Clevere Abwehrstrategen Didaktische Hinweise

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1 1. Thematischer Hintergrund Giftstachel, ein kräftiges Gebiss oder mit scharfen Krallen besetzte Pfoten dies sind nur einige der Hilfsmittel mit denen sich Tiere vor Feinden schützen. Doch nicht nur Löwe, Alligator & Co. besitzen solche Abwehrwaffen, auch im Reich der Pflanzen haben Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten viele wirksame Verteidigungsstrategien entdeckt. Neben Dornen und Stacheln sind es meist chemische Substanzen, die Pflanzen wie eine Art äußeres oder inneres Schutzschild benutzen, um Raupen oder andere Schadorganismen abzuschrecken oder wieder los zu werden. Stark klebende Milchsäfte und Drüsenhaare gehören genauso dazu wie Nikotin oder Salicylsäure. Letztere wirken als starke Gifte oder kurbeln die natürliche Immunabwehr der Pflanzen gegen Mikroorganismen an. Welche Methoden im Rahmen der Verteidigung zum Einsatz kommen, variiert von Pflanze zu Pflanze erheblich. Dass Pflanzen bei der Abwehr von Insekten mit einer verstärkten Bildung von chemischen Abwehrstoffen reagieren oder mithilfe von Duftsignalen über die Luft die Feinde ihrer Feinde alarmieren, ist nicht nur für Ökologen interessant. Ein besseres Verständnis der den Verteidigungsstrategien zugrunde liegenden Prozesse könnte auch den Pflanzenschutz in der Landwirtschaft verbessern. Wissenschaftler haben sich daher zum Ziel gesetzt, diese komplexen Signalketten zu entschlüsseln und die Gene, die an der Synthese, Speicherung, Erkennung und am Stoffwechsel chemischer Signalmoleküle beteiligt sind, zu identifizieren. 2. Thema der Stunde Clevere Abwehrstrategen wie Pflanzen ihre Schädlinge austricksen 3. Lernziele Die Schüler sollen... erkennen, dass sich Pflanzen mithilfe von chemischen Substanzen ober- und unterirdisch gegen Fressfeinde wehren können; die Prinzipien der direkten und indirekten Abwehr als Verteidigungsstrategien von Pflanzen selbstständig erarbeiten; entdecken, wie die Tabakpflanze auf einen Schädlingsbefall reagiert und die dabei ablaufenden chemischen Prozesse und Veränderungen verstehen und analysieren; erkennen, dass die von Pflanzen als Verteidigung eingesetzten Duftsignale hochspezifisch sind und ihre Zusammensetzung von der Art des Schädlingsbefalls abhängt; ihre Fähigkeiten und Fertigkeiten bei der Auswertung von biologischen Versuchen und Experimenten sowie beim kooperativen Lernen verbessern.

2 4. Didaktisch-methodische Entscheidungen zur Unterrichtsstunde Die Unterrichtseinheit Clevere Abwehrstrategen wie Pflanzen ihre Schädlinge austricksen ist im Rahmen einer längeren Unterrichtsreihe zur Ökologie einsetzbar. Besonders geeignet erscheint das Themenfeld Populationsdynamik bzw. Räuber- Beute Beziehung. Bevor der geplante Unterricht durchgeführt werden kann, müssen grundlegende Prinzipien der Wechselbeziehungen zwischen Tieren bzw. Pflanzen und ihrer Umwelt (Einfluss biotischer und abiotischer Faktoren und Populationswachstum) bereits besprochen sein. Die Schüler sollten zudem mit Begriffen wie ökologische Nische oder Konvergenz sicher umgehen können. Im Anschluss an den vorgelegten Unterricht sollten ergänzende Inhalte wie Unterirdische Lockmittel für nützliche Würmer (siehe Hausaufgabe) oder Genschalter für Duftsignale in den Unterricht einfließen. Zudem ist es sinnvoll, potenzielle Anwendungsmöglichkeiten der natürlichen chemischen Verteidigungsstrategien von Pflanzen im Gartenbau oder in der Landwirtschaft aufzuzeigen. Alternative Verwendung der vorgelegten Unterrichtsstunde: Das Thema Clevere Abwehrstrategen wie Pflanzen ihre Schädlinge austricksen könnte gegebenenfalls auch Teil einer Unterrichtssequenz sein mit dem Titel Pflanzenhormone Chemische Botenstoffe steuern Wachstum und Entwicklung. Vor der geplanten Einheit müssen zunächst die grundlegenden Wirkprinzipien von Pflanzenhormonen wie Auxinen (fördern das Streckenwachstum), Gibberellinen (unterstützen Keimung oder Blütenbildung) und Cytokininen (regen unter anderem Zellteilungen an) im Kurs oder in der Klasse besprochen werden. Der vorgelegte Unterricht zu den Verteidigungsstrategien der Pflanzen würde dann beispielhaft ein ganz besonders spannendes und anschauliches ökologisches Phänomen vorstellen, an dem Pflanzenhormone (beispielsweise Ethylen, Jasmonsäure) entscheidend beteiligt sind. Herausfordernder und motivierender Unterrichtseinstieg: Viele Abwehrmöglichkeiten von Tieren sind den meisten Schülern bereits aus dem Unterricht der Sekundarstufe I (oder dem Alltag) bestens bekannt. Anders sieht dies in der Regel bei den Verteidigungsstrategien im Pflanzenreich aus. Das liegt unter anderem daran, dass Wissenschaftler erst in den letzten Jahren viele dieser außergewöhnlichen Varianten aufgespürt haben. Die vorgelegte Unterrichtsstunde Clevere Abwehrstrategen wie Pflanzen ihre Schädlinge austricksen greift diese aktuellen Forschungsergebnisse auf und gibt den Schülern einen spannenden Einblick in ein aktuelles, ihnen aber bisher weitgehend unbekanntes Wissenschaftsgebiet. Für die Erarbeitung im Unterricht wurden nach Möglichkeit solche Phänomene ausgewählt, die sowohl spannend als auch anschaulich zu vermitteln sind. Dies soll eine hohe Motivation der Schüler während des gesamten Unterrichtsprozesses sichern. Um den Einstieg in den Unterricht zudem möglichst interessant und herausfordernd zu gestalten, werden die Schüler mithilfe von verschiedenen Objekten (Lehrer präsentiert abwechselnd Modelle von verschiedenen wehrhaften Tieren und im Gegensatz dazu eine Pflanze), zwischen denen auf den ersten Blick kein direkter Zusammenhang besteht, an das Thema herangeführt. Die Schüler sollen dann zunächst spontan Kommentare und Meinungen zu den vorgestellten Gegenständen abgeben und anschließend (wenn nötig angestoßen durch verbale und nonverbale Lehrerimpulse) zu der Vermutung/Erkenntnis

3 kommen, dass auch Pflanzen in der Lage sind sich gegen Feinde zur Wehr zu setzen. Es geht in dieser Phase aber auch darum, auf der Basis möglicherweise bereits vorhandenen Schülerwissens einzelne Verteidigungsstrategien von Pflanzen zu benennen bzw. kurz zu beschreiben. Dabei werden vermutlich in erster Linie pflanzliche Waffen wie Dornen und Stacheln oder ähnliches genannt. Der Lehrer sollte deshalb einen Impuls ( Denken Sie auch mal an Tollkirsche oder Eisenhut. ) parat haben, um die Gedanken der Schüler auch auf die chemischen Abwehrstrategien der Pflanzen zu lenken. Auswerten wissenschaftlicher Experimente und Wissenszugewinn: Im weiteren Verlauf des Unterrichts steht dann sowohl in den Erarbeitungsphasen als auch bei der Hausaufgabe der Wissenszugewinn im Vordergrund. Dabei sollen die Schüler mithilfe von Arbeitsblättern und den dazu gehörigen Begleitinformationen möglichst selbstständig wissenschaftliche Experimente nachvollziehen und reflektieren. Sie werden durch die Arbeitsaufgaben aber auch dazu angehalten, die Ergebnisse der Versuche zu bewerten und daraus Rückschlüsse auf die zu Grunde liegenden biologischen Prinzipien zu ziehen. Übergeordnetes Ziel ist es, die fachliche Methodenkompetenz der Schüler zu stärken. Um den Unterricht aufzulockern und den Lerneifer der Schüler weiter zu fördern, werden gezielt abwechslungsreiche Elemente wie das Lösen eines Kreuzworträtsels mithilfe der Arbeitsmaterialien in den Unterricht integriert. 5. Anbindung an die Richtlinien/Zielgruppe Konzipiert ist die geplante Unterrichtsstunde für einen Einsatz in der gymnasialen Oberstufe. Aufgrund des spannenden Themas ist gegebenenfalls aber auch die Verwendung in den Klassenstufen 9 und 10 des Gymnasiums und der Realschule sinnvoll. Allerdings müssen dabei die Arbeitsaufgaben modifiziert und an den Wissenstand der Schüler in der Sekundarstufe I angepasst werden. Zudem sind Schwierigkeitsgrad und Umfang der Begleitinformationen 1 und 2 zu reduzieren (z.b. durch gesonderte Erläuterung der dort erwähnten Fachbegriffe). Der Zeitbedarf beträgt 90 Minuten (2 UE). Stehen nur Einzelstunden zur Verfügung, sollte die schulische Auseinandersetzung mit dem Thema nach der ersten Erarbeitungsphase und dem anschließenden Zusammentragen und Sichern der Ergebnisse zunächst beendet werden. Das Arbeitsblatt 2 und die Begleitinformationen 2 könnten dann im Rahmen der Hausaufgabe zum Einsatz kommen. In der nächsten Unterrichtsstunde geht es dann mit der Besprechung der Resultate der selbstständigen Schülerarbeit weiter. Sind genügend Internetplätze vorhanden, wird der Unterricht anschließend mit dem Aspekt Unterirdische Lockmittel für nützliche Würmer fortgesetzt. Ist eine Arbeit im Internet nicht möglich, müsste der Lehrer aus den Inhalten der Pressemitteilung ein Arbeitsblatt zusammenstellen, das in dieser Unterrichtsphase verwendet werden kann ( Lehrplankonformität Anknüpfungspunkte für den Einsatz der vorgelegten Stunde bzw. der Unterrichtsreihe in der Schule finden sich in (fast) allen Lehrplänen der Bundesländer:

4 Beispiel Nordrhein-Westfalen: Die Richtlinien NRW für das Fach Biologie sehen in der gymnasialen Oberstufe in der Jahrgangsstufe 12/13 das Thema Steuerungs- und Regulationsmechanismen und dabei Hormone als Wahlbeispiel vor. Die Schüler sollen unter anderem wie in der vorgelegten Unterrichtssequenz vorgesehen Experimente mit Phytohormonen kennenlernen und auch den Einsatz von Hormonen in der Pflanzenzucht erarbeiten und diskutieren. Beispiel Sachsen: Im sächsischen Lehrplan für die gymnasiale Oberstufe geht es in der Jahrgangsstufe 11 im Grundkurs Ökologie unter anderem um die chemische und biologische Schädlingsbekämpfung und den integrierten Pflanzenschutz. Die vorgelegte Unterrichtsstunde / -sequenz stellt anhand der chemischen Verteidigungsstrategien von Pflanzen beispielhaft alternative Möglichkeiten der Feindabwehr vor und zeigt mögliche Anwendungsbeispiele für solche natürlichen chemischen Substanzen in Landwirtschaft und Gartenbau. Beispiel Hessen: Ökologie und Stoffwechselphysiologie so lautet im hessischen Lehrplan das Thema für den Kursunterricht in der Jahrgangsstufe Im inhaltlichen Schwerpunkt Ökosystem soll unter anderem der verbindliche Inhalt Stoff- und Energiefluss im Unterricht ausführlich behandelt werden. Die Unterrichtsstunde ist dort beispielsweise gut in die vom Lehrplan geforderte Diskussion von Räuber- Beute-Wechselbeziehungen im Leistungskurs integrierbar. Beispiel Bayern: In der gymnasialen Oberstufe gehört das Thema Ökologie und Umweltschutz zu den Grundbausteinen des Lehrplanes in der Jahrgangsstufe 12. Anhand der Unterrichtsstunde Clevere Abwehrstrategen wie Pflanzen ihre Schädlinge austricksen lernen die Schüler, wie im Lehrplan gefordert, die Wechselbeziehungen zwischen den Lebewesen und ihrer Umwelt kennen. An ausgewählten Beispielen erarbeiten sie dabei die Grenzen der Lebensmöglichkeiten einzelner Arten und diskutieren Möglichkeiten der Entwicklung und Regulation von Populationen. 6. Vorschläge für einen fächerübergreifenden Unterricht Gifte - Faszination und Schrecken So könnte das Thema für einen fächerübergreifenden Unterricht lauten, in den die vorgelegte Unterrichtsstunde sinnvoll zu integrieren wäre. Das Fach Biologie stellt dabei neben den chemischen Verteidigungsstrategien im Pflanzenreich auch Themen wie Mit Giftzahn und Stachel Gefährliche Waffen im Tierreich oder Sucht und Drogen vor und erläutert die Wirkungsmechanismen der verschiedenen chemischen Substanzen. In den Fächern Geschichte und Politik geht es dagegen unter anderem um die Rolle des Gifts in den verschiedenen Epochen (z.b. Schierlings-Becher von Sokrates oder die Ermordung des Kaisers Claudius mithilfe von Gift) und seine Bedeutung für die Politik bzw. die Entwicklung von Staaten. Der Chemieunterricht stellt die wichtigsten Gifte in ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur vor. Hier werden aber auch Synthese- und Abbauwege von Giften wie Aconit (im blauen Eisenhut), Atropin, Hyoscyamin, Belladonnin und Scopolamin (Tollkirsche) oder Tetrodoxin (Kugelfisch) detailliert besprochen.

5 Das Fach Sozialwissenschaften nimmt ergänzend zum Biologieunterricht ebenfalls das Thema Drogen unter die Lupe und setzt sich mit Phänomenen wie mentaler und körperlicher Abhängigkeit näher auseinander. Auch die Fächer Deutsch oder Englisch können zum fächerübergreifenden Projekt beitragen, indem sie Bestseller aus der Literatur wie "Das fehlende Glied in der Kette" (Strychnin) und "16.50 Uhr ab Paddington" (Blauer Eisenhut) von Agatha Christie zum Unterrichtsthema machen.