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Biologie

Vorbemerkungen

 

Bildungsplanübersicht

Schuljahr Bildungsplaneinheiten Zeitricht-wert Gesamt-stunden
Eingangsklasse Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) 20
1 System Zelle
10
2 Biomoleküle und Biokatalyse
26
3 Immunsystem
14 70
Zeit für Leistungsfeststellung 10
80
Jahrgangsstufe 1 Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) 30
4 Genetik
40
5 Evolution
20
6 Dissimilation
15 105
Zeit für Leistungsfeststellung 15
120
Jahrgangsstufe 2 Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) 24
7 Assimilation
20
8 Ökologie
26
9 Nervensystem
14 84
Zeit für Leistungsfeststellung 12
96

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Praktikum Mikroskopie
Osmose bei Zwiebelzellen
Anfärben von Mundschleimhautzellen
Plasmaströmung bei Elodea
Bau eines Zellmodells
Enzym-Experimente
DNA-Isolierung
Enzymimmobilisierung
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

System Zelle

10

Die Schülerinnen und Schüler erkennen das offene System Zelle als Grundbaustein aller Lebewesen und als Funktionseinheit für Vorgänge der Immunabwehr, des Stoffwechsels, der Reproduktion, der Steuerung und Regelung sowie der Stoff- und Energieumwandlung. Sie analysieren elektronenmikroskopische Bilder, um ihre Kenntnisse über den Feinbau von pro- und eukaryotischen Zellen zu erweitern.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Struktur und Funktion von Zellorganellen tierischer und pflanzlicher Zellen, deren Zusammenwirken und vergleichen eukaryotische und prokaryotische Zellen. Sie beschreiben die Zelle als offenes System und erläutern die Bedeutung der Kompartimentierung.

Zellkern, Mitochondrium, Chloroplast, endoplasmatisches Reticulum, Dictyosom, Lysosom, Ribosom, Vakuole, Zellwand
Praktikum Mikroskopie
Zeichnungen
Analogiebeispiele, z. B. Fabrik
Procyte und Eucyte

Kompartimentierung
Endosymbiontentheorie

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler werten experimentelle Ergebnisse zum Aufbau der Biomembran aus und beschreiben auf deren Grundlage ein Membran-Modell. Sie wenden das Struktur-Funktions-Konzept auf Biomembranen an und erläutern damit die Abgrenzung der Zelle sowie den Stoffaustausch.

Bau und Eigenschaften der Biomembran (Flüssig-Mosaik-Modell)
historische Entwicklung von Gorter-Grendel zu Singer-Nicolson
Diffusion, Osmose, passiver und aktiver Transport

BPE 2

Biomoleküle und Biokatalyse

26

Die biologische Bedeutung von Proteinen und Nukleinsäuren und der Zusammenhang zwischen deren Struktur und Funktion werden den Schülerinnen und Schülern unter anderem durch den Einsatz geeigneter Modelle verdeutlicht. Sie erkennen die Bedeutung der Replikation, der Genexpression und die Relevanz der Genprodukte für den Organismus. Darüber hinaus verstehen die Schülerinnen und Schüler die biologische Funktion von Enzymen für Organismen und beschreiben Beispiele in der technischen Anwendung.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Struktur und Funktion von Proteinen und erklären die Struktur der DNA am Modell. Die Schülerinnen und Schüler erklären die Replikation und ihre Bedeutung für Mitose und Zellzyklus.

Proteine: Aufbau aus Aminosäuren mit Grundstruktur und Peptidbindung
Einteilung der Aminosäuren nach Eigenschaften

Primär‑, Sekundär‑, Tertiär- und Quartärstruktur der Proteine
vgl. BPE 3 (Antikörperstruktur) und BPE 4
Denaturierung (Alkohol, Hitze, Säure)
z. B. Konservierung
DNA: Aufbau aus Nukleotiden (Desoxyribose, Base, Phosphat)

Strukturmerkmale (Komplementarität, Antiparallelität, Doppelstrang) der DNA

Replikation, semikonservative Verdopplung der DNA als Voraussetzung für Mitose und Zellzyklus
Meselson-Stahl
im Überblick

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Proteinbiosynthese.

Transkription (Zellkern, mRNA)

Genetischer Code
Codesonne
Translation (Ribosom, tRNA, Polypeptid)

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den strukturellen Aufbau eines Enzyms und dessen Wirkungsweise als Biokatalysator.

Biokatalyse
Energie-Reaktionsweg-Diagramm
Modellvorstellung zum aktiven Zentrum

Substrat‑, Wirkungsspezifität
Experiment mit Urease
Schlüssel-Schloss-Prinzip

Technische Anwendung von Enzymen
z. B. Waschmittel, Medikamente, Lebensmittelproduktion

BPE 2.4

Die Schülerinnen und Schüler werten Daten zur Enzymaktivität in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren aus.

Temperatur, pH-Wert, Substratkonzentration

Schülerexperiment zu einem der Faktoren
digitale Messwert-Erfassung und Auswertung

BPE 2.5

Die Schülerinnen und Schüler erklären und vergleichen die reversible und irreversible Enzymhemmung und erläutern die Wirkungen auf den Organismus.

Kompetitive Hemmung
z. B. Medikamente vgl. BPE 9, Ethanol/Methanol
Irreversible Hemmung durch Schwermetall-Ionen, Denaturierung
z. B. Schwermetallvergiftung
Experiment: Urease und Kupfersulfat

BPE 3

Immunsystem

14

Die Schülerinnen und Schüler begreifen die spezifische Immunreaktion als koordiniertes Zusammenwirken spezialisierter Immunzellen im Körper. Sie verstehen die Bedeutung der Erkennung körpereigener und körperfremder Strukturen für die Funktionsfähigkeit des Immunsystems. Die Schülerinnen und Schüler bilden sich kriteriengeleitet eine Meinung zur Impfung.

BPE 3.1

Die Abwehr von Antigenen durch das Immunsystem erklären die Schülerinnen und Schüler durch das Zusammenwirken verschiedener Zellen und Antikörper. Dabei erläutern sie die Wechselwirkungen zwischen Immunzellen mittels Zell-Zell-Kontakten und Signalstoffen. Sie erklären, dass Antigene anhand von Oberflächenstrukturen erkannt und diese Information im Immunsystem weitergegeben und gespeichert wird.

Virusaufbau
vgl. BPE 1
Unspezifische und spezifische humorale und zelluläre Immunantwort am Beispiel einer viralen Infektionskrankheit
z. B. Influenza, AIDS, Masern
  • Kooperation von Immunzellen: Signalstoffe, Zell-Zell-Kontakte
Cytokine
  • Unterscheidung von körpereigen und körperfremd anhand des MHC-Systems
z. B. Allergie, Organtransplantation, Autoimmunerkrankung

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler nehmen kriteriengeleitet Stellung zum Thema Impfung.

Impfung
Impfmüdigkeit, Impfpflicht

Jahrgangsstufe 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

30

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
molekularbiologische Experimente
Themenkomplex: Hämoglobin – Sichelzellanämie – Malaria
Gärungsexperimente
Computersimulationen
Exkursion zum Naturkundemuseum
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 4

Genetik

40

Das Wissen über die Weitergabe genetischer Information und deren Verwirklichung im Stoffwechsel der Zellen bildet die Grundlage für das Verständnis genetisch bedingter Krankheiten und deren Ursachen. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler moderne Diagnose- und Therapiemöglichkeiten einer Erkrankung wie z. B. Chorea Huntington kennen und erhalten einen Einblick in gentechnische Verfahren und deren Anwendung in der Praxis. Sie setzen sich mit der Bedeutung und den Risiken innovativer Technologien auseinander und reflektieren diese.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Entstehung genetischer und phänotypischer Variabilität als Ergebnis sexueller Fortpflanzung.

Chromosomenbau, Histone

Chromosomensatz und Karyogramm des Menschen

Keimzellenbildung und Befruchtung
ohne Bezeichnung der einzelnen Phasen
Meiose mit inter- und intrachromosomaler Rekombination

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen die Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten, wenden den genetischen Code an, ermitteln somit die entsprechende Aminosäuresequenz und begründen Ursachen und Auswirkungen von Mutationen. Sie werten Stammbäume hinsichtlich der zu Grunde liegenden Erbgänge monogenetischer Erkrankungen aus und beschreiben Regulationsmechanismen der Genexpression.

Proteinbiosynthese bei Prokaryoten
vgl. BPE 2
Transkription (mRNA, RNA-Polymerase, Promotor, Terminator, codogener/nicht-codogener Strang, 5'-3'-Schreibweise)

Genetischer Code
Codesonne
Translation (Ribosom, tRNA, Codon, Anticodon, Polypeptid)

Proteinbiosynthese bei Eukaryoten (Kompartimentierung, 5'-Cap, Poly-A-Schwanz, Splicing)

Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten: Transkriptionsfaktoren, Modifikationen des Epigenoms durch Methylierung

Mutationen (Gen‑, Chromosomen‑, Genommutationen) und deren Auswirkungen
z. B. Chorea Huntington, Mukoviszidose, Katzenschrei-Syndrom, Trisomie 21
Ursachen von Mutationen: Mutagene, Replikationsfehler, Non-Disjunction

Stammbaumanalysen (autosomale und X-chromosomale Erbgänge beim Menschen)
monogene Merkmale (z. B. Sichelzellanämie, Bluter, Rot-Grün-Blindheit)
vgl. BPE 2

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Wirkungsweise von Antibiotika und beschreiben einen Resistenzmechanismus.

Wirkorte und Wirkung von Antibiotika im Überblick
vgl. BPE 1
Antibiotikaresistenz am Beispiel der ß-Lactam-Antibiotika, Plasmide
Ampicillin oder Penicillin
vgl. BPE 5

BPE 4.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die PCR als Verfahren für einen Gentest und bewerten Chancen und Risiken eines solchen Tests. Sie beschreiben Methoden der Gentherapie und stellen das CRISPR/Cas-Verfahren als molekularbiologische Technik dar, um DNA gezielt zu verändern sowie dessen Bedeutung bei der Phagen-Abwehr von Bakterien.

Polymerase-Kettenreaktion (PCR), Gelektrophorese

Gentest: genetische Beratung, ethische Betrachtung
z. B. Brustkrebs, Chorea Huntington, Trisomie 21
Gentherapie
z. B. Therapie vom ADA-SCID
CRISPR/Cas

BPE 5

Evolution

20

Die Schülerinnen und Schüler erkennen in der Vielfalt der Lebewesen die Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen. Aufbauend auf Darwin ermöglicht ihnen die synthetische Evolutionstheorie das Verständnis der grundlegenden Evolutionsmechanismen, die zur Entstehung und Veränderung der Arten führen. Die Schülerinnen und Schüler lernen wissenschaftliche Belege und auch Grenzen der Evolutionstheorie kennen.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler nennen die wichtigsten Aussagen der Evolutionstheorien von Lamarck und Darwin und vergleichen diese. Sie wenden die beiden Theorien auf ein konkretes Beispiel an.

Evolutionstheorien von Lamarck und Darwin
z. B. Theorie zur Evolution der Giraffe
vgl. BPE 4 Epigenetik

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die synthetische Evolutionstheorie als Erweiterung der klassischen Evolutionstheorie von Darwin um Erkenntnisse der Genetik und Populationsgenetik. Sie erläutern den Einfluss der Evolutionsfaktoren auf den Genpool. Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Kosten und Nutzen von Verhalten für die reproduktive Fitness an einem Beispiel.

Synthetische Evolutionstheorie
Abgrenzung von nicht-naturwissenschaftlichen Vorstellungen
Grundlegende Prinzipien der Evolution

  • genetische Variabilität durch Mutation und Rekombination
vgl. BPE 4
  • abiotische und biotische Selektionsfaktoren

  • adaptiver Wert von Verhalten: reproduktive Fitness, Kosten-Nutzen-Analyse
Nahrungssuche z. B. Flug zu Beutegründen
  • Gendrift

  • Verwandtschaft

  • Koevolution

  • Isolation: Mechanismen, Artbildung, populationsgenetischer Artbegriff

Evolution als Veränderung der Genotyp- und Allelhäufigkeit im Genpool einer Population

BPE 5.3

Die Schülerinnen und Schüler stellen Belege für die Evolution aus der Paläontologie, vergleichenden Anatomie und Molekularbiologie dar.

Bedeutung von Fossilien für die Evolutionstheorie

Mosaikformen
z. B. Archaeopteryx, Schnabeltier
Homologie, Analogie
Homologiekriterien
Rudimente und Atavismen

Sequenz-Analyse, molekularbiologische Homologien
Stammbäume mit Alignmentprogramm z. B. Clustal Omega, Globin-Familie; vgl. BPE 2, BPE 4

BPE 6

Dissimilation

15

Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass Stoffwechselvorgänge und die damit verbundene Energiebereitstellung Grundlage des Lebens sind. Sie erklären das Zusammenspiel von organischen Verbindungen, ATP, Elektronen- und Wasserstoffüberträgern im Energiestoffwechsel der Organismen. Dabei greifen sie auf ihr Vorwissen der Enzymatik und des Aufbaus der Zellen zurück.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Stoff- und Energiebilanzen sowie Ablauf, Regulation und Bedeutung des aeroben Abbaus von Glucose.

Summengleichung der Zellatmung
Strukturformel von Glucose
Teilschritte der Zellatmung im Überblick:
Glykolyse, Pyruvat-Decarboxylierung, Citratzyklus, Endoxidation; Reaktionsräume und Stofftransport in der Zelle, Feinbau des Mitochondriums
vgl. BPE 1, BPE 2
Regulation eines Stoffwechselvorgangs auf Enzymebene
z. B. Hemmung von Hexokinase vgl. BPE 2
Bedeutung von NAD als Elektronen- und Wasserstoffüberträger (Redoxreaktionen)
ohne Strukturformel
Bedeutung von ATP als Energieträger
ATP-Synthese mithilfe eines Protonengradienten
ohne Strukturformel

Jahrgangsstufe 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

24

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Mikroskopieren von Blattquerschnitten
Experimente zur Fotosynthese
Naturschutzprojekt
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 7

Assimilation

20

Anknüpfend an die Dissimilation lernen die Schülerinnen und Schüler die Bedeutung der Assimilation für das Leben auf der Erde kennen. Anhand der Auswertung experimenteller Ergebnisse leiten die Schülerinnen und Schüler den Ablauf der Fotosynthese auf molekularer Ebene und die daran beteiligten Strukturen ab und ordnen die Teilprozesse ihren Reaktionsräumen zu. Dabei erkennen sie die Bedeutung organischer Verbindungen als Energieträger.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau und die Funktionen von Laubblättern und Chloroplasten als Strukturen der Fotosynthese. Sie erklären die Anpassung von Pflanzen an Umweltfaktoren.

Laubblatt und Chloroplast
Blattquerschnitt, vgl. BPE 1
Anpassung an die Umweltfaktoren Licht und Wasserversorgung
Sonnenblatt, Schattenblatt, Xerophyten, Hygrophyten

BPE 7.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären den Ablauf der Fotosynthese und die Abhängigkeit der Fotosyntheserate von abiotischen Faktoren, indem sie dazu klassische Experimente auswerten.

Summengleichung der Fotosynthese
Strukturformel von Glukose
Chromatografie von Blattfarbstoffen

Abiotische Faktoren: Lichtintensität, ‑qualität, Kohlenstoffdioxid-Konzentration und Temperatur
Absorptionsspektrum von Chlorophyll, Engelmann-Versuch, Bläschenzählversuch bei Elodea
Lichtabhängige Reaktion: Fotolyse des Wassers, Elektronentransport, Protonengradient, Bedeutung von ADP/ATP und NADP+/NADPH + H+
Hill-Reaktion, Nachweis der Sauerstoff-Herkunft durch Isotopenmarkierung
vgl. BPE 1
Lichtunabhängige Reaktion: Calvinzyklus mit den 3 Phasen CO2-Fixierung, Reduktion von Phosphoglycerinsäure zu Phosphoglycerinaldehyd und Regeneration des CO2-Akzeptors
ohne Strukturformeln
vgl. BPE 1
Bedeutung der Fotosynthese
vgl. BPE 8

BPE 8

Ökologie

26

Die Ökologie thematisiert die Wechselwirkungen zwischen Organismen und Umwelt. Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Beziehungsgefüge sowie Ursache-Wirkungszusammenhänge in Ökosystemen und setzen sich kritisch mit dem besonderen Verhältnis Mensch-Umwelt auseinander. Sie werden in die Lage versetzt, technische Anwendungen und wirtschaftliche Nutzungen naturwissenschaftlicher Erkenntnisse unter Gesichtspunkten der nachhaltigen Entwicklung zu beurteilen. Sie erkennen globale Herausforderungen und verknüpfen diese mit lokalem Handeln. Sie verstehen Biodiversität als genetische Vielfalt, Artenvielfalt und Vielfalt an Ökosystemen und erkennen deren Bedeutung.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler stellen die Biosphäre als System unterschiedlicher Ökosysteme dar. Sie vergleichen Biotop und Biozönose an einem Beispiel. Sie erläutern den Einfluss abiotischer Faktoren auf Organismen.

Ökosysteme
z. B. Wald, Meer, Wüste
Erfassung ökologischer Faktoren und qualitative Erfassung von Arten in einem Areal
z. B. Exkursion
Biotop und Biozönose: biotische und abiotische Faktoren, ökologische Nischen
siehe BPE 8.2
Toleranzkurven, ökologische Potenz

BPE 8.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären Beziehungen zwischen Organismen. Sie vergleichen Nahrungskette und Nahrungsnetz und begründen die Rolle der Lebewesen im Ökosystem für eine nachhaltige Nahrungsbeziehung. Sie werten eine Biomassepyramide aus und erklären diese mit dem Energiefluss.

Produzenten, Konsumenten, Destruenten

Nahrungskette und Nahrungsnetz, Räuber-Beute-Beziehungen

Biomassepyramide, Trophie-Ebenen, Energiefluss
vgl. BPE 7
Konkurrenz, Parasitismus, Symbiose

BPE 8.3

Die Schülerinnen und Schüler stellen den Kohlenstoffkreislauf unter Einbeziehung menschlicher Einflüsse dar. Sie nennen Aspekte von Nachhaltigkeit und bewerten diese.

Kohlenstoffkreislauf
vgl. BPE 6 – 7
Einsatz fossiler Brennstoffe, Emissionsreduzierung, Folgen des anthropogenen Treibhauseffekts
z. B. Aufforstung
Regenerative Brennstoffe, Biomasse
nachwachsende Rohstoffe, Biogas
Ökologische, ökonomische und soziale Aspekte der Nachhaltigkeit
z. B. ökologischer Fußabdruck
Lokale und globale Maßnahmen
z. B. lokale Naturschutzprojekte, ökologische Landwirtschaft, Müllvermeidung
Erhaltungs- und Renaturierungsmaßnahmen

BPE 8.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Biodiversität als genetische Vielfalt, Artenvielfalt und Vielfalt an Ökosystemen. Sie begründen die Verantwortung des Menschen für die Erhaltung der Biodiversität und die Notwendigkeit einer nachhaltigen Entwicklung im Rahmen des Ökosystemmanagements.

Genetische Vielfalt, Artenvielfalt, Vielfalt an Ökosystemen

Bedeutung und Erhalt der Biodiversität für die Stabilität der Ökosysteme
z. B. große Hungersnot in Irland durch Kartoffelfäule, Insektensterben
Bedrohung der Biodiversität durch menschliches Handeln
z. B. Bevölkerungswachstum, industrialisierte Landwirtschaft
Auswirkungen des Diversitätsverlusts
Monokulturen
Lösungsansätze zum Erhalt der Diversität
z. B. Artenschutzabkommen, Biosphärengebiete, Genbanken (Svalbard Global Seed Vault)

BPE 9

Nervensystem

14

Aufbauend auf dem Wissen der Zell-Zell-Kommunikation zwischen Immunzellen erweitern Schülerinnen und Schüler ihr Verständnis zellulären Zusammenwirkens im Nervensystem. Am Beispiel neuronaler Informationsverarbeitung erkennen sie die Bedeutung von Regulationsvorgängen auf molekularer Ebene im Organismus.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Nervensystem als ein Organsystem, das der schnellen Informationsverarbeitung dient, und die Vorgänge von der Reizaufnahme über die Wahrnehmung bis zur Reaktion.

Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen (Reiz, Rezeptor, sensorische/ motorische Nerven, ZNS, PNS, Effektor-Organ, Reaktion)
Reiz-Reaktions-Schema
Kniesehnenreflex

Aufbau und Funktion der Motoneurone
Krankheiten z. B. amyothrophe Lateralsklerose (ALS); vgl. BPE 1

BPE 9.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären das Entstehen und die Messung von Membranpotenzialen und erläutern die Funktionen des Nervensystems auf zellulärer und molekularer Ebene.

Messung von Membranpotenzialen

Entstehung des Ruhepotenzials (Na+, K+, Cl-, organische Anionen, Na+/K+-ATPase)
vgl. BPE 1, BPE 6
Ablauf des Aktionspotenzials (Schwellenpotenzial, Depolarisation, Repolarisation, Hyperpolarisation, Refraktärzeit)

Kontinuierliche und saltatorische Erregungsweiterleitung
Myelinisierung
Neuromuskuläre Synapse
vgl. BPE 1 – BPE 2
Übertragung der Erregung und Störungsmöglichkeiten
z. B. Synapsengifte, Drogen, Multiple Sklerose

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