Modulbeschreibung Schulart: Fach: Zielgruppe: Autor: Zeitumfang: Gymnasium Biologie (Gym) 10 (Gym) Joachim Drosdzol Acht Stunden Die Schülerinnen und Schüler nähern sich dem Themenbereich der Mitose durch die Praxis an: Sie erlernen anhand von Arbeitsaufträgen, Versuchsreihen und ausführlichem Bildmaterial die praktische Arbeit mit dem Mikroskop und die entsprechende Materialauswertung. Die Unterrichtseinheit ist in folgende vier Themenbereiche untergliedert: Bau und Funktionen des Lichtmikroskops, Bau von Pflanzenzellen, Ablauf der Zellteilung und Bau von Tierzellen. Vorauszusetzende Kompetenzen fachlich: Grundlegende biologische Prinzipien aus Klasse 7/8; den Aufbau einer typischen tierischen oder pflanzlichen Zelle beschreiben und lichtmikroskopische Bilder interpretieren können. Vorauszusetzende Kompetenzen methodisch: Beschreiben von Abbildungen, Arbeiten mit Modellen; Experimente durchführen und protokollieren; Arbeiten mit dem Mikroskop; Informationen beschaffen und verarbeiten. 1
Unterrichtsverlauf Vorbemerkung: Die Unterrichtseinheit ist in vier Abschnitte untergliedert: 1. Bau und Funktionen des Lichtmikroskops 2. Bau von Pflanzenzellen 3. Der Ablauf der Zellteilung 4. Bau von Tierzellen Es wird davon ausgegangen, dass die Schülerinnen und Schüler in einer früheren Klassenstufe bereits mikroskopiert haben. Ich möchte hier beispielsweise Bezug nehmen auf das Unterrichtsmodul Zellen Grundbausteine des Lebens. Im Rahmen des Unterrichtsmoduls Zelle, Zellteilung und Zelldifferenzierung ist folglich keine ausführliche Einführung in das Mikroskopieren mehr beabsichtigt, dafür soll im ersten Abschnitt des Moduls genauer auf den Bau des Lichtmikroskops eingegangen werden. Im Verlauf der Unterrichtseinheit werden exemplarisch verschiedene Zellpräparate mikroskopiert. Vor allem der Themenbereich Mitose verlangt den Schülerinnen und Schülern ein hohes Abstraktionsvermögen ab, sodass es sinnvoll erscheint, sich der Thematik durch die Praxis, d.h. durch das Mikroskopieren, anzunähern. 1. und 2. Stunde - Bau und Funktion des Lichtmikroskops Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges: Eingangs wird zunächst die Frage gestellt, ob Zellen von Pflanzen oder Tieren schon mit dem bloßen Auge zu sehen sind. Damit die Schülerinnen und Schüler sich überhaupt eine Vorstellung davon machen können, wie klein Objekte sein dürfen, damit das menschliche Auge sie noch beobachten kann, wird zum Vergleich auf die Sichtbarkeit menschlicher Haare eingegangen. Obwohl menschliche Haare nur etwa 0,07 mm (70 µm) dick sind, sind sie für unser Auge noch gut erkennbar. Allerdings kann mit dem bloßen Auge nicht wahrgenommen werden, dass Haare eine Feinstruktur besitzen. Diese wird erst durch die mikroskopische Vergrößerung sichtbar, was mit dembild Abbildung von Haaren belegt werden kann. Siehe hierzu auch die Sachinformation Auflösungsvermögen des menschlichen Auges. Zur Veranschaulichung des eingeführten Begriffs dient ein Schülerversuch, für den zuvor Lupen ausgegeben wurden (siehe Experiment Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ). Damit lässt sich auch die Eingangsfrage nach der Sichtbarkeit von Zellen mit dem bloßen Auge beantworten. Es erreichen nämlich viele Zellen, wie z.b. die relativ großen Zellen der Wasserpest von ihrer Größe eigentlich den Sichtbarkeitsbereich (siehe Sachinformation Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ). Die Ergebnisse dieser Betrachtungen werden nun als Tafelanschrieb festgehalten. Bau und Bedienung eines Lichtmikroskops: Den Schülerinnen und Schülern wird ein Lichtmikroskop gezeigt. Bau und Bedienung werden auch mit Hilfe des Bildes Mikroskop Modell a näher erläutert. Anschließend 2
beschriften die Schülerinnen und Schüler das dazugehörige Arbeitsblatt Mikroskop. Funktionsweise eines Lichtmikroskops: Zur Demonstration der Funktionsweise eines Lichtmikroskops kann ein Modell verwendet werden, wie es das Bild Mikroskop Modell b zeigt. Es wurde mit der üblichen Ausstattung einer Physiksammlung aufgebaut und kann so nachgebaut und zu Demonstrationszwecken vorgeführt werden. Weitere Informationen zur Funktionsweise eines solchen Mikroskops entnehmen Sie der Sachinformation Zelle Bildinformationen. Die Funktionsweise des Mikroskops kann auch mithilfe einer Darstellung des Strahlengangs entsprechend der Abbildung Strahlengang im Mikroskop erklärt werden. Anschließend können die Schülerinnen und Schüler das dazugehörige Arbeitsblatt Strahlengang im Mikroskop vervollständigen. Die Besprechung des Strahlengangs macht allerdings nur dann Sinn, wenn die Schülerinnen und Schüler im Fach Physik bereits Strahlengänge an optischen Linsen durchgenommen haben. Zum Schluss sollte noch erwähnt werden, dass im richtigen Mikroskop sowohl das Objektiv als auch das Okular nicht aus einer, sondern aus mehreren Linsen bestehen. Damit gelingt eine deutliche Verbesserung der Abbildungsqualität. Vergrößerung und Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen: Wie in Bild Mikroskop Modell b dargestellt, wird in einem Lichtmikroskop das betrachtete Objekt in zwei Stufen vergrößert. Die Vergrößerung durch das Mikroskop ist folglich das Produkt aus Objektiv- und Okularvergrößerung. Weitere Erläuterungen zu der Abbildung finden Sie in dem Dokument Zelle -Bildinformationen. Die Vergrößerung durch das Mikroskop kann auch mithilfe des Bildes Sehwinkel erklärt werden (siehe auch die Sachinformation Zelle - Bildinformationen ). Darauf folgend wird nun mit den Schülerinnen und Schülern die Frage diskutiert, bis zu welcher Vergrößerung man mit einem Mikroskop vergrößern kann. Könnte man z.b. ein Objektiv mit 40-facher Vergrößerung mit einem Okular kombinieren, das ebenfalls 40-fach vergrößert und damit eine Gesamtvergrößerung von 1600-fach erreichen? Die vorgeschlagene Kombination ist zwar theoretisch machbar, aber nicht unbedingt sinnvoll. Stärkere Vergrößerungen bringen nämlich nicht immer neue Objektdetails zum Vorschein, in manchen Fällen wird die Abbildungsqualität sogar schlechter. Das Bild Objektivvergrößerungen zeigt dazu ein Beispiel (siehe Sachinformation Zelle Bildinformationen ). Genaue Erläuterungen zur Funktionsweise des Lichtmikroskops finden Sie in der Sachinformation Bau und Funktion des Lichtmikroskops. Vorschlag zum Tafelanschrieb: Auflösungsvermögen und Vergrößerung beim Lichtmikroskop Auflösungsvermögen: 0,2 µm unter optimalen Bedingungen Vergrößerung: sinnvoll bis etwa 1 000-fach Faktoren, die die Auflösung begrenzen: Bauweise der optischen Teile, Ausleuchtung, Objektbeschaffenheit, Wellennatur des Lichts 3. und 4. Stunde - Bau von Pflanzenzellen Stoffwiederholung: Zunächst wird der Unterrichtsstoff der vorangegangenen Stunden zum Bau des 3
Lichtmikroskops wiederholt. Bevor nun mit Mikroskopen praktisch gearbeitet wird, werden die Schülerinnen und Schüler darauf hingewiesen, die teuren optischen Instrumente sorgfältig zu behandeln. Mikroskopieren von Pflanzenzellen: Als erstes Pflanzenzellmaterial wird das feine Häutchen der Küchenzwiebel mikroskopiert. Dazu entnehmen die Schülerinnen und Schüler detaillierte Arbeitsanweisungen dem Dokument Mikroskopische Betrachtung von Pflanzenzellen. Die Lehrperson kann die Anleitungen mithilfe der vorangestellten Abbildungen erläutern. Für die Bestimmung der Größe der zu beobachtenden Einzelzellen wird für jede Schülerin und jeden Schüler jeweils eine auf Klarsichtfolie ausgedruckte Millimeterskala der Kopiervorlage aus dem Dokument Mikroskopische Betrachtung von Pflanzenzellen ausgeteilt. Diesen Folienabschnitt legen die Schülerinnen und Schüler direkt auf einen Objektträger, geben einen Tropfen Wasser hinzu und tragen das Präparat auf der Folie auf. Sie decken dann alles wie üblich mit einem Deckgläschen ab und färben das Zellmaterial, wie auf dem Arbeitsblatt beschrieben, mit Methylenblau an. Mit dem so hergestellten Präparat können die Schülerinnen und Schüler die Zellgrößen durch den Vergleich mit der Millimeterskala des darunter gelegten Folienstücks berechnen. Ferner sollen sie eine Heftzeichnung mit allen beobachtbaren Strukturen der Zwiebelzellen erstellen. Anschließend werden im Klassengespräch die gemessenen Zellgrößen verglichen. Dazu kann auch das Bild Größe der Zellen des Zwiebelhäutchens herangezogen werden. Das Ergebnis wird im Tafelanschrieb festgehalten. Anhand der vorher erstellten Heftzeichnungen zum Bau der Zwiebelhautzelle kann nun herausgearbeitet werden, welche Strukturen typisch sind für die Zellen des Zwiebelhäutchens. Ergänzend kann auch das Bild Zellen des Zwiebelhäutchens herangezogen werden. Das Bild Zellmembran veranschaulicht, dass eine Pflanzenzelle auch eine Zellmembran besitzt. Außerdem wird von der Lehrperson noch erwähnt, dass in Pflanzenzellen sog. Mitochondrien vorhanden sind, die allerdings lichtmikroskopisch schwer zu erfassen sind. Zur Ergebnissicherung dient erneut ein Tafelanschrieb. Als weiteres Pflanzenzellmaterial werden nun Zellen von der Wasserpest oder von Moosblättchen mikroskopiert. Auch hier erstellen die Schülerinnen und Schüler eine Heftskizze mit ihren Beobachtungen. Diese Zellen besitzen im Gegensatz zu den Zellen der Zwiebelhaut Chloroplasten, was typisch ist für Zellen von grünen Pflanzenteilen. Die Resultate werden nun schriftlich festgehalten. Allgemeiner Bau einer Pflanzenzelle: Das beim Mikroskopieren gewonnene Wissen über Pflanzenzellen soll nun in Gruppenarbeit ausgewertet werden, sodass ein allgemeines Schema einer Pflanzenzelle erstellt werden kann. Zur Lernzielkontrolle des erarbeiteten Schemas vergleichen die Gruppen ihr Ergebnis mit der Abbildung Schema einer Pflanzenzelle. Die Schülerinnen und Schüler übernehmen die vorgegebene Beschriftung des Bildes auf das Arbeitsblatt Schema einer Pflanzenzelle. Anschließend werden die Funktionen der aufgezeigten Strukturen erläutert und im Tafelanschrieb festgehalten. Besonders erwähnt wird hierbei das Chromatin, eine Substanz im Inneren des Zellkerns, die ihren Namen aufgrund ihrer Anfärbbarkeit (chroma = gr. Farbe) hat. Pflanzliche Gewebe: Die Zellen des Zwiebelhäutchens und die Zellen der Wasserpest bzw. des 4
Moosblättchens entsprechen zwar dem Grundschema einer Pflanzenzelle, zeigen aber auch Abweichungen, um spezielle Aufgaben erfüllen zu können. Allgemein findet man bei Pflanzen eine beträchtliche Zahl unterschiedlich differenzierter Zelltypen. Die Bilder Querschnitt durch ein Fliederblatt (a) und Querschnitt durch ein Fliederblatt (b) zeigen die unterschiedlich spezialisierten Zelltypen in einem Laubblatt. Zu erkennen ist, dass jeweils gleich differenzierte Zellen in Schichten angeordnet sind. Erläuterungen hierzu entnehmen Sie der Sachinformation Aufbau von Pflanzenzellen. Abschließend wird in einem Tafelanschrieb die Definition des Begriffes Gewebe festgehalten und mit einigen Beispielen erläutert. 5. und 6. Stunde - Der Ablauf der Zellteilung Die Sachinformation Zelle - Bildinformationen enthält einführende Informationen zu dem Bild Wachstum von Zwiebelwurzeln, das in der Klasse präsentiert wird. Zweckmäßig ist es, an dieser Stelle mit Fertigpräparaten zu arbeiten, da die eigene Herstellung von Präparaten aufwendig ist und eher im Rahmen eines gesonderten Praktikums durchgeführt werden sollte. Zellteilungen in den Wurzelspitzen der Küchenzwiebel: Das Bild Zellteilungen in der Wurzelspitze der Küchenzwiebel zeigt sich teilende Wurzelzellen der Küchenzwiebel. Deutlich fällt hier der geringe Differenzierungsgrad der Einzelzellen auf. Gut sichtbar sind die Veränderungen im Bereich des Zellkerns bei den Zellteilungen. Dies zeigt, dass die Zellteilung vom Zellkern ausgeht. Anschließend wird das Bild Zellteilung präsentiert. Informationen zu dieser Abbildung entnehmen Sie der Sachinformation Zelle - Bildinformationen. Bau der Chromosomen: Anschließend wird dasbild Chromosomen in der Klasse gezeigt und einige Hintergrundinformationen hierzu vorgestellt (siehe Sachinformation Zelle Bildinformationen ). Das Bild Chromosomenbau zeigt dieses Chromosom nochmals vergrößert und erläutert seinen Aufbau. Zur Ergebnissicherung dient ein Tafelanschrieb. Mikroskopieren von Mitosestadien: In Einzelarbeit sollen die Schülerinnen und Schüler die Mitosephasen mikroskopieren. Hierzu werden, wie schon oben erwähnt, Fertigpräparate verwendet. Die Schülerinnen und Schüler fertigen Zeichnungen zu den Mitosephasen an und machen sich zu dazu Notizen. Anschließend vergleichen sie ihre Ergebnisse in Gruppenarbeit miteinander unter Zuhilfenahme des unbeschrifteten Arbeitsblattes Ablauf der Mitose. Im Klassengespräch können nun anhand des Bildes Ablauf der Mitose die Mitosephasen benannt und erläutert werden. Zur Ergebnissicherung übertragen die Schülerinnen und Schüler den Folientext auf ihr Arbeitsblatt. Bedeutung der Mitose und Zellzyklus: Nun werden die einzelnen Phasen der Mitose im Zusammenhang erklärt. Die Schülerinnen und Schüler wissen bisher, dass jedes Chromosom zwei gleiche Chromatiden enthält 5
( Zwei-Chromatid-Chromo-somen ) und von jedem Chromosom ein Chromatid auf die eine und eines auf die andere Tochterzelle verteilt wird. Anhand von Bild Schema eines Zellzyklus werden die Mitosevorgänge zusammengefasst und erklärt (siehe Sachinformation Zelle - Bildinformationen ). Zur Ergebnissicherung beschriften die Schülerinnen und Schüler das dazugehörige Arbeitsblatt Zellzyklus. Zusammenfassung: Abschließend können die wesentlichen Aspekte dieser Doppelstunde (siehe Sachinformation Zellteilung ) in Form eines Tafelbildes festgehalten werden. 7. und 8. Stunde - Bau von Tierzellen Mikroskopieren von Mundschleimhautzellen: Zum Mikroskopieren von tierischen oder menschlichen Zellen eignen sich besonders Mundschleimhautzellen, da sie sich im angefärbten Zustand mikroskopisch leicht erfassen lassen. Die Schülerinnen und Schüler verfahren dabei ähnlich wie beim Mikroskopieren der Zellen des Zwiebelhäutchens (siehe Bild Zellen des Zwiebelhäutchens bzw. das dazugehörige Arbeitsblatt Mikroskopische Betrachtung von Pflanzenzellen ). Jede Schülerin und jeder Schüler entnimmt sich mit einem Holzspatel selbst Mundschleimhaut, mikroskopiert diese in Einzelarbeit und erstellt eine Heftzeichnung mit allen beobachtbaren Strukturen einer Mundschleimhautzelle. Falls möglich sollen auch miteinander verbundene Zellen gezeichnet werden. Gegebenenfalls lässt sich hier, wie schon bei den Zwiebelzellen, zusätzlich eine Messung der Größe von Mundschleimhautzellen durchführen. Zur Größenbestimmung kann aber auch auf dasbild Mikroskopische Vergrößerung Vergleich zurückgegriffen werden. Die erstellten Präparate sollten im Übrigen nach Gebrauch aus hygienischen Gründen von der Lehrperson entsorgt werden. Auswertung: Ausgehend von den von ihnen angefertigten Heftzeichnungen vergleichen die Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeit ihre Ergebnisse mit der Abbildung Zellen der Mundschleimhaut. Sie sollen dabei die wesentlichen Strukturen einer Tierzelle herausarbeiten, benennen und ihre Funktionen erklären, wobei auf die Kenntnisse von Bau und Funktionen der Pflanzenzelle zurückgegriffen werden kann. Von der Lehrkraft wird angemerkt, dass auch bei den Tierzellen, ähnlich wie bei den Pflanzenzellen, die Darstellung der Mitochondrien über die Möglichkeiten vieler Lichtmikroskope hinausgeht. Schließlich sollen die Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeit das ausgehändigte Arbeitsblatt Schema einer Tierzelle, das wesentliche Strukturen der Tierzelle durch eine Schemazeichnung erfasst, beschriften. Eine Gruppe kann anschließend ihre Ergebnisse anhand der unbeschrifteten Abbildung aus dem Arbeitsblatt Schema einer Tierzelle am Tagelichtprojektor präsentieren. Zur Ergebnissicherung kann nun das beschriftete Bild Schema einer Tierzelle herangezogen werden. Die Klasse übernimmt die Beschriftung der Folie. Im Tafelanschrieb wird festgehalten, dass auch Tiere aus Zellen aufgebaut sind, die sich allerdings in Größe und Aussehen stark von Pflanzenzellen unterscheiden. 6
Die Mundschleimhaut ist ein Gewebe: Die Schülerinnen und Schüler haben zuvor Zeichnungen angefertigt von miteinander verbundenen Mundschleimhautzellen. In der Betrachtung fällt die große Ähnlichkeit aller erfassten Zellen auf. Bei einem Verband gleichartig gebauter Zellen mit gleichen Aufgaben spricht man, wie schon oben bei den Pflanzen definiert wurde, von einem Gewebe. Zur Erläuterung wird in Bild Mundschleimhautgewebe ein zusammenhängendes Gewebestück abgebildet. Erkennbar ist, dass die Zellen gleich differenziert sind. Die Mundschleimhaut stellt also ein Gewebe dar. Zur Ergebnissicherung wird im Tafelanschrieb festgehalten, dass auch höhere tierische Organismen, ähnlich wie die Pflanzen, in vielen Körperbereichen Verbände gleichartig gebauter Zellen mit gleichen Aufgaben aufweisen. Weitere Beispiele für Gewebe des Menschen: Ein weiteres Beispiel für menschliches Gewebe zeigen die Bilder Hautquerschnitt und Schema eines Hautquerschnitts. Entsprechende Erläuterungen zu den Abbildungen finden Sie in der Sachinformation Zelle - Bildinformationen. Eine ganz andere Spezialisierung zeigen Nervenzellen, die in dem Bild Nervengewebe eines Rindes dargestellt sind. Auch im Blut des Menschen lassen sich Zellen mit gleicher Spezialisierung nachweisen, wie mit dem Bild Blutzellen des Menschen dargestellt wird. Man kann daher von einem Blutgewebe sprechen. Im Tafelanschrieb wird vermerkt, dass auch tierische Organismen ihren Körper aus Organen bilden, die sich wiederum aus bestimmten Gewebe- und Zelltypen zusammensetzen (Epithelgewebe, Blutgewebe, Nervengewebe usw.). Zusammenfassung: Bei Pflanzen und Tieren liefern Zellteilungen neue Zellen, die zunächst gleich gebaut sind. Diese können sich aber differenzieren, d.h. zu unterschiedlichen Zellarten und Geweben weiterentwickeln. Die Zellen passen sich damit den Aufgaben an, die sie in ihrer Umgebung zu erfüllen haben. Weiterführendes Film- und Lernmaterial zum Thema finden Sie in dem Dokument "Medienliste". 7
Bildungsplanbezug Gymnasium Biologie Zelluläre Organisation der Lebewesen Die SchülerInnen können: den Ablauf der Mitose beschreiben und ihre Bedeutung erläutern. mikroskopische Präparate von Mitosestadien herstellen und analysieren. Präparate verschiedener Zelltypen herstellen und analysieren. Zelldifferenzierung als Grundlage für die Gewebe- und Organbildung beschreiben. (Aus: Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 Gymnasium, Klasse 10: Kompetenzen und Inhalte für Biologie; Seite 208) Ausführliche Informationen zum Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 gibt es unter Bildung stärkt Menschen. 8