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.
In diesem Lerntext habe ich die drei Lerntexte meiner drei EF-Kurse zusammengeführt und etwas modularer sortiert. Klickt man im Inhaltsverzeichnis auf die blauen Pfeile, so springt man innerhalb des Textes nach unten in das entsprechende Kapitel. Mit einem Klick auf die Kapitelüberschrift springt man vom Inhaltsverzeichnis direkt in ein ausführlicheres Kapitel eines anderen Textes.
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Wissen aktiv zu erarbeiten ist besser als sich passiv unterrichten zu lassen. |
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Die Sicherheitsbelehrung |
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Was ist Biologie? |
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Die Naturwissenschaftliche Methode |
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Inhaltsfeld Biologie der Zelle |
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einzellige Lebewesen |
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Stammzellen differenzieren zu spezialisierten Zellen. |
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naturwissenschaftliche Grundlagen für das Verständnis der Biologie |
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Osmose |
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Enzyme - Biokatalysatoren der Zellen |
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Die Bedeutung von Sport für unsere Gesundheit |
Wissen aktiv zu erarbeiten ist besser als sich passiv unterrichten zu lassen.
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Unterricht im Klassenverband ist nur für wenige Schülerinnen und Schüler eine effektive Lernmethode. Selten stimmt die Chemie zwischen wirklich allen Lernenden und Lehrenden einer Klasse und es entwickeln sich oft Spannungen zwischen Interessierten und Desinteressierten, Langsamen und Schnelldenkern, Fleißigen und Bequemen, Extrovertierten und Introvertierten. Unterricht zwingt allen Lernenden das selbe Lerntempo auf und macht Pausen zum Nachdenken zumindest nicht für jeden zum richtigen Zeitpunkt. Nur wenige Lernende trauen sich, nach einer Phase der Unaufmerksamkeit um eine Wiederholung zu bitten. Und während sich die besten Lernenden langweilen, fühlen sich die lernschwächsten überfordert. Außerdem drängt Unterricht die Lernenden in eine passive Haltung, die Konzentration und Gedächtnisse beeinträchtigt.
Viel besser funktioniert aktives Selberlernen, sofern man über passendes Selbstlernmaterial verfügt. Vor allem dafür habe ich meine Lerntexte verfasst, aber Andere können das zumindest technisch viel besser als ich. Deren Animationen und Lernvideos sind zwar nicht so genau auf meine Klassen und Kurse zugeschnitten, aber besonders für Interessierte bieten sie wunderbare Möglichkeiten für vertiefendes Selbststudium.
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.
Die Sicherheitsbelehrung
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Hier findet Ihr die Sicherheitsbelehrung für Biologie-Räume.
Was ist Biologie?
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Was man über den Begriff Biologie mindestens wissen sollte, findet Ihr im ersten Kapitel des Lerntextes Biologie.
Die Naturwissenschaftliche Methode
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Eine vereinfachte Darstellung der naturwissenschaftlichen Methode des Lernens findet Ihr im Lerntext: "Wie forschen Biologen".
Inhaltsfeld Biologie der Zelle
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Was in der Jahrgangsstufe 10 (Einführungsphase) laut Kernlehrplan inhaltlich zum Inhaltsfeld Biologie der Zelle vermittelt werden soll, erklärt mein Lerntext Zellbiologie.
einzellige Lebewesen
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Vor dem Lesen dieser Zusammenfassung sollte man versuchen, sich den Lernstoff mit Hilfe des dazu gehörenden Lernmoduls selbständig zu erarbeiten.
Wer es anschaulich mag, kann bei YouTube unter anderem von mir mikroskopierte Bakterien, tierische (Protozoen) und pflanzliche Einzeller sowie die Zellen eines Pflanzenblattes in kurzen Videos beobachten.
Außer Pflanzen, Pilzen und Tieren gibt es auch Lebewesen, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen. Manche dieser Einzeller lassen sich nicht in einfache Definitionen pressen.
Euglena als Schema  |
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| Claudio Miklos, CC0 1.0 |
| Das Augentierchen ist ein tierischer Einzeller, der auch ein pflanzlicher Einzeller sein kann und damit die Freunde einfacher Definitionen in Schwierigkeiten bringt. |
Vielzellige Eukaryoten haben viele unterschiedliche Zelltypen für verschiedene Aufgaben. Weil Euglena aus nur einer Zelle besteht, muss diese alles selbst machen und auch können. Wir haben eigene Organe für das Sehen oder die Wahrnehmung der Erdanziehung. Einzeller wie Euglena schaffen das ohne Organe und Nervenzellen.
| Euglena viridis kann seine Form verändern. |
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| Christian Gottfried Ehrenberg, Die Infusionsthierchen, 1838, United States public domain |
| Diese uralten Zeichungen zeigen, was für unterschiedliche Körperformen Euglena annehmen kann. |
Euglena stellt die Unterscheidung zwischen tierischen und pflanzlichen Einzellern in Frage. Steht ausreichend Licht zur Verfügung, vermehren sich Chloroplasten in Euglena, betreiben Fotosynthese und färben den Einzeller grün. Fehlt es an Licht, nimmt die Zahl der Chloroplasten ab, Euglena wird blass und muss mehr Biomoleküle fressen. Es gibt auch Euglena-Spezies, die ihre Chloroplasten komplett verloren haben und in denen deshalb auch bei ausreichendem Licht keine neuen mehr entstehen können.
Autotrophe Organismen benötigen keine energiereiche Nahrung, weil sie die Strahlungsenergie bestimmter Anteile des Lichts oder die chemische Energie bestimmter anorganischer Stoffe wie Schwefelwasserstoff nutzen können. Ihnen genügen daher anorganische Kohlenstoffquellen wie Kohlenstoffdioxid (CO2). Heterotrophe Organismen müssen energiereiche Nahrung aufnehmen.
Euglena besitzt eine lange und eine kurze Geißel. Beide bestehen aus Microtubuli, die auch die dicksten Elemente des Cytoskeletts bilden. Mit seiner langen Geißel kann Euglena rotieren und schwimmen. Euglena rotiert, bis sein rot gefärbter Augenfleck den Fotorezeptor beschattet. Vom Fotorezeptor aus betrachtet zeigt dann der Augenfleck genau auf die Lichtquelle.
Euglena vermehrt sich durch Zellteilung, nachdem sich zunächst der Zellkern und danach auch andere Organellen geteilt haben. Wenn bei höheren Temperaturen viele Längsteilungen rasch nacheinander erfolgen, können einzelne Euglena entstehen, die keinen Chloroplasten erhalten haben.
| Das Augentierchen (Euglena mutabilis) |
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| anonym, CC BY-SA 3.0, Original |
Mehr Informationen über Euglena gibt es auf der Internetseite: Das Augentierchen Euglena.
| Pantoffeltierchen (Paramecium aurelia) |
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| amerikanischer Informatiker, CC BY-SA 3.0 |
Pantoffeltierchen (Paramecien) leben in Tümpeln oder an Heu oder Laub, das von Destruenten schon teilweise zersetzt wurde. Paramecien werden ungefähr 0,3 mm lang und tragen auf ihrer elastischen Zellhaut (Pellicula) mehr als 10.000 rhythmisch schlagende Wimpern, mit deren Hilfe der tierische Einzeller um seine Längsachse rotierend durch Wasser schwimmt.
Pantoffeltierchen besitzen einen kleinen, den vollständigen Bauplan enthaltenden Mikronucleus. Zusätzlich enthalten sie einen großen, alle Chromosomen mehrfach enthaltenden Makronucleus.
Mit Wimpern im Bereich des Mundfeldes strudeln Pantoffeltierchen Nahrungspartikel (Bakterien oder Pflanzenreste) zum Zellmund. Dort werden sie (durch Endocytose) in eine Nahrungsvakuole (Endosom) aufgenommen. Während in ihr (nach Fusion mit Lysosomen) die Nahrungspartikel verdaut werden, wandert die Nahrungsvakuole auf einer festgelegten Bahn durch das Cytoplasma zum Zellafter. Die freigesetzten Nährstoffe werden ins Cytoplasma abgegeben. Unverdauliches wird am Zellafter ausgeschieden. Die Aufnahme der Nahrung in die Zelle erfolgt durch Endocytose, die Ausscheidung unverdaulicher Reste durch Exocytose.
Paramecien nehmen Temperatur-Unterschiede, chemische Reize und mechanische Hindernisse wahr und reagieren darauf mit Richtungsänderungen durch Veränderungen des Wimpernschlages.
| Pantoffeltierchen (Paramecium) |
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| Michael Frey, CC BY-SA 3.0 |
Weil Euglena und Pantoffeltierchen in Süßwasser leben, lässt Osmose ständig Wasser in die Zellen eindringen. Euglena und Paramecium besitzen deshalb pulsierende Vakuolen. Sternförmig um diese herum sind Kanälchen angeordnet, die Wasser mit darin gelösten Salzen und Abfallstoffen aus dem Cytoplasma aufnehmen. Diese sternförmig angeordneten Zuführungskanälchen leiten das Wasser in Sammelbläschen, aus denen die beiden pulsierenden Bläschen (kontraktilen Vakuolen) das Wasser ansaugen und über einen Exkretionsporus aktiv ausscheiden.
Stammzellen differenzieren zu spezialisierten Zellen.
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Tiere und Pflanzen besitzen verschiedene Organe wie Wurzeln, Blätter und Blüten. Jedes Organ besteht aus mehreren Geweben, die ihrerseits aus vielen sehr ähnlichen Zellen bestehen. Die Unterschiedlichkeit der Zellen verschiedener Gewebe beruht darauf, dass in ihnen unterschiedliche Gene transkribiert und translatiert werden. Diese Unterschiedlichkeit entwickelt sich langsam über mehrere Zellzyklen hinweg und wird Differenzierung genannt.
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 fast allen 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 Zelltyp differenzieren 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
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Zur Erklärung naturwissenschaftlicher Grundlagen für das Verständnis der Biologie gibt es die Lerntexte:
Osmose
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Zur Erklärung der Osmose gibt es einen eigenen Lerntext.
Enzyme - Biokatalysatoren der Zellen
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Was wir uns zum Thema Enzyme erarbeiten, fasst der Lerntext Stoffwechselphysiologie zusammen. Als eine der wirksamsten Lernstrategien hat sich erwiesen, solche Lerntexte schon vor dem Unterricht zu lesen.
Die Bedeutung von Sport für unsere Gesundheit
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Immer mehr wissenschaftliche Untersuchungen zeigen immer deutlicher, wie wichtig sportliche Aktivitäten für unsere Gesundheit sind. Muskeln dienen nicht nur der Bewegung, sondern sie stabilisieren unser Skelett, schützen unsere Gelenke, halten unsere Knochen stark und gesund, reduzieren speziell das gefährliche Bauchfett und verhindern Zivilisationskrankheiten wie Diabetes, stimulieren unser Immunsystem sowie die Vermehrung von Nervenzellen, halten unsere Blutgefäße gesund und lassen neue wachsen. Muskelarbeit schützt sogar unsere Zellen vor schädlichen Umwelteinflüssen. Wie ist das möglich? Wie können sie soviele positive Effekte im ganzen Körper haben?
Wenn Muskeln durch harte Arbeit oder gezieltes Muskeltraining an ihre Leistungsgrenzen gebracht werden, dann stimuliert das nicht nur Muskelwachstum und eine bessere nervliche Ansteuerung der Muskeln, sondern die ermüdeten Muskeln geben auch ein breites Spektrum unterschiedlicher Botenstoffe ins umliegende Gewebe und ins Blut ab. Man nennt diese Botenstoffe Myokine und unsere Blutgefäße bringen sie zu jeder Zelle im Organismus. Myokine aktivieren beispielsweise die Killerzellen, die uns vor Krebs und Virus-Infektionen schützen. Sie fördern den Schutz (Antioxidantien) und die Reparatur (Reparatur-Enzyme) der DNA in unseren Zellen. Sie regen die Vermehrung von Stammzellen an, deren Tochterzellen zu neuen Nervenzellen, Herzmuskelzellen und wahrscheinlich noch vielen weiteren wichtigen Zellarten differenzieren. Manche Myokine ersetzen das Insulin, andere schützen unseren Körper vor schädlichen Entzündungen. Bei Männern stimulieren Myokine die Produktion von Testosteron, das seinerseits bei älteren Männern statt Fettpolstern mehr Muskeln wachsen lässt.
Muskeln schützen unsere Gelenke schon durch leichte Bewegung, weil dadurch die Gelenkschmiere von der Gelenkkapsel in den Gelenkspalt zu den Knorpelzellen gebracht wird, die nur so mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt werden können. Sind die Skelettmuskeln ausreichend stark, dann ziehen sie mit Hilfe der Sehnen Gelenkköpfe fest in ihre Gelenkpfannen, sodass die Knorpel beider Seiten immer nur durch eine dünne Schicht von Gelenkschmiere von einander getrennt sind. Wird dann ein Gelenk plötzlich stark belastet, dann werden die Knorpelschichten nur sanft gegeneinander gedrückt und es kommt nicht zu einem schädlichen Aufprall und Verschleiß. Die Stabilisierung der Gelenke durch Muskeln macht auch Bänderrisse und Verletzungen der Gelenkkapsel viel unwahrscheinlicher.
Zu schwache Muskeln und Bewegungsmangel sind auch die Hauptursachen für Rücken und Schulterschmerzen, Plattfüße und kaputte Knie. Osteoporose kann zwar auch durch einseitige Ernährung und zu wenig Sonne auf der Haut oder in seltenen Fällen genetisch bedingt sein, aber meistens ist sie eine Folge zu schwacher Muskeln und zu wenig körperlicher Anstrenung.
Unsere Venen und Lymphgefäße funktionieren nur und bleiben nur gesund, wenn in ihren Umgebungen Muskeln arbeiten. Wenn sie arbeiten, halten uns Muskeln warm. Aber selbst wenn sie nicht arbeiten, tragen sie erheblich zu unserem Energie-Grundumsatz bei und sorgen so dafür, dass insbesonder ältere Menschen erheblich mehr essen können, ohne zu verfetten.
Für all diese positiven Wirkungen trainierter Muskeln brauchen wir weder riesige Muskelberge noch übermäßigen Zeitaufwand. Man sollte nur jede sich bietende Gelegenheit nutzen, statt des Autos das Fahrrad und statt Aufzügen und Rolltreppen die Treppen zu benutzen. Man sollte nicht zu lange stillsitzen und häufig die Haltung ändern. Und anstatt immer nur würdevoll zu schreiten, sollte man häufiger rennen. Denn dafür ist der menschliche Körper gemacht und das braucht er, um Herz und Lunge zu trainieren. Dafür werden wir auch belohnt durch die Ausschüttung von Botenstoffen, die glücklich machen, Depressionen vertreiben, Schmerzen lindern, Stress abbauen und die Konzentration fördern.
Zusätzlich zu Alltagsbewegung und Ausdauersport braucht der menschliche Organismus aber auch regelmäßig die ganz große Kraftanstrengung, die unsere Muskeln für wenige Minuten belastet, bis sie nicht mehr können. Etwa alle 2-3 Tage sollten Menschen ohne entsprechende berufliche oder sportliche Belastung vor dem Duschen beispielsweise ihre Schultermuskulatur durch Liegestützen, Klimmzüge und mit Gummibändern trainieren, die nach oben gedrückt bzw. nach hinten gezogen werden. Langes Sitzen sollte man durch einige Minuten im Skiabfahrtsitz unterbrechen. Längeres Stehen kann man durch minimales Anheben der Ferse für ein Training der Fußmuskulatur nutzen. Beim Fernsehen kann man ohne Zeitverlust lange auf der Stelle laufen.
Die dritte wichtige Komponente des Gesundheitstrainings sind Koordination-Übungen. Man sollte seine Gleichgewichtssinne, Muskelsensoren, Reflexe und die Feinmotorik trainieren, um Unfällen und Verletzungen vorzubeugen. Dazu kann man im Bus stehen, öfter auch einem anstatt auf zwei Beinen stehen und dabei auch schon mal die Augen schließen. Natürlich kann man dazu auch Rüttelplatten oder einfach aufgeblasene Balancierkissen benutzen. Spielerischer lassen sich dazu auch viele Sportarten nutzen, die einen häufig aus dem Gleichgewicht bringen.
In Stichworten zusammengefasst:
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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0
