Biologie-Lerntext für die Einführungsphase der gymnasialen Oberstufe

Roland Heynkes, 15.1.2019

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
	Was sind Lebewesen?
	Endosymbiontentheorie
	Stammzellen und Differenzierung
	evolutionärer Wettkampf Zelle gegen Viren
	Die Bekämpfung von Krebs- und Virus-infizierten Zellen durch Killerzellen
	Grundbegriffe der Zellbiologie im Zusammenhang" (pdf)
	Inhaltsfeld Biologie der Zelle
	Organellen und der Aufbau einer tierischen Zelle
	raues endoplasmatisches Retikulum
	Mikrotubuli, Intermediärfilamente und Mikrofilamente bilden das Zytoskelett.
	Lipide, die Zellmembran, Exozytose und Endozytose und Transmembran-Transport
	Exozytose und Endozytose, Membranfluss und Fließgleichgewicht
	Zellkerne mit Nukleoli und Zellkernhülle mit Kernporen
	Chromosomen sind die Kochbücher des Lebens.
	die Strukturen von Nukleotiden und DNA
	Was ist anders bei Pflanzenzellen
	Zellzyklus mit DNA-Replikation und Mitose
	bisher erarbeitete Arbeitsblätter - Lernmodule
	Die Bedeutung der Baupläne für alle Lebewesen
	Übungsmodul zu den Fachbegriffen
	Nachdenken über die Natur der Lebewesen
	Was wir in diesem Schuljahr im Fach Biologie erarbeiten müssen
	Biopolymer-Fachbegriffe
	von Aminosäuren zu Proteinen
	Diffusion und Osmose
	etwas Thermodynamik
	Enzyme
	Wissen aktiv zu erarbeiten ist besser als sich passiv unterrichten zu lassen.
	naturwissenschaftliche Grundlagen für das Verständnis der Biologie
	Lernen mit Büchern

Hier findet Ihr die Sicherheitsbelehrung für Biologie-Räume.

Eine vertiefte Beschäftigung mit den wirklich allen Lebewesen jederzeit gemeinsamen Eigenschaften ist nicht wichtig für gute Noten. Ich frage danach auch nicht in Klausuren. Aber das ist eine der wichtigsten Fragen für alle, die sich für das Phänomen Lebewesen interessieren. Deshalb haben wir darüber nachgedacht und besonders Interessierte können dazu den Lerntext: "Was sind Lebewesen?" lesen.

Alle Eukaryoten sind Endosymbiosen. Wie es dazu kam, erklärt die Endosymbiontentheorie. Die Endosymbiontentheorie ist nicht nur entscheidend für das Verständnis des komplexen Aufbaus der Eukaryoten. Auch in Klausuren wird vorausgesetzt, was wir darüber im Unterricht besprochen haben. Informationen zur Endosymbionten-Theorie gibt es verteilt auf zwei Texte:

• Eukaryoten enthalten Baupläne nicht nur im Zellkern.
• die Endosymbionten-Theorie

Inzwischen wiederholt haben wir uns mit dem Potential, den Risiken und der Kontrolle von Stammzellen sowie mit dem Phänomen der Differenzierung beschäftigt. Es ist aber nicht unwichtig für das Verständnis der Zelle und der Bedeutung ihres inneren Bauplans. Noch einmal nachlesen kann man es im Lerntext: "Stammzellen und Differenzierung".

Wir sahen und diskutierten eine Animation des Abwehrkampfes einer Zelle gegen Adenoviren, die sich in ihr zu vermehren versuchen. Man kann diese Dokumentation immer wieder im Fernsehen, aber auch jederzeit hier und hier im World Wide Web sehen.

Damit sich alle Lernenden voll auf die einmaligen Bilder konzentrieren können, habe ich den Inhalt des Films in einer eigenen Dokumentation zusammengefasst.

Anhand dieses Films besprachen wir wichtige Prinzipien der Biologie:

• Lebewesen bauen Strukturen ab, die sie länger nicht benutzt haben.
• Lebewesen verstärken oder vermehren Strukturen, die sie intensiv benutzten bzw. trainieren.
• Alle Strukturen in und auf Lebewesen haben Funktionen, für die ihre Formen durch die Evolution optimiert wurden.

Das Präsentieren von Peptiden auf MHC-1-Präsentiertellern zum Zwecke der Eliminierung Virus-infizierter Zellen wird schon beschrieben in der Dokumentation über den ewigen Kampf zwischen Zellen und Viren. Ausführlicher und anschaulicher wird dies dargestellt im Kapitel Die Bekämpfung von Krebs- und Virus-infizierten Zellen durch Killerzellen im Lerntext Immunsystem.

Eigentlich schon durch die Beschäftigung mit dem Kampf zwischen Zellen und Viren erarbeiteten Fachbegriffe und Konzepte haben wir mit einem Arbeitsblatt vertieft. Noch einmal nachlesen kann man das im Lerntext: "Grundbegriffe der Zellbiologie im Zusammenhang" (pdf).

Was in der Jahrgangsstufe 10 (Einführungsphase) laut Kernlehrplan inhaltlich zum Inhaltsfeld Biologie der Zelle vermittelt werden soll, erklärt der Lerntext Zellbiologie, der seinerseits als Basis eines Hypertextes auf andere Texte verweist. Besonders in den Lerntext Organellen habe ich große Teile des Lerntextes Zellbiologie ausgelagert.

Zum Thema Organellen eukaryotischer Zellen gibt es den Lerntext Organellen.

Zum im Unterricht erarbeiteten Aufbau tierischer Zellen zum findet man im Lerntext Organellen das Kapitel Der Aufbau einer tierischen Zelle.

Informationen zum rauen endoplasmatischen Retikulum der eukaryotischen Zellen findet man im Lerntext Organellen.

Informtationen über das aus Mikrotubuli, Intermediärfilamenten und Mikrofilamenten bestehende Zytoskelett gibt es im Lerntext Zellbiologie.

In eigenen Lerntexten findet man Informationen zu den im Unterricht behandelten Themen Lipide, die Zellmembran und Transmembran-Transport.

Informationen zu Exozytose und Endozytose, Membranfluss und Fließgleichgewicht findet man im Lerntext Membranfluss:

• der Membranfluss im Fließgleichgewicht
• Exozytose und Endozytose
• Lernkasten Membranfluss

Die Themen Zellkerne (Nukleus) eukaryotischer Zellen, Nukleoli, Zellkernhülle und Kernporen erarbeiteten wir uns mit dem Lerntext Organellen:

• Zellkerne als Bibliotheken eukaryotischer Zellen
• Zellkern-Transplantations-Experimente
• Acetabularia-Experimente
• Nukleolus
• Zellkernhülle mit Kernporen

Mit dem Lerntext Genetik erarbeiteten wir uns die Themen:

• Chromosomen sind die Kochbücher des Lebens.
• Unsere Chromosomen enthalten das menschliche Genom.
• Chromosomen werden kopiert und vererbt
• ein Erbgang ohne Crossing-over
• Verdoppelt wird in Chromosomen hauptsächlich die DNA

Ebenfalls mit dem Lerntext Biomoleküle erarbeiteten wir uns die Themen:

• Nukleotide sind die Monomere der Nukleinsäuren.
• Die Struktur der DNA
• Vereinfachende Schemata machen das Potential der DNA-Struktur sichtbar.

Die Besonderheiten der Pflanzenzelle erarbeiteten wir uns mit dem Lerntext Zellbiologie:

• Was ist anders bei Pflanzenzellen
• Zellwand
• Plastiden
• Chloroplasten
• Vakuolen

Dazu gibt es ein Lernmodul mit Klausur-ähnlichen Aufgaben (pdf).

Informationen zu Zellzyklus mit DNA-Replikation und Mitose findet man im Lerntext Lerntext Zellbiologie:

• Der Zellzyklus
• DNA-Replikation
• Mitose

Klausur-ähnliche Aufgaben zum Lerntext Grundbegriffe der Zellbiologie im Zusammenhang (pdf)

Klausur-ähnliche Aufgaben zur Dokumentation: "Die Reise ins Innere der Zelle" (pdf)

Klausur-ähnliche Aufgaben (pdf) zum Kapitel "Zellkerne als Bibliotheken eukaryotischer Zellen" im Lerntext Organellen

Klausur-ähnliche Aufgaben (pdf) zur Pflanzenzelle mit dem Lerntext Zellbiologie ab dem Kapitel "Was ist anders bei Pflanzenzellen"

Mit dem Lerntext Genetik erarbeiteten wir uns die Themen:

• Wofür brauchen Lebewesen Baupläne?
• Lebewesen sind ständig neu materialisierte Information.
• Biopolymere aus unterschiedlichen Monomeren können Informationen in Sequenzen enthalten.
• DNA in Chromosomen als Träger der Erbinformation
• Vom Gen zum Genprodukt und zur Eigenschaft
• Lernkasten Genetik und Evolution

Ein Aufgabenmodul soll die Arbeit mit Material im Sinne einer Klausur einüben. Die Aufgaben für die selbständige Erarbeitung befinden sich im Übungsmodul Fachbegriffe. Die Informationen sollen in unserem Biologiebuch gefunden werden.

Viele halten die Biologie für ein nettes leichtes Nebenfach, das vor allem Erholung, Spaß und gute Noten verspricht. In Wirklichkeit sind die Anforderungen an Fleiß, Intelligenz, selbständiges Denken und sprachliche Fähigkeiten in keinem Schulfach höher als in der Biologie. Das liegt natürlich an der unvergleichlichen Komplexität und Vielfältigkeit der Lebewesen und deren Beziehungen. Erschwerend kommt aber hinzu, dass es in der Biologie praktisch keine exakten und allgemein akzeptierten Definitionen und viel mehr offene Fragen als Wissen gibt, obwohl unsere Biologie-Schulbücher den Eindruck gesicherter Erkenntnisse und einer präzisen Fachsprache zu vermitteln versuchen.

Ein gutes Beispiel für diese Probleme der Biologie ist die scheinbar einfache Frage nach der Natur der Lebewesen oder dem Unterschied zwischen Lebewesen und Nichtlebewesen. So steht zum Beispiel in einem erst 2015 überarbeiteten Biologiebuch für die Einführungsphase: "Lebewesen von Unbelebtem zu unterscheiden gelingt in der Regel leicht.". Selbst Autoren von Biologiebüchern schreiben derart groben Unsinn, weil sie wichtige Prinzipien noch nicht verstanden oder beim Formulieren nicht genügend nachgedacht haben. Selbst eigentlich erfahrene Naturwissenschaftler vergessen oft, dass in der Biologie fast nichts so einfach ist wie es scheint und dass es sich immer wieder lohnt, über scheinbar selbstverständliches noch einmal gründlich nachzudenken. Vor allem sollte man in der Biologie immer versuchen, Aussagen durch Gegenbeispiele zu widerlegen. Man nennt das Falsifizieren und es ist ein Grundpfeiler naturwissenschaftlichen Denkens.

Denken wir also mal einen Moment darüber nach, warum der Satz in diesem Biologiebuch so falsch und irreführend ist. Immerhin waren die Autoren umsichtig genug, mit der Möglichkeit von Ausnahmen zu rechnen und eine absolute Aussage zu vermeiden, die in der Biologie meistens falsch sind. Trotzdem ist ihnen ein schwerwiegender Fehler unterlaufen, indem sie Lebewesen und Unbelebtes als Gegensatz darstellen. Das ist deswegen so problematisch, weil es Lernende zu der Annahme verleitet, Lebewesen könnten nicht unbelebt sein. Dabei ist es sehr wichtig zu verstehen, dass Lebewesen Pausen vom Leben machen können. Das schon sehr lange bekannte und wohl berühmteste Beispiel dafür ist das Bärtierchen, in welchem in einem völlig ausgetrockneten Zustand keinerlei Lebensprozesse mehr nachweisbar sind, das aber bei wieder günstigeren Lebensbedingungen mit etwas Glück aus diesem todesähnlichen Zustand ins Leben zurück kommen kann. In ihrem berühmten Lehrbuch der Botanik für Hochschulen schrieben die Autoren Strasburger, Noll, Schenck und Schimper schon vor über Hundert Jahren, dass es bei Flechten und Pflanzen viele Beispiele für den latentes Leben genannten Zustand gebe, in dem ein Lebewesen ohne jeden Lebensprozesse lange Zeiträume mit extrem ungünstigen äußeren Einflüssen lebensfähig überdauern kann.

Nun könnte man vielleicht meinen, das latente Leben bzw. die Pause vom Leben interessiere doch außer übergenauen Biologen keine Sau und man könne das unter dem Motto: "didaktische Reduktion" in einem Schulbuch einfach ignorieren. Aber wenn man wie die Autoren vieler Biologiebücher behauptet, alle Lebewesen tauschten als offene Systeme ständig Stoffe und Energie aus und seien fähig zu Regulation, Reaktion, Kommunikation und Reproduktion, dann erklärt man damit in flüssigem Stickstoff eingefrorene menschliche Embryonen zu toter Materie. Und weil ein Embryonenschutzgesetz für tote Materie kompletter Unsinn wäre, könnte man mit dieser Argumentation durchsetzen, dass man eingefrorene menschliche Embryonen einfach vernichten oder damit experimentieren dürfte. Spätestens da hört der Spaß mit der didaktischen Reduktion aber auf und das Nachdenken über die Natur der Lebewesen sollte doch ernsthafter betrieben werden als von den Autoren unserer Biologiebücher. Näheres dazu findet sich in meinem Lerntext Lebewesen.

Welche inhaltlichen Schwerpunkte im Fach Biologie in der Einführungsphase (Jahrgangsstufe 10) erarbeitet werden sollen, gibt der Kernlehrplan Biologie verbindlich vor. Ein gelegentlicher Blick auf die darin genannten Themen kann daher nicht schaden. Der Kernlehrplan Biologie kann allerdings jederzeit vom Schulministerium NRW geändert werden. Die folgende Tabelle zeigt anhand unseres schulinternen Curriculums hauptsächlich, auf welchen Seiten unseres Biologie-Buches die vom Kernlehrplan Biologie geforderten Inhalte zu finden sind.

Eine Tabelle mit Biopolymer-Fachbegriffen findet man im Lerntext Biomoleküle.

In den folgenden Kapiteln werden die Peptide und die Nukleinsäuren näher betrachtet.

Mit dem Lerntext Biomoleküle erarbeiteten wir uns die Themen:

• 20 Aminosäure-Sorten sind die Bausteine all unserer Proteine
• Peptide
• Peptidbindung
• Sekundärstruktur Alphahelix
• Sekundärstruktur ß-Faltblatt
• Proteine
• Quartärstruktur eines Proteins

Zur Erarbeitung und Wiederholung dieses Themas nutzen wir den Lerntext Diffusion und Osmose

Verglichen mit den Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen ändern sich Temperatur und Druck in Zellen nur langsam. Man kann also bei den unzähligen, in lebenden Zellen ablaufenden chemischen Reaktionen davon ausgehen, dass Temperatur und Druck konstant bleiben. Unter diesen Umständen lässt sich mit folgender, relativ einfacher Gleichung ermitteln, ob eine chemische Reaktion spontan abläuft:

ΔG = ΔH - T · ΔS

G steht für die freie Energie eines Systems (z.B.: der an einer chemischen Reaktion besteiligten Edukte und Produkte). Die absolute Größe dieser freien Energie kann nicht bestimmt werden, sondern lediglich deren Änderungen ΔG.

H steht für die innere Energie (die gesamte für thermodynamische Umwandlungsprozesse zur Verfügung stehende Energie) des Systems (der an einer chemischen Reaktion besteiligten Stoffe). Die absolute Größe dieser inneren Energie kann nicht bestimmt werden, sondern lediglich deren Änderungen ΔH. Durch den Austausch von Wärme oder Arbeit kann sich die innere Energie eines Systems ändern.

S steht für die Entropie, also die molekulare Unordnung. T steht für die absolute Temperatur (in Kelvin) und Δ für eine Änderung.

Ist die Änderung der freien Energie ΔG negativ, dann kann eine chemische Reaktion spontan/freiwillig, also ohne Energiezufuhr von außen ablaufen. Solche chemischen Reaktionen nennt man exergonisch. Der Grund kann eine Abnahme der inneren Energie sein, also ein negatives ΔH. Chemische Reaktionen können aber auch angetrieben werden durch eine Zunahme der Entropie (Die Temperatur T bleibt ja praktisch konstant.). Im Gegensatz zur Darstellung unseres Buches laufen auch endergonische Prozesse laufen spontan/freiwillig ab, obwohl es dazu einer Energiezufuhr bedarf. Wäre es nicht so, dann könnten die meisten chemischen Reaktionen immer nur in eine Richtung ablaufen und eine Rückreaktion wäre unmöglich. Ist die Hinreaktion exergonisch und die Rückreaktion entsprechend endergonisch, dann gibt es im Gleichgewichtszustand mehr Produkte als Edukte, weil die Hinreaktion wahrscheinlicher als die Rückreaktion ist.

Exergonische chemische Reaktionen verwandeln zunächst Edukte (Ausgangsstoffe) in Produkte. Nehmen aber die Konzentrationen der Produkte zu und ist die chemische Reaktion reversibel (Das sind fast alle chemischen Reaktionen.), dann kommt es zu einer immer umfangreicheren Rückreaktion, bis sich bei irgendeinem Verhältnis von Edukten zu Produkten ein Gleichgewicht einstellt. Und weil in lebenden Zellen ständig Edukte nachgeliefert und Produkte verbraucht oder abtransportiert werden, bilden auch die chemischen Reaktionen in lebenden Zellen Fließgleichgewichte.

Enzyme sind von Lebewesen produzierte Katalysatoren und heißen deshalb auch Biokatalysatoren. Enzyme beschleunigen und lenken chemische Reaktionen. Dadurch können chemische Reaktionen bis zu 10¹² mal schneller ablaufen. Das entspricht ungefähr der Beschleunigung einer Schnecke auf Lichtgeschwindigkeit.

Entscheidend ist das im Verlauf der Evolution perfektionierte aktive Zentrum eines Enzyms. Das aktive Zentrum bindet das Substrat nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Beide bilden in einer reversiblen Gleichgewichtsreaktion einen Enzym-Substrat-Komplex. Dabei verändern Enzym und Substrat ihre Formen so, dass das Substrat die gewünschte chemische Reaktion besser ausführen kann. Die Konformationen von Enzym und Substrat passen sich aneinander an und die Verbiegung des Substrates überführt es in einen energiereicheren und reaktionsfreudigeren Übergangszustand.

Nach einer chemischen Reaktion hat das Enzym wieder seine ursprüngliche Form, während die Substrate in die Produkte verwandelt wurden. Ein Beispiel dafür ist die Reaktion von Glucose und ATP zu ADP und Glucose-6-Phosphat.

Enzyme katalysieren die Hin- und auch die Rückreaktionen, sodass sich Gleichgewichte zwischen Substraten und Produkten einstellen. Dieses Gleichgewicht wird von Enzymen nicht beeinflusst.

Nicht wirklich erklärt hat unser Buch die Begriffe Cosubstrate, Cofaktoren und Coenzyme. Wir erarbeiten uns das mit dem Kapitel Cofaktoren in meinem Lerntext Stoffwechselphysiologie.

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 meinen 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.

Zur Erklärung naturwissenschaftlicher Grundlagen für das Verständnis der Biologie gibt es die Lerntexte:

• "Physikalische Grundlagen für das Verständnis von Chemie und Biologie"
• "Chemische 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. 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.

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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0