I/H. Von gelben, grünen, runden und eckigen Erbsen die mendelschen Vererbungsregeln. Der Beitrag im Überblick

Transkript

1 Reihe 4 S 1 Verlauf Material Von gelben, grünen, runden und eckigen Erbsen die mendelschen Vererbungsregeln Prof. Dr. Joachim Venter, Tübingen Ein Mönch führt im Klostergarten Kreuzungsexperimente mit Erbsen durch und entdeckt so wichtige Gesetzmäßigkeiten der Vererbung das ist schon eine ungewöhnliche Geschichte. Nun, wir wissen, es hat sich tatsächlich so zugetragen. Die Rede ist von Gregor Johann Mendel ( ), dessen Erkenntnisse zu seinen Lebzeiten weitgehend unbeachtet blieben. Heute wird Mendel oft als Vater der Genetik tituliert, denn ihm gelangen mit seinen mendelschen Gesetzen bahnbrechende Forschungserkenntnisse zur Vererbungslehre. Lassen Sie bei Ihren Schülern die Entdeckungen, die Mendel bei seinen Versuchen mit Erbsen und anderen Pflanzen machte, lebendig werden. Gregor Mendel seine Versuche mit Erbsen bringen wichtige Gesetzmäßigkeiten der Vererbung ans Licht picture-alliance / akg-images Der Beitrag im Überblick Niveau: Klasse 9 10 Dauer: 5 Stunden Der Beitrag enthält Materialien für: ü Grundlagen der Genetik ü Problemorientierten Unterricht ü Partner- und Gruppenarbeit Kompetenzen: Die von Gregor Mendel aufgestellten Regeln kennenlernen und an Kreuzungsschemata nachvollziehen Kreuzungsschemata aufstellen können Die wissenschaftlich interessierte Persönlichkeit Gregor Mendel und seine Forschung vor dem Hintergrund der damaligen Zeit kennenlernen Die Bedeutung der mendelschen Regeln für die Genetik erkennen Den Anwendungsbezug der mendelschen Gesetze für die Pflanzen- und Tierzucht begreifen Sich am Beispiel der Wunderblume mit dem von Carl Correns entdeckten intermediären Erbgang befassen Die Bedeutung statistischer Methoden für die Biologie erkennen

2 Reihe 4 S 2 Verlauf Material Fachwissenschaftliche Orientierung Das Fachgebiet der Genetik gewann seit dem letzten Jahrhundert stark an Bedeutung. Ja, man kann sagen, dass es die biologisch-wissenschaftliche Forschung heute vorrangig bestimmt. Haben denn in diesem komplexen Forschungsbereich die Kenntnisse von den mendelschen Gesetzen überhaupt noch einen Platz? Man muss das uneingeschränkt bejahen, denn sie sind nach wie vor die Basis der Genetik. Nur werden sie von vielen anderen Gesetzmäßigkeiten überdeckt und sind dadurch meist nicht unmittelbar erkennbar. Gregor Mendel lebte von 1822 bis Welcher Kenntnisstand hinsichtlich der Vererbung lag in dieser Zeit bereits vor? Der französische Mathematiker und Philosoph Pierre L. Moureau de Maupertuis ( ) hat schon ca. 100 Jahre vorher postuliert, dass beide Eltern bei der Bildung der Nachkommen ihren Beitrag leisten und bei der Vererbung die Merkmale zufällig miteinander kombiniert werden. Nahe an Mendels Ergebnissen war der französische Botaniker Charles Naudin ( ), der auch gern als Vorläufer der modernen Genetik bezeichnet wird. Nach ihm kehrt die Natur mit dem Erscheinen des unterdrückten Merkmals wieder in ihre natürliche Form zurück (rezessive Merkmale). Bei Kreuzungsexperimenten mit Pflanzen beobachtete Naudin bereits, dass die Pflanzen der 1. Filialgeneration untereinander ähnlich aussehen, während die der 2. Filialgeneration verschiedenartig sind. Naudin hatte diese bedeutende Erkenntnis also schon vor Mendel. Aber wie alle Vorläufer Mendels hat er im Gegensatz zu Gregor Mendel keine statistisch-mathematischen Methoden angewendet. Charles Naudin Für seine praktischen Versuchsdurchführungen orientierte sich Mendel insbesondere an drei Wissenschaftlern. Kurz vor seiner Zeit waren die Arbeiten von Professor Joseph Gottlieb Kölreuter ( ) und Professor Karl Friedrich von Gärtner ( ) Vorbilder für Mendel. Kölreuter führte mit verschiedenen Pflanzenarten Kreuzungen durch, und von Gärtner forschte an der Sexualität der Pflanzen. Engen beruflichen Kontakt hatte Mendel mit dem in München wirkenden Zeitgenossen Professor Carl Wilhelm von Nägeli ( ), der sich mit der Bastardierung bei Habichtskräutern beschäftigte. Dieser entdeckte auch die Zytoblasten, die man später Chromosomen nannte. Auch während seiner Studienzeit in Wien wurde Mendel für seine Kreuzungsversuche durch die Vorlesungen von Professor Unger motiviert. Er erfuhr von den Forschungsergebnissen der Zeitgenossen Theodor Schwann ( ) und Matthias Schleiden ( ). Schwann wies nach, dass alle Lebewesen aus Zellen bestehen, und Schleiden erkannte die Bedeutung des Zellkerns. Letzterer vertrat auch die Notwendigkeit, dass in der Biologie Theodor Schwan Matthias Jacob Schleiden mathematische Methoden anzuwenden sind.

3 Reihe 4 S 3 Verlauf Material Warum war die wissenschaftliche Arbeitsweise Mendels erfolgreich? 1. Er hat mit der Erbse (Pisum sativum) eine geeignete Versuchspflanze ausgewählt. 2. Mendel hat nicht eine Fülle von Merkmalen betrachtet, sondern sich bei der Überprüfung der Merkmalsweitergabe auf die Beobachtung von wenigen Merkmalen beschränkt. 3. Mendel verwendete reinerbige Elterngenerationen und überprüfte von diesen aus das Erbgeschehen. 4. Mendel beschrieb, dass in Hybriden vererbte Merkmale verdeckt vorliegen können. Damit erkannte er das Prinzip von Dominanz und Rezessivität. Daher können Merkmale, die in einer Generation verloren gegangen sind, in der nächsten oder in weiteren Generationen wieder auftreten. Gregor Mendel 5. Der Begriff Gen und die Beschaffenheit der Gene waren Mendel unbekannt. Aber er beschrieb sie als vererbbare Einheiten, welche die Merkmale hervorbringen. 6. Mendel erkannte, dass als Voraussetzung für das beobachtete Erbgeschehen die Erbanlagen in den Lebewesen doppelt vorhanden sein müssen. Zudem schloss er darauf, dass die Keimzellen nur die Hälfte der Erbanlagen enthalten. 7. Mendel nahm die Bestäubung der Versuchspflanzen kontrolliert und mit großer Sorgfalt vor, sodass in ihren Merkmalen eindeutige Hybriden entstanden. Wie nahm die Wissenschaftswelt die Erkenntnisse von Mendel wahr? Mendel war zielgerichtet und ausdauernd wissenschaftlich tätig. Man kann sagen, dass er mit einem auch deduktiven Vorgehen, gewissermaßen mit einer Vision, das Erbgeschehen aufklärte. Er überprüfte seine Ergebnisse, etwa durch eine Rückkreuzung, führte abstrakte Buchstaben ein und arbeitete mit mathematisch-statistischen Methoden. Aber weder Mendel selbst noch die Wissenschaftler zu seiner Zeit konnten ermessen, welche fundamentalen Erkenntnisse sich aus den Versuchsergebnissen ableiten ließen. Seine Versuchsergebnisse veröffentlichte Mendel nur in einer regionalen Zeitschrift. Er versendete vierzig Sonderdrucke davon an renommierte Wissenschaftler. Später stellte man bei wichtigen Adressaten fest, dass die Seiten der Sonderdrucke, die man zum Lesen aufschneiden musste, unberührt waren. Die Seiten wurden also gar nicht gelesen. Auch in Charles Darwins Bibliothek fand man später das nicht aufgeschnittene Exemplar. Erst um die Wende zum 20. Jahrhundert wurde man auf die Bedeutung der mendelschen Forschungsergebnisse aufmerksam. Man spricht von einer Wiederentdeckung durch die Wissenschaftler Carl Correns ( ), Hugo de Vries ( ) und Erich von Tschermak ( ). Neuere historisch-wissenschaftliche Forschungen ergaben, dass auch der Bruder von E. Tschermak, nämlich Armin von Tschermak ( ), wesentlich an der Aufklärung der mendelschen Gesetze beteiligt war. Ende des 19. Jahrhunderts konzentrierte sich ein Großteil der biologischen Forschung und Diskussion auf die Abstammungslehre von Charles Darwin. Darwins Buch On the origin of species by means of natural selection (Von der Entstehung der Arten durch natürliche Selektion) erschien ja Dieser Umstand mag auch für die fehlende Beachtung der Versuche Mendels mitverantwortlich sein. Charles Darwin Julia Margaret Cameron

4 Reihe 4 S 4 Verlauf Material Darwin beschäftigte sich zwar selbst auch mit den Erscheinungen der Vererbung, erkannte aber die Bedeutung der Erbgesetze für die Evolution nicht. Im Grunde war Darwin Lamarckist, d. h., er glaubte, durch Umweltfaktoren entstünden neue Varietäten, die einen Selektionsvorteil haben. Hier hätten die Erkenntnisse von Gregor Mendel hilfreich sein können. Sie hätten eine Erklärung dafür liefern können, wie es zur zufälligen Neuverteilung der Erbfaktoren kommt, die dann einer natürlichen Auslese unterworfen sind. Was entdeckte Johann Gregor Mendel? Die Kernsubstanz der mendelschen Gesetze Lamarck ( ) glaubte, im Leben erworbene Eigenschaften könnten vererbt werden Seine Kreuzungsexperimente führte Mendel als Augustinermönch im Klostergarten des Augustinerklosters in Brünn durch. 1. mendelsche Regel (Uniformitätsregel) Dieses Gesetz besagt, dass alle Hybriden von zwei reinerbigen Eltern in der F 1 -Generation unter sich gleich sind. Dominante Merkmale überdecken rezessive. Dabei ist es völlig gleichgültig, ob das Merkmal von mütterlicher oder väterlicher Seite stammt (Reziprozitätsgesetz). 2. mendelsche Regel (Spaltungsregel) Mit der Kreuzung der Individuen der F 1 -Generation untereinander werden die Merkmale wieder getrennt. In der F 2 -Generation werden sie dabei in einem bestimmten Zahlenverhältnis aufgespalten. Dieses Zahlenverhältnis ist je nach Erbgang unterschiedlich: a) dominant-rezessiver Erbgang: Aufspaltung im Verhältnis 3 : 1 b) intermediärer Erbgang: Aufspaltung im Verhältnis 1 : 2 : 1 3. mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel, Neukombinationsregel) Kreuzt man zwei Individuen, die sich in zwei oder mehr Merkmalen reinerbig unterscheiden, untereinander, so spalten sich die Merkmale in der 2. Filialgeneration unabhängig voneinander auf. Es kommt durch eine freie Kombination von Erbanlagen zu Neukombinationen. Voraussetzung ist allerdings, dass diese Merkmale nicht miteinander gekoppelt sind. Welche Bedeutung kommt den mendelschen Regeln zu? Die 3. mendelsche Regel findet Anwendung in der Pflanzen- und Tierzucht. Hier ist die Kombinationszüchtung in Verbindung mit der Selektion ein Weg der Kulturentwicklung. Eine solche Art und Weise der Zucht wird bereits betrieben, seit die Menschen sesshaft geworden sind. Die genetische Forschung erhielt mit den mendelschen Regeln eine feste Basis. Dabei haben die Chromosomentheorie der Vererbung und die Kenntnisse über den Ablauf von Mitose und Meiose die Annahmen Mendels bestätigt. Ganz wesentlich ist es auch, dass die mendelschen Gesetze über die Pflanzenkunde hinaus für Tier und Mensch genauso gelten. Dass immer mehr neue Erkenntnisse in der Genetik gewonnen werden, ändert nichts an der Bedeutung der mendelschen Gesetze als Grundlage aller Vererbungsvorgänge.

5 Reihe 4 S 5 Verlauf Material Didaktisch-methodische Orientierung Zwei Gründe sprechen für die Unterrichtsrelevanz der mendelschen Gesetze. Zum einen sind sie die Basis aller Vererbungsvorgänge, auch wenn sie meist gar nicht als solche erkannt werden. Zum anderen kann das Kennenlernen der Persönlichkeit und des Forschungsdrangs Gregor Mendels mit seinen genialen Einfällen den jungen Menschen als Vorbildfunktion dienen. Um dem ersten Punkt gerecht zu werden, ist es nötig, nicht nur die Gesetze zu erarbeiten, sondern seine Forschung und seine Versuche und Forschungsergebnisse auch vor dem Hintergrund der damaligen Zeit zu beleuchten. Dies schließt auch die Tatsache ein, dass seine Erkenntnisse zu seinen Lebzeiten in der Wissenschaftswelt nur wenig Beachtung fanden. Dazu gehört aber auch, welche Grundlagen sich in der weiteren genetischen Forschung bestätigt haben. So war Mendel wie sein Zeitgenosse Charles Darwin seiner Zeit voraus. Das Wissen um die Persönlichkeit Mendels ist aber lückenhaft, da er in großer Bescheidenheit und Stille seine Forschungen betrieben hat. Es existieren beispielsweise nur wenige Bilder von ihm, weil er es nicht liebte, porträtiert zu werden. Es ist nicht sinnvoll, die mendelschen Gesetze auf dem Kenntnisstand von Mendel und mit der von ihm verwendeten Nomenklatur zu besprechen, sondern wir verwenden die heute gängigen Bezeichnungen, auch wenn etliche erst später festgelegt wurden. Beispielhaft lässt sich der Begriff Gen anführen: Während Mendel von vererbbaren Einheiten sprach, die wie Honig eine formlose Masse bilden, ist heute in der Wissenschaft der 1909 von Thomas Hunt Morgan ( ) geschaffene Begriff Gen üblich. Es wäre deshalb nicht angebracht, Mendels Veröffentlichung mit den Schülern im Original zu betrachten. Mendel fehlte das Vokabular. Bezeichnungen wie Phänotyp, Genotyp und viele weitere Begriffe wurden erst später eingeführt. Ein wichtiger Schwerpunkt des Beitrags ist es, dass die Lernenden die von Gregor Mendel entdeckten Gesetzmäßigkeiten nachvollziehen. Dabei spielen, neben einer kurzen Darstellung der Versuche, Kreuzungsschemata eine wichtige Rolle. Die Schüler schließen von der Genausstattung der Körperzellen der Parentalgeneration auf die Genausstattung ihrer Keimzellen. Überlegungen dazu, wie die Keimzellen untereinander kombiniert werden, ermöglichen schließlich Vorhersagen zur Genausstattung der F 1 -Generation und deren Phänotypen. Auf diese Weise werden die Jugendlichen mit einer naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweise konfrontiert. Dabei wird im Beitrag bezüglich der Anzahl der Schemata, mit denen sich die Jugendlichen beschäftigen, maßvoll umgegangen und diese auf ein Minimum beschränkt. Es wäre der Sache nicht gedient, wenn die Schüler vor zu vielen formalen Aspekten resignieren. Sollte bei den Schülern ein ausgeprägtes Interesse vorhanden sein, dann können aber durchaus noch weitere Erbgänge im Unterrichtsgespräch zur Sprache kommen. So können Sie, ergänzend zur Betrachtung des dihybriden Erbgangs von Samenfarbe und -form, noch die Vererbung von Fellfarbe und Farbverteilung bei Kühen als weiteren dihybriden Erbgang anführen. So setzen Sie die Materialien in Ihrem Unterricht ein Zunächst befassen sich Ihre Lernenden als Einführung in die Einheit mit einem Text (M 1), der ein Stimmungsbild vom Jahr 1865 vermittelt. In diesem Jahr brachte Gregor Mendel in seiner Heimatstadt Brünn seine sieben Jahre andauernden Forschungsergebnisse durch einen Vortrag an die Öffentlichkeit. Der Text ermöglicht Rückschlüsse auf die damalige Rezeption seiner Erkenntnisse. Es folgt eine Kurzbiografie über Mendel (M 2). Um die mendelschen Gesetze mit den Schülern erarbeiten zu können, müssen Sie zunächst heute bekannte Sachverhalte und übliche Begriffe wiederholen bzw. einführen. Dazu gehören insbesondere folgende Bezeichnungen: Gene Körperzellen, Keimzellen Chromosomen Allel homolog homozygot, heterozygot haploid, diploid

6 Reihe 4 S 6 Verlauf Material Ohne diese Begriffe lassen sich keine Kreuzungsschemata verstehen. Wie viel Zeit Sie dafür aufbringen müssen, hängt letztendlich vom Wissen Ihrer Lernenden ab und muss von Ihnen individuell entschieden werden. Am besten erfolgt eine solche Einführung bzw. Wiederholung im Unterrichtsgespräch. Dabei erhalten Sie auch einen guten Einblick in den jeweiligen Kenntnisstand der Lernenden. In den Erläuterungen M 3 M 5 finden Sie einen Übersichtskasten, in dem die oben genannten wichtigen Begriffe erläutert sind. Kopieren Sie ihn bei Bedarf und teilen Sie ihn nach dem Unterrichtsgespräch zur Wiederholung und Festigung an die Jugendlichen aus. Des Weiteren erhalten sie das Glossar. Es dient zum Nachschlagen wichtiger Begriffe. Die Schüler lernen die Erbgänge stufenweise kennen. Beginnen Sie mit dem intermediären Erbgang, den Sie mit der Vorlage M 3 und M 4 am Beispiel der Wunderblume (Mirabilis jalaba) aufzeigen. Er wurde nicht von Mendel, sondern erst später von Carl Correns ( ) entdeckt. Aus didaktischer Sicht ist es günstig, den intermediären Erbgang gleich am Anfang durchzunehmen. Schließlich entsteht bei der Wunderblume in der 1. Filialgeneration nach Kreuzung einer rot und einer weiß blühenden Sorte der Wunderblume eine rosa Mischfarbe, ein Ergebnis, das besonders einleuchtet und auch von den Lernenden zumeist erwartet wird. Fragen Sie zuvor die Jugendlichen, welches Ergebnis sie erwarten, und sie werden häufig eine rosa Farbe in der F 1 -Generation vermuten. So ermöglichen Sie ihnen bereits zu Beginn ein Erfolgserlebnis. Und später verblüffen Sie die Jugendlichen besonders, wenn die Phänotypen der 1. Filialgeneration beim dominant-rezessiven Erbgang der Saaterbse eben keine Mischfarbe haben. So wecken Sie bei ihnen die Neugierde, mehr über den von Mendel erforschten dominant-rezessiven Erbgang zu erfahren. Dieses Vorgehen bietet noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Die Lernenden sollen sich ja bei der Beschäftigung mit den mendelschen Gesetzmäßigkeiten am Beispiel der Saaterbse möglichst viel selbstständig erarbeiten. Dies gelingt nur gut, wenn sie sich bereits mit einem anderen Erbgang befasst haben, wichtige Begriffe kennen und auch Kreuzungsschemata nicht völlig unbekannt sind. Im Zusammenhang mit dem intermediären Erbgang müssen Sie den Schülern noch relativ viel erklären (beispielsweise im Unterrichtsgespräch mit der Vorlage M 3 den Erbgang beschreiben; siehe auch Erläuterung zu M 3 M 4). Die Erarbeitung der von Mendel entdeckten Gesetzmäßigkeiten durch die Schüler kann dafür relativ selbstständig erfolgen. Sie müssen dann Ihren Lernenden weitaus weniger im Unterrichtsgespräch erklären und die Lernenden können sich viel mehr selbstständig erarbeiten. Bei der Thematisierung des dominant-rezessiven Erbgangs steht zunächst die Vererbung der Samenfarbe bei Saaterbsen, die Mendel in seinen Kreuzungsversuchen erforschte, im Mittelpunkt. Dabei werden die Lernenden in M 5 schrittweise an die in der Uniformitätsregel und der Spaltungsregel aufgeführten Gesetzmäßigkeiten herangeführt. So kommt es zur Formulierung der ersten beiden mendelschen Gesetze. Ein Lückentext erfüllt zur Festigung eine wichtige Aufgabe. Im Anschluss setzen Sie das Material M 6 ein. Mithilfe von M 7 betrachten Ihre Lernenden die Vererbung von zwei Merkmalspaaren (dihybrider Erbgang) bei der Saaterbse. Dabei werden als Merkmale Samenfarbe und Samenform unter die Lupe genommen. Die Lernenden wenden jetzt ihre bereits in den vorangegangenen Materialien erworbenen Kenntnisse an. Sie stellen selbstständig das Kreuzungsschema bis zur F 1 -Generation mit der Genausstattung von Körper- und Keimzellen auf. Zudem notieren sie in einem Schema die Verteilung von Genotypen und Phänotypen in der F 2 -Generation. So ermitteln sie das Zahlenverhältnis der Phänotypen in der F 2 -Generation untereinander (siehe ausführliche Erläuterungen zu M 7).

7 Reihe 4 S 7 Verlauf Material Verlauf Material Verlauf Stunde M 1 M 2 Einstieg: Redewendungen zur Vererbung an der Tafel notieren; Problemfrage stellen: Werden Merkmale nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten vererbt? ; Diskussion in der Klasse zu dieser Frage; im Rahmen der Diskussion die Aufmerksamkeit der Lernenden auf die Person Gregor Mendels lenken Erarbeitungsphase: Text von M 1 vorlesen und die Aufgabe in Einzelarbeit bearbeiten lassen; dann lernen die Jugendlichen Mendel über M 2 näher kennen (Einzel- oder Partnerarbeit) 1 M 3 M 4 Wiederholung: Wichtige Begriffe zur Vererbungslehre im Unterrichtsgespräch wiederholen bzw. einführen (z. B. anhand des Kastens in den Erläuterungen zu M 3 M 4) Einstieg und Unterrichtsgespräch: Wunderblume (Exemplare mit roten und weißen Blüten) im Original oder als Foto (von der Vorlage M 3) zeigen; Kreuzungsversuch von Correns mit der Wunderblume mithilfe der Vorlage M 3 vorstellen (Ablauf siehe ausführliche Erläuterungen im Abschnitt So setzen Sie M 4 und M 3 ein ) 2 M 3, M 5 Erarbeitungsphase: Die Lernenden M 4 zur Festigung und Erweiterung des Wissens zum intermediären Erbgang in Partner- oder Gruppenarbeit bearbeiten lassen Einstieg: Im Unterrichtsgespräch das Erbschema der Wunderblume wiederholen und den Erbgang nochmals an der Vorlage M 3 im Überblick zeigen (Ziel: Überleitung zum Unterrichtsgespräch zum Erbschema bei Erbsen) Unterrichtsgespräch: 1. An M 1 und M 2 (Materialien zu Mendel) anknüpfen und das dort erarbeitete Wissen kurz ins Gedächtnis rufen Gespräch auf die Kreuzungsexperimente Mendels mit Saaterbsen lenken 3. Schüler über den Phänotyp in der F 1 -Generation bei einer Kreuzung von Erbsenpflanzen mit gelben und grünen Samen spekulieren lassen (Eltern sind reinerbig!) Hinweis: Aufgrund ihres Wissens über den Erbverlauf bei der Wunderblume vermuten die Lernenden zumeist auch bei den Erbsensamen Uniformität und eine Mischfarbe. 4. Sie stellen jetzt klar, dass die Erbsensamen der F 1 -Generation zwar uniform sind, aber keine Mischfarbe haben, sondern gelb sind. Damit unterscheidet sich der Erbgang bei Erbsen vom intermediären Erbgang. Hinweis: Auf diese Weise sorgen Sie für Verwunderung bei den Jugendlichen, die eine Mischfarbe erwartet haben, und wecken ihre Neugierde für den Erbgang bei der Saaterbse. Erarbeitungsphase: M 5 (Erarbeitung von Gesetzmäßigkeiten der Uniformitäts- und Spaltungsregel) austeilen (Bearbeitung in Partner- oder Gruppenarbeit)

8 S 1 Material Verlauf Stunde M 6 M 7 Ihre Schüler ergründen in Einzelarbeit mithilfe von M 6, warum die Forschung Mendels so erfolgreich war. Einstieg: Die Ergebnisse von Mendels Versuchen mit runden grünen und runden gelben Erbsen wiederholen (Uniformitätsregel, Spaltungsregel). Stellen Sie klar, dass bisher nur ein Merkmalspaar bei Erbsen unter die Lupe genommen wurde (gelb/grün). Kündigen Sie an, dass nun der Erbgang bei Erbsen bei zwei Merkmalspaaren betrachtet wird. Erarbeitungsphase: Die Lernenden erarbeiten sich den Verlauf eines dihybriden dominant-rezessiven Erbgangs mit M 7 (Partneroder Gruppenarbeit) Wichtig: Teilen Sie zunächst nur die erste Seite von M 7 aus, damit nicht die Lösung zur Aufgabe 2 (Kreuzungsschema bis zur F 1 -Gneration) verraten wird. 4 5 Minimalplan Steht wenig Zeit zur Verfügung, so können notfalls die Materialien M 1 und M 2 entfallen. Sie befassen sich mit der Person Gregor Mendel und seinem wissenschaftlichen Umfeld. Allerdings würde dadurch Hintergrundwissen entfallen, das den Horizont erweitert. Zudem tragen die Materialien zum Verständnis bei, warum Mendels Forschungsergebnisse zu seinen Lebzeiten weitgehend unbeachtet blieben. M 6 befasst sich damit, warum Mendel im Hinblick auf die Forschungserkenntnis bei seinen Versuchen mit Saaterbsen so erfolgreich war. Bei Zeitmangel kann M 6 gegebenenfalls entfallen. Materialübersicht M 1 (Ab) Eine Sternstunde der Wissenschaft? M 2 (Ab) Wer war Gregor Mendel eigentlich? Eine Kurzbiografie M 3 (Gd) Vorlage mit Fotos und dem Kreuzungsschema zum intermediären Erbgang q Exemplare der Wunderblume mit weißen, roten und rosafarbenen Blüten M 4 (Ab) Wie wird die Farbe der Wunderblume vererbt? Der intermediäre Erbgang M 5 (Ab) Auf die Farbe der Erbsensamen geschaut wir lernen die Uniformitätsregel und Spaltungsregel kennen M 6 (Ab) Was begründete den Forschungserfolg Mendels? M 7 (Ab) Die Vererbung zweier Merkmalspaare wir lernen die Unabhängigkeitsregel kennen

9 S 2 M 1 Eine Sternstunde der Wissenschaft? Man schreibt den 8. Februar Es ist ein kühler, nebliger Tag. Die Mitglieder der naturwissenschaftlichen Sektion der Mährisch-Schlesischen Gesellschaft in der Stadt Brünn (heute Brno in der Tschechischen Republik) treffen sich am Abend zu einem Vortrag. Ihr Mitglied, der Mönch des Augustinerstifts St. Thomas in Brünn, Gregor Mendel, trägt die Ergebnisse des ersten Teils seiner Kreuzungsversuche mit Erbsen vor. Die Zuhörer können jedoch seinen Ausführungen nicht recht folgen, da sie bisher Unbekanntes betreffen. Auch der nächste Termin, der den zweiten Teil der Versuche mit Erbsen beinhaltet, stößt bei den Anwesenden auf wenig Interesse. Niemand ahnt, dass diese Abende eigentlich eine historische Bedeutung für die Naturwissenschaft haben Gregor Mendel veröffentlicht seine Versuchsergebnisse, die später als mendelsche Gesetze bezeichnet werden, nur in einer regionalen Zeitschrift mit einer geringen Auflage. Gregor Mendel ( ) picture-alliance / akg-images Aufgabe 1 Wie wird es um die zukünftige Verbreitung der wissenschaftlichen Erkenntnisse Mendels bestellt sein? Erläutere deine Schlüsse, die du aus der Schilderung ziehst. Erläuterung (M 1) Notieren Sie an der Tafel einige Redewendungen, die sich um das Thema Vererbung ranken. Alternativ können Sie die Lernenden auch als Hausaufgabe solche Redewendungen recherchieren lassen. Sie werden dann von einzelnen Schülern vorgetragen und an der Tafel notiert. Kommen Sie anhand der Redewendungen auf die Vererbung zu sprechen. Stellen Sie Ihrer Klasse die Frage, ob bestimmte Merkmale und Eigenschaften nur rein zufällig vererbt werden oder ob es dabei bestimmte Regeln oder Gesetzmäßigkeiten gibt. Lassen Sie Ihre Schüler dazu diskutieren und jeweils ihre Meinung begründen. Auch wenn Sie die Chromosomentheorie der Vererbung im Unterricht noch nicht behandelt haben, so wissen Ihre Lernenden bestimmt schon, dass Gene bestimmte Eigenschaften von Lebewesen bestimmen und diese auf den Chromosomen sitzen. Bestimmt werden dann in der Diskussion noch weitere Begriffe aus dem Wissenschaftsbereich der Genetik zur Sprache kommen. Klären Sie diese, wo es angebracht ist. Verweisen Sie aber im Übrigen darauf, dass dies alles noch zu einem geeigneten späteren Zeitpunkt im Unterricht behandelt wird.

10 S 3 Eine andere Möglichkeit der Unterrichtsgestaltung besteht darin, bereits vor der Behandlung der mendelschen Gesetze im Unterricht den Aufbau der Chromosomen und die Teilungsvorgänge der Mitose und Meiose durchzunehmen. Haben Sie diese Variante gewählt, so verfügen Ihre Lernenden bereits über ein größeres Fachvokabular und sie werden mehr Fachbegriffe in die Diskussion einbringen und fundierter argumentieren. Dann benötigen Sie für den Einstieg sicherlich mehr Zeit, können aber dadurch bereits vorhandenes Wissen der Lernenden überprüfen, aktivieren und festigen. Egal, über welches Vorwissen Ihre Lernenden bereits verfügen, lassen Sie die Diskussion nicht zu lange werden, sondern lenken Sie Ihre Aufmerksamkeit bald auf die Person Gregor Mendels. Am besten gelingt dies, indem Sie am Ende der Diskussion verlauten lassen, ein Mönch habe, schon lange bevor bekannt war, dass Gene für die Erbanlagen verantwortlich sind und auf den Chromosomen liegen, sich mit Vererbungsvorgängen beschäftigt. So wecken Sie die Neugierde für den nun folgenden Text von M 1. Der Text vermittelt ein Bild von der Stimmung, die herrschte, als Mendel erstmals im Jahr 1865 mit seiner wissenschaftlichen Arbeit durch einen Vortrag vor der naturwissenschaftlichen Sektion der Mährisch-Schlesischen Gesellschaft in der Stadt Brünn an die Öffentlichkeit trat. Die Schilderung soll das Interesse an der Person Gregor Mendels wecken und die Lernenden auf das Thema Vererbung einstimmen. Zudem bekommen sie einen Eindruck vom damaligen Wissensstand. Sie sollten Ihren Schülern unbedingt vor dem Lesen des Textes deutlich machen, dass zum damaligen Zeitpunkt nur wenig über die Vererbung bekannt war und auch Gene und Chromosomen noch unbekannt waren. Es ist wichtig, dass den Lernenden dies bewusst wird, damit sie die Bedeutung der Versuche Gregor Mendels als eine wichtige Basis für die genetische Forschung begreifen. Lassen Sie den Text einen Schüler, der besonders gut lesen kann, vorlesen oder lesen Sie ihn entsprechend gut betont selber vor. Wichtig ist, dass er so vorgelesen wird, dass die Schüler von ihm in den Bann gezogen werden. Sie sollen beinahe den Eindruck bekommen, gerade selbst beim Vortrag Mendels in Brünn mit dabei zu sein. Bringen Sie nach der Bearbeitung von M 1 durch die Schüler noch im Unterrichtsgespräch ein, dass Mendel auch einige Exemplare seiner Veröffentlichung einigen bedeutenden Wissenschaftlern zugesendet hat. Doch viele davon blieben ungeöffnet, wie sich zu einem späteren Zeitpunkt herausstellte. Zu den Exemplaren, deren Schutzumschlag noch nicht geöffnet war, gehörte beispielsweise auch das an Charles Darwin versendete Exemplar. Redewendungen zur Vererbung Vorschläge für Ihren Einstieg: Zum Thema Vererbung existieren zahlreiche Redewendungen. Im Folgenden sind nur einige davon beispielhaft aufgeführt: Sie sind vom gleichen Schlag. Wie die Mutter, so die Tochter. Wie der Vater, so der Sohn. Der Apfel fällt nicht weit vom Stamm. Das liegt bei denen in der Familie.

11 S 4 Lösung (M 1) Aufgabe 1 Die Frage lässt sich von verschiedenen Seiten angehen und es sind auch unterschiedliche Antworten denkbar. So ergibt sich aus der Schilderung, dass Mendel offensichtlich für seine Vorträge keinen so interessierten und verständigen Zuhörerkreis hatte. Dieser Sachverhalt stand sicher einer guten Verbreitung seiner wissenschaftlichen Erkenntnisse entgegen. Hinzu kam, dass er diese in einer regionalen Zeitschrift veröffentlichte. Eine solche Veröffentlichung in einer regionalen und wenig verbreiteten Zeitschrift findet in Wissenschaftskreisen kaum Aufmerksamkeit. Zudem war die Verbreitung von Wissen damals stark an die Person, ihren Bekanntheitsgrad und ihr Ansehen gebunden. Mendel hingegen war eher Autodidakt: Er hat sich aus privatem Interesse und ohne ein geeignetes Fach wie beispielsweise Biologie studiert zu haben, mit der Vererbungslehre beschäftigt. Die Kreuzungsversuche mit Erbsen führte er aus eigenem Antrieb in der Abgeschiedenheit des Klostergartens durch. Sein Leben als Mönch in einem Kloster sorgte dementsprechend dafür, dass seine Person und seine Versuche weithin unbekannt waren. Hinweis: Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden regionalen Zeitschrift erschienen: Verhandlungen des Naturforschenden Vereines in Brünn, Heft Nr. 4, 1865/66, S Erläuterung (M 2) Nachdem nun mit dem Material M 1 das Interesse der Lernenden an Mendel und seinen Forschungsergebnissen geweckt wurde, beleuchtet M 2 die Person Gregor Mendel näher. Die knappe Biografie stellt ihn als Mensch und Mönch vor. Es folgen Arbeitsaufgaben. Für ihre Bearbeitung eignet sich insbesondere Einzel- oder Partnerarbeit. Schließen Sie daran noch ein kurzes Unterrichtsgespräch über seine soziale Herkunft und die Tragik seiner fehlenden Anerkennung zu Lebzeiten an. Bringen Sie dadurch den Lernenden die Person Gregor Mendel noch etwas näher. Lösungen (M 2) Aufgabe 1 a) Zur damaligen Zeit vollzog sich ein bedeutender Anteil der wissenschaftlichen Forschung auch an den Klöstern. b) Mendel konnte in der Abgeschiedenheit des Klosterlebens in Ruhe forschen. Auch stand ihm für seine Versuche genügend Zeit zur Verfügung. Außerdem stellte ihm der Abt eine Reihe von Gewächshäusern für seine Versuche zur Verfügung. Aufgabe 2 Mendel hatte als Mönch keinen großen Bekanntheitsgrad. Außerdem fehlte ihm der Zugang zu einem breiteren fachlich versierten internationalen Publikum. Eine weitere bedeutende Ursache dafür, dass die Forschung Mendels nur wenig Beachtung fand, war die Konzentration von Forschung und Diskussion auf die Abstammungslehre von Charles Darwin. Das entsprechende Buch, in dem Darwin seine Evolutionstheorie darlegte, erschien nämlich Für die mendelschen Gesetze war die Zeit für ihre wissenschaftliche Anerkennung also noch nicht reif. Mendel war seiner Zeit voraus.

12 S 5 M 2 Wer war Gregor Mendel eigentlich? Eine Kurzbiografie Gregor Johann Mendel wurde 1822 als Sohn eines Kleinbauern in dem Ort Heinzendorf geboren. Das Dorf gehörte damals zum Grenzgebiet zwischen Österreich und Schlesien. Heute befindet es sich in der Tschechischen Republik an der Grenze zu Polen. Man sprach Deutsch. Schon als Kind war Mendel sehr mit der Natur vertraut. Seine Familie nahm Entbehrungen in Kauf, damit er das nahe Gymnasium in Troppau besuchen konnte trat Mendel in das Augustinerkloster in Brünn ein. Er erhielt dort den Ordensnamen Gregorius wurde er zum Priester geweiht. Eine Tätigkeit als Lehrer und Studien an der Universität Wien prägen seine Zeit vor seinen Forschungsarbeiten. Seine Kreuzungsversuche mit Erbsen begann Mendel Innerhalb von 7 Jahren führte er von 1856 bis 1863 vorwiegend an Erbsen Kreuzungsforschungen durch. Dabei waren ungefähr Erbsenpflanzen Gegenstand seiner Versuche. Abbildung 2: Mendel Abt im Augustinerkloster in Brünn picture-alliance / dpa Abbildung 1: Briefmarke zu Ehren von Gregor Mendel, der durch Kreuzungsversuche mit Erbsen wichtige Vererbungsregeln entdeckte Mendel war sehr vielseitig interessiert. Er war Referent für Meteorologie der Stadt Brünn und züchtete Bienen. Der Augustinermönch war auch ein guter Schachspieler und forschte nach der Bedeutung von Familiennamen. Letztlich war er ein angesehener Lehrer am Brünner Gymnasium wurde Mendel zum Abt des Klosters gewählt und musste sich vermehrt Verwaltungsaufgaben widmen. Gregor Mendel starb Sein Nachruf am Grab galt seinen Verdiensten für das Kloster, aber nicht seiner Arbeit für die Naturwissenschaften, die weitgehend keine Beachtung gefunden hatte. Erst später wurden Mendels Forschungsergebnisse wiederentdeckt und ihre Bedeutung für die Wissenschaft erkannt. Aufgabe 1 a) Erkläre, wieso damals ein Mönch so intensive Forschungen durchführen konnte. b) Welche Vorteile boten sich Mendel im Kloster für seine Kreuzungsversuche? Aufgabe 2 Erläutere, warum Mendels Forschungen zu seinen Lebzeiten in der Öffentlichkeit und in der Wissenschaft keine Beachtung fanden.

13 S 6 M picture-alliance / WILDLIFE picture-alliance / botanikfoto 3 Parentalgeneration (P) Phänotyp X Wunderblume Wunderblume Körperzellen Keimzellen rr ww r r w w 1. Filialgeneration (F 1 ) Körperzellen rw rw rw rw Phänotyp Keimzellen r w r w r w r w Kreuzung der F 1 -Individuen untereinander Keimzellen r w r w 2. Filialgeneration (F 2 ) Körperzellen rr rw rw ww Phänotyp

14 S 7 Erläuterung (M 3 M 4) Grundlagen schaffen wichtige Begriffe zur Sprache bringen Es bietet sich an, zunächst wichtige Begriffe für die Vererbungslehre zu wiederholen, bevor die verschiedenen Erbregeln betrachtet werden. Wie umfangreich diese Wiederholung ausfällt, hängt letztendlich vom Kenntnisstand Ihrer Klasse ab. Sind noch keine Kenntnisse vorhanden, so sollten Sie unbedingt wichtige Begriffe einführen. Sowohl eine Wiederholung als auch eine Einführung von Begriffen erfolgt am besten im Unterrichtsgespräch. Setzen Sie unterstützend dazu das Glossar am Ende des Beitrags ein. Es erfüllt dabei mit seinen Begriffserklärungen eine wichtige Funktion. Zudem dient das Glossar den Lernenden später zum Nachschlagen der Begriffe und Hilfe bei der Vorbereitung auf eine Klassenarbeit. Die für die Vererbungslehre wichtigen und grundlegenden Begriffe tauchen auch in der unten stehenden kompakten Zusammenfassung auf. Diese können Sie am Ende des Unterrichtsgesprächs an Ihre Lernenden austeilen. Nicht notwendig für das Verständnis der Erbgänge sind hingegen genaue Kenntnisse über den Feinbau der Zelle und der DNA. Homozygot, Allele & Co. wichtige Begriffe der Vererbungslehre Die Erbanlagen oder Gene sind verschlüsselt. Sie befinden sich in Form bestimmter chemischer Strukturen auf den Chromosomen. Diese sind im Zellkern beheimatet. Die Chromosomen liegen in jeder menschlichen Körperzelle als homologes (gleiches) Paar vor. Unter einem homologen Chromosomenpaar versteht man zwei Chromosomen, die identisch sind und deren Gene für die gleichen Erbanlagen zuständig sind. Deshalb gibt man in den Erbschemata die Erbanlagen doppelt an. Man bezeichnet diese Körperzellen als diploid (doppelt), da jedes Chromosom zweifach vorliegt. Bei der Bildung der Keimzellen, also der Eizellen (Tiere, Mensch, Pflanzen) und der Samenzellen (Spermien bei Tieren und beim Menschen, Pollenschlauchzellen bei Pflanzen), werden die homologen Chromosomen voneinander getrennt. Die Keimzellen haben also nur die Hälfte des Chromosomensatzes. Man spricht dann von einem haploiden (einfachen) Chromosomensatz. Bei der Befruchtung vereinigen sich die Keimzellen und es entstehen wieder diploide Körperzellen. Gene, die im diploiden Individuum für die gleichen Erbanlagen zuständig sind (z. B. für die Farbe von Erbsensamen), werden als Allele bezeichnet. Im Erbschema werden solche Allele mit dem gleichen Buchstaben bezeichnet. Sind die beiden Allele identisch, so ist das Individuum in Bezug auf seine Erbanlagen reinerbig oder homozygot. Wenn die sich entsprechenden Erbanlagen nicht identisch sind, spricht man hinsichtlich der Allele von mischerbigen (heterozygoten) Lebewesen. In allen Erbschemata werden die Erbanlagen durch Buchstaben wiedergegeben. Diese können frei gewählt werden. Wie sieht der weitere Unterrichtsablauf aus? Im Anschluss an die Einführung bzw. Wiederholung wichtiger Begriffe der Vererbungslehre wenden Sie sich in Ihrem Unterricht nun den Erbgängen zu. Bringen Sie demnächst Ihren Lernenden mit den folgenden Materialien M 5 M 7 schrittweise die Forschungserkenntnisse Mendels und die mendelschen Regeln näher. Doch zur Einführung bietet sich zunächst besonders der intermediäre Erbgang an. Dieser Erbgang wurde allerdings nicht von Gregor Mendel untersucht bzw. entdeckt, sondern zu einem späteren Zeitpunkt von dem Tübinger Botaniker Carl Correns ( ). Correns gilt zusammen mit Hugo de Vries und Tschermak als Wiederentdecker der von Mendel erforschten Gesetze. Ihre große Bedeutung für die Vererbungslehre wurde zu Lebzeiten Mendels leider nicht erkannt (siehe fachwissenschaftliche Orientierung).

15 S 8 Der von Correns an der Wunderblume (Mirabilis jalaba) entdeckte intermediäre Erbgang eignet sich für eine erste Einführung, da das Ergebnis aus der ersten Kreuzung der Parentalgeneration besonders einsichtig ist. Denn die meisten Schüler werden (ohne Vorwissen) bei der Kreuzung einer rot und einer weiß blühenden Sorte der Wunderblume bei der 1. Filialgeneration Rosa als Mischfarbe erwarten. Verwenden Sie also zunächst die Wunderblume als ein Beispiel für einen Erbgang. So gönnen Sie Ihren Lernenden nicht nur ein Erfolgserlebnis bezüglich ihrer Vorhersage (Blütenfarbe), sondern verblüffen sie später auch mit dem andersartigen Kreuzungsergebnis beim dominant-rezessiven Erbgang. Übersicht über die Abbildungen auf der Vorlage M 3 Hinweis: Die Vorlage M 3 setzen Sie in Verbindung mit einem Unterrichtsgespräch sowie mit M 4 (intermediärer Erbgang) ein. Kopieren Sie dazu die Vorlage auf eine Folie. Abbildung Nr. Gegenstand der Abbildung Foto von Wunderblumen mit roten und weißen Blüten 3 Kreuzungsschema zum intermediären Erbgang bei der Wunderblume (Parentalgeneration, 1. und 2. Filialgeneration) So vermitteln Sie im Unterrichtsgespräch den intermediären Erbgang mit der Vorlage M 3 und M 4 Stellen Sie Ihren Schülern den Kreuzungsversuch von Correns mit der Wunderblume vor. Verwenden Sie dazu die Abbildungen auf der Vorlage M 3 (diese Vorlage zuvor auf eine Folie kopieren). Besonders anschaulich wird Ihr Unterricht, wenn Sie zusätzlich lebende Exemplare der Wunderblume, eines mit weißen und eines mit roten Blüten, mitbringen. Zum Schluss zeigen Sie dann noch zur Veranschaulichung des Kreuzungsergebnisses ein Exemplar mit rosafarbenen Blüten. Zeigen Sie Ihren Schülern zu Beginn eine rot blühende und eine weiß blühende Wunderblume (Fotos 1 2 von der Vorlage M 3 oder ein Originalexemplar der Blume). Lassen Sie die Jugendlichen darüber Vermutungen anstellen, welche Blütenfarbe wohl die Nachkommen von dem rot und dem weiß blühenden Exemplar haben. Bringen Sie dabei die Begriffe Parentalgeneration und Filialgeneration 1 sowie deren Abkürzung P bzw. F 1 ins Spiel. Notieren Sie die Vermutungen der Lernenden an der Tafel. Die meisten Schüler werden wohl rosafarbene Blüten prognostizieren. Aber auch andere Varianten dürften darüber hinaus zur Sprache kommen. Erklären Sie, dass Carl Correns, ein Botaniker aus Tübingen bei Stuttgart, um 1900 sich intensiv mit der Wunderblume beschäftigt hat. Stellen Sie jetzt seine Kreuzungsversuche vor. Erklären Sie anhand der Vorlage M 3, die Sie zuvor auf eine Folie kopiert haben, wie das Kreuzungsschema aufgestellt wird. Setzen Sie die als Kopie von der Vorlage M 3 erstellte Folie folgendermaßen ein: 1) Beschreiben Sie Ihren Lernenden, dass Correns ein rot blühendes und ein weiß blühendes Exemplar der Wunderblume miteinander gekreuzt hat. Decken Sie dabei den unteren Folienteil mit einem Blatt Papier so ab, dass nur die oberen Grafiken mit den zwei Blumen und links davon die Bezeichnung Parentalgeneration (P) zu sehen sind. Die unteren Abschnitte der grafischen Darstellung decken Sie dann entsprechend Ihrer Besprechung im Unterrichtsgespräch nach und nach auf. 2) Führen Sie für die Erbanlage rote Blütenfarbe den Buchstaben r und für die Erbanlage weiße Blütenfarbe den Buchstaben w ein. Machen Sie deutlich, dass Körperzellen immer zwei Gene haben, die für ein bestimmtes Merkmal zuständig sind. Führen Sie den Begriff Allel ein. Erklären Sie, dass die unterschiedlichen Erbanlagen, die dementsprechend parallel vorkommen können, als Allele bezeichnet werden. So existiert hier ein Allel für die rote Blütenfarbe und ein Allel für die weiße Blütenfarbe.

16 S 9 Erklären Sie, dass gleiche Allele grundsätzlich mit dem gleichen Buchstaben bezeichnet werden. Stellen Sie klar, dass die Buchstaben bei einem solchen Erbschema willkürlich gewählt werden können und hier nun aus Gründen der Anschaulichkeit die Anfangsbuchstaben der Farben verwendet wurden. Anschließend klären Sie die Begriffe Phänotyp, Genotyp, Körperzellen und Keimzellen. 3) Betrachten Sie zunächst mit Ihren Schülern die Genausstattung (Genotyp) bei den Körperzellen der Parentalgeneration (P). Lassen Sie die Schüler kurz im Unterrichtsgespräch über die Genausstattung der Körperzellen spekulieren. Ihnen sollte dabei klar werden, dass sich in jeder Körperzelle zwei Allele für das Merkmal Blütenfarbe befinden. Verdeutlichen Sie, dass diese Allele bezüglich eines Merkmals entweder die gleiche oder aber verschiedene Erbinformationen tragen können. Im ersten Fall liegt Reinerbigkeit vor, im zweiten Fall Mischerbigkeit. Bringen Sie die Bezeichnungen homozygot und heterozygot zur Sprache. Erklären Sie, dass hier beim Kreuzungsversuch mit der Wunderblume von reinerbigen Eltern ausgegangen wird. Lassen Sie jetzt Ihre Lernenden die Genausstattung der Körperzellen der Wunderblume bei Reinerbigkeit benennen. Decken Sie dann die Folie um ein kleines Stück bis zur folgenden Eintragung auf: Körperzellen: rr X ww 4) Klären Sie jetzt, wie die Keimzellen bei der Parentalgeneration beschaffen sind. Fragen Sie zunächst Ihre Lernenden und sprechen Sie darüber. Ihnen sollte klar werden, dass sich in jeder Keimzelle immer nur ein Allel für das betreffende Merkmal befindet. Decken Sie jetzt auch den folgenden Folienabschnitt auf: Parentalgeneration (P) Körperzellen rr x ww Keimzellen r r w w 5) Erklären Sie Ihren Schülern, dass es bei der Befruchtung zur Vereinigung der Keimzellen kommt. Dabei wird keine bestimmte Kombination bevorzugt. Alle denkbaren Kombinationen haben also die gleiche Chance. Machen Sie Ihren Lernenden plausibel, dass aus diesem Grund in der grafischen Darstellung nun jede r-keimzelle mit jeder w-keimzelle zusammengeführt wird. Zeigen Sie auf der Folie den Genotyp der Körperzellen der F 1 -Generation, decken Sie aber noch nicht die Illustration von den vier rosafarbenen Wunderblumenblüten auf. Wichtiger Hinweis zum methodischen Vorgehen: Lassen Sie jetzt Ihre Lernenden nochmals über die Blütenfarbe in der F 1 -Generation spekulieren. Diese wissen nun, welche Genausstattung die F 1 -Körperzellen haben, und können jetzt fundierter argumentieren. In der Regel werden sie abermals auf eine rosafarbene Blütenfarbe schließen. Begründen werden die Jugendlichen dies vermutlich damit, dass sich in den Körperzellen sowohl ein Allel für die rote als auch ein Allel für die weiße Farbe befindet und es daher zur Ausbildung der Mischfarbe Rosa kommt. Geben Sie Ihren Lernenden jetzt Folgendes zu bedenken: Die Mischfarbe Rosa kommt nur unter der Voraussetzung zustande, dass beide Allele (das für Rot und das für Weiß) gleichberechtigt an der Merkmalsausprägung mitwirken. Stellen Sie dies nun infrage und lösen Sie eine kurze Diskussion über weitere denkbare Varianten aus. Mit dieser methodischen Variante der Verunsicherung erzeugen Sie Spannung und leiten Ihre Lernenden zur differenzierten Betrachtungsweise an. Darüber hinaus bereiten Sie die Jugendlichen bereits auf die Variante des dominant-rezessiven Erbgangs vor. Diese spielen jetzt gedanklich durch, was passiert, wenn beispielsweise das Allel für die rote Blütenfarbe über das Allel für die weiße Blütenfarbe bezüglich der Merkmalsausprägung im Erscheinungsbild dominiert. Sie werden zu dem Schluss kommen, dass dann in der F 1 -Generation rote Blüten zu erwarten sind. Geben Sie Ihren Schülern bezüglich dieser Überlegungen recht und loben Sie sie für ihren schlüssigen Gedankengang. Erklären Sie

17 S 10 dann, dass dies hier jedoch nicht zutrifft. Kündigen Sie Ihren Lernenden an, dass der Erbgang, den Mendel an Saaterbsen untersucht hat, eben gerade ein solches Vererbungsmuster aufweist und sie diesen Erbgang in Kürze kennenlernen werden. Lüften Sie nun das Geheimnis um die Blütenfarbe der Wunderblume, indem Sie erklären, dass die ursprüngliche Annahme, beide Allele würden gleichberechtigt bei der Merkmalsausprägung mitwirken, korrekt war. Erklären Sie, dass dementsprechend die Blütenfarbe der Wunderblume in der F 1 -Generation Rosa ist. Decken Sie jetzt auf der Folie den entsprechenden Abschnitt mit den vier rosa Blüten auf. Merken Sie abschließend zur F 1 -Generation Folgendes an: Es sind vier Hybriden entstanden. Die F 1 -Nachkommen sind untereinander nach dem Erbbild (oder genotypisch) und nach dem Erscheinungsbild (oder phänotypisch) völlig gleich. Man sagt, sie sind uniform. Und zwar haben sie phänotypisch alle rosa Blüten. Das Merkmal der Blütenfarbe liegt also bei der F 1 -Generation in der Mitte der Blütenfarbe beider Elternteile. Man nennt diese Erscheinung intermediär. Es ist dabei noch von Bedeutung, dass es keine Rolle spielt, ob die Anlagen für Rot oder Weiß entweder von der Eizelle oder vom Pollen stammen. Die beiden Anlagen sind nach dem Geschlecht umkehrbar oder reziprok. 6) Betrachten Sie nun gemeinsam mit den Schülern im gelenkten Unterrichtsgespräch, was passiert, wenn die F 1 -Individuen untereinander gekreuzt werden. Zeigen Sie die Folie jetzt nicht mehr. Fragen Sie die Jugendlichen, über welche Keimzellen die F 1 -Nachkommen verfügen. Notieren Sie diese an der Tafel. Da alle F 1 -Individuen gleich sind, genügt es, diese für nur zwei Individuen der F 1 -Generation zu notieren und diese miteinander zu kreuzen. Zeichnen Sie dementsprechend folgendes Kreuzungsschema an der Tafel an oder lassen Sie es dort einen guten Schüler selbstständig notieren: F 1 -Körperzellen rw x rw F 1 -Keimzellen r w r w F 2 -Körperzellen rr rw rw ww Die Schüler spekulieren dann darüber, wie die Nachkommen in der F 2 -Generation bezüglich ihres Phänotyps aussehen. Lüften Sie das Geheimnis. Zeigen Sie jetzt den letzten unteren Abschnitt der Folie zur Kreuzung der F 1 -Individuen untereinander. Merken Sie Folgendes zur entstandenen F 2 -Generation an: Es entstehen Pflanzen im Zahlenverhältnis von einer rot blühenden (rr), zwei rosa blühenden (rw) und einer weiß blühenden (ww) Pflanze. Dieses Ergebnis 1 : 2 : 1 kommt nur als Mittelwert einer größeren Versuchsreihe zustande, d. h., es genügt nicht, um eine solche Gesetzmäßigkeit festzustellen, nur vier Individuen der F 2 -Generation zu prüfen. Bei einer statistischen Erfassung mit einer Vielzahl an Versuchen bzw. untersuchten Pflanzen pendelt sich aber dieser Mittelwert ein. Diese Aufteilung im Verhältnis 1 : 2 : 1 erfolgt sowohl im Genotyp als auch im Phänotyp. Teilen Sie im Anschluss das Material M 4 an die Lernenden zur Bearbeitung in Partneroder Gruppenarbeit aus.

18 S 11 M 4 Wie wird die Farbe der Wunderblume vererbt? Der intermediäre Erbgang Der Botaniker Carl Correns kreuzte rot und weiß blühende Exemplare der Wunderblume. Dabei entdeckte er im Hinblick auf die Vererbung der Blütenfarbe Gesetzmäßigkeiten. Ihr habt sie als intermediären Erbgang kennengelernt. Erweitert und festigt jetzt mit den folgenden Aufgaben euer Wissen. Abbildung 1: Carl Correns ( ) Abbildung 2: Wunderblume Aufgabe 1 a) Beschreibt, für was die Bezeichnungen P, F 1 und F 2 stehen. b) Welche Buchstaben können für die Bezeichnung von Erbanlagen verwendet werden? c) Definiert den Begriff Allel. picture-alliance/wildlife picture-alliance/botanikfoto Aufgabe 2 a) Was zeichnet die intermediäre Vererbung aus? Beschreibt, was für diesen Erbgang typisch ist. Zieht dazu als Beispiel die Vererbung der Blütenfarbe bei der Wunderblume heran. Tipp Denkt daran, was der Fachbegriff intermediär bedeutet. b) Warum genügt es nicht, zur Klärung einer Gesetzmäßigkeit nur vier Nachkommen der F 2 -Generation auf ihr Erbbild hin zu untersuchen? Aufgabe 3 Eine reinerbige rot blühende und eine reinerbige weiß blühende Wunderblume werden miteinander gekreuzt. Erstellt dazu das Kreuzungsschema.

19 S 12 Intermediäre Erbgänge wie bei der Wunderblume existieren auch im Tierreich. Ein interessantes Beispiel ist die Vererbung der Federkleidfarbe bei bestimmten Hühnervögeln, den Andalusiern. Die ursprünglich aus Spanien stammende Haushuhnrasse ist auch in Deutschland verbreitet. Aufgabe 4 Erstellt für die Hühnerrasse der Andalusier ein Kreuzungsschema. Erstellt das Schema bis zur F 2 -Generation. Geht von folgenden Bedingungen aus: Ein reinerbiger Hahn mit schwarzem Federkleid und eine reinerbige Henne mit weißem Federkleid bilden die Parentalgeneration (P-Generation). Parentalgeneration (P) Hahn Henne Thinkstock/iStockphoto Die Mischfarbe der F 1 -Generation ist bei diesem intermediären Erbgang blau schimmernd gefleckt. Verwendet folgende Buchstabensymbole: a: Allel für das Merkmal schwarze Federfarbe b: Allel für das Merkmal weiße Federfarbe

20 S 13 Lösungen (M 4) Aufgabe 1 a) Der Buchstabe P steht für den Fachbegriff Parentalgeneration. Er bezeichnet die Elterngeneration. F 1 bedeutet 1. Filialgeneration und steht damit für die 1. Tochtergeneration, während F 2 eine Abkürzung für die 2. Filialgeneration (2. Tochtergeneration) ist. b) Die Buchstaben, die für Erbanlagen verwendet werden können, sind nicht vorgegeben. Sie können frei gewählt und vereinbart werden. c) Gene, die für die gleiche Erbanlage wie beispielsweise die Blütenfarbe zuständig sind, bezeichnet man als Allele. Gleiche Allele erhalten im Erbschema den gleichen Buchstaben. So existiert beim intermediären Erbgang der Wunderblume ein Allel für die rote Blütenfarbe und ein Allel für die weiße Blütenfarbe. Aufgabe 2 a) Der Fachbegriff intermediär bedeutet so viel wie dazwischenliegend. Er beschreibt damit auch, was typisch für den intermediären Erbgang ist, bei dem die Nachkommen der F 1 -Generation in ihrem Merkmal zwischen den Merkmalen der Eltern (Parentalgeneration) liegen. Die Nachkommen in der F 1 -Generation sind dabei alle im betreffenden Merkmal gleich (uniform). Bezogen auf das Erbschema der Wunderblume bedeutet dies, dass sich aus roten und weißen Blüten der Parentalgeneration in der F 1 -Nachkommenschaft rosa Blüten ergeben. Die Blütenfarbe der F 1 -Generation liegt somit zwischen derjenigen der Elterngeneration. b) Die Keimzellen werden nach dem Zufallsprinzip zusammengeführt. Somit vermittelt die Untersuchung einer kleinen Nachkommenschaft noch kein genaues Bild davon, in welchem Zahlenverhältnis das betreffende Merkmal weitergegeben wird. Es sind umfangreichere Untersuchungen und eine entsprechende statistische Auswertung vonnöten. Je mehr Individuen dabei betrachtet werden, umso aussagekräftiger ist das gefundene Zahlenverhältnis. Die Blütenfarbe beim intermediären Erbgang taucht im Phänotyp in der F 2 -Generation beispielsweise im Zahlenverhältnis 1 : 2 : 1 auf, d. h., es entstehen über viele Individuen hinweg betrachtet im Mittel eine rot blühende, zwei rosa blühende und eine weiß blühende Blume. Dieses Zahlenverhältnis spiegelt sich dabei beim intermediären Erbgang nicht nur im Phänotyp (Erscheinungsbild), sondern auch im Genotyp wider. Aufgabe 3 Kreuzung einer reinerbigen rot blühenden mit einer reinerbigen weiß blühenden Wunderblume: Parentalgeneration rr x ww r r w w F 1 -Individuen rw rw x rw rw r w r w F 2 -Individuen rr rw rw ww

21 S 14 Aufgabe 4 Kreuzungsschema für die Hühnerrasse der Andalusier (Federfarbe): a: Allel für die schwarze Federfarbe b: Allel für die weiße Federfarbe Die F 1 -Generation zeigt eine blau schimmernde Mischfarbe. Die F 2 -Generation besteht aus einem schwarzen, zwei mischfarbenen und einem weißen Huhn. Hinweis: Es wird ein reinerbiger Hahn (schwarzes Federkleid) mit einer reinerbigen Henne (weißes Federkleid) gekreuzt. Der Erbgang ist wie bei der Wunderblume intermediär. Daher sind auch in der F 1 -Generation alle Individuen gleich (uniform). In der F 2 -Generation ergibt sich eine phänotypische und genotypische Aufteilung im Zahlenverhältnis 1 : 2 : 1. Erläuterung (M 5) Das Material M 5 befasst sich mit der 1. mendelschen Regel (Uniformitätsregel) und der 2. mendelschen Regel (Spaltungsregel). So führen Sie in den neuen Abschnitt über die mendelschen Regeln ein Wiederholen Sie zu Stundenbeginn das Erbschema bei der Kreuzung einer rot blühenden mit einer weiß blühenden Wunderblume. Lassen Sie einige Lernende beschreiben, was bei dieser Kreuzung passiert und wie Genotyp und Phänotyp jeweils in der Parentalgeneration sowie der F 1 - und F 2 -Generation aussehen. Zeigen Sie diesen Erbgang anschließend nochmals anhand der Vorlage M 3, die Sie zuvor auf eine Folie kopiert haben, im Überblick. Dies dient nicht nur der Wiederholung des intermediären Erbgangs, sondern ist auch der Ausgangspunkt der nun folgenden Überlegungen zum Erbschema bei Erbsensamen. Ihre Lernenden haben sich bereits mithilfe von M 1 und M 2 ein Wissen über Mendel angeeignet. Rufen Sie dieses jetzt ins Gedächtnis und lenken Sie das Gespräch auf seine Kreuzungsexperimente mit Erbsenpflanzen. Erklären Sie, dass es Erbsensorten mit gelben und grünen Samen gibt und diese von Mendel gekreuzt wurden. Lassen Sie Ihre Lernenden darüber spekulieren, welchen Phänotyp die F 1 -Generation bei einer solchen Kreuzung aufweist. Stellen Sie klar, dass die Elterngeneration beim Versuch Mendels bezüglich des Merkmals Samenfarbe reinerbig war. Die meisten Schüler werden richtig annehmen, dass alle Nachkommen der F 1 -Generation in ihrer Farbe uniform sind. Allerdings werden die meisten in Anlehnung an das Kreuzungsexperiment mit der Wunderblume eine Mischfarbe zwischen Gelb und Grün vermuten. Stellen Sie klar, dass die F 1 -Nachfahren zwar uniform sind, aber eben keine Mischfarbe aufweisen. Sorgen Sie damit für Verwunderung bei den Jugendlichen, die eigentlich ein anderes Ergebnis erwartet haben. Wecken Sie so ihre Neugierde für diesen Erbgang. Kündigen Sie an, dass der Erbgang bei Erbsen sich vom intermediären Erbgang grundlegend unterscheidet und dass sie ihn jetzt erkunden. Teilen Sie das Arbeitsblatt M 5 zur Bearbeitung in Partner- oder Gruppenarbeit aus.

22 S 15 M 5 Auf die Farbe der Erbsensamen geschaut wir lernen die Uniformitätsregel und Spaltungsregel kennen Der Mönch Gregor Mendel führte im Garten des Augustinerklosters Kreuzungsexperimente mit Erbsen durch. Dabei untersuchte er die Vererbung von verschiedenen Merkmalen. Sein Interesse galt unter anderem auch der Vererbung der Samenfarbe. Erkundet, was Mendel bei seinen Experimenten herausfand. Aufgabe 1 a) Erläutert das Kreuzungsschema. Beschreibt die F 1 -Generation im Hinblick auf ihren Genotyp und Phänotyp. b) Erklärt, warum die F 1 -Generation im Erscheinungsbild nicht mischfarbig ist. Tipp Überlegt, was es mit den Groß- und Kleinbuchstaben im Kreuzungsschema auf sich haben könnte. Allele Phänotypen G: Allel für die gelbe Erbsenfarbe gelbe Erbsen g: Allel für die grüne Erbsenfarbe grüne Erbsen Kreuzung gelbsamiger und grünsamiger Erbsenpflanzen Kreuzungsschema bis zur F 1 -Generation Welchen Genotyp bzw. Phänotyp haben wohl die Nachkommen in der F 2 -Generation? Findet es jetzt in der Aufgabe 2 heraus. Aufgabe 2 a) Übertragt das Schema von der Aufgabe 1 zur Kreuzung von gelben und grünen Erbsensamen (bis zur F 1 -Generation) auf ein separates Blatt Papier. b) Führt das Schema fort, indem ihr die Individuen der F 1 -Generation untereinander kreuzt. Da alle F 1 -Individuen gleich sind, genügt es, nur zwei davon miteinander zu kreuzen. c) Beschreibt die Aufteilung bezüglich des Genotyps in der F 2 -Generation. Vergleicht diese Aufteilung mit der bei der Wunderblume in der F 2 -Nachkommenschaft. d) Beschreibt, wie die F 2 -Nachkommen der Erbsensamen aussehen (Phänotyp). Tipp Schließt von der Erbausstattung der Körperzellen (Genotyp) auf das Erscheinungsbild (Phänotyp). Berücksichtigt dabei, welches Allel dominant und welches rezessiv ist. e) Zieht bezüglich des Zahlenverhältnisses im Phänotyp einen Vergleich zwischen der F 2 -Generation von Wunderblume und Erbsensamen.

23 S 16 Aufgabe 3 Füllt den unten stehenden Lückentext aus. Bei der Kreuzung reinerbig Erbsen (GG) mit grünsamigen Erbsen (gg) besitzen alle F 1 -Hybriden Samen (Gg). Alle F 1 -Hybriden haben also gelbe Samen, tragen aber das Merkmal für Samen verdeckt in sich. Nach der Kreuzung der F 1 -Hybriden entstehen in der F 2 -Generation phänotypisch gelbsamige und grünsamige Erbsen. Bezüglich des Phänotyps besteht also ein Zahlenverhältnis von. Bezüglich des Genotyps existiert hingegen ein Zahlenverhältnis von. Es liegt ein Erbgang vor. Im Gegensatz zur Vererbung bei den Erbsen besteht bei der Wunderblume ein Erbgang, d. h., die Nachkommen der F 1 -Generation haben eine Blütenfarbe. In der F 2 -Generation ergibt sich sowohl phänotypisch als auch ein Verhältnis von. Die Gesetzmäßigkeiten, die ihr bisher bezüglich der Merkmalsvererbung kennengelernt habt, sind in der Uniformitätsregel und der Spaltungsregel formuliert. Aufgabe 4 Ergänzt die Sätze in den Merkekästen. 1. Uniformitätsregel (Reziprozitätsregel) Wenn man zwei reinerbige Eltern, die sich in einem bestimmten Merkmal unterscheiden, untereinander kreuzt, so sind die Nachkommen in der 1. Tochtergeneration (1. Filialgeneration) bezüglich dieses Merkmals. Dies gilt auch, wenn bei der Kreuzung das Geschlecht der Eltern (Reziprozitätsregel). ist 2. Spaltungsregel Werden die Individuen der F 1 -Generation untereinander gekreuzt, so die Merkmale bei den Nachkommen in der F 2 -Generation in einem bestimmten auf. Aufgabe 5 Welche Zahlenverhältnisse liegen jeweils a) beim intermediären Erbgang, b) beim dominant-rezessiven Erbgang phänotypisch und genotypisch vor?

24 S 17 Aufgabe 6 a) Lest euch den Text gut durch Wie lässt sich der Genotyp bei Individuen der F 2 -Generation bestimmen? Bei der Vererbung der Samenfarbe (dominant-rezessiver Erbgang) haben in der F 2 -Generation 25 % der Individuen im Erscheinungsbild (Phänotyp) das rezessive Merkmal (grüne Samenfarbe). Da es im Phänotyp nur auftritt, wenn Reinerbigkeit vorliegt, lautet ihr Genotyp gg. Die Mehrzahl der Individuen, nämlich 75 % davon, weist hingegen phänotypisch das dominante Merkmal (gelbe Samenfarbe) auf. Die Individuen sind dann vom Genotyp her entweder reinerbig (GG) oder mischerbig (Gg). Doch wie kann man eigentlich ihren genauen Genotyp feststellen? Diese Frage stellte sich bereits Gregor Mendel. Er bestimmte den Genotyp dieser Individuen genau, indem er eine sogenannte Rückkreuzung durchführte. Dabei kreuzte er das jeweilige Individuum mit einem reinerbigen rezessiven Exemplar (gg). b) Beschreibt die wichtigsten Informationen im Text mit euren eigenen Worten. c) Erläutert, wie sich mit der Rückkreuzung der Genotyp des Individuums mit dominantem Merkmal (gelbe Samenfarbe) feststellen lässt. Tipp Stellt für die zwei möglichen Genotypen des Individuums die entsprechenden zwei Kreuzungsschemata auf. Erklärt auf der Grundlage der Schemata, wie eine Aussage über den Genotyp getroffen werden kann.

25 S 18 Lösungen (M 5) Aufgabe 1 a) In Bezug auf den Genotyp zeigt das Kreuzungsschema zur Vererbung der Samenfarbe das gleiche Ergebnis wie bei der Wunderblume. Die Genausstattung der Körperzellen ist also auch hier bei allen F 1 -Nachkommen gleich (Gg). Auch phänotypisch sind alle F 1 -Nachkommen wie bei der Wunderblume identisch (uniform), doch im Gegensatz zu diesen besitzen sie keine Mischfarbe. Vielmehr sind alle Samen gelb. b) Bei der Wunderblume ergab sich in der F 1 -Generation eine Mischfarbe, da beide Allele (das für Rot und das für Weiß) gleichberechtigt an der Merkmalsausprägung mitwirken. Da bei den Erbsensamen nur gelbe Erbsen in der F 1 -Generation vorkommen, folgt, dass das Allel für die gelbe Samenfarbe und das für die grüne Samenfarbe nicht gleichberechtigt an der Merkmalsausbildung mitwirken. Die Anlage für Gelbsamigkeit überdeckt also bei der Kreuzung die Anlage für Grünsamigkeit. Hinweis: In diesem Zusammenhang spricht man davon, dass Gelb über Grün dominant ist. Grün hingegen ist rezessiv gegenüber Gelb. Daher verwendet man Groß- und Kleinbuchstaben bei der Bezeichnung der Genausstattung von Körper- bzw. Keimzellen. Großbuchstaben stehen (wie das G für Gelb) für dominante Allele, Kleinbuchstaben (wie das g für Grün) bezeichnen rezessive Allele. Aufgabe 2 a) und b) c) Vergleichen wir die Aufteilung in der F 2 -Generation mit der bei der Wunderblume, so erhalten wir genotypisch in der F 2 -Generation ebenfalls das Verhältnis 1 (GG) : 2 (Gg) : 1 (gg). d) Vom Genotyp der F 2 -Generation (Genausstattung der Körperzellen) kann auf den Phänotyp (Erscheinungsbild) der F 2 -Individuen geschlossen werden: Das Allel G für die Ausbildung von gelben Erbsensamen dominiert hierbei über das Allel g für die Ausbildung der grünen Erbsensamen. Das Allel g ist also rezessiv. Daher ergibt die Kombination Gg phänotypisch gelbe Erbsensamen, ebenso die Kombination GG. Die Kombination Gg ist in der F 2 -Generation zweimal vorhanden, GG einmal, gg ebenfalls einmal. So ergibt sich bezüglich des Phänotyps ein Zahlenverhältnis von 3 : 1. Hinweis: Eine Aufspaltung der Merkmale im Zahlenverhältnis 3 : 1 innerhalb der F 2 -Generation ist charakteristisch für den dominant-rezessiven Erbgang. Diese Gesetzmäßigkeit formuliert die Spaltungsregel.

26 S 19 e) Im Phänotyp (Erscheinungsbild) besteht ein Unterschied zur Wunderblume. So kommt es bei der Wunderblume im Phänotyp zum selben Zahlenverhältnis wie im Genotyp (Verhältnis von 1 : 2 : 1). Es entstehen eine rot, zwei rosa und eine weiß blühende Blume. Demgegenüber besteht beim dominant-rezessiven Erbgang mit einem Zahlenverhältnis von 3 : 1 im Phänotyp (drei gelbe Erbsensamen und ein grüner Erbsensamen) ein deutlicher Unterschied. Alle diese Zahlenverhältnisse sind statistische Ergebnisse, die sich aufgrund von zahlreichen Kreuzungsversuchen ergeben haben. Aufgabe 3 Bei der Kreuzung reinerbig gelbsamiger Erbsen (GG) mit reinerbig grünsamigen Erbsen (gg) besitzen alle F 1 -Hybriden gelbe Samen (Gg). Alle F 1 -Hybriden haben also phänotypisch gelbe Samen, tragen aber das Merkmal für grüne Samen verdeckt in sich. Nach der Kreuzung der F 1 -Hybriden untereinander entstehen in der F 2 -Generation phänotypisch 3/4 gelbsamige und 1/4 grünsamige Erbsen. Bezüglich des Phänotyps besteht also ein Zahlenverhältnis von 3 : 1. Bezüglich des Genotyps existiert hingegen ein Zahlenverhältnis von 1 : 2 : 1. Es liegt ein dominant-rezessiver Erbgang vor. Im Gegensatz zur Vererbung bei den Erbsen besteht bei der Wunderblume ein intermediärer Erbgang, d. h., die Nachkommen der F 1 -Generation haben eine rosa Blütenfarbe. In der F 2 -Generation ergibt sich sowohl phänotypisch als auch genotypisch ein Verhältnis von 1 :2 : 1. Aufgabe 4 Ergänzt die Sätze in den Merkekästen. 1. Uniformitätsregel (Reziprozitätsregel) Wenn man zwei reinerbige Eltern, die sich in einem bestimmten Merkmal unterscheiden, untereinander kreuzt, so sind die Nachkommen in der 1. Tochtergeneration (1. Filialgeneration) bezüglich dieses Merkmals gleich (uniform). Dies gilt auch, wenn bei der Kreuzung das Geschlecht der Eltern vertauscht ist (Reziprozitätsregel). 2. Spaltungsregel Werden die Individuen der F 1 -Generation untereinander gekreuzt, so spalten sich die Merkmale bei den Nachkommen in der F 2 -Generation in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf.

27 S 20 Aufgabe 5 Zahlenverhältnisse beim intermediären und dominant-rezessiven Erbgang im Vergleich: Erbgang Genotyp Phänotyp a) intermediärer 1 : 2 : 1 1 : 2 : 1 b) dominant-rezessiver 1 : 2 : 1 3 : 1 Aufgabe 6 b) Beim dominant-rezessiven Erbgang ist dasjenige Individuum in der F 2 -Generation, welches das rezessive Merkmal (grüne Samenfarbe) im Phänotyp hat, reinerbig. Sein Genotyp lautet daher gg. Beim Individuum mit dem dominanten Merkmal (gelbe Samenfarbe) im Erscheinungsbild lässt sich allein aufgrund des Phänotyps nicht sagen, welcher Genotyp vorliegt. Der Genotyp kann aber durch eine Rückkreuzung ermittelt werden. Dabei wird das Exemplar mit einem reinerbigen rezessiven Individuum gekreuzt. c) Rückkreuzung Kreuzungsschemata: Das im Genotyp zu bestimmende Individuum wird mit einem reinerbigen rezessiven Exemplar (gg) gekreuzt. Da es entweder den Genotyp GG oder Gg aufweist, ergeben sich die nachfolgend aufgeführten zwei Kreuzungsschemata. Schema 1: Kreuzungsschema beim Genotyp GG (zu testendes Individuum) Schema 2: Kreuzungsschema beim Genotyp Gg (zu testendes Individuum)

28 S 21 Den Kreuzungsschemata lässt sich Folgendes entnehmen: Schema 1: Wenn das Testindividuum reinerbig (GG) ist, sind alle Nachkommen in der F 1 -Generation mischerbig und im Genotyp (Gg) gleich. Aufgrund des einheitlichen Genotyps sind sie auch phänotypisch einheitlich (uniform). Da die gelbe Samenfarbe über die grüne dominiert, haben alle eine gelbe Samenfarbe. Schema 2: Liegt beim Testindividuum hingegen Mischerbigkeit (Gg) vor, so haben 50 % der Nachkommen den Genotyp Gg. Sie sind damit ebenfalls mischerbig. Weitere 50 % weisen den Genotyp gg auf und sind reinerbig. Dementsprechend kommen dann sowohl gelbe als auch grüne Erbsensamen vor. Wie kann vom Ergebnis der Kreuzungsversuche auf den Genotyp geschlossen werden? Man kann bei der Rückkreuzung am Vorkommen der Samenfarbe(n) der F 1 -Individuen auf den Genotyp des Testindividuums schließen. Kommen ausschließlich gelbe Samen vor, so liegt beim Testindividuum der Genotyp GG vor. Treten gelbe und grüne Samen in einem Zahlenverhältnis von 1 : 1 auf, dann kann auf den Genotyp Gg beim Testindividuum geschlossen werden. Erläuterung (M 6) Die 3. mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel, Neukombinationsregel) trifft eine Aussage über die Vererbung von zwei oder mehr Merkmalen. Bevor Sie sich mit Ihren Schülern ihr zuwenden, bietet es sich an, einen Blick auf die damalige Forschung zu werfen. Zudem sollte die besondere Leistung Mendels zusammenfassend herausgestellt werden. Dies gelingt Ihnen mithilfe des Materials M 6, das in Einzelarbeit bearbeitet wird. Sollten Sie allerdings über nur wenig Zeit verfügen, so wenden Sie sich dann gleich mit M 7 der 3. mendelschen Regel zu. Lösung (M 6) Aufgabe Viele unterschiedliche Faktoren trugen zur erfolgreichen Entdeckung der Vererbungsgesetzmäßigkeiten durch Gregor Mendel bei. So wurde er durch die vorangegangene Forschungsarbeit einiger Wissenschaftler inspiriert, die sich ebenfalls mit der Vererbung befassten. Ganz wesentlich war, dass Mendel mit der Saaterbse ein zur Erforschung besonders günstiges Objekt wählte. Sie lässt sich leicht züchten, weist eine kurze Generationsdauer auf und trägt viele Früchte mit Samen. Außerdem vermehrt sich die Saaterbse ausschließlich durch Selbstbestäubung, sodass es während der Versuche nicht zur unerwünschten Fremdbestäubung kommen kann. Zudem sind die verschiedenen Merkmale der Saaterbse gut zu beobachten und zu erfassen und werden getrennt voneinander vererbt. Entscheidend war auch, dass Mendel im Gegensatz zu anderen Wissenschaftlern, die zur Vererbung forschten, statistische Methoden anwendete. Erst dies hat die Entdeckung der spezifischen Zahlenverhältnisse beim dominant-rezessiven Erbgang möglich gemacht. Dazu war es auch notwendig, dass Mendel an einer Vielzahl an Pflanzen und über einen längeren Zeitraum forschte. Die Parentalgeneration, welche reinerbig sein sollte, überprüfte er durch Rückkreuzungen auf ihre Reinerbigkeit.

29 S 22 M 6 Was begründete den Forschungserfolg Mendels? Aufgabe a) Lies dir den Text genau durch und unterstreiche Wichtiges. b) Erläutere, worauf der Forschungserfolg Mendels zurückzuführen ist. Wie die Arbeit eines jeden Wissenschaftlers bauten Mendels Forschungen auf Entdeckungen und Hypothesen anderer Forscher auf. An erster Stelle sind die Botaniker Joseph Gottlieb Kölreuter ( ) und Karl Friedrich von Gärtner ( ) zu nennen. Mendel erwähnte sie mehrfach als Vorbilder. Beide kreuzten verschiedene Pflanzenarten, doch sie verfolgten zu viele Merkmale. Zudem waren ihre Pflanzen für die Untersuchungen nicht so geeignet. Mit dem angesehenen Botaniker Carl Wilhelm von Nägeli ( ) führte Mendel einen regen Briefwechsel und für Mendel war es hilfreich, dass der Botaniker Thomas Andrew Knight ( ) bereits die Erbse als geeignetes Versuchsobjekt herangezogen hatte. Charles Naudin ( ) beobachtete bereits vor Mendel bei Kreuzungsexperimenten mit Pflanzen, dass die Pflanzen der 1. Filialgeneration sich ähneln, während die der 2. Filialgeneration deutlich verschiedenartig sind. Doch er wendete keine statistisch-mathematischen Methoden an. So wurde in der Zeit vor Mendel in mancher Hinsicht der Grundstein für die Entdeckung der Erbgesetze gelegt. Erbsen und statistische Methoden führen zu den Vererbungsgesetzen Gregor Mendel arbeitete streng naturwissenschaftlich und führte über einen langen Zeitraum zielgerichtete Experimente durch. Er nahm zwar auch bei anderen Pflanzen wie Bohnen und Mais Kreuzungen vor, aber in erster Linie galt jahrelang sein Augenmerk der Erbsenpflanze. An ihr untersuchte er folgende Merkmale: 1. Samenfarbe (Gelb/Grün) 5. Hülsenfarbe (Grün/Gelb) 2. Samenform (rund/kantig) 6. Blütenstellung (achsenständig/endständig) 3. Samenschale (grau/weiß) 7. Pflanzenhöhe (lang/kurz) 4. Hülsenform (gewölbt/eingeschnürt) Gregor Mendel Mendel ging bei seinen Versuchen konsequent immer von reinerbigen Pflanzen aus. Ihre Reinerbigkeit überprüfte er durch Rückkreuzungen. Für das Versuchsprotokoll führte er Buchstaben ein. Dabei verwendete er bereits Großbuchstaben für Dominanz und Kleinbuchstaben für Rezessivität. Im Gegensatz zu anderen Forschern wendete er statistische Methoden an. Erst eine statistische Auswertung der Versuche machte eine Entdeckung der Gesetzmäßigkeiten möglich. Man schätzt, dass Mendel etwa Erbsenpflanzen, Erbsenblüten und Erbsensamen untersuchte. Aus seinen Beobachtungen schloss er, dass die Erbanlagen in den Körperzellen doppelt (diploid) vorhanden sind, während die Keimzellen die Erbanlagen nur einfach (haploid) enthalten. Auch bei der Auswahl der Saaterbse als Versuchsobjekt hatte Mendel eine glückliche Hand, denn sie eignet sich für Kreuzungsversuche zur Erforschung der Vererbungsregeln besonders gut. So bildet die Pflanze viele Früchte mit Samen aus und hat eine kurze Generationsdauer. Zudem weist sie eine Reihe von Merkmalen auf, die sich gut beobachten und schnell erfassen lassen. Des Weiteren lässt sich die Saaterbse leicht züchten. Sie vermehrt sich durch Selbstbestäubung. Dies ist für die Kreuzungsversuche besonders wichtig, da dadurch während der Versuche eine unerwünschte Fremdbestäubung ausgeschlossen ist. Hinzu kommt, dass alle untersuchten sieben Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden. Später konnte bestätigt werden, dass diese sieben Erbanlagen sich getrennt auf den sieben verschiedenen Chromosomen der Erbse befinden. Zu Lebzeiten Mendels schenkte man seinen Forschungsergebnissen allerdings nur wenig Beachtung. Sie wurden erst um 1900 durch die Wissenschaftler Carl Correns ( ), Hugo de Vries ( ) und Erich von Tschermak ( ) wiederentdeckt.