Biologie - saarland.de · Juni 2019 3 Vorwort Die Jahrgangsstufen in der gymnasialen Oberstufe...

Lehrplan

Biologie

Gymnasiale Oberstufe

Leistungskurs

Hauptphase

- Erprobungsphase -

2019

Juni 2019 2

Inhalt

Vorwort

Zum Umgang mit dem Lehrplan

Themenfelder Hauptphase der gymnasialen Oberstufe

Kompetenzerwartungen

Anhang

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Vorwort

Die Jahrgangsstufen in der gymnasialen Oberstufe bieten den Schülerinnen und Schülern eine ihren Neigungen und Fähigkeiten entsprechende Erziehung und Bildung. Neben der Vermittlung fachlicher Kenntnisse sowie sozialer, methodischer, sprachlicher, interkultureller und ästhetischer Kompetenzen sind die Entwicklung und Stärkung der Persönlichkeit der Schülerinnen und Schüler ein wichtiges Ziel. Mit dem Abschluss des Bildungsgangs der gymnasialen Oberstufe sollen sie in der Lage sein, ihr privates und berufliches Leben sinn-bestimmt zu gestalten und als mündige Bürgerinnen und Bürger verantwortungsvoll am ge-sellschaftlichen Leben sowie an demokratischen Willensbildungs- und Entscheidungspro-zessen mitzuwirken.

Der Bildungsgang in der Hauptphase der gymnasialen Oberstufe ist wissenschaftspropädeu-tisch angelegt und führt zur Allgemeinen Hochschulreife. Aufbauend auf den bis zum Mittle-ren Bildungsabschluss erworbenen Fähigkeiten und Fertigkeiten vermittelt er Schülerinnen und Schülern unabhängig von sozialen und kulturellen Voraussetzungen eine vertiefte all-gemeine Bildung. Die Bildung in der gymnasialen Oberstufe bereitet auf ein Hochschulstudi-um vor, befähigt aber ebenso zum Eintritt in berufsbezogene Bildungsgänge.

Der Unterricht berücksichtigt individuelle Lern- und Entwicklungsvoraussetzungen der Schü-lerinnen und Schüler. Durch das Angebot verschiedener Wahl- und Zusatzangebote bietet die gymnasiale Oberstufe die Möglichkeit, eigene Schwerpunkte zu setzen. Dabei kommt der Förderung leistungsschwächerer ebenso wie besonders leistungsstarker Schülerinnen und Schüler eine hohe Bedeutung zu. Der Unterricht soll so angelegt sein, dass die Schülerinnen und Schüler Freude am Lernen, die Anstrengungsbereitschaft, die Konzentrationsfähigkeit und die Genauigkeit entwickeln, die eine vertiefte Beschäftigung mit anspruchsvollen bis hin zu wissenschaftlichen Aufgabenstellungen ermöglichen.

Der stetige Zuwachs an wissenschaftlichen Erkenntnissen erfordert in zunehmendem Maße lebenslanges Lernen. Der Unterricht trägt dem Rechnung durch die besondere Betonung methodischer Kompetenzen und durch exemplarisches Lernen. Damit verbunden sind inhalt-liche Reduktion sowie der zunehmende Einsatz schülerzentrierter Sozialformen, die eigen-ständiges Lernen und Teamfähigkeit fördern.

Auch die Verfügbarkeit moderner Medien zur Informationsbeschaffung, zur Kommunikation und zur Bewertung stellt an die Ausgestaltung des Unterrichts neue Anforderungen. Es ist grundsätzlich Aufgabe aller Fächer, den Schülerinnen und Schülern einen sachgerechten und verantwortungsvollen Umgang mit den neuen Medien zu vermitteln.

Lehrpläne und Unterricht berücksichtigen die im Rahmen der Kultusministerkonferenz (KMK) vereinbarten Vorgaben. Die einheitlichen Prüfungsanforderungen (EPA) umfassen neben inhaltsbezogenen Kompetenzen auch allgemeine Kompetenzen wie zum Beispiel Beurtei-lungskompetenz und Kommunikationskompetenz sowie methodische Kompetenzen und Lernstrategien, über die die Schülerinnen und Schüler verfügen sollen, um die inhaltsbezo-genen Kompetenzen zu erwerben.

Die Lehrpläne gehen jeweils von einem fachspezifischen Kompetenzmodell aus, um inhalts-bezogene und allgemeine Kompetenzerwartungen zu formulieren. Die verbindliche Festle-gung der allgemeinen Kompetenzen eröffnet Chancen für eine Weiterentwicklung der Unter-richtskultur. Dabei kommt individuellen und kooperativen Lernformen, die selbstorganisiertes Handeln sowie vernetztes Denken fördern, besondere Bedeutung zu.

Die Lehrpläne greifen die schulformübergreifenden Vorgaben der KMK-Bildungsstandards auf und tragen gleichzeitig durch die Auswahl und den Anspruch der inhaltlichen Vorgaben dem besonderen Anforderungsprofil der gymnasialen Oberstufe Rechnung.

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Lehrpläne für das Fach Biologie der Gymnasialen Oberstufe (GOS)

Die Lehrpläne für die gymnasiale Oberstufe basieren auf dem Unterricht im Fach Biologie bzw. Naturwissenschaften in der Sekundarstufe I der Gemeinschaftsschule und des Gymna-siums.

Kompetenzorientierung

Unter Kompetenzen versteht man die verfügbaren oder erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, bestimmte Probleme zu lösen. Kompetenz ist nach diesem Verständnis eine Disposition, die Personen befähigt, konkrete Anforderungssituationen erfolgreich zu bewältigen.

Kompetenz umfasst sowohl fachliches Wissen als auch Fertigkeiten, um bestimmte Proble-me zu lösen sowie die motivationalen, volitionalen und sozialen Einstellungen für die verant-wortungsvolle Umsetzung in realen Situationen. Im Unterschied zu schnell erlernbaren, iso-lierten Inhalten sind Kompetenzen nicht kurzfristig trainierbar; sie werden in einem Entwick-lungsprozess erworben, der mehrere Jahrgangsstufen umfasst. Durch die Kompetenzorien-tierung werden die Nachhaltigkeit schulischen Lernens und die Anschlussfähigkeit an das private und berufliche Leben gefördert.

Schülerinnen und Schüler sind kompetent, wenn sie zur Bewältigung von Anforderungssitua-tionen

- auf Wissen und Fertigkeiten zurückgreifen und über die erforderlichen Einstellungen und Haltungen verfügen,

- die Fähigkeit besitzen, sich erforderliches Wissen oder Fertigkeiten zu beschaffen,

- zentrale Zusammenhänge des jeweiligen Sach- bzw. Handlungsbereichs erkennen,

- angemessene Handlungsschritte durchdenken und planen, Konsequenzen einschätzen und bewerten,

- Lösungsmöglichkeiten kreativ erproben,

- angemessene Handlungsentscheidungen treffen und umsetzen,

- das Ergebnis des eigenen Handelns an angemessenen Kriterien überprüfen und bewer-ten.

Kompetenzmodell

Die Lehrpläne für die gymnasiale Oberstufe sind kompetenzorientiert und berücksichtigen die Einheitlichen Prüfungsanforderung für das Fach Biologie für die Abiturprüfung („Einheitli-che Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung“ lt. Beschluss der KMK vom 01.12.1989 i. d. F. vom 05.02.2004). Nach dem Kompetenzmodell sind neben dem inhaltsbezogenen Kom-petenzbereich Fachwissen auch die Entwicklung der prozessbezogenen Kompetenzbereiche Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung verbindliche Vorgaben für den Unter-richt und von besonderer Bedeutung für das Erreichen des Ziels einer biologischen Grund-bildung, die auf Leistungskursniveau und auf Grundkursniveau dazu befähigt, alltagsrelevan-te biologische Sachverhalte zu beurteilen und nach ethischen, ökonomischen, ökologischen und sozialen Kriterien zu bewerten. Insbesondere der Leistungskurs hat darüber den An-spruch, zum Studium hinzuführen.

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Kompetenzmodell für das Fach Biologie

Inhaltsbezogene Kompetenzen (Fachwissen)

Inhaltsbezogene Kompetenzen (Fachwissen) beschreiben das Verstehen, die Anwendung und die Entwicklung naturwissenschaftlicher Konzepte, biologischer Prinzipien, Modelle und Vorstellungen, Begriffe und Erkenntnis leitender Ideen, mit deren Hilfe Phänomene erkannt, beschrieben und in bestehendes Wissen eingeordnet werden. Sie bilden die Wissensbasis, die Schülerinnen und Schüler benötigen, um die natürliche und die durch den Menschen veränderte Welt zu verstehen und zu erklären.

Prozessbezogene Kompetenzen

Konkrete, sich entwickelnde und zu messende Kompetenzen verbinden die Aktivitäten von Schülerinnen und Schülern mit fachlichen Inhalten, sie besitzen also stets eine Handlungs- und eine Inhaltsdimension. Prozessbezogene Kompetenzen beschreiben die Handlungs-, Kommunikations- und Bewertungsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler in Situationen, die die Nutzung naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen erfordern. Sie bilden die Basis der erforderlichen Fertigkeiten und Haltungen, die Schülerinnen und Schüler benötigen, um die natürliche und die durch den Menschen veränderte Welt in Kombination mit dem Fach-wissen zu gestalten und Sachverhalte und Handlungen zu beurteilen.

Die Handlungsdimension des Kompetenzbereichs Erkenntnisgewinnung, umfasst grundle-gende Elemente der naturwissenschaftlichen Arbeitstechniken wie hypothesengeleitetes Experimentieren, Beobachten, Vergleichen und die Modellbildung und -nutzung. Der Kompe-tenzbereich Kommunikation umfasst den Austausch über biologische Sachverhalte (Erfas-

Kommunikation

Informationen sach- und

fachbezogen erschließen und

austauschen.

Bewertung

Naturwissenschaftliche

Sachverhalte in verschiedenen

Kontexten erkennen und

bewerten.

Erkenntnisgewinnung

Beobachten, Vergleichen, Ex-

perimentieren, Modelle nutzen

und biologische Arbeits-

techniken anwenden.

Fachwissen

Lebewesen, biologische

Phänomene, Begriffe,

Prinzipien, Fakten und

Gesetzmäßigkeiten kennen.

Basiskonzepte

Struktur und Funktion

Reproduktion

Kompartimentierung

Steuerung und Regelung

Stoff- und Energieum-

wandlung

Information und Kommu-

nikation

Variabilität und Ange-

passtheit

Geschichte und Ver-

wandtschaft

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sen und Vermitteln), den Erwerb und die Anwendung der Fachsprache sowie deren Umset-zung in Alltagssprache. Kommunikationskompetenz führt zur Diskursfähigkeit über Themen der Biologie, einschließlich solcher, die von besonderer Gesellschafts- und Alltagsrelevanz sind.

Biologische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten zu erkennen und zu bewerten, lernen die Schülerinnen und Schüler im Kompetenzbereich Bewertung. Auf der Grundlage eines basalen und vernetzten Fachwissens entwickeln die Lernenden Wertschätzung für eine in-takte Natur und eine eigene gesunde Lebensführung. Sie zeigen Verständnis für Entschei-dungen im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung.

Für das Erschließen, Ordnen und Bewerten noch unbekannter Phänomene und neuer Fra-gestellungen ist es sinnvoll, die zu untersuchenden Gegenstände in Unterrichtseinheiten, Themenfelder, und die wissenschaftlichen Aspekte mit Hilfe Erkenntnis leitender Ansätze, den Basiskonzepten, zu strukturieren.

Basiskonzepte in der Biologie

Der Vielfalt biologischer Phänomene und Sachverhalte liegen Prinzipien zugrunde, die sich als Basiskonzepte beschreiben lassen. Sie ermöglichen einerseits Zugänge und Strukturie-rungen der Themenbereiche, die den Schülerinnen und Schülern helfen, die Gegenstände der Biologie zu erfassen und einzuordnen. Andererseits dienen sie der Metareflexion der erworbenen Kenntnisse des Lebens. Im Folgenden sind die Basiskonzepte aufgelistet; die jeweils angeführten Beispiele illustrieren ihre Bedeutung auf unterschiedlichen Organisati-onsebenen. Alle Basiskonzepte beinhalten den Aspekt der Wechselwirkungen in verschie-denen Zusammenhängen.

Die aus der Sekundarstufe I bekannten Basiskonzepte „System“, „Struktur und Funktion“ und „Entwicklung“ können als übergreifende Basiskonzepte auch in der gymnasialen Ober-stufe Verwendung finden. Das Basiskonzept „System“ bietet sich vor allem bei unterschiedli-chen Systemebenen (Organisationsebenen) an, das Basiskonzept „Entwicklung“ als Ober-begriff für Individualentwicklung (Ontogenese) und Stammesentwicklung (Phylogenese).

Basiskonzepte in der Sekundarstufe II

1. Struktur und Funktion

Lebewesen und Lebensvorgänge sind an Strukturen gebunden; es gibt einen Zusammen-hang von Struktur und Funktion. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis des Baus von Biomolekülen, der Funktion der Enzyme, der Organe und der Ökosysteme.

2. Reproduktion

Lebewesen sind fähig zur Reproduktion; damit verbunden ist die Weitergabe von Erbinfor-mationen. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der identischen Replikation der DNA, der Viren, der Mitose und der geschlechtlichen Fortpflanzung.

3. Kompartimentierung

Lebende Systeme zeigen abgegrenzte Reaktionsräume. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Zellorganellen, der Organe und der Biosphäre.

4. Steuerung und Regelung

Lebende Systeme halten bestimmte Zustände durch Regulation aufrecht und reagieren auf Veränderungen. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Proteinbiosynthese, der hormonellen Regulation und der Populationsentwicklung.

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5. Stoff- und Energieumwandlung

Lebewesen sind offene Systeme; sie sind gebunden an Stoff- und Energieumwandlungen. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Fotosynthese, der Ernährung und der Stoffkreisläufe.

6. Information und Kommunikation

Lebewesen nehmen Informationen auf, speichern und verarbeiten sie und kommunizieren. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Verschlüsselung von Information auf der Ebene der Makromoleküle, der Erregungsleitung, des Lernens und des Territorialverhal-tens.

7. Variabilität und Angepasstheit

Lebewesen sind bezüglich Bau und Funktion an ihre Umwelt angepasst. Angepasstheit wird durch Variabilität ermöglicht. Grundlage der Variabilität bei Lebewesen sind Mutation, Re-kombination und Modifikation. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Sichel-zellenanämie, der ökologischen Nische und der Artbildung.

8. Geschichte und Verwandtschaft

Ähnlichkeit und Vielfalt von Lebewesen sind das Ergebnis stammesgeschichtlicher Entwick-lungsprozesse. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Entstehung des Lebens, homologer Organe und der Herkunft des Menschen.

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Zum Umgang mit dem Lehrplan

Die Lehrplaninhalte der gymnasialen Oberstufe und die Kompetenzbeschreibungen bauen auf den Lehrplänen für die Klassenstufen fünf bis zehn im Fach Naturwissenschaften bzw. Biologie in der Gemeinschaftsschule bzw. fünf bis neun Biologie im Gymnasium auf. Teilwei-se werden Inhalte der Sekundarstufe I in der gymnasialen Oberstufe im Sinne eines Spiral-curriculums erneut aufgegriffen, hier aber auf einer höheren Niveaustufe behandelt, z. B. indem die Inhalte vertieft und erweitert werden oder auf einer anderen, z. B. molekularen, Systemebene betrachtet werden.

Jedem Themenfeld ist ein kurzer Einleitungstext vorangestellt. Er nimmt Bezug auf Gliede-rung und Inhalte des Themenfelds und beschreibt die Hauptschwerpunkte. Außerdem weist der Einleitungstext auf die Basiskonzepte hin, die in dem betreffenden Themenfeld schwer-punktmäßig zum Tragen kommen. Die Basiskonzepte verknüpfen die Inhalte über die Jahr-gangsstufen hinweg wie ein roter Faden miteinander und fördern auf diese Weise ein über-greifendes Verständnis.

Kompetenzbeschreibungen, die sich auf fachwissenschaftliche Inhalte (linke Spalte) bezie-hen, sind mit Kompetenzbeschreibungen aus den Bereichen Erkenntnisgewinnung, Kommu-nikation und Bewertung (rechte Spalte) verknüpft, so dass der Erwerb von Fachwissen mit dem Erwerb prozessbezogener Kompetenzen verbunden wird. Alle Kompetenzbeschreibun-gen sind verbindlich.

Die Basisbegriffe geben den Grad der Vertiefung und die Breite der Behandlung eines The-mas an. Insofern sind sie als verpflichtend zu verstehen. Hilfestellung für die Art der Bearbei-tung einer Aufgabe sowie für die Einstufung des Anforderungsniveaus der Kompetenzerwar-tungen geben die in den entsprechenden Beschreibungen eingesetzten Operatoren. Diese sind verbindlich. Sie sind im Anhang aufgelistet und umschrieben. Eine eindeutige Zuord-nung von Operator und Anforderungsniveau ist allerdings weder beabsichtigt noch möglich.

Die Hinweise, die sich im Anschluss an die Basisbegriffe befinden, sind nicht verbindlich. Es handelt sich vielmehr um Vorschläge für die didaktisch-methodische Vorgehensweise bzw. um Erläuterungen zu Inhalten, die (noch) nicht in der erforderlichen Tiefe in den üblicher-weise eingesetzten Schulbüchern dargestellt sind.

Die umfassenden Formulierungen der Hinweise sollen den Lehrkräften eine Hilfe sein, um sowohl den Umfang als auch die Tiefe der Lehrplaninhalte zu verdeutlichen.

Es empfiehlt sich, die Inhalte in der im Lehrplan vorgeschlagenen Reihenfolge zu behandeln, da die Inhalte der Unterrichtseinheiten innerhalb eines Themenfeldes ineinander übergreifen, und so sinnvoll miteinander verknüpft werden können. Im Hinblick auf eventuelle Wiederho-lerinnen bzw. Wiederholer sollte eine Verschiebung von Inhalten über die Halbjahre hinweg möglichst vermieden werden.

Evolution als Erklärungsprinzip

Das Verständnis der Evolutionstheorie sollte zur Allgemeinbildung gehören, denn die Evolu-tionstheorie ist eine der bedeutendsten Theorien der Naturwissenschaften. Sie kann die enorme Vielfalt des Lebens faszinierend überzeugend und dabei einfach erklären.

Ohne Verständnis der Evolution bleibt den Lernenden eine wesentliche theoretische Basis für biologisches Faktenwissen und für das Verständnis komplexer biologischer Zusammen-hänge verschlossen. Der Unterricht im Fach Biologie unterstützt Schülerinnen und Schüler dabei, ein tieferes Verständnis von wissenschaftlichen Vorstellungen zu entwickeln. Dies kann dadurch gefördert werden, dass Evolution nicht nur als abgeschlossenes Thema, son-dern als durchgehendes Erklärungsprinzip im Biologieunterricht verwendet wird.

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Bildung für nachhaltige Entwicklung

Die Thematik Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) wird als Querschnittsaufgabe in den Themenfeldern inhaltlich berücksichtigt, ohne in jedem Fall ausdrücklich ausgewiesen zu werden.

Berufliche Orientierung

Zur Konkretisierung des schulischen Auftrages hat das Ministerium für Bildung und Kultur die Richtlinien zur Berufs- und Studienorientierung an allgemeinbildenden Schulen im Saarland in Kraft gesetzt. Berufliche Orientierung nach der Konzeption dieser Richtlinien wird verstan-den als ein individueller Prozess der Annäherung und Abstimmung zwischen den eigenen Interessen, Stärken und Wünschen sowie den eigenen Einstellungen und Orientierungen der Schülerinnen und Schüler auf der einen Seite und den Möglichkeiten, Bedarfen und Anforde-rungen der Arbeits- und Berufswelt auf der anderen Seite.

Auch für die gymnasiale Oberstufe ist die Berufs- und Studienorientierung ein zentraler Auf-trag. Eine modular aufgebaute Konzeption greift die berufsorientierenden Inhalte und Maß-nahmen in der Sekundarstufe I auf und führt sie im Sinne einer Berufs- und Studienorientie-rung vertiefend weiter.

Berufliche Orientierung zielt immer auf die Wahl eines Berufes oder einer Tätigkeit ab. Der Weg dorthin muss von den Schülerinnen und Schülern individuell geplant werden. Dafür ist es erforderlich, einerseits die vielfältigen Möglichkeiten wie beispielsweise duale Ausbildung, Studium oder duales Studium zu kennen. Darüber hinaus sollten den Schülerinnen und Schülern Berufsbilder bekannt sein.

Das Fach Biologie kann dazu einen Beitrag leisten, indem fachbezogen Berufsbilder thema-tisiert werden und die Schülerinnen und Schüler dazu angehalten werden, sich damit ausei-nanderzusetzen.

Hilfestellung für vertiefte Maßnahmen der Beruflichen Orientierung gibt das Handbuch „Be-rufliche Orientierung wirksam begleiten“. Informationen zu Berufen sind auf den Internetsei-ten der Bundesagentur für Arbeit unter https://berufenet.arbeitsagentur.de zu finden.

Medienkompetenz

Das Fach Biologie hat wie alle Fächer auch den Auftrag, Medienkompetenz zu vermitteln. Für den schulischen Bereich gilt, dass das Lehren und Lernen in der digitalen Welt dem Pri-mat des Pädagogischen – also dem Bildungs- und Erziehungsauftrag – folgen muss. Das heißt, dass die Berücksichtigung des digitalen Wandels dem Ziel dient, durch Veränderun-gen bei der inhaltlichen und formalen Gestaltung von Lernprozessen die Stärkung der Selbstständigkeit zu fördern und individuelle Potenziale im Rahmen einer inklusiven Bildung auch durch Nutzung digitaler Lernumgebungen besser zur Entfaltung zu bringen. Folgende Kompetenzen sind für den Biologieunterricht wichtig:

Kinder und Jugendliche sind in der Lage,

Medien zu bedienen und diese als Informations- und Kommunikationsinstrumente ein-zusetzen (z. B. Handy als Messinstrument) sowie Präsentationen zu erstellen, Medienin-halte zu produzieren (z. B. Darstellung von Ergebnissen) und mit Medien zu kommunizie-ren,

Wechselwirkungen zwischen virtueller und materieller Realität (z. B. Modellbetrachtun-gen) zu begreifen sowie Medien im gesellschaftlichen Zusammenhang zu reflektieren (z. B. bei der Bewertung von Sachverhalten),

mit den eigenen und fremden Daten und mit den Anforderungen des Urheberrechts ver-antwortungsbewusst umzugehen, wenn es beispielsweise darum geht, Texte, Musik, Vi-

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deos oder Fotos aus dem Internet zu verwenden oder zu veröffentlichen (z. B. bei Prä-sentationen),

Inhalte von Medien als Konsumentin und Konsument und kritisch zu beurteilen und Me-dieninhalte auf ihre Seriosität hin zu bewerten (z. B. bei Recherchen),

digitale Produkte selbstständig zu erstellen und ein grundlegendes Verständnis von digi-talen Prozessen zu entwickeln (z. B. Dokumentation von Experimenten),

bei der Produktion eigener Medieninhalte grundlegende dramaturgische wie ästhetische Gesichtspunkte anzuwenden (z. B. beim Erstellen einer Präsentation).

In den Lehrplänen für das Fach Biologie in der gymnasialen Oberstufe wurden die Strategie der Kultusministerkonferenz „Bildung in der digitalen Welt“ sowie das saarländische „Lan-deskonzept Medienbildung an saarländischen Schulen“ fachbezogen berücksichtigt ohne ausdrücklich ausgewiesen zu werden.

Zur Einführungsphase der gymnasialen Oberstufe

Der Lehrplan für die Einführungsphase gliedert sich in zwei große Themenfelder, die wiede-rum einzelne Unterrichtseinheiten enthalten.

Das Interesse und die Neugier der Schülerinnen und Schüler sollten zu Beginn durch das Bewusstmachen der enormen Vielfalt der Organismen auf der Erde geweckt werden. Die Zelle als kleinste „Baueinheit“ und gemeinsames Merkmal steht im Vordergrund des ersten Themenfeldes „Zellbiologie und Stoffwechsel“. Die Schülerinnen und Schüler beschäftigen sich neben ausgewählten Zellorganellen mit der Biomembran, die man als Voraussetzung für das Entstehen von Leben versteht. Anschließend wird der Stofftransport durch Biomembra-nen behandelt.

Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass Energie ein zentrales Konzept der Biologie darstellt, das im der GOS insbesondere beim Stofftransport sowie auch bei Stoffwechselre-aktionen vertieft betrachtet wird.

Das zweite Themenfeld der Einführungsphase das mit „Vermehrung, Vielfalt und Vererbung“ überschrieben ist, spannt nochmal den Bogen zum Beginn der Einführungsphase. Hier ler-nen die Schülerinnen und Schüler, inwiefern die geschlechtliche Fortpflanzung die geneti-sche Vielfalt der Individuen innerhalb der Arten bewirkt. Dadurch ist die Einführungsphase einerseits ein großes in sich abgeschlossenes und abgerundetes Kapitel.

Zur Hauptphase der gymnasialen Oberstufe

Die fachbezogenen Kompetenzen der Einführungsphase bilden die Grundlage für den Kom-petenzerwerb in der Hauptphase der gymnasialen Oberstufe und werden daher vorausge-setzt, auch wenn eine Wiederholung nicht explizit im Lehrplan ausgewiesen ist. Einige Inhal-te der Einführungsphase werden in der Hauptphase der gymnasialen Oberstufe auf erhöh-tem Niveau weitergeführt.

Themenfelder der Hauptphase sind Stoffwechsel, Reizphysiologie, Geschichte und Ver-wandtschaft, Evolution als ökologischer Prozess sowie Genetik. Wiederholungen von einzel-nen Inhalten (z. B. „Art“) sind beabsichtigt. Sie sollen dazu beitragen, Inhalte aus unter-schiedlichen Sichtweisen bzw. in unterschiedlichen Kontexten zu betrachten. Ein ganzheitli-ches Verständnis komplexer biologischer Sachverhalte unter Einbeziehung von Querbezü-gen soll auf diese Weise ermöglicht werden.

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Themenfelder der gymnasialen Oberstufe

Themenfelder Einführungsphase Biologie

Z Zellbiologie und Stoffwechsel 65 Prozent

Z 1 Lebewesen bestehen aus Zellen und Zellprodukten

Z 2 Zellen sind durch Biomembranen begrenzt

Z 3 Durch die Biomembranen hindurch erfolgt Stofftransport

Z 4 Stoffwechselvorgänge liefern oder benötigen Energie

V Vermehrung, Vererbung, Vielfalt 35 Prozent

V1 Zellen vermehren sich durch Teilung

V2 Geschlechtliche Fortpflanzung führt zu vermehrter genetischer Vielfalt

Themenfelder 1. Halbjahr der Hauptphase Biologie LK

S Stoffwechsel 90 Prozent

S 1 Enzymatik

S 2 Assimilation

S 3 Dissimilation

R Reizphysiologie I 10 Prozent

R 1 Reizbarkeit als Kennzeichen des Lebendigen

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hemenfelder Hauptphase der gymnasialen Oberstufe


R Reizphysiologie II 50 Prozent

R 2 Erregungsleitung

R 3 Erregungsübertragung und Erregungsverarbeitung

R 4 Einflüsse auf die Funktionsweise des Nervensystems

V Geschichte und Verwandtschaft 30 Prozent

V 1 Vielfalt und Verwandtschaft der Lebewesen

V 2 Erdgeschichte ist Lebensgeschichte

Ö Evolution als ökologischer Prozess I 20 Prozent

Ö 1 Stoff- und Energieflüsse in Ökosystemen


Ö Evolution als ökologischer Prozess II 65 Prozent

Ö 2 Evolution als ökologischer Prozess

Ö 3 Artbildung

Ö 4 Exkursion in die Natur

Ö 5 Dynamik von Ökosystemen

G Genetik I 35 Prozent

G 1 Struktur des Erbmaterials

G 2 Vom Gen zum Merkmal

G 3 Steuerung der Genaktivität

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G Genetik II 100 Prozent

G 4 Viren programmieren ihre Wirtszelle um

G 5 Merkmale und die Vererbung von Genen

G 6 Variabilität und biologische Fitness

G 7 Allelhäufigkeit und Artbildung

G 8 Gezielte Eingriffe in die Gene. Molekularbiologische Methoden und ihre Anwendungen

G 9 Gezielte Eingriffe in die Gene. Gentechnische Methoden und ihre Anwendungen

G 10 Züchtung

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Stoffwechsel Biologie Hauptphase LK

Die Kenntnis physiologischer Prozesse ist die Voraussetzung für das Verständnis von Le-bensvorgängen. Durch die Betrachtung grundlegender Vorgänge auf zellulärer und moleku-larer Ebene erweitern und vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihre Kenntnisse über den Stoff- und Energieumsatz in Organismen.

Das vorliegende Themenfeld wird durch die Unterrichtseinheit „Enzymatik“ eingeleitet. Die Lernenden erfahren, dass sämtliche Stoffwechselvorgänge erst durch das Mitwirken von Enzymen ermöglicht werden Die Unterrichtseinheit wird durch die Betrachtung der Zerlegung der Nährstoffe und der daran beteiligten Verdauungsenzyme begonnen. Nach Bau und Wir-kungsweise der Enzyme wird die Abhängigkeit der Enzymaktivität von verschiedenen Fakto-ren thematisiert.

In den sich der Enzymatik anschließenden Unterrichtseinheiten geht es um die Stoffwechsel-vorgänge der Assimilation und Dissimilation. Die anoxygene Fotosynthese steht am Anfang der hier behandelten Stoffwechselwege. Der Schritt von dieser Form der Fotosynthese, bei der kein Sauerstoff gebildet wird, zu der den Schülerinnen und Schüler bekannten oxygenen Fotosynthese wird näher beleuchtet und steht exemplarisch für den Ablauf der Evolution. In diesem Rahmen wird auch die Bedeutung der Coenzyme NAD+ (NADP+) und ATP (letzteres wiederholend aus der Einführungsphase) für das Stoffwechselgeschehen herausgestellt. Der durch die oxygene Fotosynthese gestiegene Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre ermöglich-te nun aerobe Stoffwechselvorgänge. Die aus den vorherigen Klassenstufen nur als Sum-mengleichung bekannte Zellatmung wird an dieser Stelle ausführlich behandelt. Exempla-risch für die verschiedenen Gärungsarten lernen die Schülerinnen und Schüler die alkoholi-sche Gärung sowie die Milchsäuregärung kennen.

Das Themenfeld Stoffwechsel zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Schülerexperimen-ten aus. Dabei dienen die Experimente nicht nur der Erkenntnisgewinnung, sondern auch der Veranschaulichung biologischer Phänomene und damit der Motivation der Schülerinnen und Schüler.

Folgende Basiskonzepte kommen in diesem Themenfeld im Wesentlichen zum Tragen:

Kompartimentierung Lebende Systeme zeigen abgegrenzte Reaktionsräume.

Stoff- und Energieumwandlung Lebewesen sind offene Systeme; sie sind gebunden an Stoff- und Energieumwandlungen.

Geschichte und Verwandtschaft Ähnlichkeit und Vielfalt von Lebewesen sind das Ergebnis stammesgeschichtlicher Ent-wicklungsprozesse.

Struktur und Funktion Lebewesen und Lebensvorgänge sind an Strukturen gebunden; es gibt einen Zusam-menhang von Struktur und Funktion.

Entwicklung Lebendige Systeme verändern sich in der Zeit. Sie sind also durch Entwicklung gekenn-zeichnet. Es werden die Individualentwicklung und die evolutionäre Entwicklung unter-schieden.

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Fachwissen Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung

S 1 Enzymatik

S 1.1

Die Schülerinnen und Schüler

geben an, dass der Begriff „Stoff-wechsel“ die Aufnahme von Stoffen, deren Reaktion zu anderen Stoffen sowie die Abgabe von Abfallstoffen umfasst,


ordnen den Verdauungsschritten im menschlichen Organismus die Ver-dauungsorgane sowie die jeweiligen Enzyme zu,

S 1.2 beschreiben Enzyme als Biokatalysa-toren (Beschleunigen von Reaktio-nen, unverändertes Hervorgehen aus der Reaktion) von Stoffwechselreak-tionen,

stellen die enzymkatalysierte Zerle-gung der Nährstoffe Kohlenhydrate, Proteine und Fette in Symbol-schreibweise dar, (1)

S 1.3 führen Experimente durch zum en-zymatischen Abbau von Kohlen-hydraten, Proteinen und Fetten, (2)

S 1.4 beschreiben den Bau von Enzymen als modellhafte Darstellung (Ho-loenzym, Apoenzym, Coenzym, akti-ves Zentrum),

werten Abbildungen und Texte aus zur Funktionsweise eines Enzyms nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip (Enzym-Substrat-Komplex, katalyti-scher Zyklus),

S 1.5 erläutern die Grundlagen der Benen-nung von Enzymen,

S 1.6 erläutern die Substratspezifität und die Wirkungsspezifität von Enzymen,

führen ein Experiment durch zur Substratspezifität von Enzymen, (3)

S 1.7 erläutern die Katalyse durch Enzyme als chemische Reaktion von Substrat und Enzym, die eine niedrigere Akti-vierungsenergie hat als die Reaktion des Substrats ohne Enzym,

zeichnen und erläutern ein gemein-sames Energiediagramm für eine en-zymkatalysierte und eine nicht-katalysierte chemische Reaktion,

S 1.8 führen Experimente durch zur Reak-tion von Wasserstoffperoxid zu Sau-erstoff und Wasser ohne und mit Ka-talysator. (4)

S 1.9 beschreiben modellhaft die Struktur von Enzymen als Proteine (Pri-märstruktur, Sekundärstruktur, Terti-ärstruktur). (5)

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S 1.10


erklären den Einfluss des pH-Wertes auf die Enzymaktivität (pH-Optimum, Denaturierung),


führen ein Experiment durch zum Einfluss des pH-Werts auf die En-zymaktivität, (6)

S 1.11 erklären den Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität (T-Optimum, RGT-Regel, Denaturie-rung),

führen ein Experiment durch zum Einfluss der Temperatur auf die En-zymaktivität, (7)

S 1.12 geben eine Umschreibung für „Reak-tionsgeschwindigkeit“ an, (8)

werten Diagramme aus zur Enzymak-tivität biokatalysierter Reaktionen in Abhängigkeit verschiedener Milieu-bedingungen (pH-Wert, Temperatur),

S 1.13 erläutern die kompetitive Enzym-hemmung,

S 1.14 erläutern die allosterische Enzym-hemmung,

S 1.15 erläutern die Schwermetall-Hemmung von Enzymen.

führen ein Experiment durch zur Schwermetall-Hemmung von Enzy-men. (9)

S 2 Assimilation

S 2.1


geben an, dass der oxygenen Foto-synthese evolutionär die anoxygene Fotosynthese vorausging,


S 2.2 beschreiben die anoxygene Fotosyn-these als Oxidation von Schwefel-wasserstoff unter Bildung von Schwe-fel,

erläutern anhand eines Schemas die anoxygene Fotosynthese am Beispiel der Cyanobakterien bei Anwesenheit von Schwefelwasserstoff, (10)

S 2.3 geben die Cyanobakterien als erste oxygene Fotosynthese betreibende Organismen an,

recherchieren und beschreiben die Bedeutung der Cyanobakterien für die Entwicklung weiteren Lebens. (11)

S 2.4 geben die oxygene Fotosynthese als fotoautotrophe Form der Assimilation an.

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S 2.5


geben an, dass in grünen Pflanzen Chloroplasten Fotosynthese betrei-ben,


beschreiben anhand einer Abbildung den Aufbau eines Laubblattes im Querschnitt,

S 2.6 geben die Entstehung der Chloro-plasten nach der Endosymbionten-theorie an,

stellen den Feinbau eines Chloro-plasten in einer beschrifteten Sche-mazeichnung dar,

S 2.7 geben die Summengleichung der Fotosynthese an,

S 2.8 geben an, dass die bei der Fotosyn-these gebildete Glucose teilweise in Form von Stärke in den Chloroplas-ten gespeichert wird,

führen ein Experiment durch zum Stärkenachweis in panaschierten Blättern, (12)

S 2.9 nennen Chlorophyll a und b, Carotine sowie Xanthophylle als Blattfarbstof-fe,

S 2.10 führen ein Experiment durch zur Ex-traktion der Blattfarbstoffe und zur Chromatografie des Blattfarbstoffex-traktes, (13)

S 2.11 beschreiben eine Versuchsanord-nung zur Aufnahme des Absorptions-spektrums von Chlorophyll a,

vergleichen das Absorptionsspektrum von Chlorophyll a mit dem Wirkungs-spektrum der Fotosynthese,

S 2.12 geben die Fotoreaktion und die Syn-thesereaktion als Teilreaktionen der Fotosynthese an, (14)

ordnen den Teilreaktionen Orte im Chloroplasten zu.

S 2.13 beschreiben die Funktion der Foto-systeme, (15)

S 2.14 geben die Summengleichung der Fotolyse des Wassers an,

S 2.15 geben die Definitionen für Oxidation und Reduktion an. (16)

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S 2.16


erläutern die Fotoreaktion der Foto-synthese sowie die Elektronentrans-portkette in der Thylakoidmembran,


beschreiben anhand einer Abbildung die Elektronentransportkette als Ab-folge von Abgabe und Aufnahme von Elektronen (Redoxreaktionen) durch Redoxsysteme in der Thylakoid-Membran, (17)

S 2.17 stellen mit Hilfe einer Reaktionsglei-chung die Reduktion des Coenzyms NADP+ am Ende der Elektronen-transportkette dar,

S 2.18 geben NADP+ (NAD+) als oxidierte Form und NADPH (NADH) als redu-zierte Form des Coenzyms NADP+/NADPH (NAD+/NADH) an,

stellen die Kopplung von Oxidationen und Reduktionen durch NADP+/NADPH (NAD+/NADH) an-hand eines Pfeildiagramms schema-tisch dar,

S 2.19 geben an, dass bei der Fotoreaktion ein Teil der frei werdenden Energie zur Bildung von ATP genutzt wird,

deuten anhand von Reaktionsglei-chungen die Hydrolyse von ATP bzw. Phosphorylierung von ADP als Prin-zip der Energieübertragung,

S 2.20 erläutern das Prinzip der Kopplung von Energie liefernden und Energie nutzenden Vorgängen durch den uni-versellen Energieüberträger ATP über zeitliche und räumliche Distan-zen,

stellen die Kopplung von Energie liefernden und Energie nutzenden Reaktionen durch ATP/ADP anhand eines Pfeildiagramms schematisch dar,

S 2.21 benennen den Mechanismus der ATP-Synthese an der Thylakoid-membran als Chemiosmose,

S 2.22 stellen wesentliche Reaktionen im Calvin-Zyklus schematisch dar, (18)

S 2.23 geben die Stoffbilanz und die Ener-giebilanz der Fotosynthese an,

stellen die Zusammenhänge zwi-schen Fotoreaktion und Synthesere-aktion der Fotosynthese schematisch dar.

S 2.24 geben die Sauerstoffbildung (in ml pro Zeiteinheit und Blattfläche) als Maß für die Fotosyntheserate an.

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S 2.25


erläutern die Abhängigkeit der Foto-syntheserate von der CO2-Konzentration,


führen ein Experiment durch zur CO2-Abhängigkeit der Fotosynthese, (19)

S 2.26 werten Diagramme aus zur Abhän-gigkeit der Fotosyntheserate von der CO2-Konzentration,

S 2.27 erläutern die Abhängigkeit der Foto-syntheserate von der Lichtstärke,

führen Experimente durch zur Lichtabhängigkeit der Fotosynthese, (20)

S 2.28 geben die Definition des Lichtkom-pensationspunktes an,

werten Diagramme aus zur Abhän-gigkeit der Fotosyntheserate von der Lichtstärke,

S 2.29 vergleichen Licht- und Schattenpflan-zen anhand von Abbildungen bzgl. Morphologie und Anatomie der Laub-blätter,

S 2.30 benennen Organismen, die kein Licht, sondern Energie liefernde chemische Reaktionen als Energie-quelle zum Aufbau organischer Stoffe nutzen, als chemoautotroph.

recherchieren ein Beispiel für Chemosynthese betreibende Bakte-rien, (21)

S 2.31 vergleichen Chemosynthese und Fo-tosynthese bezüglich Energiequelle, C-Quelle und Bildung der Kohlen-hydrate.

S 3 Dissimilation

S 3.1


geben die Zellatmung als bedeuten-den Stoffwechselweg der Dissimilati-on an,


S 3.2 nennen Cytoplasma und Mitochondrium als Orte der Zellat-mung,

stellen den Feinbau des Mitochondri-ums anhand einer beschrifteten Schemazeichnung dar.

S 3.3 geben die Summengleichung der Zellatmung mit Energieumsatz an.

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S 3.4


geben die grundsätzlichen Unter-schiede zwischen der Verbrennung von Zucker und der Zellatmung (bio-logische Oxidation) an, (22)


erläutern anhand von Abbildungen und/oder Texten einen Versuch zur Oxidation (Verbrennung) von Zucker, (23)

S 3.5 geben als Bedeutung der Zellatmung die Bereitstellung von Energie in Form von ATP an,

ordnen die Schritte der Zellatmung (Glykolyse, Bildung der aktivierten Essigsäure, Citratzyklus und Atmungskette/Endoxidation) den Re-aktionsorten zu,

S 3.6 beschreiben die Glykolyse als Vor-gang, bei dem nach einer Energiein-vestitionsphase (Verbrauch von ATP durch Aktivierung der Glucose) in der Ertragsphase ATP durch Sub-stratphosphorylierung gewonnen wird, (24)

stellen die Reaktionen der Glykolyse in vereinfachter Form unter Verwen-dung der Strukturformeln des C6-Körpers Glucose und des C3-Körpers Pyruvat dar (s. Schema in Basisbe-griffe),

S 3.7 beschreiben den weiteren Abbau des C3-Körpers Pyruvat unter Bildung der aktivierten Essigsäure (C2) zum Ein-schleusen in den Citratzyklus, (25)

stellen die Reaktion der Bildung der aktivierten Essigsäure unter Verwen-dung von Strukturformeln dar (s. Schema in Basisbegriffe),

S 3.8 beschreiben den Citratzyklus als Kreisprozess, der mit der Übertra-gung der aktivierten Essigsäure (C2) auf einen C4-Körper unter Bildung eines C6-Körpers beginnt,

stellen die Reaktionen des Citratzyklus in vereinfachter Form dar (s. Schema in Basisbegriffe),

S 3.9 geben an, dass bei dem Citratzyklus vom C6-Körper zweimal Kohlenstoff-dioxid abgespalten wird unter Rege-neration des C4-Körpers, der nun zur weiteren Aufnahme von aktivierter Essigsäure zur Verfügung steht,

S 3.10 geben an, dass bei den Reaktionen von Citrat (C6) zu Oxalacetat (C4) vor allem Wasserstoff übertragende Coenzyme in Form von NADH und FADH2 gebildet werden, die im nächsten Schritt der Zellatmung ver-wendet werden.

ermitteln die Energiebilanz nach den drei ersten Schritten der Zellatmung für NADH, FADH2 und ATP bezogen auf 1 mol Glucose. (26)

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S 3.11


beschreiben die Vorgänge der Atmungskette/Endoxidation, (27)


erläutern die Bildung von ATP mit Hilfe der ATP-Synthase durch Che-miosmose anhand einer schemati-schen Darstellung (s. Schema in Ba-sisbegriffe),

S 3.12 benennen den Mechanismus der ATP-Synthese an der Mitochondrien-Innenmembran als „Chemiosmose“,

vergleichen die Chemiosmose der Zellatmung mit der Chemiosmose der Fotosynthese,

S 3.13 erläutern den Zusammenhang zwi-schen der Oxidation von NADH sowie von FADH2 (Endoxidation) und der Bildung von ATP,

ermitteln die Energiebilanz der Atmungskette,

S 3.14 geben den Wirkungsgrad der Zellat-mung an durch Vergleich der ATP-Bilanz mit dem Brennwert der Gluco-se,

ermitteln die Gesamtenergiebilanz der Zellatmung, (28)

S 3.15 unterscheiden bei der Hemmung der Atmungskette zwischen Blockierung sowie Entkopplung der Atmungskette,

erläutern anhand von Texten und Abbildungen die Wirkungsweise ver-schiedener Hemmstoffe der Atmungskette,

S 3.16 geben die Gärung als anaeroben Stoffwechselweg der Dissimilation an,

recherchieren Beispiele für Gärungen und geben die jeweiligen Produkte an,

S 3.17 geben jeweils die Summengleichung der alkoholischen Gärung sowie der Milchsäuregärung an, (29)

S 3.18 erläutern den Nutzen der alkoholi-schen Gärung sowie der Milchsäu-regärung,

führen jeweils ein Experiment durch zur alkoholischen Gärung (Herstel-lung von Hefeteig) und zur Milchsäu-regärung (Herstellung von Joghurt),

S 3.19 stellen die Reaktionen der alkoholi-schen Gärung sowie der Milchsäu-regärung in vereinfachter Weise mit Strukturformeln dar,

S 3.20 nennen die Glykolyse als erste Phase der Gärung.

deuten die der Glykolyse nachfolgen-den Reaktionen der Gärung als Re-generation des NAD+, das danach als Oxidationsmittel wieder zur Verfü-gung steht.

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S 3.21


stellen die Stoffwechselwege der As-similation und der Dissimilation in ei-nem Schema übersichtlich dar. (30)

Basisbegriffe

S 1 Enzymatik

Kohlenhydrate, Polysaccharide, Disaccharide, Monosaccharide, Stärke, Maltose, Glucose, Protein, Aminosäure, Fett, Glycerol, Fettsäure, Amylase, Maltase, Pepsin, Lipase, Enzym, Biokatalysator, Katalase, Aktivierungsenergie, Holoenzym, Apoenzym, Coenzym, Pri-

märstruktur, Aminosäuresequenz, Sekundärstruktur, -Helix, -Faltblatt, Tertiärstruktur, Schlüssel-Schloss-Prinzip, Substrat, aktives Zentrum, Enzym-Substrat-Komplex, katalyti-scher Zyklus, Wirkungsspezifität, Substratspezifität, Reaktionsgeschwindigkeit, pH-Optimum, RGT-Regel, Denaturierung, Enzymaktivität, Temperaturoptimum, kompetitive Hemmung, allosterische Hemmung, irreversible Hemmung, Enzymvergiftung

S 2 Assimilation

anoxygene Fotosynthese, oxygene Fotosynthese, Cyanobakterien, Endosymbiontentheorie, Chloroplast, Fotosynthese, Assimilation, autotroph, fotoautotroph, Glucose, ADP/ATP, NAD+/NADH, NADP+/NADPH, Cuticula, Epidermis, Palisadengewebe, Schwammgewebe, Spaltöffnung, Leitbündel, Thylakoid, Stroma, Chloroplasten-DNA, äußere Chloroplasten-membran, innere Chloroplastenmembran, Intermembranraum, Stromathylakoid, Granathyla-koid, Grana, Stärkekorn, Lugolsche Lösung, Sättigungskurve, Sättigungspunkt, Fotosynthe-serate, Lichtkompensationspunkt, Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotine, Xanthophylle, Chromatografie, Absorptionsspektrum, Wirkungsspektrum, Fotosystem I, Fotosystem II, Re-aktionszentren P700 und P680, Lichtsammelfalle/Hilfspigmente, Elektronentransportkette, Elektronentransport, Cytochrom, Wasserstoffionengradient, pH-Gradient, ATP-Synthase, Fotolyse des Wassers, Oxidation, Reduktion, Lichtreaktion, Primärreaktion, Synthesereakti-on, Sekundärreaktion, Calvin-Zyklus, CO2-Fixierung, Reduktionsphase, Regeneration des Akzeptormoleküls, Ribulose-1,5-bisphosphat, RuBisCo, Phosphoglycerinsäure, Phosphogly-cerinaldehyd, Chemosynthese, chemoautothroph, heterotroph

S 3 Dissimilation

Dissimilation, Zellatmung, Mitochondrien, Matrix, äußere Mitochondrienmembran, innere Mitochondrienmembran, Intermembranraum, mitochondriale DNA, Cristae, Glykolyse, Glu-cose, Brenztraubensäure, Pyruvat, Bildung der aktivierten Essigsäure, Acetyl-Coenzym A, aktivierte Essigsäure, Citratzyklus, TCC, Zitronensäure-Zyklus, Zitronensäure, Citrat, Oxa-lessigsäure, Oxalacetat, Atmungskette, Elektronen, Elektronentransportkette, Konzentrati-onsgefälle, Wasserstoffionengradient, pH-Wert, pH-Gradient, ATP-Synthase, Chemiosmose, Wirkungsgrad, ATP-Bilanz, Dinitrophenol, braunes Fettgewebe, Cyanid, Kohlenstoffmonoxid, aerob, anaerob, Gärung, alkoholische Gärung, Ethanal, Ethanol, Milchsäuregärung, Milch-säure, Lactat

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Basisbegriffe

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Basisbegriffe

Schema der alkoholischen Gärung:

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Basisbegriffe

Schema der Milchsäuregärung:

Hinweise

S1 Enzymatik

(1) Die Nährstoffe sollen hier nicht als Strukturformeln dargestellt werden. Eine symbo-lische Darstellung, die den Aufbau aus den Einzelbausteinen widerspiegelt, ist zum Verständnis des enzymatischen Abbaus der Nährstoffe ausreichend.

(2) enzymatischer Abbau von ...

Kohlenhydraten: Abbau einer Stärkelösung durch Speichel/Amylase; Nachweis

der Stärke durch Lugolsche Lösung.

Proteinen: Abbau von Gelatine (Gummibärchen) durch Bromelain (Enzym aus der Ananas).

Fetten: Abbau von Milchfett durch Lipase; Nachweis der Fettsäuren durch Entfärbung von Phenolphthalein.

(3) enzymatische Spaltung des Substrates Harnstoff durch Urease (gewonnen aus Sojabohnen); Thioharnstoff als nicht umsetzbares Substratanalogon.

(4) Spaltung von Wasserstoffperoxid durch anorganische Katalysatoren (z. B. Kalium-iodid KI oder Braunstein MnO2) und organische Katalysatoren (Enzym Katalase aus Hefe, Kartoffeln und/oder Leber)

(5) Primärstruktur: Aminosäure-Sequenz

Sekundärstruktur: -Helix- und -Faltblatt-Struktur

Tertiärstruktur: räumliche Struktur des Proteins durch Ausbildung von intramo-lekularen Bindungen und Wechselwirkungen

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Hinweise

(6) Hier bietet es sich an, das Experiment aus S 1.8 aufzugreifen und den Versuch ‚Ka-talase + Wasserstoffperoxid’ ohne Zusatz von Säure oder Lauge, in Anwesenheit von Salzsäure und in Anwesenheit von Natronlauge durchzuführen.

(7) Die Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität kann gezeigt werden, indem man den Versuch ‚Katalase + Wasserstoffperoxid’

bei Raumtemperatur,

nach Erhitzen der Katalase,

nach Kühlen von Katalase und von Wasserstoffperoxid in Eiswasser

durchführt.

(8) Reaktionsgeschwindigkeit kann hier als Menge des umgesetzten Substrats bzw. Menge des gebildeten Produkts pro Zeiteinheit und als Synonym für den Begriff „Enzymaktivität“ umschrieben werden.

(9) Als Experiment zur Demonstration der Enzymhemmung durch Schwermetallionen kann der Versuch ‚Katalase + Wasserstoffperoxid’ in Anwesenheit eines Kupfersal-zes durchgeführt werden.

S 2 Assimilation

(10) Bei der im Vergleich zur oxygenen (Sauerstoff bildenden) Fotosynthese evolutionär älteren anoxygenen (kein Sauerstoff bildenden) Fotosynthese wird von Bakterien (z. B. Schwefelpurpurbakterien) nicht Wasser, sondern Schwefelwasserstoff gespal-ten.

Zur Schwefelwasserstoff-Spaltung reicht ein einziges Fotosystem, wohingegen zur Spaltung des Wassermoleküls zwei hintereinander geschaltete Fotosysteme not-wendig sind. Dies liegt daran, dass sich die Bindungen im Schwefelwasserstoffmo-lekül leichter spalten lassen als die Bindungen im Wassermolekül, da das größere Schwefelatom die Wasserstoffatome weniger stark bindet als das Sauerstoffatom.

2 H2O Lichtenergie 4 H+ + O2 + 4 e-

H2S Lichtenergie 2 H+ + S + 2 e-

(11) Das Vorhandensein zweier Fotosysteme machte die Fotosynthese betreibenden Organismen (z. B. Cyanobakterien) von Schwefelwasserstoff unabhängig. Diese Organismen nutzen das unbegrenzt zur Verfügung stehende Wasser als Wasser-stoffdonator. Der durch diese oxygene Fotosynthese gebildete Sauerstoff änderte die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und machte die aerobe Zellatmung zur Energiegewinnung möglich.

(12) Blätter einige Tage belichten; Stärkenachweis mit Lugolscher Lösung

(13) Zur Chromatografie sind Basilikumblätter und Spinatblätter besonders geeignet.

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Hinweise

(14) Die in manchen Lehrbüchern noch verwendeten Begriffe „Lichtreaktion“ und „Dun-kelreaktion“ bzw. „lichtabhängige Reaktion“ und „lichtunabhängige Reaktion“ sind als Bezeichnungen für die Teilreaktionen der Fotosynthese nicht zutreffend, da der Calvinzyklus weder in Dunkelheit abläuft, noch vom Licht unabhängig ist. Zum ei-nen kann der Calvin-Zyklus nur ablaufen, wenn die Produkte der lichtabhängigen Reaktion zur Verfügung stehen, zum anderen sind die Enzyme des Calvin-Zyklus nur bei Licht aktiv. Daher erscheinen die Begriffe „Fotoreaktion“ und „Synthesereak-tion“ als Teilreaktionen der „Foto-Synthese“ für die Schülerinnen und Schüler erhel-lend und lernförderlich.

(15) Funktion der Fotosysteme: Absorption von Licht durch Chlorophyll-Moleküle, Wei-terleitung der Energie, Anregung der Elektronen in Chlorophyll-Molekülen und Ab-gabe der Elektronen an andere Redoxsysteme.

(16) Oxidation: Aufnahme von [O], Abgabe von [H], Abgabe von Elektronen

Reduktion: Abgabe von [O], Aufnahme von [H], Aufnahme von Elektronen

(17) Zum besseren Verständnis der Elektronentransportkette bietet es sich an, den Schülerinnen und Schülern den Begriff „Redoxpotenzial“ mit Hilfe des Begriffs „Elektronenaffinität“ (Bestreben, Elektronen aufzunehmen) nahe zu bringen. Dem-nach ist die Elektronenaffinität umso größer, je geringer das Redoxpotenzial ist. Der primäre Elektronenakzeptor (das dem Fotosystem benachbarte Redoxsystem) hat nach dem angeregten Chla-Molekül des Reaktionszentrums das größte Redoxpo-tenzial, gibt also am leichtesten Elektronen ab, während das letzte Redoxsystem der Elektronentransportkette das geringste Redoxpotenzial, also die höchste Elektronenaffinität besitzt und damit am leichtesten Elektronen aufnimmt.

(18) Der Calvin-Zyklus soll durch folgende Reaktionsschritte (ohne Strukturformeln) be-schrieben werden:

Carboxylierung von Ribulose-1,5-bisphosphat zu zwei Phosphoglycerinsäure

Reduktion zu Phosphoglycerinaldehyd unter Verbrauch von NADPH und ATP

Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat sowie Synthese von Glucose

(19) Besonders geeignet ist die Pflanze Elodea canadensis (Wasserpest).

(20) Die Lichtabhängigkeit der Fotosynthese kann durch Stärkenachweis in teilweise belichteten Blättern (z. B. Geranie) sowie durch Nachweis der Sauerstoffbildung bei belichtetem/unbelichtetem Versuchsansatz (z. B. Wasserpest) gezeigt werden.

(21) z. B. Eisenoxidierende Bakterien:

4 Fe2+ + O2 + 4 H+ 4 Fe3+ + 2 H2O + Energie

S 3 Dissimilation

(22) Bei der Zellatmung wird der Sauerstoff nicht wie bei der Verbrennung an den Koh-lenstoff (Bildung von Kohlenstoffdioxid), sondern an Wasserstoff gebunden (Bildung von Wasser). Der freigesetzte Energiebetrag bei Zellatmung und Verbrennung ist zwar der gleiche, jedoch entsteht bei der Zellatmung ATP, während bei der Ver-brennung die Energie in Form von Wärme und Licht freigesetzt wird.

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Hinweise

(23) Erst in Anwesenheit von Holzasche als Katalysator lässt sich Zucker entzünden.

(24) Hier ist zu beachten, dass der Begriff „Substratphosphorylierung“ die Phosphorylie-rung von ADP durch ein Substrat bezeichnet und somit von dem Vorgang der Phosphorylierung eines Substrats abzugrenzen ist.

Substratphosphorylierung:

Substrat – P + ADP Substrat + ATP

(25) Die Bildung der aktivierten Essigsäure wird in manchen Lehrbüchern auch als „Oxidative Decarboxylierung“ bezeichnet. Dieser Terminus ist insofern nicht lernför-derlich, als eine Decarboxylierung nicht nur in dieser Phase, sondern auch in dem sich anschließenden Citratzyklus erfolgt.

(26)

Eine Erstellung der Stoffbilanz soll hier nicht erfolgen, da Bildung und Verbrauch von Wasser in den einzelnen Schritten der Zellatmung in den Schulbüchern unter-schiedlich dargestellt werden.

Glykolyse Bld. der aktiverten

Essigsäure Citratzyklus

ATP 2 2 4

NADH 2 2 6 10

FADH2 2 2

(27) Die Atmungskette umfasst

die Oxidation von NADH und FADH2,

den Transport von Elektronen durch Redoxreaktionen,

den Transport von Wasserstoff-Ionen durch die Mitochondrien-Innenmembran in den Intermembranraum.

(28) ATP-Bildung chemiosmotisch

durch ATP-Synthase:

10 NADH 30 ATP

2 FADH2 4 ATP

---------------

34 ATP

ATP-Bildung durch Phosphorylierung von ADP:

Glykolyse 2 ATP

Citratzyklus 2 ATP

---------------

4 ATP

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

ATP-Bildung gesamt: 38 ATP

(29) C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

Glucose 2 Ethanol + 2 Kohlenstoffdioxid

C6H12O6 2 C3H6O3

Glucose 2 Milchsäure

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Hinweise

(30)

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Reizphysiologie Biologie Hauptphase LK

Alle Lebewesen reagieren auf Reize. Dies ist der zentrale Gedanke in der ersten Unter-richtseinheit des Themenfeldes „Reizphysiologie“. Mit ihm sind die Schülerinnen und Schüler bereits seit der Klassenstufe fünf vertraut.

Diese die Systemebene des Organismus betreffende Tatsache wird zunächst auf der Sys-temebene der Zelle und schließlich bis auf der Molekülebene betrachtet: Alle lebenden Zel-len besitzen ein Membranpotenzial, das im nicht erregten Zustand als Ruhepotenzial be-zeichnet wird. Die Schülerinnen und Schüler erläutern das Zustandekommen des Ruhepo-tenzials und lernen im Anschluss daran einen Reiz als physikalische Größe kennen, die das Ruhepotenzial verändert und dadurch eine Erregung der Zellmembran auslöst. Sie geben an, dass Sinneszellen auf Reizempfang und Erregungsproduktion spezialisiert sind und be-trachten zum Abschluss der ersten Unterrichtseinheit Reizbarkeit als Kennzeichen des Le-bendigen.

Ausgehend von der allgemeinen Fähigkeit der Zelle zur Erregungsproduktion und Erregungs-leitung haben sich im Laufe der Evolution bei tierischen Vielzellern Spezialisierungen auf zellulärer Ebene herausgebildet: Sinneszellen (Sensoren), die auf Reizempfang und Erre-gungsproduktion spezialisiert sind, Nervenzellen, die auf Erregungsverarbeitung, Erregungs-leitung sowie Erregungsübertragung spezialisiert sind, und Muskelzellen, die darauf speziali-siert sind, bei Erregung zu kontrahieren. Diese Zusammenhänge liegen den folgenden Unter-richtseinheiten zugrunde.

In der zweiten Unterrichtseinheit liegt der Schwerpunkt auf den Nervenzellen und zunächst auf ihrer Spezialisierung auf Erregungsleitung. Nachdem die Schülerinnen und Schüler den Bau von marklosen sowie markhaltigen Nervenzellen und die Funktionen der Bestandteile kennengelernt haben, erklären sie die Entstehung und den Verlauf des Aktionspotenzials. Durch den Vergleich der Erregungsleitung an markhaltigen und marklosen Axonen arbeiten die Schülerinnen und Schüler die Vorteile der saltatorischen Erregungsleitung im Vergleich zur kontinuierlichen Erregungsleitung heraus und geben an, dass eine schnelle Erregungslei-tung wichtig ist für eine schnelle Reaktionsfähigkeit.

In der dritten Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die chemische Erre-gungsübertragung an Synapsen sowie die Folgen von Synapsengiften kennen. Darüber hin-aus unterscheiden sie zwei Arten von postsynaptischen Potenzialen: das exzitatorische postsynaptische Potenzial sowie das inhibitorische postsynaptische Potenzial. Weiterhin er-klären sie die räumliche und zeitliche Summation. Darauf aufbauend erarbeiten sie die ver-schiedenen Arten der Codierung der Reizstärke an Dendriten, Zellkörper, Axon und Synap-se. Im Anschluss daran stehen der Bau der neuromuskulären Synapse sowie die Entstehung des Endplattenpotenzials und die Spezialisierung der Muskelzellen auf Kontraktion im Vor-dergrund.

Am Ende der dritten Unterrichtseinheit sind den Schülerinnen und Schülern folgende Zu-sammenhänge bekannt:

Reizempfang und Erregungsproduktion in Sinneszellen,

Weiterleitung, Übertragung und Verarbeitung von Erregung durch Nervenzellen,

Auslösung von Muskelkontraktionen als Folge der Übertragung von Erregung an motori-schen Endplatten.

Dieses Wissen können sie nun auf Reiz-Reaktions-Ketten anwenden, deren Betrachtung diese Unterrichtseinheit abschließt.

Die letzte Unterrichtseinheit bezieht sich auf Einflüsse auf die Funktionsweise des Nerven-systems. Nach einer Wiederholung der aus der Klassenstufe neun größtenteils bekannten Bestandteile des Nervensystems (zentrales, peripheres, somatisches, vegetatives Nerven-system) sowie der jeweiligen Funktionen werden Multiple Sklerose, Alzheimer-Demenz und

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Parkinson als Beispiele für Erkrankungen des Nervensystems betrachtet. Im Anschluss da-ran steht die Entstehung von Süchten im Mittelpunkt. Dabei werden die Mechanismen, die zur Sucht führen, bis auf der Molekülebene erklärt: Die Schülerinnen und Schüler vollziehen die erhöhte Transmitterfreisetzung durch Suchtstoffe nach und geben an, dass sich bei nach-lassender Wirkung ein Verlangen entwickelt, das eine Sucht auslösen kann. In einer an-schließenden Diskussion soll der Schwerpunkt des Unterrichts sowohl auf den Gefahren des Konsums von Suchtstoffen als auch auf Maßnahmen zur Prävention von Suchterkrankungen liegen.


Information und Kommunikation Lebewesen nehmen Informationen auf, speichern und verarbeiten sie und kommunizie-ren.

Steuerung und Regelung Lebende Systeme halten bestimmte Zustände durch Regulation aufrecht und reagieren auf Veränderungen.

Struktur und Funktion Lebewesen und Lebensvorgänge sind an Strukturen gebunden; es gibt einen Zusam-menhang von Struktur und Funktion.

Kompartimentierung Lebende Systeme zeigen abgegrenzte Reaktionsräume.




R 1.1


geben an, dass alle lebenden Zellen gegenüber der Umgebung ein nega-tives Membranpotenzial aufrecht-erhalten,


R 1.2 beschreiben eine Versuchsanord-nung zur Messung des Membranpo-tenzials,

stellen eine Versuchsanordnung zur Messung des Membranpotenzials mit Hilfe einer beschrifteten Skizze dar,

R 1.3 beschreiben die unterschiedlichen Konzentrationen von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle, (1)

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur selektiven Permeabilität der Zell-membran (Na+-, Cl-- bzw. K+-Ionenkanäle und Ionenströme).

R 1.4 geben an, dass das Membranpoten-zial im nicht erregten Zustand als Ru-hepotenzial bezeichnet wird.

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R 1.5


erläutern das Zustandekommen des Ruhepotenzials durch das Gleichge-wicht aus osmotischen Ionenströmen entlang bestehender Konzentrations-gradienten und entgegengesetzt wir-kendem elektrischem Gradienten, (2)


werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zum Konstanthalten des Ruhepoten-zials trotz Na+-Leckeinstrom (Na+-K+-Pumpe),

R 1.6 beschreiben einen Reiz als physikali-sche Größe, die das Ruhepotenzial verändert und dadurch eine Erregung der Zellmembran auslöst, (3)

R 1.7 erklären, dass sich durch einen Reiz Ionenkanäle öffnen bzw. schließen und sich dadurch die Permeabilität der Zellmembran ändert, (4)

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Änderung der Membranpermeabi-lität und der dadurch bedingten Ände-rung des Membranpotenzials, (5)

R 1.8 geben an, dass Sinneszellen (Senso-ren, früher Rezeptoren genannt) auf Reizempfang und Erregungsproduk-tion spezialisiert sind, (6)

ordnen Sinneszellen/Sensoren/ Rezeptoren verschiedener Sinnesor-gane ihren jeweiligen adäquaten Reiz zu, (7)

R 1.9 recherchieren und nennen verschie-dene Reizarten,

R 1.10 nennen Reizbarkeit als Kennzeichen des Lebendigen.

recherchieren und erläutern Beispiele für Reizbarkeit selbst bei Bakterien und einzelligen Eukaryoten sowie Pflanzen. (8)


R 2.1


geben an, dass Nervenzellen auf Erregungsleitung über größere Ent-fernungen, Erregungsverarbeitung und Erregungsübertragung speziali-siert sind,


stellen den Grundbauplan der tieri-schen Zelle und den Bau der Ner-venzelle mit Hilfe einer beschrifteten Skizze dar,

R 2.2 beschreiben den Bau von marklo-sen/nicht myelinisierten sowie mark-haltigen/myelinisierten Nervenzellen und geben die Funktionen der Be-standteile an.

vergleichen den Grundbauplan der tierischen Zelle mit dem Bau der Ner-venzelle.

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R 2.3


erklären, dass Aktionspotenziale auf-grund vorliegender spannungsge-steuerter Ionenkanäle nur an Axonen auftreten,


R 2.4 erklären die Entstehung und den Ver-lauf des Aktionspotenzials,

stellen den Verlauf des Aktionspoten-zials mit Hilfe einer beschrifteten Skizze dar,

R 2.5 erläutern das Alles-oder-Nichts-Prinzip,

R 2.6 erläutern die Erregungsleitung an Axonen durch fortgesetzte Auslösung neuer Aktionspotenziale an benach-barten Membranbereichen, (9)

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Erregungsleitung an marklosen/nicht myelinisierten Axonen (kontinuierli-che Erregungsleitung),

R 2.7 erläutern, dass die Erregungsleitung bei markhaltigen/myelinisierten Axo-nen schneller ist, da die Aktionspo-tenziale nur an den Schnürringen ausgelöst werden,

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Erregungsleitung an markhalti-gen/myelinisierten Axonen (saltatori-sche Erregungsleitung),

R 2.8 vergleichen die kontinuierliche mit der saltatorischen Erregungsleitung be-züglich Leitungsgeschwindigkeit, Energiebedarf und Materialver-brauch,

R 2.9 geben an, dass eine schnelle Erre-gungsleitung wichtig ist für eine schnelle Reaktionsfähigkeit.

diskutieren die Vorteile der saltatori-schen Erregungsleitung in Bezug auf Energie- und Materialverbrauch.


R 3.1


geben an, dass die Erregungsüber-tragung von Zelle zu Zelle über Sy-napsen verläuft,


R 3.2 beschreiben den Bau einer Synapse, stellen den Bau einer Synapse mit Hilfe einer beschrifteten Skizze dar.

R 3.3 benennen die Art der Erregungsüber-tragung an der Synapse als chemi-sche Erregungsübertragung.

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R 3.4


erläutern die Vorgänge bei der Erre-gungsübertragung,


werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Funktionsweise einer Synapse,

R 3.5 erklären anhand zweier Beispiele die Folgen von Synapsengiften,

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Wirkung der gewählten Synapsengif-te auf die Funktionsweise der Synap-se,

R 3.6 erklären die Entstehung von exzitato-rischen postsynaptischen Potenzialen (EPSP) und inhibitorischen postsy-naptischen Potenzialen (IPSP) als Ar-ten von postsynaptischen Potenzia-len,

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Funktionsweise einer erregenden im Vergleich zu einer hemmenden Sy-napse,

R 3.7 erklären die resultierende Erregung einer Zelle als Summe aller postsy-naptischen Potenziale (räumliche und zeitliche Summation),

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Auslösung oder Nichtauslösung von Aktionspotenzialen am Axonhügel,

R 3.8 erklären verschiedene Arten der Co-dierung der Reizstärke, (10)

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Codierung der Reizstärke an Dendri-ten, Zellkörper, Axon und Synapse, (11)

R 3.9 beschreiben den Bau einer neuro-muskulären Synapse (motorische Endplatte),

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zum Bau einer neuromuskulären Sy-napse (motorische Endplatte).

R 3.10 erklären die Entstehung eines End-plattenpotenzials (EPP) in der Mus-kelzelle,

R 3.11 nennen als Folge des EPP das Mus-kelaktionspotenzial und infolgedes-sen die Muskelkontraktion,

R 3.12 geben an, dass Muskelzellen darauf spezialisiert sind, bei Erregung zu kontrahieren.

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R 3.13


beschreiben eine exemplarische Reiz-Reaktions-Kette vom Empfang des Reizes bis zur Reaktion auf die-sen Reiz,


recherchieren und erläutern weitere Beispiele für Reiz-Reaktions-Ketten,

R 3.14 beschreiben die Vorgänge beim Ab-lauf einer Reiz-Reaktions-Kette. (12)

stellen Reiz-Reaktions-Ketten an-hand eines Pfeildiagramms schema-tisch dar.


R 4.1


nennen die Bestandteile des Nerven-systems und geben die jeweiligen Funktionen an, (13)


R 4.2 nennen Multiple Sklerose, Alzheimer-Demenz und Parkinson als Beispiele für Erkrankungen des Nervensys-tems,

recherchieren und erläutern die Ur-sachen und die Krankheitsbilder von Multipler Sklerose, Alzheimer-Demenz und Parkinson,

R 4.3 geben an, dass das Belohnungssys-tem ein Bereich des Gehirns ist, in dem Gefühle wie z. B. Glück und Freude entstehen,

R 4.4 benennen Nikotin, Alkohol und Tetra-hydrocannabinol (THC) als Suchtstof-fe,

R 4.5 geben an, dass Suchtstoffe zu einer erhöhten Freisetzung von Dopamin führen können und dass sich bei nachlassender Wirkung ein Verlan-gen entwickelt, das eine Sucht auslö-sen kann,

recherchieren und benennen Dopa-min als Transmitter der Synapsen des Belohnungssystems,

R 4.6 unterscheiden zwischen stoffgebun-denen und stoffungebundenen Süch-ten und erläutern beide.

diskutieren Gefahren des Konsums von Suchtstoffen,

R 4.7 diskutieren Maßnahmen zur Sucht-prävention. (14)

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Basisbegriffe


Spannungsmessgerät, Messelektrode, Bezugselektrode, Membranpotenzial, Ruhepotenzial, Zellmembran, selektive Membranpermeabilität, Na+-Ionen, K+-Ionen, Cl--Ionen, A--Ionen, Na+-Ionenkanal, K+-Ionenkanal, Cl--Ionenkanal, Konzentrationsgradient, osmotischer Ionen-strom, elektrischer Gradient, Na+-Ionenstrom, K+-Ionenstrom, Cl--Ionenstrom, Spannung, Gleichgewichtspotenzial, Na+-Leckeinstrom, passiver Transport, Na+-K+-Pumpe, aktiver Transport, ATP, Reiz, Erregung, Sinneszelle/Sensor/Rezeptor, Sinnesorgan, Reizempfang, Erregungsproduktion, adäquat, Reizart, Reizbarkeit


Nervenzelle (Neuron), Dendrit, Zellkörper (Soma), Zellkern, Axonhügel, Axon (Neurit), Schwannsche Zelle, Myelinscheide, Ranvierscher Schnürring, Endknöpfchen, Synapse, Ru-hepotenzial, Na+-Ionenkanal, K+-Ionenkanal, Cl--Ionenkanal, Aktionspotenzial, selektive Membranpermeabilität, K+-Ionen, Na+-Ionen, Cl--Ionen, A--Ionen, spannungsgesteuerter Na+-Ionenkanal, spannungsgesteuerter K+-Ionenkanal, Na+-Einstrom, Depolarisation, Schwellen-wert, positive Rückkopplung, Spitzenwert, Amplitude, Spannungsumkehr, Alles-oder-Nichts-Prinzip, K+-Ausstrom, Repolarisation, Hyperpolarisation, passiver Transport, Na+-K+-Pumpe, aktiver Transport, Refraktärzeit, markhaltiges/myelinisiertes Axon, markloses/nicht myelini-siertes Axon, kontinuierliche Erregungsleitung, saltatorische Erregungsleitung


Nervenzelle (Neuron), Dendrit, Zellkörper (Soma), Zellkern, Axonhügel, Axon (Neurit), Schwannsche Zelle, Myelinscheide, Ranvierscher Schnürring, Synapse, präsynaptische Zel-le, präsynaptische Membran, postsynaptische Zelle, postsynaptische Membran, Aktionspo-tenzial, spannungsgesteuerter Ca2+-Ionenkanal, Ca2+-Einstrom, Acetylcholin, Neurotransmit-ter, Vesikel, Endknöpfchen, synaptischer Spalt, spezifischer Rezeptor, Schlüssel-Schloss-Prinzip, transmittergesteuerter Na+-Ionenkanal, selektive Membranpermeabilität, Na+-Einstrom, Depolarisation, postsynaptisches Potenzial, Acetylcholinesterase, Spaltung von Acetylcholin, Resynthese von Acetylcholin, chemische Erregungsübertragung, Synapsengift, exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP), transmittergesteuerter K+-Ionenkanal, transmittergesteuerter Cl--Ionenkanal, K+-Ausstrom, Cl--Einstrom, Hyperpolarisation, erre-gende Synapse, hemmende Synapse, inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP), räumliche Summation, zeitliche Summation, Erregungsverarbeitung, Reizstärkencodierung, Amplituden-Codierung, Frequenz-Codierung, chemische Codierung, neuromuskuläre Synap-se, motorische Endplatte, Muskel, Endplattenpotenzial (EPP), Muskelaktionspotenzial, Mus-kelkontraktion, Reiz-Reaktions-Kette, Erregung, Sinneszelle/Sensor/Rezeptor, Sinnesorgan, Reizempfang, Erregungsproduktion, Erregungsleitung, sensorischer/afferenter Nerv, Gehirn, Rückenmark, motorischer/efferenter Nerv, Zielorgan/Effektor, Reaktion

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Basisbegriffe


Erregungsleitung, Erregungsverarbeitung, Erregungsübertragung, Zentrales Nervensystem, Gehirn, Rückenmark, Reflexzentrum, Reflex, peripheres Nervensystem, somatisches Ner-vensystem, sensorischer/afferenter Nerv, motorischer/efferenter Nerv, willkürlich, vegetatives Nervensystem, Sympathikus, Parasympathikus, antagonistische Arbeitsweise, unwillkürlich, Belohnungssystem, Dopamin, Transmitter, Synapse, Suchtstoff, Nikotin, Alkohol, Tetrahy-drocannabinol (THC), stoffgebundene Süchte, stoffungebundene Süchte, Suchtprävention

Hinweise


(1) innen: c(K+) hoch, c(Na+) niedrig, c(Cl-) niedrig, c(A-) hoch

außen: c(K+) niedrig, c(Na+) hoch, c(Cl-) hoch, c(A-) 0 mmol/l

(2) Empfohlen wird die Durchführung eines Modellexperiments zum Zustandekommen des Gleichgewichtspotenzials.

(3) Die Reaktion der Zelle auf Reize besteht darin, Erregung zu produzieren. Dabei geht das Membranpotenzial vom Ruhepotenzial in das Erregungspotenzial über. Man bezeichnet jede durch einen Reiz ausgelöste Veränderung des Ruhepotenzi-als als Erregungspotenzial.

(4) Das Öffnen oder Schließen der Ionenkanäle kann durch mechanische Einwirkung (z. B. Haarsinneszelle) oder chemische Einwirkung durch Konformationsänderung der Kanalproteine (z. B. Geschmackssinneszelle) erfolgen.

(5) Durch das Öffnen bzw. Schließen von Ionenkanälen ändern sich die Permeabilität der Zellmembran und infolgedessen auch das Membranpotenzial. Öffnen sich bei-spielsweise Na+-Ionenkanäle, so wird das Zellinnere positiver im Vergleich zum Außenmedium. Öffnen sich hingegen K+-Ionenkanäle, wird das Zellinnere negativer im Vergleich zum Außenmedium. Die Änderung des Membranpotenzials ist umso stärker, je mehr Ionenkanäle sich öffnen bzw. schließen.

(6) Der heutige wissenschaftlich korrekte Begriff für Sinneszellen lautet „Sensoren“. Früher wurden sie „Rezeptoren“ genannt. Der Begriff „Sensor“ wird bei der Betrach-tung der zellulären Ebene verwendet, der Begriff „Rezeptor“ hingegen bei Betrach-tung der Molekülebene (z. B. spezifische Rezeptoren der Ionenkanäle der postsy-naptischen Zelle).

(7) Wiederholung: Lehrplan Gymnasium bzw. Gemeinschaftsschule Biologie Klassen-stufe neun

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Hinweise

(8) Beispiele für Reaktionen auf Reize:

Cyanobakterien: Fortbewegung zur Lichtquelle

Euglena: Fortbewegung zur Lichtquelle

Mimose: Blattbewegungen bei Berührungsreiz

Venusfliegenfalle: Zuklappen der Blattspreite bei Berührungsreiz


(9) Für das Verständnis der Erregungsleitung sind folgende Prozesse wesentlich:

Die Erregungsleitung besteht darin, dass ein Aktionspotenzial an benachbarten Membranbereichen ein nachfolgendes (neues) Aktionspotenzial mit der gleichen Amplitude auslöst.

Dadurch wird die Erregungsleitung über weite Strecken ohne Intensitätsverlust ge-währleistet. Sie schwächt sich nicht mit der Entfernung ab, da das Axon nicht ein und dasselbe Potenzial weiterleitet, sondern immer neue Aktionspotenziale mit gleicher Amplitude in der Membrannachbarschaft generiert. Die Intensität der Reiz-stärke ist dabei in der Frequenz der Aktionspotenziale codiert.


(10) Statt von Codierung der Reizstärke spricht man auch von Codierung der Erre-gungsstärke, da der Reiz mit der Auslösung der Erregung aufhört zu bestehen.

(11) Arten der Codierung der Reizstärke:

Amplituden-Codierung: Dendriten und Zellkörper

Frequenz-Codierung: Axon

Chemische Codierung: Synapse

(12) Vorgänge beim Ablauf einer Reiz-Reaktions-Kette:

Sinneszellen/Sensoren/Rezeptoren in den Sinnesorganen empfangen Reize aus der Umwelt und produzieren Erregungen. Über sensorische/afferente Nerven wer-den diese zu Gehirn oder Rückenmark geleitet, wo sie verarbeitet werden. Dort entstehen erneut Erregungen. Sie werden über motorische/efferente Nerven zum Zielorgan/Effektor (z. B. Muskel) geleitet, der wiederum reagiert.


(13) z. T. Wiederholung. Lehrplan Gymnasium bzw. Gemeinschaftsschule Biologie Klassenstufe neun

Bestandteile des Nervensystems:

zentrales Nervensystem: Gehirn und Rückenmark

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Hinweise

peripheres Nervensystem: somatisches Nervensystem (sensorische/afferente Nerven sowie motorische/efferente Nerven) und vegetatives Nervensystem (Sympathikus und Parasympathikus)

Funktionen der Bestandteile des Nervensystems:

Gehirn

Steuerung lebensnotwendiger Prozesse (wie z. B. Blutdruck, Puls, Atmung) und Reflexe (wie z. B. Niesen, Schlucken)

Koordination von Bewegungsabläufen

Zentrum für bewusste Handlungen, Gedächtnis, Gefühle, Lernen und Denken; Wahrnehmung der Umwelt durch Verarbeitung der Erregungen der Sinnesor-gane; entscheidend für die Wahrnehmung der Umwelt ist die Gehirnregion, in der die Erregungen über die Nervenbahnen von den Sinnesorganen eintreffen

Rückenmark

Weiterleitung von Erregung von Sinnesorganen zum Gehirn bzw. zwischen Ge-hirn und Organen (z. B. Muskeln),

Reflexzentrum

Somatisches Nervensystem

Beteiligung an der bewussten Wahrnehmung der Umwelt und der willkürlichen Steuerung der Muskulatur

Vegetatives Nervensystem

Sympathikus: bewirkt eine erhöhte Leistungsfähigkeit des Organismus, z. B. Erhöhung der Herzschlagfrequenz

Parasympathikus: bewirkt Ruhe und Erholung des Organismus, z. B. Verringe-rung der Herzschlagfrequenz

antagonistische Arbeitsweise, dadurch situativ angepasste Organtätigkeit mög-lich

unwillkürlich, beeinflussbar z. B. durch autogenes Training

(14) Rechtliche Bestimmungen

Erlass über die Suchtprävention und die Vorgehensweise bei Suchtmittelmiss-brauch an Schulen

Richtlinien zur Suchtprävention an den Schulen des Saarlandes (https://www.saarland.de/147365.htm)

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Geschichte und Verwandtschaft Biologie Hauptphase LK

Das Leben auf der Erde ist ein einziges Mal entstanden und hat sich im Laufe der Jahrmilli-arden in vielfältige Formen differenziert. Daraus ergeben sich der geschichtliche Aspekt der Entwicklung des Lebens sowie die Tatsache der Verwandtschaft aller Lebewesen. Im The-menfeld Geschichte und Verwandtschaft sollen diese beiden Aspekte betrachtet werden.

Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass Verwandtschaft durch Zuordnung von Lebewe-sen in bestimmte Taxa sichtbar wird und dass diese Verwandtschaft in der stammesge-schichtlichen Entwicklung entstanden ist. Das Auswerten der Informationen von Stammbäu-men wird geübt. Durch die Einordnung des Menschen als Menschenaffe und die Betrachtung verschiedener, z. T. nebeneinander existierender Menschenarten wird klar, dass dem Men-schen Homo sapiens keine Sonderstellung in der Evolution zukommt.

Die unterschiedliche Bedeutung von Homologie und Konvergenz zur Klärung stammesge-schichtlicher Verwandtschaft werden erörtert.

In der zweiten Unterrichtseinheit werden wesentliche Ereignisse der Erdgeschichte in Zu-sammenhang mit der Geschichte der Lebewesen gebracht. Der Einfluss des Menschen auf die Bedingungen für das Leben auf der Erde und damit auf andere Lebewesen wird betrach-tet und unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit diskutiert. Das Fehlkonzept biologischer Rassen wird geklärt. Der natürlichen Evolution wird die kulturelle Evolution gegenübergestellt. Zum Schluss werden Beispiele für das ständige Wirken der Evolution betrachtet.







V 1.1


beschreiben die Vielfalt der Lebewe-sen,


V 1.2 geben an, dass Gruppen von Lebe-wesen aufgrund von Abstammung in einem Ordnungssystem stammesge-schichtlicher Verwandtschaft zusam-mengefasst werden,

V 1.3 unterscheiden zwischen Verwandt-schaftsgruppen (Taxa) verschiedener Rangordnung (Art, Gattung, Familie, Klasse, Stamm, Reich, Domäne).

wenden diese systematische Eintei-lung auf die Gruppe der Wirbeltiere an.

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V 1.4


erläutern den Aufbau eines stam-mesgeschichtlichen Stammbaums, (1)


V 1.5 erläutern das Aufstellen eines Stammbaums als Hypothese über den Verlauf der Stammesgeschichte, (2)

werten verschiedene Darstellungen von Stammbäumen hinsichtlich ihrer Aussage über ihre Verwandtschafts-beziehungen aus (z. B. Gabelungen, Klammern, verschieden gelegene Zeitachsen), (3)

V 1.6 beschreiben die systematische Ein-ordnung des Menschen in die Gruppe der Menschenaffen,

wenden verschiedene Darstellungen von Stammbäumen auf den Stamm-baum des Menschen an, (4)

V 1.7 erläutern, dass Menschen mehrerer Arten nebeneinander existiert haben,

recherchieren und beschreiben ver-schiedene Menschenarten,

V 1.8 beurteilen Aussagen zur „Sonderstel-lung“ des Menschen, (5)

V 1.9 erläutern, dass man unter dem Begriff „Homologie“ die Abstammung einer Struktur von einer gemeinsamen Stammform versteht,

wenden den Begriff „Homologie“ auf Beispiele an, (6)

V 1.10 erläutern, dass homologe Strukturen unähnlich, d. h. divergent entwickelt sein können, (7)

V 1.11 erläutern, dass man unter dem Begriff „Konvergenz“ die Ähnlichkeit von Strukturen aufgrund gleicher Funktion versteht, (8)

wenden den Begriff „Konvergenz“ auf Beispiele an, (9)

V 1.12 erläutern, dass nur mit homologen Merkmalen stammesgeschichtliche Verwandtschaft und damit das Auf-stellen systematischer Gruppen und das Erstellen von Stammbäumen be-gründet werden kann, (10)

diskutieren Kriterien zur Prüfung auf Homologie und die Schwierigkeit, Ähnlichkeiten als homologe Entwick-lung oder als Konvergenz zu bewer-ten. (11)

V 1.13 unterscheiden, bezogen auf eine be-stimmte Gruppe, zwischen ursprüng-lichen homologen und abgeleiteten homologen Merkmalen. (12)

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V 1.14


erläutern, dass nur abgeleitete Merkmale engere stammesgeschicht-liche Verwandtschaft angeben,


V 1.15 geben an, dass Linné ohne Kenntnis der Evolution z. T. zu ähnlichen Er-gebnissen hinsichtlich der Verwandt-schaftsbeziehungen kam wie bei Be-rücksichtigung stammesgeschichtli-cher Verwandtschaft,

recherchieren und beschreiben den Beitrag von Linné zur Wissenschaft Biologie.

V 1.16 erläutern die Bedeutung von Fossi-lien, insbesondere auch im Hinblick auf den Menschen, für das Erstellen von Stammbäumen,

V 1.17 erläutern eine Methode zur Altersda-tierung von Fossilien.


V 2.1


erläutern die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre, (13)


V 2.2 erläutern, dass nach Bildung einer stabilen Ozonschicht vor ca. 2,4 Mil-liarden Jahren die ersten Lebewesen (Cyanobakterien) vom Meer aus das Land besiedelten,

V 2.3 geben an, dass die Wirbeltiere zum Stamm der Chordatiere gehören, (14)

V 2.4 geben an, dass die ersten Chordatie-re vor ca. 540 Millionen Jahren gelebt haben (Pikaia), (15)

recherchieren und erläutern die Be-deutung der kambrischen Explosion für die Entwicklung des Lebens auf der Erde. (16)

V 2.5 erläutern die Anforderungen an Ana-tomie und Physiologie von Lebewe-sen, die das Landleben stellt. (17)

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V 2.6


beschreiben, dass in der Zeit vor ca. 400 Millionen Jahren zuerst Pflanzen, dann Gliederfüßer und schließlich Nachfahren von Raubfischen vom Wasser aus das Land besiedelten,


recherchieren Fossilien von Fischen, die als Vorfahren von Landwirbeltie-ren in Frage kommen, und beschrei-ben deren Merkmale (Lungen, Beine) als Vorbedingungen für das Leben auf dem Land, (18)

V 2.7 geben an, dass das Leben auf der Erde durch mehrere Massenausster-ben aufgrund von Katastrophen stark dezimiert wurde,

recherchieren und beschreiben die Wirkungen der beiden größten Mas-senaussterben, die als Kriterium zur Einteilung der Erdzeitalter (Erdalter-tum, Erdmittelalter, Erdneuzeit) die-nen,

V 2.8 erklären, dass nach jedem Massen-aussterben eine Neuentfaltung der Organismen stattgefunden hat,

recherchieren und erläutern das Sze-nario am Ende der Kreidezeit und zu Beginn des Tertiärs mit dem Ausster-ben der Saurier und der Entfaltung der Säugetiere und Vögel,

V 2.9 erläutern die Differenzierung von Säugetieren und Vögeln nach den Prinzipien der adaptiven Radiation,

V 2.10 geben an, dass vor ca. 49 Millionen Jahren die ersten Primaten lebten,

recherchieren und beschreiben Aus-sehen und Lebensweise dieser frü-hen Primaten, (19)

V 2.11 geben an, dass vor 5 bis 6 Millionen Jahren der letzte gemeinsame Vor-fahre von Schimpanse und Mensch lebte,

vergleichen den Körperbau von Schimpanse und Mensch,

V 2.12 erläutern, dass der heutige Mensch (Homo sapiens) in Afrika entstanden ist und von da aus die ganze Erde besiedelt hat,

schließen von der Analyse der Mito-chondrien-DNA auf die Wanderungs-bewegungen von Homo sapiens,

V 2.13 geben an, dass lokale Bevölkerungs-gruppen von Homo sapiens gene-tisch variabler sind als Bevölkerungs-gruppen verschiedener Erdteile.

bewerten den Begriff „Rasse“ bezo-gen auf die Menschheit als soziales Konstrukt ohne wissenschaftliche Grundlage. (20)

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V 2.14


erläutern die Folgen des Auftretens des Menschen für die anderen Lebe-wesen und die Lebensbedingungen auf der Erde,


recherchieren und beurteilen Eingriffe des Menschen in Ökosysteme und in die Lebensbedingungen auf der Erde, (21)

V 2.15 diskutieren die Berechtigung der Be-zeichnung Anthropozän für die aktu-elle geologische Epoche,

V 2.16 erläutern, dass der Mensch neben einer biologischen auch eine kulturel-le Evolution erlebt,

vergleichen kulturelle und biologische Evolution.

V 2.17 nennen Beispiele dafür, dass Evoluti-on auch heute noch stattfindet. (22)

Basisbegriffe


Taxa, Art, Gattung, Familie, Klasse, Stamm, Reich, Domäne, Stammbaum, Stammesge-schichte, Homologie, Divergenz, Konvergenz, ursprüngliches homologes Merkmal, abgeleite-tes homologes Merkmal, Fossilien


Cyanobakterien, Chordatiere, Pikaia, kambrische Explosion, Quastenflosser, Massenaus-sterben, Erdzeitalter, Erdaltertum, Erdmittelalter, Erdneuzeit, Kreidezeit, Tertiär, adaptive Radiation, Primaten, Homo sapiens, Mitochondrien-DNA, Rasse, Anthropozän, kulturelle Evolution, biologische Evolution

Hinweise

V1 Vielfalt und Verwandtschaft der Lebewesen

(1) Stammesgeschichtliche Stammbäume (Stammbüsche) sind von Familienstamm-bäumen abzugrenzen.

(2) z. B. Pferd, Wal, Mensch

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Hinweise

(3) z. B.

(4)

An dieser Stelle sollte man den Begriff „Stammbaum“ problematisieren und eher vom „Stammbusch“ reden. Schon in der frühen Stammesgeschichte des Menschen vor zwei Millionen Jahren in Afrika (Homo ergaster, Homo erectus, Homo habilis) und in den letzten Hunderttausend Jahren in Eurasien (Homo sapiens, Homo ne-anderthalensis, Homo denisova, Homo floresiensis) gab es jeweils mehrere Men-schenarten, die nebeneinander lebten.

(5) Der Mensch hat artspezifische Eigenschaften, die seine Eigenart ausmachen. Die artspezifischen Eigenschaften unterscheiden die Art Mensch von anderen Arten, wie z. B. die Tatsache, dass er sein Handeln verantworten kann, er ethische Maß-stäbe hat, auch stärker in die Umwelt eingreift als alle anderen Lebewesen. Der Begriff „Eigenart“ unterscheidet sich von dem der „Sonderstellung“ dahingehend, dass er den Menschen nicht von den anderen Lebewesen trennt, sondern nur ver-gleicht. Jedes Lebewesen hat seine durch Evolution gewordene Eigenart.

(6) z. B. die Gliedmaßen der Wirbeltiere

(7) z. B. Flossen beim Wal – Arme beim Menschen

(8) Analogie wird in der Wissenschaft nicht als Gegensatz zu Homologie verwendet. Deshalb wird hier der Begriff „Konvergenz“ benutzt. Der Gegensatz zu „homolog“ ist „nicht-homolog“.

(9) z. B. der Körperbau schnellschwimmender Wassertiere oder die Wuchsform von Stammsukkulenten.

Konvergenz und Divergenz gehören zusammen. Die konvergente Form von Pingu-inen und Walen bedeutet gleichzeitig eine Divergenz zu den übrigen Vögeln bzw. Paarhufern.

(10) Es ist zu klären, dass zwar nur homologe Merkmale Verwandtschaft angeben, aber auch die Tatsache, dass konvergente Merkmale keine Verwandtschaft angeben, für das System von Interesse ist. Beispielsweise ist es nicht sicher, ob die robusten als Paranthropus zusammengefassten Menschenvorfahren eng verwandte oder nur wegen ähnlicher Nahrung (harte Wurzeln) konvergente Formen sind.

(11) Kriterium der Lage, Kriterium der Stetigkeit, Kriterium der spezifischen Qualität

(12) Haare sind ein ursprüngliches Merkmal aller Säugetiere, das nur diese besitzen. Im Vergleich zu den anderen Wirbeltieren ist es hingegen ein abgeleitetes Merkmal.

https://s13-eu5.startpage.com/do/sear#image-

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Hinweise


(13) Die Uratmosphäre der Erde enthielt keinen Sauerstoff. Cyanobakterien haben als erste Lebewesen oxygene Fotosynthese betrieben, bei der Sauerstoff freigesetzt wurde. Da der Sauerstoff nicht in gleichem Ausmaß durch Zellatmung wieder ge-bunden wurde, konnte er sich in Gesteinen, Wasser und schließlich in der Atmo-sphäre anreichern.

(14) Eine Chorda ist ein biegsamer Stab im Rückenbereich von Tieren. Chordatiere sind ein Tierstamm, dessen Angehörige zumindest als Embryonen eine dorsale Chorda besitzen. Wirbeltiere sind ein Unterstamm der Chordatiere, bei dem die Chorda in der Embryonalentwicklung durch eine Wirbelsäule ersetzt wird.

(15) Zu Zeiten der kambrischen Explosion waren alle größeren, heute noch existieren-den Tiergruppen (Ordnungen) vorhanden. Pikaia als Chordatier könnte der Vorläu-fer der Wirbeltiere gewesen sein.

(16) In geologisch kurzer Zeit entstand eine riesige Vielfalt an Lebewesen. Diese diffe-renzierten sich. Ursache für das Entstehen dieser Vielfalt könnten die Unmengen gelöster Minerale im Wasser gewesen sein, die aus vielen Vulkanen und Thermal-quellen stammten. Zugleich wusch Regen verwitternde Gesteine aus, Calcium- und Phosphatsalze wurden massenhaft ins Meer gespült. In manchen Lebewesen sammelten sich Mineralien in den Zellen und calciumhaltige Substanzen wurden ausgeschieden, an der Außenseite ihrer Körper bildeten sich harte Schichten. Dies waren die frühesten Skelette. In relativ kurzer Zeit wurden Gliedmaßen, stabile Panzer, harte Borsten und Fangwerkzeuge ausgebildet. Die Tiere teilten sich in Jäger und Gejagte. Bei einigen Arten bildete sich ein Außenskelett (Gliederfüßer), andere Arten bildeten ein Skelett im Innern ihres Körpers. Dazu gehörte Pikaia, ein Urahn der Wirbeltiere.

(17) Der Auftrieb des Wassers entfällt. Die Körper von Tieren und Pflanzen müssen stabil genug sein, um der Schwerkraft zu trotzen (Endo- bzw. Exoskelett, Turgor) Das Problem der Wasseraufnahme und -leitung muss gelöst werden. Da Wasser nicht automatisch vorhanden ist, muss Wasserverfügbarkeit garantiert werden.

(18) Quastenflosser, Eustenophteron, Panderichthys, Tiktaalik, Ichthyostega

(19) Die Primaten lebten im Urwald. Sie besaßen ein Fell, nach vorn gerichtete Augen und einen langen buschigen Schwanz. Die im Verhältnis zu den Hinterbeinen et-was kürzeren Vorderbeine machten sie zu vorzüglichen Kletterern. Eine weitere Anpassung für das Leben auf den Bäumen waren die beiden nach vorne gerichte-ten Augen, die räumliches Sehen ermöglichten, und eine genaue Hand-Auge-Koordination. Eine dritte Zapfensorte in der Augennetzhaut erlaubte tagaktiven Affen das Erkennen von Farben und damit die Unterscheidung von reifen und un-reifen Früchten. Reife Früchte lieferten viel Energie, die für die Entwicklung des Gehirns förderlich waren. Daraus resultierende kognitive Vorteile waren wiederum für die Entwicklung von Sozialstrukturen erforderlich (Gehirnumbildungen: Emotio-nen, Gedächtnis).

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Hinweise

(20) In der Tierzucht wird von „Zuchtrassen“ gesprochen. Das ist kein exakter Begriff. Gemeint ist damit, dass auf bestimmte Merkmale hin gezüchtet wird. Das bedeutet, dass ein enger Selektionsprozess durchgeführt wird, was keinen Hinweis auf Evolu-tion darstellt.

Eine Unterscheidung von Gruppen in „Unterarten“ im System der Lebewesen ist möglich, wenn es zweckmäßig ist. Beim Menschen ist es nicht zweckmäßig. Der Begriff „Rasse“ hat in Bezug auf den Menschen also keine biologische (geneti-sche) Grundlage, er ist ein soziales Konstrukt.

(21) z. B. Vergleiche des anthropogen bedingten Massen-/Artensterbens mit den frühe-ren Artensterben; Dienstleistungen des Ökosystems für den Menschen berücksich-tigen („Wert der Natur“), z. B. Artenvielfalt als Genpool für die Züchtung von Pflan-zensorten, die an klimatische Bedingungen angepasst sind

(22) Evolution findet weiterhin statt, wenn sich der Genpool ändert. Dies geschieht, wenn neue erbliche Variationen entstehen und wenn der Reproduktionserfolg der Individuen nicht rein zufällig ist.

Neue genetische Varianten entstehen immer wieder durch Mutationen, die durch Umweltgifte eher häufiger geworden sind. Sexuelle Auslese findet nach wie vor statt, während die natürliche Auslese wegen der modernen Medizin eher abge-schwächt ist. Ein geringerer Selektionsdruck bedeutet eine Erhöhung der Variation.

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Evolution als ökologischer Prozess Biologie Hauptphase LK

Das Themenfeld „Evolution als ökologischer Prozess“ geht von der Tatsache aus, dass die im Bereich der Ökologie zu beschreibenden Phänomene und Prozesse auch im Licht der Evolution wesentlich sind. Während in der Wissenschaft Ökologie die Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen untereinander und ihrer Umwelt beschrieben und erklärt werden, be-schreibt die Wissenschaft Evolutionsbiologie, wie sich diese Wechselbeziehungen in der Geschichte auswirkten. Die Ökologie erklärt das „Wie kommt es?“, also die naturgesetzliche Dimension der Wissenschaft Biologie, die Evolutionsbiologie das „Warum?“ oder „Wie kam es dazu?“, also die geschichtliche Dimension in der Wissenschaft Biologie.

Als Einstieg in das Themenfeld werden zunächst systemökologische Begriffe und Phänome-ne erörtert. Der für die Ökologie zentrale Begriff des „Ökosystems“ wird unter den Gesichts-punkten Aufbau, Nahrungsbeziehungen, Energiefluss sowie Stoffströme und Stoffkreisläufe charakterisiert.

Dann folgt der Blick auf die Wechselbeziehungen der Lebewesen untereinander und zu ihrer unbelebten Umwelt, beginnend mit der Klärung der Begriffe „Art“ und „Population“. Der grundlegende Begriff der „ökologischen Nische“ wird als Gesamtheit der Umweltbeziehungen einer biologischen Art definiert. Diese Umweltbeziehungen werden in der Folge näher be-trachtet. Das Zusammenspiel von Angepasstheit, Konkurrenz und Selektion auf der innerart-lichen Ebene wird erläutert und führt zur Beschreibung der Selektionstheorie von Charles Darwin und Alfred Russel Wallace. Zwischenartliche Phänomene von Angepasstheit und Selektion führen zu Koevolution, die am Beispiel der Symbiose und des evolutiven „Wett-laufs“ zwischen Mikroorganismen und eukaryotischen Vielzellern sowie von Räuber und Beu-te („Rote-Königin“-Hypothese) erläutert wird. Die Unterrichtseinheit schließt mit einer Be-trachtung der Populationsentwicklungen von Räuber-Beute-Beziehungen.

In der nächsten Unterrichtseinheit wird die Entstehung neuer Arten durch allo- und sympatri-sche Artbildung erläutert. An Beispielen wird der Vorgang der adaptiven Radiation veran-schaulicht. Die Bedeutung von Mutationen, Isolation und Selektion für die Entstehung neuer Arten wird geklärt.

Die Begegnung mit der Natur als sinnliches Erlebnis und die Anwendung gelernter Fakten und Sachverhalte auf ein konkretes Ökosystem gehören unbedingt in eine Unterrichtsreihe zur Ökologie. Je nach Lage einer Schule, Vorwissen der Schülerinnen und Schüler sowie ggf. ihrer Interessen können sich verschiedene Ökosysteme für eine Exkursion anbieten. Die Schülerinnen und Schüler sollen diese Exkursion unter Anwendung ihres Wissens planen, dort Untersuchungen durchführen und ihre Ergebnisse in der Gruppe präsentieren.

In der letzten Unterrichtseinheit werden die Veränderlichkeit von Ökosystemen und der Ein-fluss des Menschen thematisiert. Die Problematik des Begriffes „ökologisches Gleichgewicht“ wird diskutiert und es werden Faktoren betrachtet, die Ökosysteme verändern, wie der Ein-fluss von Neobionten. Zentraler Begriff ist hier die Biodiversität, die sich im Laufe der Jahrmil-lionen immer wieder durch Naturereignisse und seit einigen Tausend Jahren auch durch den Menschen verändert hat. Die Rolle des Menschen sollte in diesem Zusammenhang als ein wesentlicher biotischer Faktor einbezogen werden. Abnahme und Zunahme von Biodiversität sind in der Entwicklung des Lebens regelmäßig auftretende Vorgänge. Allerdings werden die Besonderheiten menschlicher Eingriffe in die Natur diskutiert. Es folgt der Blick auf das per-sönliche Verhalten eines jeden Einzelnen anhand des Konzeptes des „ökologischen Fußab-drucks“. Das Themenfeld endet mit Überlegungen zum Begriff der „Nachhaltigkeit“ und des-sen Umsetzung in Gesellschaft und Politik. Die Schülerinnen und Schüler sollen wichtige Kompetenzen erwerben, um Sachverhalte aus unterschiedlichen Perspektiven (z. B. natur-wissenschaftliche, ethische, wirtschaftliche, philosophische Perspektive) zu betrachten und zu bewerten. So soll es ihnen ermöglicht werden, ihr eigenes Handeln ebenso wie gesell-schaftliche, politische oder wirtschaftliche Entscheidungen in Bezug auf ihre Auswirkungen auf die Ökologie zu reflektieren.

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Ihre Gestaltungskompetenz (Bildung für nachhaltige Entwicklung) wird gestärkt.


Struktur und Funktion

Lebewesen und Lebensvorgänge sind an Strukturen gebunden; es gibt einen Zusam-

menhang von Struktur und Funktion.

Variabilität und Angepasstheit

Lebewesen sind bezüglich Bau und Funktion an ihre Umwelt angepasst. Angepasstheit

wird durch Variabilität ermöglicht. Grundlage der Variabilität bei Lebewesen sind Mutation,

Rekombination und Modifikation.

Stoff- und Energieumwandlung Lebewesen sind offene Systeme; sie sind gebunden an Stoff- und Energieumwandlun-gen.






Ö 1.1


beschreiben ein Ökosystem als Be-ziehungsgefüge von Lebewesen un-tereinander (Biozönose) und mit ei-nem Lebensraum (Biotop) bestimm-ter Größenordnung,


Ö 1.2 erläutern an Beispielen die Unter-schiede zwischen abiotischen und biotischen Faktoren,

Ö 1.3 beschreiben an Beispielen die Be-ziehungen eines Lebewesens zu sei-ner Umwelt als Zusammenspiel von Umweltbedingungen und Lebenswei-se,

Ö 1.4 erläutern die Nahrungsbeziehungen in einem Ökosystem.

recherchieren und erläutern Beispiele für Nahrungsketten und Nahrungs-netze,

Ö 1.5 stellen Nahrungsnetze anhand von Pfeildiagrammen dar.

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Ö 1.6



erläutern anhand einer Abbildung den Aufbau einer Nahrungspyramide,

Ö 1.7 erläutern den Unterschied zwischen Stoffströmen und Energiefluss in ei-nem Ökosystem,

werten Informationen (z. B. Abbil-dungen, Diagramme, Texte) aus zu Stoffströmen und Energiefluss in ausgewählten Nahrungsketten,

Ö 1.8 begründen die begrenzte Anzahl von Trophieebenen in Nahrungsketten,

Ö 1.9 nennen als Voraussetzung für den Transport von Stoffen in Stoffkreis-läufen die Bereitstellung von Ener-gie,

Ö 1.10 erläutern den Kohlenstoffkreislauf, stellen den Kohlenstoffkreislauf schematisch dar,

Ö 1.11 erläutern den Zusammenhang von Zellatmung und Fotosynthese im Kohlenstoffkreislauf,

Ö 1.12 erläutern den Zusammenhang zwi-schen Freisetzung bzw. Entzug von Kohlenstoffdioxid durch erdge-schichtliche Prozesse und dem Koh-lenstoffkreislauf, (1)

recherchieren und erläutern die Fol-gen der Erhöhung der Kohlenstoffdi-oxidkonzentration infolge von Vulka-nismus vor 200 Millionen Jahren auf das Leben auf der Erde (Erwärmung und infolgedessen Massenausster-ben). (2)

Ö 1.13 erläutern den Zusammenhang und die Stöchiometrie von oxygener Fo-tosynthese und Zellatmung und die Notwendigkeit der Fossilisierung von Biomasse für eine dauerhafte Frei-setzung von Sauerstoff. (3)

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Ö 1.14


beschreiben die allmähliche Zunah-me der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre im Zusammenhang mit der Fossilisierung von Biomasse in erdgeschichtlicher Zeit bis zur ak-tuellen Konzentration,


recherchieren und erläutern die Be-deutung der Cyanobakterien für die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre, (4)

Ö 1.15 erläutern die Auswirkungen der Sauerstofffixierung in Gesteinen auf den Sauerstoffgehalt der Luft, (5)

Ö 1.16 erläutern den Stickstoffkreislauf als Kreislauf von Stickstoffatomen durch Transport und Speicherung in ver-schiedenen Stickstoffverbindungen,

stellen den Stickstoffkreislauf sche-matisch dar,

Ö 1.17 erläutern, dass Mikroorganismen im Stickstoffkreislauf eine entscheiden-de Rolle spielen, (6)

Ö 1.18 beschreiben Auswirkungen der Dün-gung in der Landwirtschaft sowie der Emission von Stickoxiden in die At-mosphäre auf den Stickstoffkreislauf.

vergleichen konventionellen und ökologischen Landbau in Bezug auf die Methoden der Düngung.


Ö 2.1


geben als Definition für den Begriff „Art“ eine Fortpflanzungsgemein-schaft an, deren Genpool stabil ist, (7)


Ö 2.2 beschreiben, dass Biozönosen zu-sammengesetzt sind aus Lebewe-sen verschiedener Arten in einem Ökosystem,

Ö 2.3 geben die Definition für den Begriff „Population“ als Gruppe von Lebe-wesen einer Art in einem Ökosystem an, (8)

Ö 2.4 erläutern den Begriff „ökologische Potenz“.

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Abhängigkeit der Lebewesen von abiotischen Faktoren.

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Ö 2.5


erläutern das Pessimumgesetz,


werten Darstellungen zweidimensio-naler Toleranzkurven aus,

Ö 2.6 erläutern den Unterschied zwischen physiologischer und ökologischer Potenz,

recherchieren und erläutern anhand von Beispielen die Veränderung des Toleranzbereiches durch Konkur-renz,

Ö 2.7 beschreiben die ökologische Nische als das System der Umweltbezie-hungen einer biologischen Art,

unterscheiden anhand von Abbil-dungen zwischen Fundamental- und Realnische von Lebewesen,

Ö 2.8 erläutern das Konkurrenzaus-schlussprinzip bei zwischenartlicher Konkurrenz,

recherchieren und erläutern Beispie-le für das Konkurrenzausschluss-prinzip,

Ö 2.9 erläutern, dass Nischenbildung Koexistenz von Arten ermöglicht,

recherchieren und erläutern Beispie-le für Koexistenz von Arten,

Ö 2.10 erläutern, dass innerartliche Konkur-renz aufgrund der Ähnlichkeit der In-dividuen am größten ist,

recherchieren und erläutern Beispie-le für innerartliche Konkurrenz,

Ö 2.11 erklären, dass die Verschiedenheit der Individuen einer Art die innerart-liche Konkurrenz verringern kann,

recherchieren und erläutern Beispie-le für Angepasstheiten von Lebewe-sen bezogen auf ihre ökologische Nische,

Ö 2.12 erläutern den Zusammenhang von Angepasstheit und Fortpflanzungser-folg („Fitness“),

Ö 2.13 beschreiben, dass eine Überproduk-tion von Nachkommen zur innerartli-chen Konkurrenz um begrenzte Ressourcen führt,

Ö 2.14 erläutern Selektion als Folge des sich aus der Überproduktion und Konkurrenz ergebenden Fortpflan-zungserfolgs („Fitness“),

Ö 2.15 beschreiben die Evolutionstheorie von Charles Darwin und Alfred Rus-sel Wallace.

wenden die Evolutionstheorie von Charles Darwin und Alfred Russel Wallace auf geeignete Beispiele an.

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Ö 2.16


erläutern Angepasstheit als Ergebnis von Anpassung, (9)


Ö 2.17 erläutern Koevolution als Ergebnis der Selektion durch Konkurrenz, die zu gegenseitiger Anpassung führt,

Ö 2.18 beschreiben Symbiose als Zusam-menleben von Lebewesen zweier Arten mit gegenseitigem Nutzen,

recherchieren und erläutern Beispie-le für Symbiosen als Möglichkeit zur innerartlichen Konkurrenzvermei-dung,

Ö 2.19 erläutern Koevolution am Beispiel der Resistenzbildung bei Mikroorga-nismen als Reaktion auf Antibiotika- und Pestizidanwendungen,

recherchieren und erläutern die Problematik des Antibiotikaeinsatzes in der Massentierhaltung,

Ö 2.20 erläutern die „Rote-Königin“-Hypothese, (10)

recherchieren und erläutern Beispie-le für Räuber-Beute-Selektionen,

Ö 2.21 beschreiben Räuber-Beute-Beziehungen in Bezug auf die jewei-lige Populationsgröße,

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zu verschiedenen Räuber-Beute-Beziehungen,

Ö 2.22 nennen und erläutern die Lotka-Volterra-Regeln,

wenden die Lotka-Volterra-Regeln auf entsprechende Diagramme und Texte an,

Ö 2.23 beurteilen die Gültigkeit der Lotka-Volterra-Regeln unter natürlichen Bedingungen.

Ö 2.24 erläutern anhand des Industriemela-nismus die Anpassung einer Art an veränderte Umweltbedingungen.

Ö 3 Artbildung

Ö 3.1


erläutern die allopatrische Artbildung als Aufspaltung von Arten durch geografische Isolation.


recherchieren und erläutern Beispie-le für allopatrische Artbildung.

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Ö 3.2


erläutern die sympatrische Artbil-dung als Aufspaltung von Arten, in-dem durch Selektion eine Fortpflan-zungsisolation hergestellt wird,


recherchieren und erläutern Beispie-le für sympatrische Artbildung, (11)

Ö 3.3 erklären den Vorgang der adaptiven Radiation,

Ö 3.4 beschreiben als adaptive Radiation die Entwicklung neuer ökologischer Nischen, (12)

Ö 3.5 erläutern das Entstehen der Finken-arten auf den Galapagos-Inseln durch geografische Isolation und adaptive Radiation,

Ö 3.6 beschreiben neutrale Mutationen (Präadaptationen) als möglichen Vorteil bei sich ändernden Umwelt-bedingungen.

recherchieren und erläutern Beispie-le für zunächst neutrale Mutationen und ihre Auswirkungen bei sich ver-ändernden Umweltbedingungen.


Ö 4.1


erläutern, dass in der Natur Ökosys-teme nicht abgegrenzt vorkommen,


Ö 4.2 erläutern, dass die Betrachtung ei-nes Teils der belebten Natur als Ökosystem nach bestimmten wis-senschaftlich-methodischen Regeln erfolgt.

ordnen einem ausgewählten Öko-system biotische und abiotische Umweltfaktoren zu,

Ö 4.3 planen eine ökologische Exkursion in das ausgewählte Ökosystem,

Ö 4.4 führen Experimente durch zur Mes-sung von Umweltparametern in die-sem Ökosystem, (13)

Ö 4.5 dokumentieren unter Verwendung von Fachbegriffen die Ergebnisse,

Ö 4.6 werten die gemessenen Umweltpa-rameter aus.

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Ö 5.1


beschreiben Veränderungen in De-tails von Ökosystemen als Normali-tät, (14)


bewerten den Begriff „Ökologisches Gleichgewicht“, (15)

Ö 5.2 beschreiben den Einfluss von Natur-ereignissen und des Menschen auf ausgewählte Ökosysteme,

Ö 5.3 beschreiben Einflussfaktoren auf die Veränderungen der Biodiversität, (16)

Ö 5.4 erläutern den Begriff „Neobionten“, diskutieren die Bedeutung von Neo-bionten in Naturschutzkonzepten,

Ö 5.5 recherchieren und erklären Ursa-chen und Auswirkungen des Mas-senaussterbens am Ende der Krei-dezeit,

Ö 5.6 geben an, dass die Biodiversität nach erdgeschichtlichen Katastro-phen immer wieder zugenommen hat und erläutern die Zusammen-hänge,

diskutieren anhand einer Zeitschiene die lange Dauer evolutionärer Pro-zesse,

Ö 5.7 vergleichen die Geschwindigkeit des Artensterbens früherer geologischer Epochen und der Jetztzeit,

Ö 5.8 diskutieren die Berechtigung der Bezeichnung Anthropozän für die aktuelle geologische Epoche,

Ö 5.9 nennen Einwirkungen des Menschen auf Ökosysteme,

recherchieren und beschreiben die Auswirkungen von menschlichen Einwirkungen auf Ökosysteme,

Ö 5.10 bewerten die menschlichen Einwir-kungen auf Ökosysteme,

Ö 5.11 erläutern das Konzept des ökologi-schen Fußabdrucks.

werten Daten zu ihrem persönlichen Fußabdruck aus,

Ö 5.12 bewerten Handlungsoptionen für das eigene Konsumverhalten.

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Ö 5.13


erläutern das Prinzip der Nachhaltig-keit. (17)


beurteilen gesellschaftliche und poli-tische Entscheidungen unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit.

Basisbegriffe


Ökosystem, Biozönose, Biotop, abiotische Faktoren, biotische Faktoren, Nahrungskette, Nahrungsnetz, Räuber, Beute, Nahrungspyramide, Produzent, Konsument (1., 2. und 3. Ordnung), Endkonsument, Destruent, Saprovoren, Mineralisierer, Stoffströme, Energiefluss, Trophieebene, Kohlenstoffkreislauf, Fotosynthese, Zellatmung, Kohlenstoffdioxid, Treibhaus-gas, Atmosphäre, Boden, gelöst, Wasser, kohlenstoffhaltige organische Verbindungen, Bio-masse, Meeresorganismen, Sedimente, Carbonatgestein, Verwitterung, Verbrennung, Vul-kanismus, Fossilisierung, fossile Brennstoffe, Stickstoffkreislauf, Ammonifikation, Nitrifikation, Denitrifikation, Nitritbakterien, Nitratbakterien, Knöllchenbakterien, stickstoffhaltige Minera-lien, Harnstoff, Stickstofffixierung, nitrose Gase, Gewitter, anthropogene Emissionen von Stickoxiden


Ökosystem, Art, Genpool, Biozönose, Population, ökologische Potenz, Minimum, Maximum, Optimum, Pessimum, Pessimumgesetz, physiologische Potenz, Toleranzkurve, stenök, eu-ryök, ökologische Nische, Einnischung, Fundamentalnische, Realnische, Konkurrenzvermei-dung, Konkurrenzausschlussprinzip, Koexistenz, innerartliche Konkurrenz, Selektion, Evolu-tionstheorie, Struggle for Life, Survival of the Fittest, Natural Selection, zwischenartliche Konkurrenz, Angepasstheit, Anpassung, Fitness, Koevolution, Symbiose, Resistenz, Antibio-tikum, Pestizid, „Rote-Königin“-Hypothese, Räuber-Beute-Beziehung, Lotka-Volterra-Regeln, Industriemelanismus

Ö 3 Artbildung

allopatrische Artbildung, geografische Isolation, sympatrische Artbildung, Selektion, Fort-pflanzungsisolation, Fortpflanzungsbarriere, adaptive Radiation, Stammpopulation, Gründer-individuen, ökologische Nische, neutrale Mutation, Präadaptation


ökologisches Gleichgewicht, Neobionten, Biodiversität, Massenaussterben, Anthropozän, ökologischer Fußabdruck, Nachhaltigkeit, Artenvielfalt

Hinweise

Ö 1 Stoff- und Energieflüsse im Ökosystem

(1) Freisetzung von Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre durch erdgeschichtliche Pro-zesse z. B. durch Vulkanismus

Entzug von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre durch erdgeschichtliche Prozes-se: z. B. durch Sedimentation

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Hinweise

(2) Der Vergleich natürlicher Treibhauseffekte mit dem anthropogenen Treibhauseffekt bietet sich an.

(3) Im Prozess der Fotosynthese werden Sauerstoff und Biomasse gebildet:

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Wird diese Biomasse vollständig im Prozess der Zellatmung wieder abgebaut, so wird dafür die gleich große Menge an O2 verbraucht:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Dieser O2-Kreislauf kann nicht zu einer Erhöhung der O2-Konzentration in der At-mosphäre führen. Durch die Fixierung von Biomasse im Prozess der Fossilisierung im Verlauf der Erdgeschichte wird gleichzeitig CO2 fixiert. Dadurch überwiegt der O2-Gehalt in der Atmosphäre.

(4) Die Atmosphäre auf der Erde war bis vor ca. 2,5 Milliarden Jahren sauerstofffrei. Vor etwa 2,7 Milliarden Jahren entwickelten fotoautotrophe Bakterien, die Cyanobakterien, die Fotosynthese und produzierten Sauerstoff. Dieser gelangte zunächst nicht in die Atmosphäre, weil er mit im Wasser gelösten Mineralien und Metallionen zu Metalloxiden reagierte. (96 Prozent des Sauerstoffs auf der Erde ist in Gesteinen gebunden.) Erst danach diffundierte Sauerstoff in die Atmosphäre und führte zu einem Anstieg der Konzentration bis Mitte des Präkambriums auf ca. zwei bis drei Prozent. Sauerstoff in der Atmosphäre war die Voraussetzung für die Ent-stehung heterotropher Organismen, die statt Gärung aeroben Stoffwechsel betrie-ben. Diese Atmung war viel effektiver als die Gärung und führte zur weiteren Aus-breitung dieser Organismen. Sie war auch die Voraussetzung für die Entstehung vielzelliger Organismen. Sauerstoff in der Atmosphäre schuf die Grundlage für die Entstehung der Ozonschicht, die die UV-Strahlung nicht mehr ungehindert auf die Erdoberfläche treffen ließ. Das wiederum war eine Voraussetzung für das Entste-hen landlebender Tiere. Ab ca. 1,1 Milliarden Jahren produzierten eukaryotische Algen Sauerstoff, dessen Konzentration am Ende des Präkambriums ca. 21 Pro-zent betrug.

(5) Der nach dem Entstehen der Cyanobakterien durch Fotosynthese produzierte und an die Atmosphäre abgegebene Sauerstoff reagierte zunächst mit im Ozean gelös-tem Eisen und Schwefel. Dieser Prozess endete vor ca. 2,3 Mrd. Jahren. Die ur-sprünglich vorhandenen sulfidischen Gesteine (z. B. Pyrit) wurden durch den ent-stehenden Sauerstoff in der Atmosphäre in oxidische Gesteine (z. B. Fe3O4 Rotei-senstein) umgewandelt. Erst als dieser Prozess im Verlauf von Hunderten Millionen Jahren zu Ende war, konnte der Sauerstoff sich in der Atmosphäre anreichern.

(6) Es sollte darauf Wert gelegt werden, dass im Stickstoffkreislauf Mikroorganismen die entscheidende Rolle spielen.

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Hinweise


(7) In Abgrenzung zu dem Begriff „Population“ ist hier die potenzielle Gesamtpopulati-on einer Fortpflanzungsgemeinschaft gemeint. Eine Fortpflanzungsgemeinschaft sind Organismen, die sich in der Regel nicht mit anderen Arten kreuzen.

Der Art-Begriff wird in der Literatur sehr unterschiedlich definiert:

Die Definition, nach der zu einer Art Organismen gehören, die fertile Nachkommen bekommen können, stimmt nur bedingt. Tiger und Löwen z. B. können über die Artgrenzen hinweg fertile Nachkommen zeugen. Bei Gänsevögeln gibt es Kreuzun-gen über Gattungsgrenzen hinweg.

Die Tatsache der Evolution bedeutet, dass ein starrer Artbegriff nicht sinnvoll ist. Bei Darwin ist die Variabilität bei Arten ein Kontinuum, das eine starre Grenze zu ziehen u. U. schwierig macht. Wichtig für das Entstehen neuer Arten sind Fortpflan-zungsbarrieren.

Bei Bakterien werden die Arten über ihren Stoffwechsel definiert.

(8) Mit „Population“ sind hier engere Fortpflanzungsgemeinschaften innerhalb einer Art gemeint, die sich überwiegend in einem Ökosystem aufhalten.

(9) Unter Anpassung wird ein Prozess verstanden, während Angepasstheit ein Zustand ist, der das Ergebnis des Prozesses der Anpassung ist.

(10) Jede Art steht in einem evolutiven „Wettlauf“ z. B. mit ihren Beuteorganismen, Beu-tegreifern, Wirten, Parasiten. Nur durch Weiterentwicklung (Koevolution) ist ein „Mithalten“ möglich. Die Essenz der „Rote-Königin“-Hypothese besteht darin, dass biotische Faktoren als die entscheidenden Aspekte der Umwelt und damit der Evo-lution einer Art betrachtet werden.

Ö 3 Artbildung

(11) z. B. Buntbarsche im Viktoriasee

(12) z. B. Darwinfinken


(13) Lichteinfall, Sauerstoffgehalt, Windeinfluss, Bestand an Lebewesen usw.; auf menschliche Einflüsse (z. B. Mikroplastik, Müll, Nitrat) kann eingegangen werden, Handlungsoptionen sollten abgeleitet werden.


(14) Im Ökosystem Wald z. B., das aus der Ferne betrachtet über lange Zeit stabil er-scheint, fallen Bäume um, sterben Pflanzen am Boden wegen Lichtmangels auf-grund größer gewordener Bäume ab, fällt damit die Nahrungsgrundlage für manche Tiere weg, usw. Obwohl dieses Ökosystem Wald als Ganzes in einem Gleichge-wichtszustand zu sein scheint, verändern sich beständig Details in ihm.

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Hinweise

(15) Ökologisches Gleichgewicht: Zustand ökologischer Systeme mit der Fähigkeit zur Selbstregulation

Selbstregulation: Fähigkeit eines Ökosystems, Störungen durch gegenläufige Pro-zesse auszugleichen.

Dieser Begriff des ökologischen Gleichgewichts ist problematisch und beschreibt keine Wirklichkeit.

(16) z. B. führte die Umgestaltung der mitteleuropäischen Waldlandschaft in offene Landschaften zur Zunahme der Biodiversität; Monokulturen in der modernen Land-wirtschaft führen zur Abnahme der Biodiversität.

(17) Konsistenz, Suffizienz, Effizienz, Resilienz, Selbstwirksamkeit, ökologischer Ruck-sack, Earth Overshoot Day

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Genetik Biologie Hauptphase LK

Im Themenfeld „Genetik“ werden Fachwissen und prozessbezogene Kompetenzen vermit-telt, die dazu führen sollen, dass Schülerinnen und Schüler ein vernetztes Verständnis entwi-ckeln, wie Merkmale unter Beteiligung von Genen entwickelt, Gene vererbt und verteilt wer-den. Hierbei sind sowohl ontogenetische als auch phylogenetische Aspekte zu betrachten. Dies trägt darüber hinaus auch zum Verstehen der Evolution bei, die zur Vielfalt und Ver-wandtschaft der Lebewesen und zu ihren Angepasstheiten an ihre Lebensbedingungen ge-führt hat.

Schließlich geht es auch darum zu wissen, wie die von der Natur in evolutiven Prozessen entwickelten Verfahren in der Gentechnik für Zwecke des Menschen eingesetzt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich dadurch ein begründetes Urteil über Chancen sowie auch Unsicherheiten und Gefahren des Einsatzes von Gentechnik bilden können. Schülerin-nen und Schüler erwerben damit wichtige Kompetenzen, um Sachverhalte der Genetik aus unterschiedlichen Perspektiven (z. B. naturwissenschaftliche, ethische, wirtschaftliche, philo-sophische Perspektive) zu betrachten und zu bewerten. Dies soll ihnen ermöglichen, ihr ei-genes Handeln ebenso wie gesellschaftliche, politische oder wirtschaftliche Entscheidungen in Bezug auf ihre Auswirkungen zu reflektieren. Ihre Gestaltungskompetenz wird gestärkt (Bildung für nachhaltige Entwicklung).


Reproduktion Lebewesen sind fähig zur Reproduktion; damit verbunden ist die Weitergabe von Erbin-formationen.


Variabilität und Angepasstheit Lebewesen sind bezüglich Bau und Funktion an ihre Umwelt angepasst. Angepasstheit wird durch Variabilität ermöglicht. Grundlage der Variabilität bei Lebewesen sind Mutati-on, Rekombination und Modifikation.


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G 1.1


beschreiben die Versuche von Grif-fith und Avery zur Identifizierung des Erbmaterials,


erklären anhand von Abbildungen bzw. Texten die Ergebnisse der Ver-suche von Griffith und Avery,

G 1.2 unterscheiden zwischen DNA und mRNA bzgl. Vorkommen, Funktio-nen und ihrer Molekülbausteine,

stellen den Bau der DNA sowie der mRNA schematisch mit Hilfe einer beschrifteten Skizze dar,

G 1.3 beschreiben modellhaft den Bau der DNA aus zwei antiparallel verlaufen-den Polynucleotidsträngen, die in Form einer Doppelhelix umeinander gewunden sind, (1)

führen ein Experiment zur Isolierung von DNA durch, (2)

G 1.4 beschreiben modellhaft den Bau der mRNA,

G 1.5 beschreiben den Vorgang der Repli-kation der DNA,

erklären anhand von Abbildungen, dass die Reihenfolge der Basen des einen Stranges schon die Reihenfol-ge des anderen festlegt,

G 1.6 beschreiben den Versuch von Meselson und Stahl zur Identifizie-rung des Replikationsmechanismus der DNA,

deuten die Ergebnisse des Versuchs von Meselson und Stahl zur Identifi-zierung des Replikationsmechanis-mus der DNA.

G 1.7 erläutern die Bedeutung der Inter-phase für die Replikation der DNA.


G 2.1


beschreiben den Vorgang der Tran-skription bei Prokaryonten und unter-scheiden ihn von der Replikation der DNA,

G 2.2 erläutern, dass es sich bei der Be-zeichnung genetischer Code um eine Metapher der Informationssprache handelt.

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G 2.3


geben an, dass die Codierung der Erbinformation durch die Reihenfolge der Basen (Basensequenz) erfolgt,


deuten das Basentriplett als Codie-rungseinheit,

G 2.4 erläutern den Zusammenhang zwi-schen der Codierung der Erbinforma-tion und ihrer Übersetzung in Protei-ne,

G 2.5 schließen mit Hilfe der Codesonne von der Basensequenz einer DNA bzw. einer mRNA auf die Aminosäu-resequenz und umgekehrt von der Aminosäuresequenz auf mögliche Basensequenzen,

G 2.6 deuten die Universalität des geneti-schen Codes als Beleg für den ge-meinsamen Ursprung und damit für die Verwandtschaft aller Lebewesen. (3)

G 2.7 erläutern die Eigenschaften des ge-netischen Codes,

G 2.8 beschreiben den Vorgang der Trans-lation bei Prokaryonten,

G 2.9 geben die allgemeine Strukturformel der Aminosäuren an,

G 2.10 geben an, dass Dipeptide durch Ver-knüpfung zweier Aminosäuren über die Ausbildung einer Peptidbindung entstehen, (4)

G 2.11 erläutern Beispiele für das Vorkom-men und die Funktionen von Protei-nen in Organismen, (5)

G 2.12 erläutern den Unterschied der Pro-teinbiosynthese bei Pro- und Eukary-oten,

G 2.13 erklären an einfachen Beispielen den Zusammenhang zwischen Gen, Allel und Merkmal. (6)

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G 2.14


unterscheiden zwischen Gen, Allel und Merkmal, (7)


G 2.15 erläutern die “Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese“. (8)

stellen an einem ausgewählten Bei-spiel eine Genwirkkette dar. (9)


G 3.1



schließen aus der Vielzahl verschie-dener Zelltypen (bei gleicher geneti-scher Ausstattung) auf die Tatsache der Regulation der Genaktivität,

G 3.2 erklären die Bedeutung der Regulati-on der Genaktivität für die Ausprä-gung eines Merkmals,

G 3.3 erläutern, dass Umweltfaktoren das An- und Abschalten von Genen be-einflussen können,

G 3.4 geben an, dass die Genaktivität durch Anhängen von Methyl- oder Acetylgruppen an die DNA bzw. an Histone an- und abgeschaltet werden kann,

G 3.5 geben an, dass es sich bei dem Epi-genom um das durch Methyl- und Acetylgruppen gebildete typische Muster auf der DNA-Doppelhelix bzw. den Histonen handelt, (10)

recherchieren und beschreiben die Methylierung sowie die Acetylierung von Histonen und DNA als wesentli-che Wirkmechanismen der Epigene-tik. (11)

G 3.6 erklären, dass beim alternativen Spleißen mithilfe eines prä-mRNA-Moleküls unterschiedliche mRNAs und somit verschiedene Proteine ge-bildet werden können. (12)


G 4.1


begründen die Aussage, inwiefern Viren keine Lebewesen sind,


G 4.2 beschreiben den Bau eines HI-Virus. vergleichen anhand von Modellen den Bau des Phagen T4 mit dem HIV.

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G 4.3


beschreiben die Vermehrung des HIV,


G 4.4 beschreiben die immunologischen Folgen einer Infektion mit dem HI-Virus,

G 4.5 geben Symptome der AIDS-Erkrankung an,

recherchieren und bewerten die sozi-alen und finanziellen Folgen der HIV-Infektion,

G 4.6 erläutern Möglichkeiten die HIV-Vermehrung zu hemmen,

G 4.7 beschreiben ein Verfahren zum Nachweis einer HIV-Infektion, (13)

G 4.8 erläutern Maßnahmen zur Prävention einer HIV-Infektion.

diskutieren die AIDS-Problematik (z. B. Verbreitung, soziale Situation von Infizierten und Aids-Kranken, Aufklärung, Prävention, Behandlung) in Deutschland und in anderen Län-dern (Russland, Länder in Afrika).


G 5.1


geben an, dass Veränderungen (Mu-tationen) an der DNA zu veränderten Genen und als Folge zu veränderten Merkmalen des Organismus führen können,


G 5.2 geben an, dass es sich bei einer Mu-tation um eine zufällige, ungerichtete Veränderung von Genen handelt und dass mutierte Gene auf die Tochter-zellen vererbt werden,

G 5.3 geben an, dass Mutationen für die Artenvielfalt mitverantwortlich sind,

recherchieren und beschreiben mög-liche Auswirkungen von Mutationen auf die Ausprägung von Merkmalen, (14)

G 5.4 nennen Beispiele für Mutagene. recherchieren und beschreiben die Wirkungsweise ausgewählter Muta-gene.

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G 5.5


geben an, dass Mutagene die Mutati-onsrate erhöhen,


G 5.6 erläutern die Bedeutung der Kenntnis der Mutationsrate für die Datierung von Mutationen,

G 5.7 erklären einen Zusammenhang zwi-schen der Datierung von Mutationen und der Erstellung von Stammbäu-men auf der Basis von DNA-Sequenzvergleichen,

G 5.8 erklären die Bedeutung von DNA-Sequenzvergleichen für die Erstel-lung einer molekularen Uhr,

G 5.9

beschreiben, dass es verschiedene Mutationstypen gibt, (15)

recherchieren und beschreiben die Ursachen und phänotypischen Aus-wirkungen verschiedener Mutations-typen, (16)

G 5.10 unterscheiden anhand ausgewählter Beispiele zwischen neutraler geneti-scher Variation, die keinen erkennba-ren Selektionsvorteil mit sich bringt, und Mutationen, die einen Selekti-onsvorteil oder Selektionsnachteil mit sich bringen können, (17)

beurteilen die Bedeutung von Mutati-onen für die Evolution (genetische Variabilität, Selektion),

G 5.11 erklären das Entstehen von Allelen als Folge einer Genmutation,

wenden die Erklärung auf monogene-tisch (monogen) verursachte phäno-typische Merkmale an, (18)

G 5.12 geben an, dass es sich bei Krankhei-ten um einen Komplex von Merkma-len handelt und sie somit zum Phäno-typ eines Organismus gehören, (19)

G 5.13 unterscheiden anhand von Beispielen zwischen Mutation und Modifikation, (20)

G 5.14 erläutern die Möglichkeiten, Erbmate-rial im Prozess der Meiose neu zu kombinieren (Rekombination).

stellen Crossing over und Anordnung der Chromosomen in der Äquatorial-ebene schematisch dar.

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G 5.15


erläutern den Zusammenhang zwi-schen der Rekombination bei der ge-schlechtlichen Fortpflanzung und der Variation von Merkmalen,


G 5.16 erläutern das Zustandekommen von Variation bei Bakterien,

G 5.17 unterscheiden die verschiedenen Möglichkeiten der Rekombination bei Bakterien und erläutern diese, (21)

G 5.18 erläutern die Bildung von Resisten-zen als Evolutionsprozess (Selektion) bei Bakterien,

G 5.19 begründen die schnelle Verbreitung der Resistenzgene mit dem horizon-talen Gentransfer.

bewerten den Einsatz von Antibiotika in der Tierzucht für die Gesundheit der Menschen.


G 6.1


erläutern die verschiedenen Formen der Selektion, (22)


G 6.2 erläutern die Auswirkungen der natür-lichen Selektion auf die Häufigkeit der Merkmalsausprägung in der jeweili-gen Umwelt,

G 6.3 erläutern die Bedeutung der Variation für den Fortpflanzungserfolg (biologi-sche Fitness).

recherchieren und beschreiben Bei-spiele für die Variation. (23)


G 7.1


erklären die Wirkungsweise der na-türlichen Selektion auf der System-ebene der Gene als Änderung der Al-lelhäufigkeit in einer Population, (24)


recherchieren Häufigkeiten von Blut-gruppen (ABO) sowie des Auftretens von monogen bedingten Krankheiten in einer Population und stellen diese in geeigneter Weise dar. (25)

G 7.2 erläutern die Bedeutung der Isolation auf der Systemebene der Gene für die Artbildung.

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G 7.3


erläutern den Vorgang der Gendrift, (26)


wenden die Konzepte „Gründereffekt“ und „Flaschenhalseffekt“ zur Erklä-rung der Artbildung an,

G 7.4 recherchieren und beschreiben Bei-spiele zum Gründer- und Flaschen-halseffekt.

G 7.5 erläutern die Synthetische Evoluti-onstheorie als Zusammenführen der Ergebnisse aus vielen Teilgebieten der Biologie, vor allem der Selekti-onstheorie und Populationsgenetik.


G 8.1


erläutern die DNA-Sequenzierung nach Frederick Sanger,


G 8.2 erläutern ein Experiment zum Schneiden von DNA mit Restriktions-enzymen,

G 8.3 erläutern ein Experiment zur Tren-nung von DNA-Fragmenten oder von Proteinen mittels Gelelektrophorese,

G 8.4 erläutern das Prinzip der Gelelektro-phorese,

G 8.5 erläutern das Prinzip der Polymerasekettenreaktion,

vergleichen die Methode der Poly-merasekettenreaktion (PCR) mit der DNA-Replikation in der Zelle,

G 8.6 erläutern Durchführung und Anwen-dungsmöglichkeiten der PCR zur DNA-Typisierung,

G 8.7 erläutern das Verfahren der Erstel-lung eines genetischen Fingerab-drucks. (27)

diskutieren den genetischen Finger-abdruck und Vaterschaftstest auch unter Aspekten des Datenschutzes,

G 8.8 beurteilen den genetischen Finger-abdruck für die Prävention von Er-krankungen sowie in der Kriminalistik.

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G 9.1


erläutern eine Methode des Gen-transfers zwischen verschiedenen Ar-ten,


recherchieren und beschreiben An-wendungsbeispiele in der grünen, ro-ten und weißen Gentechnik,

G 9.2 erläutern das Prinzip der Geneditie-rung mit dem CRISPR/Cas-System. (28)

werten Informationen (z. B. Dia-gramme, Abbildungen, Texte) aus zur Zusammensetzung des CRISPR/Cas Komplexes und seiner Funktionswei-se als Abwehrsystem der Bakterien gegen Viren, (29)

G 9.3 recherchieren und beschreiben neue-re Entwicklungen in der Gentechnik, die die Grenzen des Machbaren ver-schieben (z. B. synthetische Biologie, Manipulationen in der Keimbahn),

G 9.4 bewerten die Entwicklungen zur Ver-änderung des Erbmaterials unter den Aspekten Nutzen/Schaden für Mensch und Umwelt nach wirtschaft-lichen, sozialen, ethischen und öko-logischen Kriterien, (30)

G 9.5 stellen Werkzeuge der Gentechnik als Anwendung von Prozessen bei Bakterien dar.

G 10 Züchtung

G 10.1


erläutern verschiedene Maßnahmen der Züchtung mit Hilfe von Fachbe-griffen aus der Genetik, (31)


G 10.2 unterscheiden zwischen dem Ergeb-nis einer Züchtung (z. B. Zuchtrasse, Sorte, Hybride) und der Art,

G 10.3 unterscheiden zwischen Methoden konventioneller Züchtung und grüner Gentechnik.

bewerten kritisch konventionelle Züchtungsmethoden und Methoden grüner Gentechnik u. a. auch im Hin-blick auf lokale und globale Auswir-kungen (Bildung für nachhaltige Ent-wicklung).

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Basisbegriffe


Versuche von Griffith und Avery, DNA, Desoxyribonucleinsäure, Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin, Uracil, Desoxyribose, Ribose, Phosphorsäurerest, Polynucleotidstrang, Doppel-strang, Einzelstrang, Chromosom, 3‘- bzw. 5‘-Ende, antiparallel, Doppelhelix, komplementä-res Basenpaar, Zucker-Phosphat-Rückgrat, DNA-Nucleotid, Chromatin, Histon, RNA (tRNA, mRNA, rRNA), Ribonucleinsäure, Verdopplung/Replikation, Okazaki-Fragment, Helicase, Ligase, Primase, DNA-Polymerase, Primer, Leitstrang, Folgestrang, Replikationsgabel, Replikationsauge, semikonservativ, Basensequenz, Versuch von Meselson und Stahl, Zentri-fugation, Interphase


Transkription, Promotor, Terminator, RNA-Polymerase, codogener Strang, nicht-codogener Strang, Initiation, Start, Elongation, Termination, Translation, Proteinbiosynthese, Start-Codon, Stop-Codon, m-RNA, Basentriplett, Basensequenz, t-RNA, Codon, Anticodon, Codo-gen, Ribosom, Polysom, Aminosäure, Bindungsstelle, Aminosäurekette, Kleeblattstruktur, Triplett-Code, Universalität des genetischen Codes, Redundanz, Eindeutigkeit, Kommafrei-heit ohne Überlappung, genetischer Code, Codesonne, Aminosäuresequenz, Aminogruppe, Säure-Gruppe, Aminosäurerest, Peptidbindung, Intron, Exon, Spleißen, Prozessierung, prä-m-RNA, reife mRNA, Kappe, Poly-A-Schwanz, rezessiv, dominant, Allel, Gen, Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese, Genwirkkette


Genaktivität, Histon, Epigenom, Methylgruppe, Acetylgruppe, Methylierung, Acetylierung, Epigenetik, Intron, Exon, Spleißen, Prozessierung, prä-m-RNA, reife mRNA, Kappe, alterna-tives Spleißen


Virus, Phagen T4, Kopf, Proteinhülle, DNA, Schwanzstiel, Stift, Mantel, Hülle, Endplatte, Sta-chel, Schwanzfiber, HIV, Retrovirus, virale RNA, Reverse Transkriptase, Hülle, Kapsid, Membranprotein, Virushülle, Verschmelzen, Integrase, Protease, reverse Transkription, In-tegration, Transkription, Translation, Self Assembly, Exocytose, akute Phase, Latenzzeit, opportunistische Infektion, T-Helferzelle, Immunoassay, Elisa, PCR, Schnelltest


Mutagen, Wildtyp, Mutante, Phänotyp, Genotyp, Mutationsrate, Stammbaum, DNA-Sequenzvergleich, molekulare Uhr, Mutationstyp, Genmutation/Punktmutation, Chromoso-menmutation, Genommutation, Substitution, Insertion, Deletion, Duplikation, Translokation, Inversion, Polyploidie, somatische Mutation, Keimbahnmutation, Spontanmutation, stille Mu-tation, neutrale Mutation, Sichelzellenanämie, Albinismus, Down-Syndrom, Trisomie 21, Klinefeltersyndrom, Turnersyndrom, rezessiv, dominant, Allel, Gen, monogen, Transformati-on, Konjugation, Plasmabrücke, Transduktion, Äquatorialebene, Crossing over, Rekombina-tion, Modifikation, Variation, Selektion, Resistenzgen, Resistenz, horizontaler Gentransfer


Variation, stabilisierende Selektion, transformierende, gerichtete oder direktionale Selektion, disruptive oder aufspaltende Selektion, biologische Fitness

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Basisbegriffe


ökologische Isolation, genetische Isolation, geografische Isolation, sexuelle Isolation, Fort-pflanzungsbarriere, natürliche Selektion, Allelhäufigkeit/Allelenfrequenz, monogen, Genlocus, Genpool, Population, Artbildung, Gendrift, Gründereffekt, Flaschenhalseffekt, Synthetische Evolutionstheorie


DNA-Sequenzierung, DNA-Doppelstrang, DNA-Einzelstrang, Nucleotid, DNA-Polymerase, Desoxynucleotid, Didesoxynucleotid, Kettenabbruch, Gelelektrophorese, Gel, Elektrophore-sekammer, Pufferlösung, elektrisches Feld, Kathode, Anode, Ladung der DNA-Fragmente, Bandenmuster, Polymerasekettenreaktion, Denaturierung, Primer, Hybridisierung, Taq-Polymerase, Thermocycler, PCR-Zyklus, komplementäre DNA, Genetischer Fingerabdruck, Short Tandem Repeats, Marker


Endonuklease, klebriges Ende, Restriktionsenzym, Schnittstelle, DNA-Ligase, Plasmid, Plasmidisolierung, Vektor, Passagier-DNA, transgene DNA, Hybridplasmid, Rekombination, Markergen, Transformation, Selektion, Stempeltechnik, Antibiotikaresistenz, Gensonde, Grü-ne Gentechnik, Rote Gentechnik, Weiße Gentechnik, Repeat-DNA, Palindrom, Spacer, CRISPR, Cas-Protein, Helicase, DNA-Schere, Leit-RNA

G 10 Züchtung

Mutation, Selektion, Variante, Kreuzung; Inzucht, Filialgeneration, F1, Polyploidierung, Zucht-rasse (Tiere), Sorte (Pflanzen), Hybrid, Art

Hinweise


(1) ohne Strukturformeln

(2) z. B. DNA-Extraktion aus Zwiebeln


(3) Der genetische Code ist nahezu universell. Bis auf wenige Ausnahmen (z. B. Mito-chondrien) codiert ein Basentriplett die jeweils gleiche Aminosäure.

(4) „Lassochemie“, d. h. die reagierenden Gruppen benachbart zeichnen und dann durch Einkreisen („Lasso“) die Kondensation (Abspaltung von Wasser) visualisie-ren.

(5) siehe Lehrplan Hauptphase, Stoffwechsel: Enzymatik, Wiederholung Lehrplan Ge-meinschaftsschule Sek. I

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Hinweise

(6) Gen - Enzym - Merkmal (z. B. Blütenfarbe)

Ein Gen ist weder dominant noch rezessiv.

Nur Merkmale können dominant oder rezessiv sein. Dominante Merkmale sind sol-che, bei denen es für die Merkmalsausprägung ausreicht, dass sich das entspre-chende allele Gen nur auf einem der homologen Chromosomen befindet. Rezessi-ve Merkmale sind solche, bei denen sich für die Merkmalsausprägung dasselbe allele Gen auf beiden homologen Chromosomen befindet.

(7) Die Schülerinnen und Schüler sollten folgende Zusammenhänge verstehen: Ein Merkmal wird nicht vom Gen, sondern über einen Entwicklungsprozess ausgeprägt, in dem Enzyme die Bildung des Merkmals katalysieren. Nicht Merkmale werden vererbt, sondern Gene. Gene enthalten keine Information. Biologisch bedeutet In-formation immer nur Struktur. Die Merkmale sind nur noch die Zeichen, an denen der verborgene Vererbungsprozess erkannt wird. Phänotypisch sind Gene charak-terlos: Z. B. ist ein Gen, das eine blaue Augenfarbe bewirkt, nicht blauäugig. Den Genen sind niemals (phänotypische) Eigenschaften zuzuschreiben.

(8) Gene sind DNA-Abschnitte, die in der Individualentwicklung aktiviert werden. Sie sind an der Ausprägung von Merkmalen über komplexe biochemische Prozesse verbunden.

(9) z. B. Phenylalaninstoffwechsel; Merkmale (Albinismus, Phenylketonurie) sind evtl. aus Stammbaumanalysen in der Sek. I schon bekannt


(10) ohne Strukturformeln, Benutzen von Symbolen

(11) Methylierung bewirkt eine stärkere Spiralisierung und die Acetylierung bewirkt eine Verringerung der Spiralisierung des Chromatins; damit wird die DNA schlechter oder besser für Ablesevorgänge zugänglich.

(12) Weil das Spleißen durch verschiedene Enzyme auf unterschiedliche Weise erfolgt, kann ein Gen für mehrere mRNA und entsprechend für mehrere Enzyme codieren.


(13) verschiedene Verfahren: Immunoassay/Eliza: Bindung Antigen - Antikörper; PCR: Identifizierung von RNA-Sequenzen (nach Besprechung der PCR s. 8.4); Western Blot; HIV-Schnelltest; HIV-Heimtest


(14) Sich positiv auswirkende Mutationen (z. B. Sichelzellen: Resistenz gegen Malaria im heterozygoten Fall): Positive Mutationen sind Mutationen, welche die Fitness eines Individuums erhöhen, also die Anzahl der Nachkommen im Vergleich zur durchschnittlichen Nachkommenzahl in der Population. Im Gegensatz zu sich nega-tiv auswirkenden Mutationen sind sich positiv auswirkende Mutationen sehr selten – trotzdem sind sie der Motor der Evolution.

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Hinweise

Sich negativ auswirkende Mutationen: Besonders größere Veränderungen im Erb-material führen oft zu nachteiligen Veränderungen im Stoffwechsel oder auch zu Fehlbildungen und anderen Besonderheiten.

(15) Gen-, Chromosomen-, Genommutation

(16) Veränderung der Chromosomenanzahl: Down-, Klinefelter- und Turnersyndrom, Mutation einzelner Gene: Albinismus und Sichelzellen (Sichelzellenmerkmal, und -anämie) sowie Vermehrung von Chromosomensätzen: Polyploidie bei Kulturpflan-zen; Sichelzellenanämie: kranke Homozygote; Sichelzellenmerkmal: gesunde Hete-rozygote, Heterozygotenvorteil bei Malaria

(17) Variabilität heißt eigentlich Veränderlichkeit. Es wird in der Literatur jedoch unter-schiedslos für zwei Phänomene verwendet: Verschieden-Sein und Verschieden-Werden. Man unterscheidet daher besser zwischen Variation (Verschiedensein) und Variabilität (Verschiedenwerden).

(18) vgl. in der Sek. I analysierte Stammbäume (z. B. Rhesusfaktor, Bluterkrankheit, Phenylketonurie, Rot-Grün-Sehschwäche)

(19) Krankheiten werden nicht vererbt, sie sind vielmehr Teil des Phänotyps. Vererbt werden Gene, mit denen ihr Träger unter bestimmten Bedingungen krank wird. Derart verursachte Krankheiten sind deshalb nicht als „Erbkrankheiten“, sondern als „genetisch bedingte Krankheiten“ zu bezeichnen.

(20) Mutation und Modifikation sind Prozesse. Vererbt werden (mutierte) Gene und kei-ne Merkmale.

(21) Transformation, Konjugation, Transduktion


(22) stabilisierende Selektion, transformierende, gerichtete oder direktionale Selektion, disruptive oder aufspaltende Selektion

(23) z. B. Industriemelanismus beim Birkenspanner, Sichelzellenanämie, Laktosetole-ranz beim Menschen


(24) Allelhäufigkeit, Allelfrequenz, Allelenfrequenz, (auch einfach Genfrequenz) gibt an, mit welcher Häufigkeit ein bestimmtes Allel in einer Gruppe von Individuen (Popula-tion) auftritt. Die Allelfrequenz eines bestimmten Allels in einer Probe ist mindestens zweimal so hoch wie die Anzahl für dieses Allel homozygoter (Homozygotie) Indivi-duen (weil jedes homozygote Tier in seinen Zellen zwei Kopien desselben Allels trägt) plus die Anzahl für dieses Allel heterozygoter (Heterozygotie) Individuen.

(25) z. B. Sichelzellenanämie, Rot-Grün-Sehschwäche, Rhesusfaktor, Phenylketonurie

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Hinweise

(26) Gendrift ist die zufällige Veränderung der Genhäufigkeit eines oder mehrerer be-stimmter Allele innerhalb einer Population. Zufällige Ereignisse wie Naturkatastro-phen begünstigen Gendrift. Je kleiner eine Population, desto wahrscheinlicher ist Gendrift. Der Gründereffekt und der Flaschenhalseffekt sind Beispiele für Gendrift.


(27) genetischer Fingerabdruck, Vaterschaftstest, Doping (eindeutige Zuordnung einer Urinprobe, die auf Dopingsubstanzen untersucht wird, zu einer Person), Früherken-nung von genetisch bedingten Erkrankungen durch Gendiagnose


(28) CRISPR/Cas-Komponenten mit der gewünschten Leit-RNA-Sequenz kann man herstellen. Mit der Leit-RNA erkennt der Komplex die komplementäre DNA-Sequenz in der Zielzelle. Das Cas-Protein lässt sich labortechnisch vielfältig modifi-zieren, so dass es die Ziel-DNA entweder nur schneidet oder sie schneidet und ergänzt.

(29) Cas („CRISPR associated“)-Proteine = enzymatische, sehr präzise Genscheren. Sie besitzen sowohl Helicase- als auch Nucleaseaktivität.

(30) z. B. Vorteile im medizinischen und wirtschaftlichen Bereich (billigere und wirksa-mere Medikamente, leistungsfähigere Organismen), ethische Probleme bei der planmäßigen Schaffung transgener Lebewesen bzw. bei gezielten Eingriffen in die Gene von Pflanzen, Tieren und vor allem des Menschen; mögliche Gefahren durch unkontrollierbare Entwicklungen bei der Freisetzung genmanipulierter Lebewesen in die Natur, z. B. Kontaminierung benachbarter Felder durch Austrag von Pollen (durch Insekten, Wind); unterschiedliche Gesetzgebung in verschiedenen Staaten und wirtschaftliche Folgen

G 10 Züchtung

(31) Bei der Züchtung werden natürlich vorhandene Varianten (Variation) mit angestreb-ten Eigenschaften zur Weiterzucht (Auslesezüchtung) ausgewählt (Selektion). Mög-lichkeiten zur Vergrößerung der genetischen Formenvielfalt bieten z. B. die Kombi-nation verschiedener Genotypen (Kreuzung; Kreuzungszüchtung) und die Auslese natürlicher sowie künstlich induzierter Mutationen (Mutationszüchtung) wie bei-spielsweise die Polyploidierung bei Weizen. Häufig werden Kombinationen aus den verschiedenen Züchtungsansätzen vorgenommen. Nach der Selektion des dem gewünschten Zuchtziel entsprechenden Genotyps (z. B. durch Inzucht zur Erhö-hung der Wahrscheinlichkeit des homozygoten Auftretens gewünschter Allele) muss dieser durch eine Erhaltungszüchtung fixiert werden. Heterosiseffekt bedeu-tet, dass weitgehend heterozygote Individuen (Hybride, Heterozygotie) eine gegen-über homozygoten Individuen (Homozygotie) gesteigerte Wüchsigkeit und eine so-wohl qualitativ als auch quantitativ höhere Ertragsleistung sowie eine bessere Vitali-tät aufweisen. Der Heterosiseffekt ist als Folge einer Kreuzung bestimmter Inzucht-linien in der ersten Nachkommengeneration (F1-Hybride) maximal ausgeprägt, da diese Generation den höchsten Grad an Heterozygotie aufweist, welche in den da-rauffolgenden Generationen kontinuierlich wieder abnimmt.

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Anhang

- Erprobungsphase -

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Operatorenliste für das Fach Biologie

Die Operatoren beziehen sich auf die Kompetenzbereiche Fachwissen, Erkenntnisgewin-nung, Kommunikation und Bewertung.

analysieren unter einer gegebenen Fragestellung wichtige Bestandteile oder Eigen-schaften herausarbeiten

angeben benennen nennen

Elemente, Sachverhalte, Komponenten, Begriffe, Daten ohne nähere Erläu-terungen aufzählen

anwenden einen bekannten Zusammenhang oder eine bekannte Methode auf etwas Neues beziehen

auswerten Daten, Einzelergebnisse oder sonstige Sachverhalte in einen Zusammen-hang stellen

begründen Sachverhalte auf Regeln, Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Zusammen-hänge zurückführen

beschreiben Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fach-sprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben

beurteilen zu einem Sachverhalt eine selbstständige Einschätzung unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden begründet formulieren

bewerten einen Gegenstand oder einen Sachverhalt an erkennbaren Wertkategorien oder an bekannten Beurteilungskriterien messen

darstellen Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden und Verfahren in fachtypischer Weise strukturiert wiedergeben

deuten Sachverhalte in einen Erklärungszusammenhang bringen

diskutieren in Zusammenhang mit Sachverhalten, Aussagen oder Thesen unterschied-liche Positionen bzw. Pro- und Contra-Argumente einander gegenüberstel-len und abwägen

dokumentieren alle notwendigen Erklärungen, Herleitungen und Skizzen darstellen

(Experimente) durchführen

an einer Experimentieranordnung zielgerichtete Handlungen, Messungen und Änderungen vornehmen und diese protokollieren

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erklären einen Sachverhalt auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten zurückführen sowie ihn nachvollziehbar und verständlich machen

erläutern einen Sachverhalt durch zusätzliche Informationen veranschaulichen und verständlich machen

ermitteln einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulie-ren

ordnen einordnen zuordnen

vorliegende Objekte oder Sachverhalte kategorisieren/hierarchisieren

planen zu einem vorgegebenen Problem eine Experimentieranordnung finden bzw. eine Experimentieranleitung erstellen

präsentieren biologische Zusammenhänge mediengestützt vortragen

protokollieren Fragestellung, Aufbau, Ablauf und Beobachtung von Experimenten detail-genau zeichnerisch einwandfrei bzw. fachsprachlich richtig wiedergeben und auswerten

recherchieren gezieltes Ermitteln von Informationen mit Hilfe von Quellen

schließen auf aus bekannten/vorgegebenen Fakten eine logisch begründete Folgerung ableiten

skizzieren Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduzieren und diese grafisch oder als Fließtext übersichtlich darstellen

unterscheiden Diskriminieren von Sachverhalten oder Objekten anhand von Kriterien, die bei beiden nicht übereinstimmen

vergleichen Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln

zeichnen eine möglichst exakte grafische Darstellung beobachtbarer oder gegebener Strukturen anfertigen

Biologie - saarland.de · Juni 2019 3 Vorwort Die Jahrgangsstufen in der gymnasialen Oberstufe...

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