12 anschauliche Modelle zu Chromosomen, DNA und Gentechnik

Astrid Wasmann

Klasse 8–10

Biologie begreifen:

Genetik

Mit CD

Astrid Wasmann

Biologie begreifen: Genetik 13 anschauliche Modelle zu Chromosomen

Downloadauszug aus dem Originaltitel:

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agVorwort

Liebe Kollegin, lieber Kollege,

kürzlich hörte ich, wie zwei junge Menschen sich beim Einkaufen über „Gentomaten“ unterhielten. „Wie gefährlich sind die eigentlich?“, fragten sie sich. Mit etwas genetischem Grundwissen kommt man darauf, dass alle Tomaten Gene enthalten, und zwar in jeder ihrer Zellen. Gentechnisch veränderte Tomaten – das war wahrscheinlich damit gemeint – kommen gar nicht in unsere Supermärkte. So oder so ähnlich findet man viele Informationslücken zur Genetik und Gentechnik. Nichtwissen ruft Ängste gegenüber Gentechnik hervor. Daher halte ich es für außerordentlich wichtig, dass Schülerinnen und Schüler sich mit diesen The-men schon früh, also in der Sekundarstufe I, intensiv auseinandersetzen und Zusammenhänge verstehen.

Leider verleiten die vielen Fachbegriffe in der Genetik dazu, vieles lediglich auswendig zu lernen. Ein Para-debeispiel hierfür sind die Themen „Mitose“ und „Meiose“. Seit Generationen lernen Schülerinnen und Schüler die vielen Phasen einfach auswendig. Die Begriffe werden nach einem Biologie-Test aber schnell wieder vergessen. Dieses Heft will Verstehensprozesse in Gang setzen. Aufgrund der Auseinandersetzung mit diesen Prozessen bauen Schülerinnen und Schüler echte Verständnisse auf.

Anschauliche Modelle sind für das Verstehen genetischer Phänomene ebenfalls sehr hilfreich. Damit kön-nen sich viele Schüler die für die Vererbung wichtigen Strukturen und Prinzipien besser vorstellen. Gleich-zeitig lernen sie einen reflektierten Umgang mit Modellen.

Strukturierte Diskussionsrunden fördern die Bewertungskompetenz der Schüler.

Das hier vorgestellte Material kann ergänzend und unterstützend zu den Informationen in den Schulbü-chern eingesetzt werden.

Im Zusatzmaterial liegen die Bastelvorlagen in einer farbigen Variante zum Ausdrucken vor. Hinzu kommen PowerPoint-Präsentationen zum Vorführen oder zum interaktiven Selbstlernen. Die PowerPoint-Präsenta-tionen können auch als OHP-Folien genutzt werden, z. B. als Auflege-Folien. Sie sind zudem whiteboard-geeignet.

Ich wünsche Ihnen viel Freude beim Ausprobieren!

Ihre

Dr. Astrid Wasmann

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LChromosomen vorstellen

ZieleDie Schüler erhalten eine Einführung in Bau und Bedeutung von Chromosomen.

SachanalyseZunächst sollen die Chromosomen als Träger der Erbinformation vorgestellt werden. Chromosomen liegen in den Körperzellen doppelt vor. Man nennt die in Aussehen und Größe gleichen Chromosomen homolog. Der Mensch hat 46 Chromosomen, davon sind 44 Autosomen und zwei Geschlechtschromosomen. Alle Chromosomen zusammen bilden den Chromosomensatz eines Menschen. Bei einer Frau liegen die Geschlechtschromosomen zweimal als X-Chromosom vor. Ein Mann hat die Geschlechtschromosomen X und Y. Die Chromosomen befinden sich im Zellkern jeder Zelle. In den Körperzellen liegen sie doppelt vor. Sie sind diploid (2n). In den Keimzellen hingegen liegt nur ein einfacher Chromosomensatz vor: Diese Zellen sind haploid (1n). Als Transportform liegt ein Chromosom kurz und dick vor, als Arbeitsform sind die Chromatinfäden entspiralisiert und bilden daher ein langes, auch im Lichtmikroskop nicht sichtbares Chromatingerüst. Das Chromosom hat eine primäre Einschnürung, das Centromer. An dieser Einschnürung hängen die Chromatiden – das sind die Chromoso-menhälften – zusammen. Am Centromer setzen die Spindelfasern an, die die Chromosomenhälften in der Anapha-se der Mitose (= fortgeschrittenes Mitose-Stadium) auseinanderziehen. Auf den Chromosomen liegen die Gene. Das sind die Funktionseinheiten, die vererbt werden. Genauer gesagt, fasst man als Gene Abschnitte des Chromosoms zusammen, die für ein Protein codieren, also die verschlüsselte Informa-tion für die Bildung eines bestimmten Proteins enthalten.Chromosomen verlassen nie den Zellkern. Zu wertvoll ist die in ihnen gespeicherte Erbinformation.

KompetenzenDie Schüler bauen Fachkompetenzen zu den Chromosomen auf.

Methodische HinweiseNutzen Sie die Chromosomenvorlage auf S. 3 oder aus dem Zusatzmaterial. Schneiden Sie zwei Chromosomen aus. Hängen Sie die Chromosomen an die Tafel und beschriften Sie mit Kreide die Bestandteile.

TippsVergrößern Sie die Vorlage für ein Chromosom und schneiden Sie dieses ebenfalls zweimal aus. So können Sie mit vier Chromosomen, wobei je zwei homolog sind, die Einführung gestalten.

Lösung

kurzer Arm

Centromer (primäre Einschnürung)

langer Arm

DNA-Abschnitt eines Gens

homologe Chromosomen

ChromatidChromosom

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agVorlage für ein Chromosom

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LChromosomen basteln

ZieleDie Schüler sollen durch Modellbildung den Aufbau eines Chromosoms verstehen.

SachanalyseChromosomen kommen in allen Zellkernen vor. Jede Art besitzt eine für sie spezifische Anzahl. Schimpansen beispielsweise haben 48 Chromosomen, Menschen 46. Alle Chromosomen liegen in den Körperzellen doppelt vor. Diese sind in Größe und Aussehen gleich. Man nennt sie homolog. 23 Chromosomen unterscheiden sich in Größe, Aussehen und Form. Jedes Chromosom besteht wiederum aus zwei gleichen Chromatiden. Diese heften am Centromer zusammen. Das ist die engste Stelle zwischen den beiden Chromatiden.Chromosomen kann man im Mikroskop nur sehen, wenn die chemische Substanz, die DNA, stark spiralisiert ist. Das ist während der Pro- und der Metaphase einer Mitose der Fall. In der Interphase liegen die Chromosomen entspiralisiert als lange, dünne Fäden vor. Dann erscheinen sie im Mikroskop nicht.

KompetenzenDie Schüler erwerben Methodenkompetenz im Modellieren. Mithilfe dieser Methodenkompetenz bauen sie Fach-kompetenzen auf.

Methodische HinweiseRegen Sie Ihre Schüler dazu an, unterschiedlich große Chromosomen zu basteln und immer zwei identische. Sie sollten zu zweit arbeiten. Die Chromosomen-Modelle werden aufbewahrt. Für die Mitose-Aufgabe bilden zwei Zweiergruppen ein neues Viererteam. Sie können ihre schon gebastelten Chromosomen für die Stop-Motion-Aufgabe (siehe S. 7/8) wiederverwenden.

TippStatt Pfeifenreiniger können auch Metallspiralen oder Metalldraht aufgedreht und verwendet werden.

Lösung

kurzer Arm

Centromer

langer Arm

Chromatinfaden, spiralisiert

homologe Chromosomen

Chromatid

Chromosom

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SChromosomen basteln

AuftragBaut (in Zweiergruppen) ein Chromosomen-Modell und stellt euren Mitschülern den Zusammenhang von Bau und Funktion vor.

Material Pfeifenreiniger (oder Metalldraht), Schere, Gummiband oder Clips

Durchführung

Ordnet die Teile des Modells den realen Chromosomen-Bestandteilen zu.

Modell Chromosom

Vorbereitung auf die Präsentation

Nehmt zwei Pfeifenreiniger und verbindet sie an einer Stelle mithilfe eines Gummibands oder eines Clips. Dreht die Arme des Chro-mosoms spiralig auf. Stellt zwei baugleiche Chromosomen her. Informiert euch im Schulbuch, wie die Bestandteile des Chro-mosoms heißen.

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LStop Motion einer Mitose

ZieleDie Schüler sollen die Mitose als fortschreitenden Prozess erfassen und deren Bedeutung für den Erhalt des Erbguts bei jeder Zellteilung verstehen.

SachanalyseAls Mitose bezeichnet man die Kernteilung, die der Zellteilung unmittelbar vorausgeht. Die komplexen Vorgänge der Mitose dienen dazu, das Erbgut identisch auf die beiden Tochterzellen zu verteilen. Dieser Vorgang ist seit Jahrzehn-ten recht gut bekannt und fester Bestandteil des Biologieunterrichts. Die Phasen der Mitose (Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase) werden von Schülergenerationen auswendig gelernt. Es ist zu bezweifeln, dass beim Auswendiglernen der Mitose-Begriffe ein tief gehendes Verständnis erreicht wird. Daher wird hier der Vorschlag gemacht, den Schwerpunkt des Unterrichts auf das Verständnis des kontinuierlichen Prozesses der Mitose zu legen. Dazu wird die Technik des Stop-Motion-Films eingesetzt.

Stop Motion ist eine Filmtechnik, die verwendet wird, um reglosen Objekten Leben einzuhauchen. So werden beispielsweise Fotos von LEGO®-Figuren gemacht, die immer wieder umgesetzt und durch das anschließende Aneinanderreihen der Fotos als Film in Bewegung gebracht werden. Die Schüler sollen die verschiedenen Stadien der Chromosomen basteln, sie auf einen gezeichneten Zellkern legen und die Stadien fotografieren. Dann werden die Bilder aneinandergereiht. Um sie anschließend als kontinuierlichen Film präsentieren zu können, fügt man die Fotos am besten in PowerPoint-Folien ein. Alternativ kann mit einer speziellen App (z. B. Stop Motion Studio) ge-arbeitet werden. Entweder beschreiben die Schüler in Textfeldern den Fortgang der Mitose oder sie besprechen die Folien mündlich. Die Möglichkeit des eigenen Handelns bei einem eher trockenen Thema motiviert Schüler sehr.

KompetenzenSchüler erwerben Handlungskompetenz und bauen ein Verständnis durch aktive Umsetzung eines Themas auf. Sie üben kooperative Fähigkeiten und entwickeln Kreativität.

Methodische HinweiseLassen Sie Ihre Schüler Teams bilden und geben Sie ihnen möglichst viel Gestaltungsfreiheit. Dann werden sie gute Ideen entwickeln, die Vorgänge während der Mitose anschaulich darzustellen.

TippsLegen Sie möglichst unterschiedliches Bastelmaterial aus, nicht nur Pfeifenreiniger, sondern auch Knöpfe, Draht, Büroklammern und Ähnliches. So können Ihre Schüler eigene Wege gehen. Setzen Sie die bereits gebastelten Chromosomen von S. 3/4 weiter ein. Das spart Zeit.

LösungDie PowerPoint-Folie im Zusatzmaterial hält eine fertige Stop-Motion-Sequenz einer Schülergruppe bereit. Hier ein Fotobeispiel einer Gruppe:

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SStop Motion einer Mitose

AuftragStellt die Mitose als kontinuierlichen Vorgang durch einen Stop-Motion-Film dar.

Material Pfeifenreiniger, Draht, Gummiband, Wollreste, Knöpfe, Beutel-Clips, Büroklammern, Schere, Plakatpapier, Filzmarker, Moderationskarten, Kamera, PowerPoint oder Stop-Motion-App

Durchführung

Notizen für den Film:

Beschreibt die Vorgänge in den Phasen.

Prophase

Metaphase

Anaphase

Telophase

Bildet Teams (4–5 Schüler). Lest euch die Vorgänge der Mitose im Schulbuch genau durch. Erklärt euch die Vorgänge gegen-seitig. Stellt die Vorgänge der Mitose mithilfe des Bastelmaterials dar. Fotografiert dazu die einzelnen Phasen (Pro-, Meta-, Ana- und Telophase). Baut die Bilder in eine Power-Point-Präsentation ein oder benutzt eine Stop-Motion-App. Beschriftet und erklärt kurz, was zu sehen ist. So stellt Ihr einen kleinen Stop-Motion-Film her, und der Vor-gang der Mitose erscheint als kontinuier-licher Vorgang.

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LChromosomen im Wandel

ZieleSchüler sollen erkennen, dass Chromosomen in Abhängigkeit vom Zellzyklus unterschiedlich gestaltet sind.

SachanalyseChromosomen verändern sich im Laufe von Zellteilung, Zellwachstum und identischer Replikation der DNA. Am deutlichsten erkennt man ein Chromosom während der Prophase einer Mitose. Da liegt es im Zwei-Chromatid-Chromosom vor und ist extrem spiralisiert. Ab der Anaphase der Mitose besteht ein Chromosom aus einem ein-zigen Chromatid. Dieser Zustand bleibt in der ersten Phase der Interphase erhalten. Sie wird G1-Phase genannt (Gap-Phase; aus dem Englischen = Lücke). In dieser Phase findet noch keine DNA-Synthese statt, daher Gap, die Lücke. Die DNA liegt nun lang gestreckt vor, denn sie hat sich entwunden. In der G1-Phase wächst die frisch geteilte Zelle heran. In einer nächsten Phase wird die DNA verdoppelt. Dazu wandern Nukleotide aus dem Kernplasma an die einsträngige DNA heran und bauen das zweite Chromatid komplementär wieder auf (Replikation). Dies ist das Synthese-Stadium (S-Phase). Das Chromosom besteht nun wieder aus zwei Chromatiden. In der nachfolgenden G2-Phase werden von der DNA Informationen zum Aufbau von Proteinen abgelesen (Transkription). Dann bereitet die Zelle sich für die nächste Mitose vor. Manche Zellen treten nach ihrer Teilung auch in die G0-Phase ein. Dort findet keine Zellneubildung statt (z. B. Epithel- und Nervenzellen). Hier sind nochmals die Phasen, die ein Chromosom durchläuft, nacheinander aufgelistet: Mitose (Prophase – Metaphase – Anaphase – Telophase), Interphase (G1-Phase – S-Phase – G2-Phase), und danach geht es wieder mit der Mitose von vorne los.

KompetenzenDie Schüler bauen Kompetenzen im Modellieren auf und erwerben Fachkompetenzen über den Zellzyklus. Sie erwerben Reflexionsfähigkeit zur kritischen Beurteilung von Modellen.

Methodische HinweiseIhre Schüler setzen sich am besten zu viert zusammen und verwenden die bereits von ihnen gebauten Chromo-somen (siehe S. 3/4).

TippsNutzen Sie entweder die PowerPoint-Folie des Zellzyklus aus dem Zusatzmaterial, um die Wandlung eines Chro-mosoms zu erklären, oder die folgende Folie, auf der Schüler die Chromosomen-Zustände in die richtige Phase schieben können. Sie steht ebenfalls als editierbares Word-Dokument in den Zusatzmaterialien zur Verfügung.

Lösung

Zwei-Chromatid-Chromosom, spiralisiert

späte Prophase, Meta-phase in der Mitose

Ein-Chromatid-Chromosom, spiralisiert

während der Anaphasein der Mitose

Ein-Chromatid-Chromosom, entspiralisiert

während der Interphase (G1)

Zwei-Chromatid-Chromosom,entspiralisiert

während der Interphase (G2)

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agZellzyklus – Folie

Mitose

G2-Phase G1-Phase

S-Phase

Interphase

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LMeiose

ZieleDie Schüler sollen die Vorgänge, die in der Meiose stattfinden und für die Keimbahn und somit für die Vererbung von Merkmalen wichtig sind, verstehen.

SachanalyseMeiose und Mitose werden häufig verwechselt. Während die Mitose in jeder Zelle vor jeder Zellteilung stattfindet, kommt die Meiose nur in den Keimzellen, also Spermien und Eizelle, vor und dient der Reduktion der Chromo-somenzahl. Der doppelte Chromosomensatz wird auf die Hälfte reduziert. Danach enthalten die Keimzellen den einfachen oder auch haploid (= 1n) genannten Chromosomensatz. Am Ende der Meiose befinden sich in der Keimzelle 23 statt 46 Chromosomen. Gleichzeitig findet eine Rekombination, das heißt, eine neue Zusammensetzung von väterlichen und mütterlichen Chromosomen, statt. Die zufällige Verteilung der homologen Chromosomen auf die Keimzellen sorgt dafür, dass man entweder vom Vater oder von der Mutter eine Eigenschaft erbt. Die Meiose findet in zwei Schritten statt. Der erste besteht aus dem Auseinanderziehen ganzer homologer Chromo-somen. Hier findet die erste Reduktionsteilung statt, bei der am Ende der haploide Chromosomensatz steht. Der zweite Schritt entspricht einer Mitose. In dieser Phase trennen sich die Chromatiden, also die Chromosomenhälften. Er heißt zweite Reduktionsteilung. Insgesamt entstehen aus einer Urkeimzelle vier neue haploide Zellen. Beim Mann sind dies die Spermien. Bei der Frau bilden sich eine große, nährstoffreiche Eizelle und drei kleine Zellen, die Pol-körperchen.

KompetenzenDie Schüler erwerben Modellkompetenz. Als Fachkompetenz bauen sie eine Vorstellung von den Vorgängen während der Meiose auf, insbesondere von der Reduktion des Chromosomensatzes und der Rekombination der Chromosomen.

Methodische HinweiseDie Meiose lässt sich mit dem vorhandenen Material gut mit der ganzen Klasse erarbeiten. Verwenden Sie die ge-bastelten Chromosomen aus der Anleitung zum Chromosomenbau (S. 5). Wichtig ist, dass homologe Chromoso-men vorhanden sind. Sie können mit 5, 15 oder mehr homologen Chromosomen arbeiten. Lassen Sie alle Chromo-somen von Schülern auf zwei gegenüberliegende Seiten ziehen. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die iden-tischen Chromosomen auf verschiedene Seiten gelangen. Die Tochterzellen enthalten dann den haploiden Chro-mosomensatz. Für die anschließende Mitose können Ihre Schüler mit dem gleichen Material eine mitotische Teilung nachspielen. Wichtig ist nun, dass Sie im Unterrichtsgespräch die Unterschiede von Mitose und Meiose klären.

TippIm Zusatzmaterial liegt eine PowerPoint-Folie zur Meiose zum Selbstlernen für Schüler bereit.

Lösung Mitose Meiose

in allen Körperzellen nur in den Keimzellen

am Ende Ein-Chromatid-Chromosom am Ende Ein-Chromatid-Chromosomen

am Ende diploider Chromosomensatz am Ende haploider Chromosomensatz

3 gleichmäßige Verteilung der Erbinformation auf beide Tochterzellen

3 Reduktion des Chromosomensatzes 3 Durchmischung des elterlichen Erbguts 3 Bildung haploider Keimzellen

erste Reduktionsteilung zweite Reduktionsteilung

Ein-Chromatid-Chromosom

haploide Zellendiploide Zelle

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SMeiose

AuftragStellt die Meiose gemeinsam in einem Legebild dar.

Material Pfeifenreiniger oder fertige, aus Pfeifenreiniger gebastelte Chromosomen, Band oder dicke Wolle

Durchführung

Holt die schon fertiggestellten Chromoso-men hervor. Jede Gruppe legt ihre zwei identisch gebastelten Chromosomen in die Mitte des Kreises, der dem Zellkern ent-spricht. Sie können ruhig durcheinander-liegen. So liegen dort mehrere homologe Chromosomen. Im nächsten Schritt zieht ihr die homologen Chromosomen auseinander und bringt sie in jeweils eine neue Zelle, dargestellt durch einen Kreis. Nun ist der erste Teil der Meiose abgeschlossen. Der Chromosomensatz ist von diploid auf haploid reduziert. Im zweiten Schritt werden die Chromosomen der neu gebildeten Zellen als Chromatiden auseinander-gezogen und wiederum auf zwei neue Zellen verteilt. Dazu zieht ihr die Längshälften der Chromosomen auseinander. Dies geschieht wie in der Mitose (vgl. Folie zum Zellzyklus, S. 9).

Schreibt in Stichworten auf, welche Schritte in der Meiose durchlaufen werden.

1. Reduktionsteilung

2. Reduktionsteilung

Vergleicht Mitose und Meiose.

Gesichtspunkt Mitose Meiose

Wo?

Wann?

Funktion

Chromosomensatz am Ende

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agPhasen der Meiose – Folie (Zusatzaufgabe)

Die Phasen der Meiose sind hier durcheinandergebracht. Nennt die Namen der Phasen, schneidet sie aus und stellt sie in eine richtige Reihenfolge.

Literaturempfehlung

Bücher/ZeitschriftenBiologie 5–10; Genetik begreifbar machen, Heft 9, 2015, Friedrich Verlag.Unterricht Biologie; Genetische Techniken am Menschen, Heft 291, 2004, Friedrich Verlag.Baron, D., Braun, J., Erdmann, U., Hansen, S., Hansen, T., Heinze, R., Hörnemann, A., Lucius, E. (2012): Grüne Reihe. Genetik. Schülerband, Schroedel-

Verlag.Högermann, C., Kricke, W. (2015): Modelle für den Biologieunterricht, Aulis Verlag.Wasmann, A. (2015): Gentechnisch veränderte Lebensmittel – gesundheitliche Schäden oder Lösung der Ernährungsprobleme? in: Meyer, C., Scherak, L.,

Stein, M. (Hrsg.): Ernährung – Eine multiperspektivische Synthese, LIT Verlag, Berlin, S. 26–36.

Internetadressen (abgerufen am 14.10.2016)http://www.biologie-schule.de/genetik.php http://www.mallig.eduvinet.de/bio/Repetito/Meiose1.html http://www.webmic.de/meiose.htm http://www.sn.schule.de/~biologie/medien/blaetter/meiose.PDF http://www.transgen.de/tiere.html http://www.schule-und-gentechnik.de/fuer-schueler/wer-wie-was/gentechnik-abc.html

FilmeGene im Stresstest: http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=27260 FWU Schule und Unterricht: Grundlagen der Genetik, DVD, Art.-Nr. Onlinemedium: 5500509, Art.-Nr. physisches Medium: 4602322.

Bezug von Material BastellädenSupermarktBürobedarf

Der besseren Lesbarkeit halber sprechen wir meist nur von Lehrern, Schülern usw. Natürlich meinen wir damit auch die Lehrerinnen, Schülerinnen usw.

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Dr. Astrid Wasmann ist verheiratet und hat drei erwachsene Kinder. Sie war als Ober-studienrätin an einer Gesamtschule und einem Gymnasium und als Kreisfachbera-terin für Umwelt und Natur tätig. Dazu hat sie viele Lehrerfortbildungen gehalten. Im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht hat sie innovative Konzepte erprobt. Ihr Schwerpunkt ist offener, experimenteller Unterricht. Sie ist Autorin zahlreicher Veröffentlichungen. Von 2012 bis 2014 arbeitete sie als Vertretungsprofessorin für Biologiedidaktik.

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Redaktion: Janina ZieleckiLayout/Satz: Satzpunkt Ursula Ewert GmbH, BayreuthCoverfoto: © phonlamaiphoto – Fotolia.comIllustrationen: Dr. Astrid Wasmann

Bestellnr.: 10420DA1

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