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Berufliche Schulen

Bildungsplanarbeit für die Beruflichen Gymnasien 2021

Sondergebiete der Biowissenschaften

Eingangsklasse, Jahrgangsstufen 1 und 2

Vorbemerkungen

Fachbezogene Vorbemerkungen

1. Fachspezifischer Bildungsauftrag (Bildungswert des Faches)
Die Biologie als eine Wissenschaft mit vielen, teilweise stark vernetzten Teildisziplinen leistet zur Lösung bzw. Diskussion vieler medizinischer, technischer, ethischer und gesellschaftlicher Fragestellungen einen wertvollen Beitrag. Biologische Sachverhalte spielen ebenso eine Rolle bei der Realisierung der Energiewende, wie bei der Bewertung moderner medizinischer Verfahren aus verschiedenen Perspektiven. Die Diskussion um die Verwendung von Pestiziden in der Landwirtschaft kann ohne fundiertes Wissen um die zugrunde liegenden biologischen Zusammenhänge nicht sinnvoll geführt werden. Das Fach „Sondergebiete der Biowissenschaften“ leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Lebens und zum Selbstverständnis des Menschen in der belebten Umwelt.
Das Fach „Sondergebiete der Biowissenschaften“ eignet sich durch den modularen Aufbau hervorragend, um das jeweilige Profil der Beruflichen Gymnasien zu schärfen und vertiefende Einblicke in unterschiedliche einschlägige Berufsfelder zu geben. Ebenso können zusätzliche naturwissenschaftliche Inhalte im Hinblick auf eine umfassende naturwissenschaftliche Grundbildung ergänzend erworben werden. Die Profilierung als Bezug zur beruflichen Wirklichkeit und Markenkern der Beruflichen Gymnasien wird durch die profilspezifischen und ergänzenden Inhalte im Fach Sondergebiete der Biowissenschaften geschärft.
Alle ausgewählten biologischen Fragestellungen eignen sich zur Verwendung digitaler Medien als Lernwerkzeuge in der Unterrichtsgestaltung. Digitale Medien können sowohl zur Erfassung von Daten, Aufbereitung und Darstellung von Versuchsergebnissen, als auch zur Erstellung von z. B. Animationen und Lernvideos für die Visualisierung biologischer Abläufe genutzt werden. Experimentieren und das Arbeiten mit strukturellen und funktionalen Modellen sind grundlegende Methoden zur Erforschung biologischer Aspekte und dienen zur Veranschaulichung von Strukturen und Abläufen. Die Auswahl der Themengebiete und die inhaltliche Gestaltung der Bildungsplaneinheiten berücksichtigt die biologischen, chemischen und physikalischen Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler mit einem mittleren Bildungsabschluss und ist mit der Zielsetzung erfolgt, eine Weiterentwicklung ihrer fachlichen und personalen Kompetenzen zu ermöglichen.

2. Fachliche Aussagen zum Kompetenzerwerb, prozessbezogene Kompetenzen
Die moderne Biologie ist eine interdisziplinäre und vernetzte Wissenschaft, biologische Fragestellungen und Phänomene beeinflussen viele Aspekte des menschlichen Lebens und der Gesellschaft. Die kompetenzorientierte Gestaltung des Unterrichts im Fach „Sondergebiete der Biowissenschaften“ legt die Grundlagen für das Verständnis und die Interpretation wissenschaftlicher Erkenntnisse und damit für die Studierfähigkeit sowie für die aktive Teilnahme der Schülerinnen und Schüler an gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Diskussionen auf der Basis fundierter inhalts- und prozessbezogener Kompetenzen.

Inhaltsbezogene Kompetenzen
Die inhaltsbezogenen Kompetenzen orientieren sich in diesem Fach an aktuellen gesellschaftsrelevanten biologischen Fragestellungen und umfassen Fachwissen zu den Themenkomplexen „Ökologie, Stoffwechsel und Umwelttoxikologie“, „Entwicklungsbiologie, Evolution und Reproduktionsmedizin“, „Neurobiologische Grundlagen von Lernen und Verhalten“ sowie „Infektions- und Immunbiologie“. Bei der Erarbeitung der fachlichen Inhalte und Zusammenhänge stehen das exemplarische Lernen an geeigneten Beispielen sowie die Verknüpfung der einzelnen Inhalte mit den biologischen Prinzipien im Vordergrund.
In der Eingangsklasse werden vor allem die Prinzipien Stoff- und Energieumwandlung sowie Kompartimentierung an exemplarischen Inhalten der Zellbiologie und Ökologie erkennbar. Die Schülerinnen und Schüler erwerben grundlegende Kenntnisse zu den systemischen Zusammenhängen verschiedener Lebensformen auf der Ebene von Teilchen, Zellen, Organismen und Ökosystemen. Sie erkennen dadurch ihren eigenen Einfluss auf die Umwelt.
In den Jahrgangsstufen stehen Lernmodule aus verschiedenen biologischen Fachgebieten zur Auswahl. Dabei liegt in den Bildungsplaneinheiten 4, 5, 6 und 9 der Schwerpunkt auf dem Erfassen der Komplexität biologischer und biochemischer Netzwerke. Die biologischen Prinzipien Information und Kommunikation sowie Steuerung und Regelung stehen im Vordergrund. Die Schülerinnen und Schüler erfassen die biologischen Phänomene Entwicklung, Lernen und Evolution als Folge der Beeinflussung genetischer und zellulärer Prozesse durch interne und externe Faktoren. In den Bildungsplaneinheiten 7 und 8 werden anhand der Themen Reproduktionsmedizin und Immunbiologie biologische Vorgänge auf aktuelle medizinische Fragestellungen übertragen.

Prozessbezogene Kompetenzen
Die prozessbezogenen Kompetenzen werden durch eine entsprechende fachdidaktische Gestaltung des Unterrichts anhand der fachlichen Inhalte gemeinsam mit den inhaltsbezogenen Kompetenzen vermittelt.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Erkenntnisgewinnung und Fachmethodik“ setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit biologischen Fragestellungen auseinander. Sie werfen aus geeigneten Beobachtungen zielführende Fragestellungen auf und erstellen Hypothesen auf der Basis ihrer Vorkenntnisse. Die Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten zur Klärung biologischer Fragestellungen und Prüfung von Hypothesen wird von den Schülerinnen und Schülern zunehmend selbstständig geleistet. Den Schülerinnen und Schülern wird die Notwendigkeit zur Auswahl und Verwendung geeigneter Modellorganismen, Zell- oder Gewebekulturen zur Erforschung biologischer Sachverhalte bewusst. Zur Erklärung biologischer Sachverhalte, Prozesse und Wechselwirkungen verwenden, entwickeln und modifizieren die Schülerinnen und Schüler Struktur- und Funktionsmodelle. Sie beschreiben dabei auch den Zusammenhang zwischen Modell und Realität und beurteilen Aussagekraft und Grenzen von Modellen.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Fachkommunikation“ beschaffen die Schülerinnen und Schüler Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen, werten diese aus und bereiten sie adressatengerecht auf. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei, vertrauenswürdige und seriöse Quellen in verschiedenen analogen und digitalen Medien anhand geeigneter Kriterien zu recherchieren und zu erkennen. Die Informationen werden von den Schülerinnen und Schülern aus Experimentalergebnissen, Texten, Bildern, Tabellen, Diagrammen und Grafiken entnommen. Biologische Sachverhalte können von den Schülerinnen und Schülern unter Verwendung der Fachsprache beschrieben und erklärt sowie in einen Zusammenhang mit Alltagssituationen und gesellschaftlich relevanten Fragestellungen gebracht werden. Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, Verlauf und Ergebnisse ihrer Arbeit nachvollziehbar in Form von Protokollen und Postern zu dokumentieren sowie komplexe biologische Sachverhalte mithilfe von Texten, Skizzen, Grafiken, Modellen und Diagrammen anschaulich darzustellen. Die Schülerinnen und Schüler tauschen die erworbenen Informationen aus, indem sie ihre Arbeitsergebnisse adressatengerecht präsentieren und dabei ihre Standpunkte zu biologischen Sachverhalten fachlich begründet vertreten sowie fachlich begründete abweichende Standpunkte wahrnehmen und respektieren.
Die Arbeit im Team hat bei der Gewinnung und Aufbereitung von Informationen einen hohen Stellenwert. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei Verantwortung zu übernehmen, gemeinsam zu planen, zu strukturieren und zu reflektieren. Grundsätze und Werkzeuge des Projektmanagement können dazu zielführend ausgewählt und eingesetzt werden.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Bewertung/Reflexion“ erkennen die Schülerinnen und Schüler bei verschiedenen biologischen Themen deren gesellschaftliche Relevanz. Ihr Fachwissen ermöglicht ihnen eine Betrachtung biologischer Problemstellungen aus verschiedenen Perspektiven und befähigt sie, unterschiedliche Standpunkte zu begründen und zu bewerten.
Die Schülerinnen und Schüler können biologische Sachverhalte einordnen, indem sie Bezüge zwischen biologischen Inhalten und den Inhalten anderer Wissenschaften herstellen, Aussagen, Darstellungen und Lösungsstrategien zu naturwissenschaftlichen Problemen in Medien kritisch prüfen und bewerten sowie naturwissenschaftliche und ethische Argumente und Aussagen voneinander unterscheiden.
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und bewerten die Folgen der Anwendung biologischer Forschungsergebnisse sowie ihrer eigenen Lebensführung aus verschiedenen Perspektiven anhand geeigneter Beispiele unter den Aspekten der nachhaltigen Entwicklung, der Würde des Menschen, der Verantwortung für die Natur und für Ökosysteme sowie einer gesunden Lebensführung.
Zur Vermittlung der prozessbezogenen Kompetenzen liegt das Hauptaugenmerk des Faches Sondergebiete der Biowissenschaften auf den didaktischen Prinzipien der Wissenschaftspropädeutik und des entdeckenden Lernens. Durch die Unterrichtsgestaltung wird deutlich gemacht, dass nicht das Auswendiglernen und Reproduzieren von Inhalten, sondern die Hinführung zu wissenschaftlichem Arbeiten im Vordergrund steht. Die Schülerinnen und Schüler erhalten die Gelegenheit, sich auf den „Weg der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung“ zu begeben. Hierbei wird deutlich, dass dieser Weg mit seinen Bestandteilen bereits zum Lernprozess gehört, einen hohen Stellenwert besitzt und bei der Bewertung der Leistungen entsprechend berücksichtigt wird.
Die erste Einheit der Eingangsklasse, „Grundlagen des wissenschaftlichen Arbeitens“ trägt diesem Anspruch Rechnung und schafft eine Basis für die Vermittlung der verschiedenen prozessbezogenen Kompetenzen an den jeweils passenden Inhalten und Lernzielen der verschiedenen Unterrichtseinheiten (vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biologie der KMK i. d. F. vom 05.02.2004).

3. Ergänzende fachliche Hinweise
Die Auswahl der Wahlgebiete in den Jahrgangsstufen 1 und 2 sollte sich grundsätzlich an den spezifischen Lernvoraussetzungen der Schülerinnen und Schüler orientieren, um eine Weiterentwicklung ihrer personalen und fachlichen Kompetenzen zu ermöglichen.

Hinweise zum Umgang mit dem Bildungsplan
Der Bildungsplan zeichnet sich durch eine Inhalts- und eine Kompetenzorientierung aus. In jeder Bildungsplaneinheit (BPE) werden in kursiver Schrift die übergeordneten Ziele beschrieben, die durch Zielformulierungen sowie Inhalts- und Hinweisspalte konkretisiert werden. In den Zielformulierungen werden die jeweiligen fachspezifischen Operatoren als Verben verwendet. Operatoren sind handlungsinitiierende Verben, die signalisieren, welche Tätigkeiten beim Bearbeiten von Aufgaben erwartet werden. Die für das jeweilige Fach relevanten Operatoren sowie deren fachspezifische Bedeutung sind jedem Bildungsplan im Anhang beigefügt. Durch die kompetenzorientierte Zielformulierung mittels dieser Operatoren wird das Anforderungsniveau bezüglich der Inhalte und der zu erwerbenden Kompetenzen definiert. Die formulierten Ziele und Inhalte sind verbindlich und damit prüfungsrelevant. Sie stellen die Regelanforderungen im jeweiligen Fach dar. Die Inhalte der Hinweisspalte sind unverbindliche Ergänzungen zur Inhaltsspalte und umfassen Beispiele, didaktische Hinweise und Querverweise auf andere Fächer bzw. BPE.
Der VIP-Bereich des Bildungsplans umfasst die Vertiefung, individualisiertes Lernen sowie Projektunterricht. Im Rahmen der hier zur Verfügung stehenden Stunden sollen die Schülerinnen und Schüler bestmöglich unterstützt und bei der Weiterentwicklung ihrer personalen und fachlichen Kompetenzen gefördert werden. Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer nutzen diese Unterrichtszeit nach eigenen Schwerpunktsetzungen auf Basis der fächerspezifischen Besonderheiten und nach den Lernvoraussetzungen der einzelnen Schülerinnen und Schüler.
Der Teil „Zeit für Leistungsfeststellung“ des Bildungsplans berücksichtigt die Zeit, die zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung von Leistungsfeststellungen zur Verfügung steht. Dies kann auch die notwendige Zeit für die gleichwertige Feststellung von Schülerleistungen (GFS), Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.
* In der Jahrgangsstufe 1 sind zwei der BPE 4 – 6 und in der Jahrgangsstufe 2 zwei der BPE 7 – 9 zu unterrichten.

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwenden
Wiederholen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Untersuchung eines aquatischen Ökosystems (mit Projektmanagement)
Erstellen von Animationen biologischer Prozesse
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

Grundlagen des wissenschaftlichen Arbeitens

15
In der Reflexion historischer Wissensbildung und erster wissenschaftlicher Ansätze lernen die Schülerinnen und Schüler heutige Erkenntnisse und Errungenschaften ihrer Alltagswelt im Kontext moderner Wissenschaft kennen. In problembasierten Lernansätzen wird wissenschaftliches Vorgehen zu praxisrelevanten Fragen aus dem Bereich der Biowissenschaften entwickelt und im Rahmen von Experimenten umgesetzt. Erhobene Messdaten werden ausgewertet, diskutiert und unter Berücksichtigung gängiger Kriterien sachgerecht dargestellt. Die Schülerinnen und Schüler erwerben vereinfachte phänomenologische Vorstellungen von der Funktion naturwissenschaftlicher Analysemethoden. Im Hinblick auf weiterführende berufliche Anforderungen werden Kompetenzen für wissenschaftliches Arbeiten gefördert und die Kritikfähigkeit gegenüber Sachinformationen in einem gesellschaftlichen Diskurs geschärft.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen und bewerten den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im historischen Vergleich vom frühen Mittelalter bis zur Neuzeit exemplarisch in zentralen Schritten. Anhand einer alltagspraktischen fachbezogenen Fragestellung entwickeln sie auf Basis vorhandener Erkenntnisse Hypothesen, entwickeln ein sachlogisches Vorgehen und experimentelles Design zur Überprüfung. Sie diskutieren unterschiedliche Ergebnisszenarien und bewerten diese in einem iterativen Prozess im Hinblick auf einen Erkenntniszugewinn.
Wissenschaftlicher Erkenntnisgewinn
Praxisübung zu einem relevanten Thema
  • Historie
z. B. Alchemie, Rationalismus (Descartes, Leibniz) und Empirismus (J. Locke)
  • Ausgangsbeobachtung, Fragestellung, Hypothese, Untersuchung, Ergebnis und Deutung, Bewertung der Hypothese
Verifizierung, Falsifikation; gegebenenfalls Veränderung von Fragestellung, Versuchsansatz oder Hypothesenbildung
  • Theoriebildung

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben ein Analyseverfahren im naturwissenschaftlichen Kontext auf phänomenologischer Ebene und untersuchen eine alltagspraktische biologische oder biochemische Fragestellung durch eine Erhebung von Messdaten.Sie werten die erhobenen Messdaten mithilfe vorgegebener Eichkurven und einfacher Statistik aus, interpretieren und diskutieren sie im Kontext der Hypothese.

Wissenschaftliche Methode
z. B. Fotometrie, Titrimetrie mit Eichkurve
Wissenschaftliche Untersuchung
z. B. Nitrat- und Zitronensäurekonzentration in Pflanzen oder Lebensmitteln
  • Negativ- und Positivkontrolle

  • Erhebung einer Messreihe

  • Wiederholungsmessung und Parallelansatz

Auswertung mit Tabellenkalkulationsprogramm

  • deskriptive Statistik: Stichprobe, Mittelwert, Standardabweichung

  • grafische Darstellung von Messdaten

Fehlerbetrachtung

Diskussion der Ergebnisse und Überprüfung der Hypothese
Berücksichtigung themenbezogener Fachliteratur

BPE 1.3

Die Schülerinnen und Schüler fassen die verschiedenen Schritte der Untersuchung unter Berücksichtigung wissenschaftlicher Standards zusammen und stellen sie dar. Sie diskutieren die Ergebnisse im Plenum.
Dokumentation der Untersuchung mit den Teilen
Protokoll, wissenschaftliches Poster
  • Einleitung

  • Material und Methoden

  • Messergebnisse, Beobachtung

  • Diskussion

  • Zusammenfassung

Präsentation

BPE 2

Zellen als selbsterhaltende biochemische Funktionseinheiten

20
Die Schülerinnen und Schüler interpretieren Zellen als Bau- und Funktionseinheiten von Lebewesen. Sie ermitteln den Zusammenhang zwischen der Struktur und der Funktion von Zellbestandteilen. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass eine der prinzipiellen Eigenschaften von Zellen ihre Stoffwechselprozesse darstellen, da Zellen nur über Energie- und Stoffumsatz die charakteristischen Kennzeichen des Lebens erreichen können. Sie verstehen, dass Lichtenergie eine der primären Energieformen darstellt, welche die Stoffkreisläufe antreibt, denen auto- und heterotrophe Lebewesen unterworfen sind und einen Großteil des Lebens auf der Erde ermöglicht. Am Beispiel der Fotosynthese und der Zellatmung als deren Komplementärvorgang lernen sie die Bedeutung von zellulären Prozessen kennen, die chemische Energie liefern bzw. speichern.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler leiten Kennzeichen des Lebens aus der mikroskopischen Beobachtung und Zeichnung von Zellen ab. Sie untersuchen exemplarisch die Zusammenhänge zwischen den beobachteten Zellstrukturen und deren Funktion. Die Schülerinnen und Schüler deuten die Zelle als Bau- und Funktionseinheit von Lebewesen. Sie beschreiben Zellen als offene Systeme und geben Beispiele für autotrophe bzw. heterotrophe Lebewesen und Lebensweisen an.
Lichtmikroskopie verschiedener Zellen im Vergleich

  • Paramecium: Bewegung, Nahrungsaufnahme, Stoffwechsel
Fütterung mit Hefezellen
  • Hefe: Wachstum, Vermehrung, Vererbung
Sprossung
Zellstruktur und Zellfunktion

  • Zellkern, Chromatin, Rolle bei der Zellteilung und Vererbung
z. B. Wurzelspitzenpräparat
  • Chloroplast, Fotosynthese
z. B. Vergleich Alge, Zwiebelhautzelle; Membranzwischenraum, Stroma, Thylakoidraum;
Advance Organiser: Fotosynthese
Definition autotroph, heterotroph und Beispielorganismen
z. B. Euglena

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Fotosynthese und die Zellatmung als Prozesse der Energieumwandlung durch Zellen und interpretieren sie als Komplementärvorgänge in der belebten Welt. Sie leiten aus einfachen Experimenten Edukte und Produkte der Fotosynthese ab und formulieren die Nettogleichungen.

Fotosynthese und Zellatmung als Komplementärvorgänge
schematisches Modell, Kohlenstoffkreislauf, Experiment von Priestley; vgl. BPE 3
  • autotrophe Organismen als Lieferanten energiereicher organischer Moleküle für Zellatmung der heterotrophen und autotrophen Lebewesen

  • Edukte und Produkte der Fotosynthese

  • Nettogleichung der Fotosynthese
6 H2O + 6 CO2 + Lichtenergie \( \to \) C6H12O6 + 6 O2 + Wärmeenergie
  • heterotrophe Organismen als CO2-Lieferanten für Fotosynthese der autotrophen Lebewesen

  • Nettogleichung der Zellatmung
C6H12O6 + 6 O2 \( \to \) 6 H2O + 6 CO2 + chemische Energie (ATP) + Wärmeenergie

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler untersuchen die Rolle des Chlorophylls und des Lichts anhand des Wegs der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung. Ausgehend von den Ergebnissen des Engelmann-Versuchs entwickeln sie Hypothesen, die dieses Ergebnis erklären. Sie überprüfen ihre Hypothesen mithilfe eines geeigneten Experiments.
Rolle des Chlorophylls und des Lichts bei der Fotosynthese
Fotosyntheserate, O2-Produktion als Maß
  • Extraktion Rohchlorophyll

  • Aufnahme des Absorptionsspektrums
Fotometrie, Darstellung als Diagramm
  • Vergleich mit dem Versuchsergebnis von Engelmann, Korrelation von Lichtabsorption und Fotosyntheserate
Absorption von blauem und rotem Licht

BPE 2.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den grundsätzlichen Zusammenhang von Auf- und Abbauwegen im Stoffwechsel anhand eines Übersichtsschemas. Sie begründen die Notwendigkeit für den zellulären Stoffwechsel mit dem Energie- und Baustoffbedarf von Zellen.

Molekulare Bestandteile der Organismen
Nukleinsäuren, Proteine, Lipide,
Polysaccharide
Katabolismus

  • Abbau von Nahrungsmolekülen

  • Bildung von Bausteinen und nutzbaren Energieformen, Wärmeverlust
ATP
Anabolismus

  • Synthese von Bausteinen
z. B. Aminosäuren, Nukleotide, Glucose
  • Synthese von Biomakromolekülen aus Bausteinen
z. B. Proteinbiosynthese, DNA-Replikation
  • Bedarf an nutzbaren Energieformen
ATP
Energiebedarf von Zellen
z. B. Transportvorgänge, Muskelkontraktion, anabole Vorgänge

BPE 3

Untersuchung eines Ökosystems

15
Die Schülerinnen und Schüler analysieren den ökologischen Zustand eines aquatischen Ökosystems. Sie recherchieren geeignete Parameter zur Bewertung des ökologischen Zustands und erkennen deren gegenseitige Beeinflussung. Sie planen entsprechende Untersuchungen, führen diese durch und werten die Ergebnisse aus. Der Einfluss abiotischer, biotischer und anthropogener Faktoren auf den ökologischen Zustand des Ökosystems wird nachvollziehbar.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau und die Funktionsweise eines aquatischen Ökosystems am Beispiel eines stehenden oder fließenden Gewässers. Sie erklären den Einfluss abiotischer und biotischer Faktoren und deren Wechselwirkungen auf den Zustand des Ökosystems.

Biozönose und Biotop
vgl. Biologie, Jahrgangsstufe 2
Beschreibung eines Ökosystems

  • Einfluss abiotischer Faktoren: Schichtung bzw. Zonierung
Temperatur, Sonneneinstrahlung, Strömung, Dichteanomalie des Wassers, Sommerstagnation, Winterzirkulation, Längszonierung, Sauerstoffzonen
  • Einfluss biotischer Faktoren: Nahrungsbeziehungen
Trophieebenen; Simulationen
  • Biodiversität und Reaktionsnorm

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den prinzipiellen Ablauf der Eutrophierung eines Gewässers und leiten daraus die für die Bewertung geeigneten Messungen ab. Sie deuten das Vorkommen von Organismengruppen qualitativ und quantitativ im Hinblick auf eine Differenziertheit der Standorteigenschaften.

Prinzipieller Verlauf der Eutrophierung

  • Nährstoffeintrag
Stickstoff- und phosphorhaltige Verbindungen
  • Produzenten‑,Konsumentenbiomasse, tote Biomasse am Grund

  • Sauerstoffgehalt, Sauerstoffzehrung

  • Bildung von Faulgasen
Schwefelwasserstoff, Methan, Ammoniak
Untersuchungsdesign: Probenentnahmestellen, Messparameter und Experimente

BPE 3.3

Die Schülerinnen und Schüler ermitteln anhand der erhobenen Daten die Güteklasse eines Gewässers.
Datenerfassung
Schnelltests
  • Konzentrationsbestimmung: Nitrat, Nitrit, Ammonium, Phosphat
Stoffkreisläufe: Stickstoff und Phosphat im Zusammenhang mit der Eutrophierung
  • pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur

  • Sauerstoffsättigung und BSB5
Sauerstoffsonde oder Sauerstoffbestimmung nach Winkler
  • Saprobienindex, Zeigerorganismen

Interpretation der Messdaten, Ermittlung einer Güteklasse
Darstellung und Präsentation der Ergebnisse

Zeit für Leistungsfeststellung

10

70

80

Jahrgangsstufe 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwenden
Wiederholen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Neuropathologien: kognitionspsychologische und neurowissenschaftliche Grundlagen, Behandlung
Rolle von Frauen in den Naturwissenschaften (Christiane Nüsslein-Vollhard)
Erstellen von phylogenetischen Bäumen mit biologischen Sequenzdaten
Suche von Belegen der Evolutionstheorie beim Besuch von Fossilienfundstätten
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 4*

Neurobiologie des Lernens

25
Gedächtnisbildung und Erinnerungsleistung sind faszinierende und komplexe Leistungen des menschlichen Gehirns und sollen die Ausgangsthematik dieser Einheit bilden. Mit der Betrachtung der Erforschung der Grundlagen des Lernens am Beispiel des Kiemenrückziehreflexes bei Aplysia erfassen die Schülerinnen und Schüler Lernen als neurobiologischen Vorgang zur Modulation von Verhalten. Die wissenschaftshistorisch bedeutsamen, bahnbrechenden Experimente von Eric Kandel bieten den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit grundlegende Prinzipien der Neurobiologie des Lernens abzuleiten und zu verstehen.
Die Betrachtung und Untersuchung von Membranpotenzialen als Grundlage der Informationsübertragung im Nervensystem bietet den Schülerinnen und Schülern die Gelegenheit zur praktischen Umsetzung des Weges der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung und damit zur Festigung ihrer Fachmethodenkompetenz.
Grundsätzlich wird den Schülerinnen und Schülern die Bedeutung von geeigneten (Tier‑) Modellen, Zell- und Gewebekulturen für die Erforschung biologischer Fragestellungen exemplarisch deutlich.
Durch konsequente Herleitung neuronaler Prozesse aus Darstellungen der Originalversuche können die Schülerinnen und Schüler die Bedeutung einer zielführenden Versuchskonzeption für die Ermittlung biologischer Kenntnisse erfassen.
Den Schülerinnen und Schülern wird die enge Verbindung zwischen neurobiologischen und genetischen Vorgängen und damit die Bedeutung disziplinübergreifender Lösungsansätze zur Klärung biologischer Fragestellungen deutlich.
Durch einen abschließenden Vergleich von explizitem und implizitem Gedächtnis erhalten die Schülerinnen und Schüler einen kleinen Einblick in die Komplexität der Lern- und Gedächtnisvorgänge beim Menschen. Sie können dabei die Rolle der Aufmerksamkeit bei Lernvorgängen erfassen und daraus Rückschlüsse auf ihr eigenes Lernverhalten ziehen.
Der Aufbau der Einheit bietet die Möglichkeit der Vertiefung kognitionspsychologischer und neuropathologischer Aspekte wie z. B. Altersvergesslichkeit und Alzheimer-Krankheit, Schizophrenie, Depressionen und Parkinson-Krankheit.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler begründen die Eignung des Tiermodells Aplysia für die neurobiologische Forschung. Sie beschreiben den grundlegenden Aufbau des Reiz-Reaktionsschemas, skizzieren den dem Verhalten zugrunde liegenden vermittelnden neuronalen Schaltkreis und nennen die daran beteiligten Strukturen.

Aplysia als Tiermodell
Bau, Lebensweise und Vorkommen der Aplysia
Kiemenrückziehreflex als einfaches Modell eines Lernvorgangs mit wenigen Neuronen
Kiemenrückziehreflex: Reiz-Reaktionsschema, vermittelnder neuronaler Schaltkreis
Neuronen in Symbolschreibweise, Versuch am präparierten Tier
  • Sipho, Reiz am Sipho

  • sensorisches Neuron, Motoneuron

  • Kieme, Rückziehreflex als Reaktion

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler nennen die grundlegenden Funktionen von Nervenzellen und leiten daraus den schematischen Aufbau einer Nervenzelle ab.

Funktionen der Nervenzellen
Prinzip Struktur und Funktion; vgl. Biologie, Jahrgangsstufe 2
  • Reizaufnahme, Erregungsweiterleitung

  • Informationsverarbeitung, Verrechnung

  • Proteinbiosynthese
Funktion bedingt Zellkörper als Bestandteil
  • Vernetzung, Erregungsübertragung

Bau der Nervenzelle
Mikroskopie: Quetsch‑, Dauerpräparate
  • Dendriten, Axonhügel, Axon

  • Zellkörper: Hauptort der Proteinbiosynthese
Neurotransmitter, Ionenkanäle, Strukturproteine
  • Präsynapse
lokale Proteinbiosynthese

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Informationen im Nervensystem als Änderungen von Membranpotenzialen. Sie analysieren mit einem geeigneten Modellversuch das Ruhepotenzial, stellen die Versuchsergebnisse in geeigneter Form dar und leiten daraus die Vorgänge bei der Entstehung des Ruhepotenzials ab. Die Schülerinnen und Schüler erklären die dem Potenzial zugrunde liegenden elektrischen Gradienten, Konzentrationsgradienten und Ionenwanderungen. Sie deuten die Zustände an der realen Nervenzellmembran anhand der in dem Modellversuch gewonnenen Erkenntnisse.
Versuchsaufbau: Messung des Membranpotenzials an den Riesenneuronen des Tintenfisches
Realversuch in bildlicher Darstellung
Modellversuch
Gönner-Kammer oder U-Rohr mit selektivem Diaphragma; NaCl oder KCl, Cellulosehydratfolie (Cellophan) als kationenselektive Membran
Vergleich: Real- und Modellversuch
z. B. Versuchsprotokoll
  • Konzentrationsgradient, Ionendiffusion und elektrischer Gradient

  • selektiv permeable Membran

  • Gleichgewichtspotenzial

Ruhepotenzial an der Nervenzellmembran als K+-Potenzial

Selektive Permeabilität der Membran aufgrund der Ionenkanäle: K+-Kanäle und Na+-Kanäle

Diffusion von Na+‑, K+‑, Cl--Ionen, organische Anionen

BPE 4.4

Die Schülerinnen und Schüler benennen das Aktionspotenzial als informationstragende Änderung des Ruhepotenzials bei der Kommunikation zwischen Nervenzellen. Sie beschreiben das Aktionspotenzial als Folge veränderter Ionenkanalzustände und Ionendiffusion, ohne auf die einzelnen Phasen des Aktionspotenziales näher einzugehen.
Aktionspotenzial
Optogenetik: Steuerung des Verhaltens von genetisch veränderten Lebewesen über Licht
z. B. lichtgesteuerter Ionenkanal in Ratten-Neuronen: Kanalrhodopsin
Änderung des Membranpotenzials durch Änderung der Ionenkanalzustände und Ionendiffusion am Beispiel von Na+ und K+

BPE 4.5

Am Beispiel der glutamatergen Synapse beschreiben und skizzieren die Schülerinnen und Schüler die chemische Weiterleitung der Erregung. Sie erklären unter Einbezug des Schlüssel-Schloss-Prinzips den Ablauf der synaptischen Erregungsübertragung.

Erregungsübertragung zwischen sensorischem und motorischem Neuron im vermittelnden Schaltkreis des Kiemenrückziehreflexes von Aplysia

BPE 4.6

Die Schülerinnen und Schüler erklären den Unterschied zwischen erregenden und hemmenden Synapsen sowie ionotropen und metabotropen Rezeptoren. Sie nennen verschiedene Funktionen wichtiger Neurotransmitter im menschlichen Gehirn.
Erregende und hemmende Synapsen
Glutamat als wichtigster Neurotransmitter an erregenden Synapsen im menschlichen Gehirn;
GABA als wichtigster Neurotransmitter an hemmenden Synapsen
  • verschiedene ionotrope Rezeptoren

  • Na+- oder Cl--Einstrom führen zu Depolarisation oder Hyperpolarisation

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren
modulatorischer Schaltkreis
Neurotransmitter und deren Funktion im zentralen Nervensystem des Menschen

  • Dopamin als Transmitter im Mittelhirn/Substanzia nigra und im Belohnungs- bzw. Motivationssystem
Steuerung willkürlicher Bewegungen, Zusammenhang mit Parkinson
mesocorticolimbisches Belohnungssystem, Aufmerksamkeit
  • Serotonin als Transmitter im Hirnstamm
Schmerzempfinden, Schlaf-Wach-Rhythmus und Stimmung, Zusammenhang mit Depressionen, Serotonin-Wiederaufnahmehemmer

BPE 4.7

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben verschiedene Gedächtnisformen und erläutern die Vorgänge bei der einfachen Lernform der Sensitivierung am Beispiel des Kiemenrückziehreflexes der Aplysia. Sie leiten aus modellhaften Darstellungen ein Experiment zur Erforschung dieser Lernvorgänge ab. Die Schülerinnen und Schüler ermitteln aus Literaturangaben die Ergebnisse der Realversuche und entwickeln Hypothesen zur Erklärung der verstärkten Glutamatausschüttung durch Sensitivierung.
Kurzzeitgedächtnis, Langzeitgedächtnis

Sensitivierung

Versuchskonzeption: Versuche zur Verstärkung des Kiemenrückziehreflexes durch sekundären Reiz an der Schwanzregion
Nobelpreis 2000 an Eric Kandel, Arvid Carlsson und Paul Greengard
Ergebnis: Verstärkung der Glutamatausschüttung

Hypothesen
z. B. Verlängerung des Aktionspotenzials

BPE 4.8

Die Schülerinnen und Schüler stellen Ergebnisse aus Experimenten an Nervenzellpräparaten am Beispiel des Kiemenrückziehreflex bei Aplysia dar und skizzieren den modulatorischen neuronalen Schaltkreis im Vergleich mit dem vermittelnden Schaltkreis.

Modulatorischer Schaltkreis

  • sensorisches Neuron aus dem Sipho

  • sensorisches Neuron im Schwanz

  • Serotonin ausschüttendes Interneuron

  • Kiemenrückziehreflex steuerndes Motoneuron

  • Serotonin als modulatorischer Transmitter

Verhaltensänderung durch heterosynaptische Modulation der Stärke der Verbindung zwischen sensorischem Neuron und Motoneuron des vermittelnden Schaltkreises

Vorgänge bei der Kurzzeitbahnung als Grundlage der Verhaltensänderung
Ergebnisse von Versuchen zur Ermittlung der Wirkung der Einzelkomponenten der Signaltransduktion (Serotonin, cAMP, Proteinkinase A)

BPE 4.9

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Vorgänge bei der Signaltransduktion zur Verstärkung der synaptischen Übertragung und erläutern exemplarisch prinzipielle Schritte der Signalübertragung. Damit erklären die Schülerinnen und Schüler die Bildung von Kurzzeiterinnerungen bei der Sensitivierung auf zellulärer und molekularer Ebene.
Signaleingang: Interneurone, Information aus der Schwanzregion, Serotonin, sensorische Neurone; metabotroper Rezeptor

Signalweiterleitung: cAMP-Produktion, second messenger; Aktivierung der Proteinkinase A

Zellantwort: Schließung der K+-Kanäle; langsames Synapsenpotenzial; Verlängerung des Ca2+-Einstroms; vermehrte Ausschüttung von Glutamat, Verstärkung der synaptischen Übertragung auf das Motoneuron
Verzögerung der Repolarisation
direkte Wirkung von cAMP und Proteinkinase A auf die Glutamatausschüttung an der Präsynapse

BPE 4.10

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen die Versuchskonzeptionen und Versuchsergebnisse zur Erforschung der Kurz- und Langzeitbahnung. Sie ermitteln Unterschiede zwischen Nervenzellpräparaten und Gewebekulturen.

Kurz- und Langzeitbahnung im modulatorischen Schaltkreis des Kiemenrückziehreflexes bei Aplysia

  • Lernschaltkreis im Nervenzellpräparat zur Erforschung der Kurzzeitbahnung
Nervenzellpräparate aus adulten Tieren mit einer Lebensdauer von mehreren Stunden;
Tierverbrauch
  • Lernschaltkreis in der Gewebekultur zur Erforschung der Langzeitbahnung: sensorisches Neuron, serotonerges Interneuron, Motoneuron
Gewebekulturen: Lebensdauer von mehreren Tagen; Züchtung adulter Nervenzellen; Reduktion des Schaltkreises auf drei Zellen
Kurzzeitbahnung als minutenlange synaptische Verstärkung

Funktionelle Veränderung des Lernschaltkreises durch einmalige kurze Serotonininjektion an die Präsynapse des sensorischen Neurons

BPE 4.11

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Prinzip der synaptischen bzw. neuronalen Plastizität als Grundlage aller langfristigen Lern- und Erinnerungsvorgänge. Sie beschreiben Versuche und Versuchsergebnisse zur neuronalen Plastizität bei Wirbeltieren.
Langzeitbahnung als tagelange synaptische Verstärkung durch strukturelle Veränderungen:
Ausbildung neuer Synapsen
Langzeitbahnung durch Wiederholung
Synaptische Plastizität
Merkmale synaptischer Plastizität bei Wirbeltieren; Versuche zur Veränderung des sensorischen Cortex durch Lernen
Signaltransduktion zur Bildung neuer Synapsen durch Genexpression über Proteinkinase A, MAP-Kinase und CREB-1 und CREB-2.
Rolle von CREB bei der Altersvergesslichkeit

BPE 4.12

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Unterschiede zwischen implizitem Gedächtnis am Beispiel der Sensitivierung des Kiemenrückziehreflexes bei Aplysia und explizitem Gedächtnis am Beispiel bewusst abgerufener Gedächtnisinhalte beim Menschen.

Implizites Gedächtnis
Mensch: automatisch ablaufende neuronale Prozesse, z. B. Bewegungsablauf beim Radfahren
  • unwillkürliche Aufmerksamkeit

  • reflexive, keine bewusste Wahrnehmung des externen Reizes
Mensch: reflexartiges Bremsen aufgrund eines plötzlich auftretenden Hindernisses
  • Umwandlung des externen Reizes in das Auffälligkeitssignal, Ausschüttung von Serotonin: modulatorischer Transmitter

Explizites Gedächtnis
Orientierung aufgrund erlernter räumlicher Karten, Auffinden eines Ortes aus dem Gedächtnis
  • willkürliche, selektive Aufmerksamkeit
Verarbeitung von Reizen, die nicht automatisch auffallen
  • bewusste Wahrnehmung eines Reizes: Erzeugung des Auffälligkeitssignals
bewusstes Wahrnehmen von Wegmarken oder Himmelsrichtungen bei der Orientierung

BPE 4.13

Die Schülerinnen und Schüler nennen den präfrontalen Cortex und den Hippocampus als zentrale Strukturen von Aufmerksamkeit und Gedächtnisbildung und beschreiben stark vereinfacht die Bildung expliziter Gedächtnisinhalte beim Säugetier.
Hippocampus
Versuche mit Mäusen/Ratten, räumliche Karten, Langzeitpotenzierung
Bildung expliziter Gedächtnisinhalte
stark vereinfachte Darstellung
  • willkürliche, selektive Aufmerksamkeit: Einspeichern und Abrufen von Inhalten
Filterfunktion, Aufmerksamkeitsdefizite, Konzentrationsübungen
  • Präfrontaler Cortex: Aufmerksamkeit und Willkürhandlungen

  • Auffälligkeitssignal Dopaminausschüttung

  • Dopamin moduliert die Zellaktivität im Hippocampus, aktiviert CREB-Weg und Genexpression

  • Bildung neuer synaptischer Verbindungen im Hippocampus
räumliche Karte

BPE 5*

Molekulare Entwicklunsgenetik am Beispiel der Drosophila-Entwicklung

25
Mit der Betrachtung der molekularen Grundlagen der Embryonalentwicklung von Drosophila lernen die Schülerinnen und Schüler ein Paradigma für die Steuerung eines komplexen Entwicklungsprozesses durch ein genetisches Programm kennen. Sie erkennen das Potenzial von Mutagenese-Screenings und von Funktionsverlust-Untersuchungen für die Identifizierung von Schlüsselgenen zur Offenlegung der molekularen Grundlagen komplexer biologischer Prozesse.
Dies zeigt den Schülerinnen und Schülern, dass die Generierung von Positionsinformation entscheidend für die Steuerung dieses Entwicklungsprozesses ist. Die Schülerinnen und Schüler stellen fest, dass der Regulation der Genaktivität bei der Steuerung eines solchen Prozesses eine herausragende Rolle zukommt und der modulare Aufbau der regulatorischen Elemente eukaryontischer Gene dies in besonderer Weise ermöglicht. Sie vertiefen damit ihr Verständnis für die Genregulation durch Transkriptionsinitiation und erkennen deren Bedeutung bei dem Vorgang der Interpretation und Verfeinerung der Positionsinformation. Darüber hinaus wird den Schülerinnen und Schülern bewusst, dass viele der in Drosophila identifizierten Entwicklungsgene in homologer Form in anderen Organismen einschließlich des Menschen vorkommen, ebenfalls an der Steuerung von Entwicklungsprozessen beteiligt sein können und somit auch einen interessanten Ansatzpunkt evolutionsbiologischer Forschung darstellen. Insgesamt wird den Schülerinnen und Schülern die grundsätzliche Relevanz der Forschung an Modellorganismen verdeutlicht.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den zeitlichen Ablauf der Drosophila-Entwicklung unter Verwendung geeigneter Fachbegriffe. Sie interpretieren die Entwicklung als Prozess der Musterbildung zur Generierung eines segmentierten Körperbauplans.
Entwicklungsbiologie: grundlegende Begriffe

  • Zellproliferation, Zelldetermination, Zelldifferenzierung
Selektorgene
  • Musterbildung, Bauplan, Morphogenese
Realisatorgene
Drosophila-Entwicklung vom Ei bis zur Larve

  • syncytiale Phase
Bicoid-Gradient
  • zelluläres Blastoderm

  • Gastrulation
Keimblätter
Segmentierung: larvales Cuticula-Muster
als Grundlage für Mutagenese-Screening
  • invaginierte Kopfstrukturen

  • Thorax- und Abdominalsegmente
segmentspezifisches Dentikel-Muster
  • terminale Strukturen

Imaginalscheiben
für adulte Strukturen, z. B. Flügel, Beinpaare
Verpuppung und Metamorphose zur Imago

  • Kopf: Mundwerkzeuge, Augen, Antennen

  • Thorax: Beinpaare, Flügel, Halteren

  • Abdomen

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler diskutieren selbst entwickelte Modellvorstellungen zur Steuerung dieses Prozesses und stellen Hypothesen zur Untersuchungsmethodik eines solchen Musterbildungsprozesses auf.
Steuerung von Entwicklungsprozessen: Modellvorstellungen
einfache genetische Programme, z. B. Vermehrung lytischer Phagen
Untersuchung von Entwicklungsprozessen: Methodik
historische Betrachtung, z. B. Spemann-Experimente; Mutationen, z. B. Antennapedia

BPE 5.3

Die Schülerinnen und Schüler erklären die prinzipielle Bedeutung eines Mutagenese-Screenings. Sie leiten aus cuticulären Phänotypen von Mutanten die Existenz von prinzipiellen Molekülsystemen zur Generierung verschiedener Elemente des Grundbauplans ab.
Mutagenese-Screening: Cuticula-Muster

  • frühes Entwicklungsstadium
embryonal-letale Mutationen
  • Bauplan
Dentikel-Muster
  • Entwicklungsgene

Mutationen in Maternaleffekt-Genen: Bicoid, Nanos, Torso, Toll
Einsatz von Bildmaterial, Schemata
Mutationen in Zygoteneffekt-Genen: Hunchback, Krüppel, Knirps

BPE 5.4

Die Schülerinnen und Schüler stellen exemplarisch die prinzipielle Funktion der jeweiligen Schlüsselmoleküle zur Bereitstellung von Positionsinformation dar.
Anteriores System
Schlüsselmolekül: Bicoid
  • lokalisierte Bicoid-mRNA

  • Bicoid-Proteingradient
anterioposteriore Positionsinformation
  • Genregulatorprotein Bicoid
Aktivierung der Hunchback-Transkription
Posteriores System: lokalisierte Nanos-mRNA
Regulation der Translation sowie der Stabilität der Hunchback-mRNA durch Nanos-Protein
Dorsoventralsystem: Transmembranrezeptor
Toll
Toll-Rezeptoren bei der angeborenen Immunantwort; vgl. BPE 3, BPE 7
  • lokalisierte Rezeptor-Aktivierung

  • dorsoventraler Aktivitätsgradient des Genregulatorproteins Dorsal
Schlüsselmolekül: Dorsal; dorsoventrale Positionsinformation
Terminalsystem: Transmembranrezeptor Torso

BPE 5.5

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Funktionsweise von Musterbildungs-Molekülsystemen am Beispiel des anterioposterioren Systems und analysieren die Bedeutung spezifischer Transkriptionsfaktoren für die Steuerung des Segementierungsprozesses.
Anterioposteriore Musterbildung: Ei-Polaritäts‑, Lücken‑, Paarregel‑, Segmentpolaritäts-Gene
vereinfachte schematische Darstellung
Transkriptionsinitiation: Transkriptosom-Modell

  • Promotor, TATA-Box

  • allgemeine Transkriptionsfaktoren (TF), TATA-Box-bindendes Protein

  • spezifische TF, Adapterproteine, Aktivatoren, Repressoren

  • regulatorische DNA, Enhancer, Silencer
modular aufgebaut
Bicoidabhängige Hunchback-Transkription
Bicoid-Gradient als Positionsinformation
  • Anzahl der Bicoid-Bindungsstellen

  • TF-Affinität zu den Bindungsstellen

Aktivierung von Segmentierungsgenen
hierarchische Kaskade
  • Segmentierungsgene: TF-codierend

  • verfeinerte Positionsinformation

  • prä-segmentale Genexpression entspricht segmentiertem Bauplan
Streifenmuster: Expression von Engrailed im Embryonal- und Adultstadium

BPE 5.6

Aus den modular aufgebauten regulatorischen Elementen der Paarregelgene leiten die Schülerinnen und Schüler Hypothesen zum Mechanismus einer Transkriptionsaktivierung durch unterschiedliche regulatorische Signale ab.
Modell: nicht-repetitives Expressionsmuster der Ei-Polaritäts- und Lücken-Gene erzeugt repetitives Paarregelgen-Expressionsmuster

  • Paarregelgen Even-skipped
exemplarisch
  • regulatorische Module für die streifenspezifische Expression
Streifen-1-Modul im Vergleich zu Streifen-5-Modul

BPE 5.7

Die Schülerinnen und Schüler prüfen exemplarisch die Übertragbarkeit der bei Drosophila gefundenen Mechanismen der Embryonalentwicklung auf andere Organismen. Sie vergleichen die chromosomale Anordnung und die Expressionsmuster der Hox-Gene bei Drosophila und bei Säugetieren.
Drosophila Hox-Komplex

  • ein homöotischer Gen-Komplex
Bithorax- und Antennapedia-Cluster
  • anterioposteriore Expression

Säugetier Hox-Komplex

  • vier Gen-Komplexe
Duplikationen eines Ur-Hox-Komplexes
  • Expression: Neuroektoderm, Mesoderm

BPE 5.8

Die Schülerinnen und Schüler begründen die Hypothese, dass der Wirbeltierbauplan einen invertierten Insektenbauplan darstellt, mit der Expression der homologen Gene zur Festlegung der dorsoventralen Achse.
Dorsoventrale Umkehr bei Wirbeltieren

  • Vergleich: Insekten‑, Wirbeltierbauplan
Mund, Analöffnung, Darm, Kreislauf, ZNS
  • Expressionsmuster: Dpp und Sog bzw. BMP4 und Chordin
Dorsoventralachse in Drosophila bzw. in Wirbeltieren

BPE 6*

Evolution und Populationsgenetik

25
Vor dem Hintergrund beständiger Kritik an und ideologisch verzerrter Darstellung der Evolutionstheorie wird den Schülerinnen und Schülern Gelegenheit gegeben, sich vertieft mit dem Gedankengut zur Evolutionstheorie zu beschäftigen. Zusätzlich zu der wissenschaftshistorischen Betrachtung der Entstehung und Weiterentwicklung von Theorien zur Evolution der Arten wird den Schülerinnen und Schülern vor allem durch die Auseinandersetzung mit modernen Ansätzen wie der Populationsgenetik, Paläogenetik und molekularen Phylogenetik die Vielzahl und das Gewicht der Belege für die Evolutionstheorie deutlich gemacht. Wie in den Naturwissenschaften üblich, werden die Grenzen der Aussagekraft und der Modellcharakter der Theorien diskutiert. Den Schülerinnen und Schülern bietet sich die Gelegenheit zu einem vertieften Verständnis des Lebens, der Beziehung der Lebensformen zueinander und der Stellung des Menschen in der Natur zu gelangen. Sie setzen sich mit der Kritik an der Evolutionstheorie auseinander und beziehen wissenschaftliche Argumente in die Formulierung einer eigenen Stellungnahme ein.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler definieren unter Einbeziehung des Weges der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung den Begriff der wissenschaftlichen Theorie und wenden ihn auf die Evolutionstheorie an. Die Schülerinnen und Schüler geben die Evolution als Vorgang an, durch den sich seit dem Ursprung des Lebens Organismen kontinuierlich verändert haben. Aus den Bereichen Paläontologie, Morphologie, Entwicklungsbiologie und Molekularbiologie beschreiben sie Belege für den evolutionären Wandel.
Definition: Evolution, Evolutionstheorie
Abgrenzung Schöpfungsmythen gegenüber wissenschaftlicher Theorie, vgl. BPE 1
Indizien für die Evolution
vgl. Biologie, Jahrgangsstufe 1
Fossilien, Brückentiere, lebende Fossilien
z. B. Quastenflosser
Homologie, Analogie, Rudimente, Atavismen
z. B. Wirbeltierextremitäten
z. B. Linsenauge Wirbeltier/Kopffüßer
Ähnlichkeiten früher Embryonalstadien, biogenetische Regel, Entwicklungsgene
z. B. Hox-Komplex, vgl. BPE 5
Universalität des genetischen Codes, konservierte Moleküle, Paläogenetik
Sequenzanalyse von aDNA: H. neanderthalensis, Denisova-Mensch

BPE 6.2

Die Schülerinnen und Schüler stellen Erklärungsversuche des Artenwandels zusammenfassend dar und geben Grenzen der Theorien an.
Evolutionstheorie nach Lamarck
Epigenetik
  • Weitervererbung erworbener Merkmale

  • Grenzen: Veränderung des Erbguts durch individuelles Verhalten

Evolutionstheorie nach Darwin

  • Überproduktion, Konkurrenz
differenzieller Reproduktionserfolg
  • Artenwandel: Variation, Auslese

  • Grenzen: Ursachen der Variation

BPE 6.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Einfluss von Rekombination, Mutation, Selektion und Gendrift auf den Genpool einer Population.

Genetische Variabilität
ggf. Wiederholung genetischer Grundlagen
  • Genpool

  • inter- und intrachromosomale Rekombination, Mutation

Selektionsfaktoren, ‑formen

  • abiotisch, biotisch

  • natürlich, künstlich
sexuelle Selektion
Gendrift

  • Flaschenhalseffekt

  • Gründereffekt

BPE 6.4

Mithilfe des Hardy-Weinberg-Gesetzes ermitteln die Schülerinnen und Schüler Allelfrequenzen in Populationen. Sie interpretieren ihre Ergebnisse, indem sie Hypothesen bezüglich der Verbreitung von Merkmalen bzw. der Vererbung von Krankheiten aufstellen. Sie geben Bedingungen für Gültigkeit sowie Aussagekraft und Grenzen des Gesetzes an.
Berechnungen
Allelfrequenzen bei z. B. Asiatischem Marienkäfer, Phenylketonurie, Sichelzellanämie; vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 1, DNA-Fingerprint-Versuch: Alu-Insert
Ideale Population

Aussagekraft, Grenzen

BPE 6.5

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Bedeutung von Isolationsmechanismen für die Entstehung neuer Arten und erklären Modellvorstellungen von Artbildungsprozessen.
Artbildung
Buntbarschpopulationen im Viktoriasee; vgl. BPE 3
  • biologischer Artbegriff

  • Isolation: ökologisch, geographisch

  • adaptive Radiation

  • allopatrisch, sympatrisch

BPE 6.6

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Entwicklung von Stammbäumen anhand der Primatenevolution. Sie vergleichen verschiedene Hypothesen zur Evolution des Menschen.
Stammbaumanalyse
Out-of-Africa-Hypothese, multiregionale Hypothese
  • morphologische Kriterien

  • Altersbestimmung von Fossilien, Konzept einer molekularen Uhr
Radiocarbonmethode
  • genetische Untersuchungen: Genfamilien, mtDNA, aDNA
z. B. Globingene

BPE 6.7

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die synthetische Evolutionstheorie als Erweiterung der Theorie von Darwin und stellen sie zusammenfassend dar. Sie diskutieren die Aussagekraft von Kritik an der Evolutionstheorie unter Berücksichtigung des Weges der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung.

Synthetische Evolutionstheorie

  • Erkenntnisse der Genetik und anderer Wissenschaftsdisziplinen

  • Evolutionsfaktoren: Mutation, Rekombination, Selektion, Gendrift

Schöpfungsmythen
Kreationismus, Intelligent Design

Zeit für Leistungsfeststellung

10

70

80

Jahrgangsstufe 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

16

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwenden
Wiederholen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Informationsveranstaltung zum Thema Impfung (Gesundheitsamt, AIDS-Hilfe)
Dilemmadiskussion zu Themen der Reproduktionsmedizin
Exkursion zu einer biologischen Kleinkläranlage, Bau eines Modells
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 7*

Immunisierungen zur Prophylaxe von Infektionserkrankungen – Chancen und Risiken

20
Die Immunbiologie ist der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler besonders nahe, da sie an Kenntnissen über den eigenen Körper anknüpft und Fragen beantwortet, die sich auf den Erhalt oder die Wiederherstellung von Gesundheit beziehen. Am Beispiel einer Infektion mit HPV (Humanes Papillomvirus), das bei Frauen und Männern Genitalwarzen oder sogar Tumore auslösen kann, erarbeiten die Schülerinnen und Schüler den Vermehrungszyklus des HP-Virus und die Folgen, die eine HPV-Infektion für den betroffenen Menschen haben kann. Nach der Erarbeitung grundlegender Prinzipien der immunologischen Abwehr lassen sich Strategien zur Gesunderhaltung und medizinische Anwendungen (Immunisierung, Einsatz von diagnostischen oder therapeutischen Antikörpern) ableiten. Neben Aspekten der persönlichen Lebensführung ist der Bezug zur allgemeinen Gesundheitsvorsorge von Bedeutung. Der Umgang mit sexuell übertragbaren Erkrankungen oder die Kontroversen zur Impfprophylaxe stellen wichtige gesellschaftliche bzw. gesellschaftspolitische Aspekte dar und werden von den Schülerinnen und Schülern diskutiert. Sie sollen somit zu einer Einschätzung der Relevanz dieser Problematik und zu einer persönlichen Stellungnahme gelangen.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler zeichnen und beschreiben den Aufbau eines Humanen Papillomvirions (HPV). Sie stellen dessen Vermehrungszyklus dar und erklären daran die Auswirkungen auf den menschlichen Organismus. Die Schülerinnen und Schüler erläutern exemplarisch den Zusammenhang zwischen der Funktion viraler Proteine und der Pathogenität des Virus.
Aufbau

  • HPV-Genom
E1 bis E7
  • Nukleocapsid aus Capsomeren
L1 und L2
  • Oberflächenstrukturen
Adsorption; Schlüssel-Schloss-Prinzip
  • Größe
Größenvergleich: Zellen, Moleküle
Vermehrungszyklus

  • Adsorption, Endocytose; Freisetzung der Nukleinsäure, Kernimport
Mikroverletzungen, Aufbau der Schleimhaut-Zellschichten
  • Episom bzw. Provirus
High-Risk‑, Low-Risk-Stämme
  • Proteinsynthese, Zusammenbau
E1 und E2, E6 und E7
  • Freisetzung reifer Virionen
absterbende Hautzellen, Schleimhautoberfläche
Virusinfektion

  • Übertragungswege; Adsorption
Hautkontakt, Schmierinfektion; Safer Sex
  • Krankheitssymptome

  • Episom: Genitalwarzen
E6 und E7; cervikale intraepitheliale Neoplasien
  • Provirus: Tumore

  • Genesung
Immunantwort

BPE 7.2

Die Schülerinnen und Schüler begründen die Notwendigkeit für ein Immunsystem und beschreiben den Aufbau und die Funktionsweise von Schutzbarrieren des menschlichen Körpers. Sie erläutern die prinzipiellen Abwehrstrategien bei der Immunantwort und deren Zusammenwirken.

Biologisches Abwehrsystem von Wirbeltieren
vgl. Biologie, Eingangsklasse
  • physikalische und chemische Barrieren

  • Schleimhaut mit Schleim
Tränenflüssigkeit mit Lysozym
  • Harn
Magensäure
  • saures Vaginalsekret
Fettsäuren, Milchsäure, natürliche Bakterienflora
Antwort des angeborenen Immunsystems

  • Erkennung von Oberflächenstrukturen
PAMP und PRR; Schlüssel-Schloss-Prinzip
  • Phagocytose und Verdauung

  • Sekretion von Signalmolekülen, Anlocken weiterer Immunzellen
Chemokine
  • Abtöten virusinfizierter Zellen
HPV
Antwort des adaptiven Immunsystems
schematische Darstellung
  • Aktivierung von dendritischen Zellen

  • Antigenpräsentation, selektive Aktivierung von T-Helferzellen

  • Aktivierung von cytotoxischen T-Lymphocyten und Antikörper-produzierenden B-Lymphocyten

  • Proliferation von B- und T-Lymphocyten, Bildung von Gedächtniszellen
Immunisierung

BPE 7.3

Die Schülerinnen und Schüler stellen die grundsätzliche Wirkung ausgewählter Bestandteile der Immunantwort sowie wesentliche Unterschiede zwischen primärer und sekundärer Immunantwort als Grundlage für eine Impfprophylaxe dar.
Schematischer Aufbau eines Antikörpers

  • konstante, variable Region

  • schwere, leichte Kette

  • Antigenbindungsstelle

Bedeutung der Antikörper

  • spezifische Erkennung von körperfremden Strukturen
Schlüssel-Schloss-Prinzip bei Antigen-Antikörper-Reaktion
  • Wirkung
z. B. Neutralisation, Opsonierung
Vernichtung virusinfizierter Zellen durch cytotoxische T-Lymphocyten
Rachenschmerzen bei einem grippalen Infekt
Primäre und sekundäre Immunantwort: Verlauf des Antikörpertiters
schematische Darstellung; Gedächtniszellen

BPE 7.4

Die Schülerinnen und Schüler leiten medizinische Anwendungsmöglichkeiten von Antigenen bzw. Antikörpern für Prophylaxe bzw. Therapie aus den Vorgängen bei einer adaptiven Immunantwort ab.
Impfung abgeschwächter Erreger oder Erregerbestandteile
Impfung gegen HPV, Lebend- oder Totimpfstoff;
Gardasil, Cervarix
Passive Immunisierung: Impfung von Antikörpern gegen einen Erreger
keine passive Immunisierung bei HPV möglich, Latenz des Provirus

BPE 7.5

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die prinzipielle Funktionsweise von Immunkonjugaten in Therapie und medizinischer Diagnostik.
Immunkonjugat
kovalente Kopplung an Reporterenzym, Arzneistoff, Radionuklid, Fluoreszenzmarker
Immunszintigrafie, HIV-Test
exemplarisch
Radioimmuntherapie, wirkstoffgekoppelte Antikörper in der Krebstherapie
exemplarisch

BPE 7.6

Die Schülerinnen und Schüler nennen die staatlichen Einrichtungen zum Schutz der Bevölkerung vor Krankheiten und Epidemien und fassen deren Aufgaben in geeigneter Form zusammen.
Staatliche Einrichtungen und Gesetzesvorgaben
Berufsorientierung: Tätigkeiten im Gesundheitswesen
  • Zielsetzung des Infektionsschutzgesetzes
z. B. Impfkalender, Infomaterial, Impfpass
  • Ständige Impfkommission des Bundesgesundheitsamtes (STIKO)
Geschichte, Aufgaben; Impfempfehlungen der STIKO bei HPV
Ziele von Schutzimpfungen

  • Schutz der Bevölkerung vor Infektionen
Masern, Poliomyelitis; Herdenimmunität
  • Eliminierung von Krankheitserregern
regional bzw. global; Pocken

BPE 7.7

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erläutern mögliche Nebenwirkungen einer Impfung und nennen Unterschiede der Nebenwirkungen.
Impfreaktion
z. B. Schmerzen an der Injektionsstelle, Abgeschlagenheit
Impfkomplikation
z. B. Exantheme, Fieber, allergische Reaktionen
Impfschaden
z. B. Poliomyelitis-Impfung: Manifestation einer „stummen“ Epilepsie

BPE 7.8

Die Schülerinnen und Schüler prüfen die Argumente von Impfkritikern auf deren medizinisch-naturwissenschaftlichen Gehalt und vergleichen sie mit den Empfehlungen der Ständigen Impfkommission des Bundesgesundheitsamtes (STIKO). Sie nehmen Stellung zu der gesellschaftspolitisch relevanten Impfkontroverse.
Argumente zu den Aspekten
Rollenspiel: Podiumsdiskussion zur Impfprophylaxe; Perspektivenwechsel
  • Krankheitsprophylaxe

  • Eliminierung von Krankheitserregern

  • Durchimpfungsrate

  • Nebenwirkungen

  • Wirksamkeit, Notwendigkeit
Einwände und Antworten des Robert-Koch-Instituts und des Paul-Ehrlich-Instituts
  • Allergierisiko

  • wirtschaftliche Interessen
Staat, Impfstoffhersteller

BPE 8*

Humane Reproduktionsbiologie und Reproduktionsmedizin

20
Aufgrund ihres lebensweltlichen Bezugs stellt die Reproduktionsbiologie für die Schülerinnen und Schüler einen spannenden Bereich der Biowissenschaften dar. So sind die Verfahren der Reproduktionsbiologie beispielsweise Gegenstand beständiger gesellschaftlicher Diskussionen sowie aktueller wissenschaftlicher Forschung und werden kontinuierlich weiterentwickelt. Als Voraussetzung für das Verständnis reproduktionsbiologischer Methoden eignen sich die Schülerinnen und Schüler Kenntnisse über die natürlichen Abläufe von Keimzellbildung, Befruchtung und Keimesentwicklung an. Sie lernen Einsatzmöglichkeiten reproduktionsbiologischer Verfahren kennen und setzen sich kritisch mit Chancen und Risiken dieser modernen Technologien aus medizinischer und ethischer Sicht auseinander.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Bedeutung von Reproduktion als Wesenszug des Lebendigen. Sie erläutern die Voraussetzungen und Bedingungen zur Entstehung einer Schwangerschaft und den Verlauf der Embryonalentwicklung im Überblick.
Bedeutung Reproduktion

Oogenese und Spermatogenese

Weibliche Sexualhormone und Ovarialzyklus

Etappen der menschlichen Entwicklung

  • Befruchtung

  • Einnistung

  • Grundzüge der Embryonalentwicklung

BPE 8.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären Begriffe im Zusammenhang mit ungewollter Kinderlosigkeit und geben mögliche Ursachen an. Anhand von Beispielindikationen leiten sie jeweils geeignete Behandlungsmöglichkeiten ab und erläutern deren Durchführung unter Berücksichtigung der rechtlichen Lage in Deutschland.
Unfruchtbarkeit
WHO-Definition
Sterilität und Infertilität

Ursachen ungewollter Kinderlosigkeit

  • bei beiden Partnern

  • beim Mann

  • bei der Frau

Behandlungsmöglichkeiten

  • Hormonbehandlung

  • assistierte Fortpflanzung

  • Insemination; homolog, heterolog

  • IVF, Kryokonservierung

  • ICSI

Rechtliche Lage, Embryonenschutzgesetz
Verbot von z. B. Leihmutterschaft, Eizellspende

BPE 8.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Bedeutung der Pränataldiagnostik (PND). Sie geben Verfahren zur vorgeburtlichen Untersuchung an und erläutern deren Durchführung. Anhand von Beispielen stellen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Möglichkeiten der pränatalen Therapie dar.
Pränataldiagnostik: Zweck, Methoden

  • Ultraschall, Bluttests

  • Amniozentese, Chorionzottenbiopsie, Nabelschnurpunktion

  • Methoden zur DNA-Analyse
z. B. Karyogramm, PCR, DNA-Sequenzierung
Möglichkeiten vorgeburtlicher Therapien
z. B. AGS, Rhesusunverträglichkeit, Spina bifida

BPE 8.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Bedeutung der Präimplantationsdiagnostik (PID) und geben rechtliche Rahmenbedingungen für deren Anwendung an. Sie vergleichen PND und PID.

Präimplantationsdiagnostik: Zweck, Methode

  • Hormonstimulation, Eizellgewinnung

  • IVF, Kultivierung

  • Embryobiopsie, Diagnostik

  • Embryotransfer bzw. Kryokonservierung

Rechtliche Lage, Embryonenschutzgesetz: Beispielindikationen
Ethikkommission, Einzelfallentscheidung
PND, PID

  • Aussagekraft der Diagnose

  • Vor- und Nachteile

BPE 8.5

Die Schülerinnen und Schüler diskutieren und bewerten die Anwendung diagnostischer Verfahren der Reproduktionsbiologie unter Berücksichtigung medizinischer, ethischer und gesellschaftlicher Aspekte.
Reproduktionsbiologische Diagnoseverfahren: Möglichkeiten, Risiken, Grenzen
Berufsorientierung: Tätigkeiten im Gesundheitswesen
Fallbeispiele
Dilemmadiskussion

BPE 9*

Biochemisches Netzwerk Umwelt

20
Stoffkreisläufe sind Teil eines komplexen biochemischen Netzwerks, das an verschiedenen Bereichen unserer Alltagswelt beeinflusst wird: Mikroplastik ist ubiquitär in der Umwelt verteilt und über verschiedene Eintragspfade auch beim Menschen als Endkonsumenten angekommen. Diverse Pestizide, Antibiotika oder Weichmacher stehen in der öffentlichen Diskussion. Während klassische Gewässerimmissionen deutlich rückläufig sind, zeichnen sich heute beispielsweise bei Stoffen mit hormoneller oder hormonanaloger Wirksamkeit in aquatischen Ökosystemen erste Auswirkungen einer Anreicherung neuer Problemstoffe ab. Diese Bildungsplaneinheit soll zur Versachlichung der Thematik beitragen und Umweltbewusstsein fördern. Anhand praxisrelevanter Beispiele beschreiben Schülerinnen und Schüler Pfade zur Ausbreitung, Retention und Metabolisierung von Chemikalien. Sie erläutern Grundmechanismen der Filterleistung von Böden und erkennen deren zentrale Bedeutung zur Reinhaltung des Grundwassers. Sie beschreiben und diskutieren relevante Prozesse und Reaktionen bei der biologischen Abwasserreinigung in Kläranlagen. Die Schülerinnen und Schüler deuten Umweltverhalten und Umfang der Persistenz einer Substanz in sachlogischem Zusammenhang zu deren physikalisch-chemischen Kenngrößen. Sie vollziehen die Entwicklung von Grenzwerten auf Basis standardisierter biochemischer Testverfahren verschiedener trophischer Ebenen und der Interpretation von Dosis-Wirkungs-Beziehungen nach. Die Festlegung von Grenzwerten diskutieren die Schülerinnen und Schüler im Spannungsfeld zwischen messtechnischer Realisierbarkeit und fachlichen Begrenzungen einerseits und gesellschaftspolitischer Notwendigkeit andererseits.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler stellen prinzipielle Mechanismen der Ausbreitung von Schadstoffen und ihrer Auswirkungen am Beispiel ausgewählter Chemikalien in der Umwelt dar.
Schadstoffe in der Umwelt
Übersicht
  • Stoffklassen
z. B. endokrine Stoffe, Antibiotika, Östradiole
  • spezifische Eintrags- und Ausbreitungspfade

  • Auswirkungen für Mensch und Umwelt
Stoffbezüge, z. B. endokrine Wirksamkeit bei Fisch- oder Amphibienpopulationen

BPE 9.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären mithilfe vereinfachter Modellskizzen prinzipielle Funktionsweisen natürlicher anorganischer und organischer Sorbenten. Sie erläutern deren Bedeutung bei Regulation des Transports organischer und anorganischer Stoffeinträge in Böden.
Filterfunktionen von Böden

  • Tonminerale: Aufbau, Eigenschaften, Vorgänge beim Anionen- und Kationenaustausch, Ad- und Desorption
2-Schicht- und 3-Schicht-Tonminerale; Modellexperimente zur Perkolation; Säureeintrag: Mobilisierung von Sorbenten
  • Huminstoffe: Aufbau, Eigenschaften, Funktion als organische Sorbenten
Immobilisierung durch chemische Fixierung
  • Dynamik der Humifizierung: Bildung von Ton-Humus-Komplexen, Standortfaktoren (Temperatur, pH-Wert, Bodenmikroorganismen)
Immobilisierung unpolarer Moleküle; Humifizierung und Mineralisation als Endstufe der Streuzersetzung
Stoffeigenschaften von Umweltchemikalien

  • Verteilung in wässrigen Phasen und Gasphasen in Abhängigkeit von Wasserlöslichkeit und Dampfdruck
Bezug zur Molekülstruktur und Teilchenladung
  • KOW-Wert
Modellexperimente: Verteilung von Farbstoffen

BPE 9.3

Unter Einbeziehung umweltrelevanter Stoffdaten beurteilen die Schülerinnen und Schüler das Umweltverhalten in Ökosystemen.
Bioakkumulation, Biokonzentration und Persistenz von Umweltchemikalien

Ursachen einer limitierten Abbaubarkeit
Chemikalien in Kompost, Klärschlamm

BPE 9.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Belastungssituation in Gewässern. Sie stellen Prozesse bei der Reinigung von Abwässern dar und erläutern die Aussagekraft von Messparametern zur Bestimmung der biochemischen Abbaubarkeit. Die Schülerinnen und Schüler diskutieren die Erfordernis und Eignung einer zusätzlichen, vierten Reinigungsstufe unter fachlichen und ökonomischen Aspekten.
Stoffliche Belastung von Gewässern, Abwasserreinigung
aktuelle Daten zu Stoffklassen
  • biologische Reinigungsstufe: C-Oxidation, Nitrifikation, Denitrifikation mit Reaktionsgleichungen
chemische und biologische P-Elimination; vgl. BPE 3
  • mikrobielle Biofilme: Konkurrenzvermeidung, synergistische Wirkungen

  • Verfahren zur Bestimmung der Abbaubarkeit: BSB5 und CSB
biologischer, chemischer Sauerstoffbedarf; vgl. BPE 3
  • vierte Reinigungsstufe in der Diskussion: Aktivkohle und Ozonierung

BPE 9.5

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Versuchsdesigns zur Durchführung verschiedener Monitoring- und Biotestverfahren und vergleichen die Verfahren hinsichtlich ihrer Aussagekraft. Sie werten Daten und Grafiken zu toxikologischen Kenngrößen aus und interpretieren sie. Sie diskutieren die Aussagekraft von Grenzwerten.
Ökotoxikologie

  • aktives, passives Schadstoff-Monitoring; Reaktions‑, Akkumulationsindikatoren
vgl. BPE 3
  • Biotestverfahren mit Testorganismen verschiedener Trophiestufen und Erfassung der Zielparameter
Testorganismen z. B. Daphnia magna, Chironomus riparius, Danio rerio;
Experiment z. B. Leuchtbakterientest; vgl. BPE 1
  • toxikologische Bewertung von Chemikalien: Dosis-Wirkungs-Beziehung, EC50, LC50, LD50

  • Aussagekraft von Grenzwerten: fehlende Daten zu potenziell multiplen Effekten verschiedener Umweltchemikalien, Bildung spezifischer Metaboliten
Grenzwerte laut EU-Rechtslage
politische, gesellschaftliche, wirtschaftliche, medizinische Aspekte

Zeit für Leistungsfeststellung

8

56

64

Operatorenliste

In den Zielformulierungen der Bildungsplaneinheiten werden Operatoren (= handlungsleitende Verben) verwendet. Diese Zielformulierungen (Standards) legen fest, welche Anforderungen die Schülerinnen und Schüler in der Regel erfüllen. Zusammen mit der Zuordnung zu einem der drei Anforderungsbereiche (AFB) dienen Operatoren einer Präzisierung. Dies sichert das Erreichen des vorgesehenen Niveaus und die angemessene Interpretation der Standards.

Anforderungsbereiche


Anforderungsbereiche
Anforderungsbereich I umfasst das Wiedergeben von Sachverhalten aus einem abgegrenzten Gebiet im gelernten Zusammenhang, das Beschreiben und Anwenden gelernter und geübter Arbeitstechniken und Verfahrensweisen in einem wiederholenden Zusammenhang.
Anforderungsbereich II umfasst das selbstständige Auswählen, Anordnen, Verarbeiten und Darstellen bekannter Sachverhalte unter vorgegebenen Gesichtspunkten in einem durch Übung bekannten Zusammenhang, das selbstständige Übertragen des Gelernten auf vergleichbare neue Situationen mit veränderten Fragestellungen, mit veränderten Sachzusammenhängen oder mit abgewandelten Verfahrensweisen.
Anforderungsbereich III umfasst das planmäßige Verarbeiten komplexer Gegebenheiten mit dem Ziel, zu selbstständigen Gestaltungen bzw. Deutungen, Folgerungen, Begründungen und Wertungen zu gelangen; dabei werden aus den gelernten Denkmethoden bzw. Lösungsverfahren diejenigen, die zur Bewältigung der Aufgaben geeignet sind, selbstständig ausgewählt und einer neuen Problemstellung angepasst.
(vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biotechnologie des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg i. d. F. vom 30.11.2003)
Operator Definition Zuordnung
AFB
ableiten
auf der Grundlage wesentlicher Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen
 II, III
analysieren, untersuchen
wichtige Bestandteile oder Eigenschaften auf eine bestimmte Fragestellung hin herausarbeiten. Untersuchen beinhaltet gegebenenfalls zusätzlich praktische Anteile
 II, III
angeben, nennen
Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne Erläuterungen aufzählen
 I
auswerten
Daten, Einzelergebnisse oder andere Elemente in einen Zusammenhang stellen und gegebenenfalls zu einer Gesamtaussage zusammenführen
 II
begründen
Sachverhalte auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Beziehungen von Ursachen und Wirkung zurückführen
 II, III
beschreiben
Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben
 I, II
beurteilen
zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen
 III
bewerten
einen Gegenstand an erkennbaren Wertkategorien oder an bekannten Beurteilungskriterien messen
 III
darstellen
Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden etc. strukturiert und gegebenenfalls fachsprachlich wiedergeben
 I, II
deuten, interpretieren
fachspezifische Zusammenhänge in Hinblick auf eine gegebene Fragestellung begründet darstellen
 II, III
diskutieren, erörtern
Argumente und Beispiel zu einer Aussage oder These einander gegenüberstellen und abwägen
 III
erklären
einen Sachverhalt auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten zurückführen sowie ihn nachvollziehbar und verständlich machen
 II, III
erläutern
einen Sachverhalt veranschaulichend darstellen und durch zusätzliche Informationen verständlich machen
 II, III
ermitteln
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
 II, III
Hypothese aufstellen, Hypothese entwickeln
begründete Vermutung auf der Grundlage von Beobachtungen, Untersuchungen, Experimenten oder Aussagen formulieren
 III
protokollieren
Beobachtungen oder die Durchführung von Experimenten detailgenau zeichnerisch einwandfrei bzw. fachsprachlich richtig wiedergeben
 I
prüfen, überprüfen
Sachverhalte oder Aussagen an Fakten oder innerer Logik messen und eventuelle Widersprüche aufdecken
 II, III
skizzieren
Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduziert übersichtlich grafisch darstellen
 I, II
Stellung nehmen
zu einem Gegenstand, der an sich nicht eindeutig ist, nach kritischer Prüfung und sorgfältiger Abwägung ein begründetes Urteil abgeben
 III
vergleichen
Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln
 II
zeichnen
eine möglichst exakte grafische Darstellung beobachtbarer oder gegebener Strukturen anfertigen
 I
zusammenfassen
das Wesentliche in konzentrierter Form herausstellen
 II
vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biologie der KMK i. d. F. vom 05.02.2004

Amtsblatt des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg

Stuttgart, 23. Juli 2020
Lehrplanheft 2/2020
Bildungsplan für das Berufliche Gymnasium;
hier:
Berufliches Gymnasium der sechs- u. dreij. Aufbauform
Vom 23. Juli 2020
44 – 6512.- 240/211

I.

II.

Für das Berufliche Gymnasium gilt der als Anlage beigefügte Bildungsplan.
Der Bildungsplan tritt
für die Eingangsklasse am 1. August 2021
für die Jahrgangsstufe 1 am 1. August 2022
für die Jahrgangsstufe 2 am 1. August 2023
in Kraft.

Im Zeitpunkt des jeweiligen Inkrafttretens tritt der im Lehrplanheft 2/2007 veröffentlichte Lehrplan in diesem Fach vom 03. September 2007 (Az. 45-6512-240/109) außer Kraft.
Sondergebiete der Biowissenschaften
Berufliches Gymnasium der sechs- u. dreij. Aufbauform
K.u.U., LPH Nr. 2/2020 Reihe I Nr. 40
Band 2 vom 23.7.2020

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