Biologie: Willkommen im Fachportal

In diesem zweiteiligen Arbeitsmaterial erarbeiten die Schülerinnen und Schüler anhand von Abbildungen die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Nerven- und dem Hormonsystem unseres Körpers und beschreiben anschließend das Zusammenwirken der beiden Systeme in einer Stresssituation. Der Bau und die Funktion von Nervenzellen sind im Themengebiet der Neurologie angesiedelt und ist klassischer Unterrichtsgegenstand in der Q3. In diesem Arbeitsmaterial wird das Nervensystem als Informationssystem des menschlichen Körpers grundlegend erarbeitet. Es bietet sich an, ein weiteres Informationssystem – das endokrine System (Hormonsystem) – als Vergleich und Ergänzung zu thematisieren. Dadurch kann zum einen die Wirkungsweise des Nervensystems besser verstanden und zum anderen grundlegende Funktionsweisen abgegrenzt und ergänzt werden. Die Wirkungsweise beider Informationssysteme bei einer Stressreaktion ist gut untersucht. Das Thema Stress zeigt eine hohe Alltagsrelevanz und wird ebenfalls in der Q3 thematisiert. Es liegt also auf der Hand, die Stresssituation als Beispiel für das Zusammenwirken beider Systeme heranzuziehen. Das vorliegende Arbeitsmaterial hilft dabei, die beiden Informationssysteme zunächst zu vergleichen und voneinander abzugrenzen. Hierfür werden folgende Grundlagen über das Nervensystem als Hintergrundwissen vorausgesetzt: Informationen werden im Gehirn verarbeitet und über elektrische Signale (Reize) von Nervenzelle zu Nervenzelle weitergegeben, bis das Zielorgan erreicht ist. Dort bewirken die Reize eine bestimmte Reaktion. Vorkenntnisse über das Hormonsystem sind nicht notwendig. Vielmehr können die Schülerinnen und Schüler durch den Vergleich zweier Abbildungen die Unterschiede zum Nervensystem erkennen und somit die Wirkungsweise des Hormonsystems grundlegend nachvollziehen. Ein zweites Arbeitsblatt baut nun auf die Erkenntnisse dieses Vergleichs auf und überträgt sie auf eine konkrete Situation, die Stresssituation. Die Lernenden können hierbei für jedes Informationssystem getrennt die Wirkungsweise in einer Stresssituation betrachten. Jedoch werden sie dabei erkennen, dass die Reaktion des Körpers als Ergebnis des Zusammenwirkens beider Systeme zu verstehen ist. Dieses zweite Arbeitsblatt könnte auch zur Binnendifferenzierung eingesetzt werden. Schnell arbeitende Schülerinnen oder Schüler können sich beispielweise mit diesem Material beschäftigen und anschließend vor der Lerngruppe ihre Ergebnisse vortragen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können fachliche Kenntnisse konzeptbezogen darstellen, strukturieren und vernetzten (F1). erschließen sich Informationen über naturwissenschaftliche Zusammenhänge (K1). können naturwissenschaftsbezogene Sachverhalte dokumentieren und präsentieren (K2). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler überführen eine Abbildung in einen Fließtext.

Bei diesem zweiseitigen Arbeitsblatt werden die Lernenden durch Lückentexte und Abbildungen zur selbstständigen Erarbeitung des Aufbaus und der Verschlüsselung der DNS beziehungsweise DNA angeregt. In diesem Arbeitsmaterial erarbeiten die Lernenden selbstständig den Aufbau der DNA als Doppelhelix sowie ihre Verschlüsselung in Bezug auf die Reihenfolge der Basen. Dabei werden sie durch Lückentexte und Abbildungen angeleitet und entdecken schrittweise den Aufbau eines Nukleotids, des DNA-Strangs und schließlich des Doppelstrangs. Sie werden dabei dazu angehalten, sich der Hilfe des Schulbuches oder des Internets zu bedienen. Vererbung und Elternschaft sind relevante Thematiken des Biologieunterrichts. Nicht nur die klassischen Vererbungsregeln nach Mendel, sondern auch Einblicke in die Grundlagen der Cytogenetik stehen dabei im Fokus. Hier lernen die Schülerinnen und Schüler die Chromosomen als eine bestimmte Form des Erbmaterials kennen, der sogenannten Transportform. Von dort ausgehend können sie nun über die andere mögliche Form, die Arbeitsform, an den Aufbau eines Riesenmoleküls herangeführt werden, der Desoxyribonukleinsäure (DNS) beziehungsweise der deoxyribonucleic acid (DNA) , was der englischen Übersetzung entspricht. Ein solches Riesenmolekül ist den Lernenden in früheren Jahrgangsstufen oder anderen Fächern noch nicht begegnet, daher sollte der Aufbau eines ebensolchen schrittweise besprochen werden. Entsprechend ist das vorliegende Arbeitsmaterial so konzipiert, dass die Lernenden zunächst dessen kleinste Baueinheit betrachten und hierfür die jeweiligen Fachtermini kennenlernen. Anschließend wird die Zusammensetzung jener Bausteine zu einem Strang und hierauf die Verknüpfung zweier Stränge zu einer Doppelhelix thematisiert. Zum leichteren Verständnis wird der oft benutzte Vergleich mit einer Strickleiter herangezogen. Mit der Erkenntnis über den Aufbau der DNA kann nun thematisiert werden, wie in diesem Riesenmolekül Informationen über verschiedene Merkmale gespeichert sein können. Hierbei erkennen die Lernenden die Bedeutung der Basenreihenfolge anhand eines Beispiels aus unserer alltäglichen Sprache. Der Umstand, dass so viele verschiedene Merkmale von noch unterschiedlicheren Lebewesen allesamt nur durch insgesamt vier verschiedene Bausteine zustande kommen, kann – falls gewünscht – bei dieser Schulstunde als einführende Problemstellung genutzt werden. Dafür muss allerdings die eben angesprochene Information vorweggenommen werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verwenden leicht zugängliche Informationsquellen (zum Beispiel Internet, Schulbibliothek, Stadtbibliothek, Zeitungen) selbständig und schätzen deren Informationswert ein, um zielgerichtet Informationen zu biologischen Fragestellungen zu erschließen. stellen biologische Sachverhalte (zum Beispiel Strukturen, Funktionen oder Zusammenhänge) dar oder überführen sie in eine sach-, adressaten- und situationsgerechte Darstellungsform (zum Beispiel Tabelle, Grafik, Zeichnung, Symbol, Text) im Hinblick auf die Zielgruppe. verwenden eine vereinfachte biologische Fachsprache, um Sachverhalte und biologische Zusammenhänge sachgerecht zu beschreiben, sie adressatengerecht weiterzugeben beziehungsweise den Basiskonzepten der Biologie zuzuordnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können gesuchte Informationen mithilfe eines Mediums ihrer Wahl (Schulbuch oder Internet) aus der Fülle von Informationen herausfiltern.

In diesem Arbeitsmaterial erörtern die Schülerinnen und Schüler die Ergebnisse von Attrappenversuchen an Silbermöwen-Küken und sie gewinnen Einsichten über einen möglichen Versuchsablauf von Attrappenversuchen. Nebenbei vertiefen sie ihr Verständnis über Schlüsselreize. Im Rahmen des Themengebiets Verhaltensbiologie in der Q3 werden sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs angeborene und erlernte Verhaltensweisen gelehrt. Exogene und endogene Faktoren beeinflussen die proximaten Ursachen angeborenen Verhaltens. Schlüsselreize stellen dabei einen großen exogenen Faktor dar. Sie sind Reizmuster, die bei Wahrnehmung mit einer Instinkthandlung beantwortet werden. Schlüsselreize sind oft auffällig, einfach und eindeutig. Sie können visuell, akustisch oder taktiler Art sein. Bei Attrappenversuchen werden künstliche Reize verwendet. Der Schlüsselreiz wird hierbei leicht oder stark verändert. Es kann dadurch ermittelt werden, welche Merkmale oder Einzelreize das angeborene Verhalten trotzdem noch hervorrufen kann. Schlüsselreize sowie das Prinzip der Attrappenversuche sind Gegenstand des Unterrichtsstoffs in der Q3. Das vorliegende Arbeitsblatt beschreibt verschiedene Attrappenversuche zu Silbermöwen. Jungtiere picken bei Hunger an den roten Punkt an der unteren Schnabelhälfte der Mutter. Dieses Verhalten kann unmittelbar nach der Geburt beobachtet werden. Scheinbar löst der rote Punkt als Schlüsselreiz ein bestimmtes Verhalten aus. Die Zusammenhänge zwischen Bettelverhalten und dem Schlüsselreiz wurden Mitte des letzten Jahrhunderts von Nobelpreisträger Nikolaas Tinbergen untersucht. Hierfür wurden verschiedene Schnabelattrappen verwendet, wobei die Form des Schnabels oder die Farbe des Flecks variiert wurden. Das Ergebnis lässt eindeutig darauf schließen, dass das Bettelverhalten angeboren ist. Eine Instinkthandlung also, hervorgerufen durch den Schlüsselreiz des roten Punktes. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können naturwissenschaftliche Untersuchungen planen, durchführen, auswerten und Ergebnisse interpretieren (E1). reflektieren den Prozess naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und charakterisieren die Naturwissenschaften als wissenschaftliche Disziplin (E3). erschließen sich Informationen über naturwissenschaftliche Zusammenhänge (K1). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sortieren die Informationen in einer Abbildung nach Relevanz und Fragestellung. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bringen sich mit eigenen Ideen ein und diskutieren einen gemeinsamen Lösungsvorschlag.

In diesem Arbeitsmaterial erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler selbstständig und schrittweise die Entstehung des Ruhepotenzials an der Zellmembran. Dafür stehen ihnen drei zeitlich aufeinanderfolgende Abbildungen zur Verfügung. Im Rahmen des Themengebiets Neurobiologie in der Q3 werden sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs der Bau und die Funktion der Nervenzelle gelehrt. Hierfür ist es sehr wichtig, das Ruhepotenzial und das Aktionspotenzial zu verstehen. Denn eine Nervenzelle gibt die Reize über Aktionspotenziale weiter, die wiederum nur entstehen können, wenn das Ruhepotenzial natürlicherweise vorliegt. Das Ruhepotenzial ist ein Gleichgewichtspotenzial. Es entsteht dadurch, dass der elektrische Gradient (Ladungsunterschiede zwischen dem Innen- und Außenbereich der Zelle) dem chemischen Gradienten entlang der Zellmembran (Konzentrationsgefälle verschiedener Ionen) entgegenwirkt. Es ist die Grundlage für das Verständnis des Aktionspotenzials. Mit dem vorliegenden Arbeitsmaterial können die Schülerinnen und Schüler die unterschiedliche Ionenverteilung wahrnehmen. Sie beschreiben kleinschrittig, welche Ionen sich bewegen und warum sie dies tun. So können sie mit jedem Schritt eine Triebkraft zur Entstehung des Ruhepotenzials ausmachen und das Zusammenspiel dieser Kräfte als Gleichgewichtszustand beschreiben. Dies wird allerdings nicht allen Lernenden leichtfallen. Deshalb sollte in der zu diesem Arbeitsblatt zugehörigen Schulstunde binnendifferenziert gearbeitet werden. Während leistungsstärkeren Schülerinnen und Schülern die Abbildungen ausreichen könnten, benötigen andere weitere Hilfestellungen. Dies kann durch Paararbeit statt Einzelarbeit oder über Medien – wie beispielsweise das Schulbuch oder ein Lehrvideo – geschehen. Vorrausetzung zur Bearbeitung dieses Arbeitsmaterials ist das Wissen um die Semipermeabilität beziehungsweise Selektivpermeabilität der Membran und die Diffusion. Auch die einzelnen Ionen werden nicht näher erläutert. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten naturwissenschaftliche Definitionen, Regeln, Gesetzmäßigkeiten und Theorien und wenden sie an (F2). erschließen sich Informationen über naturwissenschaftliche Zusammenhänge (K1). dokumentieren und präsentieren naturwissenschaftsbezogene Sachverhalte (K2). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler übersetzen eine Bildabfolge in einen Text. können entsprechend ihrer Selbsteinschätzung weiterführende Medien als Hilfestellung benutzen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bringen sich mit eigenen Ideen ein und erörtern einen gemeinsamen Lösungsvorschlag (für den Fall einer Paararbeit).

In diesem Arbeitsmaterial über den Reflexbogen erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in Einzel- oder Paararbeit den Ablauf eines monosynaptischen Reflexbogens. Im Rahmen des Themengebiets Verhaltensbiologie in der Q3 wird sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs angeborenes Verhalten gelehrt. Dabei sollen Reflexe und Erbkoordinationen schematisch behandelt werden. Dieses Arbeitsmaterial konzentriert sich auf Reflexe. Reflexe sind unwillkürliche, schnelle Reaktionen des Organismus, die neuronal vermittelt werden und immer gleich ablaufen. Ihnen zugrunde liegen einfache Reflexbögen oder komplexere Reflexkreise. Als Reaktion auf spezifische Reize spielen Sinnesorgane, Nerven und Muskeln zusammen und führen zu einer Reaktion. Mit dem vorliegenden Arbeitsblatt erarbeiten sich die Lernenden den Ablauf eines einfachen monosynaptischen Reflexbogens. Hierbei erfolgt die Verschaltung von afferenten und efferenten Neuronen auf spinaler Ebene über eine einzige Synapse im Vorderhorn des Rückenmarks. Es kommt zu einer muskulären Reaktion, beispielsweise das Vorschnellen des Beines beim Stolpern. Somit haben einige dieser angeborenen Rückenmarksreflexe eine Schutzfunktion. Sie sind nur indirekt über eine Reizkontrolle zu beeinflussen und es sind die am schnellsten ablaufenden Reflexe des Organismus. Beispiele für solche monosynaptischen Reflexe sind der Patellarsehnenreflex und der Lidschlussreflex. Der Reflexbogen als schematisches Modell gibt den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, die Wirkungsweise des vegetativen Nervensystems und auch die Aktivitäten des zentralen Nervensystems grundlegend zu verstehen und zu verinnerlichen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten naturwissenschaftliche Definitionen, Regeln, Gesetzmäßigkeiten und Theorien und wenden sie an (F2). erschließen sich Informationen über naturwissenschaftliche Zusammenhänge (K1). können naturwissenschaftsbezogene Sachverhalte dokumentieren und präsentieren (K2). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler übersetzen eine Bildabfolge in einen Fließtext. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bringen sich mit eigenen Ideen ein und erörtern einen gemeinsamen Lösungsvorschlag (für den Fall einer Paararbeit).

In diesem Arbeitsmaterial erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler in Paararbeit die genetische Ursache der Sichelzellanämie, indem sie die Auswirkungen einer Punktmutation in einem gegebenen DNA-Abschnitt auf die Aminosäuresequenz untersuchen. Diese Aufgabe ist als Übungsaufgabe zum Vertiefen und Anwenden des Wissens über die Proteinbiosynthese gedacht und kann zur Einführung in das Thema Mutationen genutzt werden. Die Sichelzellanämie wird im Zusammenhang mit dem Themenkomplex Vererbung behandelt. Dabei geht es nicht nur um die Cytogenetik und die klassischen Vererbungsregeln nach Mendel, sondern auch um die Grundlagen der Molekulargenetik. Hier lernen die Schülerinnen und Schüler den Aufbau der DNA sowie die universellen Prinzipien der Codierung genetischer Information kennen. Daran anschließend wird überblicksweise die Proteinbiosynthese besprochen. Auch Mutationen und Erbkrankheiten werden thematisiert. Die Sichelzellanämie ist eine in der afrikanischen Bevölkerung häufig auftretende Erbkrankheit, die ihre Ursachen in der Molekulargenetik hat: Auf dem Gen der β-Globin-Protein-Untereinheit des Hämoglobins auf Chromosom 11 liegt an sechster Position eine Punktmutation vor, sodass statt Glutaminsäure die Aminosäure Valin verwendet wird. Die Erythrozyten, die dieses veränderte Hämoglobin tragen, verformen sich bei Sauerstoffarmut zu der typischen Sichelform. Im tropischen Afrika sind bis zu 40 % der Bevölkerung davon betroffen. Die Krankheit kann homozygot (alle β-Ketten betroffen) oder auch heterozygot (nur ein Teil der β-Ketten betroffen) vorkommen. Entsprechend treten die Krankheitssymptome unterschiedlich stark auf. Das vorliegende Arbeitsmaterial hilft dabei, die komplexen Vorgänge der Proteinbiosynthese zu verinnerlichen und vereinfacht anzuwenden. Dafür werden die Vorgänge des Prozesses an dem konkreten Beispiel Sichelzellanämie wiederholt. Den Lernenden liegt ein kurzer DNA-Abschnitt von gesunden und erkrankten Personen vor, den sie schrittweise angeleitet in Aminosäuresequenzen übersetzen. Dabei erkennen sie den Austausch der Aminosäure als Ursache der Krankheit und lernen so Punktmutationen und ihre Folgen kennen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stellen biologische Sachverhalte (zum Beispiel Strukturen, Funktionen oder Zusammenhänge) dar oder überführen sie in eine sach-, adressaten- und situationsgerechte Darstellungsform im Hinblick auf die Zielgruppe. verwenden eine vereinfachte biologische Fachsprache, um Sachverhalte und biologische Zusammenhänge sachgerecht zu beschreiben, sie adressatengerecht weiterzugeben beziehungsweise den Basiskonzepten der Biologie zuzuordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bringen sich mit eigenen Ideen ein und diskutieren einen gemeinsamen Lösungsvorschlag. können entsprechend ihrer Selbsteinschätzung weiterführendes Material bearbeiten.