Langentwurf: Das Verhalten der
Chromosomen bei der Teilung von Körperzellen (Mitose)
1 Unterrichtsgegenstand
1.1 Thema der Unterrichtsstunde
Das Verhalten der Chromosomen
bei der Teilung von Körperzellen
1.2 Thema der Unterrichtsreihe
Klassische Genetik / Chromosomentheorie
der Vererbung
1.3 Thema des unmittelbar vorangegangenen
Unterrichts
Entwicklung einer Theorie zur
Erklärung der ersten und zweiten mendelschen Regel
1.4 Thema der folgenden Stunden
Weitere Stunde zur Mitose; Untersuchung
von Geschlechtszellen bei der Zellteilung (Meiose); Vergleich von Mitose
und Meiose
2 Unterrichtsvoraussetzungen
Die Klasse zeigte sich bisher
biologischen Themen gegenüber aufgeschlossen und interessiert. In
alphabetischer Reihenfolge wechseln sich die S. beim Anfertigen von Stundenprotokollen
ab; diese werden jeweils benotet und gehen in die Zensur der allgemeinen
Mitarbeit ein.
In den letzten Stunden sind
die erste und zweite mendelsche Regel an einem monohybriden, dominant-rezessiven
Erbgang (Samenfarbe der Saaterbse) abgeleitet worden. Dabei wurde mit Hilfe
eines Buchstabenexperimentes ein Erklärungsversuch unternommen, der
zum Ergebnis hatte, dass die Erbanlagen doppelt vorhanden sein müssen
und bei der Ausbildung von Geschlechtszellen offensichtlich voneinander
getrennt werden.
Außerdem wurde herausgestellt,
dass Erbanlagen über die Geschlechtszellen von Generation zu Generation
sowie (im Anschluss an die Befruchtung) von Zelle zu Zelle weitergegeben
werden.
3 Lernziele
3.1 Grobziel
Die S. werden in die Grundlagen der chromosomalen Vererbung eingeführt.
3.2 Feinziele
Die S.:
fertigen unter Anleitung aus
Pfeifenreinigern ein Chromosomenmodell an (Ind.: Modelle). (LZ 1)
können die in einem Informationstext
genannten Fachbegriffe zum Bau der Chromosomen auf das gefertigte Modell
übertragen (Ind.: Einträge AB1). (LZ 2)
können an Hand einer Abbildung
die Phasen der Mitose beschreiben (Ind.: Einträge AB2, S.-Äußerungen).
(LZ 3)
können die Chromosomen
als mögliche Träger der Erbinformationen benennen (Ind.: S.-Äußerungen).
(LZ 4)
4 Sachanalyse
Im Jahre 1887 stellte WEISMANN
die Keimbahntheorie auf, die eine Kontinuität des Keimplasmas über
die Generationen hinweg fordert. Mitte der Achtzigerjahre des vorigen Jahrhunderts
wurde von verschiedenen Forschern, wie BOVERI, HERTWIG, STRASBURGER und
WEISMANN, darauf hingewiesen, dass Erbanlagen auf Chromosomen lokalisiert
sein könnten. Ferner wurde eine Individualität einzelner Chromosomen
während des ganzen Lebens des Zellkerns postuliert.
Als die mendelschen Regeln
im Jahre 1900 wieder entdeckt und der breiten Öffentlichkeit zugänglich
gemacht wurden, schien es nahe liegend, den Mechanismus der Chromosomenverteilung
bei der Keimzellenbildung und die Verschmelzung zweier Kerne bei der Befruchtung
mit der Verteilung von Merkmalsanlagen auf die Nachkommenschaft in Einklang
zu bringen, denn auch nach den mendelschen Vorstellungen wurde eine Art
Reduktion der Anlagen gefordert.
SUTTON und BOVERI fassten
1903/04 die Vorstellungen zur Chromosomentheorie der Vererbung zusammen.
Sie blieb jedoch noch auf Jahre umstritten, denn ein schlüssiger Beweis
ließ auf sich warten. Erst in der 13. Auflage von STRASBURGERs "Lehrbuch
der Botanik" (1917) hieß es: "Daß diese Anlagen
an die Chromosomen des Zellkerns gebunden sind, ist wahrscheinlich, über
die Art und Weise aber, wie sie den Entwicklungsgang beeinflussen, wissen
wir nichts ..."
In einer ersten Phase der
Chromosomenforschung wurden die Mechanismen der Mitose und Meiose aufgeklärt
und die einzelnen Phasen charakterisiert. Die Übereinstimmung zwischen
Verteilungsmuster und genetischen Daten machte die Annahme wahrscheinlich,
dass Chromosomen Träger von Erbanlagen (Genen) seien.
Die Interphase ist nicht
Bestandteil der Mitose. Sie dauert etwa 23 Stunden, die Mitosephasen laufen
in ca. 40 Minuten ab (Prophase 25 min., Metaphase, Anaphase und Telophase
jeweils 5 min.). Während der Interphase müssen sich die Chromatiden
verdoppeln, damit in der Prophase wieder vollständige Chromosomen
für eine erneute Mitose bereitstehen. Im Sinne einer didaktischen
Reduktion ist es sinnvoll, die Interphase (die ja wiederum in eigene Phasen
unterteilbar ist) nur im Hinblick auf die Leistung der Verdopplung des
Erbmaterials zu thematisieren.
In jüngster Zeit sind
Zweifel laut geworden, ob es sich bei den Kondensationsvorgängen,
in deren Folge die Chromosomen sichtbar werden, tatsächlich um eine
Aufschraubung und Auffaltung handelt. Da mir aber keine neueren Erkenntnisse
vorliegen, möchte ich den bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnisstand
wiedergeben.
5 Didaktisch-methodische Überlegungen
Der Rahmenplan für die
10. Klasse nennt als Lerninhalt unter "Vererbung" explizit "Chromosomen
als Träger von Erbinformationen". Den S. soll ein Einblick in die
Grundlagen der chromosomalen Vererbung vermittelt werden.
Die Unterrichtsreihe orientiert
sich weitgehend am historischen Werdegang der Genetik. Zugrundeliegende
Idee ist die Ableitung der "Chromosomentheorie der Vererbung" aus zwei
Teilen: den Mendel-Experimenten, verbunden mit Buchstabenexperimenten,
sowie den Abläufen von Mitose und Meiose. Erkenntnis soll sein, dass
die Chromosomen sich bei der Bildung von Geschlechtszellen genau so verhalten,
wie man es aus den "Buchstabenexperimenten" von den Trägern der Erbinformation
fordern würde; ein Ergebnis, das in dieser Stunde noch nicht erreicht
werden kann.
Da die Anlagen von Zelle
zu Zelle und über die Geschlechtszellen von Generation zu Generation
weitergegeben werden, liegt es nahe, nach entsprechenden Vorgängen
in den Zellen zu suchen. Aus dieser Überlegung ergeben sich die anstehenden
Lerninhalte "Aufbau der Chromosomen", "Mitose" und "Meiose". Die S. müssen
sich zunächst mit dem Aufbau der Chromosomen beschäftigen, denn
dieser stellt die Grundlage für die Behandlung der Vorgänge bei
Kern- und Zellteilung dar.
Bei Mitose und Meiose handelt
es sich um Themen, die den S. eine hohe Abstraktionsleistung abverlangen,
weshalb angesichts dieser schweren Inhalte einfache Methoden angezeigt
sind.
Zunächst müssen
die S. mit grundlegenden Begriffen vertraut gemacht werden, bevor die cytologischen
Vorgänge thematisiert werden. Hierfür bietet sich ein Anfertigen
von Modellen aus Pfeifenreinigern an, da dies motivierend für die
S. ist (auch schwächere S. fertigen ein Produkt an, der haptische
Sinn wird angesprochen) und da diese Modelle in den folgenden Stunden zur
Verdeutlichung der Mitose- und Meiosevorgänge erneut genutzt werden
können.
Als Einstieg ist es funktional,
zunächst noch einmal die Erkenntnisse der letzten Stunde herauszustellen,
die gleichzeitig die Problemorientierung leisten (Erbanlagen müssen
doppelt vorhanden sein und werden bei der Ausbildung von Geschlechtszellen
voneinander getrennt). Die S. werden zwangsläufig eine Untersuchung
von Vorgängen in den Zellen während der Teilung fordern. Dass
es anfangs um die Ausbildung von Geschlechtszellen geht (der Bogen zur
Problemstellung wird erst nach Klärung der Meiosevorgänge geschlossen),
im weiteren Verlauf aber um die Teilung von Körperzellen, ist in diesem
Zusammenhang nicht entscheidend, allerdings ist es wichtig, den S. zu verdeutlichen,
dass auch jene Vorgänge, die sich an die Befruchtung anschließen
(Teilung der Körperzellen), eine Weitergabe von Erbmaterial erforderlich
machen, die gleichfalls ein doppeltes Vorhandensein und eine anschließende
Aufteilung voraussetzen.
Die notwendigen Informationen
über den Bau der Chromosomen können den S. am besten mittels
eines Informationstextes zugänglich gemacht werden, der in einer Stillarbeitsphase
gelesen wird. Das richtige Erlernen der Fachbegriffe am Chromosomenmodell
erfolgt am besten durch Partnerarbeit, da so eine Vorkontrolle bezüglich
der Zwischenergebnisse gewährleistet ist.
Um die Methode nicht überzustrapazieren,
erfolgt das Bearbeiten eines weiteren ABs (AB2) zu den Mitosephasen geeigneterweise
im Plenum, da auf Grund der Komplexität der Vorgänge und der
Fachbegriffe so eine bessere Steuerung durch den L. erfolgen kann. Für
die Altersstufe der zehnten Klasse empfehlen sich vereinfachende Schemadarstellungen
der verschiedenen Phasen. Grundsätzlich könnte man auch über
Mikroskopieren entsprechender Präparate zu gleichen Erkenntnissen
gelangen; aus Zeitgründen sollte dies aber der Oberstufe vorbehalten
bleiben. Eine weitere Alternative könnte das Zuordnen von Fotografien
einzelner Phasen der Mitose zu schematischen Abbildungen darstellen. Dies
wurde von mir aber - auch im Sinne einer Progression - als Anwendung (Zuordnen
der bekannten Phasen zu Zellen einer Zwiebel, die sich in Teilung befinden)
und Festigung für die Folgestunde eingeplant, da ich der Ansicht bin,
dass am Anfang ein für die S. einfacher Zugang zur Materie stehen
muss. Gleiches ist für die Möglichkeit einer Video-Präsentation
von Mitosephasen zu sagen. Auf Darstellungen der Originale soll aber keineswegs
verzichtet werden. Wenn die S. den Ablauf der Mitose erfasst haben, sollte
eine vorläufige Antwort auf das zu Beginn aufgezeigte Problem angestrebt
werden. Dies ist nicht möglich, ohne dass den S. die in der Interphase
stattfindende Verdopplung des Erbmaterials bekannt ist. Hier bietet sich
eine Möglichkeit zum Problematisieren, wofür aber u. U. viel
Zeit benötigt wird. Die erforderlichen Informationen können zur
Not auch vom L. vorgegeben werden.
Eine sinnvolle HA könnte
sich aus dem Stundengang ergeben. Da das Ende der Stunde variabel bleiben
sollte, ist es möglich, dass auch ganz darauf verzichtet werden kann.
6 Tabellarische Übersicht
des geplanten Unterrichtsverlaufs
Zeit Unterrichtsphasen / Lehrerverhalten;
Schülerverhalten; Methoden / Medien
08:50 Hinführung OHF1,
UG
Demonstration eines monohybriden,
dominant-rezessiven Erbgangs auf OHF.
L.: "Nennt nochmals die
Annahmen, die wir in der Theorie zum Kreuzungsversuch gemacht haben!"
L.: "Schlagt mögliche
Untersuchungen zur Stützung der Annahmen vor!"
(Hilfsimpuls: "Denkt an
Vorgänge, die sich der Befruchtung anschließen!")
S.: "Die Erbanlagen müssen
doppelt vorhanden sein, und bei der Ausbildung der Geschlechtszellen werden
die doppelt vorhandenen Anlagen voneinander getrennt."
S.: "Untersuchungen von
Körper- und Geschlechtszellen während der Teilung."
Tafelanschrieb: Untersuchung
von Körper- und Geschlechtszellen während der Teilung 1. Verhalten der Chromosomen
bei der Teilung von Körperzellen (Mitose)
08:55 Erarbeitung I / Sicherung
von Zwischenergebnissen AB1, Pfeifenreiniger, StA/PA
L. gibt Anleitung zur Anfertigung
eines homologen Chromosomenpaares; teilt Informationstext aus und fordert
zur Bearbeitung von AB1 auf.
S. lesen Informationstext
und fertigen aus Pfeifenreinigern ein homologes Chromosomenpaar an (LZ
1); übertragen Fachbegriffe zum Bau der Chromosomen auf das gefertigte
Modell (LZ 2)
Ergebnissicherung auf AB
1
09:10 Erarbeitung II / Sicherung
von Zwischenergebnissen AB2, OHF2, UG
L.: "Welches weitere Vorgehen
schlagt ihr vor?" (Hilfsimpuls: "Was passiert mit den Chromosomen bei der
Zellteilung?")
Eingabe AB2 (gleichzeitig
als OHF2)
Gemeinsames Erarbeiten im
Plenum
L.: "Beschreibt die Phasen
der Mitose"
S. fordern Informationen
zum Verhalten der Chromosomen während der Zellteilung
S. beschreiben die Mitosephasen
(LZ 3)
Sicherung auf AB2 und OHF2
09:25 Problematisierung
AB2, OHF2, UG
L.: "Formuliert ein Ergebnis
im Hinblick auf unsere Fragestellung, ob die Chromosomen Träger der
Erbinformation sein könnten!"
(L. gibt als Hilfestellung
ggf. Zusatzinformation über Verdopplung des Materials der Ein-Chromatid-Chromosomen
im Interphasekern) S. problematisieren scheinbare Verminderung des Erbmaterials
durch Teilung der Zwei-Chromatid-Chromosomen (=> das Material wird offenbar
anschließend verdoppelt, da bei der nächsten Zellteilung wieder
vollständige Zwei-Chromatid-Chromosomen vorliegen);
Ergebnis:
Bei
der Mitose wird der Chromosomensatz so auf zwei Zellen verteilt, dass jede
Zelle die gleiche Anzahl von Chromosomen erhält (während der
Interphase wird im Zellkern das Erbmaterial verdoppelt!). => Hinweise, dass Chromosomen
Träger der Erbinformation sein können. (LZ 4)
- mögliches Stundenende
-
Festigung
L. bittet einen S., nach
vorne zu kommen und die Mitosevorgänge mit Hilfe des Chromosomenmodells
am OH-Projektor zu demonstrieren.
(Kann bei Zeitüberschuss
mehrfach wiederholt werden)
S. demonstriert die entsprechenden
Vorgänge am OH-Projektor; Unterstützung durch Mitschüler
SV, Modelle, OH-Proj.
09:35 Stundenende
7 Verzeichnis der verwendeten
Quellen und Hilfsmittel
7.1 Fachliteratur
WEHNER, R., Gehring, W.:
Zoologie. Stuttgart, New York 1990, S. 41 ff.
7.2 Fachdidaktische Literatur
und Schulbücher
BICKEL, H., u. a.: Natura 3.
Stuttgart u. a. 1998, S. 106.
CLAUS, R., u. a.: Natura 2.
Stuttgart u. a. 1991, S. 322.
ESCHENHAGEN, D., u. a.: Fachdidaktik
Biologie. Köln 1996.
MIRAM, W., Scharf, K.-H. (Hrsg.):
Biologie heute S II. Hannover 1997, S. 172 f.
PHILIPP, E.: Raabits Biologie.
Berlin 1994/1996.
STAECK, L.: Zeitgemäßer
Biologieunterricht. Eine Didaktik. Stuttgart 1987.
8 Anhang
8.1 Antizipiertes Tafelbild
Untersuchung von Körper-
und Geschlechtszellen während der Teilung
1. Verhalten der Chromosomen
bei der Teilung von Körperzellen (Mitose)
Ergebnis: Bei der Mitose
wird der Chromosomensatz so auf zwei Zellen verteilt, dass jede Zelle die
gleiche Anzahl von Chromosomen erhält (während der Interphase
wird im Zellkern das Erbmaterial verdoppelt!).
=> Hinweise, dass Chromosomen
Träger der Erbinformation sein können.
Das Spiel ist ein grafisch und inhaltlich sehr ansprechendes Lernspiel (mit Test), dass sich sowohl zum Erwerb von Kenntnissen als auch zum Üben eignet. Zielgruppe: Sek.II.
Herausgeber: Verein zur Förderung der Humangenomforschung e.V. in Zusammenarbeit mit dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, DHGP und NGFN.
