Erwin Graf Genetik an Stationen Grundlagen der Genetik: Zelle, Mitose, Meiose Sekundarstufe uf e I Erwin Graf Downloadauszug aus dem Originaltitel: netik
Genetik an Stationen Grundlagen der Genetik: Zelle, Mitose, Meiose Dieser Download ist ein Auszug aus dem Originaltitel Genetik Über diesen Link gelangen Sie zur entsprechenden Produktseite im Web. http://www.auer-verlag.de/go/dl7653
Inhalt Hinweise für das Lernen an Stationen.................................. 2 Übersicht über die Stationen mit Laufzettel.............................. 3 Test zum Thema Genetik........................................... 4 Station 1: Zellorganellen und ihre Aufgaben.............................. 7 Station 2: Zellkern (Nukleus).......................................... 8 Station 3: Chromosomen............................................ 9 Station 4: Mitose (Zellkernteilung) und Zellteilung......................... 10 Station 5: Geschlechtszellenbildung durch Meiose (Reduktionsteilung) ung).......... 13 Station 6: Kombination des Erbgutes bei der Befruchtung.................... 17 Station 7: Prokaryonten und Eukaryonten die zwei großen Gruppen von Lebewesen en 18 Lösungen......................................................... 20 Bildnachweis...................................................... 27
Hinweise für das Lernen an Stationen 1. Arbeitet mit eurem Partner oder in Kleingruppen (3er-, 4er- oder 5er-Gruppen) zusammen an den Stationen und unterstützt euch gegenseitig. 2. Geht mit den Materialien an den Stationen sorgfältig um. 3. Holt euch zu Beginn der Stationenarbeit die benötigten Materialien von ihrem Aufbewahrungsort (z. B. Wandschrank, Laborwagen) bzw. bearbeitet die Stationen am jeweiligen Tisch, wo die Station aufgebaut ist bzw. am Platz, den euer Lehrer er / eure Lehrerin euch zugewiesen hat. 4. Bringt die Materialien nach beendeter Arbeit an der Station wieder er an den vorgesehenen Platz zurück bzw. legt die Materialien am vorgesehenen enen Platz so bereit, dass die nächste Schülergruppe zügig mit der Arbeit beginnen kann. 5. Achtet darauf, dass die Materialien stets vollzählig sind und in gutem Zustand bleiben. en. Meldet eurem Lehrer / eurer Lehrerin, wenn die Stationsmaterialien ateria unvollständig sind. 6. Bearbeitet die Aufgaben an den Stationen n sorgfältig und zügig. 7. Notiert (protokolliert) eure Ergebnisse e übersichtlich, vollständig und optisch ansprechend. 8. Fertigt eure Skizzen mit einem spitzen Bleistift mittlerer Härte (Empfehlung: HB) an. 9. Versucht die auftretenden Fragen und Probleme möglichst in der Kleingruppe selbstständig zu lösen. Kommt ihr dennoch bei bestimmten mten Aufgaben nicht weiter, so wendet euch an die Lehrperson. 10. Füllt das Arbeitsprotokoll auf dem Laufzettel bei jeder Stationenarbeit so aus, dass ihr einen Überblick über die bereits bearbeiteten Stationen und die dafür benötigte Zeit habt.... und nun viel Freude und Erfolg! 2
Übersicht über die Stationen mit Laufzettel Name: Klasse: Datum: Station Name Datum Dauer (in Min.) 1 Zellorganellen und ihre Aufgaben 2 Zellkern (Nukleus) 3 Chromosomen 4 Mitose (Zellkernteilung) und Zellteilung 5 Geschlechtszellenbildung durch Meiose (Reduktionsteilung) 6 Kombination des Erbgutes bei der Befruchtung 7 Prokaryonten und Eukaryonten die zwei großen Gruppen von Lebewesen Zusammenarbeit mit Bemerkungen Kontrolle 3
Datum: Klasse/Lerngruppe: erreichbare Punktzahl: 20 Name: erreichte Punktzahl: Test zum Thema Genetik Vortest am Nachtest am 1. Beschrifte die folgende Abbildung und ergänze die zugehörige Tabelle. (10 P.) 4 5 2 1 2 2 7 4 3 8 3 4 3 1 5 6 7 1 Tierische ische Zelle e 7 8 5 Pflanzliche Zelle 6 Zellbestandteile Aufgaben Vorkommen bei tierischen Zellen pflanzl. Zellen 4
2. Ordne den einzelnen Organismenarten die jeweiligen Chromosomenzahlen zu. (4 P.) Lebewesen hier die Verbindungs linien einzeichnen Anzahl der Chromosomen pro Körperzelle Mensch 4 Stechmücke 216 Fruchtfliege (Drosophila) 48 Gorilla 78 Schachtelhalm 46 Hund 8 3. Kreuze an, welche der folgenden Aussagen auf Mitose und/oder Meiose zutreffen. (4 P.) trifft t auf Mitose zu trifft auf Meiose zu Ist eine Form der Zellkernteilung Chromosomenzahlen der Tochterzellen en sind gleich groß wie die Chromosomenzahlen hl der Mutterzelle Auch erbgleiche Teilung genannt Auch erbungleiche Teilung oder Reduktionsteilung genannt Durch diese Art der Zellteilung entsteht aus einer befruchteten Eizelle ein vielzelliger Organismus Es entstehen Geschlechtszellen (Gameten) Läuft beim Menschen nur in den Eierstöcken bzw. Hoden ab Ist für das Verheilen einer Wunde verantwortlich 5
4. Zeichne und beschrifte ein Chromosom. (2 P.) 6
Station 1: Zellorganellen und ihre Aufgaben Name: Klasse: Datum: Die Vorgänge in einer Zelle sind überaus kompliziert und von den Wissenschaftlern bis heute noch nicht annähernd verstanden. An dieser Station erhaltet ihr einen Einblick in die Aufgaben der verschiedenen Teile einer Zelle. Material: Biologiebuch, Internet Mitochondrium Chloroplasten Ribosomen Vakuole Zellmembran Zellkern Zellwand Aufgabe endoplasmatisches Retikulum Anhand der folgenden Tabelle könnt ihr die Aufgaben der verschiedenen n Teile von Pflanzenzelle und Tierzelle miteinander vergleichen. en. Vervollständigt lständigt hierzu die Tabelle und nutzt ggf. euer Biologiebuch, Biologielexika oder/und das Internet. Zellbestandteil eil Aufgaben Vorhanden in Tierzellen (x) Vorhanden in Pflanzenzellen (x) Zellwand aus Zellulose Feine Kanäle in der Zellwand zum Austausch sch von Stoffen und Informationennen Stoffbarriere e nach außen; aktiver Stoffaustausch zwischen Zellen bzw. Zelle und Umgebung durch diese hauchdünne Biomembran möglich Zellplasma (Protoplasma, oplas Zytoplasma) _-Apparat Endoplasmatisches Retikulum (ER) Kraftwerke der Zelle; stellen der Zelle Energie für die Lebensvorgänge zur Verfügung Orte der Fotosynthese; Synthese von Glucose (Traubenzucker) mithilfe des Sonnenlichts als Energiequelle Speicherung von Abfall-, Nähr- und Farbstoffen Bildung von Sekreten in den Zellen; besonders in Drüsenzellen stark ausgeprägt Steuerzentrale der Zelle Orte der Proteinbiosynthese (Eiweißbildung in den Zellen); hier werden entsprechend der Erbinformation eines Lebewesens verschiedenste Proteine (z. B. Antikörper, Enzyme) gebildet 7
Station 2: Zellkern (Nukleus) Name: Klasse: Datum: Die meisten Lebewesen haben einen Zellkern, der von einer Kernmembran zum Plasma hin begrenzt ist. An dieser Station lernt ihr Einzelheiten über den Zellkern und seine Bedeutung kennen. endoplasmatisches Retikulum Zellkern Material: Biologiebuch, Internet Aufgabe Entscheidet bei jeder der folgenden Aussagen, ob die Aussage RICHTIG oder FALSCH ist. Kreist den entsprechenden Buchstaben ein. Das Lösungswort findet ihr, wenn ihr die eingekreisten Buchstaben von unten n nach oben lest. Zellmembran Mitochondrium Ribosomen Nr. Aussage RICHTIG FALSCH 1 Durch eine e Membran abgegrenzte Zellkerne finden sich bei allen Lebewesen. A L 2 Der Zellkern ist meist kugelförmig. H K 3 Der Zellkern ern ist die Steuer- und Informationszentrale ale einer Zelle. A P 4 Der Zellkern enthält weniger als die Hälfte des Erbgutes einer Zelle. E Z 5 Der Zellkern ist durch eine Kernmembran vom Zellplasma abgegrenzt. N D 6 Die Kernmembran hat zahlreiche Poren, durch die der Stoffaustausch erfolgt. E G 7 Das größte Zellorganell einer Zelle e ist der Zellkern. M H 8 Im Zellkern befinden sich die Chromosomen. O J 9 Der Zellkern liegt in der Vakuole einer Zelle. I S 10 Der Zellkern liegt im Zellplasma. O U 11 Jede e Zelle eines Menschen hat einen Zellkern. W M 12 Die weißen Blutkörperchen (Leukozyten) eines Menschen sind ohne Zellkern. G O 13 Die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) eines Menschen sind ohne Zellkern. R N 14 Alle Lebewesen haben Zellen mit Zellkern. S H 15 Der mit (1) gekennzeichnete Teil der Zelle ist der Zellkern. Lösung: 1 C A 8
Station 3: Chromosomen Name: Klasse: Datum: Die Erbinformation ist im Zellkern der Zellen in den Chromosomen gespeichert. An dieser Station lernt ihr Näheres über Chromosomen kennen. Material: Biologiebuch, Biologielexika, ggf. Internet Aufgaben Zelltyp Chromosomenzahl beim Menschen Nervenzelle 46 Muskelzelle 46 Hautzelle 46 Eizelle 23 Spermienzelle 23 1. Vervollständigt den folgenden Lückentext zum Thema Zellkern und Chromosomen. Der Zellkern ist von einer nennt. Diese enthält umgeben, die man (kleine Löcher), durch die und Informationen zwischen dem Zellkern und dem ausgetauscht werden können. Im Innern des befinden sich Strukturen, die fadenförmig aussehen. Die Gesamtheit dieser Strukturen nennt man gerüst. In bestimmten Stadien der Zellteilung erkennt man längliche Strukturen (s. Abbildung unten n bei 2.), die man nennt. In diesen ist die information enthalten. Erst im Jahr 1911 konnte der Amerikaner r Thomas Hunt (1866 1945) nachweisen, dass s die somen die Träger der Erb sind. Folgende e Wörter sind einzusetzen: Chromatin-, Chromo-, Chromosomen, Erb-, -information (-anlagen), Kernhülle, Membran (Hüllmembran), Morgan, Poren (Kernporen), Stoffe, Zellkerns, Zell- plasma 2. In der Abbildung ist ein 2-Chromatid-Chromosom schematisch dargestellt. Beschriftet die Skizze. Verwendet folgende Begriffe zum Beschriften: Zentromer, Chromatid1, Chromatid2. 9
Station 4: Mitose (Zellkernteilung) und Zellteilung Name: Klasse: Datum: Die vielen verschiedenen Zellen einer Rose, einer Eiche, eines Hundes oder eines Menschen sind aus jeweils einer einzigen Zelle hervorgegangen: aus einer befruchteten Eizelle, die man Zygote nennt. An dieser Station erfahrt ihr Näheres über den Vorgang der Zellteilung, durch die die Vermehrung von Zellen erfolgt. Chromatid Material: Biologiebuch Zentromer Ein-Chromatid- Chromosomm Zwei-Chromatid- Chromosom Chromatid 1 Chromatid 2 Aufgaben 1. Bevor sich eine Körperzelle teilt, muss sich zunächst der Zellkern teilen. Diese e Zellkernteilung nennt nnt man Mitose oder erbgleiche Teilung. Ordnet den Abbildungen, bildunge die in der richtigen igen Reihenfolge eines Zellzyklus angeordnet sind, die korrekten rekten Textbausteine zu. Beispiel: Küchenzwiebel eb Die erste Phase der Kernteilung (Mitose) ist die Prophase. Die Kernmembranran löst sich allmählich auf. Aus dem Chromatingerüst des Zellkerns bilden sich die Chromosomen men heraus. Diese verkürzen en sich zunehmend und werden sichtbar. An den beiden Zellpolen werden feine Fasern, die Kernspindelfasern, erkennbar. In der Anaphase, der dritten Phase der Kernteilung, verkürzen sich die Kernspindelfasern. Die beiden Chromatiden jedes Chromosoms werden am Zentromer getrennt und als Ein-Chromatid-Chromosomen von den Kernspindelfasern zu den Zellpolen gezogen. Vor der erneuten Teilung einer Zelle müssen sich die Ein-Chromatid-Chromosomen zu Zwei- Chromatid-Chromosomen verdoppeln. Diesen Zeitabschnitt zwischen zwei Zellteilungen nennt man Interphase. 10
In der Telophase verlängern sich die Chromosomen und bilden wieder ein Fadenknäuel im Zellkern. Die Kernmembranen bilden sich neu und grenzen den Zellkern wieder vom Zellplasma ab. Die Spindelfasern sind nicht mehr zu erkennen. Am Ende der Telophase teilt sich die Ausgangszelle und es sind zwei kleinere Tochterzellen entstanden. In der Metaphase ordnen sich die Chromosomen in einer Ebene, der Äquatorialebene, an. Jedes Metaphase-Chromosom besteht aus zwei identischen Längshälften, den Chromatiden. Die Chromatiden jedes Zwei-Chromatid-Chromosoms werden am Zentromer zusammengehalten. 5 1 2 3 4 11
2. Vervollständigt zunächst den folgenden Lückentext zur Zellteilung. Alle vielzelligen sind aus einer einzigen befruchteten Ei (Fachbegriff: Z ) durch Zell hervorgegangen. Neue Zellen entstehen in einem Lebewesen ausschließlich durch teilung. Auch wenn Wunden heilen, Knochenbrüche verheilen, Blutzellen gebildet werden usw., geschieht dies durch. Nicht in allen Lebewesen lassen sich teilungen gleich gut erkennen. Um Zellteilungen mikroskopisch gut zu untersuchen, eignen sich insbesondere die zarten spitzen von Pflanzen wie beispielsweise die Küchen l. Hier finden nebeneinander gleichzeitig zahlreiche teilungen statt. Verfolgt man eine sich teilende beispielsweise sweise anhand von Zeitraffer-fer- Filmaufnahmen, so beobachtet man vor der eigentlichen teilung zunächst eine Kern, die man mit dem biologischen Fachbegriff nennt. Durch diese besondere Form der Kernteilung, die, wird sichergestellt, dass die beiden zellen die gleiche Erbinformation wie die zelle im Zellkern 16 Chro- zelle haben: Hat die mosomen (wie die Küchenzwiebel), so haben die beiden zellen, die bei der Teilung der Mutterzelle entstehen, auch jeweils wieder Chromosomen. Diese Art der Zellteilung nennt man auch erbgleiche Teilung, weil die beiden Tochterzellen. Den vollständigen lständigen Kreislauf einer Zellteilung nennt man Zell. Mutterzelle Zellkern Zellplasma Zellteilung Tochterzelle 1 Tochterzelle 2 Zellkerne Setzt in den obigen Lückentext die folgenden Begriffe/Wörter ein: Zellteilungen; Lebewesen (Organismen); -zelle; Mitose; Zell-; Zygote; Zell-; Wurzel-; -zwiebel; Zell-; Zelle; Zell-; -teilung; Mitose; -teilung/en; Tochter-; Mutter-; Tochter-; 16; die gleiche Erbinformation haben wie die Mutterzelle (Ausgangszelle); -zyklus; Mutter- 12
Station 5: Geschlechtszellenbildung durch Meiose (Reduktionsteilung) Name: Klasse: Datum: Die Befruchtung einer Eizelle durch eine männliche Keimzelle ist der Beginn eines neuen Lebewesens. Bei der geschlecht lichen (sexuellen) Fortpflanzung verschmilzt der Zellkern einer Spermienzelle (Samenzelle) mit dem Zellkern einer Eizelle. An dieser Station lernt ihr, wie durch den Vorgang der Meiose die Geschlechtszellen (Eizellen, Samenzellen) entstehen. Material: Informationstext, ggf. Biologiebuch Eizelle Aufgaben 1. Enthielten die Zellkerne von Eizelle und Samenzelle eines Menschen jeweils 46 Chromosomen wie die Körperzellen, so würde dies bei einer Befruchtung Folgendes bedeuten: en: a) In den Körperzellen dieser Kinder (1. Generation) wären dann bereits Chromosomen pro Zelle. b) In den Körperzellen der 2. Generation wären Chromosomen und c) in den Körperzellen len der 10. Generation wäre die Chromosomenzahl schon auf Chromosomen angewachsen. ach 2. Bei Lebewesen (d. h. auch bei allen Menschen) befindet sich in den Körperzellen jedoch stets s eine konstante Anzahl von Chromosomen. Da beim Menschen die Kinder aber auch nur 46 Chromosomen haben wie ihre Eltern, muss spätestens vor der Befruchtung die Chromosomenzahl halbiert worden sein. In der folgenden Abbildung ist der Vorgang g der Keimzellenbildung schematisch dargestellt. Beschriftet die Abbildung und nutzt als Information den Informationstext zu dieser Station. 13
3. Vervollständigt den folgenden Lückentext. Setzt dazu die unten stehenden kursiv gedruckten Begriffe an den richtigen Stellen in die Lücken ein. Untersucht man die Chromosomen einer Körperzelle, so stellt man fest, dass jeweils Chromosomen sich in und Größe gleichen. Man sagt, dass jeweils zwei solche Chromosomen (gleich) sind. Man spricht deshalb von einem (diploiden) Chromosomensatz. Beim Menschen besteht der Chromosomensatz einer Körperzelle aus 2-mal Chromosomen, da der Mensch pro Körperzelle einen Chromosomensatz von insgesamt Chromosomen hat. In einer Körperzelle eines Menschen befinden sich demnach Chromosomenpaare. Untersucht man dagegen Keimzellen ( zellen), so stellt man fest, dass sie nur einen Chromosomensatz haben. Eine menschliche Eizelle oder eine menschliche zelle hat nur Chromosomen, men, die alle (unterschiedlich) sind, d. h., in den Geschlechtszellen ellen findet man keine - - paare. Man sagt, die Geschlechtszellen ellen sind (und nicht diploid id wie die Zygote oder die Körperzellen). Den Vorgang, bei dem aus einer Körperzelle oder Ur-Geschlechtszelle Keimzellen mit jeweils Chromosomensatz entstehen, nennt man mit dem Fachbegriff ose. o Schema der Meiose (Keimzellenoder Geschlechtszellenbildung): Diploide Urgeschlechtszelle 4 haploide Keimzellen Das Ergebnis der Meiose sind haploide zellen (Gameten), die alle die gleiche Chromosomen haben. Eine menschliche Geschlechtszelle hat also im Zellkern lker nur Chromosomen. Verschmelzen bei der Befruchtung zwei Zellkerne von Eizelle und Samenzelle miteinander, so hat die dabei entstehende (= befruchtete Eizelle) wieder einen diploiden (doppelten) ; beim Menschen sind dies Chromosomen. Setzt in den obigen Lückentext die folgenden Begriffe / Wörter ein: haploide, 23, doppelten, haploid, Chromosomensatz, -zahl, einfachen, Mei-, vier, Chromosomen-, diploiden, Geschlechts-, 46, 46, vier, einfachem, Samen-, homolog, zwei, 23, Form, Geschlechts-, 23, verschieden, 23, haploide, Zygote 14
Informationstext zu Station 5: Geschlechtszellenbildung durch Meiose Mitose (Teilung von Körperzellen): Wenn Lebewesen wachsen, werden die Körperzellen nicht nur einfach größer, sondern ab einer bestimmten Größe teilen sich die Mutterzellen und es entstehen Tochterzellen. Diese Teilungen der Körperzellen laufen während unseres gesamten Lebens ununterbrochen ab und stellen sicher, dass absterbende Zellen durch neue ersetzt werden. Jede dieser Zellteilungen beginnt mit der Kernteilung, der Mitose. Durch die Mitose wird sichergestellt, dass die beiden Tochterzellen die gleiche Erbinformation haben wie die Mutterzelle. Beispiel: Beim Menschen haben die Körperzellen im Zellkern 46 Chromosomen. osome Bevor sich der Zellkern teilt, werden die Chromosomen im Zellkern verdoppelt und dann werden die Chromosomen auf zwei Zellkerne verteilt. Erst anschließend teilt sich die Mutterzelle und es entstehen zwei Tochterzellen. So wird sichergestellt, dass beide Tochterzellen jeweils 46 Chromosomen haben wie die Mutterzelle. Schema: Mutterzelle Verdopplung der Chromosomen 2 Tochterzellen en mit jeweils eils 46 Chromosomen Zellkern (46 Chromosomen) Meiose (Reifeteilung, Geschlechtszellenbildung): htszellenb Wenn sich Lebewesen geschlechtlich fortpflanzen, so verschmelzen bei der Befruchtung Eizelle und Samenzelle. Wenn Eizelle und Samenzelle beim Menschen verschmelzen, so hat die befruchtete Eizelle die Chromosomen von Eizelle und Samenzelle erhalten. Beim Menschen n hat die befruchtete Eizelle 46 Chromosomen. Enthielten Eizelle und Samenzelle je 46 Chromosomen, so müsste die befruchtete Eizelle 72 Chromosomen haben; dies ist aber nicht der Fall. Aus sorgfältigen mikroskopischen Untersuchungen weiß man, dass eine Eizelle und eine Samenzelle nur jeweils 23 Chromosomen haben, die Geschlechtsmutterzellen haben jedoch 46 Chromosomen. Folglich muss beim Prozess der Eizellenbildung und der Samenzellenbildung die Chromosomenzahl halbiert worden sein. Diesen Vorgang der Halbierung der Chromosomenzahl nennt man Meiose, Reduktionsteilung oder Geschlechtszellenbildung. Geschlechtszellen haben also nur halb so viele Chromosomen wie die diploiden Körperzellen oder Geschlechtsmutterzellen, d. h., Geschlechtszellen haben nur den halben Chromosomensatz. Beim Menschen sind dies 23 Chromosomen im Zellkern von Geschlechtszellen. Man sagt auch, dass Geschlechtszellen haploid sind, während Körperzellen beim Menschen (mit 46 Chromosomen im Zellkern) diploid sind. In einem ersten Schritt der Meiose wird die Anzahl der Chromosomen halbiert ( reduziert ), es entstehen also zwei haploide Zellen. Anschließend teilen sich die Chromosomen in jeweils zwei identische Chromatiden. In einem dritten Schritt entstehen dann die Geschlechtszellen, wie dem folgenden Schema zu entnehmen ist. 15
Schema der Geschlechtszellenbildung: a) Bildung von Samenzellen (Spermien) Reduktion Trennung der Chromatiden 4S Spermien 1. Schritt: Reduktion (Halbierung) der Chromosomenzahl 2. Schritt: Trennung der beiden Chromatiden im Chromosom 3. Schritt: Zellteilung und Bildung von 4 Samenzellen b) Bildung von Eizellen 3 Polkörper Reduktion Trennung der Chromatiden 1 Eizelle 1. Schritt: Reduktion (Halbierung) der Chromosomenzahl 2. Schritt: Trennung der beiden Chromatiden im Chromosom 3. Schritt: Zellteilung und Bildung von 1 Eizelle (und 3 Polkörpern, die eingeschmolzen werden) Wie im obigen Schema erkennbar, entstehen bei der Bildung von Samenzellen aus einer Samenmutterzelle mit 46 Chromosomen insgesamt vier Samenzellen mit jeweils 23 Chromosomen. Bei der Eizellenbildung entstehen aus einer Eimutterzelle mit 46 Chromosomen drei Polkörper und eine Eizelle. Die drei entstandenen Polkörper werden eingeschmolzen, d. h. aufgelöst, und es bleibt nur eine Eizelle mit 23 Chromosomen übrig. Fazit: Die Mitose kann kurz als erbgleiche Teilung von Körperzellen beschrieben werden. Durch die Mitose wird die Anzahl der Chromosomen bei der Zellteilung konstant gehalten. Durch die Meiose wird sichergestellt, dass die Geschlechtszellen nur halb so viele Chromosomen haben wie die Körperzellen, d. h., bei der Befruchtung der Eizelle wird die Anzahl der Chromosomen wieder verdoppelt. 16
Station 6: Kombination des Erbgutes bei der Befruchtung Name: Klasse: Datum: Bei der Befruchtung der Eizelle wird das Erbgut jeweils neu kombiniert, da jede Samenzelle bzw. Eizelle eine Erbinformation trägt, die sich von der einer anderen Samen- oder Eizelle unterscheidet. An dieser Station lernt ihr die Grundlagen hierfür kennen sowie die Vorteile, die die Neukombination des Erbgutes hat. Material: Biologiebuch, ggf. Internet, Skatkartenspiel Aufgaben 1. In der Abbildung sind eine Samenzelle und eine Eizelle schematisch dargestellt. Die Zahlen 1, 2, 3 und 4 bzw. 1*, 2*, 3* und 4* entsprechen den angenommenen n vier Chromosomen in jeder der beiden Geschlechtszellen. 1* 4 4* 3 2 3* 2* a) Wie viele Kombinationsmöglichkeiten gibt es? Stellt sie schematisch dar. Antwort: Es gibt 2 / 4 / 6 / 8 / 10 / 12 / 14 / 16 / 18 / 20 / 40 / 80 Kombinationsmöglichkeiten. Schema / Modell: 2n = 8 b) Errechnet, wie viele Kombinationsmöglichkeiten es beim Menschen gibt. Wie lautet die mathematische Formel hierfür? Antwort: Mathematische Formel Das heißt, es gibt beim Menschen Kombinationsmöglichkeiten. 2. Worin liegt der biologische Vorteil, dass es bei der Kombination des Erbgutes so viele Kombinationsmöglichkeiten gibt? Kreuzt die nach eurer Ansicht zutreffende(n) Antwort(en) an. Die Neukombination des Erbgutes bei der Befruchtung hat den Vorteil, dass immer wieder zufällige genetische Konstellationen entstehen, die unterschiedlich gut an neue Lebensbedingungen angepasst sind und die besser angepassten eher überleben und sich fortpflanzen können. die Natur gerne spielt und nach Belieben die Gene neu kombiniert. die Variationsbreite unter den Geschwistern recht groß ist und die Natur damit offen bleibt für sich ändernde Lebensbedingungen. 17
Station 7: Prokaryonten und Eukaryonten die zwei großen Gruppen von Lebewesen Name: Klasse: Datum: Die Biologen teilen die Lebewesen in zwei große Gruppen ein: Prokaryonten und Eukaryonten. Prokaryonten haben keinen abgegrenzten Zellkern, während Eukaryonten einen durch eine Membran vom Plasma abgegrenzten Zellkern aufweisen. An dieser Station lernt ihr einige Besonderheiten und Unterschiede von Prokaryonten und Eukaryonten kennen. Material: Informationstext, Biologiebuch, Internet, Lexika Aufgaben 1. Füllt die folgende Tabelle aus und entscheidet, ob das betreffende effende Lebewesen zu den Prokaryonten oder zu den Eukaryonten gehört. Prokaryonten (Zellen ohne abgegrenzten Zellkern) lkern Eukaryonten (Zellen mit abgegrenztem Zellkern) Mensch Darmbakterium Escherichia coli Regenwurm Rose Schwefelbakterien der Tiefsee Knöllchenbakterien zur Stickstofffixierung (Bildung von Nitrat aus Luftstickstoff) Wurmfarn rn Grünalge Typhusbakterium 2. In der Abbildung seht ihr zwei Zellen: eine prokaryontische und eine eukaryontische Zelle. Beschriftet die Abbildungen bildu und vermerkt auch, welche von beiden eine prokaryontische und welche eine eukaryontische Zelle ist. Zelle (Schema) Zelle (Schema) 18
Informationstext zu Station 7: Prokaryonten und Eukaryonten Prokaryonten und Eukaryonten. In der Biologie unterscheidet man zwei große Gruppen von Lebewesen: Prokaryonten (auch Prokaryoten genannt; von griech. pro = vor und karyon = Kern) und Eukaryonten (auch Eukaryoten genannt; von griech. eu = gut und karyon = Kern). Die Prokaryonten haben in ihren Zellen im Gegensatz zu Eukaryonten keinen vom Plasma abgegrenzten Zellkern. Zu den Prokaryonten gehören alle Bakterien und Blaualgen. Alle anderen Lebewesen (Moose, Farne, Blütenpflanzen, Insekten, Wirbeltiere usw.) gehören zu den Eukaryonten und haben einen durch eine Membran abgegrenzten Zellkern in ihren Zellen. Prokaryonten sind so klein, dass man sie mit dem bloßen Auge nicht sehen kann. Trotzdem sind sie da, ob im Meer (auch in der Tiefsee), im Boden (auch in Mooren), in kochend heißen Quellen oder auf und in Lebewesen: Allein im Verdauungstrakt t eines einzigen Menschen gibt es zahlenmäßig weit mehr Prokaryonten als die Zellen aller Menschen, die bislang gelebt haben. Steckbrief Prokaryonten älteste Lebewesen Größe: 0,5 bis 10 μm (1 μm = 10 6 m) einzellig kein vom Plasma abgegrenzter Zellkern dazu gehören: alle Bakterien und Blaualgen DNA als nackter, ringförmiger Faden an der Zellmembran mbran angeheftetet Fortpflanzung und Vermehrung: ungeschlechtlich chtlich durch Quer teilung einige Arten mit Fotosynthese oder Chemosynthese se weit weniger als 1 der Prokaryonten ryonten sind Krankheitserreger produzieren z. T. sehr starke Gifte (Toxine) wie beispielsweise das Botulin (= Gift der Botulinusbakterien, terien die in verdorbenem Fleisch oder Fisch leben; schon die winzige ige Menge von 0,01 mg ist für einen Menschen tödlich infolge Lähmung u. a. der Atem- und Herzmuskulatur) ulatu Steckbrief Eukaryonten Zellen mit Zellkern, der durch eine Membran vom Zellplasma abgegrenzt ist ein- oder vielzellige Organismen membranumhüllte Organellen (z. B. Chloroplasten, Mitochondrien) Zellskelett (Zytoskelett) stabilisiert die Form der Zelle haben sich aus Prokaryonten entwickelt (so die Theorie) hierzu gehören alle höheren Lebewesen und auch wir Menschen Zellen stark in verschiedene Reaktionsräume gegliedert 19
Test zum Thema Genetik 1. 5 4 2 3 1 1 2 3 4 5 6 endoplasmatisches Retikulum Mitochondrium Zellkern Zellmembran Ribosomen Zellwand 2 8 1 7 3 Lösungen 4 Lösungen 7 8 Vakuole Chloroplast 5 6 Zellbestandteile Zellkern Aufgaben Steuert die Stoffwechselvorgänge in der Zelle; enthält die Chromosomen als Träger der Erbinformation Vorkommen bei tierischen Zellenlen pflanzl. Zellen Zellwand Schützt die Zelle vor mechanischen Umwelteinflüssen; gibt der Zelle ihre Form Mitochondrien ien Kraftwerke der Zelle Kernmembran ran Grenzt den Zellkern vom Plasma ab Chloroplasten Fotosynthese Zellplasma Ort zahlreicher Stoffwechselvorgänge; Speicherung von Stoffen Vakuole Speicherung von Abfall- und Farbstoffen Ribosomen Synthese von Proteinen Zellmembranmbran Abgrenzung ng des Zellplasmas 2. Lebewesen hier die Verbindungs linien einzeichnen Anzahl der Chromosomen pro Körperzelle Mensch 4 Stechmücke 216 Fruchtfliege (Drosophila) 48 Gorilla 78 Schachtelhalm 46 Hund 8 20
3. trifft auf Mitose zu trifft auf Meiose zu Ist eine Form der Zellkernteilung Chromosomenzahlen der Tochterzellen sind gleich groß wie die Chromosomenzahlen der Mutterzelle Auch erbgleiche Teilung genannt Auch erbungleiche Teilung oder Reduktionsteilung genannt Durch diese Art der Zellteilung entsteht aus einer befruchteten Eizelle ein vielzelliger Organismus Es entstehen Geschlechtszellen (Gameten) Läuft beim Menschen nur in den Eierstöcken bzw. Hoden ab Ist für das Verheilen einer Wunde verantwortlich Lösungen 4. Chromatid1 Zentromer Chromatid2 Station 1: Zellorganellen und ihre Aufgaben Lösungen Zellbestandteil Zellwand aus Zellulose Tüpfel Plasmamembran (Zellmembran) Aufgaben Vorhanden in Tierzellen (x) Vorhanden in Pflanzenzellen (x) Umschließt die Pflanzenzelle und gibt ihr Form und Festigkeit; Schutz des Zellinnern Feine Kanäle in der Zellwand zum Austausch von Stoffen und Informatio- nen Stoffbarriere nach außen; aktiver Stoffaustausch zwischen Zellen bzw. Zelle nd Um und Umgebung durch diese hauchdünne Biomembran möglich Zellplasma (Protoplasma, a, Zäh- bis dünnflüssige Grundsubstanz der Zelle; besteht vor allem aus Zytoplasma) Wasser; hier laufen viele Stoffwechselreaktionen ab; in Zellplasma sind die Zellorganellen eingebettet Mitochondrien ondrien Chloroplasten (Chlorophyllkörner) Kraftwerke der Zelle; stellen der Zelle Energie für die Lebensvorgänge zur Verfügung Orte der Fotosynthese; Synthese von Glucose (Traubenzucker) mithilfe des Sonnenlichts als Energiequelle Vakuole Speicherung von Abfall-, Nähr- und Farbstoffen Golgi-Apparat Endoplasmatisches Retikulum (ER) Zellkern (Nukleus, früher: Nucleus) Ribosomen Bildung von Sekreten in den Zellen; besonders in Drüsenzellen stark ausgeprägt Netzwerk verzweigter Biomembranen; Synthese von Fetten und Proteinen; Transportsystem in Zellen Steuerzentrale der Zelle Orte der Proteinbiosynthese (Eiweißbildung in den Zellen); hier werden entsprechend der Erbinformation eines Lebewesens verschiedenste Proteine (z. B. Antikörper, Enzyme) gebildet 21
Station 2: Zellkern (Nukleus) Lösungen Nr. Aussage RICHTIG FALSCH 1 Durch eine Membran abgegrenzte Zellkerne finden sich bei allen Lebewesen. L 2 Der Zellkern ist meist kugelförmig. H Lösungen 3 Der Zellkern ist die Steuer- und Informationszentrale einer Zelle. A 4 Der Zellkern enthält weniger als die Hälfte des Erbgutes einer Zelle. Z 5 Der Zellkern ist durch eine Kernmembran vom Zellplasma abgegrenzt. N 6 Die Kernmembran hat zahlreiche Poren, durch die der Stoffaustausch erfolgt. E 7 Das größte Zellorganell einer Zelle ist der Zellkern. M 8 Im Zellkern befinden sich die Chromosomen. O 9 Der Zellkern liegt in der Vakuole einer Zelle. S 10 Der Zellkern liegt im Zellplasma. O 11 Jede Zelle eines Menschen hat einen Zellkern. M 12 Die weißen Blutkörperchen (Leukozyten) eines Menschen sind ohne Zellkern. O 13 Die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) ten) eines Menschen sind ohne Zellkern. R 14 Alle Lebewesen haben Zellen mit Zellkern. H 15 Der mit (1) gekennzeichnete nzeichnete Teil der Zelle ist der Zellkern. ern. C Lösung: C H R O M O S O M E N Z A H L 1 Station 3: Chromosomen Lösungen 1. Der Zellkern ist von einer Membran (Hüllmembran) umgeben, die man Kernhülle nennt. Diese enthält Poren (Kernporen) (kleine Löcher), durch die Stoffe und Informationen zwischen dem Zellkern und dem Zellplasma ausgetauscht werden können. Im Innern des Zellkerns befinden sich Strukturen, die fadenförmig aussehen. Die Gesamtheit dieser Strukturen nennt man Chromatingerüst. In bestimmten Stadien der Zellteilung erkennt man längliche Strukturen (s. Abbildung unten bei 2.), die man Chromosomen nennt. In diesen ist die Erbinformation enthalten. Erst im Jahr 1911 konnte der Amerikaner Thomas Hunt Morgan (1866 1945) nachweisen, dass die Chromosomen die Träger der Erbinformation (-anlagen) sind. 2. Chromatid1 Zentromer Chromatid2 22
Station 4: Mitose (Zellkernteilung) und Zellteilung 1. Lösungen Lösungen 5 1 Die erste Phase der Kernteilung (Mitose) ist die Prophase. Die Kernmembran löst sich allmählich auf. Aus dem Chromatingerüst des Zellkerns bilden sich die Chromosomen men heraus. Diese verkürzen sich zunehmend und werden sichtbar. An den beiden Zellpolen en werden en feine Fasern, die Kernspindelfasern, rn, erkennbar. 1 2 3 In der Metaphase ordnen sich die Chromosomen in einer Ebene, der Äquatorialebene, an. Jedes Metaphase-Chromozwei identischen Längshälften, n, den Chromatiden. Die Chromatiden jedes Zwei-Chromatid- Chromosoms oms werden am som besteht aus Zentromer zusammengehalten. 2 In der Anaphase, der dritten Phase der Kernteilung, verkürzen sich die Kernspindelfasern. Die beiden Chromatiden jedes Chromosoms werden am Zentromer getrennt und als Ein-Chromatid-Chromosomen von den Kernspindelfasern zu den Zellpolen gezogen. 3 4 Vor der erneuten Teilung einer Zelle müssen sich die Ein-Chromatid-Chromosomen zu Zwei- Chromatid-Chromosomen verdoppeln. Diesen Zeitabschnitt zwischen zwei Zellteilungen nennt man Interphase. 5 In der Telophase verlängern sich die Chromosomen und bilden wieder ein Fadenknäuel im Zellkern. Die Kernmembranen bilden sich neu und grenzen den Zellkern wieder vom Zellplasma ab. Die Spindelfasern sind nicht mehr zu erkennen. Am Ende der Telophase teilt sich die Ausgangszelle und es sind zwei kleinere Tochterzellen entstanden. 4 23
2. Alle vielzelligen Lebewesen (Organismen) sind aus einer einzigen befruchteten Eizelle (Fachbegriff: Zygote) durch Zellteilung/en hervorgegangen. Neue Zellen entstehen in einem Lebewesen ausschließlich durch Zellteilung. Auch wenn Wunden heilen, Knochenbrüche verheilen, Blutzellen gebildet werden usw., geschieht dies durch Zellteilungen. Nicht in allen Lebewesen lassen sich Zellteilungen gleich gut erkennen. Um Zellteilungen mikroskopisch gut zu untersuchen, eignen sich insbesondere die zarten Wurzelspitzen von Pflanzen wie beispielsweise die Küchenzwiebel. Hier finden nebeneinander gleichzeitig zahlreiche Zellteilungen statt. Verfolgt man eine sich teilende Zelle beispielsweise anhand von Zeitraffer-Filmaufnahmen, so beobachtet man vor der eigentlichen Zellteilung zunächst eine Kernteilung, die man mit dem biologischen Fachbegriff Mitose nennt. Durch diese besondere Form der Kernteilung, die Mitose, wird sichergestellt, dass die beiden Tochterzellen die gleiche Erbinformation wie die Mutterzelle haben: Hat die Mutterzelle im Zellkern 16 Chromosomen (wie die Küchenzwiebel), so haben die beiden Tochterzellen, die bei der Teilung der Mutterzelle entstehen, auch jeweils wieder 16 Chromosomen. Diese Art der Zellteilung nennt man auch erbgleiche Teilung, weil die beiden Tochterzellen die gleiche Erbinformation haben wie die Mutterzelle (Ausgangszelle). Den vollständigen Kreislauf einer Zellteilung nennt man Zellzyklus. Lösungen Station 5: Geschlechtszellenbildung durch Meiose (Reduktionsteilung) Lösungen 1. a) 1. Generation: 92 Chromosomen pro Zelle b) 2. Generation: 184 Chromosomen c) 10. Generation: 47104 Chromosomen 2. 4 Spermien Reduktion 3 Polkörper Trennung der Chromatiden 1 Eizelle 3. Untersucht man die Chromosomen einer Körperzelle, so stellt man fest, dass jeweils zwei Chromosomen sich in Form und Größe gleichen. Man sagt, dass jeweils zwei solche Chromosomen homolog (gleich) sind. Man spricht deshalb von einem doppelten (diploiden) Chromosomensatz. Beim Menschen besteht der Chromosomensatz einer Körperzelle aus 2-mal 23 Chromosomen, da der Mensch pro Körperzelle einen Chromosomensatz von insgesamt 46 Chromosomen hat. In einer Körperzelle eines Menschen befinden sich demnach 23 Chromosomenpaare. Untersucht man dagegen Keimzellen (Geschlechtszellen), so stellt man fest, dass sie nur einen einfachen Chromosomensatz haben. Eine menschliche Eizelle oder eine menschliche Samenzelle hat nur 23 Chromosomen, die alle verschieden (unterschiedlich) sind, d. h., in den Geschlechtszellen findet man keine Chromosomenpaare. Man sagt, die Geschlechtszellen sind haploid (und nicht diploid wie die Zygote oder die Körperzellen). Den Vorgang, bei dem aus einer diploiden Körperzelle oder Ur-Geschlechtszelle vier haploide Keimzellen mit jeweils einfachem Chromosomensatz entstehen, nennt man mit dem Fachbegriff Meiose. 24
Schema der Meiose (Keimzellen oder Geschlechtszellenbildung): Lösungen Diploide Urgeschlechtszelle 4 haploide Keimzellen Das Ergebnis der Meiose sind vier haploide Geschlechtszellen (Gameten), die alle die gleiche Chromosomenzahl haben. Eine menschliche Geschlechtszelle hat also im Zellkern nur 23 Chromosomen. Verschmelzen bei der Befruchtung zwei haploide Zellkerne von Eizelle und Samenzelle elle miteinander, so hat die dabei entstehende Zygote (= befruchtete Eizelle) wieder einen diploiden (doppelten) Chromosomensatz; beim Menschen sind dies 46 Chromosomen. Station 6: Kombination des Erbgutes bei der Befruchtung Lösungen 1. a) Antwort: Es gibt 2 / 4 / 6 / 8 / 10 / 12 / 14 / 16 / 18 / 20 /40 / 80 Kombinationsmöglichkeiten. Schema/Modell: 2n = 8 b) Antwort: Mathematische Formel 2 n (n = Anzahl der Chromosomen) men) Das heißt, es gibt beim Menschen 2 23 = 8 388 608 Kombinationsmöglichkeiten. 2. Die Neukombination des Erbgutes bei der Befruchtung hat den Vorteil, dass immer wieder zufällige genetische Konstellationen entstehen, die unterschiedlich gut an neue Lebensbedingungen angepasst sind und die besser ser angepassten asste eher überleben und sich fortpflanzen können. die Natur gerne spielt und nach Belieben die Gene neu kombiniert. die Variationsbreite unter den Geschwistern recht groß ist und die Natur damit offen bleibt für sich ändernde Lebensbedingungen. ngungen. 25
1. Station 7: Prokaryonten und Eukaryonten die zwei großen Gruppen von Lebewesen Prokaryonten (Zellen ohne abgegrenzten Zellkern) Eukaryonten (Zellen mit abgegrenztem Zellkern) Mensch Darmbakterium Escherichia coli Regenwurm Rose Schwefelbakterien der Tiefsee Lösungen Lösungen Knöllchenbakterien zur Stickstofffixierung (Bildung von Nitrat aus Luftstickstoff) Wurmfarn Grünalge Typhusbakterium 2. Zellmembran Zellwand Plasmid Mitochondrium Chloroplast endoplasmatisches Retikulum Zellmembran Vakuole Zellkern Zytoplasma Membraneinstülpung Bakterienchromosom (DNA) Ribosomen Bakteriengeißel Ribosomen Zellwand Eukaryontische Zelle (Schema) Prokaryontische Zelle (Schema) 26
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