Themenstruktur Biologie 12/1 Gentechnik

für die projektvorbereitende Unterrichtsphase

Fachüberschreitend

Fachspezifisch

Aktuelle Zeitungsartikel zu Problembereichen aus der Genetik: Zuordnung von Schlagworten und Fachbegriffen zu Forschungsbereichen, Anwendungsgebieten und gesellschaftlichen Problembereichen.

Diskussion über die momentanen Vorstellungen der Schüler zur gentechnischen Forschung und Anwendung.

Vorbereitung der Schüler auf die gemeinsame fächerverbindende Gruppenarbeitsphase in kompakter Form in der Art eines Intensivkurses mit folgenden Intentionen:

  • schnelle und intensive Verarbeitung von Information,
  • kompetenter Umgang mit den sich aus den Informationen ergebenden Sachverhalten im Rahmen exemplarischer Problemstellungen
  • gegenseitige Unterstützung bei der selbständigen Lösung von Transferaufgaben und problemorientierten Aufgabenstellungen,
  • Selbständiges Arbeiten mit Abbildungen, Modellen und Literatur,
  • anschauliche, klare und differenzierte Erläuterungen für die Mitschüler
  • Klärung der in den Zeitungsartikeln und in der Diskussion angewandten Begriffe aus der Genetik;
  • Familiäre Beziehungen an Beispielen aus dem eigenen Erfahrungsbereich
  • Unterscheidung von Körperzellen und Keimzellen auf der Grundlage von Fotografien und schematischen Abbildungen;
  • Arbeitsaufgaben zur Mitose (Arbeitsblatt, Abbildungen und Material zum Ausschneiden): Einordnung von Mitose und Meiose im Rahmen der Kontinuität des Lebenszyklus zwischen den Generationen einerseits und der Veränderbarkeit von Arten andererseits.

Chemischer Aufbau der DNA als materielle Grundlage der Erbinformation chemische Bausteine der DNA (Stoffklassen)

Konstruktion eines DNA-Doppelhelix-Modells mit dem Modellbaukasten

Vom Chromosom zur DNA (zelluläre Organisation der genetischen Information.)

Folien, schematische Abbildungen, 16 mm Film

Unterscheidung von künstlichen Systemen (in vitro) und natürlichen Systemen (in vivo)

Mechanismus der Replikation

komplexes Überblicksschema unter Einbeziehung der beteiligten Enzyme

Ein-Gen-ein-Polypeptid (primäres Genprodukt)-Beziehung: DNA --mRNA -- primäres Genprodukt (Polypeptid)

Realisierung der genetischen Information (Proteinbiosynthese)

schematische Darstellung auf Folie, Fotokopie, 16 mm-Film; Magnettafel-Modell

Lebenszyklen von Viren

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Fachspezifische Klausur

Fächerverbindende Projektphase

fachübergreifende gemeinsame Klausur

Fragebogen zur fachübergreifenden Gruppenarbeitsphase
Kritik und Verbesserungsvorschläge für die weitere BINGO-Arbeit im Rahmen zukünftiger Gruppenarbeitsphasen

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Diskussion von Zeitungsartikeln zu Forschungs- und Anwendungsbereichen der Gentechnologie als weitere Vorbereitung auf die geplante Podiumsdiskussion

Podiumsdiskussion mit Doktoranden der Biologie an der Universität Bremen

Fortsetzung des fachspezifischen Unterrichts zur Erweiterung der fachlichen Grundlagen auch in Hinblick auf die geplante Podiumsdiskussion:

  • Regulation der Aktivität von Genen in der Zelle (Regulation der Realisierung von genetischer Information);
  • Blutgruppen und Krankheiten des Blutes
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Bericht über die Haupterprobung

a) Einstiegsphase

Anhand von Zeitungsartikeln mit entsprechend aufgemachten Überschriften zu aktuellen Problembereichen der Genetik stiegen wir in das Thema des Halbjahres ein. Es erfolgte eine Zuordnung von Schlagworten und Fachbegriffen der Genetik in den Zeitungsartikeln zu Forschungsbereichen, Anwendungsgebieten und gesellschaftlichen Problembereichen: Reproduktionsgenetik, Gentechnologie und genetische Manipulation, Altersforschung, die Macht der Gene (genetische Anteile an Merkmalen), Lebensmitteltechnologie, gentechnische medizinische Diagnostik, genetischer Fingerabdruck, Gentransfer, Erbkrankheiten, Euthanasie, geklonte Lebewesen.

Mit dem Einführungsartikel zur Gentechnologie wurde eine relativ differenzierte Position zur ethischen und gesellschaftlichen Diskussion dieses Themas vorgestellt, an deren Anfang ein Zitat von Berthold Brecht aus "Leben des Galilei" steht: "Es ist nicht das Ziel der Wissenschaft, der unendlichen Weisheit eine Tür zu öffnen, sondern eine Grenze zu setzen dem unendlichen Irrtum." Es folgte eine offene Diskussion über Gentechnologie und deren Grenzen in Forschung und Anwendung. Die Schüler lieferten anschließend die folgende Zusammenfassung von der Einführungsphase:

Vererbte Programme garantieren grundsätzlich Kontinuität und Stabilität zwischen den Generationen, sind aber unter natürlichen Bedingungen veränderbar. Nur so läßt sich die Veränderung von Lebewesen im Verlauf der stammesgeschichtlichen Entwicklung erklären. Allerdings lassen sich Erbprogramme auch künstlich verändern, so daß man in der Lage ist, in die genetische Information und damit in Lebensabläufe einzugreifen im positiven wie im negativen Sinn. Moderne gentechnologische Methoden ermöglichen sowohl eine Analyse als auch eine gezielte Manipulation der Erbinformationen von Lebewesen, grundsätzlich auch beim Menschen. Die von den Schüler in diesem Zusammenhang aufgeworfene Frage, inwieweit man hier überhaupt von Fortschritt sprechen kann, wurde vorerst offen gelassen und auf die spätere fachübergreifende Phase mit anschließender Podiumsdiskussion verwiesen.

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b) Familiäre Beziehungen (1,5 UE)

Schlagworte, Fachbegriffe und Sachverhalte aus dem Bereich familiärer verwandtschaftlicher Beziehungen - Verwandtschaft, Ähnlichkeiten, familiäre Erbkrankheiten, Dominanz, Rezessivität, eineiige und zweieiige Zwillinge, Problematik der Inzucht und Inzest - wurden von den Schülerinnen und Schülern aus ihren Vorkenntnissen her aufgeworfen und teilweise untereinander veranschaulicht und erklärt, teilweise unter Präzisierung des Lehrers. Insgesamt war eine große Diskrepanz der Vorkenntnisse unter den Schülerinnen und Schülern zu beobachten, vor allem im Zusammenhang mit Genauigkeit und Differenzierung. Die Begriffe selbst waren den meisten aus der Sekundarstufe I oder aus anderen Zusammenhängen her bekannt.

c) Unterscheidung von Körperzellen (Somazellen) und Keimzellen (1,5 UE)

  • Aufbau und Funktion von Spermien und Eizellen
  • Gurdonexperiment zur Lokalisation von Genen
  • Unterschiedliche Aufgaben von Keimzellen und Körperzellen (unter Einbeziehung der Besonderheiten von Nervenzellen)

d) Mitose (3 UE)

Themengleiche Arbeitsaufgaben zur Mitose (Kernteilung bei Eukaryoten) in Form von Arbeitsblättern, Abbildungen und Material zum Ausschneiden. Unterthemen:

  • Kernteilungsphasen der Mitose
  • Chromosomenzustände (kondensiert und dekondensiert)
  • Chromatidentrennung während der Metaphase
  • Bedeutung, Ergebnisse und Vorkommen der Mitose:
  • Entstehung von erbgleichen Zellen (Klone) bei Zellteilungsvorgängen im Rahmen von Wachstums- und Entwicklungsvorgängen und der nichtsexuellen Fortpflanzung;

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e) Chromosomenbilder der Zellen verschiedener Arten (Karyogramm) (1 UE)

  • Chromosomale Geschlechtsbestimmung,
  • Bildung von Keimzellen (Spermatogenese und Oogenese),
  • numerische und strukturelle Chromosomenfehler (Erbkrankheiten im Zusammenhang mit Verteilungsfehlern und Strukturfehlern der Chromosomen (z.B. Trisomie 21 = Mongolismus)

f) Sexualität - Variabilität - Angepaßtheit (4,5 UE)

  • Beschreibung der Erbkrankheit Trisomie 21 und Problematisierung der Ursachen;
  • Arbeitsblatt zur Bildung von Keimzellen unter Hervorhebung der Vorgänge bei der Kernteilung (Meiose),
  • Aufgabenstellung, die Reihenfolge der einzelnen Stadien zu bestimmen (mit Begründung) auf der Grundlage von ausgeschnittenen Bildern;
  • Zuordnung der einzelnen Chromosomenzustände zu den entsprechenden Phasen der Meiose;
  • Vergleich der einzelnen Phasen der Meiose I mit den entsprechenden Phasen bei der Mitose;
  • Diskussion der Unterschiede;
  • Hervorhebung der besonderen Bedeutung von Rekombinationsvorgängen; Einordnung von Mitose und Meiose im Rahmen der Kontinuität des Lebenszyklus zwischen den Generationen einerseits und der Veränderbarkeit von Arten im Rahmen der Anpassung bei der stammesgeschichtlichen Entwicklung andererseits;

g) Organisation der Erbinformation (Vom Chromosom zur DNA) (1,5 UE)

Die Organisation der Erbanlagen bei Eukaryoten (Feinbau) wurde auf der Grundlage entsprechender Folien veranschaulicht und im Gesamtzusammenhang der Funktionen des Zellkerns erläutert. Im darauffolgenden Schritt wurden die Anforderungen an die DNA als materieller Informationsgrundlage im Zusammenhang mit entscheidenden lebensrelevanten Aspekten bei Lebewesen problemorientiert erarbeitet.

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h) Aufbau der DNA als materielle Grundlage der Erbinformation (3 UE)

  • Arbeitsblatt mit Arbeitsaufträgen, Modelle, Folien, Abbildungen und Filme zur Veranschaulichung;
  • chemische Struktur der Bausteine; Unterscheidung von DNA und RNA; Bindungsstellen, Aufbau und Benennung der Nukleotide, Basenpaarung, komplementäre Stränge und gegenläufige Polarität;

i) Mechanismus der identischen Verdopplung (Replikation) (3 UE) :

  • Unterscheidung von künstlichen Systemen (in vitro) und natürlichen Systemen (in vivo);
  • beteiligte Enzyme (im Detail), Trinukleotide, Primer, Okazaki- Stücke usw.
  • Anschauliche Schemata und ein Film regten die Schüler zu intensiver und detaillierter Beschäftigung mit diesem molekularbiologisch bedeutenden Thema an.

j) Unterrichtliche Vorbereitung des Themas Proteinbiosynthese (1,5 UE)

  • Vorstellung autosomal rezessiv vererbter Krankheiten anhand von Dias;
  • Verallgemeinerung der Ursachen als Enzymdefekte;
  • Diskussion über die entsprechenden Syndrome und medizinischen Möglichkeiten;
  • typische Erbgänge mit entsprechender Legende und Fachbegriffen: Genotyp, Phänotyp, homozygot, heterozygot, Inzucht;
  • Ein-Gen-ein-Enzym-Beziehung (Enzyme als mögliche primäre Genprodukte).

Auffallende Beobachtungen : Die Schüler hatten in diesem Zusammenhang keine Schwierigkeiten mit der Mendel- und Stammbaumproblematik, sondern ergänzten die notwendigen Informationen vorwiegend von sich aus. Anwendungsüberprüfungen bestätigten die im Gegensatz zu normalen Grundkursbedingungen schnelle Rezeption der Problematik - quasi als Nebenprodukt der vorhergegangenen Überlegungen zur Meiose.

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k) Realisierung der genetischen Information (Herstellung der primären Genprodukte in der Zelle = Proteinbiosynthese)

  • Schematischer Überblick, überblickartige, stark vereinfachte Vorstellung anhand eines 8mm Filmes;
  • Erarbeitung des genetischen Codes im Rahmen der Herstellung der entsprechenden Beziehung zwischen Basensequenz der DNA und zugehöriger Aminosäuresequenz des primären Genproduktes;
  • Anwendung des Code-Lexikons (Codogene, Codone und Anticodone);
  • erst jetzt detailierte Vermittlung der Einzelschritte und der notwendigen Fachbegriffe: Transskription, Translation, Aufbau der t-RNA; Ribosomen und die wichtigsten beteiligten Enzymsysteme;
  • Räumliche Beziehungen bei der Realisierung der genetischen Information;
  • wichtig: Gegenüberstellung von Replikation und Transskription; Klausur zur 1. Phase des Themas Kontinuität und Veränderung des Lebens; Rückgabe und Besprechung der Klausur

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