Inhalt und Einsatz im Unterricht

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2 Inhalt und Einsatz im Unterricht "Evolution II Molekularbiologische Forschung" (Biologie Sek. II) Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "Evolution" für die Sekundarstufe II. Im DVD-Hauptmenü finden Sie insgesamt 4 Filme: Präzipitin-Test 7:20 min Aminosäure-Sequenzanalyse 7:20 min DNA-Sequenzanalyse 9:00 min Stammbäume 11:00 min (+ Grafikmenü mit 15 Farbgrafiken) Die Filme erklären mithilfe aufwändiger und impressiver 3D-Computeranimationen Methoden der molekularbiologischen Forschung in der Evolution. Die ersten drei Filme stellen verschiedene Verfahren zur Analyse der (genetischen) Verwandtschaft zwischen Arten vor: Mit dem Präzipitin-Test konnte man Verwandtschaftsgrade anhand von vergleichenden Blutserumtests ermitteln. Mit der Aminosäure-Sequenzanalyse stand die erste automatisierbare Untersuchungsmethode für Körperproteine zur Verfügung (z.b. Cytochrom c). Die DNA-Sequenzanalyse konnte schließlich den genetischen Basencode von Körperproteinen analysieren und auf dieser Basis exakte, genetische Verwandtschaftsgrade bestimmen. Der vierte Film zeigt dann, wie man auf dieser genetischen Datenbasis Stammbäume von Arten und Artengruppen erstellen kann. Die Inhalte der Filme sind stets altersstufen- und lehrplangerecht aufbereitet. Die vier Filme bauen inhaltlich aufeinander auf und erklären die Verfahrensfortschritte der molekularbiologischen Forschung in der Evolution (vom Präzipitin- Test bis zum modernen Ketten-Abbruch-Verfahren nach Sanger). Die o.g. Reihenfolge empfiehlt sich daher für den Unterrichtseinsatz. Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen finden Sie auf dieser DVD: 15 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs) 10 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich) Im GIDA-Testcenter (auf finden Sie auch zu dieser DVD interaktive und selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sie online bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichern und offline bearbeiten, ausdrucken etc. 2

3 Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVD Über den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie die Dateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM". In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei index.html Wenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einem Menü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterial der DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken und DVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.). Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sich automatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie den Adobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich der Kerninhalte der DVD. Einige Arbeitsblätter sind am PC elektronisch ausfüllbar, soweit die Arbeitsblattstruktur und die Aufgabenstellung dies erlauben. Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie auch einzelne oder alle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen. Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD: Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek.I + II) Unser Dank für die Unterstützung unserer Produktion geht an: POND5 Inhaltsverzeichnis Seite: DVD-Inhalt Strukturdiagramm 4 Die Filme Präzipitin-Test 5 Aminosäure-Sequenzanalyse 6 DNA-Sequenzanalyse 8 Stammbäume 10 3

4 DVD-Inhalt Strukturdiagramm Hauptmenü Filme Präzipitin-Test Aminosäure-Sequenzanalyse DNA-Sequenzanalyse Stammbäume Theorie (Modul) Wirbeltiere (Modul) Erstellung (Modul) Menü Grafiken Grafiken Blutserum, Bestandteile Präzipitin-Test Proteinstruktur Aminosäure-Sequenzanalyse DNA-Schmelztemperatur DNA-Hybridisierungstest DNA-Sequenzanalyse Aminosäuresequenz - DNA-Sequenz Stammbaum Kladogramm Stammbaum-Diagramme Monophylum Analogie - Homologie Stammbaum Wirbeltiere Parsimonie 4

5 Präzipitin-Test Laufzeit: 7:20 min, 2016 Lernziele: - Den Ablauf eines Präzipitin-Tests kennenlernen und verstehen; - Eine Stammbaumerstellung im Prinzip nachvollziehen können. Inhalt: Der Film führt in das zentrale Thema dieser DVD zur Evolutionsforschung ein: Die Ermittlung von Artverwandtschaften. Das älteste und einfachste Verfahren zur Bestimmung des Verwandtschaftsgrades, der Präzipitin-Test, wird vorgestellt. Von den Bestandteilen des Blutes über die Gewinnung von Blutserum bis hin zur Bildung des Präzipitats wird das Verfahren ausführlich erklärt. Der Zusammenhang zwischen dem Präzipitations- Prozentsatz und dem Verwandtschaftsgrad der einzelnen Arten wird erläutert. Als Beispiel wird der Grad der Verwandtschaft von Mensch und Schimpanse genannt. Zum Schluss wird noch darauf hingewiesen, dass man beim Präzipitin-Test ausschließlich eine Artverwandtschaft und keine persönlichen Verwandtschaftsgrade feststellen kann. * * * 5

6 Aminosäure-Sequenzanalyse Laufzeit: 7:20 min, 2016 Lernziele: - Die Aminosäure-Sequenzanalyse kennenlernen und verstehen. Inhalt: Dieser Film stellt den Aufbau von Proteinen vor und erklärt das Konstruktionsprinzip von Quartär-, Tertiär-, Sekundär- und Primärstruktur. Dann erläutert der Film detailliert die Aminosäure-Sequenzanalyse des schwedischen Biochemikers Pehr Victor Edman. Der chemisch-physikalische Ablauf des sogenannten Edman-Abbaus wird hierbei mit einem knappen chemischen Exkurs erläutert (sequenzielle Abspaltung einzelner Aminosäuren durch PTH, dann deren Identifikation). 6

7 Anschließend wird das Cytochrom c des Menschen, ein wichtiges Enzym der Atmungskette, genauer analysiert. Beispielhaft werden dann die Aminosäuren 1-30 des Cytochrom-c-Moleküls verschiedener Arten verglichen. Auf Basis solcher Vergleiche von Aminosäure-Sequenzen kann man die Verwandtschaft einzelner Arten feststellen. Im weiteren Verlauf wird gezeigt, dass das Cytochrom c von Mensch und Schimpanse keinen Unterschied aufweist. Der Film erläutert abschließend, dass das Verfahren der Aminosäure-Sequenzanalyse die feinen Unterschiede im genetischen Code von Affe und Mensch nicht aufspüren kann. Mit Hilfe einer Code- Sonne werden die Aminosäure-Codierungen durch RNA-Tripletts dargestellt und gezeigt, dass eine Codierungsunschärfe bei der Aminosäuresequenz besteht. Hier erfolgt der Ausblick auf den nächsten Film, der das letztlich exakte Verfahren der DNA-Sequenzanalyse behandelt. * * * 7

8 DNA-Sequenzanalyse Laufzeit: 9:00 min, 2016 Lernziele: - Das Verfahren der DNA-Sequenzanalyse kennenlernen und verstehen. Inhalt: Dieser Film stellt verschiedene Typen der DNA-Sequenzanalyse vor, mit denen man (unterschiedlich exakt) der genetischen Artverwandtschaft unmittelbar auf den Grund gehen kann. Beim ältesten Verfahren, der DNA-Hybridisierung, werden DNA-Stränge in wässriger Lösung erhitzt und getrennt (Denaturierung), um später Einzelstränge verschiedener Herkunft wieder zusammenzufügen (Hybridisierung). Dieser Vorgang wird ausführlich in allen Schritten erklärt. Anschließend skizziert der Film das Ketten-Abbruch-Verfahren nach Frederick Sanger. Die wesentlichen Schritte werden in diesem Film ausführlich beschrieben, auch die unterschiedlichen Auftrennungsverfahren (Gel- und Kapillarelektrophorese). 8

9 Ergebnis ist die Detektion der kompletten DNA-Sequenz. Modernste Geräte erlauben komplett automatisierte und minutenschnelle Sequenzanalyse auch großer DNA-Mengen. Abschließend folgt ein kurzer Rückblick auf die Cytochrom-c-Aminosäuresequenzen von Mensch und Schimpanse aus dem vorherigen Film. Nach erfolgter DNA-Sequenzanalyse zeigen sich im Detail kleine Unterschiede in den Basentripletts (fiktives Beispiel). * * * 9

10 Stammbäume Laufzeit: 11:00 min, 2016 Lernziele: - Fachbegriffe wie Phylogenese, Phylogenetik, phylogenetische Bäume, Dendrogramm, Kladogramm, monophyletische Gruppe kennenlernen; - Den Stammbaum der Wirbeltiere mit der Entwicklung wesentlicher Merkmale kennenlernen; - Eine Stammbaumerstellung nach dem Prinzip der Parsimonie nachvollziehen können. Inhalt: Der Film erklärt zunächst einige Fachbegriffe wie die Phylogenese (stammbaumgeschichtliche Entwicklung der Lebewesen), die Phylogenetik (befasst sich mit der Erforschung der Phylogenese) und den phylogenetischen Baum oder auch Dendrogramm genannt (Stammbaum). Es wird erklärt, dass ein Stammbaum immer den Verwandtschaftsgrad zwischen Arten und Artgruppen aufzeigt und zusätzlich den erdgeschichtlichen Zeitraum ihrer Existenz abbildet. Im weiteren Verlauf des Films wird eine spezielle Art Stammbaum genauer beleuchtet: Das Kladogramm. Es handelt sich hierbei um einen rein systematischen Stammbaum. Die beiden möglichen Arten der Darstellung für Aufspaltung und Verzweigung werden aufgezeigt. 10

11 Anschließend wird exemplarisch der Stammbaum der Wirbeltiere entwickelt. Da bei sehr ähnlichen Arten die morphologischen Unterschiede irgendwann nicht mehr deutlich genug sind, muss auch hier die DNA-Sequenzanalyse ansetzen. Am Beispiel von 4 Lemurenarten auf Madagaskar wird deren Verwandtschaftsgrad untersucht. Eine beispielhafte Basensequenztabelle und drei hypothetische Stammbaum-Entwürfe werden schrittweise und gut nachvollziehbar analysiert. Nach dem Prinzip der Parsimonie, der Sparsamkeit, ist der Stammbaum mit den wenigsten Mutationen der plausibelste. Denn er kommt mit nur 5 Mutationen zum Ziel, während die beiden Alternativen 6 Mutationen benötigen. * * * 11

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