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27 RAAbits Realschule Biologie September 2017

Wunderwelt Zelle – wir lernen die Zelle mit ihren Zellorganellen kennen

Ein Beitrag von Dr. Erwin Graf, FreiburgMit Illustrationen von Julia Lenzmann, Stuttgart

Energieproduktion, Herstellung von Baumate-rial oder Abfallentsorgung – in den vielen Bil-lionen Zellen unseres Körpers läuft eine Viel-zahl von Prozessen ab.

In dieser Unterrichtseinheit lernen Ihre Schü-ler die Bedeutung von Zellen, Geweben und Organen für unseren Körper kennen und bauen Zellmodelle. In einer Lerntheke setzen sie sich dann mit den verschiedenen Zellorga-nellen und ihren Funktionen auseinander.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klasse: 7/8

Dauer: 6 Stunden (Minimalplan: 2)

Kompetenzen: Die Schüler …

• beschreiben die „Verkleinerungsschritte“ vom Ökosystem zur Zelle.

• nennen ausgewählte Organellen von Zel-len und erläutern deren Bedeutung.

• erklären, weshalb die Zelle als kleinste lebendige Einheit der Lebewesen aufzu-fassen ist.

• stärken ihre soziale Kompetenz durch Partner- und Gruppenarbeit.

Aus dem Inhalt:

• Farbfolie „Wer oder was bin ich?“

• Zellmodelle kennenlernen

• Lerntheke „Wunderwelt Zelle“

– Organe, Gewebe und Zellen

– Der Zellkern

– Die Mitochondrien

– Vakuolen

– Chloroplasten

• Vor- und Nachtest „Wahr oder falsch? – Was weißt du alles über die Zelle?“

• Selbsttest „Wunderwelt Zelle – richtig oder falsch?“

Elektronenmikroskopische Aufnahme von roten Blutzellen

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IWunderwelt Zelle (Klasse 7/8) Die Zelle • Beitrag 32 von 26


Rund um die Reihe

Warum wir das Thema behandeln

Die Zelle ist die kleinste lebende Einheit, die wir kennen. Alle Lebewesen sind aus Zellen ent-standen und aus Zellen aufgebaut. Nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht ist von daher das Thema „Zelle“ sehr interessant, sondern auch aus pädagogisch-biologiedidaktischer Sicht. Am Thema Zelle kann den Schülerinnen und Schülern* exemplarisch verdeutlicht werden, dass alle Lebewesen – mehr oder weniger eng – miteinander verwandt und ausnahmslos aus Zellen aufgebaut sind. Auch lässt sich gut veranschaulichen, dass die Zellen aller Organis-men nach den gleichen Grundprinzipien aufgebaut sind und recht ähnlich arbeiten.

Vielen Lernenden ist gar nicht explizit bewusst, was es bedeutet, dass auch der menschli-che Körper aus ganz unterschiedlichen Zellen aufgebaut ist und die Zellen sich zu Geweben, Organen und Systemen unterschiedlicher Komplexität, z. B. dem Nervensystem, hochkom-plex ordnen. Im Hinblick auf künftigen Biologieunterricht – ob beim Thema „Immunsystem“, „Genetik“ oder „Evolution“ – spielt das Wissen um die Zelle, ihren Aufbau und ihre Funk-tionen eine entscheidende Rolle, wenn es gelingen soll, an das Wissen des Individuums anzuknüpfen und Anregungen zu geben, wie dieses Wissen gefördert werden kann.

* Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ geschrieben.

Was Sie zum Thema wissen müssen

Zellen – die Grundbausteine aller Lebewesen

Ähnlich wie die Atome die Grundbausteine von Molekülen sind, sind Zellen die Grundbau-steine aller Lebewesen. Der Zelltheorie liegen drei Grundaussagen zugrunde:

1. Alle Organismen bestehen aus Zellen.

2. Alle Zellen entstehen aus bereits existierenden Zellen.

3. Zellen sind die kleinsten lebenden Einheiten, d. h., das Leben auf der Erde begann mit der Entstehung der ersten Zellen.

Die wichtigsten Organellen im Überblick

Zellorganellen sind strukturell abgegrenzte Bereiche einer Zelle, die eine bestimmte Funktion erfüllen. Diese Unterrichtseinheit hat ihren Fokus auf die folgenden ausgewählten Zellorga-nellen und deren Funktionen gelegt:

Zellkern

Der Durchmesser des Zellkerns beträgt je nach Zelltyp etwa 5–25 μm. Der Zellkern enthält das gesamte genetische Material der Zelle. Die genetische Information liegt in Form von Chromatinfäden vor, die aus DNS (Desoxyribonukleinsäure) und Proteinen bestehen. Wäh-rend der Zellteilung nehmen die Chromatinfäden eine kompaktere Struktur an und verdich-ten sich zu Chromosomen. In dieser dicht gepackten Form können sie besser auf die neu entstehenden Tochterzellen verteilt werden. Eine weitere auffällige Struktur im Zellkern ist das Kernkörperchen (Nukleolus). Es besteht aus dicht gepackten Fasern und Körnern. Hier werden wesentliche Bestandteile der Ribosomen hergestellt. Die Substanz, die den Rest des Kerns ausfüllt, wird als Kernplasma (Karyoplasma) bezeichnet. Der Zellkern wird von einer Doppelmembran, der äußeren und der inneren Membran, umgeben. Sie wird als Kernhülle oder Kernmembran bezeichnet.

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Chloroplasten

Chloroplasten sind Zellorganellen, die man nur in planzlichen Zellen indet. Sie sind von einer doppelten Hülle, der äußeren und der inneren Chloroplastenmembran, umgeben. Die innere Membran umschließt den Innenraum, das Stroma. In diesem Innenraum beinden sich lächige Membranstapel, die Thylakoide. Wenn diese geldrollenartig gestapelt sind, nennt man sie Grana-Thylakoide. Liegen sie ungestapelt vor, bezeichnet man sie als Stroma-Thylakoide. In und an diesen Membranstapeln beinden sich Enzyme, das Chlorophyll und andere Farbstoffe wie z. B. die Carotinoide. Die Farbstoffe sind für das Einfangen des Lichtes zuständig und damit für den Vorgang der Fotosynthese unentbehrlich.

Mitochondrien

Mitochondrien kommen in allen tierischen und planzlichen Zellen vor. Sie sind von einer Doppelmembran umgeben. Zwischen diesen Membranen beindet sich der Intermembran-raum. Besonders zahlreich treten Mitochondrien in Zellen auf, die einen hohen Energiebedarf haben, wie z. B. Muskelzellen. Die innere Mitochondrienmembran ist, der inneren Chloroplas-tenmembran vergleichbar, vielfach eingestülpt. Diese Einfaltungen bezeichnet man hier als Cristae. Das Mitochondrieninnere nennt man Matrix. Hier inden ebenfalls wichtige Stoff-wechselprozesse statt (wie z. B. der Citronensäurezyklus).

Man bezeichnet diese 1 μm langen und 0,5 μm breiten Zellorganellen auch als die „Kraft-werke“ der Zelle, da in diesen Organellen die Energie, die mit den Nährstoffen aufgenom-men wird, in eine andere chemische Energieform umgewandelt wird: nämlich in das ATP (Adenosintriphosphat). Das ATP kann von der Zelle für alle energieverbrauchenden Prozesse genutzt werden. Der Prozess, bei dem die Nährstoffe gespalten werden, um unter Sauer-stoffverbrauch Energie zu gewinnen, wird Zellatmung (Dissimilation) genannt. Die Enzyme und Proteine, die für diesen energiegewinnenden Vorgang verantwortlich sind, sitzen in der inneren Mitochondrienmembran. Die vielen Einstülpungen vergrößern die Oberläche der inneren Membran, sodass möglichst viele energiegewinnende Proteinkomplexe auf der Membranläche untergebracht werden können.

Vakuolen

Vakuolen (Zellsafträume) sind typische Organellen von Planzenzellen, mit einer wässrigen Flüssigkeit gefüllt, und können bis zu 90 % einer Zelle ausfüllen. Die Doppelmembran, die die Vakuole vom angrenzenden Zytoplasma abgrenzt, wird Tonoplast genannt. Im Inneren der Vakuole beindet sich eine Flüssigkeit, der Zellsaft, der in Wasser gelöste Salze, Zucker, Farbstoffe und Proteine enthält.

In tierischen Zellen sind Vakuolen meist klein und typisch für Einzeller. Hier spielen sie eine wichtige Rolle bei der Verdauung (Verdauungsvakuolen) und Ausscheidung (pulsierende Vakuole) von Stoffen.

Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung

Voraussetzungen der Lerngruppe

Hilfreich für die Umsetzung der hier vorgeschlagenen Unterrichtskonzeption ist es, wenn die Schüler …

• einige Merkmale von Lebewesen kennen und beschreiben können.

• mindestens ein naturnahes mitteleuropäisches Ökosystem (möglichst im schulnahen Bereich) wie beispielsweise Wiese, Hecke, Wald oder Teich kennengelernt haben.

• ökologische Grundbegriffe wie Biotop, Biozönose (Lebensgemeinschaft) und Ökosystem mit Inhalt füllen können.

• in Kleingruppen weitgehend selbstständig und eigenverantwortlich bestimmte Themen-bereiche zielführend bearbeiten können.

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• Freude an der selbstständigen Arbeit und am forschend-entdeckenden Vorgehen haben.

• gewohnt sind, mit unterschiedlichen Informationsquellen zu arbeiten und bestimmte Auf-gaben und Problemstellungen strategisch sinnvoll und in angemessener Zeit zu bearbei-ten.

Aufbau der Reihe

Der Einstieg in die Einheit erfolgt mit Farbfolie M 1, die Schritt für Schritt Hinweise zum neuen Thema der Unterrichtseinheit gibt. Im Wissenstest M 2 überprüfen die Schüler dann ihr Vorwissen. Der Test wird in der Abschlussstunde erneut eingesetzt, um den Schülern ihren Lernfortschritt bewusst zu machen.

In den Stunden 2 und 3 wird den Schülern mithilfe von Arbeitsblatt M 3 veranschaulicht, dass in einem Biotop verschiedene Tierarten in Form eines Nahrungsnetzes voneinander abhängig sind. Dies kann dann später auf die Zellorganellen einer Zelle übertragen werden. Anhand von Arbeitsblatt M 4 lernen die Schüler dann verschiedene Zellmodelle kennen und fertigen selbst eines mithilfe einer Bastelvorlage an.

In der Lerntheke M 5–M 9 (Stunden 4 und 5) erarbeiten sich Ihre Schüler in Partnerarbeit selbstständig das Fachwissen zur Unterscheidung von Organen, Geweben und Zellen (M 5) sowie zu verschiedenen ausgewählten Zellorganellen von tierischen und planzlichen Zellen: Den Zellkern (M 6), den Mitochondrien (M 7), den Vakuolen (M 8) sowie den Chloroplasten (M 9). Die Schüler können ihre Ergebnisse nach jedem Material eigenständig mithilfe von Lösungskarten kontrollieren. Nach der gesamten Bearbeitung aller Stationen erfolgen eine Besprechung der Aufgaben im Plenum und eine Feedback-Runde. Der Wissenscheck M 10 kann als weitere Form der Lernerfolgskontrolle zum Ende der Einheit oder als Zeitpuffer für schneller arbeitende Gruppen eingesetzt werden.

Tipps zur Differenzierung

Als Zeitpuffer oder bei besonders motivierten Klassen stehen Ihnen fünf Zusatz-Stationen als Zusatzmaterial auf CD ( ) zur Verfügung. Die Zusatz-Stationen bieten den Schülern die Möglichkeit, experimentell zu forschen und fördern so ihr Interesse an naturwissenschaftli-cher Forschung und an naturwissenschaftlichen Berufen.

Darüber hinaus können Sie auch Schülertutoren bestimmen, die anderen Schülern bei der Arbeit an der Lerntheke unterstützend zur Seite stehen.

Ideen für die weitere Arbeit

Das Thema „Wunderwelt Zelle“ kann sehr gut projektartig angegangen werden, wobei dann auch Themenfelder wie beispielsweise „Historisches zur Entdeckung der Zelle (Hooke, Schleiden, Schwann)“, „EM-Bau der Zelle“, „besondere Leistungen ausgewählter Zellen“ und „glatte und quergestreifte Muskulatur“ behandelt werden können.

Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler

Die Schüler …

• beschreiben die „Verkleinerungsschritte“ vom Ökosystem zur Zelle.

• nennen ausgewählte Organellen von Zellen und erläutern deren Bedeutung.

• erklären, weshalb die Zelle als kleinste lebendige Einheit der Lebewesen aufzufassen ist.

• beurteilen und begründen, ob bestimmte Aussagen über Zellen, Organellen und Zellpro-zesse richtig oder falsch sind.

• erschließen sich mithilfe verschiedener Medien Erkenntnisse und erweitern ihre Lesekom-petenz.

• arbeiten zunehmend besser mit anderen zusammen und lösen auftretende Probleme gemein sam.

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Die Reihe im Überblick

· V = Vorbereitung SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

· D = Durchführung Fo = Folie LEK = Lernerfolgskontrolle

= Zusatzmaterial auf CD LK = Lösungskarte

Stunden 1–3: Einstieg in die Einheit, Wissenstest, Zellmodelle

Material Thema und Materialbedarf

M 1 (Fo) Wer oder was bin ich?

M 2 (LEK) Wahr oder falsch? – Teste dein Wissen zur Zelle

M 3 (Ab) Vom Großen zum Kleinen – Lebensgemeinschaften

M 4 (Ab) Wir lernen Zellmodelle kennen

· V: 5 min

· D: 15 min

r1 Becherglas (200 ml)

rSpülmittel

r1 Trinkhalm

rWasser

(Ab) Laufzettel zur Lerntheke

Stunden 4–5: Lerntheke „Wunderwelt Zelle“

Material Thema und Materialbedarf

M 5 (Ab/LK) Station 1: Wir bestehen aus Organen, Geweben und Zellen

M 6 (Ab/LK) Station 2: Der Zellkern – die Schaltzentrale einer Zelle

M 7 (Ab/LK) Station 3: Die Mitochondrien – die Kraftwerke der Zelle

M 8 (Ab/LK) Station 4: Die Vakuolen – Räume mit Zellsaft

M 9 (Ab/LK) Station 5: Die Chloroplasten – Zuckerfabriken der Zelle

(Ab) Zusatz-Station A: Wunderwelt Zelle

(Ab/SV) Zusatz-Station B: Versuche zur Diffusion

(Ab/SV) Zusatz-Station C: Diffusion von Tinte, Sirup und Co.

(Ab(SV) Zusatz-Station D: Versuche zur Osmose

M 10 (LEK) Wunderwelt Zelle – richtig oder falsch?

Stunde 6: Wissenstest und Besprechung der Lerntheke

Minimalplan

Sollte die Unterrichtszeit eng bemessen sein, kann die Thematik auch so bearbeitet werden, dass die Materialien M 1–M 4 entfallen, nur drei der Stationen M 5–M 9 (nach Wahl) als verbindlich für die Bearbeitung vorgegeben werden und auf die Feedback-Gespräche sowie die Evaluation verzichtet wird.

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M 1

Bil

d:

Co

lou

rbo

x

Wer oder was bin ich?

Ich wurde im Jahr 1665 entdeckt.

Es wird streng reguliert, was ich aufnehme und abgebe.

In mir herrscht klare Arbeitsteilung.

Ich bin zwischen 1/1000 und 70 Millimeter groß.

Von mir gibt es mehrere Hundert verschiedener Typen.

Im Menschen gibt es ca. 10 bis 100 Billionen von mir.

Ich bin die kleinste Baueinheit aller Lebewesen.

Gruppen von mir, die die gleiche Auf-gabe erfüllen, nennt man Gewebe.

In Planzen sehe ich so aus:

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M 6 Der Zellkern – die Schaltzentrale einer Zelle

In jeder einzelnen Zelle unseres Körpers befi nden sich verschiedene Struk-

turen; diese nennt man „Organellen“. Hier lernst du das Organell „Zellkern“

und dessen Bedeutung für eine Zelle kennen.

Aufgabe 1

Lies dir den folgenden Info-Text durch.

Aufgabe 2

Lies die folgenden Aussagen durch. Entscheide, ob sie richtig oder falsch sind, indem du den entsprechenden Buchstaben in der Richtig- oder Falsch-Spalte umkreist. Wenn du alle Entscheidungen getroffen hast, ergeben die Buchstaben von unten nach oben gelesen das Lösungswort:

Richtig Falsch

1 Der Zellkern ist die Schaltzentrale („Chefetage“, „Kontroll- und Steuerungszen-

trum“) einer Zelle.

N G

2 Bevor sich die Zelle teilt, teilt sich der Zellkern in zwei „Tochterkerne“. O E

3 Auch ohne Zellkern können menschliche Zellen sehr lange leben und ihre Auf-

gaben erfüllen.

Z I

4 Im Zellkern bei ndet sich keine Erbinformation. U T

5 Der Zellkern ist von einer doppelten Membran umgeben. A B

6 Hat eine menschliche Zelle keinen Zellkern, so stirbt die Zelle recht schnell. M W

7 Die Membran um den Zellkern hat kleine Poren, über die der Zellkern mit der

übrigen Zelle verbunden ist.

R L

8 Das Centrosom regelt die Temperatur der Zelle. K O

9 Der Zellkern ist das kleinste Organell in einer menschlichen Zelle. W F

10 Der Zellkern steuert alle Vorgänge in einer Zelle. N U

11 Meist haben die menschlichen Zellen zwei oder noch mehr Zellkerne. M I

12 Je größer die Zelle, desto mehr Zellkerne hat sie. R B

13 Die roten Blutzellen (Erythrocyten) und die weißen Blutzellen (Leukocyten)

haben keinen Zell kern.

U R

14 Der Zellkern liegt meist zentral in der Zelle im Zellplasma. E N

Bil

d:

Co

lou

rbo

x

Mit Ausnahme der Bakterien haben alle Zellen einen Zellkern (Nucleus). Dieser liegt in der Zelle meist zentral im Zell-plasma als relativ großes Organell. Er ist von einer Doppelmembran (Kernmemb-ran) umschlossen. Diese Doppelmemb-ran hat Poren, über die der Zellkern mit der Zelle „kommunizieren“ (d. h. Infor-mationen und Stoffe austauschen) kann. Der Zellkern nimmt innerhalb der Zelle eine zentrale Bedeutung ein. Im Zellkern bei ndet sich die Erbinformation (geneti-sche Information) der Zelle. Der Zellkern steuert alle Stoffwechselvorgänge in der Zelle. Jede Zelle hat nur einen Zell-kern. Bevor sich eine Zelle teilt („durch-schnürt“), d. h. aus einer Mutterzelle

zwei Tochterzellen entstehen, teilt sich zunächst der Zellkern.

Die allermeisten Zellen des Menschen haben einen Zellkern. Eine Ausnahme bilden die roten Blutzellen (rote Blutkör-perchen; Erythrocyten). Sie leben des-halb auch nur für kurze Zeit, bevor sie in der Leber abgebaut werden. Zellen mit Zellkern (z. B. Nervenzellen, Herzmuskel-zellen, Mundschleimhautzellen) können dagegen mehrere Jahre leben und ihre Aufgaben im Organismus wahrnehmen.

In der Nähe des Zellkerns bei ndet sich das Centrosom. Dieses Organell spielt bei der Zellteilung eine wichtige Rolle.

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M 9 Die Chloroplasten – Zuckerfabriken der Zelle

In den Chloroplasten fi ndet die Fotosynthese statt, daher sind sie nur Bestand-

teile von Pfl anzenzellen. Die grünen Pfl anzen sind die Lebensgrundlage für alle

Tiere und uns Menschen.

Aufgabe 1

Lies dir den folgenden Info-Text durch.

Bil

d:

Co

lou

rbo

xIl

lust

rati

on

: D

ori

s K

öh

l

In den Blättern der grünen Pl anzen i ndet man spezialisierte Organellen, die sogenann-ten Chloroplasten. In diesen i ndet die Fotosynthese statt, das heißt die biochemische Umwandlung der energiearmen Stoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser in energiereichen Traubenzucker. Als „Abfallprodukt“ bei diesem Prozess geben die grünen Pl anzen den für Tiere und Menschen lebenswichtigen Sauerstoff ab.

Typisch für Laubblätter, z. B. von Erdbeerpl anzen, Rosensträuchern, Apfelbaum und Buche, ist ein geschichteter Aufbau, wie er in der folgenden Abbildung zu sehen ist:

Blattaufbau

Die Blätter von Laubbäumen (Laubblätter) und Nadelbäumen (Nadeln) sind von einer Wachsschicht umhüllt, der sogenannten Kutikula. Diese Schutzschicht, die keine Zellen enthält, schützt die Blätter rundum vor Wasserverlusten, sodass die Blätter auch an hei-ßen Sommertagen nicht allzu viel Wasser verlieren. In Savannen- und Wüstenregionen ist die Kutikula der Blätter besonders dick und somit kaum wasserdurchlässig.

Zum Blattinnern hin schließt sich auf der Blattoberseite die Blattoberhaut (obere Epi-dermis) an, auf der Blattunterseite schließt sich die Blattunterhaut (untere Epidermis) an. Die beiden Gewebe von Blattoberhaut und Blattunterhaut bestehen nur aus einer einzigen Zellschicht. Diese Zellen sind dicht gepackt, würfelförmig aufgebaut, enthalten keine Chloroplasten und tragen mit zur Formstabilität der Blätter bei. In der Gewebe-schicht der Blattunterhaut liegen die Spaltöffnungen mit den Schließzellen, die ihre Größe verändern und so den Spalt zwischen den Schließzellen erweitern oder verengen können. Über die Spaltöffnungen i ndet der Gasaustausch zwischen Blatt und umge-bender Luft statt: Das Blatt gibt tagsüber überschüssigen Sauerstoff an die Luft ab und nimmt Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf.

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