Nanomotoren in Natur und Technik

Unterrichtseinheit

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

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.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

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"

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Unterrichtsmaterial "Nanomotoren in Natur und Technik" zum Download

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.

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