Biologie-Lerntext für die Einführungsphase der gymnasialen Oberstufe
Roland Heynkes, 30.6.2016
Dieser Hypertext soll Lernenden die vom NRW-G8-Kernlehrplan für die Sekundarstufe II der gymnasialen Oberstufe vorgeschriebenen biologischen Lerninhalte so verständlich erklären, dass sie sich den Stoff möglichst ohne Hilfe selbst erarbeiten oder ihn zumindest selbständig wiederholen können. Interessierten jüngeren Lernenden soll mein Lerntext als Selbstlernmaterial dienen, damit sie ihren Fähigkeiten entsprechend gefordert bleiben und schon in der Schulzeit ihre Studierfähigkeit entwickeln können.
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Gliederung
Die Sicherheitsbelehrung
Wissen aktiv zu erarbeiten ist besser als sich passiv unterrichten zu lassen.
Wissen aktiv zu erarbeiten ist besser als sich passiv unterrichten zu lassen.
In den Biologie-Kursen der Jahrgangsstufe 10 kommen Schülerinnen und Schüler aus verschiedenen Klassen zusammen, die in den vorangegangenen Jahren nicht alle gleich viel gelernt und auch nicht unbedingt den gleichen Stoff im Unterricht behandelt haben. Wer jetzt im Unterricht Lücken in seinem Vorwissen bemerkt, kann Hilfe zum Selberlernen in meinem buchunabhängigen Lerntexten sowie in den Dokumentationen finden. Zum Thema Zellbiologie kann man aber auch die im Lerntext Zellbiologie gesammelten Links zu externen Quellen nutzen.
Hintergrund-Informationen dazu liefert mein Lerntext Lernen.
Inhaltsfeld Biologie der Zelle
Was in der Jahrgangsstufe 10 (Einführungsphase) laut Kernlehrplan inhaltlich zum Inhaltsfeld Biologie der Zelle vermittelt werden soll, erklärt mein Lerntext Zellbiologie.
Die Pause vom Leben
Selbst viele Biologen können nicht verstehen, dass man Viren sehr wohl auch als Lebewesen ansehen kann. Aus Unkenntnis glauben sie, Lebewesen könne nur sein, was lebt. Wäre es so, dann wäre auch ein in flüssigem Stickstoff eingefrorener menschlicher Embryo kein Lebewesen und man hätte sich das Embryonen-Schutzgesetz sparen können. Denn im eingefrorenen Zustand gibt es im Embryo keinerlei Lebensvorgänge und damit kein Leben. Trotzdem ist er ein Lebewesen, das nur eine Pause vom Leben macht. Taut man ihn auf, dann erwacht in ihm wieder das Leben und das ist keine Auferweckung von den Toten. Ein Lebewesen ist ein System, das leben kann aber nicht jederzeit leben muss. Näheres findet man in einem eigenen Lerntext zur Definition von Lebewesen.
Die Pause vom Leben ist kein seltenes Phänomen. Viele Lebewesen überdauern als gefrorene oder getrocknete Dauerstadien lange Zeiten ohne Lebensvorgänge, bis sich für sie wieder bessere Lebensbedingungen einstellen und sie in eine aktive Lebensphase zurückkehren.
Allen Lebewesen jederzeit gemeinsame Eigenschaften
Soweit mir der aktuelle Stand der Forschung bekannt ist, gilt diese Definition für alle heute auf unserem Planeten existierenden, lebendigen und gerade nicht lebenden Lebewesen und jede noch teilungsfähige Zelle. Meine Definition ist bewußt so allgemein gehalten, dass sie Viren mit einschließt.
Die Formen der Biomoleküle entsprechen ihren Funktionen. Weil sie extrem klein und trotzdem hocheffizient sind, vielfältig wechselwirken und sich gegenseitig regulieren, übersteigt die Komplexität von Lebewesen schon auf der Ebene der Zelle jedes technische System bei weitem. Weil Lebewesen ein extremes Maß an Ordnung gegen die insgesamt in der Natur stets zunehmende Unordnung (Entropie) aufrechterhalten, müssen sie sich stets gegen ihre unbelebte Umwelt abgrenzen, um nicht zu zerfallen.
Im Grunde beginnt die Differenzierung mit der Zygote und deren ersten Tochterzellen, aus denen sich noch alle anderen Zellen eines vielzelligen Lebewesens entwickeln können und die deshalb totipotente Stammzellen genannt werden. Bei Tieren verlieren alle, bei Pflanzen nur fast alle Nachkommen der Zygote diese Totipotenz. Sie differenzieren zunächst zu pluripotenten, dann zu multipotenten und schließlich zu monopotenten Stammzellen, deren Tochterzellen zu nur noch einem Zelltypdifferenzieren können. Gemeinsam ist allen Stammzellen, dass sie auf keine andere Aufgabe spezialisiert sind und sich praktisch unbegrenzt teilen können, ohne weiter differenzieren zu müssen. Die unterschiedlichen Stammzellen können aber nur Stammzellen bleiben, solange sie in einer besonderen Nische aus anderen Zellen sitzen. Verlässt eine Stammzelle diese Nische, muss sie sich nach kurzer Zeit für eine von oft mehreren möglichen Differenzierungen entscheiden. Diese Entscheidung nennt man Determination. Der Determination folgt die Differenzierung, die schließlich zu mehreren spezialisierten, aber nicht mehr teilungsfähigen Zellen führt.
Die folgende Animation zeigt eine Stammzelle in ihrer Nische. Drückt man auf Start, dann teilt sich die Stammzelle und nur eine der beiden Tochterzellen findet in der Nische Platz. Der anderen Tochterzelle droht der Verlust der Unsterblichkeit, wenn sie keine andere freie Nische findet.
Nach dem Verlust der Stammzellfähigkeit kann sich die zweite Stammzell-Tochterzelle nicht mehr praktisch beliebig oft teilen. Sie ist gezwungen, sich langsam aber sicher im Verlauf etlicher Zellteilungen immer stärker auf eine bestimmte Aufgabe zu spezialisieren. Dabei müssen sich mehrfach ihre Nachkommen für einen und gegen einen anderen Entwicklungsweg entscheiden.
naturwissenschaftliche Grundlagen für das Verständnis der Biologie
Mit Büchern kann man lernen, indem man sie einfach liest oder wichtige Aussagen markiert oder nur durch Wiederholung Erlernbares aufschreibt oder über Inhalte diskutiert. Schlichtes Lesen und auch bloßes Diskutieren reichen allerdings bei Biologiebüchern nicht aus. Man muss auch mit zusätzlichen Quellen unzählige Begriffe klären und durch mehrfache Wiederholung ähnlich wie Vokabeln auswendiglernen. Um beim Wiederholen nicht zu viel lesen zu müssen, sollte man aus einem Buch mit eigenen Worten so viel wie nötig, aber auch so wenig wie möglich herausschreiben. Dann kann man täglich das schon Gelernte wiederholen, bevor man mit der Erarbeitung weiteren Wissens fortfährt. Zur Einübung solcher Arbeit mit einem Buch dienen folgende Aufgaben. Daneben geht es natürlich immer auch um die Kunst des eleganten, präzisen und unmissverständlichen Formulierens. Und sogar noch wichtiger ist mir als Naturwissenschaftler die Gewöhnung an das unbequeme naturwissenschaftliche Denken.
Aufgaben zur Erarbeitung der Seiten 72-75 unseres Buches
Aufgaben zur Erarbeitung wichtiger Aussagen unseres Buches
1
Erkläre mit Hilfe der Seite 74 die Laktose-Intoleranz!
2
Nimm Stellung zu den Aussagen zur Natur der Enzyme am Ende des 2. Abschnittes auf Seite 72 und in der Mitte des letzten Abschnittes von Seite 74!
3
Erkläre mit Hilfe des ersten Abschnittes von Seite 75 den Unterschied zwischen einem Bindungszentrum und einem aktiven oder katalytischen Zentrum!
4
Überprüfe die Glaubwürdigkeit der Erklärung der Wirkungsweisen aller katalytischen Zentren im ersten Abschnitt der Seite 75!
5
Ermittle eine allgemeingültigere und damit richtigere Formulierung des im dritten Abschnitt der Seite 75 dargestellten allgemeinen Schemas einer Enzym-Reaktion!
6
Übersetze die auf Seite 75 in Abschnitt 4 genannten Zahlen zur Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen in allgemein verständliches Deutsch!
7
Erkläre mit Hilfe des 5. Abschnittes der Seite 75 den Zusammenhang zwischen Apoenzym und Holoenzym!
8
Fasse zusammen, wie im 5. Abschnitt der Seite 75 Cofaktoren und prosthetische Gruppen definiert werden!
9
Recherchiere im Internet, wie andere Quellen diese Begriffe definieren!
Aufgaben zur Erarbeitung der Seiten 78 und 80 unseres Buches
Die sogenannte Michaeliskonstante Km kann zeichnerisch bestimmt werden, denn sie entspricht der Substrat-Konzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit. Wenn die maximale (vmax) und die (initiale) anfängliche (V0) Reaktionsgeschwindigkeit bei einer bestimmten Substrat-Konzentration [S] bekannt sind, dann lässt sich vmax mit Hilfe der Michaelis-Menten-Gleichung berechnen:
Aufgaben zur Erarbeitung wichtiger Aussagen unseres Buches
1
Erkläre mit Hilfe des ersten Abschnitts auf Seite 78, warum die Maximalgeschwindigkeit einer Enzym-katalysierten chemischen Reaktion nicht von der Substrat-Konzentration abhängig sein kann!
2
Versuche zu erklären, warum jedes Enzym bei gegebenen Bedingungen wie Temperatur und pH-Wert eine Maximalgeschwindigkeit hat und was diese mit der Sättigungskonzentration zu tun hat!
3
Erkläre mit Hilfe des ersten Abschnitts und des linken Kurven-Diagramms auf Seite 78, wozu die Michaelis-Menten-Konstante gebraucht wird!
4
Erkläre mit Hilfe des zweiten Abschnitts auf Seite 78, warum die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substrat-Konzentration steigt!
5
Erkläre mit Hilfe des zweiten Abschnitts auf Seite 78, warum die maximale Reaktionsgeschwindigkeit in lebenden Zellen nie erreicht wird!
6
Erkläre die unterschiedlichen Verläufe (Formen) der drei Kurven auf Seite 80!
7
Versuche die Ungenauigkeiten in der blauen und der roten Kurve zu finden!
Aufgaben zur Erarbeitung der Seite 82 unseres Buches
Aufgaben zur Erarbeitung wichtiger Aussagen der Buchseite
1
Betrachte die Abbildung 1 und versuche zu erklären, wie Substratinduktion und Endprodukthemmung funktionieren und wozu sie gut sein könnten! Eine Erklärung der Endprodukthemmung findest Du wenn nötig in Abschnitt 6. An der Erklärung der Substratinduktion versucht sich unser Buch in Abschnitt 5.
2
Nenne den im ersten Abschnitt genannten Faktor, nach dem sich die in einer Zelle benötigte Anzahl eines bestimmten Enzyms richtet!
3
Nenne einen für die in einer Zelle benötigte Anzahl eines bestimmten Enzyms noch wichtigeren Faktor!
4
Nenne die im ersten Abschnitt angesprochenen Möglichkeiten einer Zelle, die Mengen bestimmter Stoffwechsel-Produkte zu regulieren!
5
Erkläre mit Hilfe des zweiten Abschnitts und eigenem Nachdenken die experimentelle Bestimmung der Wechselzahl eines Enzyms!
6
Erkläre die in den Abschnitten 3 und 4 dargestellten Forschungsergebnisse!
7
Erkläre, warum der letzte Satz des vierten Abschnitts unwissenschaftlich ist!
Nenne und erkläre die korrekte Bezeichnung für die im 5. Abschnitt irrtümlich Substratinduktion genannte Aktivierung von Enzymen durch Coenzyme oder andere Cofaktoren!
9
Es gibt in der Biochemie den Begriff Hilfsenzym für Enzyme, deren katalytische Wirkung in irgendeiner Weise ein anderes Enzym unterstützt. Anders als in unserem Buch behauptet, ist für diese Hilfsenzyme aber keineswegs der Begriff Coenzym gebräuchlich, denn Coenzyme sind etwas gänzlich anderes und Biochemiker wissen das. Dummerweise spricht unser Buch im völlig mißlungenen 5. Abschnitt auch von Cofaktoren UND Cosubstraten, obwohl die Cosubstrate eine Untermenge der Cofaktoren und ein treffenderes Synonym für den veralteten Begriff Coenzym sind. Und es behauptet undifferenziert, Cofaktoren gingen verändert aus Enzym-Reaktionen hervor. Das ist natürlich Unsinn, da auch Metall-Ionen zu den Cofaktoren gehören, die in Zellen weder verändert noch verbraucht werden können. Fasse zusammen, was unser Buch im 5. Abschnitt immerhin korrekt über Cosubstrate vermerkt!
10
Nenne die beiden im letzten Abschnitt genannten weiteren Mechanismen der Enzym-Aktivierung!
Die Seiten 84 und 85 unseres Buches haben wir uns ohne konkrete Fragen einfach durch Lesen und Herausschreiben erarbeitet. Man kann das im Lerntext Stoffwechselphysiologie nachlesen.
Aufgaben zur Erarbeitung der Seite 86 unseres Buches
Aufgaben zur Erarbeitung wichtiger Aussagen der Buchseite
1
Nenne die im Buch erwähnten Lebensvorgänge, für die der menschliche Organismus die chemische Energie der Nährstoffe in seiner Nahrung benötigt!
2
Erkläre den Unterschied zwischen Ruhestoffwechsel und Leistungsstoffwechsel!
3
Versuche den Unterschied zwischen Ruhestoffwechsel und Grundumsatz zu erklären!
4
Lies den zweiten Abschnitt der Seite 86 und versuche auf dieser Basis den Unterschied zwischen den körperlichen Bezugsgrößen von Ruhestoffwechsel und Stoffwechselintensität zu erklären!
5
Versuche den Begriff Homoiothermie zu definieren und nenne Vor- und Nachteile homoiothermer Tiere!
6
Erkläre, was Dissimilation bedeutet, wofür sie benötigt wird und was für sie benötigt wird!
7
Beschreibe die im Buch dargestellten Aufgaben unseres Blutes!
8
Beschreibe die Eigenschaften poikilothermer Tiere!
9
Erkläre, warum viele Säugetiere im Winter nicht homoiotherm bleiben können!
10
Erkläre, was uns die Thermografien von Elefant und Maus verraten!
Aufgaben zur Erarbeitung der Seite 88 unseres Buches
Aufgaben zur Erarbeitung wichtiger Aussagen der Buchseite
1
Überprüfe, ob der erste Satz der Buchseite 88 über eine gesunde Lebensweise theoretisch korrekt und praktisch realisierbar ist!
2
Nenne mit Hilfe des zweiten Abschnittes der Seite 88 die Bestandteile unserer Nahrung und was sie uns liefern!
3
Beschreibe mit nur einem Satz den Prozess unserer Energiegewinnung aus Nährstoffen im groben Überblick!
4
Beschreibe, was unsere Zellen mit der so gewonnenen Energie machen!
5
Definiere mit Hilfe der Buchseiten 88 und 89 die Begriffe: "Direkte Kalorimetrie", "Indirekte Kalorimetrie", "Kalorisches Äquivalent" und "Respiratorischer Quotient"!
