Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 1/

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1 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 1/ Projekt MendelLab Die klassische Genetik eignet sich als fachübergreifendes Thema für die Fächer Biologie, Mathematik (Stochastik) und Informatik. In der Informatik werden als Vorkenntnisse Grundlagen der objektorientierten Programmierung, Kontrollstrukturen und die Datenstruktur Array und/oder Vector benötigt. 1. Klassische Genetik Zum Einstieg in die Klassische Genetik in Jahrgangsstufe 9 11 ist es empfehlenswert einige Versuche von Mendel selbst durchzuführen, z.b. Kreuzung reinrassiger grün und gelbsamiger Erbsen. Kreuzungsversuche mit der Fruchtfliege (Drosophila), beschrieben im Genetik Buch für die Sekundarstufe II von Schroedel auf S Da solche Experimente zeitaufwändig und schwer durchführbar sind, wurde MendelLab entwickelt. Dies gibt Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit in einem virtuellen Labor zu experimentieren. Die Möglichkeiten des Mendel Labors wurden so gewählt, dass viele der in Schulbüchern beschriebenen Kreuzungsversuche durchgeführt werden können. Folgende Materialien wurden verwendet: Genetik, Materialien für den Sekundarbereich II, Lutz Hafner, Peter Hoff, Schroedel Lernprogramm klassische Genetik bw.de/unterricht/faecher/biologie/dna/01/index01.htm Biologie Kurs: Einführung in die klassische Genetik Genetik und Wahrscheinlichkeitsbäume

2 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 2/ Abbildung 1 Im Menü wird angezeigt, welche Arten gekreuzt werden können. 1. Dominant Rezessiver Erbgang Bei den ersten 3 Arten wird der dominant rezessive Erbgang beobachtet und es werden Erfahrungen zu den 3 Mendelschen Gesetzen gesammelt: Gesetz der Uniformität und Reziprozität Spaltungsgesetz Gesetz der Neukombination 1.1 Eltern Generation

3 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 3/ Abbildung 2 Im Drop down Menü einer Art, hier wird die Erbse gewählt, können die zur Verfügung stehenden Individuen ausgewählt werden. Alle Exemplare im Menü sind reinrassig. Es können monohybride oder dihybride Erbgänge ausgewählt werden. Zur Durchführung des monohybriden Erbgangs werden Erbsen gewählt, die sich nur in der Form oder nur in der Farbe unterscheiden. Zum Experimentieren mit dem dihybriden Erbgang unterscheiden sich die Erbsen in Farbe und Form. Es wird zunächst das 1. Elternteil ausgewählt.

4 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 4/ Abbildung 3 Das ausgewählte Exemplar wird im Abschnitt der Elterngeneration dargestellt. Abbildung 4

5 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 5/ Auf die gleiche Weise wird ein 2. Elternexemplar ausgewählt und dargestellt. 1.2 Erste Tochter Generation Abbildung 5 Anklicken der Schaltfläche Generation erzeugt die erste Tochter Generation. Im Textfeld rechts oben kann die Anzahl der Individuen der zu erzeugenden Generation ausgewählt werden. Voreingestellt ist die Zahl 100. Entsprechend dem 1. Mendelschen Gesetz sind alle 100 Nachkommen uniform. Neben der Schaltfläche Generation steht nun die Zahl 2, da als nächstes die 2. Generation erzeugt wird. 1.3 Zweite Tochter Generation Abbildung 6

6 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 6/ Anklicken der Schaltfläche Generation erzeugt die zweite Tochter Generation. Im Textfeld rechts oben kann wieder die Anzahl der Individuen der zu erzeugenden Generation vor Anklicken der Schaltfläche geändert werden. Neben der Schaltfläche Generation steht jetzt die Zahl 3, da als nächstes die 3. Generation erzeugt wird. Die Individuen der 2. Tochtergeneration sind entsprechend dem Spaltungsgesetz nicht gleichförmig, die Merkmale spalten sich in bestimmten Zahlenverhältnissen auf. Individuen mit gleichem Genotyp werden zusammengefasst. Oberhalb der Abbildung der jeweiligen Individuen mit gleichem Genotyp wird die Häufigkeit des Auftretens angegeben. Da Individuen mit unterschiedlichem Genotyp den gleichen Phänotyp haben können, treten manche Phänotypen mehrfach auf. Entsprechend dem Gesetz der Neukombination treten Merkmalskombinationen auf, die es in der Eltern und 1. Tochter Generation nicht gab. Abbildung 7 Die Tabelle, die gleichzeitig auf dem Bildschirm erscheint, gibt die Anzahl der Individuen zu den verschiedenen Phänotypen an. 1.4 Versuch wiederholen Zur Verifizierung der Mendelschen Regeln reicht ein Experiment nicht aus, es werden viele Versuchsergebnisse benötigt. Abbildung 8 Die Schaltfläche Versuch wiederholen startet ein neues Experiment und erzeugt zu der ausgewählten Elterngeneration die 1. und 2. Tochtergeneration neu. Es kann beobachtet werden, wie sich die Häufigkeiten der Individuen der 2. Generation verändern.

7 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 7/ Abbildung 9 In der Tabelle werden alle Häufigkeiten des Versuchs aufgelistet. In der vorletzten Zeile stehen die absoluten Häufigkeiten für die verschiedenen Erscheinungsbilder (Summe aller Häufigkeiten einer Spalte), in der letzten Zeile die relativen Häufigkeiten. Durch häufige Wiederholungen können Schülerinnen und Schüler die Zahlenverhältnisse des 1. Mendelschen Gesetzes nachprüfen: 3:1 bei monohybridem Erbgang 9:3:3:1 bei dihybridem Erbgang 1.5 Entwicklung über mehrere Generationen Die Schaltfläche Generation bietet die Möglichkeit zu beobachten, wie sich die Individuen über mehrere Generationen weiter entwickeln. In diesem Experiment kreuzen sich die Individuen einer Generation zufällig miteinander. Abbildung 10 Die Individuen einer Generation werden jeweils basierend auf den Häufigkeiten des Auftretens der verschiedenen Genotypen der vorhergehenden Generation ermittelt. Die verschiedenen Merkmalsausbildungen der jeweils folgenden Generation und ihre Häufigkeiten werden im 4. Bereich, unterhalb der 2. Generation angezeigt. Neben der Schaltfläche Generation wird angezeigt, die wievielte Generation beim nächsten Anklicken erzeugt wird.

8 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 8/ Anzeigen des Genotyp Abbildung 11 Die Schaltfläche Genotyp ermöglicht es jederzeit von der Anzeige des Phänotyp auf die Anzeige des Genotyp umzuschalten. Voreinstellung ist die Anzeige des Phänotyp. 1.7 Rückkreuzung Bei echten Experimenten kann nur durch Rückkreuzung auf den Genotyp eines Individuums geschlossen werden. Im Mendel Labor können folgende Rückkreuzungen durchgeführt werden: ein Elternteils wird gekreuzt mit einem Individuum der 2. Generation einem Individuum einer späteren Generation einem Individuum, das aus einer Rückkreuzung hervorgegangen ist Abbildung 12 Zur Druchführung der Rückkreuzung wird das gewünschte Individuum aus dem Bereich der 2. Generation oder dem Bereich nächste Generation/Rückkreuzung angeklickt. Anschließend geht ein

9 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 9/ Fenster auf, in dem ein Elternteil ausgewählt wird. Abbildung 13 Im unteren Bereich sind jetzt die verschiedenen Merkmalsausbildungen der Individuen, die aus der Rückkreuzung entstanden sind, zu sehen. 1.8 Neuer Versuch Die Schaltfläche Neuer Versuch startet einen neuen Versuch. Alle Informationen aus vorhergehenden Experimenten werden gelöscht. Lediglich die vorher erzeugten Tabellen bleiben auf dem Bildschirm. 2. Intermediärer Erbgang Zu diesen Experimenten stehen die Arten Nelke und Huhn zur Verfügung.

10 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 10/ Abbildung 14 Auswahl einer roten und einer weißen Nelke als Eltern und Erzeugung der 1. und 2. Generation. Die Ergebnisse der Versuchswiederholungen werden wieder in der Tabelle dargestellt. Das nach dem 1. Mendelschen Gesetz erwartete Ergebnis 1:2:1 kann nach Durchführung vieler Experimente bestätigt werden. Alle Experimente des dominant rezessiven Erbgangs können auch im intermediären Erbgang durchgeführt werden. 3. Drosophila Abbildung 15 Die Fruchtfliege ist für genetische Versuche besonders gut geeignet und wird deswegen in allen Lehrmaterialien zur klassischen Genetik erwähnt.

11 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 11/ Abbildung 16 Hier sind die Eltern nicht mehr frei wählbar, wie in den ersten Versuchen. Es können nur spezielle Eltern Kombinationen gewählt werden. An den Kreuzungsbeispielen: Wildtyp mit Einfachmutante mit ebenholzfarbenem Körper stummelfügelige Einfachmutante stummelflügelige Dreifachmutante mit hellroten Augen und schwarzem Körper können die Mendelschen Gesetze an dominant rezessiven, monohybriden Erbgängen überprüft werden. Abbildung 17 Das Beispiel der Dreifachmutante veranschaulicht die Genkopplung. 3.1 X chromosomale Vererbung

12 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 12/ Abbildung 18 Abbildung 19 Das Allel für weiße Augen liegt auf dem X Chromosom. Deswegen unterscheiden sich die Individuen der 1. Generation, je nachdem ob ein weißäugiges Weibchen mit einem Männchen des Wildtyps oder ein weißäugiges Männchen mit einem Weibchen des Wildtyps gekreuzt wird.

13 Mendel Labor, Euregio Kolleg, Würselen 13/ Abbildung 20 Mit der Kreuzung von weißäugigen Weibchen oder Männchen mit Einfach Mutanten auf einem weiteren Chromosom kann die X chromosomale Vererbung vertieft werden. Als weitere X chromosomale Vererbung steht die Rotgrün Schwäche beim Menschen zur Verfügung.