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
- Biologie
- Sekundarstufe II
- 4-5 Stunden
- Ablaufplan, Arbeitsblatt, Lernkontrolle
- 1 Arbeitsmaterial
Am Beispiel der ATP-Synthase lernen die Jugendlichen den prinzipiellen Mechanismus der Energieumwandlung kennen. An diesem Enzym wird kinetische Energie von Protonen in „chemisch gebundene“ Energie in Form von ATP verwandelt. Durch den Protonenfluss wird der Rotationsmotor der ATP-Synthase in Gang gesetzt. 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.
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
-
1. 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).
-
2. Wiederholung und Klärung von Grundlagen
Die Lehrkraft klärt die Größenordnung „Nano“ (10~sup~-9~) und wiederholt kurz die Grundlagen zur Energieumwandlung in Zellatmung und Photosynthese.
-
3. Arbeitsphase
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten jeweils zu zweit die Aufgaben der Arbeitsblätter 2 und 3.
-
4. Ergebnissicherung
Die Ergebnisse der Arbeitsblätter 2 und 3 werden von der Lehrkraft eingesammelt und auf Vollständigkeit und Richtigkeit geprüft.
-
5. 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.
-
1. 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.
-
2. 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.
-
3. Ergebnissicherung
Jede Schülergruppe erstellt ein Poster von ihrem Modell unter Einbeziehung von Erkenntnissen aus den angegebenen Internetseiten.
-
4. Stunde - 1. 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.
-
4. Stunde - 2. 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
- Unterrichtsverlauf, Anknüpfungsmöglichkeiten, Materialien
Die Schülerinnen und Schüler lernen natürliche und hybride Nanomotoren kennen und präsentieren Ihre Ergebnisse mithilfe der "Museumsgang"-Methode.
-
nanomotoren_materialien.zip
Alle fünf Arbeitsblätter zum Thema Nanomotoren in Natur und Technik sowie zwei Animationen zur Struktur des Rhodopsins in einem Rutsch.
Mappe Merkliste
-
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.
-
ATP-Synthase, Geißelmotor, Nanomaschinen
Webseiten mit Infos zu den Themen der Unterrichtseinheit, Grafiken, Animationen und 3D-Molekülen.
Vermittelte Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau der Rotationsmaschine ATP-Synthase erwerben (Tertiär und Quartärstruktur).
- prinzipielle Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären können.
- die wichtigsten Mechanismen der Zelle, chemische Energie in Bewegung umzuwandeln, kennen lernen.
- Proteinkomplexe in ihrer Eigenschaft als Motoren begreifen.
- Anwendungsmöglichkeiten für Nanomotoren kennen lernen und selber Ideen entwickeln.
- die Natur als Vorbild für technische Umsetzungen begreifen und dadurch ein Grundverständnis für die Bionik entwickeln.
- Utopien und unwissenschaftliche Presseberichte analysieren und auf ihren sachlichen Gehalt reduzieren lernen.
Bitte melden Sie sich an, um einen Kommentar zu schreiben.
Anmelden