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10. Klasse

Genetik

Langentwurf: Das Verhalten der Chromosomen bei der Teilung von Körperzellen (Mitose)

1 Unterrichtsgegenstand

1.1 Thema der Unterrichtsstunde

Das Verhalten der Chromosomen bei der Teilung von Körperzellen

1.2 Thema der Unterrichtsreihe

Klassische Genetik / Chromosomentheorie der Vererbung

1.3 Thema des unmittelbar vorangegangenen Unterrichts

Entwicklung einer Theorie zur Erklärung der ersten und zweiten mendelschen Regel

1.4 Thema der folgenden Stunden

Weitere Stunde zur Mitose; Untersuchung von Geschlechtszellen bei der Zellteilung (Meiose); Vergleich von Mitose und Meiose

2 Unterrichtsvoraussetzungen

Die Klasse zeigte sich bisher biologischen Themen gegenüber aufgeschlossen und interessiert. In alphabetischer Reihenfolge wechseln sich die S. beim Anfertigen von Stundenprotokollen ab; diese werden jeweils benotet und gehen in die Zensur der allgemeinen Mitarbeit ein.
In den letzten Stunden sind die erste und zweite mendelsche Regel an einem monohybriden, dominant-rezessiven Erbgang (Samenfarbe der Saaterbse) abgeleitet worden. Dabei wurde mit Hilfe eines Buchstabenexperimentes ein Erklärungsversuch unternommen, der zum Ergebnis hatte, dass die Erbanlagen doppelt vorhanden sein müssen und bei der Ausbildung von Geschlechtszellen offensichtlich voneinander getrennt werden.
Außerdem wurde herausgestellt, dass Erbanlagen über die Geschlechtszellen von Generation zu Generation sowie (im Anschluss an die Befruchtung) von Zelle zu Zelle weitergegeben werden.

3 Lernziele

3.1 Grobziel

Die S. werden in die Grundlagen der chromosomalen Vererbung eingeführt.

3.2 Feinziele

Die S.:

  • fertigen unter Anleitung aus Pfeifenreinigern ein Chromosomenmodell an (Ind.: Modelle). (LZ 1)
  • können die in einem Informationstext genannten Fachbegriffe zum Bau der Chromosomen auf das gefertigte Modell übertragen (Ind.: Einträge AB1). (LZ 2)
  • können an Hand einer Abbildung die Phasen der Mitose beschreiben (Ind.: Einträge AB2, S.-Äußerungen). (LZ 3)
  • können die Chromosomen als mögliche Träger der Erbinformationen benennen (Ind.: S.-Äußerungen). (LZ 4)

4 Sachanalyse

Im Jahre 1887 stellte WEISMANN die Keimbahntheorie auf, die eine Kontinuität des Keimplasmas über die Generationen hinweg fordert. Mitte der Achtzigerjahre des vorigen Jahrhunderts wurde von verschiedenen Forschern, wie BOVERI, HERTWIG, STRASBURGER und WEISMANN, darauf hingewiesen, dass Erbanlagen auf Chromosomen lokalisiert sein könnten. Ferner wurde eine Individualität einzelner Chromosomen während des ganzen Lebens des Zellkerns postuliert.
Als die mendelschen Regeln im Jahre 1900 wieder entdeckt und der breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurden, schien es nahe liegend, den Mechanismus der Chromosomenverteilung bei der Keimzellenbildung und die Verschmelzung zweier Kerne bei der Befruchtung mit der Verteilung von Merkmalsanlagen auf die Nachkommenschaft in Einklang zu bringen, denn auch nach den mendelschen Vorstellungen wurde eine Art Reduktion der Anlagen gefordert.
SUTTON und BOVERI fassten 1903/04 die Vorstellungen zur Chromosomentheorie der Vererbung zusammen. Sie blieb jedoch noch auf Jahre umstritten, denn ein schlüssiger Beweis ließ auf sich warten. Erst in der 13. Auflage von STRASBURGERs "Lehrbuch der Botanik" (1917) hieß es:
"Daß diese Anlagen an die Chromosomen des Zellkerns gebunden sind, ist wahrscheinlich, über die Art und Weise aber, wie sie den Entwicklungsgang beeinflussen, wissen wir nichts ..."
In einer ersten Phase der Chromosomenforschung wurden die Mechanismen der Mitose und Meiose aufgeklärt und die einzelnen Phasen charakterisiert. Die Übereinstimmung zwischen Verteilungsmuster und genetischen Daten machte die Annahme wahrscheinlich, dass Chromosomen Träger von Erbanlagen (Genen) seien.
Die Interphase ist nicht Bestandteil der Mitose. Sie dauert etwa 23 Stunden, die Mitosephasen laufen in ca. 40 Minuten ab (Prophase 25 min., Metaphase, Anaphase und Telophase jeweils 5 min.). Während der Interphase müssen sich die Chromatiden verdoppeln, damit in der Prophase wieder vollständige Chromosomen für eine erneute Mitose bereitstehen. Im Sinne einer didaktischen Reduktion ist es sinnvoll, die Interphase (die ja wiederum in eigene Phasen unterteilbar ist) nur im Hinblick auf die Leistung der Verdopplung des Erbmaterials zu thematisieren.
In jüngster Zeit sind Zweifel laut geworden, ob es sich bei den Kondensationsvorgängen, in deren Folge die Chromosomen sichtbar werden, tatsächlich um eine Aufschraubung und Auffaltung handelt. Da mir aber keine neueren Erkenntnisse vorliegen, möchte ich den bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnisstand wiedergeben.

5 Didaktisch-methodische Überlegungen

Der Rahmenplan für die 10. Klasse nennt als Lerninhalt unter "Vererbung" explizit "Chromosomen als Träger von Erbinformationen". Den S. soll ein Einblick in die Grundlagen der chromosomalen Vererbung vermittelt werden.
Die Unterrichtsreihe orientiert sich weitgehend am historischen Werdegang der Genetik. Zugrundeliegende Idee ist die Ableitung der "Chromosomentheorie der Vererbung" aus zwei Teilen: den Mendel-Experimenten, verbunden mit Buchstabenexperimenten, sowie den Abläufen von Mitose und Meiose. Erkenntnis soll sein, dass die Chromosomen sich bei der Bildung von Geschlechtszellen genau so verhalten, wie man es aus den "Buchstabenexperimenten" von den Trägern der Erbinformation fordern würde; ein Ergebnis, das in dieser Stunde noch nicht erreicht werden kann.
Da die Anlagen von Zelle zu Zelle und über die Geschlechtszellen von Generation zu Generation weitergegeben werden, liegt es nahe, nach entsprechenden Vorgängen in den Zellen zu suchen. Aus dieser Überlegung ergeben sich die anstehenden Lerninhalte "Aufbau der Chromosomen", "Mitose" und "Meiose". Die S. müssen sich zunächst mit dem Aufbau der Chromosomen beschäftigen, denn dieser stellt die Grundlage für die Behandlung der Vorgänge bei Kern- und Zellteilung dar.
Bei Mitose und Meiose handelt es sich um Themen, die den S. eine hohe Abstraktionsleistung abverlangen, weshalb angesichts dieser schweren Inhalte einfache Methoden angezeigt sind.
Zunächst müssen die S. mit grundlegenden Begriffen vertraut gemacht werden, bevor die cytologischen Vorgänge thematisiert werden. Hierfür bietet sich ein Anfertigen von Modellen aus Pfeifenreinigern an, da dies motivierend für die S. ist (auch schwächere S. fertigen ein Produkt an, der haptische Sinn wird angesprochen) und da diese Modelle in den folgenden Stunden zur Verdeutlichung der Mitose- und Meiosevorgänge erneut genutzt werden können.
Als Einstieg ist es funktional, zunächst noch einmal die Erkenntnisse der letzten Stunde herauszustellen, die gleichzeitig die Problemorientierung leisten (Erbanlagen müssen doppelt vorhanden sein und werden bei der Ausbildung von Geschlechtszellen voneinander getrennt). Die S. werden zwangsläufig eine Untersuchung von Vorgängen in den Zellen während der Teilung fordern. Dass es anfangs um die Ausbildung von Geschlechtszellen geht (der Bogen zur Problemstellung wird erst nach Klärung der Meiosevorgänge geschlossen), im weiteren Verlauf aber um die Teilung von Körperzellen, ist in diesem Zusammenhang nicht entscheidend, allerdings ist es wichtig, den S. zu verdeutlichen, dass auch jene Vorgänge, die sich an die Befruchtung anschließen (Teilung der Körperzellen), eine Weitergabe von Erbmaterial erforderlich machen, die gleichfalls ein doppeltes Vorhandensein und eine anschließende Aufteilung voraussetzen.
Die notwendigen Informationen über den Bau der Chromosomen können den S. am besten mittels eines Informationstextes zugänglich gemacht werden, der in einer Stillarbeitsphase gelesen wird. Das richtige Erlernen der Fachbegriffe am Chromosomenmodell erfolgt am besten durch Partnerarbeit, da so eine Vorkontrolle bezüglich der Zwischenergebnisse gewährleistet ist.
Um die Methode nicht überzustrapazieren, erfolgt das Bearbeiten eines weiteren ABs (AB2) zu den Mitosephasen geeigneterweise im Plenum, da auf Grund der Komplexität der Vorgänge und der Fachbegriffe so eine bessere Steuerung durch den L. erfolgen kann. Für die Altersstufe der zehnten Klasse empfehlen sich vereinfachende Schemadarstellungen der verschiedenen Phasen. Grundsätzlich könnte man auch über Mikroskopieren entsprechender Präparate zu gleichen Erkenntnissen gelangen; aus Zeitgründen sollte dies aber der Oberstufe vorbehalten bleiben. Eine weitere Alternative könnte das Zuordnen von Fotografien einzelner Phasen der Mitose zu schematischen Abbildungen darstellen. Dies wurde von mir aber - auch im Sinne einer Progression - als Anwendung (Zuordnen der bekannten Phasen zu Zellen einer Zwiebel, die sich in Teilung befinden) und Festigung für die Folgestunde eingeplant, da ich der Ansicht bin, dass am Anfang ein für die S. einfacher Zugang zur Materie stehen muss. Gleiches ist für die Möglichkeit einer Video-Präsentation von Mitosephasen zu sagen. Auf Darstellungen der Originale soll aber keineswegs verzichtet werden. Wenn die S. den Ablauf der Mitose erfasst haben, sollte eine vorläufige Antwort auf das zu Beginn aufgezeigte Problem angestrebt werden. Dies ist nicht möglich, ohne dass den S. die in der Interphase stattfindende Verdopplung des Erbmaterials bekannt ist. Hier bietet sich eine Möglichkeit zum Problematisieren, wofür aber u. U. viel Zeit benötigt wird. Die erforderlichen Informationen können zur Not auch vom L. vorgegeben werden.
Eine sinnvolle HA könnte sich aus dem Stundengang ergeben. Da das Ende der Stunde variabel bleiben sollte, ist es möglich, dass auch ganz darauf verzichtet werden kann.

6 Tabellarische Übersicht des geplanten Unterrichtsverlaufs

Zeit Unterrichtsphasen / Lehrerverhalten; Schülerverhalten; Methoden / Medien



08:50 Hinführung OHF1, UG
Demonstration eines monohybriden, dominant-rezessiven Erbgangs auf OHF.
L.: "Nennt nochmals die Annahmen, die wir in der Theorie zum Kreuzungsversuch gemacht haben!"
L.: "Schlagt mögliche Untersuchungen zur Stützung der Annahmen vor!"
(Hilfsimpuls: "Denkt an Vorgänge, die sich der Befruchtung anschließen!")
S.: "Die Erbanlagen müssen doppelt vorhanden sein, und bei der Ausbildung der Geschlechtszellen werden die doppelt vorhandenen Anlagen voneinander getrennt."
S.: "Untersuchungen von Körper- und Geschlechtszellen während der Teilung."
Tafelanschrieb: Untersuchung von Körper- und Geschlechtszellen während der Teilung
1. Verhalten der Chromosomen bei der Teilung von Körperzellen (Mitose)


08:55 Erarbeitung I / Sicherung von Zwischenergebnissen AB1, Pfeifenreiniger, StA/PA
L. gibt Anleitung zur Anfertigung eines homologen Chromosomenpaares; teilt Informationstext aus und fordert zur Bearbeitung von AB1 auf.
S. lesen Informationstext und fertigen aus Pfeifenreinigern ein homologes Chromosomenpaar an (LZ 1); übertragen Fachbegriffe zum Bau der Chromosomen auf das gefertigte Modell (LZ 2)
Ergebnissicherung auf AB 1


09:10 Erarbeitung II / Sicherung von Zwischenergebnissen AB2, OHF2, UG
L.: "Welches weitere Vorgehen schlagt ihr vor?" (Hilfsimpuls: "Was passiert mit den Chromosomen bei der Zellteilung?")
Eingabe AB2 (gleichzeitig als OHF2)
Gemeinsames Erarbeiten im Plenum
L.: "Beschreibt die Phasen der Mitose"
S. fordern Informationen zum Verhalten der Chromosomen während der Zellteilung
S. beschreiben die Mitosephasen (LZ 3)
Sicherung auf AB2 und OHF2


09:25 Problematisierung AB2, OHF2, UG
L.: "Formuliert ein Ergebnis im Hinblick auf unsere Fragestellung, ob die Chromosomen Träger der Erbinformation sein könnten!"
(L. gibt als Hilfestellung ggf. Zusatzinformation über Verdopplung des Materials der Ein-Chromatid-Chromosomen im Interphasekern) S. problematisieren scheinbare Verminderung des Erbmaterials durch Teilung der Zwei-Chromatid-Chromosomen (=> das Material wird offenbar anschließend verdoppelt, da bei der nächsten Zellteilung wieder vollständige Zwei-Chromatid-Chromosomen vorliegen); 

Ergebnis: Bei der Mitose wird der Chromosomensatz so auf zwei Zellen verteilt, dass jede Zelle die gleiche Anzahl von Chromosomen erhält (während der Interphase wird im Zellkern das Erbmaterial  verdoppelt!).
=> Hinweise, dass Chromosomen Träger der Erbinformation sein können. (LZ 4)
- mögliches Stundenende -



Festigung
L. bittet einen S., nach vorne zu kommen und die Mitosevorgänge mit Hilfe des Chromosomenmodells am OH-Projektor zu demonstrieren.
(Kann bei Zeitüberschuss mehrfach wiederholt werden)
S. demonstriert die entsprechenden Vorgänge am OH-Projektor; Unterstützung durch Mitschüler SV, Modelle, OH-Proj.


09:35 Stundenende
 

7 Verzeichnis der verwendeten Quellen und Hilfsmittel

7.1 Fachliteratur

  •  WEHNER, R., Gehring, W.: Zoologie. Stuttgart, New York 1990, S. 41 ff.

7.2 Fachdidaktische Literatur und Schulbücher

  • BICKEL, H., u. a.: Natura 3. Stuttgart u. a. 1998, S. 106.
  • CLAUS, R., u. a.: Natura 2. Stuttgart u. a. 1991, S. 322.
  • ESCHENHAGEN, D., u. a.: Fachdidaktik Biologie. Köln 1996.
  • MIRAM, W., Scharf, K.-H. (Hrsg.): Biologie heute S II. Hannover 1997, S. 172 f.
  • PHILIPP, E.: Raabits Biologie. Berlin 1994/1996.
  • STAECK, L.: Zeitgemäßer Biologieunterricht. Eine Didaktik. Stuttgart 1987.

8 Anhang

8.1 Antizipiertes Tafelbild

Untersuchung von Körper- und Geschlechtszellen während der Teilung
1. Verhalten der Chromosomen bei der Teilung von Körperzellen (Mitose)
Ergebnis: Bei der Mitose wird der Chromosomensatz so auf zwei Zellen verteilt, dass jede Zelle die gleiche Anzahl von Chromosomen erhält (während der Interphase wird im Zellkern das Erbmaterial verdoppelt!).
=> Hinweise, dass Chromosomen Träger der Erbinformation sein können.

8.2 Informationstext - "Bau der Chromosomen"
8.3 AB 1 u. 2
8.4 OHF 1 u. 2


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