Nanotechnologie und Nanobiotechnologie gelten mit ihren immensen Anwendungsmöglichkeiten als wichtige Zukunftstechnologien. Sie faszinieren wissenschaftliche Laien und junge Menschen gleichermaßen und sind daher auch in der Berichterstattung der Medien in Mode gekommen. Selbst Grundlagen werden dabei oft falsch oder futuristischste Szenarien werden als greifbare Realität dargestellt. Im Sinne der Wissenschaftskommunikation ("Public Understanding of Sciene") muss es auch eine Aufgabe des naturwissenschaftlichen Unterrichts sein, die molekularen Grundlagen zum Verständnis der Nanobiotechnologie zu vermitteln und Schülerinnen und Schülern so die kritische Hinterfragung populärwissenschaftlicher Medienbeiträge zu ermöglichen. Dies ist gerade im Zusammenhang mit neuen Technologien auch für die Meinungsbildung in einer Demokratie wichtig. Trotz der restriktiven Bedingungen der Unterrichtspraxis ist es daher wichtig, auch einmal einen Blick auf das anspruchsvolle Thema Nanobiotechnologie zu werfen - zum Beispiel im Zusammenhang mit der Besprechung der ATP-Synthase.
Nanomotoren in Natur und Technik
In dieser Unterrichtseinheit zum Thema ATP-Synthase lernen die Schülerinnen und Schüler den prinzipiellen Mechanismus der Energieumwandlung kennen. Die Lernenden beschäftigen sich mit dieser natürlichen Nanomaschine sowie mit den ersten Chimären aus Natur und Technik und sie setzen sich mit den zukünftigen Einsatzmöglichkeiten auseinander.
- Biologie / Ernährung und Gesundheit / Natur und Umwelt / Technik / Sache & Technik
- Sekundarstufe II
- 4 bis 5 Unterrichtsstunden
- Ablaufplan, Arbeitsblatt, Lernkontrolle
- 7 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
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1. Stunde: Einstieg in das Thema "Nanomotoren"
Als Einstieg und zur Motivierung der Schülerinnen und Schüler werden einige futuristisch anmutende Texte gelesen. (Alternativ kann die Lehrperson einen solchen Text als Einstieg vorstellen).
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1. Stunde: Wiederholung und Klärung von Grundlagen
Die Lehrkraft klärt die Größenordnung "Nano" (10^-9) und wiederholt kurz die Grundlagen zur Energieumwandlung in Zellatmung und Photosynthese.
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1. Stunde: Arbeitsphase
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten jeweils zu zweit die Aufgaben der Arbeitsblätter 2 und 3.
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1. Stunde: Ergebnissicherung
Die Ergebnisse der Arbeitsblätter 2 und 3 werden von der Lehrkraft eingesammelt und auf Vollständigkeit und Richtigkeit geprüft.
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1. Stunde: Festigung
Die Schülerinnen und Schüler betrachten Filme zu den Bewegungsabläufen in beiden ATP-Synthase-Teilen zu dritt an je einem Computer-Arbeitsplatz; alternativ können die Filme auch per Beamer präsentiert werden.
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2./3. Stunde: Vorstellung der Recherche-Themen
Die Lehrperson stellt die zu erarbeitenden Modelle aus Arbeitsblatt 4 und 5 vor (F1/Actin, F1/F0/Actin, F1/F0/Nanovesikel, lichtgetriebene ATP-Synthase) und teilt die Schülerinnen und Schüler so ein, dass jedes Modell von mindestens einer Gruppe bearbeitet wird. Dabei ist es wichtig, auf die prinzipielle Umkehrbarkeit des Protonenflusses durch das Enzym hinzuweisen.
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2./3. Stunde: Erarbeitung
Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten die verschiedenen Rotationsmodelle im Vergleich mit der Bewegung und Funktion der natürlichen ATP-Synthase. Sie informieren sich dazu mithilfe der Arbeitsblätter 2, 3, 4 und 5 sowie den dort angegebenen Internetseiten und bearbeiten die Arbeitsaufträge auf den Arbeitsblättern.
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2./3. Stunde: Ergebnissicherung
Jede Schülergruppe erstellt ein Poster von ihrem Modell unter Einbeziehung von Erkenntnissen aus den angegebenen Internetseiten.
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4. Stunde: Poster-Ausstellung ("Museumsgang")
Zum Abschluss dieser Einheit werden neue Gruppen gebildet, in denen sich jeweils ein Schüler oder eine Schülerin aus jeder Postergruppe befindet. Die jeweiligen Posterexperten stellen Ihr Plakat den anderen vor.
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4. Stunde: Diskussion
Als Abschlussdiskussion empfiehlt sich die Realisierbarkeit möglicher Anwendungen, wobei z.B. die fehlende Steuermöglichkeit und mögliche An- und Abschaltmechanismen der Nanopropeller erörtert werden können.
Didaktisch-methodischer Kommentar
Voraussetzungen und Anknüpfungsmöglichkeiten im Unterricht
Das sehr anspruchvolle Thema bietet sich als Unterpunkt eines Schwerpunktvorhabens (NRW) oder Projektunterrichts zur Biotechnologie an. Voraussetzung ist, dass die Schülerinnen und Schüler den "molekularen Motor" ATP-Synthase entweder bei der Besprechung der Zellatmung oder bei der Photophosphorylierung in der Photosynthese kennen gelernt haben. Kenntnisse über den Bau und die Funktion der jeweiligen Membransysteme und deren Proteinkomplexe sowie das Prinzip des Ionengradienten und der Energieumwandlung sollten bekannt sein.
Jahrgangsstufe 11
Das Thema kann im Anschluss an die Zellatmung in den Unterricht miteinbezogen werden.Jahrgangsstufe 13
Hier kann das Thema als Zusatz zur Evolution unter dem Aspekt der Evolution energieabhängiger Prozesse thematisiert werden (Evolution der ATP-Synthasen).Jahrgangsstufe 11-13
In der gesamten Sekundarstufe II können Nanomotoren unter dem in der Biologie elementaren Aspekt von "Struktur und Funktion" betrachtet werden.
Unterrichtsverlauf "Nanomotoren in Natur und Technik"
- Unterrichtsverlauf "Nanomotoren in Natur und Technik"
Die Schülerinnen und Schüler lernen natürliche und hybride Nanomotoren kennen und präsentieren Ihre Ergebnisse mithilfe der "Museumsgang"-Methode.
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Unterrichtsmaterial "Nanomotoren in Natur und Technik" zum Download
- Nanomotoren-Arbeitsblatt-01.pdf
Arbeitsblatt mit Links zu Onlineartikeln, die die mögliche Nanozukunft skizzieren (zum Beispiel Nanomotoren für medizinische Anwendungen).
VorschauIm Classroom-Manager speichern - Nanomotoren-Arbeitsblatt-02.pdf
Informations- und Arbeitsblatt zum F1-Teil der ATP-Synthase mit weiteren Internetadressen.
VorschauIm Classroom-Manager speichern - Nanomotoren-Arbeitsblatt-03.pdf
Informations- und Arbeitsblatt zum F0-Teil der ATP-Synthase mit weiteren Internetadressen.
VorschauIm Classroom-Manager speichern - Nanomotoren-Arbeitsblatt-04.pdf
Experimente zur Rotation des F1- und des F0-Komplexes mit dem Brückenschlag zu möglichen Anwendungen (Kopplung des Motors mit Nanovesikeln).
VorschauIm Classroom-Manager speichern - Nanomotoren-Arbeitsblatt-05.pdf
Die Schülerinnen und Schüler untersuchen die Möglichkeit, über Bacteriorhodopsin Nanomotoren, die in Vesikelmembranen eingebaut sind, mit Licht anzutreiben.
VorschauIm Classroom-Manager speichern - Nanomotoren-bacteriorhodopsin.avi
Zusatzmaterial zu Arbeitsblatt 5: Ein Movie zur 3D-Struktur von Bacteriorhodopsin im AVI-Format.
Im Classroom-Manager speichern - Nanomotoren-bacteriorhodopsin.mp4
Zusatzmaterial zu Arbeitsblatt 5: Ein Movie zur 3D-Struktur von Bacteriorhodopsin im MP4-Format.
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Alle Materialien der Unterrichtseinheit "Nanomotoren in Natur und Technik" können Sie hier als ZIP-Ordner herunterladen.
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Vermittelte Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler
- erwerben grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau der Rotationsmaschine ATP-Synthase (Tertiär und Quartärstruktur).
- können prinzipielle Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären.
- lernen die wichtigsten Mechanismen der Zelle, chemische Energie in Bewegung umzuwandeln, kennen.
- begreifen Proteinkomplexe in ihrer Eigenschaft als Motoren.
- lernen Anwendungsmöglichkeiten für Nanomotoren kennen und entwickeln selber Ideen.
- begreifen die Natur als Vorbild für technische Umsetzungen und entwickeln dadurch ein Grundverständnis für die Bionik.
- lernen Utopien und unwissenschaftliche Presseberichte analysieren und auf ihren sachlichen Gehalt reduzieren.
Fachlicher Kommentar
- ATP-Synthase
Infos und Links zu den Themen Protonengradient sowie Aufbau und Funktion der ATP-Synthase.
- Der Geißelmotor der Bakterien
Infos und weiterführende Links zum Aufbau und zur Funktion des bakteriellen Geißelapparates.
- Beispiel für eine Nanomaschine
Infos und Links zum Nanomotor von Carlo Montemagno sowie zu potenziellen medizinischen Einsatzmöglichkeiten.
Externe Links
- hhu.de
Im Rahmen der Präsentation studienrelevanter Inhalte haben Studierende der Uni Düsseldorf diese Website mit gut verständlichen Infos zur ATP-Synthase gestaltet.
- rwscharf.homepage.t-online.de
Informationen auf der privaten Website von Rainer Scharf zur Funktion der ATP-Synthase.
- ucsc.edu
Animierte 3D-Molekülmodelle von Hongyun Wang and George Oster.
- rcsb.org
Unter dem "Still Image" finden Sie einen "Interactive View", den Sie mit dem Curser "anfassen, drehen und wenden können".
- uci.edu
Zusammenstellung von Membranproteinen (auch verschiedene ATP-Synthasen) mit Links zu weiteren Infos und 3D-Strukturen bei der RCSB-Proteindatenbank.
- chemgapedia.de
Infos zum Aufbau und zur Funktion der Bakteriengeißel mit Movies zur positiven und negativen Chemotaxis eines Bakteriums nach Zugabe eines Lock- oder Schreckstoffs.
- heise.de
Ein Interview mit Ralph Merkle, Krypto-Pionier, Extropianer und Computerwissenschaftler, zum Thema Nanozukunft.
- mpibpc.mpg.de
Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft mit einer Grafik zum Aufbau des bakteriellen Geißelmotors.
