Modulbeschreibung. Zellen Grundbausteine des Lebens. Schulart: Fach: Zielgruppe: Autor: Zeitumfang:

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1 Modulbeschreibung Schulart: Fach: Zielgruppe: Autor: Zeitumfang: Gymnasium Biologie (Gym) 8 (Gym) Joachim Drosdzol Acht Stunden Die einzelnen Themenbausteine der Unterrichtseinheit können beliebig ausgewählt werden. Die Schülerinnen und Schüler bauen ein Mikroskop und untersuchen damit Pflanzen und Tierzellen. Außerdem beobachten sie damit das Wachstum und die Vermehrung von Zellen. Im Sinne des Bildungsplanes stehen bei der Unterrichtseinheit Experimente, Materialauswertung und praktisches Arbeiten am Mikroskop im Vordergrund. Vorauszusetzende Kompetenzen fachlich: Grundlegende biologische Prinzipien aus der 5. und 6. Klasse. Vorauszusetzende Kompetenzen methodisch: Beschreiben von Abbildungen; mit Modellen arbeiten; Experimente planen, durchführen und protokollieren; mit dem Mikroskop arbeiten. 1

2 Unterrichtsverlauf Das Modul besteht aus 6 Hauptthemen: Bau und Arbeitsweise eines Mikroskops Menschen und Tiere bestehen aus Zellen Pflanzen bestehen aus Zellen Zellen können Wasser abgeben und aufnehmen Vergleich zwischen Pflanzen- und Tierzellen; einzellige Lebewesen Vermehrung und Wachstum von Zellen Bei den Materialien handelt es sich um Bilder, Arbeitsblätter und Folien. Welches Arbeitsblatt als Overhead-Folie kopiert werden soll, liegt im Ermessen der Lehrkraft. 1. Stunde Erstes Arbeiten mit dem Mikroskop In der 5. und 6. Klasse werden im Biologieunterricht Tiere und Pflanzen betrachtet und Baupläne von ihnen erstellt. Dabei beziehen wir uns fast immer nur auf das unmittelbar Sichtbare, das heißt auf das, was wir ohne Hilfsmittel mit dem Auge erkennen konnten. Wollen wir aber den Feinbau von Organismen untersuchen, müssen wir in Bereiche vordringen, die sich unseren Augen wegen ihrer geringen Größe nicht direkt erschließen. Um diese sehr kleinen Dinge trotzdem sichtbar zu machen, brauchen wir optische Hilfsmittel wie Lupen oder Mikroskope. Vergrößerung durch die Lupe: Die Schülerinnen und Schüler bekommen Lupen ausgeteilt und sollen damit Stoff oder Löschpapier betrachten. Dabei wird die Faserstruktur dieser Materialien deutlich sichtbar, weil ein Vergrößerungsglas kleine Gegenstände stark vergrößert erscheinen lässt. Die Vergrößerungsleistung einer Lupe wird leicht ersichtlich, wenn man mit ihr die Millimeterskala eines Geodreiecks oder eines Lineals betrachtet. Die Schülerinnen und Schüler können nun durch Vergleichen der Größe des Bildes in der Lupe mit der ursprünglichen Größe des Gegenstandes die Vergrößerung durch die Lupe berechnen. Folgerung: Unsere Vergrößerungsgläser vergrößern Gegenstände um den Faktor 5 bis 10. Sie machen damit kleine Gegenstände besser sichtbar. Zum Erkennen sehr kleiner Gegenstände ist aber ein besseres Hilfsmittel notwendig. Bau des Mikroskops (siehe die Bilder "Mikroskop neuer Typ (unbeschriftet)", "Mikroskop neuer Typ (beschriftet)", "Mikroskop alter Typ (unbeschriftet)" 2

3 sowie das Bild "Mikroskop - alter Typ (beschriftet)". Die Erklärung von Bau und Funktionsweise eines Mikroskops erfolgt am Beispiel eines Mikroskops und mithilfe der Sachinformation "Bau eines Mikroskops". Die Schülerinnen und Schüler beschriften das zugehörige Arbeitsblatt. Erstes Arbeiten mit dem Mikroskop: Bevor die Mikroskope ausgeteilt werden, erhalten die Schülerinnen und Schüler eine Belehrung über den sorgfältigen Umgang mit dem teuren Instrument. Als erste Objekte mikroskopieren sie die gleichen Objekte wie oben (Filterpapier, Millimeterskala) mit kleinster Objektivvergrößerung. Sie sollen dabei lernen, mit dem Instrument umzugehen bzw. die Vergrößerung durch das Mikroskop abzuschätzen. 2. Stunde Haar- und Mundschleimhautzellen Einleitung: In der ersten Stunde wurden diverse Gegenstände vergrößert. Nun sollen lebende Objekte betrachtet werden. Leicht zu mikroskopieren sind für Anfänger beispielsweise Haare oder der Belag der menschlichen Mundschleimhaut. Mikroskopieren von Haaren: Die Schülerinnen und Schüler orientieren sich an der Versuchsanleitung "Mikroskop Haar". Mikroskopieren des Belags der menschlichen Mundschleimhaut: Zum besseren Erkennen der Feinstrukturen ist ein Anfärben mit einem besonderen Farbstoff (Methylenblau) notwendig. Die Schülerinnen und Schüler gehen dabei nach dem Versuch "Mikroskop Mundschleimhaut" vor. Sie erstellen schließlich eine Heftzeichnung mit allen beobachtbaren Einzelheiten der Mundschleimhaut. Zellbegriff: Mithilfe folgender Bilder können die Strukturen der Mundschleimhaut nochmals sichtbar gemacht werden: "Mundschleimhautzellen" "Mundschleimhautzellen gefärbt" "Einzelne Mundschleimhautzelle Schema (unbeschriftet)" "Einzelne Mundschleimhautzelle Schema (beschriftet)" "Einzelne Mundschleimhautzelle (unbeschriftet)" "Einzelne Mundschleimhautzelle (beschriftet)" Der Begriff "Zelle" wird jetzt erarbeitet. Die Zellbestandteile werden benannt und in das Arbeitsblatt "Mundschleimhautzelle Schema" eingetragen. Dabei wird auch auf die Größe von Zellen eingegangen und erörtert, warum Zellen im Allgemeinen mit dem bloßen 3

4 Auge nicht sichtbar sind. 3. Stunde Blut- und Zwiebelhautzellen Vertiefung des Zellbegriffs: An die Ergebnisse der vorangegangenen Stunde wird angeknüpft. Mithilfe des Bildes "Einzelne Mundschleimhautzelle (unbeschriftet)" wird nochmals auf die Größe von Zellen eingegangen. Die Bilder "Blutzellen (beschriftet)" und "Blutzellen (unbeschriftet)" zeigen rote Blutkörperchen als weiteres Beispiel für Zellen des menschlichen Körpers, die ebenfalls nur mit dem Mikroskop zu erkennen sind. Es wird nun die Frage geklärt, wie viele Zellen in einem menschlichen Körper vorhanden sind. Das Arbeitsblatt "Pflanzenzellen Zwiebelhaut" kann auch als Hausarbeit gestellt werden. Das Bild "Leberzellen Salamander" soll nun exemplarisch zeigen, dass jedes Tier aus Zellen aufgebaut ist. Der Zellbegriff soll dabei vertieft werden. Mikroskopieren von Pflanzenzellen: Nun stellt sich natürlich die Frage, ob auch Pflanzen, die ja ebenfalls lebende Organismen darstellen, aus Zellen aufgebaut sind. Dazu wird ein leicht zu beschaffendes Objekt, nämlich die feinen Häutchen aus dem Inneren einer Küchenzwiebel, untersucht. Zum besseren Erkennen der Feinstrukturen ist wiederum ein Anfärben mit dem Farbstoff Methylenblau notwendig. Die Schülerinnen und Schüler gehen dabei nach dem Versuch "Mikroskop Zwiebelhaut" vor. Sie erstellen außerdem eine Heftzeichnung. Auswertung: Mithilfe der Heftzeichnungen vom Mikroskopieren und der Bilder "Zwiebelhautzellen", "Zwiebelhautzellen gefärbt", "Zwiebelhautzellen gefärbt (beschriftet)" und "Zwiebelhautzellen gefärbt (unbeschriftet)" wird das Gesehene vertieft. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass auch Pflanzen aus Zellen aufgebaut sind, die sich allerdings in Größe und Aussehen stark von Tierzellen unterscheiden. 4. Stunde Pflanzenzellen Zellbestandteile bei Pflanzenzellen: Ausgehend von den Ergebnissen der letzten Stunde werden nun mithilfe der Bilder "Zwiebelhautzellen 1-3 gefärbt" die Bestandteile von Zellen der Zwiebelhaut vertiefend besprochen. Die Schülerinnen und Schüler beschriften anschließend das Arbeitsblatt "Pflanzenzellen Zwiebelhaut". Mikroskopische Untersuchung grüner Pflanzenzellen: Pflanzen und damit auch ihre Zellen sind normalerweise grün gefärbt. Die Ursache dieser Grünfärbung wird sichtbar bei der mikroskopischen Untersuchung von Zellen der Wasserpest oder von Moosblättchenzellen. Dabei zeigt sich, dass grüne Pflanzenzellen in ihrem Zellplasma "Chloroplasten" enthalten, die auffallend grün gefärbt sind, da sie den Farbstoff "Chlorophyll" besitzen. Die genauere Beobachtung von Zellen der Wasserpest zeigt die "Bewegung" der Chloroplasten durch die Strömung des Zellplasmas 4

5 (ist auch mit einem einfachen Schülermikroskop möglich). Bei der Zusammenfassung der Schülerbeobachtungen wird vor allem auf die Bedeutung des Zellplasmas eingegangen. Dazu können auch die Bilder "Wasserpestzellen" und "Wasserpestzellen Plasmaströmung" herangezogen werden. Weitere Aufgaben: siehe das Arbeitsblatt "Pflanzenzelle Zellbestandteile". Vorbereitung der Plasmolyseversuche am Hühnerei: Ein Hühnerei wird in Essig gelegt. Der Essig löst bis zur nächsten Biologiestunde die Eischale auf, sodass dann direkte Versuche mit dem Ei möglich werden. 5., 6. und 7. Stunde Rote Küchenzwiebel Mikroskopische Beobachtung der Plasmolyse von Zellen der Zwiebelhaut der Roten Küchenzwiebel: In den Zellen der Roten Küchenzwiebel ist ein roter Farbstoff eingelagert, was die Zellbeobachtung mit dem Mikroskop erleichtert. Die Schülerinnen und Schüler beobachten zunächst die Zellen. Sie gehen dabei nach dem schon bekannten Versuch "Mikroskop Zwiebelhaut" vor, lassen aber das Methylenblau weg. Schließlich wird statt Methylenblau eine konzentrierte Zuckerlösung zwischen Objektträger und Deckgläschen gesaugt. Die Schülerinnen und Schüler beobachten die Veränderungen an den Zellen. Wenn Zeit vorhanden ist, kann der Vorgang mit konzentrierter Salzlösung anstelle von Zuckerlösung wiederholt werden. Außerdem kann die Plasmolyse rückgängig gemacht werden, indem wieder Leitungswasser unter das Deckgläschen gesaugt wird. Begriff der Plasmolyse: Die Schülerbeobachtungen werden nun mithilfe folgender Bilder zusammengefasst: "Zuckerplasmolyse (weiterer Verlauf) Rote Küchenzwiebel" "Zuckerplasmolyse Rote Küchenzwiebel" "Zwiebelhautzellen Rote Küchenzwiebel" "Salzplasmolyse Rote Küchenzwiebel (beschriftet)" "Salzplasmolyse Rote Küchenzwiebel (unbeschriftet)" Der Begriff "Plasmolyse wird erklärt und das Arbeitsblatt "Plasmolyse von Zwiebelzellen" vervollständigt. Durch den Vorgang der Plasmolyse lässt sich erkennen, dass auch Pflanzenzellen eine Zellmembran besitzen. Der Begriff "Deplasmolyse" kann nun bereits hier oder auch später mit der Auswertung der Beobachtungen der Plasmolyse am Hühnerei eingeführt werden. Plasmolyse am Hühnerei (siehe das Dokument "Plasmolyse und Deplasmolyse Versuch"): Bei der Plasmolyse von Zellen spielt die Zellaußenmembran eine wichtige Rolle. Dies soll nun am Beispiel des Hühnereis aufgezeigt werden, das in der Vorstunde in Essig gelegt worden war. Hierzu wird das Ei vorsichtig aus dem Essig genommen, abgewaschen und mit Papier trocken getupft. Es wird nun gewogen und das Resultat notiert. Danach wird es in eine Zuckerlösung gegeben, in der es bis zur nächsten Biologiestunde im 5

6 Kühlschrank verbleiben wird. Die Vorgänge werden alle protokolliert. Ergebnis des Plasmolyseversuchs am Hühnerei: Das Hühnerei wird aus der Zuckerlösung genommen, abgewaschen, mit Papier abgetupft und gewogen. Anschließend wird es wieder in Leitungswasser gegeben. Das Ergebnis der zweiten Wiegung wird im Versuchsprotokoll festgehalten und mit dem Ergebnis der ersten Wiegung (vor der Plasmolyse) verglichen. Versuchsauswertung: Der Versuchsablauf kann nochmals anhand folgender Bilder wiederholt werden: "Plasmolyse-Versuch (1. Schritt: Ei wiegen)" "Plasmolyse-Versuch (2. Schritt: Ei in Zuckerlösung)" "Plasmolyse-Versuch (3. Schritt: Ei wiegen)" "Plasmolyse-Versuch (4. Schritt: Ei wiegen)" Die genaue Erklärung der Plasmolyse wird dann mithilfe der Bilder "Plasmolyse-Versuch - Schema 1", "Plasmolyse-Versuch - Schema 2" dargestellt. Deplasmolyse: Das Hühnerei nimmt in Leitungswasser wieder Wasser auf. Dies kann mit den Bildern "Deplasmolyse-Versuch Schema 1" und "Deplasmolyse-Versuch Schema 2" erklärt werden. Das Ei, das jetzt in das Leitungswasser gelegt wurde, muss in der nächsten Unterrichtsstunde erneut gewogen werden, um die aufgestellte Behauptung zu beweisen. Zusammenfassung: Das Modellexperiment mit dem Hühnerei diente dazu, Eigenschaften und Aufgaben der Zellmembran besser zu verstehen. Die Bilder der Plasmolysevorgänge an der Zwiebelzelle können nun leichter interpretiert werden. Allgemeines Schema einer Pflanzenzelle: Mithilfe der neu erlangten Kenntnisse über Zellmembranen lässt sich jetzt ein allgemeines Schema von Pflanzenzellen erstellen, das auch die Vorgänge der Plasmolyse und Deplasmolyse erklärt (siehe Bilder "Pflanzenzelle Schema (unbeschriftet)" und "Pflanzenzelle Schema (beschriftet)"). Wasserhaushalt von Pflanzen und Tieren: Deplasmolyse und Plasmolyse sind wichtig für Wasseraufnahme und Wasserabgabe von Pflanzen- und Tierzellen. Exemplarisch wird nun auf den Wasserhaushalt von Pflanzen eingegangen. Hier können Versuche mit Topfpflanzen folgen (siehe Bilder "Topfpflanze bei Wassermangel", "Gewässerte Topfpflanze" sowie Arbeitsblatt "Plasmolyse und Deplasmolyse"). Ergebnissicherung Anregung zum Basteln von Zellmodellen: Zur Festigung des bisher erarbeiteten Unterrichtsstoffes bietet es sich an, die 6

7 Schülerinnen und Schüler in einer Hausarbeit Modelle erarbeiten zu lassen nach den Vorgaben des Bildes "Pflanzenzelle - Schema (beschriftet)". Die Gestaltung der Zellmodelle sollte den Schülerinnen und Schülern weitgehend freigestellt bleiben und sich nach den zur Verfügung stehenden Materialien richten. Folgende Bilder zeigen drei Beispiele von Zellmodellen: "Zellmodell Ton" "Zellmodell plastisch" "Zellmodell Glasbild" 8. Stunde Vergleich Tier- und Pflanzenzellen Auf dem Arbeitsblatt "Pflanzen- und Tierzellen" werden Pflanzen- und Tierzelle einander schematisch gegenübergestellt und verglichen. Einzellige Organismen: Die den Schülerinnen und Schüler bisher bekannten Pflanzen- oder Tierzellen leben im Zellverbund. Man spricht von vielzelligen Organismen. Im Gegensatz dazu leben die Zellen der Hefe einzeln. Man spricht daher von Einzellern. Eine Gegenüberstellung von Vielzellern (Zwiebelhautzellen) und Einzellern (Hefezellen) erfolgt innerhalb des Arbeitsblattes "Pflanzen- und Tierzellen" in Aufgabe 2. Gegebenenfalls können die Hefezellen aber auch unter dem Mikroskop betrachtet werden. Zellteilung und Zellwachstum: Abschließend wird auf die Begriffe "Zellteilung" und "Zellwachstum eingegangen. Innerhalb der Sachinformation "Zellteilung und Zellwachstum" werden Zellteilung und Zellwachstum stark schematisiert dargestellt. Zur Veranschaulichung kann auch das Bild "Zellteilung und Zellwachstum" gezeigt werden. Nachfolgende Unterrichtseinheit: Dem Lehrplan folgend bietet sich das Thema "Fotosynthese und Atmung" als nächste Unterrichtseinheit an. Mit dem in der Unterrichtseinheit "Zellen Grundbausteine des Lebens" erlernten Wissen über den Bau der pflanzlichen Zellen ist die Grundlage gelegt für das Verständnis der zellulären Vorgänge der Fotosynthese. Die bisher erworbenen Fähigkeiten beim Mikroskopieren lassen sich jetzt gut anwenden, zum Beispiel beim Mikroskopieren von Moosblättchen bzw. bei der Untersuchung des Blattquerschnittes eines Laubblattes. Bei der auf die Fotosynthese folgenden Besprechung der Atmungsvorgänge ist es nützlich, wenn auf die Kenntnisse über die Mitochondrien in Pflanzen- und Tierzellen zurückgegriffen werden kann. Zusätzliche digitale Lehr- und Filmmaterialien finden Sie in dem Dokument "Medienliste". 7

8 Bildungsplanbezug Gymnasium Biologie Zelluläre Organisation der Lebewesen Die Schülerinnen und Schüler können mit dem Lichtmikroskop sachgerecht umgehen; den Aufbau einer typischen Pflanzen- oder Tierzelle beschreiben sowie lichtmikroskopische Bilder interpretieren (Aus: Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 Gymnasium, Klasse 8: Kompetenzen und Inhalte für Biologie; Seite 206) Ausführliche Informationen zum Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 gibt es unter Bildung stärkt Menschen. 8