Lehrer Arbeitsblätter Sekundarstufe 2

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Auf der Suche nach dem Genort
Klassische Genetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
8 Seiten (1,3 MB)

In der Unterrichtseinheit führen Ihre Schüler eine Stammbaumanalyse am Beispiel von Hühnern durch. Dabei untersuchen sie die Möglichkeit der Geschlechtserkennung bei Hühnerküken.

• Niveau: grundlegend
• Fachlicher Bezug: Genetik
• Methode: Einzel- oder Partnerarbeit
• Basiskonzepte: Reproduktion, Variabilität und Angepasstheit
• Erkenntnismethoden: Experimente auswerten, Konzepte übertragen, Modelle entwickeln und anwenden
• Kommunikation: Materialien auswerten, argumentieren, erklären
• Inhalt in Stichworten: Stammbaumanalyse, X-chromosomaler Erbgang, Hemizygotie, reziproke Kreuzungen, einfacher trihybrider Erbgang

eandertaler stellen eine ausgestorbene Menschenform dar und sind die engsten Verwandten heute lebender Menschen. Die ältesten bekannten Neandertaler lebten vor 400.000 Jahren. Sie besiedelten Europa, den Nahen Osten, Zentralasien und das westliche Sibirien. Modernste Untersuchungsmethoden konnten jetzt zeigen, dass Neandertaler schon vor 40.000 Jahren ausstarben, aber Reste der archaischen DNA noch heute im modernen Menschen zu finden sind. Neandertaler und moderne Menschen koexistierten mindestens 250 Generationen lang. In dieser Leistungsaufgabe setzen sich Ihre Schüler mit dem genetischen Erbe des Neandertalers im anatomisch modernen Menschen auseinander.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• M 1 Entschlüsselung der Neandertaler-DNA
• M 2 Moderne Krankheit – altes Erbe
• M 3 Menschenrechte für Neandertaler?
• M 4 Die Entdeckung des Sprachgens
• M 5 Aufgabenstellungen
• Lösungen
• Literaturverzeichnis

Die genomische Prägung oder das genetische Imprinting ist ein epigenetischer Prozess. Bestimmte Chromosomenbereiche in der männlichen und weiblichen Keimbahn werden je nach elterlicher Herkunft unterschiedlich geprägt. Bei der Expression bestimmter Gene liegt das Allel eines Elternteils durch eine spezifische Methylierung inaktiv vor. Dies wird auch als „Gene-Silencing“ bezeichnet. Genomisch geprägte Abschnitte im Erbgut sind damit spezifisch methylierte Regionen. Ein solches Expressionsmuster kann vererbt werden und setzt die Mendel‘schen Regeln außer Kraft. Fehlerhafte Prägungen verändern Genexpressionsmuster und führen zu charakteristischen Erkrankungen. In dieser Unterrichtssequenz werden das Prader-Willi-Syndrom und das Angelman-Syndrom unter phänomenologischer und genetischer Perspektive näher untersucht.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• M 1a: Das Prader-Willi-Syndrom
• M 1b: Das Angelman-Syndrom
• M 2: Genetische Befunde
• M 3: Die DNA-Methylierung – ein bisschen Chemie
• M 4: Genomische Prägung
• Lösungen
• Literaturverzeichnis

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Hämophilie in den Adelshäusern
Europas im 19. Jahrhundert

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
43 Seiten (4,9 MB)

Die Phenylketonurie ist als häufigste angeborene Stoffwechselkrankheit bisher unheilbar. Betroffene können die Aminosäure Phenylalanin nicht abbauen. Mit einer eiweißarmen Diät bleibt die Krankheit symptomlos. Ursache ist eine Punktmutation auf dem die Phenylalaninhydroxylase (PAH) codierenden Chromosom 12. Über 400 verschiedene Mutationen dieses Gens sind bekannt, die alle autosomal-rezessiv vererbt werden. Hoffnung auf Heilung macht erstmalig die Genschere. In Experimenten mit PKU-Labormäusen konnten etwa 60 Prozent der Leberzellen ihre normale Funktion wieder aufnehmen, nachdem das fehlerhafte Gen mit CRISPR/Cas repariert wurde. Eine weiter spezifizierte Genschere verspricht noch größeren Erfolg. Dürfen wir aber menschliche Gene modifizieren? Die Schüler entdecken in dieser Unterrichtssequenz, was es bedeutet an PKU zu erkranken, und welche Optionen die Genschere bietet. Der Diskurs über Designerbabys eröffnet ein moralisches Dilemma und fordert einen ethischen Standpunkt heraus.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• M1: Phenylketonurie – wir begegnen Betroffenen!
• M2: Ursache, Diagnose, Therapie der Phenylketonurie
• M3: CRISPR/Cas gegen die Stoffwechselstörung?
• M4: PKU und Genom-Editierung: kompetent?
• M5: Soll das Designerbaby kommen?
• M6: Das Beste für unser Kind! – Die Entscheidung
• M7: Glossar
• Lösungen
• Literatur

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Genetik in der Oberstufe Biologie

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium

Die Pest ist bis heute die größte Pandemie der Weltgeschichte. In nur fünf Jahren, zwischen 1348 und 1353, starben 25 Millionen Menschen an dieser Seuche. Damit fielen ihr ein Drittel der Europäer zum Opfer. Die Bezeichnung „Schwarzer Tod“ wurde im Mittelalter noch nicht verwendet, sondern stammt aus dem 16. Jahrhundert. Damit wurde bildhaft das Schrecken-erregende dieser Krankheit zum Ausdruck gebracht. Die Bezeichnung „Schwarzer Tod“ wird aber auch den Nekrosen zugeschrieben, schmerzhaften Pestbeulen, um die sich die Haut schwarz verfärbt und abstirbt, vor allem an Fingern, Zehen und Nase. Wissenschaftlich war es bisher umstritten, ob das Bakterium Yersinia pestis die Seuche des Mittelalters auslöste. Eine aktuelle genetische Analyse von Skeletten mittelalterlicher Pestopfer belegt die Präsenz des Pestbakteriums. Diese Leistungsaufgabe fokussiert die Evolution des Pesterregers und seine Übertragungswege auf der Basis molekulargenetischer Befunde.

• Fachwissenschaftliche Hinweise
• Methodisch-didaktische Hinweise
• Vorausgesetztes Fachwissen
• M 1: Die Evolution des Pesterregers
• M 2: Die bakterielle Kapsel Fra 1
• M 3: Die Code-Sonne
• M 4: Die Pest ist nicht von gestern
• Lösungen
• Literaturverzeichnis

Inhaltliche Stichpunkte: Horizontaler Gentransfer, Konjugation, Prokaryonten, Krankheitserreger, Abstammungslinien, koevolutiver Prozess, Koadaption, Pesterreger, Yersinia pestis, Wirt-Parasit-Beziehung, synthetische Evolutionstheorie, biologische Waffe

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Arbeit mit dem Lerntagebuch

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium

Mit CRISPR/Cas zum Bio-Apfel? Im Fokus der Unterrichtseinheit steht das CRISPR/Cas-System und die aktuelle bioethische Diskussion, ob mit CRISPR/Cas editierte Pflanzen unter das Gentechnikgesetz fallen sollen. In diesem Kontext werden unterschiedliche Zuchtmethoden innerhalb eines Gruppenpuzzles verglichen. Den eigenen Lernzuwachs halten die Lernenden in einem Lerntagebuch fest.

Inhalt und Konzept dieser Unterrichtseinheit: Die Lernenden stellen sich in dieser Einheit der bioethischen Problemsituation, ob wir mit der CRISPR/Cas-Technik zum perfekten Bio-Apfel kommen. Hierfür wird die neue Genom-Editierungsmethode bewertet.

Der fachliche Kontext, insbesondere durch den Vergleich üblicher Zuchtmethoden, verdeutlicht die Relevanz des Themas. Für eine reflektierte Bewertung werden gegensätzliche Ansichten und Argumente dargestellt und abgewogen. Reflexionsaufgaben veranschaulichen auf einer Metaebene retrospektiv den Fortschritt der persönlichen Kompetenzentwicklung und lassen sich auch für die Erhebung vorunterrichtlicher Vorstellungen nutzen.

Schriftlich geführte Lerntagebücher fördern die inhaltliche Auseinandersetzung mit dem Unterrichtsgegenstand und die Reflexion des eigenen Lernprozesses. Es wird die Möglichkeit eröffnet, neue Lerninhalte mit eigenen Erfahrungen, Gefühlen und Assoziationen zu verknüpfen, den Transfer der neu erworbenen Sachkompetenz zu erleichtern, und die Gedächtnisleistung zu verbessern.

Gegenstand der Reflexion sind neben den fachlichen Inhalten auch die Lernmethoden, eine Arbeitsrückschau sowie der persönliche Lernprozess und Lernfortschritt. Die Lernenden bestimmen selbst, mit welchen inhaltlichen Schwerpunkten sie sich besonders intensiv beschäftigen möchten. Der Lernstoff soll auf diese Weise individuell strukturiert, mit vorhandenem Fachwissen verbunden und Verständnisprobleme sowie positive Lernfortschritte aufgedeckt werden.

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Zell- und Entwicklungsbiologie:
Bau und Leistungen von Zellen

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium

Die Unterrichtseinheit setzt sich im Rahmen der Zellbiologie u. a. mit Bau, Funktion und Charakteristik von Erythrozyten, Osmosevorgängen, Hormonwirkung und Eigenschaften von Biomembranen auseinander. Die Aufgaben zu diesen Lehrinhalten beziehen sich auf das Thema „Kugelzellenanämie“, das durch das große Medieninteresse am Dopingprozess der deutschen Eisschnellläuferin Claudia Pechstein an aktueller Relevanz gewonnen hat. Der Beitrag eignet sich durch seine themenübergreifende Konzeption ideal zur Vorbereitung auf die Abiturprüfung, aber auch auf Klausuren. Methodisch steht besonders das Beschreiben und Analysieren von Abbildungen, wie schematischen Darstellungen, Graphen und mikroskopischen Aufnahmen, im Vordergrund.

Inhaltsverzeichnis:

• Methodisch-didaktische Hinweise
• Material
  • M 1: Blut und illegale Leistungssteigerung
  • M 2: Wissenschaftler entlasten Pechstein: Kugelzellenanämie
  • M 3: Das Membranzytoskelett der Erythrozyten
  • M 4: Schrumpfen oder Platzen: Die osmotische Resistenz
• Lösungsvorschläge

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Chronobiologie

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium

Der circadiane Rhythmus definiert den Tageszyklus von Tieren und Pflanzen. Er stellt eine biologische Dynamik dar, die ihre Ursache in endogenen Oszillationen metabolischer oder physiologischer Aktivitäten mit einer Periodizität von 20–28 Stunden hat. Die auch als innere Uhr bezeichnete Rhythmik liegt unabhängig von externen Faktoren vor. Der endogene Prozess stellt ein komplexes Geflecht aus Genregulierungen dar, wird damit genetisch gesteuert und durch Stoffwechselprozesse realisiert. Im natürlichen Tag-Nacht-Wechsel wird der Zyklus auf 24 Stunden synchronisiert. In jüngster Zeit konnten große Fortschritte in der Grundlagenforschung sowie der neuen Disziplin der Chronomedizin gewonnen werden. Am Beispiel von „Paracetamol“ und „Aspirin“ erarbeiten die Lernenden an Modellen und Grafiken fallorientiert, dass die Wirksamkeit der bekannten Arzneimittel mit der Tageszeit der Einnahme schwankt. Die Schülerinnen und Schüler zeichnen auf der Basis ihrer Erkenntnisse das Bild einer zukünftig personalisierten Medizin.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• M1: Ein unsortierter Haufen Patientenakten?
• M2: Wer schlägt den Rhythmus?
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Biologie Genetik Sekundarstufe II

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
51 Seiten (2,3 MB)

Die Entdeckung der DNA als Träger der Erbinformation ist bis heute immer noch ein Meilenstein in der Forschung. Seither ist viel passiert und durch die Entwicklung neuer Techniken erfährt die Molekulargenetik immer mehr an Bedeutung für die Forschung und Entwicklung beispielsweise in Bereichen wie der Medizin, Pharmazie und Agrarwissenschaft.

DNA, Gen, Protein – Modulare Aufgaben zum Einstieg und zur Wiederholung

Mit dieser umfangreichen, modular einsetzbaren Materialsammlung zu den Grundlagen der Molekulargenetik starten Sie bei der Entdeckung des Trägers der Erbinformation, behandeln den Bau der DNA, gehen über zu der Proteinbiosynthese und schließen das Thema mit einer Lernerfolgskontrolle ab. Diese Einheit eignet sich zum Einstieg und zur Wiederholung dieses Grundlagenthemas in Ihrer Klasse.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• M1: Welches Molekül trägt die Erbinformation?
• M2: Der Bau der DNA
• M3: Die Replikation der DNA
• M4: Vom Gen zum Protein
• ...
  
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Wiederholung und Vertiefung mit innovativen Lernmethoden

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 10. -13. Schuljahr, Gymnasium
31 Seiten (2,1 MB)

In dieser motivierenden Unterrichtseinheit wiederholen und vertiefen Ihre Schülerinnen und Schüler molekulares Fachwissen zu Aufbau und Struktur der DNA. Mit interaktiven LearningApps, einem Kahoot!-Quizz und der selbstständigen Anfertigung von Erklärvideos im Legetrickstil erwerben Ihre Lernenden hierbei wichtige Medienkompetenzen.

• Klassenstufe: 10, Sek II
• Dauer: 8 Unterrichtsstunden (Minimalplan: 4)
• Kompetenzen: Die Lernenden
  • beschreiben und skizzieren den Aufbau und die Struktur der DNA und ihrer Bausteine;
  • erklären die Strukturmerkmale der DNA;
  • erklären die Kondensierung der DNA im Zellkern;
  • ...
    
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Durch Chromatin-Immunpräzipitation

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
43 Seiten (1,8 MB)

Als sogenannter zweiter Code werden epigenetische Informationen gespeichert und sogar an Nachkommen vererbt. Um eine epigenetische Information zu entschlüsseln, wird heute die Chromatin-Immunpräzipitation angewendet. Dies ist eine Methode, welche sich hervorragend eignet, den Lernenden sowohl epigenetische Mechanismen näherzubringen als auch das naturwissenschaftliche Protokollieren als fachspezifische Arbeitsweise zu vertiefen. Beim Protokollieren eines Experimentes erwerben Ihre Schülerinnen und Schüler Kompetenzen, wie epigenetische Muster heute identifiziert werden. Sie erlangen damit hochaktuelles Fachwissen sowie eine neue Methode zur Erkenntnisgewinnung. Durch die Gestaltung eines Erklärvideos in einem Peer-to-Peer-Projekt wird das neu erworbene Fachwissen gefestigt sowie die Medienkompetenz gefördert.

• Fachwissenschaftliche Hinweise
• M1: Wandel von Struktur und Funktion im Lebenszyklus
• M2: Die epigenetische Codierung
• M3: Faktencheck: Epigenetik
• M4: Experimentelle Selektion epigenetischer Schalter
• M5: Ein Glossar – Fachbegriffe erklären können
• M6: Präsentieren mit einem Lernplakat
• M7: Präsentieren mit einem Erklärvideo
• Lösungen
• Literatur

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Mündliche Abiturprüfung

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
23 Seiten (1,3 MB)

Abiturienten bereiten mit diesem Material den Vortrag in der mündlichen Abiturprüfung vor. Die Informationen zum Kaffeekirschenkäfer, einem parasitären Rüsselkäfer der Kaffeebäume, sind unter genetischen, ökologischen und evolutionsbiologischen Aspekten zu beschreiben und zu deuten.

Weibliche Käfer und ihre Larven legen Gangsysteme in den Kaffeekirschen, den Kaffeebohnen, an. Die Käferlarven ernähren sich von Galacto-mannan, einem spezifischen, stärkeähnlichen Kohlenhydrat des Kaffeebaumes. Das abbauende Verdauungsenzym und damit das kodierende Gen sind bakteriellen Ursprungs. Es liegt ein horizontaler Gentransfer zwischen einem Prokaryoten und einem Tier vor.

Die für Käfer einmalige genetische Ausstattung ermöglicht dem Nahrungsspezialisten seine erfolgreiche Wirt-Parasit-Beziehung, die hohe ökonomische Schäden zur Folge hat. Pflanzenfressende Käfer erobern mit ihrer unvergleichlichen Biodiversität seit dem Mesozoikum die Erde. Erst 2019 wurden auf der indonesischen Insel Sulawesi in kürzester Zeit 103 neue Rüsselkäferarten der flugunfähigen Gattung Trigonopterus beschrieben. Die Schülerinnen und Schüler deuten die jüngst dokumentierte Artenvielfalt als adaptive Radiation nach Inselkolonisierung durch eine Gründerpopulation.

• Fachwissenschaftliche Hinweise
• M 1: Wie der Kaffeebaum zu seinem Schädling kam
• M 2: Asterix, Obelix und Idefix auf Sulawesi
• Lösungen
• Darstellungsleitung
• Literatur

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Was fehlt Mondscheinkindern?

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
13 Seiten (1,3 MB)

Was passiert auf der Ebene der DNA, wenn wir uns dem UV-Licht am Strand aussetzen? Wie schützt der Körper sich durch eigene DNA-Reparaturmechanismen vor möglicherweise folgenschweren Mutationen? Die Einheit widmet sich zunächst dem Basiswissen zum Thema, um dann schließlich auf die molekulare Struktur der DNA hinein zu „zoomen“.

Das alltagsnahe Thema und das problemorientierte Arbeiten garantieren eine hohe Schülermotivation.

• Kompetenzen:
  • 1. Exzisionsreparatur der DNA erläutern
  • 2. Verknüpfung und Vernetzung von Folgen der UV-Strahlung über verschiedene Organisationsebenen
  • 3. Daten und Grafiken auswerten und Schlussfolgerungen treffen
• Thematische Bereiche: Genetik, DNA-Schäden, DNA-Reparatur

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Genetik zwischen Vererbung und den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Gene

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
6 Seiten (0,2 MB)

Mit diesem kurzen Unterrichtsmaterial prüfen Sie anhand eines Kreuzworträtsels das Wissen Ihrer Schülerinnen und Schüler zum abiturrelevanten Bereich der Molekulargenetik.

• Niveau: grundlegend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Zellbiologie, Humanbiologie
• Methode: Einzelarbeit, Gruppenarbeit, Hausaufgabe
• Basiskonzepte: Regelung und Steuerung, Struktur und Funktion
• Erkenntnismethoden: Phänomene erfassen

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Genetik: Zytogenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium
14 Seiten (4,2 MB)

Es bietet sich an, das Unterrichtsmaterial entweder im Anschluss an die klassische Genetik zu behandeln (dann muss allerdings zuvor auf den Zusammenhang zwischen Gen und Protein eingegangen werden) oder im Anschluss an die Proteinbiosynthese.

Die Schüler können das Material dabei weitgehend selbstständig in ein bis zwei Unterrichtsstunden bearbeiten.

• Niveau: grundlegend, weiterführend
• Fachlicher Bezug: Genetik
• Methode: Einzel- und Partnerarbeit
• Basiskonzepte: Regelung und Steuerung, Entwicklung
• Erkenntnismethoden: beschreiben, Darstellungen verwenden
• Kommunikation: erklären, Materialien auswerten
• Inhalt in Stichworten: Barr-Körperchen, Lyon-Hypothese, X-Inaktivierung, Dosiskompensation, Interphase-Zellkern, X-chromosomal rezessive Vererbung

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium

Die Unterrichtseinheit enthält Material und Aufgaben zu den Methoden und Hintergründen der DNA-Analytik in der Kriminalistik und reicht thematisch von der Spurensuche am Tatort, über die DNA-Isolierung, PCR, Gelelektrophorese und Färbung bis hin zur Auswertung repräsentativer Versuchsergebnisse. Die Materialien sind dabei zur Vorbereitung auf die praktische Durchführung der Analysetechniken in einem Molekularbiologischen Schülerlabor geeignet.

Der Beitrag ist jedoch prinzipiell so gestaltet, dass die Materialien auch ohne diese Praxiseinheit zur Erarbeitung der Methoden gewinnbringend eingesetzt werden können. Mit der Behandlung des DNA-Fingerprintings wird der Alltags- und Lebensbezug hergestellt, da die Thematik in Verbindung mit der Kriminalistik ständig durch die Medien geht. Weiterführend bietet sich im Zusammenhang mit der DNA-Datenspeicherung zur Verbrechensaufklärung auch die Behandlung gesellschaftlicher und ethischer Fragen („gläserner Mensch“) an.

• 1. Vorentlastung: Inhaltliche Voraussetzung für die Einheit ist die DNA-Replikation. Diese wird anhand eines Wäscheleinenmodells wieder aufgegriffen. Darüber hinaus können optional der Umgang mit Laborgeräten (und die dazugehörigen Labortätigkeiten und -begriffe) angesprochen und ggf. (mithilfe von Mikroliterpipetten) geübt werden.
• 2. Theoretische Grundlagen: Es wird der Weg von der DNA-Spurensuche über DNA-Isolierung, PCR, Gelelektrophorese und Auswertung (unter Bezugnahme auf die Grundlagen des DNA-Fingerprintings) erarbeitet. Zum Schluss wird der Kompetenzbereich der Bewertung anhand des Inhalts der DNA-Analysedatei behandelt, wobei eine Diskussion im Mittelpunkt steht, die Perspektivwechsel berücksichtigt.
• 3. Praktische Erarbeitung in einem Molekularbiologischen Schülerlabor/Auswertung der Laborergebnisse: An vielen Standorten in Deutschland gibt es mittlerweile Schülerlabore, die adäquat auf diese Zielgruppe ausgerichtet sind und den Schülern die Möglichkeit bieten, die erarbeiteten Methoden vor Ort zu rekapitulieren und kostengünstig praktisch durchzuführen. Falls das im Einzelfall nicht möglich ist, können stellvertretend die in M 8 zur Verfügung gestellten Originalergebnisse einer Schulklasse ausgewertet werden. Bei den Aufgaben zu M 8 ist Bezug auf das zuvor erarbeitete Material zu nehmen (insbesondere auf M 6).
• 4. Präsentation der gewonnenen Ergebnisse: Die Zusammenfassung der Unterrichtseinheit, d. h. die Darstellung eines Überblicks der kriminalistischen DNA-Analytik kann je nach schulischen Gegebenheiten z. B. in Form einer Postererstellung, Vitrinenausstellung oder eines schuleigenen Homepagebeitrags erfolgen.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• Material
  • Einstieg: DNA-Replikationsmodell und Pipettierübungen
  • DNA-Quellen und -Spurensuche am Tatort
  • Einstiegsexperiment: DNA-Isolierung aus Kiwis
  • Grundlagen der DNA-Isolierung
  • Laboranleitung zur DNA-Isolierung aus Haarwurzelzellen
  • Die Masse des Genoms
  • Die Polymerasekettenreaktion (PCR)
  • Durchführung der PCR: Mastermix und PCR-Programm
  • Die Gelelektrophorese
  • Ethidiumbromidfärbung – Sichtbarmachen der DNA-Moleküle im Gel
  • Auswertung des Elektrophoresegels
  • DNA-Fingerprinting
  • Diskussion: DNA-Datenspeicherung zur Verbrechensaufklärung?
  • Praktische Durchführung im Labor/ Auswertung der Laborergebnisse
  • Präsentation der Ergebnisse
• Lösungsvorschläge

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium 13 Seiten (1,7 MB)

Das Thema HIV bietet die Möglichkeit, Grundlagen der Genetik schüler- und gesellschaftsrelevant zu behandeln.

Die Unterrichtseinheit dient zur Vertiefung des Zusammenhangs, dass auf Chromosomen lokalisierte Gene die Ausprägung von Proteinstrukturen (in diesem Fall Membranrezeptoren) bedingen und dass eine Veränderung der Nukleotidsequenz eine Synthese intakter Proteinstrukturen verhindert.

Die Proteinbiosynthese sowie Mutationen sollten vor der Bearbeitung dieses Beitrags bereits im Unterricht besprochen worden sein. Die CD4- und CCR5-Rezeptoren von menschlichen Zellen des Immunsystems dienen den Glykoproteinen (Oberflächenstrukturen) des HI-Virus als Andockstellen und machen ein Eindringen des Virus in die Zelle überhaupt erst möglich. Der HIV-Resistenz liegt eine Mutation des CCR5-Rezeptorgens zugrunde, durch die der CCR5-Rezeptor wirkungslos wird. Das HI-Virus kann keine Infektion hervorrufen, weil es ihm nicht möglich ist, in menschliche Zellen des Immunsystems zu gelangen und sie anschließend zu zerstören. Das Thema HIV/AIDS ist den Schülerinnen und Schülern oft bereits aus dem Unterricht, den Medien und Alltagsgesprächen bekannt. Um die Existenz einer natürlichen Resistenz wissen bisher nur wenige Laien. Die Überlegung, eine HIV-Resistenz labortechnisch durch Mutationen herzustellen, ist von höchster Aktualität und Brisanz.

• Material
  • Andocken des HI-Virus an der Wirtszelle
  • Das AIDS-Rätsel von Nairobi
  • Genetische Grundlage der HIV-Resistenz
  • HIV-Resistenz aus dem Labor
• Lösungsvorschläge

• Niveau: grundlegend bis weiterführend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Immunbiologie
• Basiskonzepte: Struktur und Funktion, Variabilität und Angepasstheit
• Erkenntnismethoden: Phänomene erfassen, Konzepte anwenden, Hypothesen bilden, Darstellungen verwenden
• Kommunikation: erklären, erläutern
• Inhalt in Stichworten: HI-Virus (Bau, Andocken an Wirtszelle), HIV-Resistenz, Genmutation, Gentechnik

• Material / Sozialform / Zeit
  • M 1 Partnerarbeit oder Plenum (Folie) 25 min
  • M 2 Plenum 25 min
  • M 3 Partnerarbeit 25 min
  • M 4 Hausaufgabe 30 min

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium 15 Seiten (2,1 MB)

Das Wirt-Pathogen-Paar Saatweizen und Getreideschwarzrost eignet sich ideal zur Veranschaulichung der (Teil-)Erfolge von Resistenzzüchtungen gegen Pflanzenschädlinge und der Illustration der Probleme, die sich aus dem evolutiven Wettlauf zwischen Züchtungsprodukt und präadaptierten Varianten eines Pathogens ergeben. Inhaltlich wird in diesem Beitrag Grundlagenwissen aus der Genetik (Proteinbiosynthese) und aus der Evolutionsbiologie (Koevolution) behandelt und mit realen Problemstellungen und Lösungsstrategien aus der Pflanzenzüchtung verknüpft. Des Weiteren trainieren die Schülerinnen und Schüler bei der Bearbeitung der Aufgaben ihre Bewertungskompetenz.

Einen fächerverbindenden Ansatz bietet der Aspekt des ökonomischen Interesses an der Erzeugung von Saatgut, insbesondere in wirtschaftlich schwachen Ländern. Auch das Thema „Biopiraterie“ lässt sich in einen inhaltlichen Zusammenhang mit diesem Beitrag stellen.

• Material
  • Das Pathogenitätsdreieck – ein Modell für Pflanzenkrankheiten
  • Monogene und polygene Resistenzen gegen den Getreideschwarzrost
  • Evolutiver Wettlauf zwischen Weizen und Getreiderost
  • Proteinbiosynthese bei Eukaryoten
• Lösungsvorschläge

• Niveau: weiterführend, vertiefend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Evolution, Ökologie
• Basiskonzepte: Steuerung und Regelung, Reproduktion, Variabilität und Angepasstheit
• Erkenntnismethoden: vergleichen, begründen, ableiten, Modelle nutzen und anwenden, Phänomene erfassen, Konzepte anwenden und vernetzen, Darstellungen verwenden
• Kommunikation: erläutern
• Reflexion: beurteilen
• Inhalt in Stichworten: Resistenzzüchtung, transgene Pflanzen, monogene und polygene Resistenzen, Pflanzenpathogene, Getreideschwarzrost, Koevolution, Evolutionsfaktoren, Proteinbiosynthese bei Eukaryoten, Modelle in der Biologie

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
17 Seiten (1,9 MB)

ie noch verhältnismäßig junge Forschungsdisziplin der Epigenetik zeigt, dass die in der Basensequenz der DNA gespeicherte Information mitnichten allein für unsere individuelle Merkmalsausprägung verantwortlich ist: Auch epigenetische Modifikationen des Chromatins bestimmen und verändern unseren Phänotyp und können an die Nachkommen weitergegeben werden.

Die Unterrichtseinheit vermittelt Grundlagen sowie Implikationen der epigenetischen Forschung auf vielseitige Weise. Hochaktuelle Forschungsergebnisse werden thematisiert und zur Wiederholung und Festigung von Abiturstoff in Form von Übungsaufgaben mit Lehrplaninhalten aus der Genetik und Evolutionsbiologie verknüpft. So regt Material 4 die Schüler dazu an, die Schlagzeilen, die die Presse aufgrund der neuen Ergebnisse zum Thema „Darwin“ lancierte, auf wissenschaftlicher Basis zu diskutieren und in Bezug zu den ihnen bekannten Evolutionstheorien zu setzen. Darüber hinaus geht der Beitrag auf die Zwillingsforschung bezüglich der Umwelt-Erbe-Problematik ein. Nicht zuletzt sensibilisiert die Thematik die jungen Erwachsenen für eine verantwortungsvolle Lebensführung (Ernährung, Drogen, Stress) im Hinblick auf die Gesundheit ihrer eigenen Nachkommen.

• Material
  • Erbsubstanz DNA
  • Der Aufbau von Nukleosomen
  • Epigenetische Schalter
  • Epigenetik und Evolution
• Lösungsvorschläge

• Niveau: weiterführend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Evolution
• Methode: Einzelarbeit, Partnerarbeit, Gruppenarbeit
• Basiskonzepte: Struktur und Funktion, Regelung und Steuerung
• Erkenntnismethoden: beschreiben, Konzepte übertragen
• Kommunikation: darstellen, diskutieren, Fachsprache verwenden
• Inhalt in Stichworten: DNA, Histone, Nukleosom, Chromatin, (De)Acetylierung, Evolutionstheorie

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Neurobiologie, Genetik: Prüfungen und Klassenarbeiten zur Abiturvorbereitung

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
16 Seiten (2,2 MB)

Der Schmerzsinn ist für unseren Selbstschutz und die Interaktion mit unserer Umwelt von größter Wichtigkeit. Menschen mit der sehr seltenen kongenitalen Analgesie, einer angeborenen Schmerzunempfindlichkeit, können selbst starke Gewebeverletzungen nicht wahrnehmen.

Dieser als Klausuraufgabe konzipierte Beitrag wiederholt im Zusammenhang mit der für diese Erbkrankheit verantwortlichen Mutation grundlegende Aspekte der neuronalen Informationsleitung und geht dabei auf unterschiedliche Nervenfasertypen und Rezeptorengruppen ein.

• Niveau: weiterführend
• Fachlicher Bezug: Neurobiologie, Genetik
• Methode: Klausur (90 Minuten), Einzelarbeit
• Basiskonzepte: Information und Kommunikation, Regelung und Steuerung
• Erkenntnismethoden: beschreiben, vergleichen
• Kommunikation: erklären, darstellen, Fachsprache verwenden
• Inhalt in Stichworten: kongenitale Analgesie, Natriumkanal, sensible Nervenbahnen, Afferenzen, A-Fasern, C-Fasern, Rezeptortypen, Doppelschmerz

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
7 Seiten (0,4 MB)

Das Kreuzworträtsel kann vielfältig eingesetzt werden, z. B. als Lernerfolgskontrolle in Partnerarbeit oder als Hausaufgabe am Ende der Unterrichtseinheit „Molekulargenetik / Gentechnik“. Voraussetzung für die erfolgreiche Bearbeitung des Kreuzworträtsels ist die Kenntnis grundlegender Begriffe aus diesem Themenkomplex.

• Niveau: grundlegend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Zellbiologie
• Methode: Kreuzworträtsel
• Basiskonzepte: Regelung und Steuerung, Struktur und Funktion
• Erkenntnismethoden: Phänomene erfassen

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Klassische Genetik in der Abiturvorbereitung

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
6 Seiten (0,4 MB)

Mit diesem Kreuzworträtsel überprüfen Sie das Wissen Ihrer Schüler zur Klassischen Genetik.

• Niveau: grundlegend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Zellbiologie, Humanbiologie
• Basiskonzepte: Regelung und Steuerung, Struktur und Funktion
• Erkenntnismethoden: Phänomene erfassen

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Die Mikrovillus Einschlusskrankheit (MVID)

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
15 Seiten (2,0 MB)

Ein Lernziel des Biologieunterrichts ist das Erfassen des Systemcharakters von Zellen, Organen, Organsystemen usw. Besonders differenziert lässt sich das Zusammenwirken einzelner Elemente am Beispiel des Immunsystems erarbeiten. In der Vergangenheit wurden immunbiologische Erkenntnisse wiederholt mit dem Nobelpreis für Medizin oder Physiologie gewürdigt. Im Jahr 2011 zeichnete das Nobelkomitee Bruce A. BEUTLER und Jules A. HOFFMANN für ihre Entdeckungen zur Aktivierung der angeborenen Immunabwehr aus.

Die andere Hälfte des Preises wurde Ralph M. STEINMAN für die Entdeckung der Dendritischen Zellen und ihrer Rolle im Rahmen der erworbenen Immunität zuerkannt. Die Einbeziehung ihrer Forschungsergebnisse in den Unterricht schafft Aktualität und zeigt die ständige Weiterentwicklung biologischer Erkenntnisse.

• Niveau: weiterführend
• Fachlicher Bezug: Zellbiologie, Stoffwechsel, Genetik
• Methode: Klausur (90 Min.)
• Basiskonzepte: Kompartimentierung, Struktur und Funktion, Regelung und Steuerung, Stoff- und Energieumwandlung
• Erkenntnismethoden: beschreiben, Darstellungen verwenden
• Kommunikation: erklären, präzisieren, Fachsprache verwenden
• Reflexion: Anwendungen/Folgen beurteilen
• Inhalt in Stichworten: MVID, autosomal-rezessiv, Mikrovilli, Dünndarm-Resorption, Transportmechanismen, aktiver/passiver Membrantransport, Zytoskelett, Motorprotein, Endozytose, Endosomen, Golgi-Apparat, Membran-Recycling, Genmutation

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
14 Seiten (2,5 MB)

Diese Unterrichtseinheit kann entweder als Ganzes genutzt werden, z. B. als Vorbereitung für die Abiturprüfung, oder aber in Teilen für die Vertiefung von Inhalten im Zusammenhang mit den angesprochenen Themenbereichen Neurophysiologie und Genetik. Die Schülerinnen und Schüler sollten gute bis fundierte Vorkenntnisse über Bau und Funktion eines Neurons sowie über moderne, gentechnische Verfahren im Zusammenhang mit der Struktur-Funktionsbeziehung bei Proteinen besitzen. Elektronenmikroskopische Präparate sollten bekannt sein und in den Grundzügen ausgewertet werden können.

• Material
• M 1: Die neuronale Erkrankung Charcot-Marie-Tooth (CMT)
• M 2: Stammbaumanalyse
• M 3: Genetische Ursache von CMT
• M 4: Restriktionsanalyse

• Lösungsvorschläge

• Niveau: grundlegend, weiterführend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Humanbiologie, Neurobiologie, Medizin
• Basiskonzepte: Struktur und Funktion, Information und Kommunikation
• Erkenntnismethoden: Phänomene erfassen, Konzepte anwenden und übertragen, Darstellungen verwenden
• Kommunikation: erklären, Materialien auswerten
• Reflexion: Folgen beurteilen
• Inhalt in Stichworten: Nervenleitung, Myelinscheide, Erbkrankheit, Stammbaumanalyse, Erbgang, Punktmutation, Struktur-Funktionsbeziehung bei Proteinen, PCR, Restriktionsanalyse, Gelelektrophorese

Unterrichtsmaterial Biologieunterricht
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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
24 Seiten (1,6 MB)

ie noch verhältnismäßig junge Forschungsdisziplin der Epigenetik zeigt, dass die in der Basensequenz der DNA gespeicherte Information mitnichten allein für unsere individuelle Merkmalsausprägung verantwortlich ist: Auch epigenetische Modifikationen des Chromatins bestimmen und verändern unseren Phänotyp und können an die Nachkommen weitergegeben werden.

Die Unterrichtseinheit vermittelt Grundlagen sowie Implikationen der epigenetischen Forschung auf vielseitige Weise. Hochaktuelle Forschungsergebnisse werden thematisiert und zur Wiederholung und Festigung von Abiturstoff in Form von Übungsaufgaben mit Lehrplaninhalten aus der Genetik und Evolutionsbiologie verknüpft. So regt Material 4 die Schüler dazu an, die Schlagzeilen, die die Presse aufgrund der neuen Ergebnisse zum Thema „Darwin“ lancierte, auf wissenschaftlicher Basis zu diskutieren und in Bezug zu den ihnen bekannten Evolutionstheorien zu setzen. Darüber hinaus geht der Beitrag auf die Zwillingsforschung bezüglich der Umwelt-Erbe-Problematik ein. Nicht zuletzt sensibilisiert die Thematik die jungen Erwachsenen für eine verantwortungsvolle Lebensführung (Ernährung, Drogen, Stress) im Hinblick auf die Gesundheit ihrer eigenen Nachkommen.

• Material
  • Erbsubstanz DNA
  • Der Aufbau von Nukleosomen
  • Epigenetische Schalter
  • Epigenetik und Evolution
• Lösungsvorschläge

• Niveau: weiterführend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Evolution
• Methode: Einzelarbeit, Partnerarbeit, Gruppenarbeit
• Basiskonzepte: Struktur und Funktion, Regelung und Steuerung
• Erkenntnismethoden: beschreiben, Konzepte übertragen
• Kommunikation: darstellen, diskutieren, Fachsprache verwenden
• Inhalt in Stichworten: DNA, Histone, Nukleosom, Chromatin, (De)Acetylierung, Evolutionstheorie

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
9 Seiten (1,4 MB)

Die Aufgaben des vorliegenden Materials prüfen Grundkenntnisse der Proteinbiosynthese. Sie erfordern eine intensivere Auseinandersetzung mit dem Bau der Basen und den Grundlagen der spezifischen Basenpaarung (Zahl der Wasserstoffbrückenbindungen, Purinbase mit Pyrimidinbase). Ob die zentrale Rolle der tRNAs im Vorgang der Proteinbiosynthese verstanden wurde, wird mithilfe einer Fragestellung zu Folgen der Mutation in tRNA-Genen überprüft. Das Unterrichtsmaterial kann sowohl zur Erarbeitung des Wobble-Pairing als auch als Klausuraufgabe in einer Kursarbeit verwendet werden.

• Niveau: grundlegend
• Fachlicher Bezug: Genetik
• Methode: Einzel-, Partnerarbeit
• Basiskonzepte: Struktur und Funktion, Regelung und Steuerung
• Erkenntnismethoden: vergleichen, Darstellungen verwenden
• Kommunikation: erklären, Fachsprache verwenden, Materialien einsetzen
• Inhalt in Stichworten: genetischer Code, spezifische Basenpaarung, Inosin, t-RNA-Struktur und -Funktion, Anticodon, Aminoacyl-tRNA-Synthetase, Mutation

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Genetik: Molekulargenetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
15 Seiten (1,3 MB)

Die Unterrichtseinheit Beitrag soll Ihre Schülerinnen und Schüler zum Thema Erbkrankheiten für den Zusammenhang zwischen Wissenschaft und menschlichen Schicksalen sensibilisieren. Ein winziger Defekt im Erbgut und eine Familie muss täglich um das Leben ihres Kindes bangen. Da es für die dem Undine-Syndrom zugrunde liegende Mutation einen Gentest gibt, eignet sich das angebotene Material insbesondere für die fachübergreifende Diskussion der Pro- und Kontraargumente der Präimplantationsdiagnostik. Die Aufgaben eignen sich für den Einsatz als Einzel- oder Partnerarbeit im Unterricht, als Klausurfragen, zur Wiederholung abiturrelevanten Lernstoffs oder auch als Grundlage für Präsentationsthemen.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• Material
  • M 1: Undines Fluch
  • M 2: Ein Fehler in der Atmungskontrolle
  • M 3: Ursache des Undine-Syndroms
  • M 4: Die Ausprägung des Undine-Syndroms
• Lösungsvorschläge

• Niveau: grundlegend
• Fachlicher Bezug: Genetik, Neurobiologie, Stoffwechsel
• Basiskonzepte: Regelung und Steuerung
• Erkenntnismethoden: beschreiben, Phänomene erfassen, Konzepte anwenden, Darstellungen verwenden
• Kommunikation: erklären, Materialien auswerten
• Inhalt in Stichworten: innere und äußere Atmung, Chemorezeptoren, Genmutation, Genregulation

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Genetik: Klassische Genetik

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
6 Seiten (1,2 MB)

In dieser Unterrichtseinheit können Aufgaben zu grundlegenden Überlegungen der Klassischen und Molekularen Genetik bearbeitet werden.

Zum Tragen kommen neben einer sauber strukturierten Darstellung in Bezug auf das Punnet-Kombinationsquadrat auch Überlegungen zu Ablauf und Funktionsdefekten bei Genwirkketten.

• Niveau: vertiefend
• Fachlicher Bezug: Klassische Genetik
• Basiskonzepte: Reproduktion, Variabilität und Angepasstheit
• Erkenntnismethoden: Phänomene erfassen, Konzepte anwenden
• Kommunikation: erklären, Fachsprache verwenden
• Inhalt in Stichworten: Kreuzungsschemata, komplementäre Polygenie, Zusammenwirken unterschiedlicher Stoffwechselwege bei der Bildung eines Produkts

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Aufgaben zur phänotypischen Ausprägung des Agouti-Gens

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der Oberstufe des Gymnasiums
21 Seiten (1,1 MB)

Die Epigenetik ist eine noch junge Forschungsdisziplin. Sie erklärt den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Aktivität von Genen und den Phänotyp. Durch ausgedehnte molekularbiologische Forschung erhofft man, einen Beitrag zum Gesundheitsschutz der Bevölkerung zu erzielen. In dieser Klausuraufgabe bearbeiten die Schülerinnen und Schüler Forschungsergebnisse zum Einfluss verschiedener Allele des Agouti-Genlocus auf die Ausprägung der Fellfarbe von Mäusen. Experimente belegen den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Ausprägung von Merkmalen und zeigen die Grenzen der klassischen Vererbungsregeln nach Mendel auf. Die Schülerinnen und Schüler beurteilen die Relevanz epigenetischer Befunde für den Menschen und beziehen Stellung zur Gültigkeit der Evolutionstheorie nach Lamarck.

• Methodisch-didaktische Hinweise
• M 1: Variabilität der Fellfarbe durch Mutation
• M 2: Variabilität der Fellfarbe durch DNA-Methylierung
• M 3: Steuerung der Genaktivität durch Methylierung
• M 4: Variabilität der Fellfarbe durch Diät
• Lösungen
• Literatur

• Variabilität in Populationen durch Mutation und DNA-Modifikation durch Methylierung, Variabilität der Fellfarbe, das Gen agouti, Beeinflussung der Ausprägung des Merkmals Fellfarbe durch Umweltfaktoren, Nahrungsbestandteile als Methylgruppen-Donatoren, Epigenom, Hypothesen, prüfende Experimente, Genaktivität, Regulation der Genexpression, Modellierung genregulatorischer Prozesse, Beurteilung historischer Evolutionstheorien

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24 Aufgaben zur Lernstandserhebung

Biologie Unterrichsmaterial für den Einsatz
in der 11. -13. Schuljahr, Gymnasium

Dben und Wiederholen Sie mit Ihrer Klasse wichtige Begriffe und Regeln der klassischen Genetik. Ihre Lernenden werden so ideal auf weitere Teilgebiete der Genetik wie Molekulargenetik, Humangenetik und angewandte Genetik vorbereitet sowie in Ihrem Wissensstand auf einen Nenner gebracht. Die Einheit eignet sich deshalb ideal für die Selbst- oder Fremdevaluation zum Übergang in die Oberstufe.

• Klassenstufe: Sek II
• Dauer: 2 Unterrichtsstunden
• Kompetenzen: Die Lernenden …
  • 1. beschreiben die Struktur der Erbinformation,
  • 2. wiederholen den Ablauf der Mitose und Meiose,
  • 3. vervollständigen einen Einzelstrang mit komplementären Basen,
  • 4. definieren wichtige Begriffe der klassischen Genetik,
  • 5. analysieren Stammbäume zu bekannten Erbkrankheiten.
• Thematische Bereiche: Erbinformation, DNA, RNA, Mitose, Meiose, klassische Genetik, Mendel, Erbkrankheiten, Hämophilie, Chorea Huntington, Mukoviszidose, Stammbaumanalys
  
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