtgeringerseinkannalsindemGlaszylinder.

A3 EinVerfahren,welchesnachdiesemPrinzipZellorganellenisoliert,musseineFlüssigkeitverwenden,derenDichtehöheristalsdiedesZellorganells.Zellorganellenweisenunter-schiedlicheDichtenaufundsteigenfolglichbeiunterschiedlichkonzentriertenLösungenauf.AnderOberflächekönnenOrganellenent-nommenwerdenundstehennunderAnalysezurVerfügung.SindalleZellbestandteileeinerbestimmtenDichteentnommen,kanndieKonzentrationdesMediumserhöhtwerden,umZellorganelleneinerhöherenDichteauf-steigenzulassen.

A4 BeidemModellversuchistdieDichtederLösungimGlaszylinderweitestgehendein-heitlich.BeiderDichtegradientenzentrifuga-tionwerdenhingegenineinemZentrifugen-glasverschiedeneDichtezoneneingerichtet,sodasseinDichtegradiententsteht.Hierdurchistesmöglich,innerhalbeinesBehältnissesverschiedeneKörperunterschiedlicherDichteineinemDurchgangzutrennen.BeidemModellversuchwurdeaucheineZentrifugezumEinsatzgebracht,beiderDichtegradien-tenzentrifugationhingegenbeschleunigendieZentrifugalkräftedasEinwandernderzutren-nendenKörperindiejeweiligeDichtezone.

DichtevonZellbestandteilen

DieeinzelnenZellbestandteileweiseneineähn-licheDichteauf,aberindenmeistenFällennichtgleiche(WertenachRobinsonundHinz,Abb.1).DieindenBandennachderDichtegradienten-zentrifugationangereichertenOrganellenkönnenelektronenmikroskopischidentifiziertwerden.DamitkannauchdieReinheitderBandeermitteltwerden.

1 DichtevonZellbestandteilennachRobinson undHinz

Literaturhinweise

Plattner H., Hentschel, J.: Zellbiologie,ThiemeVerlag,Stuttgart2011

Richter, G.:PraktischeBiochemie—GrundlagenundTechniken.ThiemeVerlag,Stuttgart2003

Robinson, D. G, Hinz, G.: Organelleisolation.In:Hawes, C., Satiat-Jeunemaitre, B., eds.PlantCellBiology.OxfordUniversityPress,Oxford2001,S.295—323

Zellbestandteile werden isoliert

Organell Dichte(g•cm-3)

Kernhülle 1,30—1,32

Chloroplasten 1,25

Mitochondrien 1,25

Golgi-Vesikel 1,12—1,15

rauesER 1,13—1,18

glattesER 1,08—1,12

Zellmembran 1,13—1,18

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Nach Dichte getrennt — ein Modellversuch

IneinerZellearbeitendieZellorganellenzusammen.Wiekannmanaberherausfinden,welcheFunktionzumBeispielRibosomenoderMitochondrienhaben?ZurBeantwortungdieserFrage,isoliertmandieZellbestand-teile.HierzunimmtmaneinigegleichartigeZellenundzerstörtihreZellmembran.Dadurchentstehtein„Brei“ausZellmembrantrümmern,CytoplasmaundZellorganellen,deralsHomogenatbezeichnetwird.

IndiesemHomogenatkönnensichdieOrganellenunabhängigvoneinanderbewegen.DamitistdieVorausset-zungfürdieTrennungderOrganellengegeben.IneinemTrennungsverfahrennutztmandieTatsache,dassdiemeistenZellbestandteileeineunterschiedlicheDichtehaben.DieDichtebezeichnetdasVerhältnisdesVolumenszurMasseeinesKörpers.AuchgleichgroßeZellbestandteile(gleichesVolumen)könneneineunterschiedlicheMasseunddahereineunterschiedlicheDichteaufweisen.

DieFunktionsweiseeinessolchenTrennungsver-fahrenskannmananfolgendemModellversucherkennen.

Material:3Tischtennisbälle,Spritze(50ml)mitInjektionsnadel,Salz,Wasser,3Bechergläser(min150ml),Glaszylinder(inwelchemdie3Tischtennisbällenebeneinanderliegenkönnen,min.15cmhoch),Messzylinder,wasserfesterStift

Durchführung:StellenSieeinegesättigteSalzlösungher,indemSie100mlWasserineinBecherglasgebenundunterRührenSalzhinzufügen,bissichweiteresSalznichtmehrauflöst.ErstellenSiehierauseineVerdünnungsreihenach(Abb.1).

ZiehenSiedieSpritzemitdergesättigtenLösungaufundinjizierenSiedieseineinenTischtennisball,bisdieservollständiggefülltistundkeineLuftmehrenthält.BeschriftenSiedenTischtennisball,umdieBällespäterunter-scheidenzukönnen.InjizierenSieanschließendauchdiebeidenanderenLösungeninjeeinenTischtennisball.

FüllenSiedenGlaszylindermitWasserundgebenSiedieTischtennisbällehinein.LassenSienunSalzeinrieselnundbeobachtenSiedieTischtennisbälle.

A1 FührenSiedenModellversuchdurchundbeschreibenSiedasErgebnis.

A2 ErklärenSieihreBeobachtungenausdemModellversuch.

A3 LeitenSieausdenErgebnissendesModellversuchseinVerfahrenab,mitdemmanZellorganellenisolie-renkann.

A4 InformierenSiesichmithilfedesSchulbuchsüberdieDichtegradientenzentrifugation.VergleichenSiedasVorgehenmitdemModellversuch.

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1 SkizzezurVersuchsvorbereitung

100 ml Wasserund Salz

Auffüllen mitWasser

Auffüllen mitWasser

gesättigte Lösung

100 ml

10 ml

100 ml 100 ml

Ball 3Ball 2Ball 1

10 ml

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ZelleausderLuftröhremitCilien

SchülerbuchSeite25

A1 FassenSietabellarischdieverschiedenenFunktionendesCytoskelettszusammen.

– DieBedeutungdesCytoskelettsliegtinderStützfunktion,derVerankerungvonOrganellenundderBewegung.BeiderBewegunggehtesumdieBewegungderZelledurchVerän-derungenderFilamenteanderMembranin-nenseiteunddieBewegungvonOrganellen,VesikelnodergroßenMolekülen.

A2 ErstellenSieanhandderAbb.5einDrehbuchzurBewegungderMotorproteineaufdenMikrotubuli.

– IndemDrehbuchmussATPaufgenommensein,welcheszuADPundPhosphatwird.DieEnergiegelangtzudenMolekülenderMotorproteine.DieEnergieermöglichteineBewegungderbeidenFüßchenderMotorproteine,welchedadurchihreLageaufdemCytoskelettfila-mentsändert.HierdurchhebtsichwiebeimLaufvorgangeinFüßchen,währenddasandereunbewegtbleibt.DurchdasVorstreckenundnachvornKippendeserhobenenFüßchenskommteszueinerVorwärtsbewegung.

ArbeitsblattSeite31

A1 DieAnordnungderMikrotubulialsPaareimRandbereichderGeißelermöglichtdasEntlangschiebenderA-RöhreanderB-RöhremittelsDynein.DadieRöhrenmiteinanderverbundensind,führtdieszueinerBiegungbeiderRöhrenundletztendlichderGeißel.DieAnordnungderMikrotubuli-RöhreninKreisformdientderStabilitätundermöglichteineBewegunginjedeRichtung.

A2 SpermienbewegensichmithilfevonGeißeln.KannkeinDyneingebildetwerden,könnensichdieMikrotubuli-Röhrennichtgegenei-nanderverschiebenunddieGeißelkannsichnichtbewegen.DieSpermiensindfolglichbe-wegungsunfähigundkönnendahernichtzueinerEizellegelangen,umdiesezubefruch-ten.DasssichSchleimundkleineFremdkör-perbeiPersonenmitdieserKrankheitinderLungesammeln,legtdieVermutungnahe,dassdieseanderenfallsauchdurchGeißelbe-wegungenausderLungeemportransportiertwerden.

Begriffsverwirrung

InderLiteraturwirdteilweisevonGeißeln,Cilien(Zilien)oderFlagellengesprochen.GeißelnundCilienfolgendemselbenAufbauundunterschei-densichmaßgeblichdadurch,dassCilienkürzersindundeineZelleoftübervieleCilienverfügt(etwaimFlimmerepithelderAtemwege).GeißelnhingegensindlängerundkommeningeringerStückzahl,meisteinzeln,inZellenvor(beispiels-weisebeiSpermien).

FlagellenhingegenfindensichbeiProkaryoten,sieliegenaußerhalbderZellmembranundsindausdemProteinmolekülFlagellinaufgebaut.

ForschungzumAufbauderMikrotubuli

ErkenntnissezumAufbauderMikrotubulistoßenaufvielenGebietenaufInteresse.ImBereichderMedizinwirdschonlängerihreBedeutungfürdieKrebsforschungdebattiert,daderAufbauderMikrotubuliverhindertwerdenkann,umsodieZellteilungderKrebszellenzumanipulieren.Erforschtwirdauch,obesmöglichist,Medika-menteinbestimmteBereichederZellezubringen,indemmansieinMikrotubulieinbringt,dadieRöhrengezieltwachsen.

AuchfürdieEntwicklungundVerbesserungkünstlicherNanomaterialienbietetderAufbauderMikrotubuliinteressanteErkenntnisse,daMikro-tubulisehrbiegsamsind,jedochsteiferwerden,jelängersiewerden.

Literaturhinweise

Munk, K. (Hrsg.):Mikrobiologie.G.ThiemeVerlag,Stuttgart2008

Pampaloni, F.et.al.:Thermalfluctuationsofgraftedmicrotubulesprovideevidenceofalength-dependentpersistencelength.InPNAS2006.Vol103,no.27(Englisch)

http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-4971-2006-07-04.html

Das Cytoskelett

1 QuerschnittdurcheineGeißel(schematisch)

Doppelmikro-tubulus

B-Röhre

Dynein

2 zentraleMikrotubuli

Stützprotein

Zellmembran

A-Röhre

SpermienmiteinerGeißel

BakteriummitFlagel-lum

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Bewegung ohne Muskeln

UnserenKörperkönnenwirbewegen,indemwirMuskelnanspan-nen.EinzellerundBakterienverfügennichtüberMuskeln,könnensichabertrotzdemfortbewegen.AuchimmenschlichenKörperfin-densichZellen,diedazubefähigtsind,zumBeispielSpermienzellen.SienutzenhierfürGeißeln.

GeißelnsindAusstülpungeneinerZelle,dereneinesEndeamBasal-körperimCytoplasmaentspringt,währenddasandereEndeindasumgebendeMediumragt,dabeiaberimmervonderPlasmamem-branumgebenist.ImQuerschnittdurcheineGeißelerkenntman,dassdieseausMikrotubuliaufgebautsind.Mikrotubulidienenfolg-lichnichtnurdemTransportinderZelle,sondernkönneninGeißelnauchZellenbewegen.DieMikrotubuliineinerGeißelsindtypischer-weisenachdem9+2-Musterangeordnet,d.h.neunMikrotubuli-PaareumgebenringförmigzweizentraleMikrotubuli(Abb.1).

AufderOberflächederMikrotubulifindensichProteine.FürdieBewegungistdasProteinDyneinvonentschei-denderBedeutung.EsistinderA-RöhrefestverankertundkannsichanderbenachbartenB-Röhreentlangschieben.DazubenötigtesEnergie.DadieMikrotubuliinnerhalbeinerGeißelüberweitereProteinemiteinan-derverbundensind,beugtsichdieGeißelineineRichtung.AnschließenderfolgtdieBewegungindieGegen-richtung.DurchdiesesVor-undZurückschnellenwirktdieBewegungpeitschenartig.

A1 ErläuternSiedieBedeutungderAnordnungderMikrotubuliineinerGeißelalsPaareundinderKreis-form.

A2 EineErbkrankheitberuhtaufdemFehlenvonDynein.DieführtzuAtemproblemen,dasichSchleimundkleineFremdkörperinderLungeansammeln.BeiMännernführtesauchzurUnfruchtbarkeit.ErmittelnSiedieZusammenhänge.

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1 QuerschnittesdurcheineGeißel(TEM-Aufnahme)

2 SchematischeDarstellungderGeißelbewegung

3 Mikrotubuli-PaarbeiBewegung

A-Röhre

Dynein

A-Röhre

A-Röhre

B-Röhre

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Einzeller Vom Einzeller zum Vielzeller — ein Denkmodell

SchülerbuchSeite26

A1 StellenSiemithilfeeinerSkizzedenLichteinfallbeieinerrotierendenEuglenadarunderklärenSiedarandieAusrichtungzumLicht.

– InderSkizzemusseineLichtquelleaneinemunverändertenOrtsein.EuglenahatimBereichderGeißeldenAugenfleck.IndenverschiedenenSkizzenwirddieRotationvonEuglenadadurchverdeutlicht,dassdieLagedesFotorezeptorsunddesAugenfleckssichzumLichthinändert.EinmalistderAugenfleckimLichtstrahl,dasanderemalderFotorezeptor.FälltdasLichtnichtaufdenFo-torezeptor,wirddieBewegungderGeißelerhöht,bisdieAusrichtungzumLichtwiedererfolgtist.

SchülerbuchSeite27

A1 ErklärenSie,warumessichbeiderimTextbeschriebenenReihungumeineModellvor-stellungfürdieEntwicklungvonMehrzellernhandelt.

– EinDenkmodellstelltdieRepräsentationeinesoriginalenAblaufsdar,wobeideroriginaleProzessunzähligeDetailsundZwischenschritteaufweist,währenddasDenkmodellsichaufdiewesentlichenAbläufeundZwischenschrittebzw.Zwischenformenkonzentriert.Diebeschrie-benen,heutevorkommendenArtenstellendenkbareZwischenschrittebeiderEntwicklungzuVielzellerndar.DieseArtenstammenabernichtvoneinanderab.

ArbeitsblattSeite33

A1 ChoanoflagellatensindtierischeEinzeller,inFormderChoanocytenderSchwämmeaberTeileinesVielzellers.SchwämmesindechteVielzellermiteinerArbeitsteilung.Chlamy-domonasisteinpflanzlicherEinzeller,dieweiterenGrünalgensindZellkolonien.HierteilensichdieZellen,trennensichabernicht(Zellteilungskolonien).VolvoxisteineinfacherMehrzeller(hochorganisierteZellkolonie)mitsomatischenundgenerativenZellen.DictyosteliumisteinBeispielfüreineAggre-gationskolonie,diesichunterungünstigenUmweltbedingungenbildet.

A2 DieindividuelleLösungkannz.B.aufdieVor-teilederArbeitsteilungunddenNachteil,dassnichtmehralleZellen„ewig“leben,eingehen.

Pantoffeltierchen,Wimperntierchenund Staatsqualle

DasgrünePantoffeltierchenParameciumbursariaenthältmehrerehundertChlorella-Zellen,dieihrenheterotrophenWirtmitProduktenderFotosyntheseversorgenundvonihmmitanorganischenIonenundCO2beliefertwerden.DieVerdauungdergrünen„Gäste“wirddurcheinOberflächenproteinderChlorellenver-hindert.DasgrüneParameciumistimGegensatzzuanderenPantoffeltierchenphototaktisch.UntergeeignetenUmständensindsowohldieParame-cienalsauchdieChlorella-Zellenalleinelebensfä-hig,werdenaberdankihresSelektionsbonusnurvergesellschaftetvorgefunden(s.Randspalte).

BäumchenähnlicheWimperntierchenEinigeCiliatenhabenglocken-odertrompeten-ähnlicheFormenundsindgestielt(Stentor,Vorti-cella).SiesitzendanninKolonienzusammenaufeinemSubstrat.Carchesium-undZoothamnium-ArtenbildenbaumartigeoderfiederförmigeZu-sammenschlüsseausmehralshundertIndividuen.BeiZoothamniumunterscheidensichältereEinzel-zelleninBauundFunktion:EinigesindFresszellen,anderesorgenfürdieungeschlechtlicheVermeh-rungderKolonieundeinedritteFormwirdzuSchwärmern,diesichvonderKolonieablösenundandernortsneueKoloniengründen(s.Randspalte).

DieStaatsqualleDieQuallengehörenwiederSüßwasserpolypzudenNesseltieren.EineStaatsquallebestehtausvielenEinzelorganismen,dieungeschlechtlichdurchKnospungauseinereinzigenQuallenlarveentstandensind.Siebleibenübereinengemein-samenMagen-Darm-Raummiteinanderverbun-den,sindaberselbststarkspezialisiert.EinigedienenderFortbewegung,anderederErnährungoderFortpflanzung.KeinesderEinzeltiereistalleinlebensfähig(s.Randspalte).

GlockentierchenGlockentierchen

Pantoffeltierchen

Staatsqualle

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Einzeller, einfache Mehrzeller oder echte Vielzeller?

VielzellerundEinzellerunterscheidensichnichtnurinderZahlderZellen.EinEinzellervereinigtallezuseinemLebennotwendigenFähigkeiteneinschließlichderReproduktionineinereinzigenZelle.IneinemVielzellersinddieZellendifferenziertundspezialisiert(Arbeitsteilung).ZurReproduktiondienengeschlechtlicheoderungeschlechtlicheVorgänge,alleZellenkommunizierenmiteinander.ZurBewältigungallerAufgabenverfügenvielzelligeOrganismenübereinkomplexeresGenom,sodasssichdieTendenzergibt:HöherentwickelteOrganis-menbesitzeneinvielfältigeresGenom.

Vom„Kragengeißler“zumSchwammEinKragengeißeltierchen(Choanofla-gellat)isteinmeistfestsitzender,chlorophyllloserEinzeller.MithilfeseinesKragensfischterNahrungs-partikelwiemiteinerReuseausdemWasser.ÄhnlichgebauteZellenfindetmanauchinSchwämmen.IhrKörperwirdvoneinergallertartigenStützschichtgebildet,aufdieaußenDeckzellenaufgelagertundinnenKragengeißelzelleneingelagertsind.InKammernangeordnet,dienensiederNahrungsaufnahme.ÄhnlichdenfreilebendenFlagellatenerzeugensiemitihrenGeißelneinenWasserstrom,ausdemsiediePartikelmithilfeihresKragensabfangen.AmöboideZelleninderStützschichtübernehmenweitereFunktionenwiez.B.dieAusbildungvonFortpflanzungszellen.

VielfältigeGrünalgenBeiChlamydomonasbleibendievierTochterzellen,dieinzweiTeilungsschrittenderun-geschlechtlichenVermehrungentstehen,nurkurzfristigzusammen.BeiGoniumsind4bis16ähnlicheZellendauer-haftverbunden,könnenaberaucheinzelnweiterleben.Pandorina(16Zellen)undEu-dorina(32bis64Zellen)sindvergleichbareBeispiele.DieKugelalgeVolvoxhatschließ-lichmehreretausendZellen,wovoneinigederFortbewe-gungundErnährung,andereabernurderFortpflanzungdienen.Hiergibtesdieerste„Leiche“,dadievegetativenZellenabsterben.

DerSchleimpilzDictyosteliumDieamöboidenZellenkommeninhumus-reichenWaldbödenvor.Sielebenbeiaus-reichendemNahrungsangeboteinzelnundkönnensichaufeinemBakterienraseninnur3Stundenverdoppeln.VersiegtdieNahrungs-quelle,bewegensichdieZellenaufeinanderzu.DieseAggregationsphasewirddurcheinAlarmsignal,daseinzelneZellenaussenden,ausgelöst.Etwa100000findensichzueinemPlasmodiumzusammen,dassichfortbewegenundineinemFruchtkörperSporenbildenkann.

A1 UntersuchenSiedieimTextgenanntenverschiedenenEinzelbeispiele,obessichumeinenEinzeller,einfachenMehrzelleroderechtenVielzellerhandeltundbegründenSieIhreZuordnung.

A2 BewertenSieVor-undNachteile,dieVielzellernachIhrerMeinungimVergleichzuEinzellernhaben.

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Ausströmöffnung

Einström-öffnung

Ausström-öffnung

Sporenträger

Wanderphase

ConusVermehrung

Aggregation

1 DreiLebewesenimVergleich

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Zelldifferenzierung bei pflanzlichen Zellen Zelldifferenzierung bei tierischen Zellen

SchülerbuchSeite29

A1 MehrereGewebetypen,diesichuntereinanderergänzen,werdenalsOrganbezeichnet.Infor-mierenSiesich,welcheOrganebeiPflanzenunterschiedenwerdenundwelcheFunktionsieerfüllen.

– PflanzenbesitzendiefolgendendreiGrundor-gane:Blatt,WurzelundSpross(=Stamm)1.DieFunktiondesBlattes:OrtderFotosyn-theseunddesGas-/WasseraustauschessowieSchutzderKnospen2.DieFunktionderWurzel:Verankerung/Be-festigungimBoden;SpeicherortfürzahlreicheStoffe;Wasser-undNährstoffaufnahmeüberfeinsteHaarwurzeln3.Spross:FestigungdergesamtenPflanze,oftauchzusätzlichdurchLignin-Einlagerung;StofftransportzwischenWurzelundBlatt.

ArbeitsblattSeite35

A1 HiersindeineVielzahlindividuellerLösungs-wegemöglich.EinBeispielwäre:Lipid(Mole-kül)–Mitochondrium(Organell)–Nervenzelle(Zelle)–Nervengewebe(Gewebe)–Gehirn(Organ)–Mensch(Organismus).JedehöhereOrganisationsebeneenthältdabeimehrere,verschiedenartigeStrukturenausderdarunterliegenden,beispielsweiseverfügtderMenschüberweitereOrgane,ImGehirnfindensichweitereGewebearten,usw.

A2 BeispielsweisekönnenMenschensehen,obwohl(aufderOrganebene)dasAugeselbstvisuelleReizenichtdeutenkann,bzw.dasGehirnselbstdemLichtnichtausgesetztist.InderNetzhaut(Gewebeebene)wirdLichtinNervenimpulseumgewandelt,abernichtausgewertet,dieStäbchenderNetzhaut(Zellebene)sindlichtempfindlich,dienenaberwederderFarbwahrnehmungnochergibt

dasSignaleineseinzelnenStäbchenseinGe-samtbild.DieMitochondrien(Organellebene)indenStäbchenunterscheidensichnichtvondeneninanderenKörperteilen,sieproduzie-renATP,sindabernichtlichtempfindlich.InderMembranderMitochondrienbefindensichPhospholipide(molekulareEbene),diewederanderReizwahrnehmungnochderReizverarbeitungbeteiligtsind.ErstdurchdasZusammenspielallerunterenOrganisations-ebenenergibtsichaufderEbenedesOrga-nismusMenschdieFähigkeitdieUmgebungzusehen.DasGanze(derOrganismus)verfügtinsofernüberFähigkeiten,überdiekeinBestandteildesmenschlichenKörpersalleinverfügt.

A3 BeiEinzellernentfallendieOrganisationsebe-nenGewebeundOrgan.SiestellendennocheinlebensfähigesSystemdar,dessenBe-standteileaufdenunterenEbenen,beispiels-weisederderOrganellen,zusammenwirken.InsoferntrifftdieBezeichnung„Organismus”zu,obwohlEinzellersichnichtaufallenOrga-nisationsebenenbeschreibenlassen.

Gewebeerkennen

AnvielenmikroskopischenPräparatenkannleichterkanntwerden,dassZellengleicherBauweisezuGewebengruppiertvorkommen,beispielsweisebeieinemBlattquerschnitt(Abb.1).Dermorpholo-gischeVergleichunddieZuordnungdifferenzierterZellenzuspezifischenGewebenentsprechenddemKernlehrplan,bietensichalsEinstiegan.

Literaturhinweise

Campbell, N., Reece, J.:Biologie.SpektrumVerlag,Heidelberg2003

Munk, K. (Hrsg.):Biochemie—Zellbiologie.wG.ThiemeVerlag,Stuttgart2008

BasiskonzepteDieStrukturebenenderOrganisationvonLebewesenkönnenunterdemAspektdesBasiskonzeptsSystembetrachtetwerden.

1 BlattquerschnitteinesLaubblatts(zweikeimblättrigePflanze)

Kutikula

Epidermis

Pallisadengewebe

Schwammgewebe

Spaltöffnung

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Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Einzelteile

EinLebewesenkannaufverschiedenenEbenenbetrachtetwerden.BeispielsweisekannmaneinenBaumalsGanzesuntersuchenoderauchnureineZelleeinesBlattes.MansprichthiervonStrukturebenen,diehierarchischangeordnetsind,alsoaufeinanderaufbauen.LetztendlichistjedesLebewesenausAtomenaufgebaut,welchesichzuMolekülenzusammenlagern,ausdenenOrganellenaufgebautsind,dieeineZellebilden,usw.

EbenenderOrganisation

A1 BeschreibenSiedieeinzelnenEbenenderOrganisationaneinemkonkretenBeispielfürdenmenschli-chenOrganismus.

A2 NehmenSieStellungzurÜberschriftundfindenSieBeispiele.

A3 EinzellerwerdenebenfallsalsOrganismenbezeichnet.GebenSiean,welcheOrganisationsebenenbeiEinzellernfehlenunddiskutierenSie,obdieBezeichnungalsOrganismustrotzdemzutrifft.

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EinOrganistausmehrerenverschiedenenGewebeartenaufgebaut.EinLaubblattbeispielsweiseverfügtübereineKutikula,Palisadengewebe,SchwammgewebeundLeit-gewebe.ErstdieZusammenarbeitdereinzelnenGewebe-artenermöglichtdieFunktiondesOrgans.

MehreregleichartigeZellenkönnengemeinsameinGewebebilden,daseinebestimmteFunktionübernimmt.DieFotosynthesefindetbeispielsweiseineinemBlatthauptsächlichimPalisadengewebestatt.DiesesGewebebestehtausgroßenZellen,diebesondersvieleChloro-plastenenthalten.

EinzelneZellenkönnensehrunterschiedlichbeschaffensein,jenachihrerFunktion.DieSteinzellenineinemKirschkernsindbeispielsweiseandersbeschaffen,alsdieZellenineinemBlatt.ZellenenthaltenoftvieleZellor-ganellen,wieChloroplasten.EsgibtLebewesen,dieauseinereinzelnenZellebestehen.

DieverschiedenenReaktionsräumederZellenwerdenalsOrganellenbezeichnet.Organellenhabenjeweilsspezi-fischeFunktionen.DieFotosynthesefindetbeiPflanzenbeispielsweiseindenChloroplastenstatt.

MolekülesindausmehrerenAtomenaufgebaut.DieAn-zahlderAtomeundderenAnordnungsindentscheidendfürdieEigenschaftendesMoleküls.Dashiermodell-haftdargestellteChlorophyllmolekülermöglichtesdenBlattzellen,dasSonnenlichtfürdieZuckerherstellungzunutzen.

Organ

Gewebe

Zelle

Organell

Molekül

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Bakterien sind anders Endosymbiose

SchülerbuchSeite30

A1 –sieheTabelle

SchülerbuchSeite31

A1 PrüfenSiedieÜbereinstimmungzwischenAussagenderEndosymbiontentheorieunddenAngabeninAbb.1.

– ProkaryotenweisenstarkeÄhnlichkeitenmitChloroplastenundMitochondrienauf,ua.imRibosomen-Sedimentationskoeffizienten(70S),inderErbsubstanz(ringförmig),inderVer-mehrung(Teilung),imMembranaufbau(dünn,speziellePhospholipide)undinderFähigkeit,auchisoliertbegrenztlebensfähigzusein.DieAbweichunginderHüllelässtsichdurchdieAufnahmedurchUreukaryoten(Verschmelzung)erklären.DieAussageninderTabelleundimTextstimmenüberein.

HinweiszumUnterricht

JenachUnterrichtsverlaufkönnenzumVergleichauchZellenandererEukaryotenmikroskopiertwerden.DieWirkungvonFärbemittelnlässtsichauchgutaneinemZupfpräparatderZwiebel-schuppeeinerKüchenzwiebeldemonstrieren,derenmilchig-durchsichtigeHautungefärbtsehrkontrastarmist.

MikroskopiereneinesKefirkorns

KefiristeinschwachalkoholischesGetränk,dasentsteht,wennMilchmitKefirkörnernversetztwird.ImKefirkornsindunterschiedlicheMikro-organismenenthalten,diesichvonderMilchernährenundsichvermehren.

ZurVorbereitungderMikroskopiespültmaneinKefirkornunterfließendemWassergutab.DannschneidetmaneinkleinesStückab,bringteszwischenzweiObjektträgerundzerquetschtesvorsichtig.NachdemAuseinanderziehenderObjektträgersollteaufbeideneindünnerBelagsichtbarsein.

ArbeitsblattSeite37

A1 (Hinweis:FürdasZeichnensolltediestärksteVergrößerunggewähltwerden.)

A2 individuelleLösung,meistBazillenoderKokken

A3 DieMundschleimhautzelleistdeutlichgrößeralsdieMilchsäurebakterien.InderMund-schleimhautzellekönnenStrukturenerkanntwerden,etwaderZellkern,indenMilchsäure-bakteriennicht.

DanachwirddasPräparatca.4minmitMethylen-blaulösunggefärbt.ÜberschüssigerFarbstoffwirdmitWasserabgespült.DannlegtmaneinDeckglasaufundmikroskopiertbeistärksterVergrößerung.MankannunterschiedlicheLebewesenerkennen(Abb.2).

2 MikroorganismenimKefirkorn

Milchsäure-bakterien

Kefir-bakterien

Hefezellen

1 Milchsäurebakterien

Merkmal,Bestandteil

Procyte Eucyte

Grundbaustein allerBakterien alleübrigenOrganismen(Eukaryoten)

Kern nichtvorhanden vorhanden

Mitochondrium nichtvorhanden vorhanden

Chloroplast nichtvorhanden vorhanden

Kompartimentierung kaumausgeprägt ausgeprägt

inneresMembran-system

kaumausgeprägt ausgeprägt

Ribosomen vom70-S-Typ(Prokaryoten-Typ)

80-S-Typ(Eukaryoten-Typ)

Zellvolumen um3mm3 100-bis1000-malgrößer

DNA ringförmig,keineChromosomen

Chromosomen;zusätzlichinChlo-roplastenundMitochondrien

Zellwand häufigvorhanden,ausMurein

beiPflanzenzellenausCellulose

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Mikroskopische Untersuchung von Milchsäurebakterien

BakteriensinddenmeistenMenschenvorallemimZusammenhangmitKrankheitengeläufig.DochesgibtvieleBakterien,diefürdenMenschennützlichsind.BakterienimmenschlichenDarmzerkleinernNahrungs-bestandteileundmachensieunszugänglichundsindeinTeilderImmunabwehr.NahrungsmittelwieJoghurtoderSauerkrautkönnennichtohneBakterienhergestelltwerden.IndermedizinischenForschungwerdenvonBakterienproduzierteStoffezurEntwicklungvonMedikamentenverwendet.

BakterienkönnensehrunterschiedlicheFormenundGrößenhaben,sindaberimAllgemeinenklei-neralstierischeoderpflanzlicheZellen.

MikroskopievonMilchsäurebakterienausJoghurt

Material:Joghurt,Methylenblaulösung,Brenner,Mikroskop,Objektträger,Deckgläschen,ReagenzglashalteroderTiegel-zange

Durchführung:MangibtaufeinenObjektträgereinenTropfenJoghurtundeinenTrop-fenWasserundverrührtbeidesmiteinander.AnschließendziehtmaneinenzweitenObjektträgerüberdenJoghurt,sodassaufdemerstenObjektträgernureindünnerFilmzurückbleibt.EswirdmitdemerstenObjektträgermitdemdünnenJoghurtfilmweitergearbeitet.DiesenbewegtmanmitderReagenzglasklammerodereinerTiegelzangelangsamdurcheineBrennerflamme,bisderTropfentrockenist(Hitze-fixierung).NunwirddasPräparatmitderMethylenblaulösunggefärbt.NachfünfMinutenspültmandieüberschüssigeFarbeab.DannwirddasPräparatmiteinemDeckglasabgedecktundmikroskopiert.

MikroskopievonMundschleimhautzellen

Material:HolzspateloderLöffel,Methylenblaulösung,Fließpapier,Mikroskop,Objektträger,Deckgläser

Durchführung:ManfährtmitdemSpateloderLöffelmehrfachüberdieSchleimhautderWangeninnenseiteundüberträgtdasAbgeschabteaufdenOb-jektträger.WennsichkaumSpeichelaufdemObjektträgerbefindet,gibtmaneinenTropfenWasserdarauf.NachdemAbdeckenmitdemDeckgläschensaugtman1bis2TropfenMethylenblaulösungunterdasPräparat,indemmandieLösungdirektnebendasDeckglastropftundaufdergegenüberliegendenSeitemitdemFließpapierFlüssigkeitabsaugt.

A1 MikroskopierenSieMilchsäurebakterienwieobenbeschrieben.

A2 OrdnenSiedieBakterien,dieSiegefundenhaben,denBakterienformen(Abb.1)zu.

A3 MikroskopierenSieMundschleimhautzellen.VergleichenSiediebeidenmikroskopischenPräparate.

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1 DreiBeispielefürBakterienformen

Kokken

Mikrokokken

SpirillenBazillen

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Einleitung Kompetenzen und Anforderungsbereiche · Die Zuordnung zu Anforderungsbereichen ... „beschreibe”, „erläutere” und „erkläre”. Gerade im Biologieunterricht bieten