Genetik und Gentechnik - ISB
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Genetik und Gentechnik - ISB
HANDREICHUNG GYMNASIUM Genetik-internet.indd 1 HANDREICHUNG GYMNASIUM Genetik und Gentechnik Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung Schellingstraße 155, 80797 München Tel.: 089 2170-2101 Fax: 089 2170-2105 Internet: www.isb.bayern.de STAATSINSTITUT FÜR SCHULQUALITÄT UND BILDUNGSFORSCHUNG MÜNCHEN Genetik und Gentechnik Jahrgangsstufe 9 Materialien für einen kompetenzorientieren Biologieunterricht mit CD Betriebswirtschaftslehre/ Rechnungswesen 28.04.2011 10:16:23 STAATSINSTITUT FÜR SCHULQUALITÄT UND BILDUNGSFORSCHUNG MÜNCHEN Genetik und Gentechnik - Jahrgangsstufe 9 Materialien für einen kompetenzorientieren Biologieunterricht Handreichung für den Unterricht am Gymnasium München 2011 Erarbeitet im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Unterricht und Kultus Herausgeber: Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung Abteilung Gymnasium Schellingstr. 155 80797 München Tel.: 089 2170-2121 Fax: 089 2170-2125 Internet: www.isb.bayern.de Leitung des Arbeitskreises: Petra Reinold, ISB, Abt. Gymnasium Mitglieder des Arbeitskreises: Florian Bernhard, Ammersee-Gymnasium Dießen Sonja Laleike, Holbein-Gymnasium Augsburg Robert Wagner, Landschulheim Marquartstein Sylvia Wengler, Simpert-Kraemer-Gymnasium Krumbach Weitere Autorin: Eva Hammer-Bernhard, Ammersee-Gymnasium Dießen Redaktion: Petra Reinold, ISB, Abt. Gymnasium Veröffentlichung: online Bilder Umschlagseite: Mitglieder des Arbeitskreises Bildnachweise: Die Bildquellen sind jeweils an den entsprechenden Stellen im Text angegeben. Bilder ohne Quellenangaben stammen von den Autoren. Inhaltsverzeichnis Vorwort .................................................................................................................................... 4 Einführung in die Genetik ...................................................................................................... 6 Rolle der Proteine bei der Merkmalsausbildung ................................................................. 9 Bedeutung von Proteinen ..................................................................................................... 9 Bau und Vielfalt von Proteinen ........................................................................................... 18 Struktur und Funktion von Proteinen .................................................................................. 23 DNA als Informationsträger ................................................................................................. 27 Ein einfaches DNA-Modell ................................................................................................. 27 Vom Gen zum Merkmal ........................................................................................................ 31 einfache Modellvorstellung der Proteinbiosynthese ........................................................... 31 Genwirkkette ...................................................................................................................... 34 Karyogramm eines Menschen ............................................................................................ 38 Wachstum ............................................................................................................................. 41 vereinfachter Ablauf der Mitose, Zellzyklus ........................................................................ 41 Bildung von Keimzellen ....................................................................................................... 44 vereinfachter Ablauf der Meiose ......................................................................................... 44 Bedeutung der Meiose ....................................................................................................... 48 Zusammenfassung Karyogramm, Mitose, Meiose ............................................................. 57 Meiosefehler ......................................................................................................................... 60 Fehler in der Meiose - des Guten zuviel ............................................................................. 60 Fehler in der Meiose - des Guten zuviel (Texte) ................................................................ 63 Pränatale Diagnostik (I) ...................................................................................................... 66 Pränatale Diagnostik (II) ..................................................................................................... 67 Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik ......................................................... 72 ethische Bewertungsgrundlagen ........................................................................................ 76 Methoden der Gentechnik .................................................................................................. 83 ethische Bewertung der Gentechnik .................................................................................. 90 Anhang ................................................................................................................................ 105 Vorlage für DNA-Modell ................................................................................................... 105 Methoden für Gruppenarbeiten ........................................................................................ 108 4 Vorwort Vorwort „Kompetenzen werden nicht unterrichtet, sie werden von den Schülern erworben.“ (Fahse, MNU 57/8 (12/2004)) Was bedeutet diese Aussage für Lehrkräfte, die das Konzept der Kompetenzorientierung in ihrem Unterricht verwirklichen wollen? Der Blickwinkel, aus dem man als Lehrkraft die Unterrichtsplanung betrachtet, ist ein anderer als beim klassischen lernzielorientierten Unterricht. Ausgangspunkt für die Unterrichtsplanung war hierbei i.d.R. ein konkreter Lehrplaninhalt. Durch Auswahl geeigneter Methoden wurde der Inhalt so aufbereitet, dass die Schülerinnen und Schüler anschlussfähiges Wissen erwerben konnten. Moderner naturwissenschaftlicher Unterricht verfolgt nach dem Lehrplan des achtjährigen Gymnasiums und den Bildungsstandards zusätzlich zur Vermittlung von Fachinhalten verstärkt auch eine Handlungsdimension. Die Schülerinnen und Schüler bekommen im Unterricht Gelegenheiten zur eigenständigen Auseinandersetzung mit Inhalten. Der Unterricht bietet Situationen, in denen die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen und ihre Fähigkeiten anwenden können. Bei der Unterrichtsplanung im kompetenzorientierten Unterricht ist der erste Schritt die Frage: Welche Kompetenzen sollen die Schülerinnen und Schüler erwerben?. Ausgehend von der angestrebten Kompetenz werden geeignete Lehrplaninhalte, Lernformen und Lernmethoden ausgewählt, um eine Lernsituation zu schaffen, in der die Kompetenz erworben werden kann. Abb.: kompetenzorientierter Unterricht Die vorliegenden Materialien wurden im Rahmen eines Arbeitskreises am Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung (ISB) entwickelt. Sie bieten konkrete Beispiele zur Schaffung solcher Gelegenheiten und Situationen. Insbesondere wurden von den Erstellern der Materialien im Vorfeld Kompetenzen ausgewählt, die im Zusammenhang mit dem Umgang mit Texten und Abbildungen und dem Arbeiten mit Modellen stehen. Auch die Reflexion alltagsrelevanter Themen aus dem Blickwinkel der Biologie ist ein wichtiger Aspekt des Unterrichts, für den es gerade beim Thema Genetik viele Anknüpfungspunkte gibt. Die Vorschläge zum Lehrplanpunkt „B 9.5 Angewandte Biologie“ enthalten hierzu ausführliche Informationen und stellen entsprechende Unterrichtsmethoden vor. Neben der Frage nach der Kompetenzorientierung im Unterricht möchten die Materialien auch die Frage beantworten: „Welches fachliche Niveau soll bei Themen zur Genetik in Jahrgangsstufe 9 angestrebt werden - welche Aspekte werden erst in Jahrgangsstufe 11 aufgegriffen? Vorwort 5 Die einzelnen Bausteine der Materialien beschreiben eine, maximal zwei Unterrichtsstunden. Sie enthalten: eine „Lehrerinformation“, in der Angaben zu den benötigten Vorkenntnissen und zum Vorwissen („Voraussetzungen“), eine kurze Skizze zum Ablauf der Stunde („Hinweise zur Umsetzung“) und Angaben zu den angestrebten Kompetenzen („Ziele des Bausteins“) enthalten sind, Arbeitsblätter mit Lösungsvorschlägen, Aufgaben, Texte und Zeitungsartikel, Präsentationen, Anleitungen für das Anfertigen von Modellen. In den Bausteinen werden alle Themen der Lehrplanunterpunkte „B 9.3 Grundlagen der Genetik“ und „B 9.5 Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik“ aufgegriffen. Es sind Bausteine zum Üben und Wiederholen vorgesehen. Die Materialien können quasi als „Komplettpaket“ zur ausführlichen Behandlung der beiden Lehrplanunterpunkte eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, einzelne Bausteine auszuwählen und diese in ein anderes Unterrichtskonzept zu integrieren. Alle Dateien stehen auch auf der Link-Ebene des Lehrplans zum Download zur Verfügung. München, im Mai 2011 Petra Reinold Einführung in die Genetik – Lehrerinformation 6 Einführung in die Genetik Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: DNA als Informationsträger: einfaches DNA-Modell Basiskonzept: Reproduktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) Fachwissen Erkenntnisgewinnung Kommunikation 6, 7 Bewertung Zellkern als Speicherort der Erbinformation (DNA), Umgang mit und Analyse von Texten bzw. modellhaften Darstellungen, prinzipieller Weg der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung Klassensatz Aufgabenblatt Bearbeitung des Materials: 20 Minuten Die Schülerinnen und Schüler ermitteln an vier historischen Beispielen zur Genetik typische Merkmale der naturwissenschaftlichen Forschung und stellen sich berühmte Genetiker und deren Experimente gegenseitig vor. Die Schülerinnen und Schüler ... K 6 stellen Ergebnisse und Methoden biologischer Untersuchungen dar und argumentieren damit, K 7 referieren zu gesellschafts- und alltagsrelevanten biologischen Themen. Arbeitsblatt (Einfuehrung_AB) Die Klasse wird in vier Gruppen gegliedert. Jede Gruppe erhält einen der vier Sachtexte. Der Arbeitsauftrag besteht darin, die Sachtexte durchzulesen, darin typische Merkmale der naturwissenschaftlichen Forschung zu ermitteln und die Erkenntnisse aus der jeweiligen Forschungsarbeit in einem oder zwei schlagkräftigen Sätzen zusammenzufassen (mögliche Formulierungen s. u.). Am Ende der Bearbeitungszeit (ca. 7 min) sollen jeweils ein bis zwei Schülerinnen/Schüler aus jeder Gruppe die jeweiligen Forscher und ihre Arbeit vorstellen und die Sätze an die Tafel schreiben. Mögliche Formulierungen: 1863: Gregor Mendel hat die Idee der Gene: portionierte Teilchen, die als Einheit an Nachkommen weitergegeben werden. 1903: Walter Sutton und Theodor Boveri stellen eine Theorie auf, die einen Zusammenhang zwischen Mendels Vererbungslehre und den Chromosomen beschreibt. 1952: Hershey & Chase finden einen wichtigen Beweis, der die DNA als Träger der Erbinformation identifiziert. 1953: Watson & Crick entwerfen das Strukturmodell des DNA-Moleküls: eine a-Doppelhelix. Einführung in die Genetik – Texte 7 Gregor Mendel und die Idee der Erbanlagen Merkmale werden vererbt - zumindest stellt sich dieser Eindruck beim Betrachten von Familienfotos ein. Die Frage ist jedoch: Auf welche Weise wird die Information von den Eltern auf die Nachkommen übertragen? Eine Erklärungsmöglichkeit wäre die sog. „Mischhypothese“, nach der das Erbgut beider Eltern miteinander vermischt wird, ähnlich wie man zwei Farben miteinander mischt, um eine dritte zu erhalten. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts ging ein Mönch namens Gregor Mendel diesem Gedanken auf die Spur. Er züchtete in seinem Klostergarten zwei Sorten Erbsenpflanzen, die sich nur in einem Merkmal unterschieden: Eine Sorte hatte rote Blüten, die andere weiße. Diese kreuzte er miteinander. Dabei machte er eine erstaunliche Beobachtung: Sämtliche Nachkommen der Erbsenpflanzen blühten rot! Gregor Mendel führte den Versuch fort, indem er diese Nachkommen wiederum mit den “Eltern“ kreuzte. Dabei stellte er fest, dass nun neben roten Blüten auch wieder weiße auftraten, aber niemals Blüten der Farbe rosa. Diese Beobachtungen veranlassten Gregor Mendel zu folgender Erklärung über die Vorgänge bei der Vererbung: Eltern geben die Erbinformation in festen Portionen, den Erbanlagen oder Genen, an ihre Nachkommen weiter. Die „Gensammlung" eines Organismus gleicht demnach eher einem Eimer Murmeln als einem Eimer Farbe. Aus diesen und anderen Beobachtungen leitete er Gesetzmäßigkeiten ab, die heute als die „Mendelschen Regeln“ bekannt sind und die er 1865 veröffentlichte. Leider schenkten seine Zeitgenossen Gregor Mendel keinen Glauben. Erst 50 Jahre später - als Mendel schon lange gestorben war - sollten seine Ideen unter Wissenschaftlern Begeisterung finden. Bildnachweise: Mendel: Wikimedia Commons, Gregor Mendel.png Blüte: Wikimedia Commons, Illustration Pisum sativum0.jpg Die Chromosomentheorie der Vererbung von Sutton und Boveri Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden die mikroskopischen Techniken deutlich verbessert, sodass erstmals die Vorgänge bei der Zell- und Reifeteilung (Mitose und Meiose) genauer untersucht werden konnten. Dabei fielen vor allem fädige Strukturen auf, die sich während dieser Vorgänge in scheinbar geordneter Weise bewegten und gleichmäßig an die Tochterzellen weitergegeben wurden. Da man diese Strukturen mit bestimmten Farbstoffen anfärben konnte, nannte man sie Chromosomen (gr. chroma: Farbe). Walter Sutton und Theodor Boveri fielen Gemeinsamkeiten zwischen den Erkenntnissen aus der Zellbiologie und Erkenntnissen der Genetik auf: Gregor Mendel sprach davon, dass es von jeder Erbanlage zwei Formen gibt, die bei der Bildung von Geschlechtszellen getrennt werden. Ebenso gibt es in einer Zelle von jedem Chromosom zwei Exemplare, die ebenfalls bei der Bildung von Geschlechtszellen getrennt werden. Bei der Befruchtung entsteht eine Zelle, die wieder Chromosomenpaare enthält. Dies entspricht der Vorstellung von Mendel, dass sich in einer Zelle nach der Befruchtung Paare von Erbanlagen befinden. Sutton und Boveri stellen daraufhin die Chromosomentheorie der Vererbung auf: Die Erbanlagen (Gene) befinden sich an ganz bestimmten Stellen auf den Chromosomen, die als Träger der Erbinformation bei Zellteilungen verteilt und weitergegeben werden. Bildnachweis: Mikroskop: Wikimedia Commons, Compound Microscope 1876.JPG 8 Einführung in die Genetik – Texte Das Hershey-Chase-Experiment In den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts stellten Wissenschaftler fest, dass die Chromosomen, welche die Erbinformation tragen, aus zwei Substanzen aufgebaut sind: aus Desoxyribonukleinsäure (kurz: DNA) und aus Eiweiß (Protein). Viele Forscher dachten, Proteine müssten der Stoff sein, aus dem das Erbmaterial besteht. Für Proteine als Erbmaterial sprach ihre schon damals bekannte große Vielfalt und ihre hohe Spezifität. Über Nukleinsäuren war dagegen wenig bekannt; ihr Bau erschien den Forschern als zu einfach und einförmig, um für die Vielfalt der speziellen, vererbten Merkmale aller Organismen verantwortlich zu sein. Alfred Hershey und Martha Chase machten 1952 eine interessante Entdeckung bei ihren Untersuchungen von Phagen. Phagen sind Viren und bestehen daher nur aus Proteinen und Nukleinsäuren. Sie vermehren sich, indem sie ihr Erbgut in Bakterien injizieren, die dann neue Phagen bilden. Hershey und Chase gingen folgendermaßen vor: Sie markierten in zwei getrennten Versuchen die Phagen mit einer radioaktiven Substanz. In einem Versuch wurden die Protein-Bestandteile radioaktiv markiert, im anderen die DNA. Bei der Auswertung zeigte sich, dass Radioaktivität nur in den Bakterien nachzuweisen war, die mit Phagen in Berührung gekommen waren, deren DNA radioaktiv markiert war. Dies war einer der Beweise dafür, dass nicht Proteine, sondern die DNA der Träger des Erbgutes sein musste - eine Tatsache, die weithin für Erstaunen sorgte. Bildnachweis: Phage: Author: Leptictidium, Wikimedia Commons, lizenziert unter CC-BY-SA-3.0-DE Bacteriòfag.png Das Watson-Crick-Modell der DNA Um 1950 setzte sich die Vorstellung unter den Biologen durch, dass die DNA (kurz für “Desoxyribonucleinsäure“) das genetische Material ist. Daraufhin begann ein Wettstreit zwischen zahlreichen Forschungslabors. Alle wollten nun herausfinden, wie die dreidimensionale Struktur der DNA aussieht. Die beiden Forscher, die das Rätsel schließlich lösten, waren James Watson und Francis Crick. Der Amerikaner James Watson kam damals an die Universität von Cambridge, wo Francis Crick mit ausgefeilten Techniken, wie z. B. der Röntgenstrukturanalyse, den Bau von Proteinen untersuchte. Bei einem Besuch in London bekam Watson die Aufnahme einer Röntgenbeugung von kristalliner DNA zu sehen. Solche Aufnahmen zeigen das Molekül nicht direkt, sondern in verzerrtem, zweidimensionalem Muster. Kristallographen können auf der Grundlage dieser Abbildungen den Aufbau eines Kristalls berechnen und dann Rückschlüsse auf die Anordnung der Atome im Kristall ziehen. Watson analysierte die Aufnahme der DNA gründlich und erkannte, dass das DNA-Molekül wie eine Wendeltreppe aufgebaut ist. Gemeinsam mit Crick begann er aus Draht ein maßstabsgetreues DNAMolekül zu bauen. Nach einigen Fehlschlägen veröffentlichten sie schließlich 1953 ihren Vorschlag für die Struktur der DNA: eine -Doppelhelix. Bildnachweis: DNA: Wikimedia Commons, DNA double helix 45.PNG Bedeutung von Proteinen – Lehrerinformation 9 Rolle der Proteine bei der Merkmalsausbildung Bedeutung von Proteinen Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Rolle der Proteine bei der Merkmalsausbildung, z. B als Enzyme, Baustoffe Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 1.5 Fachwissen (F) Erkenntnisgewinnung (E) Kommunikation (K) Basiskonzept: Struktur und Funktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung 1 Bewertung (B) Umgang mit und Analyse von Texten Klassensatz laminierte Infotexte, Folie 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler verschaffen sich einen Überblick über die vielfältigen Bedeutungen der Proteine für den Organismus. Die Schülerinnen und Schüler… F 1.5 wechseln zwischen den Systemebenen (Funktionsebene, Phänotypebene, Molekülebene), K 1 kommunizieren in verschiedenen Sozialformen. Infotexte (Prot_Bedeutung_MA1), Folienvorlage (Prot_Bedeutung_MA2) Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich zunächst in Einzelarbeit anhand von Infotexten jeweils eine von sechs verschiedenen Bedeutungen und Funktionen von Proteinen im Organismus. Anschließend tauschen sich Schülerinnen und Schüler, die den gleichen Text bearbeitet haben, untereinander aus und erarbeiten als Gruppe gemeinsam einen Beitrag zur Mindmap, die nach einem von der Lehrkraft als Folie präsentierten Muster gestaltet werden soll. Dabei müssen die Schülerinnen und Schüler über die verschiedenen Systemebenen reflektieren und ihren Beitrag dementsprechend strukturieren. Die Folie mit der Strukturierungsvorgabe muss von der Lehrkraft gegebenenfalls mit einem Beispiel erläutert werden. Die Mindmap wird von den Gruppen gemeinsam an der Tafel erstellt. Als Ergebnissicherung wird die Mindmap ins Heft übernommen. 10 Bedeutung von Proteinen – Texte Proteine sind ein Teil des Immunsystems des Körpers. Solche Abwehr-Proteine bekämpfen in den Körper eingedrungene Krankheitserreger wie z. B. Bakterien und Viren. Antikörper sind Proteine, die durch ihre spezielle Gestalt genau zu bestimmten Strukturen an der Oberfläche der Krankheitserreger passen – ähnlich wie ein Schlüssel genau zu einem Schloss passt. Damit helfen Antikörper bei der Erkennung und Vernichtung der Krankheitserreger. Abb. 1: Cholera-Bakterien (Quelle: Wikimedia Commons, Cholera bacteria SEM.jpg) Abb. 2: Durch eine Verletzung können Krankheitserreger in den Körper eindringen. Bedeutung von Proteinen – Texte 11 Bewegliche Proteine ermöglichen Bewegungen von Zellorganellen, Zellen und des ganzen Körpers. Aktin und Myosin sind beispielsweise zwei längliche Proteine, die zusammen für die Kontraktion von Muskelfasern im Muskel verantwortlich sind. Auch das Schlagen von Geißeln und Wimpern bei Einzellern wird von beweglichen Proteinen bewirkt. Abb. 3: Pantoffeltierchen Abb. 4: Bewegung der Hand (Quelle: Clipart ETC is copyright © 2010 by the University of South Florida: File Name: paramecium_7303) Abb. 5: Muskulatur des Menschen (Quelle: Wikimedia Commons, Genga 19.jpg) 12 Bedeutung von Proteinen – Texte Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen im Körper beschleunigen und dadurch meist sogar erst ermöglichen. Sie sind also biologische Katalysatoren, die den Umbau von Stoffen in den Zellen bewirken. So ist zum Beispiel die Alkoholdehydrogenase ein Enzym, das den Abbau von Alkohol in der Leber ermöglicht. Die Amylase im Mundspeichel zersetzt die Stärke in der zerkauten Semmel zu Malzzucker, sodass es leicht süß schmeckt, wenn man lange kaut. Auch andere Enzyme helfen bei der Verdauung der Nahrung, z. B. das Pepsin im Magensaft beim Abbau von Eiweiß in seine Bausteine, die Aminosäuren. Blütenfarbstoffe werden mithilfe von Enzymen aus ihren Vorstufen gebildet. Abb. 6: Bier Abb. 7: Tulpenblüte Bedeutung von Proteinen – Texte 13 Rezeptorproteine sind Bestandteile von Zellmembranen. Kommt von außen ein chemisches Signal in Form bestimmter Moleküle an der Zellmembran an, verbinden sich diese Moleküle mit den Rezeptorproteinen – ähnlich wie ein passender Schlüssel sich mit einem Schloss verbinden kann. Dadurch werden innerhalb der Zelle bestimmte Signale ausgelöst und Vorgänge gestartet. Die Rezeptoren unserer Riechsinneszellen beispielsweise nehmen Duftmoleküle auf und lösen dadurch elektrische Impulse aus, die über Nerven zum Gehirn geleitet werden. Dort entsteht die Wahrnehmung des Duftes. Ähnliches geschieht, wenn sich Moleküle mit den Rezeptoren unserer Geschmackssinneszellen verbinden. Abb. 8: In der Nase befinden sich Riechsinneszellen. Abb. 9: Auf der Zunge befinden sich Geschmackssinneszellen. 14 Bedeutung von Proteinen – Texte Viele Proteine sind für die Form, die Festigkeit oder die Elastizität von den Zellen unseres Körpers verantwortlich. Sie sind Strukturproteine. Zu ihnen gehört das sehr zugfeste Kollagen, welches in der Haut, im Bindegewebe und in den Bändern der Gelenke vorkommt. In Haaren und Nägeln sowie Krallen, Hufen, Reptilienschuppen und Federn findet man das Keratin. Die enorm elastischen und reißfesten Spinnweben und die Kokons von Insektenlarven bestehen ebenfalls aus Strukturproteinen, den Seiden. Abb. 10: Katzenhaare bestehen aus Keratin. Abb. 11: Bartagame Abb. 12: Vogelfeder Bedeutung von Proteinen – Texte 15 Viele Proteine dienen dem Transport von Stoffen innerhalb der Zelle, durch die Zellmembran hindurch oder im Körper. Sie sind Transportproteine. Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin zum Beispiel enthält vier Protein-Einheiten, die zu einem Riesenmolekül verbunden sind. Er transportiert Sauerstoff von den Lungen zu den Gewebezellen, die Sauerstoff benötigen. Tunnelproteine sind Bestandteile der Zellmembran und wirken oft wie Drehtüren, die nur ganz bestimmte Stoffe aus der Zelle hinaus- bzw. in die Zelle hineinschleusen. Abb. 13: Rote Blutkörperchen1 (Quelle: Wikimedia Commons, Redbloodcells.jpg) 16 Bedeutung von Proteinen – Folienvorlage Bedeutung von Proteinen – Folienvorlage (Lösung) 17 Bau und Vielfalt von Proteinen – Lehrerinformation 18 Bau und Vielfalt von Proteinen Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Rolle der Proteine bei der Merkmalsausbildung, z. B als Enzyme, Baustoffe Basiskonzept: Struktur und Funktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 1.1 Fachwissen (F) 2.1 Erkenntnisgewinnung (E) 9 13 Kommunikation (K) 10 Bewertung (B) Stoff- und Molekülbegriff, Teilchenmodell; Umgang mit modellhaften Darstellungen und Schemazeichnungen Beamer, PC/Laptop, Klassensatz Arbeitsblatt, Klassensatz farbige Büroklammern (mind. drei Farben) (= Aminosäure-Modelle), Präsentation zum Bau und zur Vielfalt von Proteinen 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau von Proteinmolekülen mit einem geeigneten Modell und erklären auf der Basis dieses Modells die aus der Aminosäure-Reihenfolge resultierende enorme Vielfalt von Proteinen. Hier handelt es sich um ein einfaches Protein-Modell, welches in der Oberstufe noch erweitert wird. Die Schülerinnen und Schüler leiten Folgen der Protein-Vielfalt ab und bewerten die Aussagekraft verschiedener Proteinmodelle. Die Schülerinnen und Schüler … F 1.1 verstehen die Zelle als System, F 2.1 beschreiben Zellen als strukturelle und funktionelle Grundbausteine von Lebewesen, E 9 wenden Modelle zur Veranschaulichung der Vielfalt von Struktur und Funktion bei Proteinen an, E 13 beurteilen die Aussagekraft eines Modells zur Proteinstruktur, K 10 wenden idealtypische Darstellungen und Symbolsprache auf komplexe Sachverhalte an. Präsentation (Prot_Bau_MA1), Arbeitsblatt (Prot_Bau_AB) Die Schülerinnen und Schüler folgen einem präsentationsgestützten Lehrervortrag zum Bau von Proteinen und erschließen sich in Gruppenarbeit mit Büroklammermodellen die enorme Vielfalt der Proteinstrukturen, die sich aus den Aminosäure-Reihenfolgen ergibt. Danach wird die Präsentation fortgesetzt und mit einer Diskussion über die Aussagekraft verschiedener Modelle abgeschlossen. Im Anschluss an die Präsentation füllen die Schülerinnen und Schüler ein Arbeitsblatt als Ergebnissicherung aus. Bau und Vielfalt von Proteinen – Arbeitsblatt 19 Bau und Vielfalt der Proteine Die Bausteine der Proteine heißen __________________________. Sie hängen im Protein kettenartig aneinander und bilden ein Riesenmolekül: Val His Leu Pro Thr Glu Glu Lys Protein-Moleküle bestehen aus _______ bis ___________ solcher Bausteine. In natürlichen Proteinen wurden ____ verschiedene solcher Bausteine gefunden. Gib an, wie viele verschiedene Aminosäure-Dreier-Ketten sich bilden lassen, wenn man drei verschiedene Aminosäuren zur Verfügung hat: ______ Pro Val Pro Lys Lys Val Pro Lys Val Lys Pro Lys Lys Val Lys Lys Pro Val Pro Lys Lys Val Lys Lys Lys Val Pro Pro Pro Val Val Val Lys Pro Lys Lys Lys Val Pro Val Val Lys Pro Lys Lys Lys Val Pro Val Val Pro Val Pro Val Pro Pro Lys Pro Pro Val Val Val Lys Pro Lys Pro Pro Val Pro Val Lys Val Lys Pro Pro Val Pro Pro Lys Val Val Gib an, wie viele verschiedene Proteine denkbar wären, wenn alle Proteine „nur“ genau aus Ketten von 100 Aminosäuren bestünden und jeweils „nur“ alle der 20 verschiedenen Aminosäuren enthielten. ________________________________________ Die ungeheure Vielfalt der Proteine wird noch gesteigert durch: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Folgen der Vielfalt der Proteine: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Bau und Vielfalt von Proteinen – Arbeitsblatt 20 Aus seiner _______________________________________ ergibt sich zwangsläufig eine ganz bestimmte ________________________ Struktur des Protein-Moleküls. Für die Darstellung von Proteinen werden verschiedene Modelle verwendet. Notiere jeweils, welche Informationen zum Bauprinzip eines Proteins in den folgenden modellhaften Darstellungen gut (+) bzw. schlecht ( ) dargestellt werden. + ______________________________ ______________________________ ______________________________ - ______________________________ ______________________________ ______________________________ Abb. 1 + ______________________________ ______________________________ ______________________________ - ______________________________ ______________________________ ______________________________ Abb. 2 Bildnachweise Abb. 1: Wikimedia Commons, Myoglobin.png Bau und Vielfalt von Proteinen – Arbeitsblatt (Lösung) 21 Bau und Vielfalt der Proteine Aminosäuren Die Bausteine der Proteine heißen __________________________. Sie hängen im Protein kettenartig aneinander und bilden ein Riesenmolekül: Val His Leu Pro Thr Glu Glu Lys 30 000 100 Protein-Moleküle bestehen aus _______ bis ___________ solcher Bausteine. In natürlichen 20 verschiedene solcher Bausteine gefunden. Proteinen wurden _____ Gib an, wie viele verschiedene Aminosäure-Dreier-Ketten sich bilden lassen, wenn man drei 27 verschiedene Aminosäuren zur Verfügung hat: ______ Pro Val Pro Lys Val Lys Pro Lys Lys Val Lys Pro Val Pro Lys Lys Val Lys Lys Lys Lys Lys Pro Lys Lys Val Lys Lys Val Pro Pro Pro Val Val Val Lys Pro Lys Lys Lys Val Pro Val Val Pro Lys Val Pro Val Val Pro Pro Val Val Lys Pro Pro Lys Pro Pro Val Val Val Pro Lys Pro Pro Val Pro Val Lys Val Lys Pro Pro Val Pro Pro Lys Val Val Gib an, wie viele verschiedene Proteine denkbar wären, wenn alle Proteine „nur“ genau aus Ketten von 100 Aminosäuren bestünden und jeweils „nur“ alle der 20 verschiedenen Aminosäuren enthielten. 20 100 ________________________________________ Die ungeheure Vielfalt der Proteine wird noch gesteigert durch: Variationen in den Aminosäure-Kettenlängen ______________________________________________________________________ Variationen in der Vielfalt der verwendeten verschiedenen Aminosäuren ______________________________________________________________________ Folgen der Vielfalt der Proteine: Proteine erfüllen unterschiedlichste Aufgaben im menschlichen Körper. Viele Proteine __________________________________________________________________________ eines Menschen sind einzigartig und unterscheiden sich von denen anderer Menschen. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Problem bei Organtransplantationen: Abstoßung körperfremder Proteine Bau und Vielfalt von Proteinen – Arbeitsblatt (Lösungen) 22 Aminosäure-Reihenfolge Aus seiner _______________________________________ ergibt sich zwangsläufig eine dreidimensionale ganz bestimmte ________________________ Struktur des Protein-Moleküls. Für die Darstellung von Proteinen werden verschiedene Modelle verwendet. Notiere jeweils, welche Informationen zum Bauprinzip eines Proteins in den folgenden modellhaften Darstellungen gut (+) bzw. schlecht ( ) dargestellt werden. + räumliche Struktur ______________________________ ______________________________ ______________________________ - Aminosäurearten, -anzahl, ______________________________ reihenfolge ______________________________ ______________________________ Abb. 1 + ______________________________ Oberflächenform, Aufbau aus Atomen ______________________________ ______________________________ - ______________________________ Aminosäurearten, -reihenfolge, Hülle um das Molekül ______________________________ ______________________________ Abb. 2 Bildnachweise Abb. 1: Wikimedia Commons, Myoglobin.png Struktur und Funktion von Proteinen – Lehrerinformation 23 Struktur und Funktion von Proteinen Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Rolle der Proteine bei der Merkmalsausbildung, z. B. als Enzyme, Baustoffe Basiskonzept Struktur und Funktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 1.1 Fachwissen (F) 1.2 Erkenntnisgewinnung (E) 10 Kommunikation (K) 10 Bewertung (B) Bau von Proteinen, Genbegriff, Umgang mit modellhaften Darstelllungen und Schemazeichnungen Beamer, PC/Laptop, Präsentation zur Sichelzellenanämie, Infotext für Schülerreferat, Klassensatz Arbeitsblatt 1 Stunde, 15 Minuten in der folgenden Unterrichtsstunde Die Schülerinnen und Schüler erklären die Bedeutung des Baus für die Funktionsfähigkeit von Proteinen und übertragen diesen Zusammenhang auf das Beispiel der Sichelzellenanämie. Die Schülerinnen und Schüler… F 1.1 verstehen die Zelle als System, F 1.2 erklären den Organismus und Organismengruppen als System, E 10 analysieren Wechselwirkungen zwischen Struktur und Funktion mithilfe von Modellen, K 10 wenden idealtypische Darstellungen und Schemazeichnungen auf komplexe Sachverhalte an. Präsentation (Prot_Struktur_MA1), Infotext (Prot_Struktur_MA2), Arbeitsblatt (Prot_Struktur_AB) Z. B. im Unterrichtsgespräch wird die Wirkungsweise von Enzymen und das Schlüssel-Schloss-Prinzip behandelt. Das Arbeitsblatt kann zu Sicherung der Ergebnisse verwendet werden. Zur Vorbereitung eines Referats in der nächsten Stunde (Thema Sichelzellenanämie) erhält eine Schülerin / ein Schüler einen Infotext und eine Vorlage für eine Präsentation (evtl. die Folien als Kopien). Zu Beginn der nächsten Stunde erfolgt das materialgestützte Schülerreferat über die Sichelzellenanämie. Der Zusammenhang zwischen Bau und Funktion eines Proteins wird auf das Beispiel der Sichelzellenanämie übertragen. 24 Struktur und Funktion von Proteinen – Arbeitsblatt Funktionsfähigkeit der Proteine Viele Proteine im menschlichen Körper arbeiten als Enzyme. Ein Enzym ist ein Biokatalysator, der eine chemische Reaktion im Stoffwechsel eines Lebewesens beschleunigt und bei unserer niedrigen Körpertemperatur oft erst überhaupt ermöglicht. Die folgende Skizze zeigt modellhaft, wie ein Enzym die Umwandlung zweier Edukte (Substrate genannt: S1, S2) in ein Produkt katalysiert: Beurteile anhand der Skizzen, welche Rolle die dreidimensionale räumliche Struktur eines Enzyms für seine Funktionsfähigkeit hat. _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ Gib an, welches Prinzip beim Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion hier vorliegt. _________________________________________________________________ Zeichne zum folgenden Modell eines Enzyms ein Edukt, welches von diesem Enzym in ein Produkt umgewandelt werden kann. Struktur und Funktion von Proteinen – Arbeitsblatt (Lösung) 25 Funktionsfähigkeit der Proteine Viele Proteine im menschlichen Körper arbeiten als Enzyme. Ein Enzym ist ein Biokatalysator, der eine chemische Reaktion im Stoffwechsel eines Lebewesens beschleunigt und bei unserer niedrigen Körpertemperatur oft erst überhaupt ermöglicht. Die folgende Skizze zeigt modellhaft, wie ein Enzym die Umwandlung zweier Edukte (Substrate genannt: S1, S2) in ein Produkt katalysiert: Beurteile anhand der Skizzen, welche Rolle die dreidimensionale räumliche Struktur eines Enzyms für seine Funktionsfähigkeit hat. Die räumliche Struktur des Enzyms ist an der Stelle, an der die Edukte sich mit dem _________________________________________________________________ Enzym verbinden und umgesetzt werden, ganz entscheidend für seine Funktionsfä_________________________________________________________________ higkeit. Wenn hier die Edukte nicht genau „hinein passen“, kann das Enzym sie nicht _________________________________________________________________ verarbeiten. Am restlichen Enzym-Molekül ist die räumliche Struktur dagegen eher _________________________________________________________________ unwichtig. Gib an, welches Prinzip beim Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion hier vorliegt. Schlüssel-Schloss-Prinzip _____________________________________________________ Zeichne zum folgenden Modell eines Enzyms ein Edukt, welches von diesem Enzym in ein Produkt umgewandelt werden kann. Anmerkung für Lehrkräfte: Je nach Positionierung des „aktiven Zentrums“, das der Schüler z. B. rot markieren kann, sind weitere Formen als Lösung richtig. 26 Struktur und Funktion von Proteinen – Referat Infotext für Schülerreferat Die Sichelzellenanämie Symptome und Ursache Rote Blutkörperchen, die den roten Blutfarbstoff Hämoglobin enthalten, haben bei gesunden Personen eine runde Form. Das Hämoglobin-Molekül ist ein großes Protein aus vier Aminosäureketten mit jeweils bestimmter Aminosäure-Reihenfolge: davon sind zwei sog. -Ketten und zwei sog. -Ketten. Es besitzt außerdem vier Häm-Gruppen, die jeweils ein Sauerstoff-Molekül binden und transportieren können. So wird der Sauerstofftransport von der Lunge zu den einzelnen Organen im Blut ermöglicht. Die Sichelzellenanämie (griech. anaimos = blutlos) ist eine vererbbare Krankheit. Die roten Blutkörperchen erkrankter Personen verformen sich v. a. bei Sauerstoffmangel in sichelförmige Zellen, sog. Sichelzellen. Dies geschieht durch die Kristallisation des Hämoglobins. Sichelzellen verklumpen in den Blutgefäßen und bilden Zellansammlungen, die besonders die feinen Kapillaren verstopfen können. Es kommt dadurch zu mangelnder Durchblutung von Organen („Blutarmut“ = Anämie). Die Sichelzellen werden außerdem verstärkt von der Milz abgebaut, die auch bei gesunden Personen regelmäßig alte Blutzellen abbaut, damit sich das Blut erneuert. Menschen mit Sichelzellenanämie haben daher eine vergrößerte Milz, sind anfälliger für Pneumonien (Lungenentzündungen), leiden an Darmkoliken und Rheumatismus, werden durch den Ausfall von Gehirnregionen mit Lähmungen beeinträchtigt und können erblinden. Sie sterben oft an Herzversagen oder an Nierenversagen. Das mutierte Gen eines Sichelzell-Patienten bewirkt eine veränderte AminosäureReihenfolge in der -Kette des Hämoglobin-Moleküls. Die -Kette besteht aus 146 Aminosäuren. An Stelle der Aminosäure Glutaminsäure (Glu) befindet sich hier nun bei Erkrankten die Aminosäure Valin (Val). Die veränderte AminosäureReihenfolge hat eine veränderte räumliche Struktur des Hämoglobin-Moleküls zur Folge, sodass das Hämoglobin leicht auskristallisiert. Ein einfaches DNA-Modell – Lehrerinformation 27 DNA als Informationsträger Ein einfaches DNA-Modell Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: DNA als Informationsträger: einfaches DNA-Modell und Prinzip der Replikation Basiskonzept: Struktur und Funktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 1.1, 2.1, Fachwissen 3.1 Erkenntnisgewinnung 11 Kommunikation 10 Bewertung Zellkern als Speicherort der Erbinformation (DNA), Umgang mit und Analyse von Texten bzw. modellhaften Darstelllungen Klassensatz Aufgabenblatt und Schulbuch (Abschnitt DNA-Aufbau), zur Veranschaulichung DNA-Modell für Tafel und Klassensatz DNAModelle (Vorlage s. Anhang), Tipp: Modelle von einer Klasse in Vertretungsstunden anfertigen lassen 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau der DNA und den Ablauf der Replikation mit einfachen Modellen (Strickleiter, Reißverschluss). Ganz entscheidend ist es, dass es sich hier um einfache Modelle handelt, welche in der Oberstufe noch erweitert werden. Das Ausbilden und Lösen der komplementären Basenpaarungen dient als Beispiel für das Basiskonzept Struktur und Funktion. Die Schülerinnen und Schüler… F 1.1 verstehen die Zelle als System, F 2.1 beschreiben Zellen als strukturelle und funktionelle Grundbaueinheiten von Lebewesen, F 3.1 erläutern die Bedeutung der Zellteilung für Wachstum, Fortpflanzung und Vermehrung, E 11 beschreiben Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle, K 10 wenden idealtypische Darstellungen und Symbolsprache für komplexe Sachverhalte an. Arbeitsblatt (DNA_AB), Anleitung für DNA-Modell Tafel (DNA_MA1) bzw. Schüler-DNA-Modell (DNA_MA2) Die Schülerinnen und Schüler lesen den entsprechenden Abschnitt im Schulbuch zum Thema „Aufbau der DNA" und bearbeiten anschließend in Einzel-/Gruppenarbeit die ersten beiden Aufgaben auf dem Arbeitsblatt. Die Lösung des Arbeitsblattes wird im Klassenverband mit Tafelmodell und/oder Schülermodellsätzen besprochen. Im Anschluss lösen die Schülerinnen und Schüler selbständig die restlichen Aufgaben. Bei der Lösung der Filmleistenaufgabe zur Zellteilung gibt es mehrere Lösungsmöglichkeiten: Möglich wäre, wie in der Lösung dargestellt, zuerst die Verdopplung der Zellkerne, dann die Teilung der Zellen mit anschließendem Wachstum der Zellen oder zuerst das Wachstum der Zellen mit anschließender Verdoppelung der Zellkerne und abschließender Teilung der Zelle. Anschließend erfolgt die Besprechung im Klassenverband mit Einsatz von Modellen/Computeranimationen. Ein einfaches DNA-Modell – Arbeitsblatt 28 DNA als Informationsträger: einfaches DNA-Modell Sprosse Lies dir den passenden Abschnitt zum Aufbau der DNA in deinem Buch aufmerksam durch und bearbeite anschließend folgende Aufgaben. a) Skizziere einen Abschnitt aus der DNA mit sechs Basenpaaren in die rechts vorgegebene gepunktete Grundstruktur (= Strickleiter). Verwende dafür die rechts aufgeführten Symbole. Die Farbgebung soll der im Buch entsprechen. 4 Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin) Phosphatgruppe Desoxyribose = Zucker b) Vervollständige das folgende Strukturdiagramm zum Aufbau der DNA mit folgenden Begriffen: Schlüssel-Schloss-Prinzip / vier Basen/ Desoxyribose = Zucker/ Adenin <--> Thymin / Sprossen / Guanin <--> Cytosin / Holme / Phosphatgruppe / Wasserstoffbrücken = zwischenmolekulare Kräfte. Holm in Spiralen gewickelte Strickleiter DNA-Doppelstrang 1953 WATSON und CRICK Sprossen Desoxyribose = Zucker Basenpaare c) Du bestehst aus ca. 80 Billionen Zellen, in deren Zellkernen sich jeweils das identische genetische Material befindet. Entwickelt hast du dich aus einer einzigen befruchteten Eizelle. Ständig müssen in deinem Körper Zellen ersetzt bzw. neue Zellen gebildet werden (ca. 3 Millionen neue Zellen pro Sekunde). Deshalb spielt der in der Filmleiste dargestellte Vorgang für dich eine entscheide Rolle. Vervollständige den mit dieser Filmleiste dargestellten Vorgang, indem du die zeitlich passenden Bilder 2 und 3 zeichnest. Beschreibe jeweils in einem Satz die Vorgänge, die sich von Bild 1 auf 2, von Bild 2 auf 3 und von Bild 3 auf 4 abspielen. Benenne den dargestellten Vorgang. Zellkern 1 2 3 4 1 Tochterzellen Ein einfaches DNA-Modell – (Arbeitsblatt) 29 Replikation der DNA Das DNA-Spaltenzym trennt die Wasserstoffbrücken zwischen den gegenüberliegenden Basenpaaren und es bilden sich wie beim Öffnen eines Reißverschlusses aus dem DNADoppelstrang zwei DNA-Einzelstränge: Reißverschlussprinzip. DNASpaltenzym DNASpaltenzym DNASpaltenzym a) Zeichne die passenden Basen in die vorgegebene gepunktete Grundstruktur der DNAEinzelstränge ein und ergänze die fehlenden Basen, Phosphatgruppen und Desoxyribose-Moleküle, damit wieder DNA-Doppelstränge entstehen. Es sind stets genug freie DNABausteine im Zellkern vorhanden. b) Vergleiche die beiden neuen DNA-Doppelstränge mit dem ursprünglichen DNA-Doppelstrang und erkläre den Zweck dieses Vorgangs für die Lebewesen. Ein einfaches DNA-Modell – Arbeitsblatt (Lösung) 30 DNA als Informationsträger: einfaches DNA-Modell b) in Spiralen gewickelte Strickleiter DNA-Doppelstrang 1953 WATSON und CRICK Holme Desoxyribose = Zucker Sprossen Phosphatgruppe Basenpaare Adenin Thymin vier Basen Guanin Wasserstoffbrücken = zwischen molekulare Kräfte Cytosin Schlüssel-Schloss-Prinzip c) Filmleiste Zellkern 1 2 3 4 1 Tochterzellen Beschreibung des Zellzyklus (12) Der Zellkern und damit das Erbmaterial (DNA) verdoppelt sich. (23) Die Zelle teilt sich in zwei kleine Zellen, indem eine Zellmembran eingezogen wird. (34) Die Zellen wachsen auf die ursprüngliche Größe. So können sich die Tochterzellen wieder teilen. Nur so ist Größen- bzw. Massenzunahme möglich. Replikation der DNA b) Die beiden neuen DNA-Doppelstränge sind identisch. Es handelt sich also um eine identische Verdoppelung (= Replikation) der DNA, als Vorbereitung der Kernteilung. einfache Modellvorstellung der Proteinbiosynthese – Lehrerinformation 31 Vom Gen zum Merkmal einfache Modellvorstellung der Proteinbiosynthese Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Vom Gen zum Merkmal: einfache Modellvorstellung der Proteinbiosynthese Basiskonzept: Information Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 1.1 Fachwissen Erkenntnisgewinnung 11 Kommunikation Bewertung Umgang mit und Analyse von Texten bzw. modellhaften Darstelllungen Klassensatz Arbeitsblatt und Schulbuch (Abschnitt Proteinbiosynthese) 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die schrittweise Umsetzung der genetischen Information. Sie üben sich in der analogen Darstellung von Sachverhalten. Die Schülerinnen und Schüler… F 1.1 verstehen die Zelle als System, E 11 beschreiben Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle. Arbeitsblatt (Biosyn_AB) Zunächst erarbeiten die Schülerinnen und Schüler ein Flussdiagramm, das den Ablauf der Besenherstellung aus der Harry-Potter-Geschichte übersichtlich darstellt. Sie analogisieren diesen Prozess dann mit der bildlichen Darstellung der Proteinbiosynthese auf dem Arbeitsblatt. Danach lesen sie den entsprechenden Fachtext im Schulbuch, der ihnen Hilfen bei der Formulierung eines eigenen kurzen Sachtextes liefert. Im Klassenverband sollten sie abschließend die Möglichkeit erhalten, ihren eigenen Text in Form eines kurzen Schülervortrags an einem an der Schule vorhandenen Modell zur Proteinbiosynthese zu üben (vgl. DNA_MA1) und gegebenenfalls korrigieren zu lassen. Eine Modellkritik kann sich sinnvoll anschließen. Die Fachbegriffe Transkription und Translation müssen in der Mittelstufe noch nicht eingeführt werden. einfache Modellvorstellung der Proteinbiosynthese – Arbeitsblatt 32 Modellvorstellung der Proteinbiosynthese Das jährliche Quidditch-Turnier Das jährliche Quidditch-Turnier in Hogwarts steht an und für Harry Potter und seine Freunde bahnt sich eine Katastrophe an: Harrys Nimbus 2000 ist gestohlen worden und die Freunde überlegen fieberhaft, wie sie doch noch an dem Turnier teilnehmen können. Ein neuer Besen muss her! Ihr Blick fällt auf die große Bibliothek von Hogwarts: ein stiller, düsterer und geheimer Ort, voll gestopft mit dem uralten Wissen vieler Generationen in Form von vielen, dicken Büchern. Hier ruht alles, was in Hogwarts an Wissen jemals gesammelt wurde. Da muss sich doch auch eine Bauanleitung für den Nimbus finden lassen! Da sie durch Zauberkraft in der Bibliothek gehalten werden, ist es allerdings nicht möglich, die originalen Schriften zu entfernen, zu groß wäre der Verlust und die Folgen unabsehbar. So müssen die Freunde mühsam eine Kopie anfertigen, mit der sie die Bibliothek kurz nach Mitternacht wieder verlassen. In einer der Werkstätten wartet Harry schon ungeduldig auf die Bauanleitung und erstellt in den nächsten Stunden den neuen aerodynamischen Nimbus, ein Prachtexemplar! Die Freunde sind überglücklich: Sie haben noch eine Chance zu gewinnen! a) Erstelle aus diesem Text ein Flussdiagramm, indem die wesentlichen Schritte zur Herstellung von Harrys neuem Besen ersichtlich werden. b) Auch die genetische Information wird durch einen vergleichbaren Prozess zu Proteinen, aus denen zum Beispiel dein Haar aufgebaut ist, umgesetzt. In folgender Abbildung siehst du den Prozess schematisch dargestellt. Trage in die freien Sprechblasen die analogen Begriffe aus deinem Flussdiagramm ein. c) Informiere dich in deinem Schulbuch über die Proteinbiosynthese. Formuliere unter Verwendung der Fachbegriffe unten einen kurzen Sachtext unter der Überschrift: Die Proteinbiosynthese. Zellmembran Zellkern Ribosom DNA Zellplasma mRNA Protein einfache Modellvorstellung der Proteinbiosynthese – Arbeitsblatt (Lösung) Modellvorstellung der Proteinbiosynthese a) Flussdiagramm Bibliothek mit dem gesammelten Wissen I II Erstellen einer Kopie der Bauanleitung vom Nimbus III Werkstatt IV fertiger Nimbus b) Analog: I Zellkern II Erstellen einer DNA-Kopie (= mRNA) im Zellkern (Transkription) III Ribosomen IV Übersetzung der Information der mRNA in Proteine, z. B. Enzyme (Translation) Zellmembran Werkstatt Bibliothek Zellkern Ribosom DNA mRNA Protein Zellplasma Bücher Kopie der Anleitung Nimbus 33 Genwirkkette – Lehrerinformation 34 Genwirkkette Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Rolle der Proteine bei der Merkmalsausbildung, z. B als Enzyme, Baustoffe Basiskonzept: Struktur und Funktion Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 1.1 Fachwissen (F) 1.2 Erkenntnisgewinnung (E) 10 Kommunikation (K) 10 Bewertung (B) Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Bau von Proteinen, Funktion von Enzymen, Genbegriff, Umgang mit modellhaften Darstelllungen und Schemazeichnungen Beamer, PC/Laptop, Klassensatz Arbeitsblatt, Semmel in Tüte, Marmelade, Messer, Präsentation zur Genwirkkette 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler übertagen die Teilschritte einer Fließbandarbeit auf das Zusammenwirken verschiedener Genprodukte bei der Merkmalsausbildung in einer Genwirkkette. In diesem Zusammenhang schätzen sie mögliche Konsequenzen einer Mutation ab. Die Schülerinnen und Schüler… F 1.1 verstehen die Zelle als System, F 1.2 erklären den Organismus und Organismengruppen als System, E 10 analysieren Wechselwirkungen zwischen enzymgesteuerten Stoffwechselreaktionen mithilfe von Modellen, K 10 wenden idealtypische Darstellungen und Schemazeichnungen auf komplexe Sachverhalte an. Präsentation (Prot_Genwirk_MA), Arbeitsblatt (Prot_Genwirk_AB) Drei ausgewählte Schülerinnen bzw. Schüler stellen in Fließbandarbeit eine verzehrfertige Marmeladensemmel als Produkt her. Der modellhafte Vergleich dieser Fließbandarbeit mit der Funktionsweise einer Genwirkkette zur Erzeugung eines Merkmals als Produkt wird mithilfe einer Präsentation von der Lehrkraft veranschaulicht und um Beispiele aus der Biologie erweitert. Bei diesem Modell steht der Prozessablauf im Vordergrund. Während in der Realität Gen und Enzym zwei verschiedene Stoffe sind, nimmt der Schüler im Modell eine Doppelrolle ein, indem er zugleich die Information zu seiner Handlung besitzt (= Gen) und selbst handelt (= Enzym). Als Ergebnissicherung füllen die Schülerinnen und Schüler ein Arbeitsblatt aus. Das Anforderungsniveau der Aufgabe (S. 2) ist für die Jahrgangsstufe 9 hoch. Sie eignet sich z. B. als Zusatzaufgabe für besonders interessierte und sehr gute Schülerinnen und Schüler. Genwirkkette – Arbeitsblatt 35 Vom Gen zum Merkmal - Genwirkkette Entstehung einer Marmeladensemmel Schüler 1 Schüler 2 Schüler 3 packt aus schneidet schmiert Füge die unten aufgeführten Begriffe an passender Stelle in das folgende Schema einer Genwirkkette ein. Zusatzinformation: Ein Enzym ist ein Protein, das eine biochemische Reaktion katalysiert und dadurch erst ermöglicht. Es dient quasi als Werkzeug z. B. zur Herstellung eines Stoffes aus einem anderen Stoff. Ein bestimmtes Gen enthält die Anleitung zum Bau eines bestimmten Proteins. Begriffe: A (Stoff), B (Stoff), C (Stoff), D (Stoff), Enzym 1, Enzym 2, Enzym 3, Edukt, Produkt, Zwischenprodukte, Gen 1, Gen 2, Gen 3 Genwirkkette 36 Genwirkkette – Arbeitsblatt Aufgabe In der Haut vieler Säugetiere und der Menschen befinden sich Zellen, die einen bräunlichen Farbstoff, das Melanin, bilden können. Dieser lässt die Haut und die Haare mehr oder weniger dunkel erscheinen. Mäuse und Menschen mit der vererbbaren Krankheit Albinismus haben eine Mutation des Gens, das die Bauanleitung für das Enzym Tyrosinase enthält. Typische Symptome sind z. B. helle sonnenempfindliche Haut und weißes Fell bzw. weißblonde Haare, schwach blaue oder rötliche Augen. Abb.: Albino-Mäuse (Petra Reinold) Menschen mit der vererbbaren Krankheit Phenylketonurie (PKU) haben eine Mutation des Gens, das die Bauanleitung für das Enzym Phenylalanin-Hydroxylase enthält. Typische Symptome für PKU sind z. B. Schädigungen im Nervensystem infolge einer Vergiftung mit Phenylalanin (welches mit der Nahrung aufgenommen wird) und eines Mangels an Tyrosin, helle Haut und weißblonde Haare. Vervollständige das folgende Diagramm. Erkläre damit, warum sowohl Patienten mit PKU als auch Patienten mit Albinismus helle Haut und weiße Haare haben. Überlege, wie ein Patient mit PKU die Schädigung seines Nervensystems verhindern kann. Phenylalanin Melanin Erklärung: ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Therapie für PKU-Patient:_____________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Genwirkkette – Arbeitsblatt (Lösung) 37 Vom Gen zum Merkmal – Genwirkkette Genwirkkette Gen 1 Gen 2 Gen 3 Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 A Edukt B C Zwischenprodukte D Produkt Aufgabe Phenylalanin-Hydroxylase Phenylalanin Tyrosinase Tyrosin Melanin Erklärung: Helle Haut und weiße Haare beruhen auf dem Fehlen von Melanin in der Haut. Albinos können kein Melanin bilden, da bei ihnen durch Genmutation das Enzym Tyrosinase zur Umwandlung von Tyrosin in Melanin defekt ist. PKU-Patienten können Melanin nicht bilden, da bei ihnen durch Genmutation das Enzym Phenylalanin-Hydroxylase defekt ist, welches zur Bildung von Tyrosin aus Phenylalanin nötig ist. Dadurch fehlt ihnen Tyrosin, aus dem Melanin ansonsten hergestellt wird. Therapie für PKU-Patient: Verhindern des Tyrosinmangels und der Phenylalaninvergiftung durch eine tyrosinreiche und phenylalaninarme Diät Karyogramm eines Menschen – Lehrerinformation 38 Karyogramm eines Menschen Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Karyogramm eines Menschen: Autosomen, Gonosomen, homologe Chromosomen Basiskonzept: Reproduktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 2.3 Fachwissen Erkenntnisgewinnung 11 Kommunikation 4 Bewertung Zellkern als Speicherort der Erbinformation (DNA), Umgang mit und Analyse von Texten bzw. modellhaften Darstelllungen Klassensatz Aufgabenblatt und Schulbuch (Abschnitt „Karyogramm des Menschen“) Bearbeitung des Materials: 25 Minuten Die Schülerinnen und Schüler kennen die Chromosomen als Verpackungseinheit der DNA und können das menschliche Karyogramm beschreiben. Die Schülerinnen und Schüler… F 2.4 stellen strukturelle und funktionelle Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Organismen und Organismengruppen dar, E 11 beschreiben Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle, K 4 werten Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen zielgerichtet aus Arbeitsblatt (Kary_AB) Die Schülerinnen und Schüler lesen den entsprechenden Abschnitt im Schulbuch zum Thema „Karyogramm des Menschen" und bearbeiten anschließend in Einzel-/Gruppenarbeit die Aufgaben auf dem Arbeitsblatt. Die Besprechung erfolgt im Klassenverband. Karyogramm eines Menschen – Arbeitsblatt 39 Karyogramm eines Menschen Lies dir den passenden Abschnitt zum Aufbau der DNA in deinem Buch aufmerksam durch und bearbeite anschließend folgende Aufgaben. Auf dem nebenstehenden Bild siehst du die Schemaskizze eines Chromosoms auf elektronenmikroskopischer Ebene. a) Beschreibe in Worten den Aufbau dieses Chromosoms und beschrifte die Abbildung. b) Beschrifte die beiden folgenden Karyogramme mit den folgenden Fachbegriffen: 46, XY; 46, XX; weiblicher Chromosomensatz; männlicher Chromosomensatz. d) Vergleiche den männlichen und weiblichen Chromosomensatz des Menschen. c) Erkläre den Fachbegriff homologe Chromosomen. 40 Karyogramm eines Menschen – Arbeitsblatt (Lösung) Karyogramm eines Menschen a) Dieses Chromosom besteht aus zwei identischen Chromatiden, welche an einer Verbindungsstelle (= Centromer) zusammenhaften. Zwei-Chromatid-Chromosom; Beschriftung der Abbildung b) linkes Karyogramm: 46, XY; männlicher Chromosomensatz; rechtes Karyogramm: 46, XX; weiblicher Chromosomensatz c) Gemeinsamkeiten: Doppelte Chromosomensätze (2n); 46 Chromosomen davon 44 Körperchromosomen und 2 Gonosmomen; Unterschiede: „Gonsomenpaar“; Mann: 46, XY; Frau: 46, XX d) Homologe Chromosomen: In einer menschlichen Körperzelle stimmen jeweils 23 Chromosomenpaare in ihrer äußeren Gestalt überein (Ausnahme: zwei Geschlechtschromosomen XY beim Mann), wobei immer eines von der Mutter und eines vom Vater stammt. Homologe Chromosomen enthalten die gleichen Gene, aber meist in verschiedenen Ausprägungsformen. vereinfachter Ablauf der Mitose, Zellzyklus – Lehrerinformation 41 Wachstum vereinfachter Ablauf der Mitose, Zellzyklus Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Wachstum: vereinfachter Ablauf der Mitose Basiskonzept: Struktur und Funktion; Reproduktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 3.1 Fachwissen Erkenntnisgewinnung 11 Kommunikation 10 Bewertung Zellkern als Speicherort der Erbinformation (DNA); Karyogramm eines Menschen, Umgang mit und Analyse von Texten bzw. modellhaften Darstelllungen, kurze und präzise Darstellung eines Sachverhalts mit Fachsprache, Denken in Modellen Klassensatz Aufgabenblatt und Schulbuch (Abschnitt „Ablauf der Mitose“), Chromosomenmodell für Tafel, evtl. Klassensatz ChromosomenStrohhalmmodelle in Filmdose Bearbeitung des Materials: 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Ablauf des Zellzyklus und zeigen die Bedeutung der Struktur der Chromosomen bei der Teilung auf. Die Schülerinnen und Schüler ... F 3.1 erläutern die Bedeutung der Zellteilung, E 11 beschreiben Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle, K 10 wenden idealtypische Darstellungen und Symbolsprache für komplexe Sachverhalte an. Arbeitsblatt (Mitose_AB), Anleitung für Chromosomenmodell für Tafel (Mitose_MA), evtl. Anleitung für Chromosomenstrohhalmmodell (Meiose_MA) Die Schülerinnen und Schüler lesen den entsprechenden Abschnitt im Schulbuch zum Thema „Zellzyklus" und bearbeiten anschließend in Einzel- oder Gruppenarbeit das Arbeitsblatt Besprechung im Klassenverband mit Tafelmodellen, evtl. Strohhalmmodellen. In der Mittelstufe soll der Schwerpunkt auf dem Verständnis des Grundprinzips des Zellzyklus liegen. Es kann auch auf die Bezeichnung der einzelnen Mitosephasen verzichtet werden. Um keine Fehlvorstellungen auszulösen, sollte aber deutlich gemacht werden, dass die Mitose (=Kernteilung) nur ein Abschnitt der Zellteilung ist. Im Anschluss an diese Einheit bietet es sich an, mit den Schülerinnen und Schülern die Mitosestadien von Zwiebelwurzelspitzen zu mikroskopieren (E 1). 42 vereinfachter Ablauf der Mitose, Zellzyklus – Arbeitsblatt Vereinfachter Ablauf des Zellzyklus einer Körperzelle Lies dir den Abschnitt zum Ablauf des Zellzyklus in deinem Buch aufmerksam durch und bearbeite anschließend dieses Arbeitsblatt. Schneide die dargestellten fünf Phasen aus und klebe sie in der richtigen Reihenfolge in dein Heft. Ergänze die fehlenden Schemazeichnungen und die fehlenden Kurzbeschreibungen (Chromosomen der Mutter dünner/rot und des Vaters dicker/schwarz). Markiere im Text die Abschnitte, die zur Kernteilung (= Mitose) gehören, indem du sie farbig unterstreichst. Schemazeichnung mit zwei Paar homologen Chromosomen Kurzbeschreibung des Zellzyklus in ganzen Sätzen ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ Die DNA ist entpackt und die Zelle betreibt intensiven Stoffwechsel und Proteinsynthese. In dieser Phase wächst die Zelle und es findet die Replikation der DNA statt (aus Ein- werden ZweiChromatid-Chromosomen). Interphase ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ vereinfachter Ablauf der Mitose, Zellzyklus – Arbeitsblatt (Lösung) Vereinfachter Ablauf des Zellzyklus einer Körperzelle Schemazeichnung mit zwei Paar homologer Chromosomen Kurzbeschreibung des Zellzyklus in ganzen Sätzen Die DNA ist entpackt und die Zelle betreibt intensiven Stoffwechsel und Proteinsynthese. In dieser Phase wächst die Zelle und es findet die Replikation der DNA statt (aus Ein- werden Zwei-Chromatid-Chromosomen). Interphase Die Kernmembran löst sich auf und die DNA wird verpackt. Dabei werden die Chromosomen im Lichtmikroskop sichtbar und der Spindelapparat bildet sich. Die Chromosomen (Zwei-ChromatidChromosomen) sind in einer Ebene in der Mitte der Zelle angeordnet und über die Spindelfasern mit den Polen verbunden. Die Zwei-Chromatid-Chromosomen werden getrennt. Die identischen Chromatiden werden durch die Fasern des Spindelapparates zu den Polen gezogen. Es bilden sich Kernmembranen und die Zellen werden getrennt. Die Spindelfasern bilden sich zurück und die DNA wird wieder entpackt (Chromosomen sind nicht mehr erkennbar). Ergebnis zwei Zellen mit gleicher Erbinformation. 43 vereinfachter Ablauf der Meiose – Lehrerinformation 44 Bildung von Keimzellen vereinfachter Ablauf der Meiose Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Bildung vom Keimzellen: vereinfachter Ablauf Meiose, biologische Bedeutung Basiskonzepte: Reproduktion; Variabilität und Angepasstheit Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 1.5, 3.1 Fachwissen Erkenntnisgewinnung 11 Kommunikation 4 Bewertung Zellkern als Speicherort der Erbinformation (DNA), Karyogramm eines Menschen, Beschreibung der Mitose, Umgang mit und Analyse von Texten bzw. modellhaften Darstelllungen und Diagrammen, kurze und präzise Darstellung eines Sachverhalts mit Fachsprache Klassensatz Aufgabenblatt, Chromosomenmodelle für Tafel Bearbeitung des Materials: 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Ablauf der Meiose. Die Schülerinnen und Schüler ... F 1.5 wechseln zwischen den Systemebenen, F 3.1 erläutern die Bedeutung der Zellteilung, E 11 beschreiben die Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle, K 4 werten Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen zielgerichtet aus. Arbeitsblatt (Meiose_AB), Anleitung Chromosomenmodell für Tafel (Kary_MA2) Nachdem die Schülerinnen und Schüler das Thema „Mitose" bereits behandelt haben, wird in Einzel-/Gruppenarbeit selbständig mithilfe des Arbeitsblatts der Ablauf der Meiose erarbeitet. Zur Sicherung der Schülerergebnisse wird mithilfe des Chromosomenmodells an der Tafel der Ablauf der Meiose noch einmal dargestellt. Crossing over und genaue Einzelheiten werden bewusst ausgelassen, da diese Einzelheiten in der Jgst. 11 im Lehrplanpunkt B 11.2 „Zytogenetik“ besprochen werden. vereinfachter Ablauf der Meiose – Arbeitsblatt 45 Bildung von Keimzellen: vereinfachter Ablauf der Meiose In den folgenden zwei Diagrammen sind die relative DNA-Gesamtmenge und die Chromosomenanzahl für zwei aufeinander folgende Zellteilungen bei menschlichen Körperzellen und während der Bildung von vier Spermien aus einer Urkeimzelle in den Hoden dargestellt. 4 46 2 Chromosomenanzahl einer Zelle relative DNA- Gesamtmenge einer Zelle Körperzelle Zeit Interphase Interphase Mitose Interphase Zellzyklus Mitose Körperzelle Tochterzellen 4 2 46 1 23 Chromosomenanzahl einer Zelle relative DNA- Gesamtmenge einer Zelle Männliche Urkeimzelle Zeit Interphase Urkeimzelle Meiose Tochterzellen Zellzyklus Spermien a) Beschreibe zur Wiederholung die wichtigsten Schritte des Zellzyklus einer Körperzelle. Vergleiche anschließend das Diagramm zur Teilung von Körperzellen mit dem Diagramm der Spermienbildung. 46 vereinfachter Ablauf der Meiose – Arbeitsblatt b) In der folgenden Filmleiste wird die Bildung von vier Spermien aus einer Urkeimzelle in den Hoden des Mannes für zwei homologe Chromosomenpaare dargestellt. Die mütterlichen Chromosomen sind rot/dünner und die väterlichen Chromosomen sind schwarz/dicker dargestellt. Vervollständige die Bilder 2 bis 5 der Filmleiste, indem du die fehlenden Chromosomen, die Spindelfasern und die Kernmembran - wo nötig - einzeichnest. Beschreibe anschließend die wichtigsten Schritte der Keimzellenbildung. vereinfachter Ablauf der Meiose – Arbeitsblatt (Lösung) 47 Bildung von Keimzellen: vereinfachter Ablauf der Meiose a) Beschreibung der Teilung von Körperzellen (z. B. als Fließdiagramm) Chromosomen werden vom Spindelapparat in einer Ebene angeordnet Chromatiden der Chromosomen werden getrennt und wandern zu den Polen. Es bilden sich neue Zellkerne (Ende der Mitose = Kernteilung) Die Zelle teilt sich in zwei identische Tochterzellen. Gemeinsamkeiten Während der Interphase wird die DNA verdoppelt (Replikation), d. h. aus Ein-ChromatidChromosomen werden Zwei-Chromatid-Chromosomen. Aus einer Zelle bilden sich vier Zellen (im Prinzip zwei Teilungsschritte). Während der Mitose wird die DNA-Menge pro Zelle ebenso halbiert, wie im ersten und zweiten Schritt der Meiose. (Dabei bleibt im zweiten Schritt der Meiose auch die Chromosomenzahl konstant (Chromatidentrennung, im Prinzip Mitose).) Unterschiede Während der Mitose wird die DNA-Menge pro Zelle halbiert, die Chromosomenanzahl bleibt aber konstant bei 46 (Trennung der Chromatiden). Während der Keimzellenbildung wird im ersten Schritt die DNA-Menge pro Zelle halbiert und dabei halbiert sich ebenso die Chromosomenanzahl auf 23 (Trennung von (homologen) Chromosomen). Bei der Keimzellenbildung werden vier nicht identische Spermien gebildet. Nach zwei Zellteilungen sind aus einer Körperzelle vier identische Tochterzellen entstanden. b) Beschreibung der Keimzellenbildung Die Keimzellenbildung erfolgt in zwei Schritten: Schritt 1: Die homologen Chromosomen werden vom Spindelapparat in einer Ebene paarweise angeordnet. Die homologen Chromosomen werden getrennt und wandern zu den Polen. Es bilden sich neue Zellkerne. Die Zelle teilt sich. Schritt 2: Chromosomen werden vom Spindelapparat in einer Ebene angeordnet. Chromatiden der Chromosomen werden getrennt und wandern zu den Polen. Es bilden sich neue Zellkern. Die Zellen teilen sich. Es entstehen vier nicht identische Spermien. Neukombination des Erbmaterials – Lehrerinformation 48 Bedeutung der Meiose Neukombination des Erbmaterials Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Bedeutung der Meiose Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 2.6, 3.1, Fachwissen (F) 3.3, 3.7 Erkenntnisgewinnung (E) Basiskonzept: Reproduktion, Variabilität und Angepasstheit Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung 9 Kommunikation (K) Bewertung (B) Zellkern als Speicherort der Erbinformation (DNA), homologe Chromosomen, Geschlechtschromosomen, Karyogramm eines Menschen, Ablauf der Meiose, Potenzrechnen (Jgst. 8), Evolutionstheorie (Selektion), Klassensatz Chromosomenstrohhalmmodelle Folie mit Arbeitsauftrag oder Klassensatz Arbeitsblatt, Folie mit Lösung Bearbeitung des Materials: 1 Stunde; Vorbereitung (nur beim ersten Mal): 30 Minuten Die Schülerinnen und Schüler ermitteln das Prinzip der Rekombination während der Meiose und der anschließenden Befruchtung mithilfe eines Modells. Sie erschließen die Bedeutung der Meiose für die genetische Variabilität. Die Schülerinnen und Schüler ... F 3.1 erklären die Bedeutung der Zellteilung für Wachstum, Fortpflanzung und Vermehrung, F 3.7 erklären die Variabilität von Lebewesen, E 9 wenden Modelle zur Veranschaulichung von Struktur und Funktion an E 11 beschreiben Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle. Anleitung zum Strohhalmmodell (Meiose_MA), Arbeitsblatt oder Folienvorlage (Meiose_Rekomb_MA) Die Schülerinnen und Schüler arbeiten mit den Modellen und halten die Ergebnisse im Heft oder auf dem Arbeitsblatt fest. Eine Musterlösung kann als Folie projiziert werden. Neukombination des Erbmaterials – Arbeitsblatt 49 Meiose: Neukombination des Erbmaterials 1.1 Entnimm die Chromosomen aus der Dose (= dem Zellkern); jeder Strohhalm stellt ein Zwei-Chromatid-Chromosom dar. Entscheide, ob deine Filmdose einen männlichen oder weiblichen Chromosomensatz enthält. 1.2 Stelle die Keimzellenbildung mit den Modell-Chromosmen nach. 2.1 Ermittle jetzt die Anzahl möglicher Chromosomenkombinationen einer Geschlechtszelle und skizziere mit Buntstiften nur drei Möglichkeiten. Kombination1 Kombination 2 Kombination 3 Ergebnis: Es gibt _____ Kombinationen für diese „Filmdosenkeimzellen“; mathematisch kann dies durch die Formel A = 2n ausgedrückt werden. (A= Anzahl der Kombinationen; 2 = diploider Chromosomensatz; n = Anzahl der Chromosomenpaare) Stimmt das Ergebnis mit deiner Lösung überein? 2.2 Berechne mit dem Taschenrechner A für eine menschliche Keimzelle (Erinnerung: der Mensch besitzt 46 Chromosomen): ___________ 2.3 Bildet Zweiergruppen: Suche dir hierfür als Spermium eine Eizelle, als Eizelle benötigst du ein Spermium. Wählt jeweils eine Kombination eurer Chromosomen aus und fügt sie zusammen (Der Fachbegriff dafür lautet: ______________________ ). Überlegt euch, wie viele verschiedene Chromosomenkombinationen euer „Filmdosennachwuchs“ haben könnte. Berechnet die möglichen Chromosomenkombinationen beim Menschen: _________ Neukombination des Erbmaterials – Arbeitsblatt (Lösung) 50 Meiose: Neukombination des Erbmaterials 2.1 Z. B.: Möglichkeit 1 Möglichkeit 2 Insgesamt gibt es 16 Möglichkeiten 2.2 Menschliche Keimzelle: 223 = 8.388.608 2.3 Fachbegriff: Befruchtung, „Filmdosennachwuchs“:16 x 16 = 256, mögliche Chromosomenkombinationen beim Menschen: 8.388.608 x 8.388.608 = 7,04 x 1013 Möglichkeit 3 Neukombination des Erbmaterials – Chromosomenmodelle 51 Chromosomenmodelle aus Knickstrohhalmen Material Packung bunte Knickstrohhalme, Klassensatz Filmdosen (bekommt man erfahrungsgemäß trotz Digitalphotographie in Drogeriemärkten und Photogeschäften i. d. R. noch in ausreichender Menge geschenkt), (evtl. Magnetfolie; zu beziehen im Büromaterialenbedarf) Abb. 1: Arbeitsmaterialien Abb. 2: zwei Chromosomensätze Vorbereitung (z. B. Vertretungsstunde) Chromosomenmodelle für eine Filmdose (diploider Chromosomensatz mit drei Autosomenpaaren und den Gonosomen): Von den langen Enden zweier verschieden farbiger Knickstrohhalme werden je drei Stücke unterschiedlicher Länge abgeschnitten (z. B. 5 cm, 4 cm, 3 cm). Zudem werden zwei gleich lange Stücke, die die Knickstellen enthalten, zugeschnitten (weiblicher Chromosomensatz). Zur Herstellung eines männlichen Chromosomensatzes wird eines der Stücke mit Knick gekürzt. Erklärung des Modells Dieses Modell dient zur Veranschaulichung der Vorgänge bei der Meiose auf der chromosomalen Ebene (Rekombination, Reduktionsteilung). Dabei stellt die Filmdose den Zellkern dar, in dem sich die Chromosomen befinden. Jedes Stück Strohhalm stellt ein 2-ChromatidChromosom dar, welches jeweils diploid (verschiedene Farben) vorhanden ist. Verschiedene Autosomen werden durch unterschiedlich lange Strohhalmstücke symbolisiert. Die Gonosomen lassen sich durch Strohhalmstücke, die den Abschnitt zum Knicken enthalten, darstellen, wobei das Y-Chromosom kürzer als das X-Chromosom ist. Modellkritik Mit diesem Modell können nur Vorgänge während der Reduktionsteilung der Meiose dargestellt werden, da es keine Trennung der Chromatiden zeigen kann. Soll die Mitose oder die Äquationsteilung dargestellt werden, muss das Modell erweitert werden. Erweitertes Modell Es wird jeweils die doppelte Anzahl an Strohhalmstücken wie oben beschrieben vorbereitet. Auf die Strohhalmstücke werden ca. 5 x 10 mm große Stücke Magnetfolie (= Zentromer) geklebt bzw. durch Umwickeln mit Klebeband auf ihnen fixiert. Zwei gleiche Strohhalmstücke werden mit den Magnetfolien zu einem trennbaren 2-Chromatid-Chromosom zusammengefügt. Da diese mehr Platz benötigen, werden sie statt in einer Filmdose z. B. in einem wiederverschließbaren Gefrierbeutel aufbewahrt. Alternativ können auch Chromosomen aus Chenille-Draht (im Bastelbedarf erhältlich) verwendet werden. Diese können durch einfaches Verdrillen 2-Chromatid-Chromosomen darstellen. Die biologische Bedeutung der Meiose – Lehrerinformation 52 Die biologische Bedeutung der Meiose Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Bedeutung der Meiose Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMKBildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) Fachwissen 1.5, 2.6, 3.3, 3.6, 3.7 Erkenntnisgewinnung Basiskonzept: Reproduktion; Variabilität und Angepasstheit; Entwicklung der Arten Kommunikation Bewertung Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ablauf der Meiose, Rekombination des Erbmaterials bei der Meiose, Grundlagen zur Evolution aus der Jgst. 8 (B 8.3) Arbeitsblatt Ziele des Bausteins Die Schülerinnen und Schüler erschließen die Bedeutung der Meiose für die genetische Variabilität und die unterschiedlichen Merkmalsausprägungen aller Individuen einer Art (Wdh. Jgst. 8: Evolution). Die Schülerinnen und Schüler ... F 1.5 wechseln zwischen den Systemebenen, F 2.6 beschreiben und erklären die Angepasstheit ausgewählter Organismen an die Umwelt, F 3.3 beschreiben verschiedene Formen der Fortpflanzung, F 3.6 beschreiben und erklären Verlauf und Ursachen der Evolution an ausgewählten Lebewesen, F 3.7 erklären die Variabilität von Lebewesen. Arbeitsblatt (Meiose_Evol_MA ) KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Bearbeitung des Materials: 30-45 Minuten Das Arbeitsblatt bietet zwei Varianten, die biologische Bedeutung der Meise an konkreten Beispielen aufzugreifen. Durch den Wechsel von der cytogenetischen Systemebene zur evolutiven Ebene wird die Bedeutung der Rekombination in der Evolution deutlich (vgl. Lehrplan B 8.3). Die Beispielaufgabe „Sensation: „Ballies aus der Antarktis!““ ist relativ offen gestellt. Sie greift neben der geschlechtlichen auch die ungeschlechtliche Fortpflanzung auf. Der Lückentext „Welche Vorteile hat die geschlechtliche Fortpflanzung?“ fasst die Aspekte zur geschlechtlichen Fortpflanzung noch einmal zusammen. Er kann beispielsweise auch als Hausaufgabe bearbeitet werden. Eine Vertiefung des Themas findet in der Jgst. 12 im Bereich Evolution statt (vgl. Lehrplan B 12.1). Die biologische Bedeutung der Meiose – Arbeitsblatt 53 Biologische Bedeutung der Meiose Sensation: „Ballies aus der Antarktis!“ In zwei weit voneinander entfernten Tälern in der von Schnee bedeckten Antarktis entdeckten Forscher eine neue Tierart, die sogenannten „Ballies“. Sie bewegen sich im Schnee rollend bzw. hüpfend fort und ernähren sich von im Schnee lebenden Algen. Die zwei „BalliePopulationen“ unterscheiden sich sehr in ihrer Lebensart. Die unten links dargestellten „Ballies“ leben als scheue Einzelgänger und pflanzen sich durch ungeschlechtliche Zweiteilung fort (Population 1). Die unten rechts dargestellten geselligen „Ballies“ bilden Pärchen, welche sich sexuell fortpflanzen und ihre Jungen bis zur Geschlechtsreife beschützen. Sie bringen ihre Jungen lebend zur Welt. Die Männchen und Weibchen können bis jetzt nur aufgrund ihrer unterschiedlichen Quieck-Geräusche unterschieden werden (Population 2). Die natürlichen Feinde der gleichwarmen „Ballies“ sind der Schneefuchs und der Antarktisfalke. Die meisten „Ballies“ haben eine glatte Haut und sind weiß gefärbt. Doch es wurden in beiden Populationen besondere „Ballies“ entdeckt, wie z. B. ein Ballie mit grauer Hautfarbe in der links dargestellten Population und z. B. graue Ballie mit Haaren (Fellansatz) oder ein Ballie mit dreieckigem Riechorgan in der rechts dargestellten Population. a) Erkläre, wie diese beiden oben beschriebenen besonderen „Ballies“ in den beiden sich unterschiedlich fortpflanzenden Populationen entstehen konnten. b) Begründe basierend auf dem Evolutionsgedanken, wie diese besonderen „Ballies“ die Zusammensetzung der beiden Populationen zukünftig beeinflussen könnten. Die biologische Bedeutung der Meiose – Arbeitsblatt 54 Welche Vorteile hat die geschlechtliche Fortpflanzung? Eltern: Zwei Gene mit Informationen zur Ausbildung der - Fellfarbe - Haarlänge Merkmalskombinationen: Fellfarbe _________ Haare ___________ Fellfarbe ________ Haare __________ Nachkommen: Fellfarbe: ________ ________ ________ ________ Haarlänge: ________ ________ ________ ________ Bei den Nachkommen werden die Gene durchmischt: _________________________________ Worin liegen nun die Vorteile? Abb. 1: zwei verschiedene mögliche Lebensräume der Nachkommen1 Folge: Im Kampf ums Dasein (struggle for life) besitzen die am ___________ angepassten ________________________ die _______________ Überlebenschancen und pflanzen sich ______________ (survival of the fittest). Auslese durch die ___________________=__________________ Bestimmte Gen-Kombinationen setzen sich __________________ und werden daher ______________vererbt. Die biologische Bedeutung der Meiose – Arbeitsblatt (Lösung) 55 Biologische Bedeutung der Meiose Sensation: „Ballies aus der Antarktis!“ a) Mutation: Veränderung der DNA vermutlich Mutation (Riechorgan) und Neukombination von Erbmaterial in der sexuellen Fortpflanzung (hellgraue Farbe) Genetische Variabilität kann entstehen durch zufällige Verteilung von Genen/Chromosomen während der Keimzellenbildung (Meiose), Wahl eines Partners mit neuem Merkmals-/Genmix (sexuelle Fortpflanzung) oder durch Mutationen (z. B. ausgelöst durch Fehler bei der Replikation, durch UV- oder radioaktive Strahlung). b) (Die Diskussion bietet sehr viele Freiräume. Von den Schülerinnen und Schülern können zahlreiche Variationen genannt werden. Im Folgenden werden mögliche Beispiele gelistet.) Population 1: Graue „Ballies“ sind im Schnee schlechter getarnt. Sie werden häufiger von Fressfeinden erbeutet (Selektion; Selektionsfaktor: Fressfeind). Sie pflanzen sich nicht so häufig fort. Sie machen nur einen geringen Anteil in der Population aus, weil die graue Farbe eine schlechtere Anpassung an den Lebensraum darstellt. (Unter Berücksichtigung des Klimawandels könnte eine umgekehrte Argumentation diskutiert werden: schneefreie Bereiche nehmen zu, eventuell dann bessere Tarnung.) Population 2: Die behaarten „Ballies“ kommen besser mit der Kälte zurecht (Selektion; Selektionsfaktor: Kälte, Klima) Sie pflanzen sich häufiger fort und geben dieses begünstigte Merkmal weiter. Höherer Anteil in der Population, weil das Fell eine bessere Anpassung an den Lebensraum Antarktis darstellt. „Ballies“ mit dreieckigem Riechorgan können evtl. Fressfeinde besser wahrnehmen (Selektion, Selektionsfaktor: Fressfeind). Sie pflanzen sich häufiger fort. Höherer Anteil in der Population, weil das neu gebildete Riechorgan eine bessere Anpassung an die Lebensweise darstellt. „Ballies“ mit grauer oder weißer Fellfarbe s. o. Die biologische Bedeutung der Meiose – Arbeitsblatt (Lösung) 56 Welche Vorteile hat die geschlechtliche Fortpflanzung? Eltern: Zwei Gene mit Informationen zur Ausbildung der - Fellfarbe - Haarlänge Merkmalskombinationen: Fellfarbe dunkel Haare lang Fellfarbe hell Haare kurz Nachkommen: Fellfarbe: Haarlänge: dunkel dunkel hell hell lang kurz lang kurz Bei den Nachkommen werden die Gene durchmischt: Rekombination der Gene ( Vielfalt der Merkmalskombinationen) Worin liegen nun die Vorteile? Abb. 1: zwei verschiedene mögliche Lebensräume der Nachkommen1 Folge: Im Kampf ums Dasein (struggle for life) besitzen die am besten angepassten Nachkommen die größten Überlebenschancen und pflanzen sich häufiger fort (survival of the fittest). Auslese durch die Natur = Selektion Bestimmte Gen-Kombinationen setzen sich öfter durch und werden daher häufiger vererbt. Zusammenfassung Karyogramm, Mitose, Meiose – Lehrerinformation 57 Zusammenfassung Karyogramm, Mitose, Meiose Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Karyogramm eines Menschen, Wachstum: vereinfachter Ablauf der Mitose, Bildung von Keimzellen: vereinfachter Ablauf der Meiose Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) Fachwissen (F) 3.1 Erkenntnisgewinnung (E) 11 Kommunikation (K) 1 Basiskonzept: Struktur und Funktion, Reproduktion Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Bewertung (B) Karyogramm, Mitose, Meiose Klassensatz Arbeitsblatt Kärtchenvorlage zum Laminieren und Ausschneiden für Gruppenarbeit 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler wiederholen und festigen ihre in den vorhergehenden Stunden erworbenen Kenntnisse über Karyogramme, Mitose und Meiose. Die Schülerinnen und Schüler … F 3.1 erläutern die Bedeutung der Zellteilung für Wachstum, Fortpflanzung und Vermehrung, E 11 beschreiben die Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle, K 1 kommunizieren und argumentieren in verschiedenen Sozialformen. Kärtchenvorlage (KaryMiMei_MA), Arbeitsblatt (KaryMiMei_AB) Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten in Gruppenarbeit (z. B. in der Gruppenarbeitsform „wachsende Gruppe“, s. Methoden) ein Textpuzzle aus laminierten Begriffskärtchen. Dabei wiederholen sie die neu erworbenen fachlichen Kenntnisse der letzten Stunden und üben sich im Formulieren fachsprachlich und inhaltlich korrekter Texte mit vorgegebenen Fachbegriffen. Die erstellten Sätze werden im Anschluss an die Gruppenarbeitsphase im Klassenplenum vorgestellt und gegebenenfalls verbessert. Als Hausaufgabe werden Fragen mit den Begriffen formuliert, die in der Rechenschaftsablage der darauf folgenden Stunde verwendet werden können. Zusammenfassung Karyogramm, Mitose, Meiose – Arbeitsblatt 58 Textpuzzle „Karyogramm, Mitose und Meiose“ 1. Legt mit jeweils mindestens zwei der ausgeteilten Begriffskärtchen in Gruppenarbeit die Gerüste von vier fachlich richtigen Sätzen. 2. Formuliert daraus anschließend vier fachlich und sprachlich richtige Sätze. Verben, Artikel usw. müssen gegebenenfalls ergänzt werden. 3. Schreibt die fertigen Sätze in eure Hefte. Hausaufgabe Formuliere mit den unten abgedruckten Begriffen vier Fragen, die deine Mitschülerinnen und Mitschüler in der nächsten Stunde beantworten sollen. Begriffe: der Mensch Meiose Halbierung des Chromosomensatzes in jeder Körperzelle Gonosomen genetisch unterschiedliche Tochterzellen 23 Chromosomen Mitose = 2n ihre Form zwei X-Chromosomen Männer doppelter Chromosomensatz die zwei Hälften (Chromatiden) eines Zwei-Chromatid-Chromosoms Trennung der homologen Chromosomen Autosomen ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom 2 homologe Chromosomen genetisch identisch (gleiche Erbinformation) im Karyogramm Trennung der Chromatiden Geschlechtszellen 22 homologe Chromosomen am Zentromer miteinander verbunden Frauen Chromosomen einer Zelle geordnet nach ihrer Größe einfacher Chromosomensatz in den Eizellen und den Spermienzellen von jedem homologen Chromosomenpaar =n 46 Chromosomen stammt eines vom Vater, eines von der Mutter Geschlechtschromosomen genetisch identische Tochterzellen Neukombination von Chromosomen Zusammenfassung Karyogramm, Mitose, Meiose – Vorlage 59 Textpuzzle „Karyogramm, Mitose und Meiose“ Kärtchenvorlage zum Laminieren und Ausschneiden der Mensch Halbierung des Chromosomensatzes = 2n genetisch unterschiedliche Tochterzellen Meiose Trennung der homologen Chromosomen Gonosomen die zwei Hälften (Chromatiden) eines Zwei-Chromatid-Chromosoms =n ihre Form ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom 23 Chromosomen einfacher Chromosomensatz Frauen doppelter Chromosomensatz im Karyogramm 2 homologe Chromosomen Geschlechtszellen Trennung der Chromatiden 46 Chromosomen 22 homologe Chromosomen Männer genetisch identisch (gleiche Erbinformation) Mitose stammt eines vom Vater, eines von der Mutter Autosomen Neukombination von Chromosomen zwei X-Chromosomen Chromosomen einer Zelle geordnet nach ihrer Größe in jeder Körperzelle am Zentromer miteinander verbunden in den Eizellen und den Spermienzellen von jedem homologen Chromosomenpaar genetisch identische Tochterzellen Geschlechtschromosomen Fehler in der Meiose - des Guten zuviel – Lehrerinformation 60 Meiosefehler Fehler in der Meiose - des Guten zuviel Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Meiosefehler, z. B. Down-Syndrom Basiskonzept: Organisationsebene, Fortpflanzung Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 3.7 Fachwissen Erkenntnisgewinnung 11 Kommunikation 10 Bewertung Auswertung eines Karyogramms, Vorgänge in der Meiose Klassensatz Arbeitsblatt 20 Minuten Die Schülerinnen und Schüler üben anhand von Zeichnungen erneut die Verteilungsvorgänge während der Meiose und ermitteln Möglichkeiten, die zu fehlerhaften Keimzellen führen. Die Schülerinnen und Schüler… F 3.7 erklären die Variabilität von Lebewesen, E 11 beschreiben die Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle, K 10 wenden idealtypische Darstellungen, Schemazeichnungen, Diagramme und Symbolsprache auf komplexe Sachverhalte an. Arbeitsblatt (Meiosefehler_AB) Zu Beginn der Stunde werden Kenntnisse aus der vorangegangenen Stunde wiederholt, dies dient zur Festigung bzw. zur Sicherung des Kenntnisstandes, bevor die Abweichung näher betrachtet wird. Fehler in der Meiose - des Guten zuviel – Arbeitsblatt Fehler in der Meiose - des Guten zuviel a) Leite aus dem Karyogramm alle Informationen über die betreffende Person ab. b) Wiederhole in Abbildung 1 die Vorgänge während der Meiose. c) Skizziere in Abbildung 2 zwei Möglichkeiten, wie es zu einer Keimzelle kommen kann, aus der sich nach der Verschmelzung mit einer normalen Keimzelle ein Individuum mit diesem Karyogramm entwickelt. d) Markiere jeweils die Keimzelle, die im Falle einer Befruchtung die Unregelmäßigkeit auslösen würde. Meiosevorgänge mit 2 Chromosomenpaaren Chromosom 1: , Chromosom 21: Abb. 1: Keimzellen Abb. 2: Möglichkeiten der Fehlverteilung 61 62 Fehler in der Meiose - des Guten zuviel – Arbeitsblatt (Lösung) Fehler in der Meiose - des Guten zuviel a) Leite aus dem Karyogramm alle Informationen über die betreffende Person ab: menschliches Karyogramm weiblich Chromosom 21 kommt dreimal vor Meiosevorgänge mit 2 Chromosomenpaaren Chromosom 1: , Chromosom 21: Abb. 1: Keimzellen Auslöser der Trisomie Abb. 2: Möglichkeiten der Fehlverteilung Fehler in der Meiose - des Guten zuviel (Texte) – Lehrerinformation 63 Fehler in der Meiose - des Guten zuviel (Texte) Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Meiosefehler, z. B. Down-Syndrom; soziale und ethische Aspekte Basiskonzept: Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) Fachwissen Erkenntnisgewinnung Kommunikation 4, 7 Bewertung 1 Umgang mit Texten Klassensatz Texte (aufgeteilt auf zwei Gruppen) 1 Stunde Die Schülerinnen und Schüler vergleichen verschiedene Texte, betrachten die Sichtweisen der Autoren und hinterfragen deren Aussagen kritisch. Sie erstellen selbst einen Text, der wertfrei informieren soll. Die Schülerinnen und Schüler… K 4 werten Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen zielgerichtet aus, K 7 referieren zu gesellschafts- oder alltagsrelevanten biologischen Themen, B 1 unterscheiden zwischen beschreibenden und wertenden Aussagen. Texte (Meiosefehler_Down_MA) Paarweise erhalten die Schülerinnen und Schüler beide Textblätter. Eine/einer bearbeitet Text 1 und 2, die/der andere Text 3 und 4. Nach ca. 10 Minuten Lesezeit stellen sie sich die Krankheit gegenseitig vor. Es werden Widersprüche aufgedeckt und diskutiert. Gemeinsam wird ein möglichst wertfreier Text erstellt. Diese Texte müssen nicht mehr in einem größeren Rahmen diskutiert werden. Der Kontakt mit Selbsthilfegruppen in der Umgebung könnte den Schülerinnen und Schülern jenseits der Theorie eine eigene Einschätzung ermöglichen. Linktipp für Kontakte: www.down-syndrom-netzwerk.de 64 Fehler in der Meiose - des Guten zuviel (Texte) – Arbeitsblatt Fehler in der Meiose - des Guten zuviel Text 1 „Mongolismus (mit Bezug auf die mongolenähnliche Kopf- und Gesichtsbildung), DownSyndrom, Langdon-Down-Krankheit; auf einer Genommutation, Trisomie, d. h. dreifaches Vorhandensein des Chromosoms 21 beruhende Form des Schwachsinns mit der angeborenen Neigung zur Fehlentwicklung zahlreicher Organe und Gewebe. U. a. Kurzköpfigkeit mit abgeflachtem Hinterkopf, Schlitzaugen mit nach unten und innen gerichteter schräger Lidspalte, Schielen, vergrößerter Zunge, Heiserkeit, Schlaffheit der Muskulatur, verzögerte Entwicklung, verminderte Infektabwehr. Eine Heilung des Mongolismus ist nicht möglich.“1 Text 2 „Down-Syndrom, benannt nach dem Londoner Arzt J.L.H. Down, Mongolismus, Trisomie 21, genetisch bedingte Erkrankung durch chromosomale Störung, wobei das Chromosom 21 dreifach nachweisbar ist. Folge ist eine Fehlentwicklung des Organismus, die sich in Minderwuchs, schräger Augenstellung mit Epikanthus („Mongolenfalte“), breiter Nasenwurzel, tief sitzenden Ohren, vergrößerter Zunge, Muskelschwäche, Unterentwicklung von Kiefer und Zähnen, Debilität u. a. manifestiert. Hinzu kommen häufig Missbildungen innerer Organe, wie z. B. Herz und Darm. Auf ca. 600 Geburten kommt eine Geburt mit Down-Syndrom. Die geistige Entwicklung bleibt meist auf der Stufe eines 6-7 Jährigen. 75 % sterben vor Eintritt der Pubertät, 90 % vor dem 25. Lebensjahr. Das Risiko, ein Kind mit Down-Syndrom zu gebären, ist bei älteren Müttern größer. Manchmal ist eine familiäre Häufung zu beobachten.“2 Lies sorgfältig beide Texte über die Trisomie 21. Berichte deiner Partnerin / deinem Partner, was du über die Krankheit erfahren hast. Kennzeichnet anschließend gemeinsam wertende und beschreibende Aussagen in den vier Texten. Schreibt einen kurzen, möglichst wertfreien Text, in dem ihr die Krankheit vorstellt. 1 Mayers Großes Taschenlexikon, Band 14, Taschenbuchverlag Mannheim/Wien/Zürich 3/1996, S. 357 2 Herder-Lexikon der Biologie, Band 3, Spektrum Akademischer Verlag 1994, S. 20 Fehler in der Meiose - des Guten zuviel (Texte) – Arbeitsblatt 65 Fehler in der Meiose - des Guten zuviel Text 3 „Ich heiße Ann Margaret Forts und habe kein „Down“-Syndrom. Eigentlich bin ich nämlich ein „Up“-Syndrom Typ und ich liebe mein Leben: Ich habe eine Menge Freunde und es gibt die verschiedensten Dinge, die ich tue oder tun möchte. Manche Sachen kann ich sehr gut, während ich mich bei anderen etwas schwerer tue. Aber egal, das wichtigste ist, dass ich mein Bestes gebe und das mag, was ich tue. Manchmal wünschte ich mir, der Name des Arztes, der das Down-Syndrom entdeckt hat, hätte „Dr. Up“ statt „Dr. Down“ gelautet. Dann hätten manche Leute weniger Vorurteile, wenn sie uns begegnen. Manchmal treffe ich Menschen, die mich sehr unglücklich machen, weil sie denken, dass sie alles über mich wissen und mir keine Chance geben. Es ist ein gutes Gefühl, solchen Leuten zu beweisen, dass sie sich geirrt haben. Ich glaube einfach nicht, dass mir jemand sagen kann, welche Fähigkeiten ich habe, was ich kann und was nicht, besonders, wenn man mir nicht einmal die Chance gibt, es zu versuchen. Versucht nicht, unserem Können Grenzen zu setzen, weil ich euch garantieren kann, dass ihr euch irrt und wir euch mit unseren Fähigkeiten noch in Erstaunen setzen werden.“3 Text 4 „Das Down-Syndrom kommt bei Jungen und Mädchen gleich häufig vor. Es ist eine der verbreitetsten Behinderungen, die in allen Rassen, Volksgruppen, Schichten und Nationalitäten auftritt. Trotz vieler Versuche gelang es bis heute nicht, einen Grund dafür zu finden. Es kann absolut jedem passieren, ein Kind mit Down-Syndrom zu bekommen. Die Chromosomen und die darin gespeicherte Erbinformation spielen eine große Rolle für die Merkmale ihres Kindes. Das zusätzliche Chromosom wird daher das Leben ihres Kindes entscheidend beeinflussen. Das Aussehen wird in gewisser Weise „typisch“ sein, es kann einige besondere Krankheiten haben und es wird wahrscheinlich zu einem gewissen, meist geringen Grad geistig behindert sein. Intelligenz allerdings ist eine sehr individuelle (und schwer messbare) Eigenschaft! Ihr Kind ist in erster Linie ein Individuum. Es hat eine eigene Persönlichkeit, eigene Talente und eigene Gedanken. Und wie bei jedem Menschen gibt es nur sehr wenig, was nicht durch das Umfeld beeinflusst werden kann. Die Schwere der geistigen Behinderung ist von erstaunlicher Bandbreite – und außer in Ausnahmefällen nicht so gravierend, wie heute noch vielfach behauptet wird. Ihr Baby kann in jedem Fall etwas lernen. Das Wichtigste dabei: Sowohl die soziale als auch die intellektuelle Intelligenz eines Kindes mit Down-Syndrom entfaltet sich am besten innerhalb einer verständnisvollen, unterstützenden Familie.“4 Lies sorgfältig beide Texte über die Trisomie 21. Berichte deiner Partnerin / deinem Partner, was du über die Krankheit erfahren hast. Kennzeichnet anschließend gemeinsam wertende und beschreibende Aussagen in den vier Texten. Schreibt einen kurzen, möglichst wertfreien Text, in dem ihr die Krankheit vorstellt. 3 4 Babys mit Down-Syndrom, Edition 21 1995, S. 7 f. Babys mit Down-Syndrom, gekürzt, Edition 21 1995, S. 14 ff. Pränatale Diagnostik (I) – Lehrerinformation 66 Pränatale Diagnostik (I) Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: pränatale Diagnostik Basiskonzept: Fortpflanzung Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 3.8 Fachwissen Erkenntnisgewinnung Kommunikation 4, 7 Bewertung 2, 3 Umgang mit dem Internet, Erstellung vergleichender Kriterien, Präsentationsformen Aufgabenblatt mit Internetlinks (muss von der Lehrkraft erstellt werden) 1-2 Stunden Die Schülerinnen und Schüler recherchieren verschiedene Methoden der pränatalen Diagnostik und wägen Chancen und Risiken gegeneinander ab. Sie erstellen und präsentieren eine vergleichende Betrachtung nach selbst gewählten Kriterien. Die Schülerinnen und Schüler… F 3.8 kennen und erörtern die Eingriffe des Menschen in die Natur und Kriterien für solche Entscheidungen, K 4 werten Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen zielgerichtet aus und verarbeiten diese auch mithilfe verschiedener Techniken und Methoden adressatengerecht, K 7 referieren zu gesellschafts- oder alltagsrelevanten biologischen Themen, B 2 beurteilen verschiedene Maßnahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung, B 3 beschreiben und beurteilen Erkenntnisse und Methoden in ausgewählten aktuellen Bezügen aus der Medizin unter Berücksichtigung gesellschaftlich verhandelbarer Werte. Die unten angegebenen Links bieten zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Materialien einen sinnvollen Einstieg in die Thematik (u. a. mit kurzen Videoclips). Die Lehrkraft muss deren Aktualität überprüfen und gegebenenfalls neue Hinweise anbieten. http://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4nataldiagnostik (einführende Übersicht) www.planet-wissen.de (Suche: Pränatale Diagnostik) www.praenataldiagnostik-info.de www.frauenarzt-infos.de/Praenatal Aufgaben für die Schülerinnen und Schüler: Informiere dich über die folgenden drei Methoden der pränatalen Diagnostik: Sonographie, Chorionzottenbiopsie und Fruchtwasseruntersuchung Entwickle Kriterien, nach denen du diese Methoden miteinander vergleichen kannst. Erstelle anhand der Kriterien eine Übersicht, die deinen Mitschülerinnen und Mitschülern einen schnellen Überblick verschafft, und versuche dabei auch eine Bewertung der Methoden, indem du die Chancen und Risiken gegeneinander abwägst. Präsentiere deine Ergebnisse. Pränatale Diagnostik (II) – Lehrerinformation 67 Pränatale Diagnostik (II) Bezug zum Lehrplan 9.3 Grundlagen der Genetik: Pränatale Diagnostik; soziale und ethische Aspekte Basiskonzept: Fortpflanzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) 3.8 Fachwissen Erkenntnisgewinnung Kommunikation 1, 7 Bewertung 2, 3 Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Umgang mit längeren Texten, Methode „Placemat“ Ziele des Bausteins Die Schülerinnen und Schüler üben sich im Umgang mit längeren Texten, die nicht pädagogisch aufbereitet sind. Sie werden durch den Zeitungsartikel an eine wichtige alltägliche Informationsquelle herangeführt. Sie diskutieren ein gesellschaftlich relevantes Thema, das zur kritischen Auseinandersetzung und Bewertung herausfordert. Die Methode Placemat ermöglicht ihnen eine zunächst geschützte Auseinandersetzung, die jeden sofort beteiligt. Die Schülerinnen und Schüler… F 3.8 kennen und erörtern Eingriffe des Menschen in die Natur und Kriterien für solche Entscheidungen, K 1 kommunizieren und argumentieren in verschiedenen Sozialformen, K 7 referieren zu gesellschafts- oder alltagsrelevanten biologischen Themen, B 2 beurteilen verschiedene Maßnahmen und Verhaltensweisen zur sozialen Verantwortung, B 3 beurteilen Erkenntnisse und Methoden in ausgewählten aktuellen Bezügen wie Medizin und zwar unter Berücksichtigung gesellschaftlich verhandelbarer Werte. Zeitungsartikel mit Aufgaben (Meiosefehler_Thal_MA) Der „Zeit“-Artikel ist für Schülerinnen und Schüler ungewohnt lang. Eventuell kann dieser bereits als vorbereitende Hausaufgabe aufgegeben werden. Die Gegenüberstellung der Argumente ist dann Inhalt der ersten Stunde. Die Förderung der Lesekompetenz und die Auseinandersetzung mit primären Informationsquellen sollte nicht durch Kürzung seitens der Lehrkraft vermindert werden. Eine Anleitung zur Durchführung der Placemat-Methode ist im Methodenteil zu finden. Diese Einheit kann ebenfalls sinnvoll am Ende von 9.5 „Angewandte Biologie“ (Präimplantationsdiagnostik und ethische Bewertung) durchgeführt werden. KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Klassensatz Zeit-Artikel, Placematvorlagen, Stifte, Folien für Gruppenergebnisse 2 Stunden 68 Pränatale Diagnostik (II) – Arbeitsblatt Pränatale Diagnostik • Fasse die Argumente des folgenden Artikels aus der Zeitung „Die Zeit“, die für bzw. gegen einen Gentest sprechen, zusammen. • Placemat: Beziehe Stellung, ob Gentests und pränatale Diagnostik in Deutschland vorgeschrieben werden sollen, mit dem Ziel, Krankheiten oder Behinderungen in der Bevölkerung zu verhindern. „Kinder nur nach Gentest Zypern betreibt seit 1976 freiwillige Eugenik. Die Mediziner sind begeistert, die Ethiker entsetzt - und die Geistlichen geben ihren Segen | CHRISTIAN SCHÜLE Die junge Frau hat einen auffällig großen, ovalen Kopf. Ihr trauriger Blick verliert sich im Nirgendwo. Ihre oberen Backenknochen sind für eine Zypriotin ungewöhnlich kräftig, verleihen ihr ein asiatisches Aussehen, die Zähne sind viel zu groß, die Haut wirkt wie gebleichtes Pergament. Im rechten Unterarm der Frau steckt eine Infusionsnadel. Frisches Blut tropft aus einem Beutel. Alle zwei Wochen ist die junge Frau hier, seit mehr als zwanzig Jahren. Die Bluttransfusionen werden weitergehen, nochmals zwanzig oder mehr Jahre. Wäre die junge Frau nach 1980 gezeugt worden, dann säße sie sehr wahrscheinlich nicht hier. Ihre Eltern hätten sie abgetrieben. Mit dem Segen der Gesellschaft, mit Wissen der orthodoxen Kirche. Denn die Frau leidet an einer schweren Erbkrankheit, der Thalassämie, wegen ihres Verbreitungsgebietes auch Mittelmeeranämie genannt. Den Patienten mangelt es an roten Blutkörperchen, die den Körper mit Sauerstoff versorgen. Die defekte Blutbildung führt zu chronischer Müdigkeit, deformierten Knochen und Organschäden, ohne Behandlung endet sie tödlich, häufig schon im frühen Kindesalter. Auf Zypern ist die Erbkrankheit besonders häufig, deshalb wird sie hier besonders intensiv bekämpft, durch Gendiagnostik und Abtreibung. So hat man es tausendfach getan. So geht die Lehre des Doktor Michael Angastiniotis, und der ist in Zypern schon ein kleiner Gott. Ein kleinwüchsiger Mann. Grauweiß gesprenkelt das volle Haar. Schnelle, kurze Bewegungen. Ständig tätig, rastlos. Ein sehr sympathisches, werbendes Lächeln. Jedes Lob würde er von sich weisen, aus Anstand. Angastiniotis, Kinderarzt und Berater der Weltgesundheitsorganisation WHO, hat dafür gesorgt, dass die Zyprioten - Griechen wie Türken - ihre todbringende Volkskrankheit vor zwanzig Jahren in den Griff bekamen. Jeder siebte Zypriote ist Träger des defekten Gens, das ist die weltweit höchste Dichte eines genetisch vererbten Defekts. Die meisten Menschen merken von der Störung im Erbgut überhaupt nichts, denn jedes Gen ist in den Zellen doppelt vorhanden, und im Fall der Thalassämie genügt ein einziges gesundes Gen, um den Defekt des zweiten Gens zu überspielen. Zeugen hingegen zwei (äußerlich gesund wirkende) Träger des Thalassämie-Gens viele Kinder, so ist jeweils ein Viertel ihres Nachwuchses völlig gesund (mit zwei heilen Genen), die Hälfte der Kinder ist genauso wie die Eltern gesund, aber Überträger der Krankheit (mit einem gesunden und einem defekten Gen), das letzte Viertel der Kinder wird jedoch erkranken, denn diese Kinder bekommen zwei defekte Gene mit auf den Lebensweg. Die Thalassämie tritt in milden und schweren Formen auf, letztere führen bereits im Kindesalter zum Tod durch Herz- oder Leberversagen, falls aufwändige medizinische Betreuung ausbleibt. Michael Angastiniotis, Direktor des Thalassämie-Zentrums in Nikosia, ist einer der Schöpfer jenes bislang einzigartigen, fast legendär effizienten "Präventionsprogramms", das für die zypriotische Volksgesundheit ein Segen, für andere der Weg in den Abgrund ist, ein Projekt, das weltweit viele Humangenetiker fasziniert, aber auch viele Ethiker mit großer Sorge erfüllt, berührt es doch die Grundsatzfrage, wie eine Gesellschaft mit ihren "kranken" Genen umgeht. Seit 1983 verfolgen Wissenschaft, Politik und Gesellschaft der Insel ein gemeinsames Ziel: genetische Volksdurchleuchtung, vorgeburtliche Diagnostik, "Desaster"-Prävention. In letzter Konsequenz heißt das auch Abtreibung. Ist das Selektion? Eugenik? Nehmen die Zyprioten längst lehrstückhaft vorweg, was der Medizin-Nobelpreisträger James D. Watson kürzlich für alle forderte: dass der Mensch selbst seine Zukunft in die Hand nehme, nicht mehr Gott würfeln lasse und statt- Pränatale Diagnostik (II) – Arbeitsblatt 69 dessen die "schlechten" Gene ausmerze, die die Gesundheitskosten ins Unermessliche treiben? Angastiniotis mag solche Fragen nicht. Für ihn ist Prävention ein Gebot der Vernunft, der rationalen Gesellschaftsorganisation. Früher war die Thalassämie begünstigt durch die Evolution, nämlich durch die Malaria: Die Deformation der roten Blutzellen verursachte zwar Atemnot, sie bremste aber auch die Erreger der Malaria aus, denn die vermehren sich in (gesunden) roten Blutzellen. Wer an Thalassämie litt, der starb nicht an Malaria. Es ist deshalb kein Zufall, dass das Blutleiden vor allem in einstigen Malariagebieten auftritt: Malta, Sardinien, Griechenland, Zypern, Israel, bis in den Iran. Früher war Zypern ein Malaria-Nest, dann begannen die britischen Kronkolonisten mit der Ausrottung, sprühten DDT, seit 1948 ist die Insel malariafrei. Die Thalassämie hingegen raffte weiterhin viele Kinder dahin. Fast alle Großfamilien hatten ein, zwei, drei Kindstote, sie erlebten ratlos die Qualen, das Elend, den Verfall ihrer knochenschiefen, apathisch-blassen Buben und Mädchen. Ratlos waren auch die Gläubigen. War all dies Leid wirklich Gottes Wille? In den frühen sechziger Jahren hatten zypriotische Ärzte begonnen, ein System der Bluttransfusionen aufzubauen. Jeder kannte die Thalassämie, und so kam fast jeder einmal im halben Jahr zum Spenden, es entwickelte sich eine ungewöhnliche Art von nationaler Solidarität. Zypern besitzt eine hervorragende Blutbank und deckt noch heute seinen eigenen Blutbedarf vollständig ab. Doch schnell sah man, dass die Transfusionen den Tod nur hinauszögerten. Viele Patienten starben zwar nicht mehr als Kinder, doch dann als Jugendliche. Denn das zugeführte Blut enthält (zu) viel Eisen, und das zerstört allmählich Leber, Herz und Drüsen. Ein Fortschritt? Hilfe brachte das Medikament Desferal, das dem Blut überschüssiges Eisen entzieht. Dafür mussten die Patienten fortan eine Pumpe mit sich schleppen, die stetig die Arznei unter der Haut freisetzt: rund um die Uhr, lebenslänglich. Desferal war frei vom Staat erhältlich, er kauft es auch heute noch. Doch das Medikament schürte einen neuen Mangel. "Die Patienten lebten länger. Umso knapper wurden die Blutreserven. Das war einfach nicht praktikabel. Das Gen war zu weit verbreitet", rechneten Michael Angastiniotis und seine Kollegen aus. Einer von sieben Zyprioten ist Träger, das bedeutet, dass bei einem von 49 Ehepaaren beide Partner Träger sind. Jedes Jahr wurden 11 000 Babys geboren, darunter waren 70 neue Thalassämie-Fälle. Dank Blut- und Desferal-Behandlung stieg die Lebenserwartung, hochgerechnet ergab das 500 Transfusionen am Tag. All das kostete den Staat ein kleines Vermögen, schon damals gingen 20 Prozent seines Budgets für Medikamente allein für Desferal drauf. "Hätten wir zugelassen, dass sich die Thalassämie-Fälle alle zehn Jahre verdoppeln, wäre das ein Desaster geworden. Wen sollten wir dann noch behandeln und wen nicht?", fragt Angastiniotis. Vorbeugen ist besser als heilen, sagten sich die Inselbewohner, und so hat sich seit 1976 fast jeder Zypriote und jede Zypriotin "im produktiven Alter" einem Gentest unterzogen, um den eigenen Thalassämie-Status aufzuklären. Ein Tropfen Blut schuf Wissen - und Planungssicherheit. Zudem hat es seit 1978 jährlich 200 Pränataldiagnostiken und zirka 50 Abtreibungen gegeben. Kaum eine Mutter entschied sich für ein thalassämiekrankes Kind. Seit 1983 verlangt die Heilige Kirche Zyperns von Heiratswilligen ein "Screening"-Zertifikat, das von Doktor Angastiniotis abgestempelt ist. Darauf steht allein, dass das Paar "informiert" ist. Keine Diagnose. Kein Überträgerstatus. Keine Auskunft über vorgenommene Pränataldiagnostik. Ohne dieses Zertifikat schreitet kein Priester zur Trauung. Fast alle Zyprioten heiraten kirchlich. Ist der Bluttest also ein indirekter Zwang? Noch heute kommt es vor, dass ehewillige Paare das Screening verweigern. Dann insistiert der Priester auf einem Test oder verweist an den Bischof zur Unterredung. Zwei Stunden Fahrt von Nikosia nach Limassol zur Südküste mit ihren Touristenburgen. Marios Liassides ist der Typ Kumpel, Ende vierzig vielleicht, adrett, ein Mann, der schon in den ersten Minuten den Arm um einen legt und lange nicht mehr loslässt. Unter seinem weißen T-Shirt schimmert ein großes, goldenes Kreuz an der Halskette. Er spricht von Eugenik, in Zypern laufe einiges schief - ähnlich wie einst in Sparta, wo man die Schwachen über die Klippe warf. "Wer hat das Recht, Leben wegzunehmen? Es ist doch Leben, oder nicht?" Er als Gynäkologe ist der festen Überzeugung, dass seine Landsleute es sich mit ihrer humanen Eugenik, ihrer Eugenik von 70 Pränatale Diagnostik (II) – Arbeitsblatt unten, unglaublich leicht machen. Wer abtreibe suche nicht nach anderen Lösungen. Wenn die Mediziner den Auftrag hätten, Lösungen zu finden, Therapien, Alternativen, dann würden sie welche finden. Aber die Eltern töteten ihre Kinder, weil die zypriotische Gesellschaft das so wolle, weil die Ärzte dazu rieten und die Kirche das zuließe. "Wie kann man eine Krankheit wie Thalassämie mit dem Tod des Patienten therapieren?" Hatten Michael Angastiniotis und seine Kollegen Mitte der Siebziger eine andere Wahl? Ethische Fragen stellten sie sich nicht. Sie mussten handeln. Von außen kamen die türkischen Festlandstruppen, besetzten Nordzypern, von innen bedrohten die defekten Gene das Volk. Angastiniotis hatte in London die Fruchtwasserpunktion gelernt und bot die gewünschte, schnelle Lösung an. Stufe eins: Screening. Stufe zwei: Pränataldiagnostik. Stufe drei: Abtreibung. Alles kostenlos. Wer aber entschied letztlich? "Immer die Mutter." Gab es Einflussnahme? Nein, die Gesellschaft brauchte gar nicht überzeugt zu werden, sagen alle. "Der tägliche Tod", meint Stelos Minas, Präsident der Vereinigung der Thalassämie-Kranken Zyperns, "das jahrzehntelange Sterben hat sie alle sensibilisiert. Der Wunsch nach der neuen Technik und der Abtreibung kam aus der Bevölkerung." Und man spürte den Erfolg: Die Ausgaben des Gesundheitsministeriums für Desferal sind jetzt über die Hälfte gesunken, vor allem werden pro Jahr nur noch zwei Kinder geboren, die an Thalassämie erkranken. Sie sind einkalkuliert, denn jedes Jahr sterben zwei Patienten. Seit Jahren leben 630 Thalassämie-Kranke auf Zypern, die Zahl ist stabil. Die Zahl der Blutspenden auch. 630 Patienten brauchen 2600 Spender im Monat. Es gab nicht einen Kritiker des Programms. Auch heute kommt Kritik fast nur von außen. Vorurteilsbeladen nennt man auf Zypern ausländische Kritiker, und sehr katholisch. Die zypriotischen Medien brachten von jeher affirmative Aufklärungskampagnen. In den Schulen wurde Genetik zum Pflichtfach, am Beispiel Thalassämie. Und es waren die sich allmählich zu einer Lobby vereinigenden Eltern der Thalassämie-Kinder, die den Gesundheitsminister vom Massen-Screening überzeugten. Sie waren es, die mit dem populären Staatspräsidenten, Erzbischof Makarios, konferierten, bis er ihren Vorschlag akzeptierte. Zwar war und ist die Kirche strikt gegen Abtreibung, aber sie nimmt sie in Kauf. Zyperns orthodoxe Kirche gilt als liberal, flexibel, volksnah. Stelos Minas, ein hemdsärmeliger Versicherungsbroker, ist selbst Träger. Seine Frau auch. Ihre erste Tochter Elena hat von beiden Eltern das defekte Gen geerbt. Was haben sie gelitten! "Ja", sagt Stelos, "hätte es damals schon Pränataldiagnostik gegeben und einen negativen Befund, hätte ich sie abtreiben lassen." Elena ist heute 25, hat in London studiert und lebt glücklich in Genf, wo sie in Zyperns Botschaft arbeitet. Jede Schwangerschaft von Trägern ist ein Vabanquespiel, eins zu zwei zu eins, und in Zypern hat man gerne Sicherheit. Also wurde Stelos Frau ein zweites Mal nur schwanger, weil es die Pränataldiagnostik gab. Und die zweite Tochter wurde nur geboren, weil der Laborbefund negativ war. Diese Art der Familienplanung ist gang und gäbe in Zypern. "Wenn schwere Erbkrankheiten für Familie und Gesellschaft ein Problem sind, warum nicht testen und abbrechen?", fragt Stelos. Er vertritt jenen Pragmatismus, den Michael Angastiniotis als kulturelles Grundgesetz der Zyprioten erkannt hat. Nie bedurfte es auf der Insel eines Heirats- oder Zeugungsverbotes. Ihre Landsleute, sagt Zyperns einzige klinische Genetikerin Violetta Christophidou-Anastasiadou, hätten den Hang zum "perfekten Kind". Das Kind steht im Mittelpunkt einer paternalistischen Gesellschaft. "Das Schlimmste, was einer zypriotischen Familie passieren kann, ist ein krankes Kind", sagt Violetta. Früher habe es ohne Nachdenken den "Rat" gegeben, nach einem positiven Test die Schwangerschaft zu beenden. Seit kurzem aber rückt die Art und Weise der "aufklärenden genetischen Beratung" mehr und mehr in den Mittelpunkt einer noch zaghaften Medizinethik: Unabhängige Beratung, die ethisch fundierte Aufklärung über Krankheitsbild, Konsequenzen, vor allem Alternativen und Therapieformen, ist eine hohe Kunst, der in Zukunft entscheidende Bedeutung zukommen könnte. Auf Zypern gibt es derzeit nur eine professionelle, in den USA ausgebildete "genetische Beraterin". Natürlich hat das Land kein Gesetz, das die Bürger zum Screening zwingt. Alle reden von der Freiwilligkeit. Wer durch Screening wisse, dass er seinem Kind die Thalassämie vererben wird, der soll bitte keines bekommen. Und wenn doch? Da lauert die Grundsatzfrage: Wie vielen Kin- Pränatale Diagnostik (II) – Arbeitsblatt 71 dern kann man eine "hundertprozentige" Behandlung gewähren, und wo zieht man die Linie? Michael Angastiniotis hat keine Antwort: "Es ist interessant. Ich weiß es wirklich nicht." Ist also alles doch Eugenik, eine humane, abgestimmte? "In gewissem Sinne ja." Und wird das Präventionsprogramm in Zukunft auf andere Erbkrankheiten ausgeweitet? Für die Muskeldystrophie vom Typ Duchenne wird seit 1992 ein Massen-Screening vorgenommen, für die "Sandhoffs"-Krankheit der aus dem Libanon eingewanderten Maroniten-Minderheit im Norden ebenso, samt Biopsie und Abtreibung. Für Trisomie wünschen sich die meisten Frauen Pränataldiagnostik. Und dann: Brustkrebs? Zystische Fibrose? All das, was Marios Liassides voraussagt? Nein, sagt Michael Angastiniotis. Ausweitungen seien nicht geplant. Die Thalassämie bleibe die Ausnahme. Andere Erbkrankheiten erfüllten die Kriterien nicht: die hohe Verbreitung, die absolute Tödlichkeit. Seit kurzem lässt sich die Abtreibung vermeiden, durch Zeugung im Reagenzglas mit anschließendem Gentest. Präimplantationsdiagnostik oder kurz PID heißt das Verfahren, um das in Deutschland noch heftig gestritten wird. Sieben Kinder sind nach vorheriger PID in Zypern bereits geboren. Die Bevölkerung sehe das sehr positiv, sagt Angastiniotis. Er selbst wartet sehnsüchtig auf die Gen-Therapie. Dann wäre das Föten-Töten endlich überflüssig. Jetzt, langsam kommen erste Bedenken aus zypriotischen Wissenschaftskreisen: Muss man das ganze Programm nicht neu bedenken? Muss die genetische Aufklärung künftig nicht sehr viel feinfühliger und weniger suggestiv erfolgen? Können nicht doch mehr Thalassämie-Kinder gut leben als bisher gedacht? Pater Linos Petrides schwankt zwischen Zustimmung und Empörung. Screening? Ja, unbedingt, die Eltern sollten Bescheid wissen. Da spricht er für Zyperns Kirche. Pränataldiagnostik? Pater Linos ist nicht sicher, ja und nein, es gebe keine offizielle Stellungnahme der Kirche dagegen. Abtreibung? Lieber Gott, das sei dann aber der Dammbruch! Ist aber nicht jeder wissenschaftliche Fortschritt zuerst ein "Dammbruch"? "Töten ist niemals Fortschritt." Sollte nicht jede Epoche die technischen Möglichkeiten nutzen, um Leid und Schmerz zu mindern? "Das Leid führt uns zu Gott, und wir müssen es annehmen. Leben heißt Leid." Das sagt auch der Erzbischof. Und sein Wort gilt von jeher. Mitten im staubigen Land, nördlich von Larnaka, liegt das Dorf Avdellero. Dort trifft man sich im Zentrum und redet, als gäbe es kein einundzwanzigstes Jahrhundert. Hier lebt die Familie Stavrides. Die Eltern sind beide Träger. Sie sind sehr religiös, haben sieben Kinder. Die ersten sechs sind alle gesund, Frau Stavrides lehnt Pränataldiagnostik ab. Dem Rat der Ärzte ist sie nie gefolgt. Gott würde es richten. Vor kurzem kam Georgios zur Welt. Er hat die Thalassämie. Gott hat es so gewollt.“ (aus ZEIT ONLINE 2009) 72 Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik – Lehrerinformation Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik Stunde 0 Thema Arbeitsauftrag: Sammeln von Überschriften, Artikeln etc. zum Thema „Gentechnik“ 1 Einstieg in das neue Thema z. B. Collage zum Thema „Gentechnik“ Thematisierung: Bewertung von Gentechnik in den Artikeln? Wie komme ich zu einem fundierten Urteil über naturwissenschaftliche Forschung und Methoden? 2 Einführung in die Methoden der Gentechnik I: gentechnische Veränderung von Bakterienzellen 3 Einführung in die Methoden der Gentechnik II: gentechnische Veränderung von Bakterienzellen konkrete Anwendungen der Gentechnik in den Bereichen Medizin, Agrotechnologie und Lebensmitteltechnologie und deren Bewertung I 4 5 6 7* 8* konkrete Anwendungen der Gentechnik in den Bereichen Medizin, Agrotechnologie und Lebensmitteltechnologie und deren Bewertung II Abschließende Zusammenfassung der Themeneinheit fakultative Einheit: Reproduktionsbiologie: (künstliche Befruchtung, Präimplantationsdiagnostik) Falls ein Computerraum zur Verfügung steht, kann auch das online-Spiel gen.ethix (http://www.bioethikdiskurs.de/genethix_d/genethix.html) gespielt werden. fakultative Einheit: Einblick in die Stammzellenforschung Falls die Einheit zum Thema Meiosefehler „Thalassämie“ noch nicht bearbeitet wurde, so kann sie an dieser Stelle behandelt werden; sonst empfiehlt sich zumindest eine Wiederholung. * Stunden 7 und 8 ohne ausgearbeitete Materialien Materialien/Methode Hausaufgabe (1 Woche vor Beginn der eigentlichen Sequenz) evtl. Collage (evtl. als Folie) Unterichtsgespräch Gentech_EthGrundl_LI Gentech_EthGrundl_MA1: „Werkzeugkoffer“ Gentech_EthGrundl_AB: Arbeitsblätter mit einfachem Beispiel (Hühnerhaltung) Gentech_Gentech_LI Gentech_Gentech_AB1: Ausschneidebeispiel Gentech_Gentech_AB2: Übertragungsbeispiel Gentech_Gentech_AB3: Filmleiste Gentech_EthBew_MA1: allgemeines Basiswissen Gentech_EthBew_MA2: 8 Fallbeispiele zur Bearbeitung in Gruppenarbeit (PlacematMethode) Gentech_EthBew_12: Arbeitsauftrag Placemat Vorstellung der Ergebnisse (foliengestützter Kurzvortrag) Gentech_EthBew_13: Rollenspiel Vorschläge: Bearbeitung des Films „Gattaca“ (fächerübergreifend mit Religion, Ethik); aktuelles Beispiel: Baby ohne Brustkrebsgen Ansätze einer ethischen Bewertung mithilfe des „Werkzeugkoffers“ (s. Std. 1) Ansätze einer ethischen Bewertung mithilfe des „Werkzeugkoffers“ (s. Std. 1) Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik – Lehrerinformation 73 Aufbau der Sequenz Im vorliegenden Entwurf (s. Tabelle) werden zunächst die Grundlagen der Gentechnik vermittelt. Den Schülerinnen und Schülern soll auch die konträre öffentliche Diskussion über dieses Thema bewusst werden. Sie lernen Methoden der Bewertung kennen und üben deren Anwendung. Im Kernstück soll die Gentechnik anhand von Fallbeispielen beurteilt werden. Dies geschieht nach der Placemat-Technik. Anschließend stellen Schülergruppen ihre Ergebnisse vor. Als abschließende Kontrolle und Zusammenfassung des Gelernten dient eine fiktive Podiumsdiskussion zum Thema. Lehrplanbezug Im Jahrgangsstufenprofil der Jahrgangsstufe 9 werden u. a. folgende pädagogische Akzente genannt, die besonders auch im Themenbereich „Angewandte Biologie“ gesetzt werden können: „zur Reflexion über eigene und fremde Wertvorstellungen anleiten, dabei die Herausbildung eines realistischen Selbst- und Lebenskonzeptes unterstützen und das Selbstwertgefühl des Einzelnen stärken zur Übernahme von Verantwortung für das eigene Handeln ermutigen; Möglichkeiten der Wahrnehmung von Verantwortung in der Gesellschaft aufzeigen Medienkompetenz vertiefen und Präsentationskompetenz fördern: Informationen sammeln, ordnen, werten und präsentieren“ Ähnliches findet sich im Fachprofil Biologie: „Der Biologieunterricht vermittelt anschlussfähiges Orientierungswissen, Urteilsvermögen, das den Schülern die Teilnahme an der öffentlichen Diskussion und an wichtigen Entscheidungsprozessen mit biologischen Inhalten ermöglicht.“ Gerade die Entwicklung eigener Wertvorstellungen ist zunehmend schwierig geworden; mit dem „Werkzeugkoffer“ der vorliegenden Sequenz erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in Möglichkeiten ethischer Wertung. Hinweise zu den einzelnen Stunden Stunde 0: Ca. eine Woche vor Beginn der Sequenz werden die Schülerinnen und Schüler dazu aufgefordert, Zeitungsausschnitte o. ä. zum Thema „Gentechnik“ zu sammeln. Stunde 1: Die mitgebrachten Unterlagen werden gesichtet und evtl. auf einem Plakat befestigt (alternativ: von der Lehrkaft vorbereitete Folie; vorzuziehen ist aber die Eigentätigkeit der Schülerinnen und Schüler). In einem Lehrer-Schüler-Gespräch werden erste Erkenntnisse gesammelt; der Zusammenhang zwischen naturwissenschaftlicher Forschung und ethischen Fragestellungen wird thematisiert. Lohnend ist hier auch der Hinweis auf die Formulierungen: Bereits hier findet Wertung statt („gentechnikfrei“ als Gütesiegel, „gentechnisch verbessert“ als Qualitätsmerkmal, ...). Gemeinsam wird untersucht, wie man zu einem fundierten Urteil kommt. Dazu stellt die Lehrkraft (Gentech_EthGrundl_LI; Gentech_EthGrundl_MA1 „Werkzeugkoffer“) die vier Schritte „sehen“, „urteilen“, „handeln“ und „zurückschauen“ vor; denkbar ist, dass dies im Team-Teaching auch von einer Religions- bzw. Ethiklehrkraft übernommen wird. Die Schülerinnen und Schüler können dann die vier Schritte an einem fiktiven Zeitungsartikel zum Thema „Hühnerhaltung“ (Gentech_EthGrundl_AB) selbst nachvollziehen. Ziel ist es, dass die Klasse das dazugehörige Arbeitsblatt zur Vertiefung ausfüllt (einzeln oder in Partnerarbeit). Die Ergebnisse werden verglichen; Schwerpunkt sollte die Güterabwägung mit abschließendem ethischem Urteil sein. 74 Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik – Lehrerinformation Stunde 2: In einem Hefteintrag werden grundlegende Informationen zum Thema „Gentechnik“ festgehalten (Begriff, Einteilung rote, grüne, weiße Gentechnik). Im Anschluss wird das Prinzip der Gentechnik als Informationsübertragung von den Schülerinnen und Schülern selbst erfahren. Dazu legt die Lehrkraft eine Folie mit der Bastelanleitung für ein Papierschiff auf (Gentech_Gentech_AB1). 1. Die Schülerinnen und Schüler bauen Papierschiffe nach Anleitung 1. 2. Eine Schülerin / ein Schüler schneidet die Folie mit den beiden Anleitungen auseinander und legt sie neu zusammen. 3. Die Schüler beginnen nochmals mit dem Schiff, brechen dann ab und basteln nach der neu entstandenen Anleitung ein Papierflugzeug. So wird das Einbringen neuer Information und damit die Entstehung eines völlig neuen Produkts veranschaulicht. Das Prinzip wird auf die zelluläre Ebene transferiert, indem den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht wird, dass Gentechnik analog zum Modell Informationen in ein neues System überträgt. Alternative: Die Texte werden als Audiodateien aufgenommen. Wenn diese abgespielt werden, so ist darauf zunächst eine Faltanleitung für ein Papierschiff zu hören. Die Schülerinnen und Schüler befolgen diese Anweisung und erhalten das Schiff. Jetzt wird die zweite Audiodatei in die erste eingefügt. Dies führt dazu, dass die Anleitung an einer beliebigen Stelle unterbrochen wird und eine neue Information, nämlich das Falten eines Papierflugzeuges, ausgeführt wird. Stunde 3: Das in der Vorstunde erworbene Wissen wird auf das Thema Gentechnik bei Bakterien übertragen. Das theoretische Wissen wird zunächst anhand des Schulbuches erarbeitet. Zur Vertiefung transferieren die Schülerinnen und Schüler die Werkzeuge und Schritte aus der Vorstunde (Gentech_Gentech_AB2) auf die molekulare Ebene und lernen so in vereinfachter Form die Schritte der Rekombination von DNA sowie die Expression der neuen Information (die Transformation wird nur am Rande erwähnt). Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler das Arbeitsblatt „Filmleiste“ (Gentech_Gentech_AB3) ausfüllen, in dem die einzelnen Schritte wiederholt werden. Stunde 4: In Gruppen erarbeiten die Schülerinnen und Schüler jeweils ein Beispiel für eine konkrete gentechnische Anwendung. Die Klasse wird dabei in Gruppen von jeweils vier Schülern aufgeteilt. Jede Gruppe erhält eine Placemat (engl. für Platzdeckchen) mit vier Außenfeldern und einer Folie in der Mitte zur Fixierung der Ergebnisse. Jede Gruppe bekommt ein gentechnisches Verfahren zugewiesen; Ziel ist es, dieses mithilfe des „Werkzeugkoffers“ zu beurteilen. Folgende Schritte sind im klassischen Vorgehen aus der Demokratiepädagogik und dem Kooperativen Lernen vorgesehen: Think (Nachdenken und Schreiben): Jeder notiert in seinem Segment eigene Gedanken zu der Hauptfrage (Dauer etwa fünf Minuten). Pair (Stummes Vergleichen): Jeder liest die Notizen der anderen und stellt nur Rückfragen bei Verständnisproblemen oder Leseschwierigkeiten (Dauer etwa fünf Minuten). Share (Teilen und Konsens finden): Die Gruppe entscheidet gemeinsam, welche der genannten Gedanken in die Mitte des Blattes geschrieben werden. Hilfreich ist eine Begrenzung: etwa „Einigt euch auf drei Hauptpunkte.“ Diese können dann auch noch priorisiert werden. (Dauer etwa zehn Minuten) (Zusammengefasst nach: http://de.wikipedia.org/wiki/Placemat_Activity) Folgende Beispiele der Anwendung von Gentechnik stehen zur Diskussion: Aga-Kröte Blaue Rose golden rice Insulin Lab-Ferment Riesenlachs Gene Pharming Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik – Lehrerinformation 75 Roundup bt-Mais Stunde 5: Mithilfe der Placemat-Folie präsentieren die einzelnen Gruppen ihre Ergebnisse. Stunde 6: In einem Rollenspiel werden abschließend die erlernten Fähigkeiten und das erworbene Wissen angewendet. Am Beispiel der grünen Gentechnik soll noch einmal die Vielschichtigkeit der Problematik vertieft werden. Durch das Rollenspiel sollen die Schülerinnen und Schüler nochmals die Argumente sammeln und gegeneinander abwägen. Dabei werden auch Gesprächsregeln und damit die Kommunikationskompetenz geübt. Ablauf: Die Spielerinnen und Spieler erhalten ihre jeweilige Karte mit ihrer Identität, die Moderatorin / der Moderator zusätzlich die Liste mit den einzelnen Mitspieler. Anschließend darf sich jeder ca. 5 Minuten vorbereiten, das Publikum kann sich ebenfalls Fragen überlegen. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich im Halbkreis vor die Tafel (noch besser: Podium/Bühne), in der Hand halten sie jeweils ihr Namensschild; nach einer kurzen Ansage durch die Lehrkraft übernimmt die Moderatorin / der Moderstor die Leitung (Tipp: Name der Sendung an die Tafel / auf Poster: „Wally will’s wissen“). Nach 5 bis 10 Minuten Diskussion erhält das Publikum noch die Möglichkeit zur Nachfrage. Eventuell können auch noch weitere Figuren erfunden oder Figuren gestrichen werden. Zur Überprüfung des Lernfortschritts können die „Zuschauer“ das Arbeitsblatt mit Bewertungsbogen zur Podiumsdiskussion ausfüllen. Benötigtes Material [Folie „Collage“ oder eigene Zeitungsausschnitte auf Plakat] Lehrerunterlagen „Werkzeugkoffer ethische Bewertung“ (Gentech_EthGrundl_MA1) Schülerarbeitsblätter mit fiktivem Zeitungsartikel und Aufgaben (Gentech_EthGrundl_AB) Bastelanleitung auf Folie (Gentech_Gentech_AB1) Bastelanleitung als Ausschneidetext für jede Schülerin / jeden Schülern (Gentech_Gentech_AB1) Arbeitsblatt: Übertragung des Falt-Modells auf molekulare Ebene (Gentech_Gentech_AB2) Arbeitsblatt mit Filmleiste „Gentechnik bei Bakterien“ (Gentech_Gentech_AB3) Fallbeispiele (laminiert) (Gentech_EthBew_MA2) 1-2 pro Gruppe (immer zwei lesen zusammen) für je vier Schülerinnen und Schüler eine Placemat-Vorlage (DIN A3) mit einer DIN-A4 Folie in der Mitte (Anleitung unter GA_Methoden) Folie Arbeitsauftrag (Gentech_EthBew_12) Rollenspielkärtchen als farbiger Ausdruck; Namensschilder für Podiumsdiskussion (Gentech_EthBew_13) Arbeitsblätter zur Beurteilung der Podiumsdiskussion (Gentech_EthBew_13) ein Folienstift pro Arbeitsgruppe pro Schülerin/Schüler zwei Blatt DIN-A4-Papier evtl. Computer, Audioprogramm, z. B. Audacity (freeware: www.audacity.sourceforge.net), die beiden Audiodateien Schiff und Flugzeug Die Schülerinnen und Schüler benötigen während der Sequenz eine Bastelschere und Kleber. Weitere Anregungen: Fallbeispiele zur ethischen Diskussion von medizinischen und Biotechnologiefällen: http://www.bioethik-diskurs.de/genethix_d/genethix.html ethische Bewertungsgrundlagen – Lehrerinformation 76 ethische Bewertungsgrundlagen Bezug zum Lehrplan 9.5 Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik (ethische Aspekte) Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) Fachwissen (F) Erkenntnisgewinnung (E) Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Kommunikation (K) 1 Bewertung (B) 1 B 9.3: Grundlagen der Genetik. Die Schülerinnen und Schüler können frei argumentieren und sich in verschiedene Positionen versetzen. Vorlage Lehrerinformation zum Werkzeugkoffer, Fallbeispiel als Arbeitsblatt mit Anleitung 1-2 Unterrichtsstunden Die Schülerinnen und Schüler lernen ein Bewertungssystem für ethische Fragestellungen kennen und wenden es auf ein Beispiel an. Die Schülerinnen und Schüler… K 1 kommunizieren und argumentieren in verschiedenen Sozialformen, B 1 unterscheiden zwischen beschreibenden (naturwissenschaftlichen) und normativen (ethischen) Aussagen. Gentech_EthGrundl_MA1: Werkzeugkoffer Ethik (mit Vorlage für ein Tafelbild) Gentech_EthGrundl_AB: Beispiel mit Schülerarbeitsblatt Die Lehrerinformation kann auch als Vorlage für ein Tafelbild genutzt werden. Das Fallbeispiel beschäftigt sich mit dem Thema „Hühnerhaltung“, das den Schülerinnen und Schülern aus der Jgst. 6 bekannt sein kann. Anhand eines fiktiven Zeitungsartikels sollen sie die Verfahrensschritte zuordnen und ihren eigenen Standpunkt finden. Es bietet sich hier die Zusammenarbeit mit den Religions-/Ethiklehrkräften an. Die Thematik wird dort in Jgst. 10 (K 10.1 Gewissen konkret, Ev 10.5 Tun und Lassen, Eth 10.4 Medizinethik) und in Biologie nochmals eingehender in der Oberstufe (B 11.2 Genetik und Gentechnik) behandelt. ethische Bewertungsgrundlagen – Lehrerinformation 77 Werkzeugkoffer Wie komme ich zu einem begründeten ethischen Urteil? In Konfliktsituationen ist es sinnvoll, das Problem in vier Schritten zu bearbeiten: Sehen Urteilen Handeln Zurückblicken = Reflektieren Für jeden dieser Schritte benötige ich unterschiedliche Werkzeuge; es liegt in meiner Verantwortung, mir adäquate Hilfen zu suchen. 1. Werkzeuge zum „Sehen“: Sachwissen aneignen Informationen sammeln und sortieren Autoritäten, Fachleute hören mögliche Probleme, Fragestellungen klar formulieren und analysieren mögliche Folgen voraussehend zusammenstellen 2. Werkzeuge zum „Urteilen“ mögliche Probleme, Fragestellungen, Folgen unter verschiedenen Gesichtspunkten beurteilen -> Exkurs: Modelle ethischen Handelns (in extremer Kürze): 1. 2. 3. Gesetzesmoral: Eine Handlung ist gut, wenn sie dem Gesetz entspricht, eine Handlung ist schlecht, wenn sie dem Gesetz widerspricht. Situationsethik: Entschieden wird nur aus der einzelnen Situation heraus; es gibt keine höheren Normen oder Werte. Verantwortungsethik: Gewissensentscheid durch Güterabwägung; Hilfen: Sachwissen, Hierarchie der Werte ethische Entscheidung: Verschiedene Güter, Grundsätze, Werte müssen gegeneinander abgewogen werden (Problem: unterschiedliche Werthierarchien, große Eigenverantwortung). teleologischer Ansatz: Eine Handlungsweise wird von den Zielen her beurteilt (Problem: Einstellung „gut ist, was nützt“). deontologischer Ansatz: Eine Handlungsweise wird aus sich selbst beurteilt; die Folgen und Konsequenzen spielen dabei keine Rolle (Problem: Eine unmoralische Handlung bleibt auch verboten, wenn dadurch moralisch Gutes erreicht wird (z. B. wenn durch Lügen Menschenleben gerettet werden).). sinnvolle Kombination: Güterabwägung mit Einbeziehung des Ziels 3. Werkzeuge zum „Handeln“ Arbeitsweise der jeweiligen Fachrichtung, Wissenschaft 4. Werkzeuge zum „Zurückblicken“ Betrachtung der tatsächlichen Ergebnisse und Folgen Möglichkeit, frühere Einstellungen/Ansichten zu revidieren Problem: irreversible Entscheidungen ethische Bewertungsgrundlagen – Lehrerinformation 78 Wie komme ich zu einem begründeten ethischen Urteil? Anwendung auf das Thema “Gentechnik” 1. Sehen Sachwissen aneignen und Fragen stellen: *Welche gentechnischen Möglichkeiten gibt es? *Wie funktionieren diese Verfahrensweisen genau? *Welches Ziel verfolgen gentechnische Verfahren? Folgen voraussehen: *Welche Auswirkungen hat die Methode? *Wer profitiert von gentechnischen Verfahren? *Kann eine Entwicklung rückgängig gemacht werden? 2. Urteilen genaue Untersuchung möglicher Zusammenhänge: a) juristische Aspekte: *Ist es rechtlich erlaubt, das Verfahren anzuwenden? Neue Gesetze nötig? b) wirtschaftliche Aspekte: *Wer profitiert von dem Verfahren? Wirtschaftliche Folgen? c) ökologische Aspekte: *Wie wird in ökologische Systeme eingegriffen? Folgen? d) gesellschaftliche Aspekte: *Inwiefern kann die Methode auch bestehende gesellschaftliche Verhältnisse verändern? e) politische Aspekte: *Welche Auswirkungen haben Regelungen für den Forschungsstandort Deutschland? f) ... Güterabwägung (Beispiel): Schutz des Lebens Bewahrung ökologischer Gleichgewichte Angst vor Kontrollverlust Sicherung der Welternährung Fortschritt durch Forschung Verminderung des Pestizideinsatzes ethisches Urteil: Das Verfahren ist ethisch vertretbar, weil ... ODER: Das Verfahren ist ethisch nicht vertretbar, weil … 3. Handeln Verfahren kommt zum Einsatz / wird verboten. 4. Zurückblicken mithilfe von 2. ethische Bewertungsgrundlagen – Arbeitsblatt Kleinvoliere löst Legebatterie ab Ein Resümee nach einem Jahr Grewenburg / Berlin – Knapp ein Jahr, nachdem Kleinvolieren-Haltung die jetzt verbotene Legebatterie-Haltung abgelöst hat, zieht Reporter Schlemmer im Interview mit Dr. B. Roiler, der für die Bundesregierung in dem Ethikausschuss der EU saß, für das „Grewenburger Tagblatt“ Bilanz. C. S: Herr Dr. Roiler, seit dem 1.1.2009 ist durch einen Beschluss der EU die Haltung von Legehühnern in sog. Legebatterien in Deutschland verboten; nur in Ausnahmefälllen werden noch Genehmigungen bis 31.12.09 erteilt. Heute, knapp ein Jahr danach, interessiert unsere Leser, wie sich dieses hart umkämpfte Verbot durchsetzen konnte. B. R.: Zunächst einmal muss ich betonen, dass ich sehr froh über diese Änderung bin. Sie kostete ja viele Jahre Überzeugungsarbeit und wäre am Ende fast noch wegen des Verbandes HELB (Anm. d. Red.: Hühnerhaltende EierLege-Betriebe) gekippt worden, da dieser massive Gewinneinbußen befürchtete und mit massivem Stellenabbau in diesem Sektor gedroht hat. C. S: Den Anstoß zur Diskussion und damit den Beginn des Verbotes schreiben sich ja gleich mehrere Tierschutzvereine auf ihre Fahnen; welcher Verein kann denn jetzt zu Recht von sich behaupten, dass er dieses Ziel erreicht hat? B. R.: Zunächst waren die Aussagen der Biologen für den Beginn des Verfahrens wichtig. Auf Initiative eines EU-Parlamentariers, dem aufgefallen war, dass Hühner in der Batteriehaltung auf einer Fläche kleiner als ein DINA4-Blatt vegetieren, wurde die politische Diskussion eröffnet. Es wurde dann ein Ausschuss gebildet, der verschiedene Experten zu diesem Thema hörte. So erläuterten Wildbiologen die Lebensweise des Bankiva-Huhns (Anm. d. Red: die Ursprungsrasse des Haushuhns), Tiermediziner berichteten über die Untersuchungsergebnisse von Totfunden in Käfighaltungsbetrieben – und wiesen andererseits darauf hin, dass Legebatteriehaltung das Infektionsrisiko für die Tiere durch die saubere Kotentfernung über Fließband minimiert. Lebensmittelhygiene- 79 Experten gaben Auskunft über die Salmonellenbelastungen bei den verschiedenen Haltungsarten. Schließlich wurden auch Betreiber von Käfigbatterien, Bodenhaltung und Freilandhaltung befragt. All dies führte zu einer von der EU in Auftrag gegebenen Studie, in welcher Verhaltensbiologen nochmals das Verhalten der Käfighühner mit den Verhalten von Freilandhühnern verglichen und so belegen konnten, dass die Legebatteriehaltung nicht artgerecht ist. Und danach begann dann unsere eigentliche Arbeit als Ethikausschuss – wir mussten aus den vielfältigen Informationen zu einem fundierten Urteil kommen. Unser Entschluss bestand dann letztendlich aus der Empfehlung an die EU-Kommission, die Legebatteriehaltung möglichst zeitnah zu verbieten. C. S: Die Kleingruppenhaltung steht nun ja ebenfalls in der Kritik. B. R.: Natürlich ist die Kleingruppenhaltung eine Kompromisslösung, welche die Bedürfnisse der Produzenten berücksichtigt. Da die Verbraucher kaum bereit sind, wesentlich höhere Preise für Eier zu zahlen, müssen diese natürlich nach wie vor im industriellen Maßstab erzeugt werden. Ebenso wollte der Verband HELB die Investitionskosten für seine Mitglieder möglichst gering halten, damit sie nicht an der Umstellung pleite gehen. Dies erklärt die weichen Übergangsfristen und die immer noch wenig optimalen Zustände für die Hühner in den Käfigen. C. S: Welches Resümee ziehen Sie für das erste Jahr des Verbots? B. R.: Die anfänglichen Widerstände gegen das Verbot wurden weitgehend überwunden; insgesamt ist uns somit ein Kompromiss gelungen, der die Verbraucherpreise und die Produzenten schützt, leider aber den Hühnern immer noch nicht die Lebensbedingungen bietet, welche für eine komplett artgerechte Haltung nötig sind. Der kritische Verbraucher muss sich also nach wie vor die Frage stellen, welche Produktionsform er mit seinem Eierkauf unterstützen will. C. S: Herr Dr. Roiler, vielen Dank für das Interview.5 5 Beim vorliegenden Text handelt es sich um ein fiktives Beispiel mit realem Hintergrund. ethische Bewertungsgrundlagen – Arbeitsblatt 80 Ethische Bewertungsgrundlagen 1 Beschreibe kurz das ethische Problem, das in diesem Artikel behandelt wird. 2 Markiere in dem Zeitungsartikel die unterschiedlichen Phasen der Urteilsfindung mit unterschiedlichen Farben (sehen = rot, urteilen = grün, handeln = blau, zurücksehen = gelb). 3 Beschrifte die unten stehende Waage, indem du die Pro- und die Contra-Argumente auf die beiden Waagschalen „verteilst“. 4 Gewichte die jeweiligen Standpunkte nach deinen Maßstäben und formuliere deine Lösung des Problems. Meine Entscheidung nach sorgfältiger Güterabwägung: ethische Bewertungsgrundlagen – Arbeitsblatt (Lösung) Kleinvoliere löst Legebatterie ab Ein Resümee nach einem Jahr Grewenburg / Berlin – Knapp ein Jahr, nachdem Kleinvolieren-Haltung die jetzt verbotene Legebatterie-Haltung abgelöst hat, zieht Reporter Schlemmer im Interview mit Dr. B. Roiler, der für die Bundesregierung in dem Ethikausschuss der EU saß, für das „Grewenburger Tagblatt“ Bilanz. C. S: Herr Dr. Roiler, seit dem 1.1.2009 ist durch einen Beschluss der EU die Haltung von Legehühnern in sog. Legebatterien in Deutschland verboten; nur in Ausnahmefälllen werden noch Genehmigungen bis 31.12.09 erteilt. Heute, knapp ein Jahr danach, interessiert unsere Leser, wie sich dieses hart umkämpfte Verbot durchsetzen konnte. B. R.: Zunächst einmal muss ich betonen, dass ich sehr froh über diese Änderung bin. Sie kostete ja viele Jahre Überzeugungsarbeit und wäre am Ende fast noch wegen des Verbandes HELB (Anm. d. Red.: Hühnerhaltende EierLege-Betriebe) gekippt worden, da dieser massive Gewinneinbußen befürchtete und mit massivem Stellenabbau in diesem Sektor gedroht hat. C. S: Den Anstoß zur Diskussion und damit den Beginn des Verbotes schreiben sich ja gleich mehrere Tierschutzvereine auf ihre Fahnen; welcher Verein kann denn jetzt zu Recht von sich behaupten, dass er dieses Ziel erreicht hat? B. R.: Zunächst waren die Aussagen der Biologen für den Beginn des Verfahrens wichtig. Auf Initiative eines EU-Parlamentariers, dem aufgefallen war, dass Hühner in der Batteriehaltung auf einer Fläche kleiner als ein DINA4-Blatt vegetieren, wurde die politische Diskussion eröffnet. Es wurde dann ein Ausschuss gebildet, der verschiedene Experten zu diesem Thema hörte. So erläuterten Wildbiologen die Lebensweise des Bankiva-Huhns (Anm. d. Red: die Ursprungsrasse des Haushuhns), Tiermediziner berichteten über die Untersuchungsergebnisse von Totfunden in Käfighaltungsbetrieben – und wiesen andererseits darauf hin, dass Legebatteriehaltung das Infektionsrisiko für die Tiere durch die saubere Kotentfernung über Fließband minimiert. Lebensmittelhygiene- 81 Experten gaben Auskunft über die Salmonellenbelastungen bei den verschiedenen Haltungsarten. Schließlich wurden auch Betreiber von Käfigbatterien, Bodenhaltung und Freilandhaltung befragt. All dies führte zu einer von der EU in Auftrag gegebenen Studie, in welcher Verhaltensbiologen nochmals das Verhalten der Käfighühner mit den Verhalten von Freilandhühnern verglichen und so belegen konnten, dass die Legebatteriehaltung nicht artgerecht ist. Und danach begann dann unsere eigentliche Arbeit als Ethikausschuss – wir mussten aus den vielfältigen Informationen zu einem fundierten Urteil kommen. Unser Entschluss bestand dann letztendlich aus der Empfehlung an die EU-Kommission, die Legebatteriehaltung möglichst zeitnah zu verbieten. C. S: Die Kleingruppenhaltung steht nun ja ebenfalls in der Kritik. B. R.: Natürlich ist die Kleingruppenhaltung eine Kompromisslösung, welche die Bedürfnisse der Produzenten berücksichtigt. Da die Verbraucher kaum bereit sind, wesentlich höhere Preise für Eier zu zahlen, müssen diese natürlich nach wie vor im industriellen Maßstab erzeugt werden. Ebenso wollte der Verband HELB die Investitionskosten für seine Mitglieder möglichst gering halten, damit sie nicht an der Umstellung pleite gehen. Dies erklärt die weichen Übergangsfristen und die immer noch wenig optimalen Zustände für die Hühner in den Käfigen. C. S: Welches Resümee ziehen Sie für das erste Jahr des Verbots? B. R.: Die anfänglichen Widerstände gegen das Verbot wurden weitgehend überwunden; insgesamt ist uns somit ein Kompromiss gelungen, der die Verbraucherpreise und die Produzenten schützt, leider aber den Hühnern immer noch nicht die Lebensbedingungen bietet, welche für eine komplett artgerechte Haltung nötig sind. Der kritische Verbraucher muss sich also nach wie vor die Frage stellen, welche Produktionsform er mit seinem Eierkauf unterstützen will. C. S: Herr Dr. Roiler, vielen Dank für das Interview.6 6 Beim vorliegenden Text handelt es sich um ein fiktives Beispiel mit realem Hintergrund. ethische Bewertungsgrundlagen – Arbeitsblatt (Lösung) 82 Ethische Bewertungsgrundlagen 1 Beschreibe kurz das ethische Problem, das in diesem Artikel behandelt wird. Hühner werden in zu kleinen Käfigen in sog. Legebatterien gehalten, um möglichst billige Eier auf möglichst effektive Weise für den Verbraucher produzieren zu können. Dabei werden aber die Bedürfnisse der Tiere vollständig ignoriert. 2 Markiere in dem Zeitungsartikel die unterschiedlichen Phasen der Urteilsfindung mit unterschiedlichen Farben (sehen = rot, urteilen = grün, handeln = blau, zurücksehen = gelb). s. o. 3 Beschrifte die unten stehende Waage, indem du die Pro- und die Contra-Argumente auf die beiden Waagschalen „verteilst“. 4 Gewichte die jeweiligen Standpunkte nach deinen Maßstäben und formuliere deine Lösung des Problems. Pro: - hygienischer - billiger Contra: - nicht artgerecht Meine Entscheidung nach sorgfältiger Güterabwägung: Die Hühnerhaltung in Legebatterien ist nicht artgerecht, da den Tieren sehr wenig Platz zur Verfügung steht. Deshalb ist die Hühnerhaltung in Legebatterien abzuschaffen; eine mögliche Ersatzform ist die Kleingruppenhaltung, die aber noch zu wenig die Bedürfnisse der Tiere respektiert. Methoden der Gentechnik – Lehrerinformation 83 Methoden der Gentechnik Bezug zum Lehrplan 9.5 Angewandte Biologie: Grundlagen der Gentechnik Basiskonzept: Steuerung, Struktur und Funktion, Information Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Hinweise zur Umsetzung Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) Fachwissen (F) 1.1 Erkenntnisgewinnung (E) 9, 11 Kommunikation (K) Bewertung (B) B 9.3: Grundlagen der Genetik, Umgang mit Theoriemodellen Schulbuch, Ausschneidebeispiel mit Anleitung auf Folie (Schneideanleitung auch als Klassensatz möglich), pro Schülerin und Schüler zwei Blatt Papier, Arbeitsblätter als Klassensatz, Arbeitsblatt „Übertragung auf molekulare Ebene“ als Folie, Filmleiste Gentechnik mit Musterlösung als Folie oder als Animationsdatei 2 Stunden (evtl. mit Hausaufgabe) Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die gentechnische Veränderung von Bakterienzellen mithilfe von Restriktionsenzymen und Plasmidringen als Vektoren. Die Schülerinnen und Schüler... F 1.1 verstehen die Zelle als System, E 9 wenden Modelle zur Veranschaulichung von Struktur und Funktion an, E 11 beschreiben Speicherung und Weitergabe genetischer Information auch unter Anwendung geeigneter Modelle. Gentech_Gentech_AB1 (Ausschneidebeispiel), Gentech_Gentech_AB2 (Übertragung auf molekulare Ebene), Gentech_Gentech_AB3 (Filmleiste), Gentech_Gentech_AB3.ppt Da der Stoff nochmals in der Oberstufe (B 11.2 Genetik und Gentechnik) behandelt wird, sollen hier nur die Grundlagen (z. B. ohne Transformation) am Beispiel der Bakterienzellen vermittelt werden. Stunde 1: In einem Hefteintrag werden grundlegende Informationen zum Thema „Gentechnik“ festgehalten (Begriff, Einteilung rote, grüne, weiße Gentechnik). Im Anschluss wird das Prinzip der Gentechnik als Informationsübertragung von den Schülerinnen und Schülern selbst erfahren. Dazu legt die Lehrkraft eine Folie mit der Bastelanleitung für ein Papierschiff auf. 1 Schüler bauen Papierschiff nach Anleitung 1. 2 Eine Schülerin / ein Schüler schneidet die beiden Anleitungen (auch die Folie) und legt sie neu zusammen. 3 Die Schülerinnen und Schüler beginnen nochmals mit dem Schiff; erhalten aber nach der neu entstandenen Anleitung ein Papierflugzeug. So wird das Einbringen neuer Information und damit die Entstehung eines völlig neuen Produkts veranschaulicht. Das Prinzip wird auf die zelluläre Ebene transferiert, indem den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht wird, dass Gentechnik analog dazu Informationen in ein neues System überträgt. (vgl. auch Gentech_Gesamt_LI) Stunde 2: Das in der Vorstunde erworbene Wissen wird auf die Gentechnik bei Bakterien übertragen. Das theoretische Wissen wird zunächst mit dem Schulbuch erarbeitet. Zur Vertiefung transferieren die Schülerinnen und Schüler die Werkzeuge und Schritte aus der Vorstunde auf die molekulare Ebene und lernen so in vereinfachter Form die Schritte der Rekombination von DNA sowie die Expression der neuen Information (die Transformation wird nur am Rande erwähnt). Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler das Arbeitsblatt „Filmleiste“ ausfüllen, in dem die einzelnen Schritte wiederholt werden. 84 Methoden der Gentechnik – Lehrerinformation Methoden der Gentechnik Anleitung für die Lehrkraft Der Text auf S. 2. wird auf Folie kopiert (ggf. auch als Arbeitsblatt für die Schülerinnen und Schüler). Die Folie wird auf den Tageslichtprojektor gelegt. (Jede Schülerin / jeder Schüler bekommt beide Anleitungen als Arbeitsblatt, evtl. das Blatt in der Mitte bereits geschnitten.) Jede(r) soll die Anleitung 1 durchführen. (Es entsteht ein Papierschiff.) Die Folie wird an den gestrichelten Linien geschnitten und die Anleitung auf dem Tageslichtprojektor neu zusammengeklebt. (Anschließend sollen die Schülerinnen und Schüler beide Anleitungen an den dünn gepunktelten Linien auseinanderschneiden und den größeren Teil der Anleitung 2 in die Anleitung 1 (ins Heft) kleben.) Jetzt sollen alle die neue Anleitung (2 in 1) befolgen. (Durch die „Informationsübertragung“ wurde jetzt ein neues Produkt, ein Papierflieger erstellt. Methoden der Gentechnik – Arbeitsblatt 85 Anleitung 1 Nimm ein DIN-A4-Blatt. Lege die zwei schmäleren Seiten aufeinander und falte das Blatt. Wiederhole dies mit dem einmal gefalteten Blatt und öffne es wieder. Falte jetzt die Ecken der geschlossenen Seite in die Mitte. Falte die rechteckigen Streifen nach oben, sodass sie über die eingefalteten Ecken stehen. Biege die Ecken nach unten, sodass ein Dreieck entsteht. Greife von unten in das Dreieck, ziehe es auseinander, bis ein flaches Quadrat entstanden ist. Falte jetzt auf beiden Seiten die offenen Enden des Vierecks bis zur Hälfte nach oben. Greife erneut in die entstandene Form und ziehe sie wie oben auseinander. Greife jetzt die entstandenen Dreiecke und ziehe sie auseinander. Anleitung 2 Nimm ein DIN-A4-Blatt. Lege die langen Seiten aufeinander, falte das Blatt und öffne es dann wieder. Falte jetzt die beiden Ecken auf einer schmalen Seite, bis sie sich in der Mitte treffen. Wiederhole diesen Vorgang auf der gleichen Seite nochmals. Klappe das Blatt entlang dem Mittelfalz zusammen. Falte beide Seiten nach unten, sodass jeweils ein paralleler Falz (ca. 2 cm entfernt) über dem Mittelfalz entsteht. Am Ende der entstandenen „Tragflächen“ wird dann noch ein fingerbreiter Streifen nach oben gefaltet. Lege die Bastelarbeit zur Seite. Methoden der Gentechnik – Folienvorlage 86 Methoden der Gentechnik Arbeitsauftrag: Ordne folgende Begriffe aus der Gentechnik dem „Papier-Falt-Modell“ der letzten Stunde zu: Ribosom Eiweiß gentechnisch gewonnenes Eiweiß Restriktionsenzym Zellkern genetischer Code Bindeenzym Plasmid neu kombiniertes Plasmid Spender-DNA Beispiel: Ribosom … Schülerin/Schüler Methoden der Gentechnik – Lösung 87 Methoden der Gentechnik Arbeitsauftrag: Ordne folgende Begriffe aus der Gentechnik dem „Papier-Falt-Modell“ der letzten Stunde zu: Ribosom Schülerin/Schüler Eiweiß Papierschiff gentechnisch gewonnenes Eiweiß Papierflieger Restriktionsenzym Bastelschere Zellkern Overhead genetischer Code Schrift bzw. Worte Bindeenzym Kleber Plasmid Blatt Bauanleitung Schiff neu kombiniertes Plasmid Blatt Bauanleitung Schiff mit eingeschnittener Anleitung neues Gen Bauanleitung Flieger 88 Methoden der Gentechnik – Arbeitsblatt Methoden der Gentechnik (Beispiel: Bakterien) Schneide die Bilder aus und klebe sie in die logische Reihenfolge, die die Schritte bei der Herstellung eines gentechnisch erzeugten Proteins zeigt. Beschreibe die einzelnen Schritte. _____________________ _____________________ _____________________ gewünschtes Protein _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ DNA _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ _____________________ ____________________ gewünschtes Gen Methoden der Gentechnik – Arbeitsblatt (Lösung) 89 Methoden der Gentechnik (Beispiel: Bakterien) Aus dem Spenderorganismus wird die DNA gewonnen. DNA gewünschtes Gen Ein Plasmidring und die Spender-DNA werden mit den gleichen Restriktionsenzymen geschnitten und anschließend kombiniert wieder verklebt. Das gewünschte Gen ist jetzt in dem Plasmidring. Der rekombinierte Plasmidring wird in eine Bakterienzelle eingeschleust. Die neuen Bakterienzellen werden vermehrt und produzieren das gewünschte Eiweiß. gewünschtes Protein Das Eiweiß wird von den Bakterien abgetrennt und gereinigt. ethische Bewertung der Gentechnik – Lehrerinformation 90 ethische Bewertung der Gentechnik Bezug zum Lehrplan 9.5 Angewandte Biologie: Grundlagen Gentechnik (ethische Aspekte) Regelstandards zu den Kompetenzbereichen (s. KMK-Bildungsstandards im Fach Biologie; Mittlerer Schulabschluss vom 16.12.2004) Fachwissen (F) 1.4, 3.8 Erkenntnisgewinnung (E) Voraussetzungen Benötigte Materialien Zeit Ziele des Bausteins KMKBildungsstandards Anlagen Kommunikation (K) 1, 4, 6, 7 Bewertung (B) 1, 2, 3, 5 B 9.3 Grundlagen der Genetik; 9.5 Angewandte Biologie: Gentechnische Veränderung von Bakterienzellen, ethische Bewertungskriterien; es ist vorteilhaft, wenn die Placemat-Methode bereits bekannt ist. Folie zu Argumenten pro/contra Gentechnik, Arbeitsblätter: je Placemat-Gruppe eine Placemat-Vorlage und jeweils vier Beispiele, Folien- oder Kopiervorlage zum Arbeitsauftrag, Rollenspiel Gentechnik mit Anleitung für die Spielerinnen und Spieler, die Moderatorin / den Moderator, Tischkarten, evtl. Beobachtungsbögen 2 Stunden Die Schülerinnen und Schüler bewerten Beispiele zur Gentechnik auf Basis der erworbenen Bewertungskriterien und des Fachwissens und präsentieren ihre Ergebnisse. Anschließend nehmen sie in einem Rollenspiel sowohl pro- als auch contra-Positionen ein. Die Schülerinnen und Schüler .... F 1.4 beschreiben und erklären Wechselwirkungen zwischen Organismen, F 3.8 kennen und erörtern Eingriffe des Menschen in die Natur und Kriterien für solche Entscheidungen, K 1 kommunizieren und argumentieren in verschiedenen Sozialformen, K 4 werten Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen zielgerichtet aus und verarbeiten diese auch mithilfe verschiedener Techniken und Methoden adressaten- und situationsgerecht, K 6 stellen Ergebnisse und Methoden biologischer Untersuchung dar und argumentieren damit, K 7 referieren zu gesellschafts- oder alltagsrelevanten biologischen Themen, B 1 unterscheiden zwischen beschreibenden (naturwissenschaftlichen) und normativen (ethischen) Aussagen, B 2 beurteilen verschiedene Maßnahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung, B 3 beschreiben und beurteilen Erkenntnisse und Methoden in ausgewählten aktuellen Bezügen wie zu Medizin, Biotechnik und Gentechnik, und zwar unter Berücksichtigung gesellschaftlich verhandelbarer Werte, B 5 beschreiben und beurteilen die Auswirkungen menschlicher Eingriffe in einem Ökosystem. Gentech_EthBew_MA1 (einführende Folie), Gentech_EthBew_MA2 (Beispiele, Placemate-Vorlage), Gentech_EthBew_12 (Arbeitsauftrag), Gentech_EthBew_13 (Rollenspiel) ethische Bewertung der Gentechnik – Lehrerinformation Hinweise zur Umsetzung 91 Obwohl die ethische Bewertung in Jgst.11 noch einmal ausführlich im Biologielehrplan enthalten ist (B 11.2 Genetik und Gentechnik), soll hier bereits auf die vielfältigen Anwendungen der Gentechnik eingegangen werden, da nur ein Teil der Schülerinnen und Schüler Biologie in Jgst. 11 belegen. Zunächst werden auf einer animierten Folie (Gentech_EthBew_MA1) häufig genannte pro- und contra-Argumente zur grünen Gentechnologie vorgestellt. Anschließend sollen die Schülerinnen und Schüler jeweils zu viert in der Placemat-Methode einen Fall von Gentechnik bewerten. Die Beispiele sind bewusst auf eine DIN A4-Seite komprimiert und konzentrieren sich auf die wesentlichsten Verfahrensabläufe, sodass auch eine Schülerin / ein Schüler der Jgst. 9 mit diesen Vorlagen zurechtkommt. Jedes Beispiel kann unterschiedlich bewertet werden. Im anschließenden Kurzreferat wird der Fall, die Bewertungskriterien und die (vorläufige) Bewertung vorgestellt. Wenn noch eine Stunde Zeit bleibt, so sollte nach jedem Kurzreferat eine kurze Diskussionsrunde stattfinden. Am Ende der Einheit soll eine Gesamtzusammenfassung an dem momentan am heftigsten diskutierten Fall in Form eines Rollenspiels gemacht werden. Die Schülerinnen und Schüler können dabei nochmals die Argumentationen verfolgen und auch auswerten. Diese kann aber auch mit dem Rollenspiel als Gesamtzusammenfassung geschehen. 92 ethische Bewertung der Gentechnik – Texte Biologische Schädlingsbekämpfung mit Gentechnik Australien wird zurzeit von Aga-Kröten überschwemmt. Diese Tiere wurden 1935 nach Australien eingeführt, um den Zuckerrohrkäfer, der die Ernten der Zuckerrohrfarmer drastisch reduzierte, aufzufressen. Damit hatte man in Puerto Rico gute Erfahrungen gemacht. Leider fraßen die Kröten in Australien aber nicht den Käfer, für den sie extra geholt wurden, sondern alles andere, was ihnen vor das Maul kam. Sie stellen für die einzigartige Tierwelt in Australien eine Gefahr dar, da ihre Anzahl jedes Jahr um ein Viertel wächst. Heute leben bereits mehr Kröten in Australien, als alle anderen einheimischen Amphibien zusammen. Sie haben keine Fressfeinde und sind noch dazu so giftig, dass sogar Süßwasserkrokodile, die versehentlich eine Kröte gefressen haben, an ihr eingehen. Der Lebensraum der Kröten breitet sich jedes Jahr in einem Radius von 40 km aus. Forscher haben jetzt aber einen gentechnischen Ansatz gefunden, der den Vormarsch der Aga-Kröten stoppen könnte: Bei Amphibien unterscheidet sich der Blutfarbstoff der Kaulquappe von dem des erwachsenen Tieres. Der Farbstoff des erwachsenen Tieres wird sogar von Kaulquappen über ihr Immunsystem bekämpft. Forscher wollen jetzt mithilfe eines gentechnisch veränderten Virus das Gen des erwachsenen Tieres in der Kaulquappe aktivieren, sodass sofort erwachsener Blutfarbstoff gebildet wird. Die Kaulquappe entwickelt dann Antikörper, welche den Farbstoff angreifen. Diese bleiben auch nach der Metamorphose im Körper, sodass der eigene Blutfarbstoff angegriffen wird; es entwickeln sich keine fortpflanzungsfähigen Kröten. Noch wurde das Verfahren nicht im Freiland getestet, da der Virus auch andere Amphibienarten befallen kann und auf sie den gleichen Effekt hat. Er soll jetzt gentechnisch so verändert werden, dass er nur die Aga-Kröte befällt. Bildnachweis: Wikimedia Commons, NIEdot369.jpg ethische Bewertung der Gentechnik – Texte 93 Die blaue Rose Für die Farbe von Blütenblätter sind verschiedene Farbstoffe verantwortlich, die von der Pflanze erzeugt werden. Je nachdem welcher Stoffwechselweg für die Farbstoffherstellung im Erbmaterial einer Pflanze vorliegt, kann sie nur bestimmte Farbstoffe produzieren. Mit der klassischen Züchtung gelingt es bisher nicht immer, eine bestimmte Blume in einer bestimmten Farbe leuchten zu lassen. Als Symbol für diese Unerreichbarkeit galt in der Romantik die „Blaue Blume“. (Frage deine Deutschlehrkraft.) Mithilfe der Gentechnik ist jetzt diese Fantasie Wirklichkeit geworden. Seit 1987 der Forscher Peter Meyer mithilfe von Maisgenen Petunien von weiß auf rot umgefärbt hat, haben Firmen versucht, die Methoden der Gentechnik für die Blumenzüchtung einzusetzen. Die australische Firma Florigene und die japanische Firma Suntoy forschten seit vielen Jahren an einer blauen Rose. Dazu wurde das Gen für den blauen Farbstoff Delphinidin in die Rose eingebracht. Die Ergebnisse waren zunächst noch nicht perfekt, da daneben noch der rote Farbstoff Cyanidin von den Rosen selbst produziert wurde und so die Blüte lila wirkte. Erst seitdem das Gen für diesen Farbstoff ausgeschaltet werden konnte, gibt es seit 1. November 2008 die blaue Rose. Der Markt für diese Rose wird von den Firmen als sehr groß eingeschätzt (30 Billionen Yen), da die blaue Rose seit alters her in vielen Kulturen (von China bis ins viktorianische England) als Symbol bekannt ist (vgl. oben). Sie ist in verschiedenen Ländern seit Herbst 2009 im Handel erhältlich. Eine weitere Errungenschaft der Gentechnik ist eine im Dunkeln leuchtende Rose, bei der ein Gen aus Leuchtbakterien eingesetzt wurde. Ob die Blume auch in Deutschland zu haben sein wird, darf bezweifelt werden, da das Gentechnik-Gesetz den Verbraucher vor gentechnisch veränderten Waren schützt. weitere Informationen: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 02.04.2006, Nr. 13 / S. 69 http://www.faz.net/s/Rub80665A3C1FA14FB9967DBF46652868E9/Doc~E62ECB51438894D21A3 206CEE34A1B7E7~ATpl~Ecommon~Scontent.html http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_rose http://www.telegraph.co.uk/news/worldnews/asia/japan/3329213/Worlds-first-blue-roses-after-20years-of-research.html 94 ethische Bewertung der Gentechnik – Texte Goldener Reis- eine Pflanze mit Zusatznutzen Reis stellt für weite Teile der Weltbevölkerung die Nahrungsgrundlage dar. Da in diesen Gebieten die Bevölkerung sehr arm ist, ernähren sich viele fast ausschließlich von Reis und damit sehr einseitig. Ernährungsphysiologisch besteht Reis fast ausschließlich aus einem Kohlenhydrat, der Stärke. Vor allem der Mangel an Vitaminen wirkt sich negativ auf die Gesundheit aus (z. B. Skorbut, Beri Beri). Die Idee des „golden rice“-Projekts ist es, dass in die Reispflanze Gene, die die Pflanze zur Herstellung von Vitaminen bzw. deren Vorstufen benötigt, eingebaut werden könnten, sodass Menschen, die sich von diesem Reis ernähren, von den Mangelerkrankungen verschont bleiben. Das Projekt wurde von Prof. Ingo Potrykus von der ETH Zürich zusammen mit Prof. Beyer von der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg 1992 gestartet. Dabei sollte v. a. der in Asien häufige Vitamin-A-Mangel behoben werden. Dieser kann z. B. zu Augenleiden bis zur Erblindung, zu einer Beeinträchtigung des Immunsystems und zu Wachstumsstörungen bei Kleinkindern führen. Beim golden-rice-Projekt wurde ein Gen der Osterglocke und ein Gen aus einem Bakterium in das Reisgenom eingefügt. Beide zusammen bilden die Vitamin-A-Vorstufe Carotin. Dieses wird dann im Körper zu Vitamin A umgebaut. Beim golden-rice-2-Projekt wurden noch drei weitere Gene eingefügt, welche die Synthese von -Carotin noch beschleunigen. Das Projekt wird von der Öffentlichkeit mit großer Aufmerksamkeit verfolgt. Kritikpunkte sind u. a., dass Vitamin A als Medikament verteilt werden könnte und so golden rice überflüssig ist. Auch ist golden rice nicht patentfrei, wenn auch Patentgebühren erst ab einem Anbauwert von 10.000 $ verlangt werden sollen. Schließlich denken die Kritiker, dass golden rice ein Prestigeprojekt ist, damit die grüne Gentechnik in der Bevölkerung besser akzeptiert wird. Die Befürworter weisen dagegen darauf hin, dass dieser Reis (im Gegensatz zu Medikamenten) keine dauerhaften Probleme bei der Verteilung bereitet und dass ein Mensch bereits mit 70 g Reis pro Tag seinen Vitamingehalt decken könnte. Es könnten v. a. die Mangelerscheinungen bei Kleinkindern vermieden werden. Dazu muss ein Kleinbauer seine Arbeitsmethoden auch nicht (wie bei anderen gentechnisch veränderten Pflanzen) ändern. weitere Informationen: www.goldenrice.org http://de.wikipedia.org/wiki/Goldener_Reis Bildnachweis: Wikimedia Commons, Reis-Rispe.jpg ethische Bewertung der Gentechnik – Texte 95 Humaninsulin aus Bakterien Bei der Zuckerkrankheit kann der Erkrankte keinen Traubenzucker in seine Zellen aufnehmen. Somit steht den Zellen zu wenig Energie zur Verfügung. Dabei ist Traubenzucker im Körper vorhanden, nur fehlt das Hormon Insulin aus der Bauchspeicheldrüse, welches für die Aufnahme in die Zelle entscheidend ist. Bis zum Jahr 1927 war die Zuckerkrankheit tödlich. Damals wurde ein erster Patient mit Insulin aus Tieren behandelt und konnte so überleben. Dabei deckte der Insulin-Gehalt eines Schweins aber nur den Bedarf über drei Tage. So versuchte man andere Methoden der Insulingewinnung zu entwickeln. 1964 gelang die chemische Totalsynthese, d. h. Insulin konnte aus einfachen chemischen Verbindungen hergestellt werden. Dies war aber viel unwirtschaftlicher als die Aufarbeitung der Bauchspeicheldrüsen von Schlachttieren. Seit etwa 1985 hat sich die gentechnische Herstellung von menschlichem (Human)Insulin durchgesetzt. Dazu wurde das Gen für Insulin anfangs aus menschlichen Zellen isoliert. Inzwischen wird das Gen nach dem genetischen Code künstlich hergestellt. Zur Insulin-Produktion wird das Gen in Bakterien- oder Hefezellen eingesetzt. Diese Zellen bilden eine Vorstufe von Insulin (bis zu 40 % ihres Zellgewichts). Nach dem Abtöten der Bakterienzellen wird diese Vorstufe gereinigt und anschließend durch einfache chemische Prozesse in Insulin verwandelt. Dabei entstehen aus 40.000 l Bakterienansatz ungefähr 100 g Insulin. Ein Erwachsener braucht pro Tag ca. 2 mg Insulin. Vorteile dieses Verfahrens sind neben der Wirtschaftlichkeit v. a. die Synthese von menschlichem Insulin. Rinder- bzw. Schweineinsulin ist geringfügig anders aufgebaut, was zu allergischen Reaktionen im menschlichen Körper führen kann. Durch das gentechnisch erzeugte Humaninsulin ist für 140 Millionen Menschen die Versorgung mit reinem Insulin sichergestellt. weitere Informationen: Schmid, R. D.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002 Huismans, H.: Lexikon der klinischen Diabetologie. Deutscher Ärzte Verlag, Köln, 2005 Bildnachweis: Wikimedia Commons, Two insulin.JPG 96 ethische Bewertung der Gentechnik – Texte Alles Käse mit Chymosin Bei der Käseherstellung wird traditionell Labferment, ein Enzym, eingesetzt. Es zerlegt das Eiweiß Kasein und bringt es zur Gerinnung. Aus diesem geronnenen Eiweiß wird schließlich Hartkäse hergestellt. Das Chymosin kann aus Kälbermägen durch chemische Verfahren gewonnen werden. Da diese Lab-Quelle jedoch sehr begrenzt ist, kann der Bedarf für die moderne Käseproduktion nicht mehr mit traditionellem Kälberlab gedeckt werden. Es können auch „LabAustauschstoffe“ aus Pflanzen ("Labkraut") oder aus (gentechnisch nicht veränderten) Mikroorganismen verwendet werden. Allerdings können dabei Geschmacksveränderungen am Käse auftreten. Deshalb wird inzwischen Chymosin mithilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt. Dazu wurde das aus den Zellen von Kälbern isolierte Chymosin-Gen auf geeignete Produktionsorganismen - in der Regel Schimmelpilze oder Hefen - übertragen. Diese werden vermehrt und in geschlossenen Systemen (Fermenter) kultiviert, wo sie das („Kälber“-)Chymosin in die umgebende Flüssigkeit abgeben. Das Chymosin wird abgetrennt und gereinigt. Weltweit wird ein großer Teil des Käses unter Verwendung "gentechnisch hergestellten" Chymosins erzeugt. Ebenso wie das Labferment gilt Chymosin in Deutschland nicht als Lebensmittelzutat und wird daher nicht auf der Zutatenliste deklariert. Eine Gentechnikbezogene Kennzeichnung von Käse im Hinblick auf Chymosin ist nicht vorgeschrieben. weitere Informationen: Schmid, R. D.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002 http://www.transgen.de/datenbank/enzyme/83.chymosin.html ethische Bewertung der Gentechnik – Texte 97 Gentechnik per Zufall: Der Riesenlachs Häufig hilft der Zufall den Wissenschaftlern: Als einmal aus Versehen ein Tank mit gefangenen Flundern gefror, stellte man mit Verwunderung fest, dass die Tiere nach dem Auftauen immer noch lebten. So suchte man das „Frostschutz“-Protein und das dazugehörige Gen. Als man es gefunden hatte, wollte man es auf den Lachs übertragen, damit dieser auch bei Temperaturen um den Gefrierpunkt gezüchtet werden kann. Überraschenderweise wuchsen diese Lachse jedoch viel stärker als ihre Artgenossen. Der Grund: Das AntiFrost-Gen greift in den Hormonhaushalt der Lachse ein und bewirkt eine vermehrte Produktion des Wachstumshormons. In der Landwirtschaft werden (gentechnisch hergestellte) Wachstumshormone auch bei anderen Tieren (z. B. Schweinezucht bzw. Milchproduktion (nicht in der EU)) eingesetzt. Züchter erhoffen sich durch die schnell wachsenden Lachse erhebliche Kosteneinsparungen. In den USA wird jedoch die Zulassung der Riesenlachse seit 1999 nicht gewährt. Es bestehen erhebliche Befürchtungen, dass schnell wachsende transgene Fische aus den Zuchtfarmen entweichen könnten. Da bei der Paarung der Lachse die Größe der Individuen einen Vorteil darstellt, könnten sie sich in den natürlichen Populationen zunächst durchsetzen. Da sie durch die Veränderungen jedoch weniger widerstandsfähig sind und nur wenige Nachkommen produzieren, könnten nach mehreren Generationen die natürlichen Lachsbestände ein- bzw. sogar völlig zusammenbrechen („trojanischer GenEffekt“). Um dieses Risiko auszuschließen, sollen nur unfruchtbare Riesenlachse vermarktet werden, die sich nicht fortpflanzen können. Ungeklärt ist noch, ob sich die betroffenen Gene innerhalb von mehreren Generationen weiter verändern und damit evtl. die eingebauten Sicherheiten (Unfruchtbarkeit) wieder unwirksam werden. Auch ein eventuelles Allergierisiko beim Menschen gegenüber den Riesenlachsen muss noch erforscht werden. Letztendlich ist die Akzeptanz der Bevölkerung von gentechnisch veränderten (tierischen) Nahrungsmitteln für den weiteren Verlauf des Projektes „Riesenlachs“ entscheidend. weitere Informationen: Schmid, R. D.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002 http://www.transgen.de/lebensmittel/tiere/145.doku.html Bildnachweis: Wikimedia Commons, Lachs (Blitz).png 98 ethische Bewertung der Gentechnik – Texte Medizin von der Weide - das Gene Pharming Moderne Arzneimittel werden oft sehr aufwändig hergestellt. Forscher faszinieren deswegen schon seit langem die Methoden der Gentechnologie. Wurden bestimmte Arzneimittel lange Zeit v. a. aus Schlachttieren gewonnen (z. B. Insulin), so sollen v. a. als Medikamente verwendete Eiweißmoleküle mithilfe von Tieren erzeugt werden. Dabei würde sich besonders ihre Milch als „natürliche Eiweißquelle“ anbieten, aus der dann diese Medikamente isoliert werden könnten. Zur Erzeugung eines transgenen Säugetieres muss einer Eizelle das gewünschte Gen eingesetzt werden und diese dann nach der Befruchtung einer Leihmutter eingesetzt werden, die das Tier austrägt. Bei dieser Methode entsteht aber aus weniger als einer von tausend Eizellen wirklich ein transgenes Tier. Trotzdem hätte diese Methode Vorteile, da das gewünschte Protein in der Milch sehr hohe Konzentrationen erreicht. So könnte zum Beispiel eine transgene Kuh den gesamten Bedarf an Faktor VIII (fehlt BluterKranken zur Blutgerinnung) in den USA decken. Seit 2008 ist in Deutschland ein erstes Medikament zugelassen, welches die Blutgerinnung bei erblich Erkrankten verhindert. Es wird aus Ziegenmilch isoliert. Leider gibt es aber auch zahlreiche Probleme: Die geringen Erfolgsaussichten beim Einbringen des neuen genetischen Materials sorgen für sehr hohe Kosten. Dies steigert sich nochmals, wenn man nicht nur ein Tier, sondern eine Herde haben möchte, die dauerhaft für die Herstellung des Medikaments eingesetzt werden soll. Außerdem sind die Tiere mit Fremdeiweißen in ihrem Körper konfrontiert, was auf Dauer zu gesundheitlichen Problemen führen kann. weitere Informationen: Schmid, R. D.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002 http://www.transgen.de/lebensmittel/tiere/652.doku.html Bildnachweis: Wikimedia Commons, Cattle_herd.jpg ethische Bewertung der Gentechnik – Texte 99 RoundUp- ein Pflanzenschutzmittel mit passenden Kulturpflanzen Das Pflanzenschutzmittel RoundUp ist seit 1970 bekannt. Es greift bei den Pflanzen in den Stoffwechsel ein und behindert ein Enzym, welches für die Produktion mehrerer lebensnotwendiger Grundbaustoffe zum Aufbau des Pflanzenkörpers wichtig ist. Die Pflanzen gehen schließlich an diesem Mangel ein. Der Vorteil dieses Unkrautvernichtungsmittel ist, dass es, laut Hersteller, in der Umwelt schnell abgebaut wird und auch nicht in andere Lebensräume verfrachtet wird. Nachteilig ist, dass zunächst nicht nur Unkraut, sondern auch die Kulturpflanzen betroffen sind. In der klassischen Landwirtschaft wurde RoundUp deswegen nur zur Vorbereitung der Felder eingesetzt. Inzwischen gibt es aber zu RoundUp gentechnisch angepasste Pflanzen. Diese haben aus dem Bakterium Escherichia coli ein Enzym erhalten, welches das durch RoundUp blockierte Enzym ersetzt, sodass die Pflanzen auch weiterhin die wichtigen Grundbaustoffe aufbauen können. Damit kann auf diesen Feldern auch während Kulturpflanzen auf dem Feld sind, RoundUp ausgebracht werden. Das Patent auf diese Pflanzen besitzt die Firma Monsanto, sodass interessierte Landwirte dort das Saatgut kaufen müssen. Inzwischen werden auch die Probleme von RoundUp immer augenscheinlicher: So erfolgt der biologische Abbau nicht so schnell, wie von Monsanto angegeben, es könnten auch Gefahren beim direkten Kontakt mit RoundUp auftreten. In Experimenten mit Seeigeleiern wurde beobachtet, dass die Entwicklung der Jungen beeinträchtigt wird, da RoundUp scheinbar die Zellteilung stört. Auch sind inzwischen erste Resistenzen bei „Unkraut“ aufgetreten, so dass RoundUp nicht mehr die gewünschte Wirkung erzielt. Eventuell wurde das veränderte Gen auf diese Pflanzen übertragen. In letzter Zeit wird auch diskutiert, ob RoundUp eine Mitschuld an dem weltweiten Amphibiensterben trägt. Dabei steht aber nicht der Wirkstoff selbst, sondern ein Netzmittel, das zur besseren Aufnahme für die Pflanzen zugegeben wird, unter Verdacht. Monsanto möchte dieses jetzt gegen ein neues Mittel austauschen. weitere Informationen: Schmid, R. D.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002 http://www.taz.de/1/leben/medien/artikel/1/mit-gift-undgenen/?src=HL&cHash=62043cfc3f&type=98 http://de.wikipedia.org/wiki/Roundup Bildnachweis: Wikimedia Commons, Soybeans.jpg 100 ethische Bewertung der Gentechnik – Texte bt-Mais - Resistenz durch ein Fraßgift Der Maiszünsler, ein Kleinschmetterling, kann Maispflanzen auf verschiedene Weisen schädigen. So kommt es für den Landwirt zu erheblichen Ernteausfällen. Seit ca. 100 Jahren ist ein Gift aus einem Bodenbakterium Bacillus thuringiensis (bt) bekannt, das gegen Schmetterlinge wirkt. Es handelt sich um ein Eiweiß, welches nur im Darm von Schmetterlingen aktiviert wird und diese dann abtötet. Seit ca. 50 Jahren wird mit diesem Protein der Maiszünsler bekämpft; es darf sogar in der ökologischen Landwirtschaft verwendet werden. Die Forscher hatten jetzt die Idee, den Bauplan dieses Eiweißmoleküls direkt in die Pflanzen einzubauen und so die Nutzpflanzen vor den Raupen des Maiszünslers zu schützen. Am bekanntesten ist der bt-Mais, der auch am stärksten in der Diskussion steht. Die Vorteile dieser Methode wären, dass die Pflanzen automatisch gegen den Schädling geschützt wären. Auf das Spritzen von Insektiziden könnte u. U. vollständig verzichtet werden und so würden auch andere Schmetterlinge geschützt, da das Gift nur noch auf die Pflanzen fressenden Schädlinge wirken würde. Inzwischen können sogar Pflanzen erzeugt werden, die das Gift nur noch in bestimmten Pflanzenteilen produzieren, an denen der Schädling auch vorkommt. So können z. B. Maiskolben völlig bt-Toxin-frei gehalten werden. Die Gegenargumente betreffen mehrere Probleme: Zunächst können Schädlinge Resistenzen gegenüber dem bt-Gift entwickeln. Ein ständiger Kontakt mit den gentechnisch veränderten Pflanzen würde dies beschleunigen und besonders der ökologische Landbau hätte das bt-Toxin als Insektizid nicht mehr zur Verfügung. Außerdem ist immer noch nicht mit letzter Sicherheit geklärt, ob und wie das bt-Toxin auch auf andere Organismen wirkt. Eine Laborstudie mit dem Monarchfalter erbrachte Hinweise darauf. Schließlich wurde an der Veterinärmedizinischen Uniklinik Wien bei Versuchen mit Mäusen eine fruchtbarkeitsschädigende Wirkung festgestellt. Letztendlich kann auch nicht ausgeschlossen werden, dass das bt-Gen über Pollen in anderen Pflanzen übertragen wird oder dass Mikroorganismen es im Boden aufnehmen. Hier wäre es besonders schlimm, wenn das durch das technische Verfahren zugehörige Antibiotika-Resistenzgen auf Krankheitskeime übertragen werden würde. Bisher konnte aber noch keine Position endgültig bestätigt werden. Am 14.4.2009 wurde der Anbau von bt-810-Mais in Deutschland verboten. weitere Informationen: Schmid, R. D.: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002 http://de.wikipedia.org/wiki/Transgener_Mais http://www.transgen.de/anbau/btkonzept/210.doku.html Bildnachweis: Wikimedia Commons, Illustration Zea mays0_clean.jpg ethische Bewertung der Gentechnik – Arbeitsblatt 101 Ethische Bewertung der Gentechnik ARBEITSAUFTRAG Bewertet die Verwendung von Gentechnik im vorliegenden Fallbeispiel unter Verwendung der erlernten Kriterien nach der Placemat-Methode. Stellt eure Ergebnisse auf der Folie übersichtlich und verständlich dar. Tragt eure Ergebnisse (der Fall, die Bewertungskriterien und eure Bewertung) in der nächsten Stunde in einem Kurzreferat (max. 5 Minuten) der Klasse vor. 102 ethische Bewertung der Gentechnik – Rollenspiel Rollenspiel: Gentechnik Beteiligte Personen Eduard Feldlauf (Landwirt) Bewirtschaftet große Flächen mit Ackerbau (Mais, Raps und Weizen), lebt von den Erträgen eher schlecht als recht. Interessiert sich für rentablere Anbaumethoden und steht den modernen Methoden aufgeschlossen gegenüber. Fritz Bauer (Ökobauer) Bewirtschaftet einen kleinen Bauernhof, lebt von seinen Produkten selbst und verkauft den Rest im Ökoladen. Vermeidet alle „künstlichen“ Mittel, auch wenn dadurch der Ertrag geschmälert wird. Als Biobauer ist es ihm erlaubt, das Botulinustoxin (bt) als Lösung gegen den Zünsler auszubringen. Er fürchtet, dass das Mittel durch Resistenzen gegen den bt-Mais bald nicht mehr wirken wird. Sabine Schwärmer (Imkerin) Hat mehrere Bienenvölker, mit denen sie jedes Jahr zu den Bauern zieht und dort die Feldfrüchte bestäubt. Sie möchte gentechnikfreien Honig verkaufen, kann aber ihre Bienen nicht von Gen-Feldern fernhalten, sodass die Bienen genveränderte Pollen (Blütenstaub) eintragen. Dr. Galileo Einstein (Forscher) Untersucht Wechselwirkungen von Schädlingsbekämpfungsmitteln mit der Umwelt und die Alternativen aus der Gentechnik. Er sieht die Chance, den Gifteinsatz zu minimieren und die Auswirkungen auf alle Insekten durch die Gentechnik einzuschränken. Die Wahrscheinlichkeit zur Verbreitung des Gens erachtet er als eher gering. Dr. Zea Müller (Firmeninhaberin) Ihre Firma hat den Genmais und Safe-Mais, ein Unkrautvernichtungsmittel, das alle Pflanzen bis auf gentechnisch angepasste Nutzpflanzen abtötet, entwickelt und dafür mehrere 100.000 € investiert. Sie beschäftigt 5000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Ihre Firma will weitere Pflanzen entwickeln, die durch gentechnische Veränderungen mehr Ertrag liefern oder nicht mehr mit Schädlingsbekämpfungsmitteln besprüht werden müssen. Dazu soll das Saatgut patentiert werden und ausschließlich durch ihre Firma verkauft werden. Johannes Beer (Biologe) Erforscht Schmetterlinge und befürchtet, dass durch das spezifische Gift in Pflanzen die Schmetterlinge sterben können. Erste Ergebnisse seiner Arbeit am bt-Mais stützen seine Befürchtungen. Er denkt, dass durch gentechnisch hergestellte spritzmittelresistente Pflanzen Landwirte sorgloser mit Spritzmitteln umgehen und damit mehr Gifte in die Umwelt einbringen. Christina Kindlieb (Familienmutter) Möchte sich und ihre Familie möglichst gesund ernähren, muss aber auch aufs Geld schauen. Gottlieb Amadeus (Theologe und Entwicklungshelfer) Sieht auf der einen Seite die großen Ernteeinbußen, die einer wachsenden Weltbevölkerung entgegenstehen, auf der anderen Seite möchte er aber auch keine Abhängigkeiten der Landwirte von den produzierenden Firmen. Er stellt sich auch die Frage, ob man in die Schöpfung auf dieser Ebene eingreifen darf. Wally / Willi Wackler (Moderator/in) ethische Bewertung der Gentechnik – Rollenspiel 103 weitere Materialien in dieser Datei: Karten als Informationsgrundlage für die jeweiligen am Rollenspiel mitwirkenden Personen Namensschilder Beobachtungsbogen für die zuschauenden Schülerinnen und Schüler Informationskarten für die mitwirkenden Personen Johannes Beer (Biologe) Fritz Bauer (Ökobauer) Erforscht Schmetterlinge und Bewirtschaftet einen kleinen Bauern- befürchtet, dass durch das hof, lebt von seinen Produkten selbst spezifische Gift in Pflanzen die und verkauft den Rest im Ökoladen. Schmetterlinge sterben können. Erste Vermeidet alle „künstlichen“ Mittel, Ergebnisse seiner Arbeit am bt-Mais auch wenn dadurch der Ertrag stützen seine Befürchtungen. Er geschmälert wird. Als Biobauer ist es denkt, dass durch gentechnisch ihm erlaubt, das Botulinustoxin (bt) als hergestellte spritzmittelresistente Lösung gegen den Zünsler Pflanzen Landwirte sorgloser mit auszubringen. Er fürchtet, dass das Spritzmitteln umgehen und damit Mittel durch Resistenzen gegen den mehr Gifte in die Umwelt einbringen. bt-Mais bald nicht mehr wirken wird. Sabine Schwärmer (Imkerin) Dr. Galileo Einstein (Forscher) Hat mehrere Bienenvölker, mit denen Untersucht Wechselwirkungen von sie jedes Jahr zu den Bauern zieht Schädlingsbekämpfungsmitteln mit und dort die Feldfrüchte bestäubt. Sie der Umwelt und die Alternativen aus möchte gentechnikfreien Honig ver- der Gentechnik. Er sieht die Chance, kaufen, kann aber ihre Bienen nicht den Gifteinsatz zu minimieren und die von Gen-Feldern fernhalten, sodass Auswirkungen auf alle Insekten durch die Bienen genveränderte Pollen (Blü- die Gentechnik einzuschränken. Die tenstaub) eintragen. Wahrscheinlichkeit zur Verbreitung des Gens erachtet er als eher gering. 104 ethische Bewertung der Gentechnik – Rollenspiel Eduard Feldlauf (Landwirt) Christina Kindlieb (Familienmutter) Bewirtschaftet große Flächen mit Möchte sich und ihre Familie Ackerbau (Mais, Raps und Weizen), möglichst gesund ernähren, muss lebt von den Erträgen eher schlecht aber auch aufs Geld schauen. als recht. Interessiert sich für rentablere Anbaumethoden und steht den modernen Methoden aufgeschlossen gegenüber. Dr. Zea Müller (Firmeninhaberin) Gottlieb Amadeus (Theologe und Ihre Firma hat den Genmais und Entwicklungshelfer) Safe-Mais, ein Unkrautvernichtungs- Sieht auf der einen Seite die großen mittel, das alle Pflanzen bis auf Ernteeinbußen, die einer wachsenden gentechnisch angepasste Weltbevölkerung entgegenstehen, auf Nutzpflanzen abtötet, entwickelt und der anderen Seite möchte er aber dafür mehrere 100.000 € investiert. auch keine Abhängigkeiten der Land- Sie beschäftigt 5000 Mitarbeiterinnen wirte von den produzierenden Firmen. und Mitarbeiter. Die Firma will weitere Er stellt sich auch die Frage, ob man Pflanzen entwickeln, die durch in die Schöpfung auf dieser Ebene gentechnische Veränderungen mehr eingreifen darf. Ertrag liefern oder nicht mehr mit Schädlingsbekämpfungsmitteln besprüht werden müssen. Dazu soll das Saatgut patentiert werden und ausschließlich durch ihre Firma verkauft werden. Anhang 105 Anhang Vorlage für DNA-Modell DNASpaltenzym 106 Anhang Val Ala Arg Trp Glu Leu Ribosom Ribosom Hinweis: Die gestrichelten Linien symbolisieren Ribose bzw. Uracil. Anhang 107 108 Anhang Methoden für Gruppenarbeiten Methode „Placemat- Activity“ Think and write privately • Formuliere deine Überlegungen in ganzen Sätzen auf deinem Segment der Placemat. Share your ideas silently • • • • Drehe das Placemat um 90° und lies die Erklärung deines Nachbarn durch. Ergänze oder korrigiere diese Erklärung ggf. durch eigene Überlegungen. Wiederhole dies, bis deine eigene Darstellung wieder bei dir ankommt. Lies die Ergänzungen deiner Mitschüler durch. Discuss and agree • • Diskutiert eure Überlegungen und formuliert eine gemeinsame Hypothese. Schreibt das gemeinsame Ergebnis in das Mittelfeld. Räume für die individuellen Überlegungen und Hypothesen Raum für die gemeinsam erarbeiteten Überlegungen und Hypothesen (Am besten legt man hier eine Folie bereit, sodass die Ergebnisse über den OH-Projektor vorgestellt werden können.) Räume für die individuellen Überlegungen und Hypothesen Einsetzbarkeit der Methode bei den Materialien zur Genetik (Jgst. 9) z. B.: Pränatale Diagonostik (II): „Thalassämie“ Ethische Bewertung der Gentechnik Anhang 109 Methode „wachsende Gruppe“ bzw. „Aushandeln“ Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten ihren Arbeitsauftrag in Einzel- bzw 2er-Gruppenarbeit in der vorgegebenen Zeit. Anschließend fasst die Lehrkraft die Schülerinnen und Schüler zu größeren Gruppen zusammen und verdoppelt die Gruppenstärke (2er- bzw. 4er-Gruppen). In ca. 5 bis 10 Minuten (je nach Größe des Arbeitsauftrags, jedenfalls wesentlich kürzer als die ursprüngliche Arbeitszeit) werden die Ergebnisse vorgestellt, diskutiert, erklärt, ergänzt und korrigiert. Dabei einigen sich die Gruppen auf eine Lösungsversion („Aushandeln“). Die ganze Gruppe ist dafür verantwortlich, dass alle Gruppenmitglieder die Lösung verstehen, akzeptieren und richtig niederschreiben. Jetzt fasst die Lehrkraft erneut die Schülerinnen und Schüler zu größeren Gruppen zusammen und verdoppelt erneut die Gruppenstärke (4er- bzw. 8er-Gruppen). In nochmals 5 bis 10 Minuten werden die Ergebnisse vorgestellt, diskutiert, erklärt, ergänzt, korrigiert. Dabei einigen sich die Gruppen auf eine Lösungsversion. Die ganze Gruppe ist dafür verantwortlich, dass alle Gruppenmitglieder die Lösung verstehen, akzeptieren und richtig niederschreiben. U. s. w. Diese Methode kann so lange durchgeführt werden, bis zum Abschluss die gesamte Klasse mit der Lehrkraft eine Gruppe bildet und die End-End-End-...-version diskutiert. Es ist dabei sinnvoll, die Gruppenarbeit von zwei Schülern auf Folie anfertigen zu lassen und damit die Abschlussbesprechung durchzuführen. Diese kann aber sehr knapp und ohne langwieriges Abschreiben ausfallen, weil alle Schülerinnen und Schüler ja bereits die richtige und mehrfach erklärte Endversion in geschriebener Form vor sich haben. So kann man sich darauf beschränken, strittige und schwierige Aspekte zu klären bzw. wichtige Punkte zu wiederholen. Gruppensprecher stellt Lösung vor! Einzelarbeit 2er-, 4er-,8er-,16er-Gruppenarbeit ... u.s.w. Einsetzbarkeit der Methode bei den Materialien zur Genetik (Jgst. 9) z. B.: Textpuzzle „Karyogramm, Mitose und Meiose“