Grundlagen der Genetik - GIDA
Grundlagen der Genetik - GIDA
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GRUNDLAGEN<br />
DER GENETIK<br />
Sekundarstufe I, Klassen 7-9<br />
Die drei Mendel‘schen Regeln<br />
Chromosomen als Träger <strong>der</strong> Erbanlagen<br />
Mitose<br />
Meiose<br />
Mo<strong>der</strong>ne Tier- und Pflanzenzüchtung<br />
Biologie
Inhalt und Einsatz im Unterricht<br />
"<strong>Grundlagen</strong> <strong>der</strong> <strong>Genetik</strong>" (Biologie Sek. I, Kl. 7-9)<br />
Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "<strong>Grundlagen</strong> <strong>der</strong> <strong>Genetik</strong>" für die<br />
Klassen 7-9, in den Klassen 5+6 ist dieses Thema kein Lehrplangegenstand.<br />
Das DVD-Hauptmenü bietet folgende 5 Filme zur Auswahl:<br />
Die drei Mendel'schen Regeln 11:20 min<br />
Chromosomen als Träger <strong>der</strong> Erbanlagen 7:30 min<br />
Mitose 5:20 min<br />
Meiose 7:20 min<br />
Mo<strong>der</strong>ne Tier- und Pflanzenzüchtung<br />
(+ Grafikmenü mit 14 Farbgrafiken)<br />
11:00 min<br />
Umfangreiche und aufwändige 3D-Computeranimationen verdeutlichen die<br />
Kerninhalte <strong>der</strong> klassischen <strong>Genetik</strong>. Die Erkenntnisse Mendels (Erbse) und<br />
Morgans (Drosophila) ebenso wie Grundregeln <strong>der</strong> Zellteilungen und<br />
Weitergabe des Erbguts werden ausführlich behandelt. Ein Film stellt mo<strong>der</strong>ne<br />
bio- und gentechnische Methoden in Tier- und Pflanzenzüchtung vor. - Die<br />
Inhalte <strong>der</strong> Filme sind altersstufen- und lehrplangerecht aufbereitet. Die Filme<br />
sollten in <strong>der</strong> o.g. Reihenfolge eingesetzt werden, da sie teilweise aufeinan<strong>der</strong><br />
aufbauen.<br />
Die eigens für unsere 4 <strong>Genetik</strong>-DVDs (Sek.I+II) entwickelte Cartoon-Figur<br />
"Geni" führt als Protagonist und Chefkoch in seiner "Genküche" durch alle<br />
Filme. Geni vermittelt keine Lehrinhalte, son<strong>der</strong>n lockert den komplexen Stoff<br />
durch manchen unkonventionellen "Spruch" etwas auf. Geni und sein Küchen-<br />
Umfeld werden auf humoristische Weise genutzt, um motivierende Brücken<br />
zwischen thematischen Abschnitten zu bauen und um Neugierde auf die<br />
folgenden Inhalte zu wecken. Die aussergewöhnliche Figur "Geni" agiert als<br />
"didaktisches Vehikel", das mithilft, den Lernstoff stark ins Gedächtnis <strong>der</strong><br />
Schüler einzuprägen und so zum intensiven Lernerfolg beizutragen. Alle Filme<br />
bieten viel Information und reichlich Ansätze zur Vertiefung im Unterricht.<br />
Ergänzend zu den o.g. 5 Filmen finden Sie auf dieser DVD:<br />
- 14 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren<br />
(in den Grafik-Menüs)<br />
- 13 ausdruckbare pdf-Arbeitsblätter, jeweils in Schülerund<br />
in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich)<br />
Im <strong>GIDA</strong>-"Testcenter" (auf www.gida.de)<br />
finden Sie auch zu dieser DVD "<strong>Grundlagen</strong> <strong>der</strong> <strong>Genetik</strong>" interaktive und<br />
selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sie<br />
online bearbeiten o<strong>der</strong> auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichern<br />
und offline bearbeiten, ausdrucken etc.<br />
2
Begleitmaterial (pdf) auf dieser DVD<br />
Über den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie die<br />
Dateistruktur <strong>der</strong> DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM".<br />
In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei<br />
start.html<br />
Wenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einem<br />
Menü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterial<br />
<strong>der</strong> DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken und<br />
DVD-Begleitheft, Internetlink zum <strong>GIDA</strong>-TEST-CENTER, etc.).<br />
Durch einfaches Anklicken <strong>der</strong> gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sich<br />
automatisch <strong>der</strong> Adobe Rea<strong>der</strong> mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie den<br />
Adobe Rea<strong>der</strong> auf Ihrem Rechner installiert haben).<br />
Die Arbeitsblätter liegen jeweils in Schülerfassung und in Lehrerfassung vor (mit<br />
eingetragenen Lösungen). Sie ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich <strong>der</strong><br />
Kerninhalte <strong>der</strong> DVD und sind direkt am Rechner elektronisch ausfüllbar. Über<br />
die Druckfunktion des Adobe Rea<strong>der</strong> können Sie aber auch einzelne o<strong>der</strong> alle<br />
Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen.<br />
Fachberatung bei <strong>der</strong> inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:<br />
Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin<br />
(Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek.I + II)<br />
Unser Dank für Beratung, zur Verfügung gestelltes Bild-/Filmmaterial und<br />
Unterstützung unserer Dreharbeiten geht an folgende Institutionen:<br />
BDP Bundesverband Deutscher Pflanzenzüchter e.V.<br />
RUW Rin<strong>der</strong>-Union West eG<br />
Augustinian Abbey of Old Brno<br />
Landwirtschaftskammer NRW, Zentrum Ökologischer Land- u. Gartenbau<br />
Ruhr-Universität Bochum, AG Molekulare Zellbiochemie<br />
Ludwig-Maximilians-Universität München, AG Elektronenmikroskopie,<br />
Institut für Humangenetik<br />
Inhaltsverzeichnis Seite:<br />
DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4<br />
Die Filme<br />
Die drei Mendel'schen Regeln 5<br />
Chromosomen als Träger <strong>der</strong> Erbanlagen 8<br />
Mitose 10<br />
Meiose 12<br />
Mo<strong>der</strong>ne Tier- und Pflanzenzüchtung 14<br />
3
DVD-Inhalt - Strukturdiagramm<br />
4<br />
Hauptmenü<br />
Menü<br />
Menü<br />
Grafiken<br />
Filme<br />
Die drei Mendel'schen Regeln<br />
1. Mendel'sche Regel (Modul)<br />
2. Mendel'sche Regel (Modul)<br />
3. Mendel'sche Regel (Modul)<br />
Chromosomen als Träger <strong>der</strong> Erbanlagen<br />
Mitose<br />
Meiose<br />
Mo<strong>der</strong>ne Tier- und Pflanzenzüchtung<br />
Grafiken<br />
1. Mendel'sche Regel<br />
2. Mendel'sche Regel<br />
1.+ 2. Mend. Regel, Phäno- / Genotyp<br />
Dihybri<strong>der</strong> Erbgang, F1<br />
3. Mendel'sche Regel<br />
Intermediärer Erbgang<br />
Drosophila, Genkopplung<br />
Aufbau Chromosom<br />
Allele auf homologen Chromosomen<br />
Phasen Mitose<br />
Phasen Meiose, 1. Reifeteilung<br />
Phasen Meiose, 2. Reifeteilung<br />
Weibl. Meiose mit 3 Polkörpern<br />
Crossing-over
Die drei Mendel'schen Regeln (7-9)<br />
Laufzeit: 11:20 min, 2009<br />
Lernziele:<br />
- Gregor Mendel als Begrün<strong>der</strong> <strong>der</strong> mo<strong>der</strong>nen <strong>Genetik</strong> kennenlernen;<br />
- Die drei Mendel'schen Regeln am Beispiel Erbsenpflanze nachvollziehen;<br />
- Die Begriffe Gen, Allel, Hybrid, monohybri<strong>der</strong> und dihybri<strong>der</strong> Erbgang,<br />
Phänotyp und Genotyp einordnen können;<br />
- Dominant-rezessiven und intermediären Erbgang unterscheiden können.<br />
Inhalt:<br />
Der Film leitet mit einer kurzen Vita von Johann Gregor Mendel ein, gefolgt von<br />
einer knappen Schil<strong>der</strong>ung seiner Forschungsarbeit an Erbsenpflanzen.<br />
Abbildung 1: Johann Gregor Mendel<br />
Dann werden Schauplatz und leiten<strong>der</strong> Protagonist unserer insgesamt 4<br />
<strong>Genetik</strong>-DVDs vorgestellt: Chefkoch "Geni" in seiner "Genküche".<br />
Abbildung 2: "Chefkoch Geni in seiner Genküche"<br />
Geni stellt die rotund<br />
weißblühenden<br />
Erbsenpflanzen<br />
vor, mit denen <strong>der</strong><br />
Film sich im<br />
folgenden intensiv<br />
befassen wird, um<br />
die Mendel'schen<br />
Vererbungsregeln<br />
zu erläutern.<br />
5
Die relativ lange Laufzeit dieses Mendel-Filmmoduls begründet sich u.a.<br />
dadurch, dass die ersten beiden Mendel'schen Regeln ("Uniformitätsregel" und<br />
"Spaltungsregel") am klassischen Beispiel "Blütenfarbe bei Erbsenpflanzen"<br />
sehr kleinschrittig und gründlich entwickelt werden. Es ist den Autoren wichtig,<br />
den Schülern bei diesem ersten Schritt in das weite Feld <strong>der</strong> <strong>Genetik</strong> ein<br />
grundlegendes Verständnis <strong>der</strong> Vererbungsprinzipien zu vermitteln (es stehen im<br />
Menü auch drei separate Filmmodule zur Auswahl, je ein Modul pro Mendel-Regel).<br />
Im folgenden werden nun die Begriffe "Phänotyp" und "Genotyp"<br />
herausgearbeitet und anschließend die bislang entwickelte Kreuzungstabelle<br />
um genotypische Kennzeichnungen ergänzt.<br />
Die Kombination <strong>der</strong> Allele im Genotyp - rot=dominant und weiß=rezessiv -<br />
und ihre Auswirkungen im Phänotyp werden intensiv verständlich gemacht.<br />
6<br />
Abbildung 3: Vererbung im monohybriden Erbgang, Phänotyp<br />
Abbildung 4: Vererbung im monohybriden Erbgang, Genotyp
Der Film leitet über zur 3. Mendel'schen Regel ("Unabhängigkeits- und<br />
Neukombinationsregel"), die am dihybriden Erbgang von Form und Farbe <strong>der</strong><br />
Erbsensamen erklärt wird. Hier arbeitet <strong>der</strong> Film aber nicht mehr ganz so<br />
detailliert, d.h. es werden nur die phänotypischen Muster dieses Erbgangs<br />
erläutert.<br />
Abbildung 5: Vererbung im dihybriden Erbgang, Phänotyp<br />
Die Herleitung <strong>der</strong> Genotypen von P-, F1- und F2-Generation wird ganz gezielt<br />
dem nachfolgenden Unterricht überlassen, um die Schüler mit einer konkreten<br />
"Denksport"-Aufgabe zu motivieren und anzuspornen.<br />
Ähnliches gilt für ein abschließendes, kurzes Beispiel zum intermediären<br />
Erbgang. Das bekannte Beispiel <strong>der</strong> Wun<strong>der</strong>blume wird hier plakativ genutzt.<br />
Abbildung 6: Vererbung im intermediären Erbgang, Phänotyp<br />
* * *<br />
7
Chromosomen als Träger <strong>der</strong> Erbanlagen (7-9)<br />
Laufzeit: 7:30 min, 2009<br />
Lernziele:<br />
- Thomas Hunt Morgan und seine Forschung an <strong>der</strong> Fruchtfliege Drosophila<br />
melanogaster kennenlernen<br />
- Die Begriffe Kopplungsgruppe und Chromosom einordnen können;<br />
- Den Aufbau eines Chromosoms kennenlernen und die Platzierung <strong>der</strong> Allele<br />
eines Merksmals auf den homologen Chromosomen erkennen.<br />
Inhalt:<br />
Der Film geht von Kenntnis <strong>der</strong> Mendel'schen Regeln aus und stellt auf dieser<br />
Basis die weiterführenden Forschungen und Erkenntnisse von T.H. Morgan vor:<br />
8<br />
Abbildung 7: Thomas Hunt Morgan und Drosophila melanogaster<br />
Abbildung 8: "Chefkoch Geni in seiner Genküche"<br />
Chefkoch Geni ergänzt<br />
die Filmsequenzen wie<br />
gewohnt mit "wertvollen"<br />
Bemerkungen<br />
zu Fliegen und ihren<br />
Vermehrungsgewohnheiten.
Abbildung 9: Drosophila melanogaster, gekoppelte<br />
Gene im Erbgang<br />
Der Film arbeitet nun<br />
heraus, wie Morgan<br />
durch viele Kreuzungsversuche<br />
mit<br />
seinen Fruchtfliegen<br />
entdeckte, dass bestimmte<br />
Gene nur<br />
gemeinsam vererbt<br />
werden. Er prägte den<br />
Begriff <strong>der</strong> "Kopplungsgruppe"<br />
für<br />
diese im Erbgang<br />
zusammengefassten<br />
Gene.<br />
Es wird ein dominantrezessiver<br />
Erbgang mit<br />
den klassischen Beispiel-<br />
Merkmalen "Körperfarbe"<br />
und "Flügelfarbe" durchgespielt,<br />
<strong>der</strong> im Schritt<br />
von <strong>der</strong> F1 zur F2 einen<br />
Wi<strong>der</strong>spruch zu Mendels<br />
dritter Vererbungsregel<br />
offenbart.<br />
Es werden nun die vor<br />
Morgans Drosophila-<br />
Arbeiten von an<strong>der</strong>en Abbildung 10: Chromosom = Kopplungsgruppe<br />
Forschern in Zellen<br />
entdeckten "Chromosomen" neben Morgans Kopplungsgruppen gestellt, -<br />
Morgans Schlußfolgerungen werden nachvollzogen: "Die Erbanlagen liegen auf<br />
den Chromosomen", und "Ein Chromosom entspricht einer Kopplungsgruppe".<br />
Abbildung 11: Aufbau eines Chromosoms<br />
Abschließend stellt <strong>der</strong><br />
Film in knapper Form<br />
den Aufbau eines<br />
Chromosoms vor.<br />
Außerdem wird <strong>der</strong><br />
Begriff des homologen<br />
Chromosomenpaars<br />
eingeführt.<br />
* * *<br />
9
Mitose (7-9)<br />
Laufzeit: 5:20 min, 2009<br />
Lernziele:<br />
- Die Mitose als gleichförmige Reduplikation <strong>der</strong> Körperzellen erkennen;<br />
- Den genauen Ablauf <strong>der</strong> Teilungsphasen während <strong>der</strong> Mitose nachvollziehen<br />
können.<br />
Inhalt:<br />
Der Film führt am Beispiel <strong>der</strong> bereits bekannten Drosophila ins Thema ein und<br />
stellt dann in allgemeiner Form den Ablauf einer Mitose dar.<br />
Die Darstellung arbeitet am 3D-Schnittmodell einer stilisierten Zelle, die nur<br />
Chromosomen bzw. Chromatingerüst, Kernmembran und Kernkörperchen zeigt.<br />
Außerdem werden alle Teilungsschritte anhand eines homologen<br />
Chromosomenpaares erklärt.<br />
Abbildung 12: Zelle in <strong>der</strong> Interphase, Chromatingerüst<br />
10<br />
Abbildung 13: Prophase mit sichtbaren Chromosomen
Abbildung 14: Metaphase, Äquatorialebene<br />
Abbildung 15: Anaphase, getrennte Chromatiden<br />
Abbildung 16: Telophase, Teilung in zwei Zellen<br />
Abschließend zeigt <strong>der</strong> Film die Replikation <strong>der</strong> Chromatiden zu vollständigen<br />
Chromosomen, die ja für die nächste Zellteilung wie<strong>der</strong> benötigt werden.<br />
* * *<br />
11
Meiose (7-9)<br />
Laufzeit: 7:20 min, 2009<br />
Lernziele:<br />
- Die Meiose als eine beson<strong>der</strong>e Art <strong>der</strong> Zellteilung erkennen, in <strong>der</strong>en Verlauf<br />
Keimzellen gebildet werden;<br />
- Die wesentlichen Unterschiede zur Mitose, insbeson<strong>der</strong>e den Sinn und den<br />
Ablauf <strong>der</strong> Reduktionsteilung erkennen;<br />
- Unterschiede bei <strong>der</strong> Bildung männlicher und weiblicher Keimzellen erkennen.<br />
Inhalt:<br />
Der Film arbeitet detailliert die Unterschiede zur Mitose heraus, zentral dabei<br />
die Kombination aus "Reduktionsteilung" und "Äquationsteilung". Es wird auch<br />
verdeutlicht, dass die vier aus <strong>der</strong> Mitose bekannten Teilungsphasen zweimal<br />
ablaufen. (Lehrer können die diversen I- und II-Phasen-Benennungen je nach<br />
Anspruch und Belieben an einem DVD-Arbeitsblatt wie<strong>der</strong>holen bzw. vertiefen).<br />
Abbildung 17: Sinn und Zweck <strong>der</strong> Meiose<br />
Dann startet <strong>der</strong> Film mit<br />
<strong>der</strong> ersten Beson<strong>der</strong>heit<br />
<strong>der</strong> Meiose: Chromosomenpaarung<br />
in <strong>der</strong><br />
Prophase 1, Bildung <strong>der</strong><br />
Chromatiden-Tetrade.<br />
12<br />
Zunächst wird noch einmal<br />
festgestellt, was die Meiose<br />
von <strong>der</strong> Mitose<br />
grundlegend unterscheidet:<br />
In <strong>der</strong> Mitose teilen sich<br />
Körperzellen, in <strong>der</strong><br />
Meiose werden Keimzellen<br />
gebidet.<br />
Abbildung 18: Chromatiden-Tetrade, Prophase 1
Abbildung 19: Chromatiden-Tetrade, Metaph.1<br />
Abbildung 20: Reduktionsteilung<br />
Abbildung 21: 4 männl. Keimzellen<br />
Abbildung 22: 1 weibl. Keimzelle + Polkörper<br />
Die Metaphase 1 <strong>der</strong> Meiose:<br />
Die gepaarten homologen<br />
Chromosomen legen sich in<br />
die Äquatorialebene <strong>der</strong> Zelle.<br />
Nun erfolgt die eigentliche<br />
Beson<strong>der</strong>heit <strong>der</strong> Meiose, die<br />
Reduktion <strong>der</strong> diploiden Zelle<br />
in zwei Zellen mit haploidem<br />
Chromosomensatz (Anaphase<br />
1, danach Telophase 1)<br />
Nach einer weiteren Teilung<br />
(Prophase 2 bis Telophase 2)<br />
ist <strong>der</strong> Endstand <strong>der</strong> Meiose<br />
erreicht: Vier Keimzellen mit<br />
haploidem Chromosomensatz<br />
(hier das erste Beispiel mit 4<br />
gleichgroßen männlichen<br />
Keimzellen).<br />
Der Film zeigt dann kurz auch<br />
die Meiose einer Ei-<br />
Mutterzelle zur befruchtungsfähigen<br />
Eizelle und drei<br />
Polkörpern, die absterben.<br />
* * *<br />
13
Mo<strong>der</strong>ne Tier- und Pflanzenzüchtung (7-9)<br />
Laufzeit: 11:00 min, 2009<br />
Lernziele:<br />
- Praktische Beispiele für herkömmliche und mo<strong>der</strong>ne Züchtungsmethoden bis<br />
hin zur biotechnologisch und gentechnologisch unterstützten Züchtung<br />
kennenlernen.<br />
- Prinzipielle Funktion gentechnischer Methoden wie Gentransfer und Klonen<br />
verstehen.<br />
- Chancen und Risiken mo<strong>der</strong>ner Züchtungsmethoden (zumindest<br />
ansatzweise) diskutieren können.<br />
Inhalt:<br />
Der Film zeigt ein Kaleidoskop verschiedenster herkömmlicher<br />
Züchtungsmethoden, wie sie sich historisch entwickelt und verfeinert haben.<br />
Generelles Ziel je<strong>der</strong> Züchtung ist es seit jeher, bessere Erträge bei stabiler<br />
Qualität für die Ernährung <strong>der</strong> wachsenden Weltbevölkerung bereitzustellen.<br />
Abbildung 23: Genkoch Geni mit Forschungsobjekten<br />
Abbildung 24: Gewebekultur Getreide<br />
14<br />
Chefkoch Geni hat in<br />
den folgenden Filmkapiteln<br />
manches<br />
"lockere<br />
reden.<br />
Wort" mitzu-<br />
Zunächst wird eine<br />
historische Sequenz<br />
von Auslese- und<br />
Kombinationszüchtung<br />
gezeigt, ...<br />
... die dann übergeht in<br />
mo<strong>der</strong>ne Methoden wie<br />
Mutationszüchtung und<br />
Gewebekultur<br />
Pflanzenzucht.<br />
in <strong>der</strong><br />
Mit <strong>der</strong> Erhöhung <strong>der</strong><br />
Chromosomenanzahl<br />
in leistungsstarken<br />
Weizensorten ist man<br />
auf <strong>der</strong> Grenze von <strong>der</strong><br />
Biologie.<br />
zur Gentechno
Abbildung 25: Gentransfer in Pflanzenzellen<br />
Abbildung 26: Künstl. Besamung + Embryotransfer<br />
Abbildung 27: Klonen von erwachsenen Tieren<br />
Am Beispiel Mais zeigt<br />
<strong>der</strong> Film den Schritt in<br />
die Gentechnik:<br />
Auf Maispflanzen übertragene<br />
Bakteriengene<br />
schützen den Mais vor<br />
Attacken des Maiszünslers,<br />
einem Fraßschädling.<br />
Bei <strong>der</strong> Milchvieh-Zucht<br />
ist heute die künstliche<br />
Besamung gängige<br />
Praxis.<br />
Der Embryotransfer von<br />
beson<strong>der</strong>s wertvollen<br />
Spen<strong>der</strong>tieren auf viele<br />
Ammenkühe ist seltener<br />
praktizierte Biotechnologie<br />
in <strong>der</strong> Tiervermehrung.<br />
Gentechnik auf Seiten<br />
<strong>der</strong> Tierzucht wäre erst<br />
das Klonen von Tieren.<br />
Dazu wird eine frische<br />
Eizelle entkernt und ihr<br />
dann <strong>der</strong> Zellkern eines<br />
erwachsenen Tieres<br />
mit beson<strong>der</strong>s guten<br />
Eigenschaften eingesetzt.<br />
Es wächst ein<br />
genetisch identisches<br />
Tier heran.<br />
Abschließend regt <strong>der</strong> Film zur sachlichen Diskussion an: Ist alles Machbare<br />
auch wünschenswert? - Wie wägt man das Recht einer wachsenden<br />
Weltbevölkerung auf Ernährung gegen Umwelt- und Artenschutzinteressen ab?<br />
* * *<br />
15
<strong>GIDA</strong> Gesellschaft für Information<br />
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51519 Odenthal<br />
Tel. +49-(0)2174-7846-0<br />
Fax +49-(0)2174-7846-25<br />
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