BIOLOGIE Kursstufe 2stündig

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1 BIOLOGIE Kursstufe 2stündig GRUNDLEGENDE BIOLOGISCHE PRINZIPIEN die folgenden grundlegenden Prinzipien zur Analyse und Erklärung der beobachteten biologischen Phänomene anwenden. Sie sind Grundlage zum Verständnis und Hilfe zur Strukturierung der in den Leitthemen genannten Sachverhalte. Struktur und Funktion (SF): Bei allen biologischen Strukturen ist der Zusammenhang zwischen Bau und Funktion zu erkennen. Beispiele hier: Moleküle, Zellen und Organe eines Lebewesens. Zelluläre Organisation (Z): Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Zellen müssen aus energetischen Gründen gegen die Außenwelt abgetrennt sein, aber mit dieser in Stoff- und Energieaustausch stehen. Spezifische Molekülinteraktion (M): Schlüssel-Schloss-Interaktionen erzielen spezifische Wirkungen. Energieumwandlung (E): Lebewesen sind offene Systeme; sie sind gebunden an Stoff- und Energieumwandlungen. Information und Kommunikation (IK): Aufnahme, Verarbeitung und Speicherung von Informationen ermöglichen Kommunikation zwischen Lebewesen und innerhalb eines Lebewesens. Reproduktion (R): Lebewesen pflanzen sich fort und geben die Erbinformation nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten an ihre Nachkommen weiter. Variabilität (V): Einheitlichkeit und Vielfalt von Lebewesen sind das Ergebnis der Evolution der Lebewesen. Angepasstheit (A): Lebewesen sind bezüglich Bau und Funktion an ihre Umwelt angepasst..

2 BIOLOGIE Kursstufe 2stündig Kompetenzen und Inhalte des Bildungsplans Unterrichtsinhalte mit Hinweisen zur möglichen Vertiefung 1a. Von der Zelle zum Organ: Zelle und Stoffwechsel die Zelle als Grundbaustein des Lebens und als geordnetes System beschreiben; Kennzeichen des Lebens SF, Z, E, IK, R, V, A; Zelltheorie und Prinzip der zellulären Organisation Z Funktionseinheit Zelle Wdh. bekannter Zellorganellen (LM-Bild, Pflanze und Tier) Z, SF, V, A; evtl. Vergleich Protocyte/Eucyte; Abgrenzung Virus die Bedeutung der Kompartimentierung der Zelle erklären und den Zusammenhang zwischen Bau und Funktion bei folgenden Zellorganellen erläutern: Zellkern, Mitochondrium, Chloroplast, Endoplasmatisches Reticulum, Ribosom erläutern, dass Zellen offene Systeme sind, die mit der Umwelt Stoffe und Energie austauschen; anhand eines Modells den Aufbau und die Eigenschaften der Biomembran beschreiben; Struktur und Funktion der Zellorganellen Z, SF, A; Zusammenhang: Ausstattung der Zelle mit Zellorganellen und ihrer Funktion, Vertiefung mit EM-Bildern (Z, SF, (V, A) Bedeutung der Kompartimentierung Stoff- und Energieaufnahme und -abgabe, z. B. bei Fotosynthese und Zellatmung (Anknüpfung an Kl. 9/10) Notwendigkeit der Kontrolle von Aufnahme und Abgabe Z, E, IK, A Bau und Funktion der Biomembran; Kompartimentierung; Flüssig-Mosaik-Modell SF, Z, M, (A) die Bedeutung der Zellmembran für den geregelten Stofftransport erläutern. Membranfluss SF, M, IK, A Passiver und aktiver Transport, SF, M, IK, A z. B. anhand der Glucose-Aufnahme im Dünndarm

3 1b. Von der Zelle zum Organ: Moleküle des Lebens beschreiben, dass das Leben auf Strukturen und Vorgängen auf der Ebene der Makromoleküle beruht; die Bedeutung der Proteine als Struktur- und Funktionsmoleküle des Lebens erläutern; das Funktionsprinzip eines Enzyms und eines Rezeptors über Schlüssel-Schloss- Mechanismen erläutern. Überblick: Biomoleküle; Einordnung der Systemebene der Moleküle, z. B. Biomembran, Verdauung M (E, IK) Funktionen von Proteinen SF, M, E, IK Aufbau von Proteinen (Primär, Sekundär-, Tertiär-, Quartärstruktur) Bedeutung der räumlichen Struktur M, SF Enzyme als Biokatalysatoren Enzym-Substrat-Komplex; aktives Zentrum Substratspezifität (Schlüssel-Schloss-Mechanismus) Wirkungsspezifität SF, M Funktionsweisen von Enzymen (Ligase, Hydrolase ) 1c. Von der Zelle zum Organ: Grundlagen der Vererbung ein Experiment zur Isolierung von DNA durchführen; die Doppelhelix-Struktur der DNA über ein Modell beschreiben und erläutern, wie in Nukleinsäuren die Erbinformation kodiert ist; Praktikum: Extraktion von DNA aus Gemüse oder Obst Anforderungen an ein Molekül zur Eignung als Erbsubstanz; evtl. Transformationsversuche von GRIFFITH und AVERY SF, V Aufbau der DNA (wissenschaftshistorisch) SF; Bestandteile eines Nukleotids; Unterscheidung DNA, Chromosom, Chromatin, Histon SF Modellbildung von WATSON & CRICK

4 den Weg von den Genen zu den Proteinen (Proteinsynthese) und von den Proteinen zu den Merkmalen von Lebewesen (Biosyntheseketten) erläutern. Vom Gen zum Merkmal SF, M, (V) Überblick: DNA, Transkription, mrna, Translation, Peptid Grundlegende Begriffe: Gen, Genotyp, Phänotyp, Genom Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese, z. B. Sichelzellanämie Genwirkkette (z. B. Neurospora crassa-experimente, Blütenfarbstoff, Marfansyndrom) Transkription SF, M, Vergleich DNA-RNA Genetischer Code IK, (V): Triplettcode; Codon; Code-Sonne evtl. Entdeckung des genetischen Codes: Schlüsselexperimente von NIRENBERG & LEDER & KHORANA Translation SF, M, IK, (V): trna (Bau, Anticodon, Beladung), Ablauf erklären evtl. Mutationen, Mutationstypen, Auswirkungen von Mutationen (z. B. Sichelzellanämie) 2a. Aufnahme, Weitergabe und Verarbeitung von Informationen: Neurobiologie den Bau einer Nervenzelle erläutern; das Prinzip der elektrischen und stofflichen Informationsübertragung und die daran beteiligten Membranvorgänge am Beispiel der Nervenzellen beschreiben (Ruhepotenzial, Aktionspotenzial, Synapse); Reiz-Reaktions-Modell; ZNS, PNS SF, M, IK Bau und Funktion der Nervenzelle (Neuron) SF, Z, IK Ruhepotenzial SF, M, (E): Messung; Entstehung (Ionenverteilung); Membranpotenzial; Leckströme und Natrium- Kalium-Pumpe Aktionspotenzial SF, M, (E), (IK): Messung & Ableitungsbild; Reiz und Erregung (Depolarisation); Reizschwelle und Allesoder-Nichts-Regel; Ionentheorie; Bedeutung der Natrium-Kalium-Pumpe; Refraktärzeit

5 Ausbreitung von Erregungen M, (E), SF, IK: Über- und unterschwelliges Reizen; Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung; Fortleitungsgeschwindigkeit Codierung IK, SF: Rezeptorpotenzial; Reizstärke u. Signalcodierung, AM/FM, Bedeutung die Verrechnung erregender und hemmender Signale als Prinzip der Verarbeitung von Informationen im Zentralnervensystem beschreiben; Synapse SF, M, Z, IK: Bau einer chemischen Synapse; Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse; Erregung der postsynaptischen Zelle; Codewechsel u. Verzögerung; Motorische Endplatte (neuromuskuläre Synapse); Synapsengifte SF, IK, W Verschaltung von Nervenzellen SF, M, IK: Erregende und hemmende Synapsen, EPSP und IPSP; Präsynaptische Hemmung; Räumliche u. zeitliche Summation die Vorgänge bei der Reizaufnahme an einer Sinneszelle (Rezeptorpotenzial) und der Transformation in elektrische Impulse an einem selbst gewählten Beispiel erläutern (keine detaillierte Betrachtung der Ionenbewegungen); die Notwendigkeit der Regulation des Zusammenspiels der Zellen und Organe eines Organismus am Beispiel des Nervensystems erläutern; Bau und Funktion von Sinneszellen: Fotorezeptor, Chemorezeptor, Mechanorezeptor SF, Z, M, IK Aufbau ZNS: Rückenmark und Gehirn SF, Z, IK evtl. Gehirnteile und ihre Funktionen evtl. Reflexe evtl. an einem oder mehreren Beispielen für die Gehirntätigkeit SF, IK z. B. Sehen und Erkennen Lesen, Verstehen, Aussprechen (WERNICKE-Areal, Gyrus angularis, BROCA-Areal) Gedächtnis und Lernen 3. Evolution und Ökosysteme

6 die bei der Begehung eines Lebensraums konkret erlebte Vielfalt systematisch ordnen; Artenerfassung und Bestimmungsübungen in einem Ökosystem(-ausschnitt), z. B. Wiese, Bach, See, Hecke oder Wald V, A an ausgewählten Gruppen des Tier- und Pflanzenreiches systematische Ordnungskriterien ableiten und die Nomenklatur anwenden; die historischen Evolutionstheorien von Lamarck und Darwin als ihrer Zeit gemäße Theorien interpretieren und sie vergleichend aus heutiger Sicht beurteilen; die biologische Evolution, die Entstehung der Vielfalt und Variabilität auf der Erde auf Molekül-, Organismen- und Populationsebene erklären; die Bedeutung der sexuellen Fortpflanzung für die Evolution erläutern; Ordnung in der Vielfalt V, A Ordnungskriterien im Hinblick auf Verwandtschaft definieren Artbegriff (morphologisch und biologisch) Binäre Nomenklatur und Systematik Evolutionstheorien von DARWIN UND LAMARCK; beide Theorien im Vergleich V, A, R Synthetische Evolutionstheorie evtl. Evolution vs. Kreationismus (auch in Kooperation mit Religion oder Ethik möglich) Ursachen der Vielfalt und Variabilität SF, (IK), R, V, A Mutation (evtl. in Verbindung mit DNA-Hybridisierung, Präzipitintest oder Sequenzanalysen von Proteinen) Rekombination Selektion Separation und Isolation Adaptive Radiation evtl. Koevolution evtl. Befunde aus der vergleichenden Anatomie SF, R, V, A z. B. Homologie und Analogie an verschiedenen Beispielen (z. B. Wirbeltierextremitäten) Rudimente und Atavismen Brückenformen, z. B. Archaeopteryx, Ichthyostega, Cynognathus, Rhynia Lebende Fossilien: z. B. Lungenfisch, Latimeria, Schnabeltier, Ginkgo evtl. Erstellen eines Stammbaums V, A Ordnungskriterien und Artbegriff

7 Monophyletische Gruppe den Menschen in das natürliche System einordnen und seine Besonderheiten in Bezug auf die biologische und kulturelle Evolution herausstellen. Evolution des Menschen SF, R, IK, R, V, A Anatomischer Vergleich Mensch - Menschenaffe Primatenstammbaum: Wichtige Funde und ihre Einordnung Faktoren der Menschwerdung anhand eines oder mehrere Beispiele: Aufrechter Gang, Gehirn, Sozialverhalten, Kommunikation, Tradition, Kulturelle Evolution 4. Angewandte Biologie die experimentellen Verfahrensschritte (Isolierung, Vervielfältigung und Transfer eines Gens, Selektion von transgenen Zellen) der genetischen Manipulation von Lebewesen an einem konkreten Beispiel beschreiben und erklären; das Prinzip der Gendiagnostik an einem Beispiel erläutern; geschlechtliche und ungeschlechtliche Fortpflanzung (Klonen) gegeneinander abgrenzen; embryonale und differenzierte Zellen vergleichen und die Bedeutung der Verwendung von embryonalen und adulten Stammzellen erläutern; Herstellung rekombinanter Zellen, z. B. für Insulinherstellung SF, M Gentransfer über Vektoren (z. B. Ti-Plasmid von Agrobacterium tumefaciens, Particle gun, Liposomen, Elektroporation, Mikroinjektion) Isolierung, Schneiden durch Restriktionsenzyme, Ligasen, Rekombination mit Plasmiden, Selektion, großtechnische Vermehrung, Extraktion evtl. Natürlicher Gentransfer: Transformation, Konjugation, Transduktion IK, V, (R) evtl. Wdh. Bau und Vermehrung Bakterien und Viren Gentest (z. B. Brustkrebsgen) M PCR-Verfahren zur DNA-Vervielfältigung Restriktionsverdau Gelelektrophorese-Verfahren zur Auftrennung von DNA-Fragmenten evtl. Genetischer Fingerabdruck (z. B. für Vaterschaftsnachweis bzw. Kriminalistik) M, V evtl. HUGO und DNA-Sequenzierung nach SANGER & COULSON M, V Beispiele für ungeschlechtliche und geschlechtliche Fortpflanzung (Pflanzen und Tiere): Keimzellen, Befruchtung, Bedeutung von Mitose und Meiose, Bedeutung der Sexualität R, (IK), V, (A) Determinierung; Differenzierung; Toti-, Pluri- Multipotenz Z, V

8 die Bedeutung gentechnologischer Methoden in der Grundlagenforschung, in der Medizin und in der Landwirtschaft erläutern Die Schülerinnen und Schüler setzen sich mit der ethischen Dimension der gentechnischen Methoden und der Reproduktionsbiologie auseinander. Möglichkeiten der modernen Biotechnologie anhand von verschiedenen Beispielen SF, M, R, V, A Lebensmittel (Anti-Matsch-Tomate, Goldener Reis, Amflora-Kartoffel); Futtermittel (Mais, Soja) Gentherapie (somatische; Keimbahn); Medizinische Diagnostik und Therapie (Medikamentenherstellung) Klonen bei Säugetieren (Dolly) Stammzellenforschung, Embryonenschutzgesetz