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Lehrpläne Rheinland-Pfalz
Gymnasium
Biologie (Ab 2025)
prozessbezogen
Sachkompetenz
8
Erkenntnisgewinnungskompetenz
17
Kommunikationskompetenz
14
Bewertungskompetenz
12
inhaltsbezogen
Grundfach — Leben und Energie
1
Leistungsfach — Leben und Energie
1
Grundfach — Genetische Grundlagen des Lebens
1
Leistungsfach — Genetische Grundlagen des Lebens
1
Grundfach — Entstehung und Entwicklung des Lebens
1
Leistungsfach — Entstehung und Entwicklung des Lebens
1
Grundfach — Lebewesen in ihrer Umwelt
1
Leistungsfach — Lebewesen in ihrer Umwelt
1
Grundfach — Informationsverarbeitung in Lebewesen
1
Leistungsfach — Informationsverarbeitung in Lebewesen
1
Keine Kompetenz enthält diesen Suchbegriff.
S
beschreiben biologische Sachverhalte sowie Anwendungen der Biologie sachgerecht;
strukturieren und erschließen biologische Phänomene sowie Anwendungen der Biologie auch mithilfe von Basiskonzepten;
erläutern biologische Sachverhalte, auch indem sie Basiskonzepte nutzen und fachübergreifende Aspekte einbinden;
formulieren zu biologischen Phänomenen sowie Anwendungen der Biologie theoriegeleitet Hypothesen und Aussagen.
strukturieren und erschließen die Eigenschaften lebender Systeme auch mithilfe von Basiskonzepten und erläutern die Eigenschaften unter qualitativen und quantitativen Aspekten;
stellen Vernetzungen zwischen Systemebenen (Molekularbis Biosphärenebene) dar;
erläutern Prozesse in und zwischen lebenden Systemen sowie zwischen lebenden Systemen und ihrer Umwelt;
erläutern die Entstehung und Bedeutung von Biodiversität sowie Gründe für deren Schutz und nachhaltige Nutzung.
E
beschreiben Phänomene und Beobachtungen als Ausgangspunkte von Untersuchungen;
identifizieren und entwickeln Fragestellungen zu biologischen Sachverhalten;
stellen theoriegeleitet Hypothesen zur Bearbeitung von Fragestellungen auf. 11 Lehrplan Biologie 2.2.2 Fachspezifische Modelle und Verfahren charakterisieren, auswählen und zur Untersuchung von Sachverhalten nutzen Die Lernenden
planen und führen hypothesengeleitete Beobachtungen, Vergleiche, Experimente und Modellierungen durch und protokollieren sie;
berücksichtigen bei der Planung von Beobachtungen, Vergleichen, Experimenten sowie Modellierungen das jeweilige Variablengefüge;
berücksichtigen die Variablenkontrolle beim Experimentieren;
nehmen qualitative und quantitative Daten auch mithilfe digitaler Werkzeuge auf und werten sie aus;
wenden Labor- und freilandbiologische Geräte und Techniken sachgerecht und unter Berücksichtigung der Sicherheitsbestimmungen an.
finden in erhobenen oder recherchierten Daten Strukturen, Beziehungen und Trends, erklären diese theoriebezogen und ziehen Schlussfolgerungen;
beurteilen die Gültigkeit von Daten und ermitteln mögliche Fehlerquellen;
widerlegen oder stützen die Hypothese (Hypothesenrückbezug);
diskutieren Möglichkeiten und Grenzen von Modellen;
reflektieren die eigenen Ergebnisse und den eigenen Prozess der Erkenntnisgewinnung;
stellen bei der Interpretation von Untersuchungsbefunden fachübergreifende Bezüge her. 2.2.4 Merkmale wissenschaftlicher Aussagen und Methoden charakterisieren und reflektieren Die Lernenden
reflektieren Möglichkeiten und Grenzen des konkreten Erkenntnisgewinnungsprozesses sowie der gewonnenen Erkenntnisse (z. B. Reproduzierbarkeit, Falsifizierbarkeit, Intersubjektivität, logische Konsistenz, Vorläufigkeit);
reflektieren die Kriterien wissenschaftlicher Wissensproduktion (Evidenzbasierung, Theorieorientierung);
reflektieren Bedingungen und Eigenschaften biologischer Erkenntnisgewinnung.
K
recherchieren zu biologischen Sachverhalten zielgerichtet in analogen und digitalen Medien und wählen für ihre Zwecke passende Quellen aus;
wählen relevante und aussagekräftige Informationen und Daten zu biologischen Sachverhalten und anwendungsbezogenen Fragestellungen aus und erschließen Informationen aus Quellen mit verschiedenen, auch komplexen Darstellungsformen;
prüfen die Übereinstimmung verschiedener Quellen oder Darstellungsformen im Hinblick auf deren Aussagen;
analysieren Herkunft, Qualität und Vertrauenswürdigkeit von verwendeten Quellen und Medien sowie darin enthaltene Darstellungsformen im Zusammenhang mit der Intention der Autorin/des Autors.
strukturieren und interpretieren ausgewählte Informationen und leiten Schlussfolgerungen ab;
unterscheiden zwischen Alltags- und Fachsprache;
erklären Sachverhalte aus ultimater und proximater Sicht, ohne dabei unangemessene finale Begründungen zu nutzen
unterscheiden zwischen funktionalen und kausalen Erklärungen;
nutzen geeignete Darstellungsformen für biologische Sachverhalte und überführen diese ineinander;
verarbeiten sach-, adressaten- und situationsgerecht Informationen zu biologischen Sachverhalten.
präsentieren biologische Sachverhalte sowie Lern- und Arbeitsergebnisse sach-, adressaten- und situationsgerecht unter Einsatz geeigneter analoger und digitaler Medien;
prüfen die Urheberschaft, belegen verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate;
tauschen sich mit anderen konstruktiv über biologische Sachverhalte aus, vertreten, reflektieren und korrigieren gegebenenfalls den eigenen Standpunkt;
argumentieren wissenschaftlich zu biologischen Sachverhalten kriterien- und evidenzbasiert sowie situationsgerecht.
B
analysieren Sachverhalte im Hinblick auf ihre Bewertungsrelevanz;
betrachten Sachverhalte aus unterschiedlichen Perspektiven;
unterscheiden deskriptive und normative Aussagen;
identifizieren Werte, die normativen Aussagen zugrunde liegen;
beurteilen Quellen hinsichtlich ihrer Herkunft und in Bezug auf spezifische Interessenlagen;
beurteilen Möglichkeiten und Grenzen biologischer Sichtweisen
stellen Bewertungskriterien auf, auch unter Berücksichtigung außerfachlicher Aspekte;
entwickeln anhand relevanter Bewertungskriterien Handlungsoptionen in gesellschaftlich- oder alltagsrelevanten Entscheidungssituationen mit fachlichem Bezug und wägen sie ab;
bilden sich kriteriengeleitet Meinungen und treffen Entscheidungen auf der Grundlage von Sachinformationen und Werten.
reflektieren kurz- und langfristige, lokale und globale Folgen eigener und gesellschaftlicher Entscheidungen;
reflektieren den Prozess der Bewertung aus persönlicher, gesellschaftlicher und ethischer Perspektive;
beurteilen und bewerten Auswirkungen von Anwendungen der Biologie im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung aus ökologischer, ökonomischer, politischer und sozialer Perspektive.
Leitthema 1: Leben und Energie
22 Lehrplan Biologie 4.1 Leben und Energie Mit der Entstehung, Differenzierung und Spezialisierung von Zellen als kleinste sich selbst erhaltende und reproduzierende Einheiten des Lebens begann die biologische Evolution. Sie führte zu den unterschiedlichsten Zell- und Organisationsformen mit den typischen Strukturen für die jeweiligen spezifischen Funktionen. Aufgrund ihrer Komplexität sind biologische Systeme und somit auch Zellen reich an emergenten Eigenschaften wie der Fähigkeit zur Reproduktion, zum Stoffwechsel, zur Anpassung, zum Wachstum und zur Organisation in verschiedenen Hierarchieebenen.16 Als offenes System tauscht die Zelle sowohl Materie als auch Energie mit der Umgebung aus. Zellen, wie auch Organismen allgemein, befinden sich dabei mit ihrer Umgebung in einem Fließgleichgewicht. Im Zentrum des Energiestoffwechsels steht die Dissimilation. Energieliefernde Prozesse laufen mithilfe enzymatischer Reaktionen und in unterschiedlichen Kompartimenten ab, wodurch Stoffwechselregulationen ermöglicht werden. Die Zellbiologie beschäftigt sich mit der Erforschung von Strukturen und Funktionen der Zellen. Das schließt neben dem Aufbau und den molekularen Bestandteilen auch Stoffwechselprozesse, Steuerungs- und Regelungsvorgänge, Bewegungen und Transportvorgänge in den Zellen und den Austausch von Stoffen und Informationen zwischen Zellen sowie die Zellteilung mit ein. Dabei nutzt die zellbiologische Forschung mikroskopische und molekularbiologische Methoden sowie biochemische Analysen und Untersuchungsmethoden. Erkenntnisse über Eigenschaften der Zelle und ihrer Strukturen finden so Anwendung in der Gen- und Biotechnologie sowie der medizinischen Therapie. Die Betrachtung der Zelle als System eröffnet den Blick auf weitere Systemebenen des Lebens. Kenntnisse über zellbiologische Zusammenhänge bilden die fachliche Basis für alle weiteren Teildisziplinen der modernen Biologie. 16 Verändert nach Mayr, Ernst: Konzepte der Biologie. Hirzel. 2005, S. 49 ff. 23 Lehrplan Biologie Leitthema 1 Leben und Energie Biosysteme und ihre Eigenschaften Biochemische Grundlagen und Enzymatik Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Vom Einzeller zum Vielzeller Wasser- und Ionenhaushalt Ernährung Zellbiologische Verfahren Mikroskopie Energiehaushalt Sportphysiologie Biotechnologie Chemische Grundlagen Äußere Atmung und Blutkreislauf Mikroorganismen Eigenes Thema Biomembranen und Stofftransport Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine 24 Lehrplan Biologie Biosysteme und ihre Eigenschaften Einführungsphase Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Systeme des Lebendigen • Kennzeichen des Lebendigen • biologische Systeme und Systemebenen • Einteilung des Lebendigen in systematische Gruppen Strukturen der Zelle und ihre Funktionen • licht- und elektronenmikroskopischer Bau • Zusammenwirken von Zellbestandteilen • Vergleich von Tier-, Pflanzen- und Pilzzellen • Pro- und Eukaryoten • Zellwachstum und -differenzierung • Evolution der eukaryotischen Zelle – Endosymbiontentheorie Zellzyklus • Mitose und Cytokinese • Interphase Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Kompartimentierung – individuelle und evolutive Entwicklung: Zelldifferenzierung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Vernetzungen von Systemebenen: Molekular- bis Biosphärenebene – Geschichte der Zellbiologie Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Wahlpflichtbaustein: Entwicklungsgenetik – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Chemische und präbiologische Evolution 25 Lehrplan Biologie Biomembranen und Stofftransport Einführungsphase Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Bau, Eigenschaften und Funktionen der Biomembran • Fluid-Mosaik-Modell • Kommunikation zwischen Zellen bzw. zwischen Zellen und ihrer Umwelt • aktuelle Biomembran-Modelle Stofftransport in und zwischen Kompartimenten • selektive Permeabilität • aktive und passive Transportvorgänge • Endo- und Exocytose • sekundär aktiver Transport • Kanalproteine Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Kompartimentierung, Schlüssel-Schloss-Prinzip Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Einbindung molekularer Grundlagen, z. B. Lipide im Zusammenhang mit dem Membranaufbau – Diffusion und Osmose: Phänomene und Anwendungsbeispiele aus dem Alltag – Arzneimittel und Transportproteine; mRNA-Impfung mithilfe von Vesikeln – z. B. Aquaporine und Kosmetik Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Autophagocytose 26 Lehrplan Biologie Biochemische Grundlagen und Enzymatik Einführungsphase Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Molekulare Strukturen und ihre Funktionen im Organismus • Wasser als Reaktionspartner, Transport- und Lösungsmittel • Struktur, Eigenschaften, Bedeutung und Vorkommen von Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden • Beeinflussung der räumlichen Struktur von Proteinen • Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften polarer und unpolarer Moleküle • Verknüpfung der Grundbausteine durch Kondensation Enzyme als Biokatalysatoren • Merkmale von Katalysatoren • Bau und Wirkungsweise von Enzymen • Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur • Abhängigkeit der Enzymaktivität von pH- Wert, Substrat- und Enzymkonzentration • Enzymhemmung und -aktivierung Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Schlüssel-Schloss-Prinzip – Steuerung und Regelung: Regulation auf molekularer Ebene Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Einbindung molekularer Grundlagen in strukturelle und funktionelle Zusammenhänge lebender Systeme – Behandlung der Stoffwechselregulation auf Enzymebene auch im Zusammenhang mit der Zellatmung möglich – wasserabweisende Oberflächen bei Pflanzen, z. B. Lotuseffekt – Alltagsbezug und technische Nutzung von Enzymen, z. B. Waschmittel, Dauerwelle, Lebensmittelherstellung, Arzneimittel Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Grundlagen der Molekulargenetik 27 Lehrplan Biologie Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Energiebereitstellung und Energienutzung • Redoxreaktionen • ATP-/ADP-System • Energieumwandlung und -entwertung • Kopplung exergonischer und endergonischer Reaktionen Zellatmung – ein aerober Stoffwechselprozess • Zusammenhang von anabolem und katabolem Stoffwechsel • Feinbau der Mitochondrien • Ablauf und Orte der Zellatmung – Glykolyse, Oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus, Atmungskette • chemiosmotische ATP-Bildung • Stoffwechselregulation auf Enzymebene • Stoff- und Energiebilanz • energetisches Modell der Atmungskette Gärungen – anaerobe Stoffwechselprozesse • alkoholische Gärung • Milchsäuregärung Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Oberflächenvergrößerung, Kompartimentierung – Stoff- und Energieumwandlung: Energieentwertung, energetische Kopplung – Steuerung und Regelung: positive und negative Rückkopplung, Homöostase Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Regulationsmöglichkeiten, z. B. Endprodukthemmung – Sport und Ernährung – Lebensmittelherstellung Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 4, Pflichtbaustein: Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess 28 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Biosysteme und ihre Eigenschaften • Anfertigung mikroskopischer Präparate und Zeichnung mikroskopischer Objekte • Mikroskopie von Plastidentypen Biomembranen und Stofftransport • Membranmodelle – Modellkritik • Experimente zu Diffusion und Osmose • historische Entwicklung der Modellvorstellung der Biomembran Biochemische Grundlagen und Enzymatik • einfache Experimente zur Enzymaktivität und Substratspezifität • Modelle der Strukturebenen von Proteinen • qualitative und quantitative Experimente zur Enzymaktivität und Substratspezifität Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse • qualitativer Nachweis der Produkte der Gäransätze • Temperatur- und Substratabhängigkeit von Gärungen Hinweise und Anregungen – Mikroskopie von Mitosestadien – Dokumentation von Mikroskop-Bildern mit dem Smartphone/Tablet – Planung, Durchführung, quantitative und qualitative Auswertung von Experimenten – Bedeutung von Kontrollansätzen bei Versuchsdurchführungen – Betriebsbesichtigungen und Exkursionen auch in Zusammenarbeit mit anderen Fächern, z. B. Brauerei, milchverarbeitende Betriebe 29 Lehrplan Biologie Vom Einzeller zum Vielzeller • Zellkolonie und Zellverband • Zelldifferenzierung • Arbeitsteilung/Spezialisierung Hinweise und Anregungen – Modellorganismen, z. B. Chlamydomonas, Volvox, Gonium Mikroskopie • Geschichte der Mikroskopie • Elektronenmikroskopie • Herstellungsmethoden – Frisch- und Dauerpräparate – elektronenmikroskopische Präparate • Färbemethoden Hinweise und Anregungen – z. B. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Fluoreszenzmikroskopie, Möglichkeiten und Grenzen Chemische Grundlagen • Bindungsarten • zwischenmolekulare Kräfte • Überblick über organische Stoffklassen anhand funktioneller Gruppen • pH-Wert Hinweise und Anregungen – z. B. Proteinstrukturen Wasser- und Ionenhaushalt • Osmoregulation • Wasseraufnahme, -transport und -abgabe bei Pflanzen • Bau und Funktion der Niere Hinweise und Anregungen – z. B. Experimente zum Wasserhaushalt bei Pflanzen, Dialyse – Gegenstromprinzip 30 Lehrplan Biologie Energiehaushalt • Energiebereitstellung bei gleichwarmen und wechselwarmen Tieren • Volumen-Oberflächen-Verhältnis und Energiehaushalt • Überwinterungsstrategien Hinweise und Anregungen – z. B. Experimente zum Volumen-Oberfläche-Verhältnis – z. B. Winterruhe, Winterschlaf Äußere Atmung und Blutkreislauf • Atmungssysteme • Herz-Kreislauf-Systeme • Gastransport • Evolution der Atmungs- und Herz-Kreislauf-Systeme bei Wirbeltieren Hinweise und Anregungen – Atmung unter Extrembedingungen, z. B. Tauchen, Bergsteigen – Gegenstromprinzip – Endoskopie und Sektion von Herzen und Lungen Ernährung • Nährstoffe und Ergänzungsstoffe • Verdauung und Resorption • Ernährungsformen • physische und psychische Ernährungsstörungen Hinweise und Anregungen – z. B. Bewertung von Diäten und Nahrungsergänzungsmitteln aus ernährungsphysiologischer Sicht – z. B. Phenylketonurie, Lactoseintoleranz, Bulimie, Anorexie Sportphysiologie • Muskeltypen • Energiebereitstellung unter Belastung • Training • Doping Hinweise und Anregungen – z. B. Erfassung und Auswertung sportmedizinischer Parameter, Höhentraining – z. B. EPO 31 Lehrplan Biologie Mikroorganismen • Überblick über die Vielfalt der Mikroorganismen • Einzeller – Sukzession im Heuaufguss – Osmoregulation – Beobachtungen an Einzellern • extremophile Mikroorganismen Hinweise und Anregungen – z. B. pulsierende Vakuolen, Nahrungsvakuolen, Reizbarkeit Zellbiologische Verfahren • Zell- und Gewebekultur • Trennung von Zellbestandteilen und Stoffgemischen • biochemische und immunchemische Analyseverfahren Hinweise und Anregungen – z. B. Zentrifugation, Chromatografie, Elektrophorese, Western Blot, Proteomanalyse Biotechnologie • Herstellung von Lebens- und Genussmitteln • Einsatz von Enzymen in Industrie und Medizin • Chancen und Risiken Hinweise und Anregungen – z. B. Käseherstellung, Herstellung alkoholischer Getränke – z. B. Wirkung von Enzymen in Waschmitteln, Enzyme in Medikamenten, medizinische Diagnostik Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
Leitthema 1: Leben und Energie
22 Lehrplan Biologie 4.1 Leben und Energie Mit der Entstehung, Differenzierung und Spezialisierung von Zellen als kleinste sich selbst erhaltende und reproduzierende Einheiten des Lebens begann die biologische Evolution. Sie führte zu den unterschiedlichsten Zell- und Organisationsformen mit den typischen Strukturen für die jeweiligen spezifischen Funktionen. Aufgrund ihrer Komplexität sind biologische Systeme und somit auch Zellen reich an emergenten Eigenschaften wie der Fähigkeit zur Reproduktion, zum Stoffwechsel, zur Anpassung, zum Wachstum und zur Organisation in verschiedenen Hierarchieebenen.16 Als offenes System tauscht die Zelle sowohl Materie als auch Energie mit der Umgebung aus. Zellen, wie auch Organismen allgemein, befinden sich dabei mit ihrer Umgebung in einem Fließgleichgewicht. Im Zentrum des Energiestoffwechsels steht die Dissimilation. Energieliefernde Prozesse laufen mithilfe enzymatischer Reaktionen und in unterschiedlichen Kompartimenten ab, wodurch Stoffwechselregulationen ermöglicht werden. Die Zellbiologie beschäftigt sich mit der Erforschung von Strukturen und Funktionen der Zellen. Das schließt neben dem Aufbau und den molekularen Bestandteilen auch Stoffwechselprozesse, Steuerungs- und Regelungsvorgänge, Bewegungen und Transportvorgänge in den Zellen und den Austausch von Stoffen und Informationen zwischen Zellen sowie die Zellteilung mit ein. Dabei nutzt die zellbiologische Forschung mikroskopische und molekularbiologische Methoden sowie biochemische Analysen und Untersuchungsmethoden. Erkenntnisse über Eigenschaften der Zelle und ihrer Strukturen finden so Anwendung in der Gen- und Biotechnologie sowie der medizinischen Therapie. Die Betrachtung der Zelle als System eröffnet den Blick auf weitere Systemebenen des Lebens. Kenntnisse über zellbiologische Zusammenhänge bilden die fachliche Basis für alle weiteren Teildisziplinen der modernen Biologie. 16 Verändert nach Mayr, Ernst: Konzepte der Biologie. Hirzel. 2005, S. 49 ff. 23 Lehrplan Biologie Leitthema 1 Leben und Energie Biosysteme und ihre Eigenschaften Biochemische Grundlagen und Enzymatik Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Vom Einzeller zum Vielzeller Wasser- und Ionenhaushalt Ernährung Zellbiologische Verfahren Mikroskopie Energiehaushalt Sportphysiologie Biotechnologie Chemische Grundlagen Äußere Atmung und Blutkreislauf Mikroorganismen Eigenes Thema Biomembranen und Stofftransport Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine 24 Lehrplan Biologie Biosysteme und ihre Eigenschaften Einführungsphase Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Systeme des Lebendigen • Kennzeichen des Lebendigen • biologische Systeme und Systemebenen • Einteilung des Lebendigen in systematische Gruppen Strukturen der Zelle und ihre Funktionen • licht- und elektronenmikroskopischer Bau • Zusammenwirken von Zellbestandteilen • Vergleich von Tier-, Pflanzen- und Pilzzellen • Pro- und Eukaryoten • Zellwachstum und -differenzierung • Evolution der eukaryotischen Zelle – Endosymbiontentheorie Zellzyklus • Mitose und Cytokinese • Interphase Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Kompartimentierung – individuelle und evolutive Entwicklung: Zelldifferenzierung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Vernetzungen von Systemebenen: Molekular- bis Biosphärenebene – Geschichte der Zellbiologie Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Wahlpflichtbaustein: Entwicklungsgenetik – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Chemische und präbiologische Evolution 25 Lehrplan Biologie Biomembranen und Stofftransport Einführungsphase Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Bau, Eigenschaften und Funktionen der Biomembran • Fluid-Mosaik-Modell • Kommunikation zwischen Zellen bzw. zwischen Zellen und ihrer Umwelt • aktuelle Biomembran-Modelle Stofftransport in und zwischen Kompartimenten • selektive Permeabilität • aktive und passive Transportvorgänge • Endo- und Exocytose • sekundär aktiver Transport • Kanalproteine Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Kompartimentierung, Schlüssel-Schloss-Prinzip Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Einbindung molekularer Grundlagen, z. B. Lipide im Zusammenhang mit dem Membranaufbau – Diffusion und Osmose: Phänomene und Anwendungsbeispiele aus dem Alltag – Arzneimittel und Transportproteine; mRNA-Impfung mithilfe von Vesikeln – z. B. Aquaporine und Kosmetik Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Autophagocytose 26 Lehrplan Biologie Biochemische Grundlagen und Enzymatik Einführungsphase Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Molekulare Strukturen und ihre Funktionen im Organismus • Wasser als Reaktionspartner, Transport- und Lösungsmittel • Struktur, Eigenschaften, Bedeutung und Vorkommen von Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden • Beeinflussung der räumlichen Struktur von Proteinen • Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften polarer und unpolarer Moleküle • Verknüpfung der Grundbausteine durch Kondensation Enzyme als Biokatalysatoren • Merkmale von Katalysatoren • Bau und Wirkungsweise von Enzymen • Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur • Abhängigkeit der Enzymaktivität von pH- Wert, Substrat- und Enzymkonzentration • Enzymhemmung und -aktivierung Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Schlüssel-Schloss-Prinzip – Steuerung und Regelung: Regulation auf molekularer Ebene Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Einbindung molekularer Grundlagen in strukturelle und funktionelle Zusammenhänge lebender Systeme – Behandlung der Stoffwechselregulation auf Enzymebene auch im Zusammenhang mit der Zellatmung möglich – wasserabweisende Oberflächen bei Pflanzen, z. B. Lotuseffekt – Alltagsbezug und technische Nutzung von Enzymen, z. B. Waschmittel, Dauerwelle, Lebensmittelherstellung, Arzneimittel Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Grundlagen der Molekulargenetik 27 Lehrplan Biologie Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Energiebereitstellung und Energienutzung • Redoxreaktionen • ATP-/ADP-System • Energieumwandlung und -entwertung • Kopplung exergonischer und endergonischer Reaktionen Zellatmung – ein aerober Stoffwechselprozess • Zusammenhang von anabolem und katabolem Stoffwechsel • Feinbau der Mitochondrien • Ablauf und Orte der Zellatmung – Glykolyse, Oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus, Atmungskette • chemiosmotische ATP-Bildung • Stoffwechselregulation auf Enzymebene • Stoff- und Energiebilanz • energetisches Modell der Atmungskette Gärungen – anaerobe Stoffwechselprozesse • alkoholische Gärung • Milchsäuregärung Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Oberflächenvergrößerung, Kompartimentierung – Stoff- und Energieumwandlung: Energieentwertung, energetische Kopplung – Steuerung und Regelung: positive und negative Rückkopplung, Homöostase Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Regulationsmöglichkeiten, z. B. Endprodukthemmung – Sport und Ernährung – Lebensmittelherstellung Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 4, Pflichtbaustein: Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess 28 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Biosysteme und ihre Eigenschaften • Anfertigung mikroskopischer Präparate und Zeichnung mikroskopischer Objekte • Mikroskopie von Plastidentypen Biomembranen und Stofftransport • Membranmodelle – Modellkritik • Experimente zu Diffusion und Osmose • historische Entwicklung der Modellvorstellung der Biomembran Biochemische Grundlagen und Enzymatik • einfache Experimente zur Enzymaktivität und Substratspezifität • Modelle der Strukturebenen von Proteinen • qualitative und quantitative Experimente zur Enzymaktivität und Substratspezifität Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse • qualitativer Nachweis der Produkte der Gäransätze • Temperatur- und Substratabhängigkeit von Gärungen Hinweise und Anregungen – Mikroskopie von Mitosestadien – Dokumentation von Mikroskop-Bildern mit dem Smartphone/Tablet – Planung, Durchführung, quantitative und qualitative Auswertung von Experimenten – Bedeutung von Kontrollansätzen bei Versuchsdurchführungen – Betriebsbesichtigungen und Exkursionen auch in Zusammenarbeit mit anderen Fächern, z. B. Brauerei, milchverarbeitende Betriebe 29 Lehrplan Biologie Vom Einzeller zum Vielzeller • Zellkolonie und Zellverband • Zelldifferenzierung • Arbeitsteilung/Spezialisierung Hinweise und Anregungen – Modellorganismen, z. B. Chlamydomonas, Volvox, Gonium Mikroskopie • Geschichte der Mikroskopie • Elektronenmikroskopie • Herstellungsmethoden – Frisch- und Dauerpräparate – elektronenmikroskopische Präparate • Färbemethoden Hinweise und Anregungen – z. B. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Fluoreszenzmikroskopie, Möglichkeiten und Grenzen Chemische Grundlagen • Bindungsarten • zwischenmolekulare Kräfte • Überblick über organische Stoffklassen anhand funktioneller Gruppen • pH-Wert Hinweise und Anregungen – z. B. Proteinstrukturen Wasser- und Ionenhaushalt • Osmoregulation • Wasseraufnahme, -transport und -abgabe bei Pflanzen • Bau und Funktion der Niere Hinweise und Anregungen – z. B. Experimente zum Wasserhaushalt bei Pflanzen, Dialyse – Gegenstromprinzip 30 Lehrplan Biologie Energiehaushalt • Energiebereitstellung bei gleichwarmen und wechselwarmen Tieren • Volumen-Oberflächen-Verhältnis und Energiehaushalt • Überwinterungsstrategien Hinweise und Anregungen – z. B. Experimente zum Volumen-Oberfläche-Verhältnis – z. B. Winterruhe, Winterschlaf Äußere Atmung und Blutkreislauf • Atmungssysteme • Herz-Kreislauf-Systeme • Gastransport • Evolution der Atmungs- und Herz-Kreislauf-Systeme bei Wirbeltieren Hinweise und Anregungen – Atmung unter Extrembedingungen, z. B. Tauchen, Bergsteigen – Gegenstromprinzip – Endoskopie und Sektion von Herzen und Lungen Ernährung • Nährstoffe und Ergänzungsstoffe • Verdauung und Resorption • Ernährungsformen • physische und psychische Ernährungsstörungen Hinweise und Anregungen – z. B. Bewertung von Diäten und Nahrungsergänzungsmitteln aus ernährungsphysiologischer Sicht – z. B. Phenylketonurie, Lactoseintoleranz, Bulimie, Anorexie Sportphysiologie • Muskeltypen • Energiebereitstellung unter Belastung • Training • Doping Hinweise und Anregungen – z. B. Erfassung und Auswertung sportmedizinischer Parameter, Höhentraining – z. B. EPO 31 Lehrplan Biologie Mikroorganismen • Überblick über die Vielfalt der Mikroorganismen • Einzeller – Sukzession im Heuaufguss – Osmoregulation – Beobachtungen an Einzellern • extremophile Mikroorganismen Hinweise und Anregungen – z. B. pulsierende Vakuolen, Nahrungsvakuolen, Reizbarkeit Zellbiologische Verfahren • Zell- und Gewebekultur • Trennung von Zellbestandteilen und Stoffgemischen • biochemische und immunchemische Analyseverfahren Hinweise und Anregungen – z. B. Zentrifugation, Chromatografie, Elektrophorese, Western Blot, Proteomanalyse Biotechnologie • Herstellung von Lebens- und Genussmitteln • Einsatz von Enzymen in Industrie und Medizin • Chancen und Risiken Hinweise und Anregungen – z. B. Käseherstellung, Herstellung alkoholischer Getränke – z. B. Wirkung von Enzymen in Waschmitteln, Enzyme in Medikamenten, medizinische Diagnostik Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
Leitthema 2: Genetische Grundlagen des Lebens
32 Lehrplan Biologie 4.2 Genetische Grundlagen des Lebens Die genetische Kontinuität biologischer Systeme ist ein zentraler Inhalt der Biologie. Sie stellt die Weitergabe der Erbinformation von Generation zu Generation dar, die durch die individuelle Selbstorganisation organismische Gestalt annimmt. Sexuelle Fortpflanzung führt zur Rekombination, erhöht zusammen mit Mutationen die genetische Variabilität und kann zu unterschiedlichen Phänotypen führen. Zusammen mit der Selektion ist diese Variabilität eine wichtige Ursache für die Veränderlichkeit der Arten, die damit modellhaft erklärt werden kann. Die Molekulargenetik erforscht die Struktur von Genomen, die Replikation und Reparaturmechanismen der DNA, deren Transkription und Translation in der Proteinbiosynthese sowie die molekularen Mechanismen der Genregulation. Entwicklungsvorgänge im lebenden Organismus lassen sich damit als Resultat zellulärer Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen Strukturen beschreiben. Äußere Faktoren wie Ernährung oder Stress nehmen eine wichtige Rolle bei der Expression des Erbgutes ein. Diese Vorgänge untersucht die Epigenetik, die die Regulation der Ausbildung von Merkmalen außerhalb der eigentlichen DNA-Sequenz erklärt. Eine Anknüpfung an stoffwechselphysiologische Vorgänge leistet die Proteomik, die mit der Untersuchung der Proteine auch Ansatzpunkte für die medizinische Forschung liefert. Auf der Grundlage sich immer weiter entwickelnder molekulargenetischer Forschungsexperimente und -ergebnisse erlangen moderne, zukunftsorientierte Methoden der Gentechnik und deren Anwendung besondere Bedeutung. Sowohl durch gentechnische Analytik als auch durch die Möglichkeit der gentherapeutischen Behandlung von Krankheiten werden Bezüge zur Humangenetik hergestellt. Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion bedienen sich gentechnischer Verfahren, deren Erforschung, Entwicklung und Anwendung neue Chancen und Möglichkeiten z. B. in der Bewältigung von Klimaveränderungen bieten. Diese werden von verschiedenen politischen und gesellschaftlichen Akteuren – lokal wie global – diskutiert und können unterschiedlich bewertet werden. Die gesellschaftlich-ethische Bedeutung genetischer Forschungsergebnisse, Verfahren und Anwendungen wird nachvollziehbar und beurteilbar. 33 Lehrplan Biologie Leitthema 2 Genetische Grundlagen des Lebens Grundlagen der Molekulargenetik Vielfalt und Vererbung Meilensteine der Genetik Entwicklungsgenetik Formen der Fortpflanzung Allergien und Autoimmunerkrankungen Züchtung von Kulturpflanzen und Haustieren Altern Reproduktionsmedizin Diagnostische Verfahren Gene und Umwelt Geschlechtsdetermination Grundlagen der Immunbiologie Eigenes Thema Gentechnik und Anwendung Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Wahlpflichtbausteine Pflichtbausteine 34 Lehrplan Biologie Grundlagen der Molekulargenetik Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Struktur und Funktion der Nucleinsäuren • Bau und Funktion der DNA • semikonservative Replikation der DNA • Bau und Funktion der RNA Zusammenhänge zwischen genetischem Material, Genprodukten und Merkmal • Proteinbiosynthese – Transkription, Translation • Genmutationen • Vergleich der Proteinbiosynthese von Pro- und Eukaryoten • Prozessierung Regulation der Genaktivität • Regulationsmechanismen bei Eukaryoten – Transkriptionsfaktoren – Modifikationen des Epigenoms durch Methylierung • Regulationsmechanismen bei Prokaryoten – Operon-Modell • Regulationsmechanismen bei Eukaryoten – Histonmodifikation – RNA-Interferenz Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Komplementarität, Kompartimentierung – Steuerung und Regelung: Regulation auf molekularer Ebene Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – aktuelle Themen mit genetischen Aspekten, z. B. Corona-Virus, Zulassung genetisch veränderter Lebensmittel Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Biochemische Grundlagen und Enzymatik – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Computergestützte Phylogenetik 35 Lehrplan Biologie Gentechnik und ihre Anwendung Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Bakterien- und Virengenetik • Vermehrung • Rekombination Anwendung der Gentechnik • Veränderung und Einbau von DNA • gentechnisch veränderte Organismen • Genome Editing – CRISPR-Cas9 – Gene Drive Bewertung gentechnischer Anwendungen • Chancen und Risiken • ethische und rechtliche Fragen der Gentechnik Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Schlüssel-Schloss-Prinzip – individuelle und evolutive Entwicklung: Selektion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – z. B. genetisch veränderte Nutzpflanzen, Patentierung von Nutzpflanzen (BNE) – Förderung der Bewertungskompetenz: deskriptive und normative Aussagen – Anwendungen mit Bezug zur Medizin, Lebensmittelindustrie oder Landwirtschaft – aktuelle politische Verhandlungen oder Beschlüsse mit Bezug zur Gentechnik (BNE) Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Biosysteme und ihre Eigenschaften – Leitthema 4, Pflichtbaustein: Angewandte Aspekte der Ökologie (BNE) 36 Lehrplan Biologie Vielfalt und Vererbung Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Genetische Biodiversität • Meiose – intra- und interchromosomale Rekombination • Gen-, Chromosomen- und Genommutationen • Modifikation Humangenetik • Genetik menschlicher Erkrankungen • Familienstammbäume • gentherapeutische Verfahren – somatische Gentherapie, Keimbahntherapie • Gentest und Beratung • polygene Vererbung • Stammzellenforschung • Krebs – Krebszellen, Onkogene, Anti-Onkogene, personalisierte Medizin Basiskonzepte und deren Prinzipien – individuelle und evolutive Entwicklung: Rekombination – Steuerung und Regelung: Regulation auf molekularer Ebene Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Bedeutung der Meiose für die Evolution – Bewertung von z. B. gentherapeutischen Verfahren unter medizinischen, ethischen und rechtlichen Gesichtspunkten – Präimplantationsdiagnostik – aktuelle politische Verhandlungen oder Beschlüsse mit Bezug zur Humangenetik Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 3, Pflichtbaustein: Entstehung von Biodiversität 37 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Grundlagen der Molekulargenetik • DNA-Isolierung • Modellierung der Struktur der DNA • PCR als Vervielfältigungsverfahren • Gelelektrophorese als Trennverfahren • DNA-Sequenzierung Gentechnik und ihre Anwendung • Arbeitsweise von Restriktionsenzymen und Ligasen im Modell • Verfahren zur Herstellung gentechnisch veränderter Organismen Vielfalt und Vererbung • Stammbaumanalyse Hinweise und Anregungen – z. B. Mikroskopische Betrachtung von Riesenchromosomen bei Zuckmückenlarven – Simulation zur Modellierung polygener Erbgänge – bioinformatische Anwendungen – Bedeutung der Verfahren in der Forschung, Medizin, Diagnostik oder Kriminalistik, z. B. Rekonstruktion der Evolution, Nachweis von Erregern oder genetisch bedingten Erkrankungen, genetischer Fingerabdruck 38 Lehrplan Biologie Meilensteine der Genetik • bedeutende Erkenntnisse und Experimente – klassische Genetik – Molekulargenetik Hinweise und Anregungen – z. B. Mendel, Morgan – z. B. Griffith und Avery; Watson, Crick und Franklin; Meselson und Stahl; Mullis; Schell und van Montagu; Doudna und Charpentier Züchtung von Kulturpflanzen und Haustieren • Bedeutung für die kulturelle Entwicklung des Menschen • klassische und molekulare Züchtungsmethoden • Möglichkeiten und Grenzen Hinweise und Anregungen – z. B. Klonen, Heterosiszüchtung, künstliche Besamung, Erhaltung von Kulturpflanzen und Nutztierrassen (BNE) Gene und Umwelt • Einfluss von Genen und Umwelt auf den Phänotyp – Einschätzung der Heritabilität – Zwillingsforschung Hinweise und Anregungen – Epigenetik – genetischer Einfluss auf z. B. Intelligenz, Kriminalität, Suchtanfälligkeit, Händigkeit Entwicklungsgenetik • Embryonalentwicklung von Tieren • Entwicklungssteuerung durch Gene • Stammzellen Hinweise und Anregungen – Morphogenese – Embryo- und Fetogenese – Regeneration bei Pflanzen – Protoplastenkultur 39 Lehrplan Biologie Altern • Formen des Alterns • Theorien des Alterns • Alterserkrankungen • Beeinflussung der Alterungsprozesse Hinweise und Anregungen – z. B. Beschädigungstheorien, Verkürzung der Telomere – z. B. Botox, Hautpflegeprodukte, Calcium-Ionen-Haushalt Geschlechtsdetermination • genetische Geschlechtsdetermination • modifikatorische Geschlechtsdetermination • Geschlechtsdetermination und Intersexualität beim Menschen • Hermaphroditismus Hinweise und Anregungen – z. B. Haplodiploidie, temperaturabhängige Geschlechtsdetermination, Queer – z. B. Geschlechterproblematik im Wettkampf-Sport Formen der Fortpflanzung • geschlechtliche Vermehrung – zweigeschlechtliche Fortpflanzung – eingeschlechtliche Fortpflanzung • ungeschlechtliche Vermehrung Hinweise und Anregungen – z. B. Formen der Parthenogenese, Dauerstadien, Ausläufer, Brutknospen Reproduktionsmedizin • Ursachen für Zeugungsunfähigkeit • Methoden und Verfahren • Chancen und Risiken • rechtliche und ethische Grenzen Hinweise und Anregungen – z. B. künstliche Insemination, In-vitro-Fertilisation, intrazytoplasmatische Spermieninjektion, Eizellenspende und Leihmutterschaft 40 Lehrplan Biologie Grundlagen der Immunbiologie • Resistenz und Immunität • aktive und passive Immunisierung • genetische Grundlagen der Antikörpervielfalt • Schnell- und Antikörpertests Hinweise und Anregungen – Transplantationsimmunologie, monoklonale Antikörper Allergien und Autoimmunerkrankungen • Ursachen und Symptome • Diagnose- und Behandlungsmöglichkeiten Hinweise und Anregungen – z. B. Rheuma, Multiple Sklerose, Lebensmittelallergien, Heuschnupfen – Abgrenzung Allergie vs. Unverträglichkeiten Diagnostische Verfahren • PCR-basierte Verfahren • Antigen- und Antikörpertests • Karyogramme • Blutbild Hinweise und Anregungen – z. B. Reverse-Transkriptase-PCR, Echtzeit-PCR Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
Leitthema 2: Genetische Grundlagen des Lebens
32 Lehrplan Biologie 4.2 Genetische Grundlagen des Lebens Die genetische Kontinuität biologischer Systeme ist ein zentraler Inhalt der Biologie. Sie stellt die Weitergabe der Erbinformation von Generation zu Generation dar, die durch die individuelle Selbstorganisation organismische Gestalt annimmt. Sexuelle Fortpflanzung führt zur Rekombination, erhöht zusammen mit Mutationen die genetische Variabilität und kann zu unterschiedlichen Phänotypen führen. Zusammen mit der Selektion ist diese Variabilität eine wichtige Ursache für die Veränderlichkeit der Arten, die damit modellhaft erklärt werden kann. Die Molekulargenetik erforscht die Struktur von Genomen, die Replikation und Reparaturmechanismen der DNA, deren Transkription und Translation in der Proteinbiosynthese sowie die molekularen Mechanismen der Genregulation. Entwicklungsvorgänge im lebenden Organismus lassen sich damit als Resultat zellulärer Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen Strukturen beschreiben. Äußere Faktoren wie Ernährung oder Stress nehmen eine wichtige Rolle bei der Expression des Erbgutes ein. Diese Vorgänge untersucht die Epigenetik, die die Regulation der Ausbildung von Merkmalen außerhalb der eigentlichen DNA-Sequenz erklärt. Eine Anknüpfung an stoffwechselphysiologische Vorgänge leistet die Proteomik, die mit der Untersuchung der Proteine auch Ansatzpunkte für die medizinische Forschung liefert. Auf der Grundlage sich immer weiter entwickelnder molekulargenetischer Forschungsexperimente und -ergebnisse erlangen moderne, zukunftsorientierte Methoden der Gentechnik und deren Anwendung besondere Bedeutung. Sowohl durch gentechnische Analytik als auch durch die Möglichkeit der gentherapeutischen Behandlung von Krankheiten werden Bezüge zur Humangenetik hergestellt. Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion bedienen sich gentechnischer Verfahren, deren Erforschung, Entwicklung und Anwendung neue Chancen und Möglichkeiten z. B. in der Bewältigung von Klimaveränderungen bieten. Diese werden von verschiedenen politischen und gesellschaftlichen Akteuren – lokal wie global – diskutiert und können unterschiedlich bewertet werden. Die gesellschaftlich-ethische Bedeutung genetischer Forschungsergebnisse, Verfahren und Anwendungen wird nachvollziehbar und beurteilbar. 33 Lehrplan Biologie Leitthema 2 Genetische Grundlagen des Lebens Grundlagen der Molekulargenetik Vielfalt und Vererbung Meilensteine der Genetik Entwicklungsgenetik Formen der Fortpflanzung Allergien und Autoimmunerkrankungen Züchtung von Kulturpflanzen und Haustieren Altern Reproduktionsmedizin Diagnostische Verfahren Gene und Umwelt Geschlechtsdetermination Grundlagen der Immunbiologie Eigenes Thema Gentechnik und Anwendung Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Wahlpflichtbausteine Pflichtbausteine 34 Lehrplan Biologie Grundlagen der Molekulargenetik Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Struktur und Funktion der Nucleinsäuren • Bau und Funktion der DNA • semikonservative Replikation der DNA • Bau und Funktion der RNA Zusammenhänge zwischen genetischem Material, Genprodukten und Merkmal • Proteinbiosynthese – Transkription, Translation • Genmutationen • Vergleich der Proteinbiosynthese von Pro- und Eukaryoten • Prozessierung Regulation der Genaktivität • Regulationsmechanismen bei Eukaryoten – Transkriptionsfaktoren – Modifikationen des Epigenoms durch Methylierung • Regulationsmechanismen bei Prokaryoten – Operon-Modell • Regulationsmechanismen bei Eukaryoten – Histonmodifikation – RNA-Interferenz Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Komplementarität, Kompartimentierung – Steuerung und Regelung: Regulation auf molekularer Ebene Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – aktuelle Themen mit genetischen Aspekten, z. B. Corona-Virus, Zulassung genetisch veränderter Lebensmittel Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Biochemische Grundlagen und Enzymatik – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Computergestützte Phylogenetik 35 Lehrplan Biologie Gentechnik und ihre Anwendung Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Bakterien- und Virengenetik • Vermehrung • Rekombination Anwendung der Gentechnik • Veränderung und Einbau von DNA • gentechnisch veränderte Organismen • Genome Editing – CRISPR-Cas9 – Gene Drive Bewertung gentechnischer Anwendungen • Chancen und Risiken • ethische und rechtliche Fragen der Gentechnik Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Schlüssel-Schloss-Prinzip – individuelle und evolutive Entwicklung: Selektion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – z. B. genetisch veränderte Nutzpflanzen, Patentierung von Nutzpflanzen (BNE) – Förderung der Bewertungskompetenz: deskriptive und normative Aussagen – Anwendungen mit Bezug zur Medizin, Lebensmittelindustrie oder Landwirtschaft – aktuelle politische Verhandlungen oder Beschlüsse mit Bezug zur Gentechnik (BNE) Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Biosysteme und ihre Eigenschaften – Leitthema 4, Pflichtbaustein: Angewandte Aspekte der Ökologie (BNE) 36 Lehrplan Biologie Vielfalt und Vererbung Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Genetische Biodiversität • Meiose – intra- und interchromosomale Rekombination • Gen-, Chromosomen- und Genommutationen • Modifikation Humangenetik • Genetik menschlicher Erkrankungen • Familienstammbäume • gentherapeutische Verfahren – somatische Gentherapie, Keimbahntherapie • Gentest und Beratung • polygene Vererbung • Stammzellenforschung • Krebs – Krebszellen, Onkogene, Anti-Onkogene, personalisierte Medizin Basiskonzepte und deren Prinzipien – individuelle und evolutive Entwicklung: Rekombination – Steuerung und Regelung: Regulation auf molekularer Ebene Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Bedeutung der Meiose für die Evolution – Bewertung von z. B. gentherapeutischen Verfahren unter medizinischen, ethischen und rechtlichen Gesichtspunkten – Präimplantationsdiagnostik – aktuelle politische Verhandlungen oder Beschlüsse mit Bezug zur Humangenetik Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 3, Pflichtbaustein: Entstehung von Biodiversität 37 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Grundlagen der Molekulargenetik • DNA-Isolierung • Modellierung der Struktur der DNA • PCR als Vervielfältigungsverfahren • Gelelektrophorese als Trennverfahren • DNA-Sequenzierung Gentechnik und ihre Anwendung • Arbeitsweise von Restriktionsenzymen und Ligasen im Modell • Verfahren zur Herstellung gentechnisch veränderter Organismen Vielfalt und Vererbung • Stammbaumanalyse Hinweise und Anregungen – z. B. Mikroskopische Betrachtung von Riesenchromosomen bei Zuckmückenlarven – Simulation zur Modellierung polygener Erbgänge – bioinformatische Anwendungen – Bedeutung der Verfahren in der Forschung, Medizin, Diagnostik oder Kriminalistik, z. B. Rekonstruktion der Evolution, Nachweis von Erregern oder genetisch bedingten Erkrankungen, genetischer Fingerabdruck 38 Lehrplan Biologie Meilensteine der Genetik • bedeutende Erkenntnisse und Experimente – klassische Genetik – Molekulargenetik Hinweise und Anregungen – z. B. Mendel, Morgan – z. B. Griffith und Avery; Watson, Crick und Franklin; Meselson und Stahl; Mullis; Schell und van Montagu; Doudna und Charpentier Züchtung von Kulturpflanzen und Haustieren • Bedeutung für die kulturelle Entwicklung des Menschen • klassische und molekulare Züchtungsmethoden • Möglichkeiten und Grenzen Hinweise und Anregungen – z. B. Klonen, Heterosiszüchtung, künstliche Besamung, Erhaltung von Kulturpflanzen und Nutztierrassen (BNE) Gene und Umwelt • Einfluss von Genen und Umwelt auf den Phänotyp – Einschätzung der Heritabilität – Zwillingsforschung Hinweise und Anregungen – Epigenetik – genetischer Einfluss auf z. B. Intelligenz, Kriminalität, Suchtanfälligkeit, Händigkeit Entwicklungsgenetik • Embryonalentwicklung von Tieren • Entwicklungssteuerung durch Gene • Stammzellen Hinweise und Anregungen – Morphogenese – Embryo- und Fetogenese – Regeneration bei Pflanzen – Protoplastenkultur 39 Lehrplan Biologie Altern • Formen des Alterns • Theorien des Alterns • Alterserkrankungen • Beeinflussung der Alterungsprozesse Hinweise und Anregungen – z. B. Beschädigungstheorien, Verkürzung der Telomere – z. B. Botox, Hautpflegeprodukte, Calcium-Ionen-Haushalt Geschlechtsdetermination • genetische Geschlechtsdetermination • modifikatorische Geschlechtsdetermination • Geschlechtsdetermination und Intersexualität beim Menschen • Hermaphroditismus Hinweise und Anregungen – z. B. Haplodiploidie, temperaturabhängige Geschlechtsdetermination, Queer – z. B. Geschlechterproblematik im Wettkampf-Sport Formen der Fortpflanzung • geschlechtliche Vermehrung – zweigeschlechtliche Fortpflanzung – eingeschlechtliche Fortpflanzung • ungeschlechtliche Vermehrung Hinweise und Anregungen – z. B. Formen der Parthenogenese, Dauerstadien, Ausläufer, Brutknospen Reproduktionsmedizin • Ursachen für Zeugungsunfähigkeit • Methoden und Verfahren • Chancen und Risiken • rechtliche und ethische Grenzen Hinweise und Anregungen – z. B. künstliche Insemination, In-vitro-Fertilisation, intrazytoplasmatische Spermieninjektion, Eizellenspende und Leihmutterschaft 40 Lehrplan Biologie Grundlagen der Immunbiologie • Resistenz und Immunität • aktive und passive Immunisierung • genetische Grundlagen der Antikörpervielfalt • Schnell- und Antikörpertests Hinweise und Anregungen – Transplantationsimmunologie, monoklonale Antikörper Allergien und Autoimmunerkrankungen • Ursachen und Symptome • Diagnose- und Behandlungsmöglichkeiten Hinweise und Anregungen – z. B. Rheuma, Multiple Sklerose, Lebensmittelallergien, Heuschnupfen – Abgrenzung Allergie vs. Unverträglichkeiten Diagnostische Verfahren • PCR-basierte Verfahren • Antigen- und Antikörpertests • Karyogramme • Blutbild Hinweise und Anregungen – z. B. Reverse-Transkriptase-PCR, Echtzeit-PCR Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
Leitthema 3: Entstehung und Entwicklung des Lebens
41 Lehrplan Biologie 4.3 Entstehung und Entwicklung des Lebens Die Vielfalt der Organismen auf der Erde ist das Ergebnis eines lange dauernden und immer noch währenden Entwicklungsprozesses. Damit beschreibt das Basiskonzept der individuellen und evolutiven Entwicklung die Veränderung lebender Systeme im Zusammenhang mit Umwelteinflüssen über verschiedene Zeiträume. Die individuelle Entwicklung ist dabei die Grundlage und der Wandel der Populationen das charakteristische Kennzeichen der Evolution des Lebendigen. Die biologische Evolution gilt als übergreifendes Erklärungssystem der Lebenswissenschaften. Die Synthetische Theorie der Evolution wurde als Brückenschlag zwischen der Genetik und Darwins Evolutionstheorie entwickelt. Voraussetzung für die Evolution ist die Variabilität der Lebewesen, treibende Kraft ist die Selektion unterschiedlich angepasster Individuen. Darüber hinaus haben fundamentale Prozesse, die zu ökologischen Anpassungen und neuen Arten führen, ebenso wie die Regeln, nach denen Organismen, inklusive des Menschen, interagieren und Sozialsysteme bilden, besondere Bedeutung in der Forschung. Bei der Betrachtung des adaptiven Wertes von Verhalten stehen die reproduktive Fitness und die Kosten-Nutzen-Analyse im Zentrum. Ein biologisches Phänomen kann erst dann umfassend erklärt werden, wenn sowohl die Frage nach den Mechanismen als auch die Frage nach seiner Evolution zufriedenstellend beantwortet werden können, damit stehen proximate und ultimate Fragestellung gleichberechtigt nebeneinander. Die rasante Zunahme der Weltbevölkerung, der Verbrauch von Ressourcen und die damit verbundene Frage nach der Biodiversität betreffen somit als Problem der Gegenwart und Zukunft immer die Ökologie von Populationen wie auch evolutive Prozesse. Die Evolutionsbiologie liefert darüber hinaus Erkenntnisse zum Selbstverständnis des Menschen, zu seinen sozialen und ökonomischen Interaktionen und somit zur biologischen und kulturellen Entwicklung. Die evolutionäre Zukunft des Menschen ist offen. Er bestimmt durch sein aktives Handeln die Faktoren der zukünftigen Selektion mit und übernimmt damit Verantwortung im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung. 42 Lehrplan Biologie Leitthema 3 Entstehung und Entwicklung des Lebens Abstammung und Verwandtschaft Verhalten als Ergebnis von Evolution – Verhaltensökologie Chemische und Präbiologische Evolution Fossilien Experimentelle Evolutionsforschung Tarnen, Warnen, Täuschen Erdgeschichte Evolutionäre Entwicklungsbiologie (Evo-Devo) Angewandte Evolutionsbiologie Eigenes Thema Lebewesen erobern Land und Luft Computergestützte Phylogenetik Vom Evolutionsgedanken zur Theorie Entstehung von Biodiversität Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine 43 Lehrplan Biologie Abstammung und Verwandtschaft Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Darstellung stammesgeschichtlicher Verwandtschaft • Stammbäume: ursprüngliche und abgeleitete Merkmale • zeitliche Dimension von Stammbäumen Belege für die Evolution • molekularbiologische Homologien • Morphologie und Anatomie – Homologie, Analogie – Konvergenz • Paläontologie • Biogeographie Evolution des Menschen • Ursprung • Fossilgeschichte • Stammbäume und Verbreitung des heutigen Menschen Prinzipien der Basiskonzepte – individuelle und evolutive Entwicklung: Reproduktion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – aktuelle Hominiden-Fossilfunde – Archäogenetik, Paläogenetik – Erläuterung der wissenschaftlich nicht haltbaren Einteilung der Menschen in Rassen (BNE) Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen (Grundlagen der Molekulargenetik) 44 Lehrplan Biologie Entstehung von Biodiversität Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Evolutionsmechanismen • Mutation, Rekombination, genetische Variabilität • phänotypische Variabilität, Selektion, Fitness • Gendrift, Isolationsmechanismen, Artbildung • biologischer Artbegriff • Koevolution • unterschiedliche Artkonzepte • allopatrische und sympatrische Artbildung Evolutionstheorien • Evolutionstheorie nach Darwin • synthetische Evolutionstheorie • Abgrenzung von nicht-naturwissenschaftlichen Vorstellungen Prinzipien der Basiskonzepte – individuelle und evolutive Entwicklung: Reproduktion, Selektion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – z. B. Antibiotikaresistenzen Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Vielfalt und Vererbung – Leitthema 4, Pflichtbaustein: Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen 45 Lehrplan Biologie Verhalten als Ergebnis von Evolution – Verhaltensökologie Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Grundlagen und Ursachen von Verhalten • adaptiver Wert von Verhalten – Verhaltensweisen und reproduktive Fitness – Kosten-Nutzen-Analyse • proximate und ultimate Erklärungsformen • exogene und endogene Verhaltensursachen Kulturelle Evolution • Werkzeuggebrauch • Sprachentwicklung Sozialverhalten • Sozialverhalten bei Primaten • Kooperation und Altruismus • Fortpflanzungsverhalten – Paarungsstrategien – sexuelle Selektion Prinzipien der Basiskonzepte – Information und Kommunikation: Codierung und Decodierung von Information Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – evolutionäre Spieltheorie, z. B. Falke-Taube-Modell Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 5, Wahlpflichtbaustein: Kommunikation und Sprache – Leitthema 5, Wahlpflichtbaustein: Verhalten 46 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Abstammung und Verwandtschaft • vergleichende morphologische Untersuchungen • Vergleich von DNA-Sequenzen • Konstruktion von Stammbäumen Entstehung von Biodiversität • Modelle und Simulationen zur Selektion Verhalten als Ergebnis von Evolution – Verhaltensökologie • Verhaltensbeobachtungen Hinweise und Anregungen – Vergleich von Skelettmerkmalen, z. B. Schädel, Vordergliedmaßen 47 Lehrplan Biologie Chemische und präbiologische Evolution • abiotische Bildung einfacher organischer Moleküle und Makromoleküle • Informationsträger als Voraussetzung des Lebens-Nucleinsäuren • Evolution des Stoffwechsels • Entstehung von Protozellen Hinweise und Anregungen – z. B. Urey-Miller Experimente zur Uratmosphäre, RNA-Welt-Hypothese, Hyperzyklus-Hypothese, Schwarze Raucher – Chemosynthese Erdgeschichte • Entstehung des Universums – kosmische Evolution • Erdzeitalter – Veränderungen der abiotischen Umwelt – Veränderungen in Flora und Fauna Hinweise und Anregungen – z. B. Veränderungen im Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre, Klimaveränderungen, Massenaussterben – Klimamodellierung Lebewesen erobern Land und Luft • Evolution der Landpflanzen • Evolution der Wirbeltiere Hinweise und Anregungen – z. B. Generationswechsel der Pflanzen, Differenzierung von Pflanzengeweben, Entstehung der Angiospermenblüte – z. B. Quastenflosser, Eustenopteron, Acanthostega, Ichthyostega, Archaeopteryx Fossilien • Fossilisation • Präparation und Rekonstruktion von Fossilien • Methoden der Altersbestimmung • besondere Fossilienformen – Brückentiere/Mosaikformen, lebende Fossilien Hinweise und Anregungen – Vergleich von anatomischen und morphologischen Merkmalen – Abwandlungsreihen, z. B. Evolution der Pferde 48 Lehrplan Biologie Evolutionäre Entwicklungsbiologie (Evo-Devo) • vergleichende Embryologie • Steuerung der Individualentwicklung • Evolution durch Veränderung von Entwicklungskontrollgenen Hinweise und Anregungen – Larvenformen, Atavismen, Rudimente – regulatorische Gene und Moleküle, homöotische Gene Computergestützte Phylogenetik • Konstruktion von DNA-Stammbäumen – Sequenzdatenbanken – Alignement • molekulare Uhren Hinweise und Anregungen – bioinformatische Verfahren, computergestützte Stammbaumrekonstruktion Experimentelle Evolutionsforschung • Simulation von Evolutionsprozessen – Berechnung der Veränderung von Allel-Frequenzen – Hardy-Weinberg-Gleichgewicht – digitale Organismen • Experimente zu Evolutionsprozessen – Laborversuche zur molekularen Evolution – Manipulationsversuche Hinweise und Anregungen – in-vitro-Evolution: Versuche zur molekularen Evolution von Bakterien und Viren, z. B. Evolutionsprogramm „Avida” – z. B. Manipulationsversuche beim Hahnenschweifwida, Birkenspanner-Experimente 49 Lehrplan Biologie Angewandte Evolutionsbiologie • evolutionäre Anpassungen – Resistenzen in Landwirtschaft und Medizin • evolutionäre Medizin – Ernährung gestern und heute – Zivilisationskrankheiten – zoonotische Infektionskrankheiten – Pandemien Hinweise und Anregungen – Antibiotikaresistenz – z. B. Hypertonie, Adipositas, Diabetes mellitus, Laktoseintoleranz – z. B. Spanische Grippe, Covid-19 Vom Evolutionsgedanken zur Theorie • Schöpfungstheorie • historische Evolutionstheorien • moderne Evolutionstheorien Hinweise und Anregungen – z. B. Cuvier, Lamarck, Darwin, Wallace, Haeckel, Dobzhansky, Mayr Tarnen, Warnen, Täuschen • Arten von Tarn- und Warntrachten • Zweck von Tarn- und Warntrachten • Entstehung von Tarn- und Warntrachten Hinweise und Anregungen – z. B. Formen der Mimikry, Mimese Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
Leitthema 3: Entstehung und Entwicklung des Lebens
41 Lehrplan Biologie 4.3 Entstehung und Entwicklung des Lebens Die Vielfalt der Organismen auf der Erde ist das Ergebnis eines lange dauernden und immer noch währenden Entwicklungsprozesses. Damit beschreibt das Basiskonzept der individuellen und evolutiven Entwicklung die Veränderung lebender Systeme im Zusammenhang mit Umwelteinflüssen über verschiedene Zeiträume. Die individuelle Entwicklung ist dabei die Grundlage und der Wandel der Populationen das charakteristische Kennzeichen der Evolution des Lebendigen. Die biologische Evolution gilt als übergreifendes Erklärungssystem der Lebenswissenschaften. Die Synthetische Theorie der Evolution wurde als Brückenschlag zwischen der Genetik und Darwins Evolutionstheorie entwickelt. Voraussetzung für die Evolution ist die Variabilität der Lebewesen, treibende Kraft ist die Selektion unterschiedlich angepasster Individuen. Darüber hinaus haben fundamentale Prozesse, die zu ökologischen Anpassungen und neuen Arten führen, ebenso wie die Regeln, nach denen Organismen, inklusive des Menschen, interagieren und Sozialsysteme bilden, besondere Bedeutung in der Forschung. Bei der Betrachtung des adaptiven Wertes von Verhalten stehen die reproduktive Fitness und die Kosten-Nutzen-Analyse im Zentrum. Ein biologisches Phänomen kann erst dann umfassend erklärt werden, wenn sowohl die Frage nach den Mechanismen als auch die Frage nach seiner Evolution zufriedenstellend beantwortet werden können, damit stehen proximate und ultimate Fragestellung gleichberechtigt nebeneinander. Die rasante Zunahme der Weltbevölkerung, der Verbrauch von Ressourcen und die damit verbundene Frage nach der Biodiversität betreffen somit als Problem der Gegenwart und Zukunft immer die Ökologie von Populationen wie auch evolutive Prozesse. Die Evolutionsbiologie liefert darüber hinaus Erkenntnisse zum Selbstverständnis des Menschen, zu seinen sozialen und ökonomischen Interaktionen und somit zur biologischen und kulturellen Entwicklung. Die evolutionäre Zukunft des Menschen ist offen. Er bestimmt durch sein aktives Handeln die Faktoren der zukünftigen Selektion mit und übernimmt damit Verantwortung im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung. 42 Lehrplan Biologie Leitthema 3 Entstehung und Entwicklung des Lebens Abstammung und Verwandtschaft Verhalten als Ergebnis von Evolution – Verhaltensökologie Chemische und Präbiologische Evolution Fossilien Experimentelle Evolutionsforschung Tarnen, Warnen, Täuschen Erdgeschichte Evolutionäre Entwicklungsbiologie (Evo-Devo) Angewandte Evolutionsbiologie Eigenes Thema Lebewesen erobern Land und Luft Computergestützte Phylogenetik Vom Evolutionsgedanken zur Theorie Entstehung von Biodiversität Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine 43 Lehrplan Biologie Abstammung und Verwandtschaft Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Darstellung stammesgeschichtlicher Verwandtschaft • Stammbäume: ursprüngliche und abgeleitete Merkmale • zeitliche Dimension von Stammbäumen Belege für die Evolution • molekularbiologische Homologien • Morphologie und Anatomie – Homologie, Analogie – Konvergenz • Paläontologie • Biogeographie Evolution des Menschen • Ursprung • Fossilgeschichte • Stammbäume und Verbreitung des heutigen Menschen Prinzipien der Basiskonzepte – individuelle und evolutive Entwicklung: Reproduktion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – aktuelle Hominiden-Fossilfunde – Archäogenetik, Paläogenetik – Erläuterung der wissenschaftlich nicht haltbaren Einteilung der Menschen in Rassen (BNE) Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen (Grundlagen der Molekulargenetik) 44 Lehrplan Biologie Entstehung von Biodiversität Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Evolutionsmechanismen • Mutation, Rekombination, genetische Variabilität • phänotypische Variabilität, Selektion, Fitness • Gendrift, Isolationsmechanismen, Artbildung • biologischer Artbegriff • Koevolution • unterschiedliche Artkonzepte • allopatrische und sympatrische Artbildung Evolutionstheorien • Evolutionstheorie nach Darwin • synthetische Evolutionstheorie • Abgrenzung von nicht-naturwissenschaftlichen Vorstellungen Prinzipien der Basiskonzepte – individuelle und evolutive Entwicklung: Reproduktion, Selektion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – z. B. Antibiotikaresistenzen Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Vielfalt und Vererbung – Leitthema 4, Pflichtbaustein: Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen 45 Lehrplan Biologie Verhalten als Ergebnis von Evolution – Verhaltensökologie Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Grundlagen und Ursachen von Verhalten • adaptiver Wert von Verhalten – Verhaltensweisen und reproduktive Fitness – Kosten-Nutzen-Analyse • proximate und ultimate Erklärungsformen • exogene und endogene Verhaltensursachen Kulturelle Evolution • Werkzeuggebrauch • Sprachentwicklung Sozialverhalten • Sozialverhalten bei Primaten • Kooperation und Altruismus • Fortpflanzungsverhalten – Paarungsstrategien – sexuelle Selektion Prinzipien der Basiskonzepte – Information und Kommunikation: Codierung und Decodierung von Information Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – evolutionäre Spieltheorie, z. B. Falke-Taube-Modell Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 5, Wahlpflichtbaustein: Kommunikation und Sprache – Leitthema 5, Wahlpflichtbaustein: Verhalten 46 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Abstammung und Verwandtschaft • vergleichende morphologische Untersuchungen • Vergleich von DNA-Sequenzen • Konstruktion von Stammbäumen Entstehung von Biodiversität • Modelle und Simulationen zur Selektion Verhalten als Ergebnis von Evolution – Verhaltensökologie • Verhaltensbeobachtungen Hinweise und Anregungen – Vergleich von Skelettmerkmalen, z. B. Schädel, Vordergliedmaßen 47 Lehrplan Biologie Chemische und präbiologische Evolution • abiotische Bildung einfacher organischer Moleküle und Makromoleküle • Informationsträger als Voraussetzung des Lebens-Nucleinsäuren • Evolution des Stoffwechsels • Entstehung von Protozellen Hinweise und Anregungen – z. B. Urey-Miller Experimente zur Uratmosphäre, RNA-Welt-Hypothese, Hyperzyklus-Hypothese, Schwarze Raucher – Chemosynthese Erdgeschichte • Entstehung des Universums – kosmische Evolution • Erdzeitalter – Veränderungen der abiotischen Umwelt – Veränderungen in Flora und Fauna Hinweise und Anregungen – z. B. Veränderungen im Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre, Klimaveränderungen, Massenaussterben – Klimamodellierung Lebewesen erobern Land und Luft • Evolution der Landpflanzen • Evolution der Wirbeltiere Hinweise und Anregungen – z. B. Generationswechsel der Pflanzen, Differenzierung von Pflanzengeweben, Entstehung der Angiospermenblüte – z. B. Quastenflosser, Eustenopteron, Acanthostega, Ichthyostega, Archaeopteryx Fossilien • Fossilisation • Präparation und Rekonstruktion von Fossilien • Methoden der Altersbestimmung • besondere Fossilienformen – Brückentiere/Mosaikformen, lebende Fossilien Hinweise und Anregungen – Vergleich von anatomischen und morphologischen Merkmalen – Abwandlungsreihen, z. B. Evolution der Pferde 48 Lehrplan Biologie Evolutionäre Entwicklungsbiologie (Evo-Devo) • vergleichende Embryologie • Steuerung der Individualentwicklung • Evolution durch Veränderung von Entwicklungskontrollgenen Hinweise und Anregungen – Larvenformen, Atavismen, Rudimente – regulatorische Gene und Moleküle, homöotische Gene Computergestützte Phylogenetik • Konstruktion von DNA-Stammbäumen – Sequenzdatenbanken – Alignement • molekulare Uhren Hinweise und Anregungen – bioinformatische Verfahren, computergestützte Stammbaumrekonstruktion Experimentelle Evolutionsforschung • Simulation von Evolutionsprozessen – Berechnung der Veränderung von Allel-Frequenzen – Hardy-Weinberg-Gleichgewicht – digitale Organismen • Experimente zu Evolutionsprozessen – Laborversuche zur molekularen Evolution – Manipulationsversuche Hinweise und Anregungen – in-vitro-Evolution: Versuche zur molekularen Evolution von Bakterien und Viren, z. B. Evolutionsprogramm „Avida” – z. B. Manipulationsversuche beim Hahnenschweifwida, Birkenspanner-Experimente 49 Lehrplan Biologie Angewandte Evolutionsbiologie • evolutionäre Anpassungen – Resistenzen in Landwirtschaft und Medizin • evolutionäre Medizin – Ernährung gestern und heute – Zivilisationskrankheiten – zoonotische Infektionskrankheiten – Pandemien Hinweise und Anregungen – Antibiotikaresistenz – z. B. Hypertonie, Adipositas, Diabetes mellitus, Laktoseintoleranz – z. B. Spanische Grippe, Covid-19 Vom Evolutionsgedanken zur Theorie • Schöpfungstheorie • historische Evolutionstheorien • moderne Evolutionstheorien Hinweise und Anregungen – z. B. Cuvier, Lamarck, Darwin, Wallace, Haeckel, Dobzhansky, Mayr Tarnen, Warnen, Täuschen • Arten von Tarn- und Warntrachten • Zweck von Tarn- und Warntrachten • Entstehung von Tarn- und Warntrachten Hinweise und Anregungen – z. B. Formen der Mimikry, Mimese Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
Leitthema 4: Lebewesen in ihrer Umwelt
50 Lehrplan Biologie 4.4 Lebewesen in ihrer Umwelt Die wissenschaftliche Untersuchung der Verbreitung und Abundanz von Organismen und die Wechselwirkung, welche diese bestimmen, sind zentrale Inhalte der Ökologie. Die Betrachtungen dieser Wechselbeziehungen werden durch die Aspekte der Stoffumwandlung und des Energieflusses ergänzt. Die Sonneneinstrahlung bildet dabei eine wesentliche Ressource für die Pflanzen und ist Voraussetzung für die fotosynthetische Assimilation und den Energiefluss in Ökosystemen. Die Ökologie untersucht weiterhin die Wirkung biotischer und abiotischer Faktoren auf Individuen. Im Zentrum stehen dabei die Untersuchungen von Gesetzmäßigkeiten, die diesen Wirkungen zugrunde liegen. Hierzu gehört, dass direkte und indirekte Ursache-Wirkungsbeziehungen in Betracht gezogen werden. Proximate und ultimate Erklärungsansätze stehen damit in der Ökologie gleichberechtigt nebeneinander. Ökologische Phänomene zeigen sich auf verschiedenen Ebenen. Hierbei gilt es, die zeitliche, räumliche und biologische Ebene zu betrachten. Die Systemebenen reichen von einzelnen Organismen über Populationen, Lebensgemeinschaften und Ökosystemen bis hin zur gesamten Biosphäre. Systemisches Denken erfordert darüber hinaus eine vernetzte Betrachtung von Rückkopplungsprozessen. Dies ist u. a. die Grundlage für die Bewertung anthropogener Eingriffe in Ökosysteme und deren mögliche Konsequenzen für die Dynamik und vorübergehende Stabilität derselben sowie für Biodiversität und Klima. Damit kann die Basis für ein zukunftsfähiges ökologisches Verhalten unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit (BNE) gelegt werden. Der Kompetenzbereich Bewertung beinhaltet dabei u. a. die Reflexion kurz- und langfristiger Folgen individueller und gesellschaftlicher Entscheidungen. Neben globalen Aspekten steht die Auseinandersetzung mit der lokalen Umwelt als Ausgangspunkt für handlungsorientiertes und projektorientiertes Arbeiten. Einsicht in die Vernetzung lebender Systeme mit der Umwelt ist die Grundlage für die Entwicklung einer Überlebensstrategie auf unserem Planeten. Evolutive und ökologische Betrachtungsweisen bedingen sich gegenseitig. 51 Lehrplan Biologie Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen Angewandte Aspekte der Ökologie (BNE) Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Tiere an extremen Standorten Neobiota – Neozoen und Neophyten Kommunikation im Tier- und Pflanzenreich Waldschäden Pflanzen an extremen Standorten Nachwachsende Rohstoffe (BNE) Bionik Tierhaltung Landwirtschaft und Ernährung (BNE) Aquatische oder terrestrische Ökosysteme Mikrobiom Stadtökologie Eigenes Thema Dynamik von Ökosystemen Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine Leitthema 4 Lebewesen in ihrer Umwelt 52 Lehrplan Biologie Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Einfluss abiotischer Umweltfaktoren auf Organismen • Toleranzkurven, physiologische und ökologische Potenz • Licht, Temperatur, Wasser • Euryökie und Stenökie • Zeigerarten • multifaktorielle Vernetzung Biotische Umweltfaktoren und Populationen • intraspezifische Beziehungen – Dynamik von Populationen – dichteabhängige und dichteunabhängige Regulation von Populationen – intraspezifische Konkurrenz • idealisierte Populationsentwicklung: exponentielles und logistisches Wachstum • Fortpflanzungsstrategien: r- und K-Strategien • interspezifische Beziehungen – interspezifische Konkurrenz, Konkurrenzausschlussprinzip, ökologische Nische – Parasitismus, Symbiose – Räuber-Beute-Beziehungen – Lotka-Volterra-Modell Verfügbarkeit von Ressourcen für autotrophe und heterotrophe Organismen • Gesetz vom Minimum (BNE) Prinzipien der Basiskonzepte – Struktur und Funktion: Kompartimentierung – Steuerung und Regelung: positive und negative Rückkopplung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Einbindung der Fotosynthese bei der Behandlung der abiotischen Faktoren – mehrdimensionale Darstellung zur Wirkung von Umweltfaktoren – praktischer Nutzen der Untersuchung von ökologischen Potenzen, z. B. Landwirtschaft, Waldwirtschaft, Schädlingsbekämpfung – aktuelle Schädlingsproblematik, z. B. Borkenkäfer Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Tarnen, Warnen, Täuschen 53 Lehrplan Biologie Dynamik von Ökosystemen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Strukturen von Ökosystemen • Biotop und Biozönose • räumliche und jahreszeitliche Struktur • trophische Struktur – Trophieebenen in Nahrungsketten und Nahrungsnetzen • Nahrungspyramiden Stoff- und Energiefluss • Stoffkreislauf am Beispiel des Kohlenstoffkreislaufs • Energiefluss • Stickstoffkreislauf Entwicklung • offenes System • Stabilität und Dynamik – Sukzession und Klimax Prinzipien der Basiskonzepte – Stoff- und Energieumwandlung: Stoffkreislauf, Energieentwertung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Vernetzungen zwischen Systemebenen und zwischen lebenden Systemen untereinander und zu ihrer Umwelt herstellen – exemplarische Betrachtung eines Ökosystems Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Biosysteme und ihre Eigenschaften 54 Lehrplan Biologie Angewandte Aspekte der Ökologie (BNE) Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Folgen des anthropogenen Handelns • Treibhauseffekt und Klimawandel • Land-, Forst- und Wasserwirtschaft • Ver- und Entsorgung • Bevölkerungswachstum • Umweltgifte und hormonartig wirkende Substanzen in der Umwelt Nachhaltige Entwicklung • ökologischer Fußabdruck • Ökosystemmanagement – Ursache- Wirkungszusammenhänge – Erhaltungs- und Renaturierungsmaßnahmen – nachhaltige Nutzung – Bedeutung und Erhalt der Biodiversität • Naturschutz – lokal und global Prinzipien der Basiskonzepte – Steuerung und Regelung: positive und negative Rückkopplung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – globale Probleme der Versorgung und Entsorgung einer weltweit wachsenden Menschheit lokal thematisieren, z. B. Trinkwasser in Konkurrenz zu Bewässerung – handlungsorientierte Projekte, z. B. Analyse und kritische Betrachtung der schulischen Umwelt oder des eigenen Konsumverhaltens, Entwicklung und Abwägung von Handlungsoptionen, Entscheidungen treffen und reflektieren – lokale Umweltproblematiken, Kulturlandschaft vs. Naturlandschaft Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 5, Pflichtbaustein: Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Gentechnik und ihre Anwendung 55 Lehrplan Biologie Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Funktionale Angepasstheiten • Blattaufbau • Feinbau Chloroplasten • Absorptionsspektrum von Chlorophyll • Wirkungsspektrum • Licht- und Schattenblatt • Lichtsammelkomplex Ablauf der Fotosynthese • lichtabhängige Reaktion • lichtunabhängige Reaktion – Calvin-Zyklus (Fixierung, Reduktion, Regeneration) • Zusammenhang von Primär- und Sekundärreaktionen • energetisches Modell der Lichtreaktionen • Fotosynthesespezialisten – C4-Pflanzen Beeinflussung der Fotosynthese • Abhängigkeit der Fotosyntheserate von abiotischen Faktoren Prinzipien der Basiskonzepte – Struktur und Funktion: Oberflächenvergrößerung, Kompartimentierung – Stoff- und Energieumwandlung: energetische Kopplung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Bilanzrechnungen – Vergleich der ATP-Bildung an der inneren Mitochondrienmembran (Leitthema 1) und der Thylakoidmembran – Vernetzung zwischen Systemebenen (Organ, Zelltyp, Zellorganell), Einordnung in ökologische Zusammenhänge – Vergleich Assimilation und Dissimilation Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Lebewesen erobern Land und Luft 56 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen • Modellierung von Populationsentwicklungen • Modellversuche zu tiergeographischen Regeln Dynamik von Ökosystemen • Erfassung abiotischer Faktoren • qualitative Erfassung von Arten in einem Areal • quantitative Erfassung von Arten in einem Areal Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess • Mikroskopie des Laubblattes • Isolierung und Chromatographie von Blattfarbstoffen • qualitativer Nachweis der Fotosyntheseprodukte • Mikroskopie von Pflanzengeweben • Absorptionsspektren verschiedener Fotosynthesepigmente • Experimente zur Abhängigkeit der Fotosyntheserate von abiotischen Faktoren • Tracer-Methode (Autoradiographie) Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Versuche zu interspezifischer und intraspezifischer Konkurrenz – Nutzung eines dichotomen Bestimmungsschlüssels und digitaler Apps zur Bestimmung – Messungen ökologischer Faktoren, z. B. biologische Wasseranalyse, Zeigerwerte nach Ellenberg; Untersuchungen zum Boden (Berlese-Apparat) – Einsatz von Analysekoffern und des Computers zur Erfassung, Beschaffung und Darstellung von Daten/Messwerten – Einsatz von Modellen und Computersimulationen zu Populationsentwicklungen – Teilnahme an Citizen-Science-Initiativen von Naturschutzverbänden o. ä. (Stunde der Gartenvögel, GEO-Tag der Artenvielfalt) - Biomonitoring 57 Lehrplan Biologie Tiere an extremen Standorten • Strategien zur Angepasstheit an limitierende Faktoren • Angepasstheit der Arten – morphologisch, anatomisch, physiologisch • Bedeutung verschiedener Fortpflanzungsstrategien Hinweise und Anregungen – z. B. Regenwald, Wattenmeer, Hitze-/Kältewüste Pflanzen an extremen Standorten • Strategien zur Angepasstheit an limitierende Faktoren • Angepasstheit der Arten – morphologisch, anatomisch, physiologisch • Epiphyten Hinweise und Anregungen – z. B. Regenwald, Hitze-/Kältewüste, Gebirgsflora Landwirtschaft und Ernährung (BNE) • Konkurrenz zwischen Ernährung und Energiegewinnung • agrarische Wirtschaftsformen – industriell vs. biologisch-dynamisch – Monokulturen vs. Mischkulturen • Schädlingsbekämpfung Hinweise und Anregungen – Verarmung der genetischen Variabilität der Kulturpflanzen und der Artenvielfalt in Ökosystemen – z. B. Vertical Farming, Aquaponik Neobiota – Neozoen und Neophyten • Mechanismen der Einwanderung • Bedeutung in Nahrungsnetzen – Veränderung der Biodiversität • Selbstregulation von Ökosystemen Hinweise und Anregungen – z. B. Waschbären, Wollhandkrabbe, Japanischer Knöterich, Wandermuschel, Drüsiges Springkraut, Asiatische Tigermücke 58 Lehrplan Biologie Nachwachsende Rohstoffe (BNE) • Vielfalt und Nutzung • Anbau und Verarbeitung • Inhaltsstoffe • Begrenztheit natürlicher Ressourcen Hinweise und Anregungen – z. B. Faser-, Öl-, Färbe-, Stärkepflanzen – z. B. Biogasanlagen Aquatische oder terrestrische Ökosysteme • Dynamik des Ökosystems • Belastung und Selbstreinigung • Gütebestimmung – Zeigerarten Hinweise und Anregungen – z. B. Fließgewässer, stehende Gewässer, Meer, Moor, Böden – Rekultivierungsmaßnahmen Kommunikation im Tier- und Pflanzenreich • Hemm- und Giftstoffe zur Abwehr von Fressfeinden und Konkurrenten • Allelopathie • optische, akustische und olfaktorische Signale Hinweise und Anregungen – z. B. Tierstaaten, Tabakpflanzen Bionik • historische Entwicklung • Arbeitsweisen und aktuelle Forschung • ökonomische und ökologische Bedeutung • Chancen und Gefahren Hinweise und Anregungen – z. B. Klettverschluss, Lotuseffekt, Haihautoberflächen, Architektur, Biochips – z. B. künstliche Intelligenz 59 Lehrplan Biologie Mikrobiom • Ökosystem Mensch • Mikroorganismen – Bakterien, Pilze • Bedeutung der Ballaststoffe Hinweise und Anregungen – Antibiotika, Ernährung und Darm-Mikrobiom Waldschäden • Historie • Ursachen und Schadensbilder • wirtschaftliche Verflechtungen • Gegenmaßnahmen Hinweise und Anregungen – aktueller Waldzustandsbericht Tierhaltung • artgerechte Haltung, Hospitalismus • Medikamenteneinsatz in der Tierhaltung • Entwicklung und Bedeutung von zoologischen Gärten/Tierparks Hinweise und Anregungen – Schulung der Bewertungskompetenz – Zoos als „Genreserve”, Auswilderung Stadtökologie • Bauen und Wohnen • Boden – Wasser – Klima • Tiere und Pflanzen in der Stadt • Stadtentwicklung Hinweise und Anregungen – Kartierungen – z. B. evolutive Anpassung von Tieren und Pflanzen
Leitthema 4: Lebewesen in ihrer Umwelt
50 Lehrplan Biologie 4.4 Lebewesen in ihrer Umwelt Die wissenschaftliche Untersuchung der Verbreitung und Abundanz von Organismen und die Wechselwirkung, welche diese bestimmen, sind zentrale Inhalte der Ökologie. Die Betrachtungen dieser Wechselbeziehungen werden durch die Aspekte der Stoffumwandlung und des Energieflusses ergänzt. Die Sonneneinstrahlung bildet dabei eine wesentliche Ressource für die Pflanzen und ist Voraussetzung für die fotosynthetische Assimilation und den Energiefluss in Ökosystemen. Die Ökologie untersucht weiterhin die Wirkung biotischer und abiotischer Faktoren auf Individuen. Im Zentrum stehen dabei die Untersuchungen von Gesetzmäßigkeiten, die diesen Wirkungen zugrunde liegen. Hierzu gehört, dass direkte und indirekte Ursache-Wirkungsbeziehungen in Betracht gezogen werden. Proximate und ultimate Erklärungsansätze stehen damit in der Ökologie gleichberechtigt nebeneinander. Ökologische Phänomene zeigen sich auf verschiedenen Ebenen. Hierbei gilt es, die zeitliche, räumliche und biologische Ebene zu betrachten. Die Systemebenen reichen von einzelnen Organismen über Populationen, Lebensgemeinschaften und Ökosystemen bis hin zur gesamten Biosphäre. Systemisches Denken erfordert darüber hinaus eine vernetzte Betrachtung von Rückkopplungsprozessen. Dies ist u. a. die Grundlage für die Bewertung anthropogener Eingriffe in Ökosysteme und deren mögliche Konsequenzen für die Dynamik und vorübergehende Stabilität derselben sowie für Biodiversität und Klima. Damit kann die Basis für ein zukunftsfähiges ökologisches Verhalten unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit (BNE) gelegt werden. Der Kompetenzbereich Bewertung beinhaltet dabei u. a. die Reflexion kurz- und langfristiger Folgen individueller und gesellschaftlicher Entscheidungen. Neben globalen Aspekten steht die Auseinandersetzung mit der lokalen Umwelt als Ausgangspunkt für handlungsorientiertes und projektorientiertes Arbeiten. Einsicht in die Vernetzung lebender Systeme mit der Umwelt ist die Grundlage für die Entwicklung einer Überlebensstrategie auf unserem Planeten. Evolutive und ökologische Betrachtungsweisen bedingen sich gegenseitig. 51 Lehrplan Biologie Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen Angewandte Aspekte der Ökologie (BNE) Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Tiere an extremen Standorten Neobiota – Neozoen und Neophyten Kommunikation im Tier- und Pflanzenreich Waldschäden Pflanzen an extremen Standorten Nachwachsende Rohstoffe (BNE) Bionik Tierhaltung Landwirtschaft und Ernährung (BNE) Aquatische oder terrestrische Ökosysteme Mikrobiom Stadtökologie Eigenes Thema Dynamik von Ökosystemen Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine Leitthema 4 Lebewesen in ihrer Umwelt 52 Lehrplan Biologie Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Einfluss abiotischer Umweltfaktoren auf Organismen • Toleranzkurven, physiologische und ökologische Potenz • Licht, Temperatur, Wasser • Euryökie und Stenökie • Zeigerarten • multifaktorielle Vernetzung Biotische Umweltfaktoren und Populationen • intraspezifische Beziehungen – Dynamik von Populationen – dichteabhängige und dichteunabhängige Regulation von Populationen – intraspezifische Konkurrenz • idealisierte Populationsentwicklung: exponentielles und logistisches Wachstum • Fortpflanzungsstrategien: r- und K-Strategien • interspezifische Beziehungen – interspezifische Konkurrenz, Konkurrenzausschlussprinzip, ökologische Nische – Parasitismus, Symbiose – Räuber-Beute-Beziehungen – Lotka-Volterra-Modell Verfügbarkeit von Ressourcen für autotrophe und heterotrophe Organismen • Gesetz vom Minimum (BNE) Prinzipien der Basiskonzepte – Struktur und Funktion: Kompartimentierung – Steuerung und Regelung: positive und negative Rückkopplung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Einbindung der Fotosynthese bei der Behandlung der abiotischen Faktoren – mehrdimensionale Darstellung zur Wirkung von Umweltfaktoren – praktischer Nutzen der Untersuchung von ökologischen Potenzen, z. B. Landwirtschaft, Waldwirtschaft, Schädlingsbekämpfung – aktuelle Schädlingsproblematik, z. B. Borkenkäfer Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Tarnen, Warnen, Täuschen 53 Lehrplan Biologie Dynamik von Ökosystemen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Strukturen von Ökosystemen • Biotop und Biozönose • räumliche und jahreszeitliche Struktur • trophische Struktur – Trophieebenen in Nahrungsketten und Nahrungsnetzen • Nahrungspyramiden Stoff- und Energiefluss • Stoffkreislauf am Beispiel des Kohlenstoffkreislaufs • Energiefluss • Stickstoffkreislauf Entwicklung • offenes System • Stabilität und Dynamik – Sukzession und Klimax Prinzipien der Basiskonzepte – Stoff- und Energieumwandlung: Stoffkreislauf, Energieentwertung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Vernetzungen zwischen Systemebenen und zwischen lebenden Systemen untereinander und zu ihrer Umwelt herstellen – exemplarische Betrachtung eines Ökosystems Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Biosysteme und ihre Eigenschaften 54 Lehrplan Biologie Angewandte Aspekte der Ökologie (BNE) Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Folgen des anthropogenen Handelns • Treibhauseffekt und Klimawandel • Land-, Forst- und Wasserwirtschaft • Ver- und Entsorgung • Bevölkerungswachstum • Umweltgifte und hormonartig wirkende Substanzen in der Umwelt Nachhaltige Entwicklung • ökologischer Fußabdruck • Ökosystemmanagement – Ursache- Wirkungszusammenhänge – Erhaltungs- und Renaturierungsmaßnahmen – nachhaltige Nutzung – Bedeutung und Erhalt der Biodiversität • Naturschutz – lokal und global Prinzipien der Basiskonzepte – Steuerung und Regelung: positive und negative Rückkopplung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – globale Probleme der Versorgung und Entsorgung einer weltweit wachsenden Menschheit lokal thematisieren, z. B. Trinkwasser in Konkurrenz zu Bewässerung – handlungsorientierte Projekte, z. B. Analyse und kritische Betrachtung der schulischen Umwelt oder des eigenen Konsumverhaltens, Entwicklung und Abwägung von Handlungsoptionen, Entscheidungen treffen und reflektieren – lokale Umweltproblematiken, Kulturlandschaft vs. Naturlandschaft Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 5, Pflichtbaustein: Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Gentechnik und ihre Anwendung 55 Lehrplan Biologie Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Funktionale Angepasstheiten • Blattaufbau • Feinbau Chloroplasten • Absorptionsspektrum von Chlorophyll • Wirkungsspektrum • Licht- und Schattenblatt • Lichtsammelkomplex Ablauf der Fotosynthese • lichtabhängige Reaktion • lichtunabhängige Reaktion – Calvin-Zyklus (Fixierung, Reduktion, Regeneration) • Zusammenhang von Primär- und Sekundärreaktionen • energetisches Modell der Lichtreaktionen • Fotosynthesespezialisten – C4-Pflanzen Beeinflussung der Fotosynthese • Abhängigkeit der Fotosyntheserate von abiotischen Faktoren Prinzipien der Basiskonzepte – Struktur und Funktion: Oberflächenvergrößerung, Kompartimentierung – Stoff- und Energieumwandlung: energetische Kopplung Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Bilanzrechnungen – Vergleich der ATP-Bildung an der inneren Mitochondrienmembran (Leitthema 1) und der Thylakoidmembran – Vernetzung zwischen Systemebenen (Organ, Zelltyp, Zellorganell), Einordnung in ökologische Zusammenhänge – Vergleich Assimilation und Dissimilation Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse – Leitthema 3, Wahlpflichtbaustein: Lebewesen erobern Land und Luft 56 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Umweltfaktoren, Ressourcen und Populationen • Modellierung von Populationsentwicklungen • Modellversuche zu tiergeographischen Regeln Dynamik von Ökosystemen • Erfassung abiotischer Faktoren • qualitative Erfassung von Arten in einem Areal • quantitative Erfassung von Arten in einem Areal Fotosynthese – ein aufbauender Stoffwechselprozess • Mikroskopie des Laubblattes • Isolierung und Chromatographie von Blattfarbstoffen • qualitativer Nachweis der Fotosyntheseprodukte • Mikroskopie von Pflanzengeweben • Absorptionsspektren verschiedener Fotosynthesepigmente • Experimente zur Abhängigkeit der Fotosyntheserate von abiotischen Faktoren • Tracer-Methode (Autoradiographie) Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Versuche zu interspezifischer und intraspezifischer Konkurrenz – Nutzung eines dichotomen Bestimmungsschlüssels und digitaler Apps zur Bestimmung – Messungen ökologischer Faktoren, z. B. biologische Wasseranalyse, Zeigerwerte nach Ellenberg; Untersuchungen zum Boden (Berlese-Apparat) – Einsatz von Analysekoffern und des Computers zur Erfassung, Beschaffung und Darstellung von Daten/Messwerten – Einsatz von Modellen und Computersimulationen zu Populationsentwicklungen – Teilnahme an Citizen-Science-Initiativen von Naturschutzverbänden o. ä. (Stunde der Gartenvögel, GEO-Tag der Artenvielfalt) - Biomonitoring 57 Lehrplan Biologie Tiere an extremen Standorten • Strategien zur Angepasstheit an limitierende Faktoren • Angepasstheit der Arten – morphologisch, anatomisch, physiologisch • Bedeutung verschiedener Fortpflanzungsstrategien Hinweise und Anregungen – z. B. Regenwald, Wattenmeer, Hitze-/Kältewüste Pflanzen an extremen Standorten • Strategien zur Angepasstheit an limitierende Faktoren • Angepasstheit der Arten – morphologisch, anatomisch, physiologisch • Epiphyten Hinweise und Anregungen – z. B. Regenwald, Hitze-/Kältewüste, Gebirgsflora Landwirtschaft und Ernährung (BNE) • Konkurrenz zwischen Ernährung und Energiegewinnung • agrarische Wirtschaftsformen – industriell vs. biologisch-dynamisch – Monokulturen vs. Mischkulturen • Schädlingsbekämpfung Hinweise und Anregungen – Verarmung der genetischen Variabilität der Kulturpflanzen und der Artenvielfalt in Ökosystemen – z. B. Vertical Farming, Aquaponik Neobiota – Neozoen und Neophyten • Mechanismen der Einwanderung • Bedeutung in Nahrungsnetzen – Veränderung der Biodiversität • Selbstregulation von Ökosystemen Hinweise und Anregungen – z. B. Waschbären, Wollhandkrabbe, Japanischer Knöterich, Wandermuschel, Drüsiges Springkraut, Asiatische Tigermücke 58 Lehrplan Biologie Nachwachsende Rohstoffe (BNE) • Vielfalt und Nutzung • Anbau und Verarbeitung • Inhaltsstoffe • Begrenztheit natürlicher Ressourcen Hinweise und Anregungen – z. B. Faser-, Öl-, Färbe-, Stärkepflanzen – z. B. Biogasanlagen Aquatische oder terrestrische Ökosysteme • Dynamik des Ökosystems • Belastung und Selbstreinigung • Gütebestimmung – Zeigerarten Hinweise und Anregungen – z. B. Fließgewässer, stehende Gewässer, Meer, Moor, Böden – Rekultivierungsmaßnahmen Kommunikation im Tier- und Pflanzenreich • Hemm- und Giftstoffe zur Abwehr von Fressfeinden und Konkurrenten • Allelopathie • optische, akustische und olfaktorische Signale Hinweise und Anregungen – z. B. Tierstaaten, Tabakpflanzen Bionik • historische Entwicklung • Arbeitsweisen und aktuelle Forschung • ökonomische und ökologische Bedeutung • Chancen und Gefahren Hinweise und Anregungen – z. B. Klettverschluss, Lotuseffekt, Haihautoberflächen, Architektur, Biochips – z. B. künstliche Intelligenz 59 Lehrplan Biologie Mikrobiom • Ökosystem Mensch • Mikroorganismen – Bakterien, Pilze • Bedeutung der Ballaststoffe Hinweise und Anregungen – Antibiotika, Ernährung und Darm-Mikrobiom Waldschäden • Historie • Ursachen und Schadensbilder • wirtschaftliche Verflechtungen • Gegenmaßnahmen Hinweise und Anregungen – aktueller Waldzustandsbericht Tierhaltung • artgerechte Haltung, Hospitalismus • Medikamenteneinsatz in der Tierhaltung • Entwicklung und Bedeutung von zoologischen Gärten/Tierparks Hinweise und Anregungen – Schulung der Bewertungskompetenz – Zoos als „Genreserve”, Auswilderung Stadtökologie • Bauen und Wohnen • Boden – Wasser – Klima • Tiere und Pflanzen in der Stadt • Stadtentwicklung Hinweise und Anregungen – Kartierungen – z. B. evolutive Anpassung von Tieren und Pflanzen
Leitthema 5: Informationsverarbeitung in Lebewesen
61 Lehrplan Biologie 4.5 Informationsverarbeitung in Lebewesen Eine der komplexesten biologischen Strukturen, das menschlichen Gehirn, verleiht dem Menschen die Fähigkeit, sowohl den Makrokosmos als auch den Mikrokosmos wahrzunehmen. Ein Vergleich der Außenwelterfassung verschiedener Lebewesen führt zur Erkenntnis der evolutiv entstandenen überlebensadäquaten Wahrnehmung. Diese und die Reaktionen auf Veränderungen in der Umwelt sind wesentliche Kennzeichen lebender Systeme. Dabei erfolgt die Rezeption von Reizen durch spezialisierte Sinneszellen. Die Erregungsleitung über das Neuron als grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems ist auf molekularer und zellulärer Ebene von Struktur-Funktions-Zusammenhängen abhängig. Die Informationsverarbeitung in und zwischen den Nervenzellen ermöglicht eine schnelle Auswertung von Signalen aus den Sinnesorganen. Für ein Verständnis der Steuerung physiologischer Prozesse sind Kenntnisse von Aufbau und Funktion bestimmter neuronaler Schaltkreise genauso erforderlich wie grundlegendes Wissen über das Hormonsystem und die Motorik. Anatomische und physiologische Untersuchungen des Gehirns mithilfe moderner bildgebender Verfahren führen zudem zu neuen Erkenntnissen über Wahrnehmungs- und Lernvorgänge und sind somit für das Individuum bedeutsam. Relevanz für die menschliche Gesellschaft besitzt die Thematik darüber hinaus durch die Betrachtung neurodegenerativer Erkrankungen und deren möglicher Behandlung in einer immer älter werdenden Gesellschaft. Die größte Herausforderung der kognitiven Neurowissenschaft besteht darin, die Mechanismen zu verstehen, welche für die geistige Aktivität des Menschen verantwortlich sind, wie z. B. die Sprache oder das Bewusstsein. Das Verständnis der neuronalen Plastizität in Abhängigkeit von sensorischer Erfahrung ermöglicht z. B. Rückschlüsse auf das eigene Lernverhalten. Höhere Leistungen neuronaler Netzwerke, wie z. B. Erinnerung, Sprache und Verhalten, lassen die Neurobiologie zu einer Brücke zwischen Geistes- und Naturwissenschaft werden. 62 Lehrplan Biologie Leitthema 5 Informationsverarbeitung in Lebewesen Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Evolution der Informationsverarbeitung Schmerz Chronobiologie Kommunikation und Sprache Verhalten Stress Sucht Signalverarbeitung und Bewegung bei Pflanzen und Einzellern Neuroethik und -philosophie Geschichte der Verhaltensforschung Emotionen und Motivation Erkrankungen des Nervensystems Spezielle Sinnesleistungen bei Tieren Psychoneuroimmunologie Eigenes Thema Leistungen des Gehirns Wahrnehmung, Bewegung, Lernen Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine 63 Lehrplan Biologie Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Struktur und Funktion von Nervensystemen • ZNS, peripheres und autonomes Nervensystem • Bau und Funktion von Neuronen und Gliazellen Signalübertragung innerhalb von Neuronen • Ruhepotenzial, Aktionspotenzial • kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung Signalübertragung zwischen Neuronen • erregende chemische und neuromuskuläre Synapse • Stoffeinwirkung an Synapsen und Neuronen • Verrechnung – Funktion einer hemmenden und erregenden Synapse, räumliche und zeitliche Summation Hormonsystem • Hormonwirkung • Verschränkung hormoneller und neuronaler Steuerung • Second-Messenger-Übertragungsweg Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Kompartimentierung, Schlüssel-Schloss-Prinzip – Steuerung und Regelung: negative und positive Rückkopplung, Homöostase, Boten-Prinzip Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Hormone als Transkriptionsfaktoren Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Grundlagen der Molekulargenetik – Leitthema 2, Wahlpflichtbaustein: Geschlechtsdetermination 64 Lehrplan Biologie Leistungen des Gehirns – Wahrnehmung, Bewegung, Lernen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Sensorische Systeme • Bau und Funktionsweise eines Sinnesorgans • Rezeptorpotenzial • Signaltransduktion • primäre und sekundäre Sinneszelle • phasische, tonische und phasisch-tonische Sinneszellen Motorische Systeme • Bau und Funktion der Skelettmuskulatur • Reflexe Neuronale Plastizität • Bau und Funktion des Gehirns • Lernen – Gedächtnissysteme – Gedächtniskonsolidierung • zelluläre Prozesse des Lernens und Vergessens Störungen des neuronalen Systems • neurodegenerative Erkrankungen Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Schlüssel-Schloss-Prinzip – Steuerung und Regelung: Kaskaden-Prinzip, Prinzip der Plastizität – Information und Kommunikation: Codierung und Decodierung von Informationen, Signaltransduktion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – deklaratives und nichtdeklaratives Gedächtnis – Alzheimer-Demenz, Parkinson, Störung der Erregungsleitung bei Multipler Sklerose Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse – Leitthema 1, Wahlpflichtbaustein: Sportphysiologie 65 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation • Potenzialmessungen • Modellierung der Erregungsweiterleitung oder der synaptischen Verrechnung Leistungen des Gehirns – Wahrnehmung, Bewegung, Lernen • Untersuchung von Reflexen • Lernstrategien • neurophysiologische Verfahren • Versuche zu Sinnesleistungen Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Präparationen, z. B. Muskel, Auge, Nervenzellen – bildgebende Verfahren, z. B. Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT), Elektroenzephalogramm (EEG) – Kontrastverstärkung – Modellierung mit Tabellenkalkulation 66 Lehrplan Biologie Evolution der Informationsverarbeitung • Evolution von Nervensystemen • Entwicklungsstufen eines Sinnesorgans • Evolution von Verhaltensprogrammen Hinweise und Anregungen – Cephalisation, z. B. Nervennetz, Ganglien, Strickleiternervensystem, Zentralnervensystem Stress • Stressoren • Arten von Stress – Eu- und Distress • Ablauf einer Stressreaktion • Strategien der Stressbewältigung Hinweise und Anregungen – Zusammenspiel von Hormon- und Nervensystem – stammesgeschichtliche Bedeutung der Stressreaktion Emotionen und Motivation • Emotionen, Gefühle, Stimmungen – Bedeutung – neuronale Ursachen – physiologische Wirkungen • Ursachen und Wirkung von Motivation Hinweise und Anregungen – z. B. Lernen und Emotionen, Angst, Aggression – autonomes Nervensystem Schmerz • Funktion von Schmerz • Nozizeption – schmerzauslösende sensorische Prozesse • Schmerzbahnen – Schmerzempfindungen • Schmerzhemmung durch endogene und exogene Stoffe Hinweise und Anregungen – z. B. Endorphine, Hemmstoffe der Prostaglandinsynthese, Capsaicin, Tetrodotoxin, Opioide – Phantomschmerz 67 Lehrplan Biologie Sucht • Ursachen von Suchtverhalten • stoffgebundene und stoffungebundene Sucht • psychische und physische Abhängigkeit – Aktivierung des Belohnungssystem Hinweise und Anregungen – z. B. Opioide und Opiatrezeptoren, Modell zur Morphinwirkung – z. B. Alkohol, Spielsucht, Internetsucht, Kaufsucht – Diskussion der Alkoholwerbung oder der Legalisierung von Cannabis Erkrankungen des Nervensystems • Autoimmunerkrankungen • psychische Erkrankungen • Herz-Kreislauf-Erkrankungen • Entwicklungsstörungen Hinweise und Anregungen – z. B. Mysthenia gravis, Schizophrenie, Schlaganfall, Autismus, Epilepsie, Migräne Chronobiologie • Bedeutung endogener Rhythmen für die Erhaltung lebender Systeme • endogene Steuerung biologischer Rhythmen • Beeinflussung endogener Rhythmen durch exogene Rhythmen Hinweise und Anregungen – z. B. circadiane, circannuale, ultradiane und circalunare Rhythmen – z. B. suprachiasmatischer Nukleus, Uhrengene – z. B. Schlaf, Winterschlaf, Vogelzug, Langtag-, Kurztagpflanzen, Blütenbildung Signalverarbeitung und Bewegung bei Pflanzen und Einzellern • physiologische Grundlagen • pflanzliche Bewegung – Taxien, Tropismen, Nastien • Bewegung bei Einzellern Hinweise und Anregungen – z. B. Turgorbewegungen, Reiz-Reaktions-Schema – z. B. Venusfliegenfalle, Mimosen, Ranken – Experimente z. B. zu Geo- und Fototropismus, Fototaxis, Chemotaxis, Seismonastie 68 Lehrplan Biologie Spezielle Sinnesleistungen bei Tieren • Reizmodalitäten • Bau und Funktion – reizleitender Apparat – Sinneszellen • Angepasstheiten an abiotische und biotische Faktoren Hinweise und Anregungen – z. B. Seitenlinienorgan, elektrische Fische, Grubenorgan, Echolokation, Infrarotsensor Kommunikation und Sprache • visuelle und chemische Kommunikation bei Lebewesen • Neurobiologie der Sprache – Sprachregionen und Sprachverarbeitung im Gehirn – Spracherwerb Hinweise und Anregungen – z. B. staatenbildende Insekten, Pheromone – Lateralisierung, Split-Brain-Patienten, Aphasie – bildgebende Verfahren, z. B. funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Neuroethik und -philosophie • Hirnforschung und Willensfreiheit • Schnittstellen zwischen Gehirn und Technik • Künstliche Intelligenz • Chancen und Risiken der Hirnforschung Hinweise und Anregungen – z. B. Hirndoping, Prothesen, Cochleaimplantat Psychoneuroimmunologie • Wechselwirkung zwischen Nerven-, Immun- und Hormonsystem • Placebo-Effekt • Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse Hinweise und Anregungen – z. B. Selbstwirksamkeit, Resilienz 69 Lehrplan Biologie Verhalten • Grundlagen der Verhaltensforschung • modifiziertes Verhalten durch Erfahrung • Verhalten und Ressourcensicherung Hinweise und Anregungen – Lernen, Gewöhnung, Intelligenz Geschichte der Verhaltensforschung • Behaviorismus • klassische Ethologie • Humanethologie • Verhaltensökologie/Soziobiologie Hinweise und Anregungen – z. B. Skinner, Pawlow, Eibel-Eibesfeld, Wilson, Lorenz, Tinbergen, von Holst – Bedeutung historischer Modelle Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
Leitthema 5: Informationsverarbeitung in Lebewesen
61 Lehrplan Biologie 4.5 Informationsverarbeitung in Lebewesen Eine der komplexesten biologischen Strukturen, das menschlichen Gehirn, verleiht dem Menschen die Fähigkeit, sowohl den Makrokosmos als auch den Mikrokosmos wahrzunehmen. Ein Vergleich der Außenwelterfassung verschiedener Lebewesen führt zur Erkenntnis der evolutiv entstandenen überlebensadäquaten Wahrnehmung. Diese und die Reaktionen auf Veränderungen in der Umwelt sind wesentliche Kennzeichen lebender Systeme. Dabei erfolgt die Rezeption von Reizen durch spezialisierte Sinneszellen. Die Erregungsleitung über das Neuron als grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems ist auf molekularer und zellulärer Ebene von Struktur-Funktions-Zusammenhängen abhängig. Die Informationsverarbeitung in und zwischen den Nervenzellen ermöglicht eine schnelle Auswertung von Signalen aus den Sinnesorganen. Für ein Verständnis der Steuerung physiologischer Prozesse sind Kenntnisse von Aufbau und Funktion bestimmter neuronaler Schaltkreise genauso erforderlich wie grundlegendes Wissen über das Hormonsystem und die Motorik. Anatomische und physiologische Untersuchungen des Gehirns mithilfe moderner bildgebender Verfahren führen zudem zu neuen Erkenntnissen über Wahrnehmungs- und Lernvorgänge und sind somit für das Individuum bedeutsam. Relevanz für die menschliche Gesellschaft besitzt die Thematik darüber hinaus durch die Betrachtung neurodegenerativer Erkrankungen und deren möglicher Behandlung in einer immer älter werdenden Gesellschaft. Die größte Herausforderung der kognitiven Neurowissenschaft besteht darin, die Mechanismen zu verstehen, welche für die geistige Aktivität des Menschen verantwortlich sind, wie z. B. die Sprache oder das Bewusstsein. Das Verständnis der neuronalen Plastizität in Abhängigkeit von sensorischer Erfahrung ermöglicht z. B. Rückschlüsse auf das eigene Lernverhalten. Höhere Leistungen neuronaler Netzwerke, wie z. B. Erinnerung, Sprache und Verhalten, lassen die Neurobiologie zu einer Brücke zwischen Geistes- und Naturwissenschaft werden. 62 Lehrplan Biologie Leitthema 5 Informationsverarbeitung in Lebewesen Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Evolution der Informationsverarbeitung Schmerz Chronobiologie Kommunikation und Sprache Verhalten Stress Sucht Signalverarbeitung und Bewegung bei Pflanzen und Einzellern Neuroethik und -philosophie Geschichte der Verhaltensforschung Emotionen und Motivation Erkrankungen des Nervensystems Spezielle Sinnesleistungen bei Tieren Psychoneuroimmunologie Eigenes Thema Leistungen des Gehirns Wahrnehmung, Bewegung, Lernen Pflichtbausteine Wahlpflichtbausteine 63 Lehrplan Biologie Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Struktur und Funktion von Nervensystemen • ZNS, peripheres und autonomes Nervensystem • Bau und Funktion von Neuronen und Gliazellen Signalübertragung innerhalb von Neuronen • Ruhepotenzial, Aktionspotenzial • kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung Signalübertragung zwischen Neuronen • erregende chemische und neuromuskuläre Synapse • Stoffeinwirkung an Synapsen und Neuronen • Verrechnung – Funktion einer hemmenden und erregenden Synapse, räumliche und zeitliche Summation Hormonsystem • Hormonwirkung • Verschränkung hormoneller und neuronaler Steuerung • Second-Messenger-Übertragungsweg Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Kompartimentierung, Schlüssel-Schloss-Prinzip – Steuerung und Regelung: negative und positive Rückkopplung, Homöostase, Boten-Prinzip Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Hormone als Transkriptionsfaktoren Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 2, Pflichtbaustein: Grundlagen der Molekulargenetik – Leitthema 2, Wahlpflichtbaustein: Geschlechtsdetermination 64 Lehrplan Biologie Leistungen des Gehirns – Wahrnehmung, Bewegung, Lernen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Sensorische Systeme • Bau und Funktionsweise eines Sinnesorgans • Rezeptorpotenzial • Signaltransduktion • primäre und sekundäre Sinneszelle • phasische, tonische und phasisch-tonische Sinneszellen Motorische Systeme • Bau und Funktion der Skelettmuskulatur • Reflexe Neuronale Plastizität • Bau und Funktion des Gehirns • Lernen – Gedächtnissysteme – Gedächtniskonsolidierung • zelluläre Prozesse des Lernens und Vergessens Störungen des neuronalen Systems • neurodegenerative Erkrankungen Basiskonzepte und deren Prinzipien – Struktur und Funktion: Schlüssel-Schloss-Prinzip – Steuerung und Regelung: Kaskaden-Prinzip, Prinzip der Plastizität – Information und Kommunikation: Codierung und Decodierung von Informationen, Signaltransduktion Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – deklaratives und nichtdeklaratives Gedächtnis – Alzheimer-Demenz, Parkinson, Störung der Erregungsleitung bei Multipler Sklerose Mögliche Vertiefungen und Vernetzungen – Leitthema 1, Pflichtbaustein: Zellatmung und Gärung – abbauende Stoffwechselprozesse – Leitthema 1, Wahlpflichtbaustein: Sportphysiologie 65 Lehrplan Biologie Fachliche Verfahren und biologische Denk- und Arbeitsweisen Grund- und Leistungsfach Leistungsfach Anatomie und Physiologie neuronaler und hormoneller Kommunikation • Potenzialmessungen • Modellierung der Erregungsweiterleitung oder der synaptischen Verrechnung Leistungen des Gehirns – Wahrnehmung, Bewegung, Lernen • Untersuchung von Reflexen • Lernstrategien • neurophysiologische Verfahren • Versuche zu Sinnesleistungen Hinweise, Anregungen und mögliche thematische Anknüpfungen – Präparationen, z. B. Muskel, Auge, Nervenzellen – bildgebende Verfahren, z. B. Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT), Elektroenzephalogramm (EEG) – Kontrastverstärkung – Modellierung mit Tabellenkalkulation 66 Lehrplan Biologie Evolution der Informationsverarbeitung • Evolution von Nervensystemen • Entwicklungsstufen eines Sinnesorgans • Evolution von Verhaltensprogrammen Hinweise und Anregungen – Cephalisation, z. B. Nervennetz, Ganglien, Strickleiternervensystem, Zentralnervensystem Stress • Stressoren • Arten von Stress – Eu- und Distress • Ablauf einer Stressreaktion • Strategien der Stressbewältigung Hinweise und Anregungen – Zusammenspiel von Hormon- und Nervensystem – stammesgeschichtliche Bedeutung der Stressreaktion Emotionen und Motivation • Emotionen, Gefühle, Stimmungen – Bedeutung – neuronale Ursachen – physiologische Wirkungen • Ursachen und Wirkung von Motivation Hinweise und Anregungen – z. B. Lernen und Emotionen, Angst, Aggression – autonomes Nervensystem Schmerz • Funktion von Schmerz • Nozizeption – schmerzauslösende sensorische Prozesse • Schmerzbahnen – Schmerzempfindungen • Schmerzhemmung durch endogene und exogene Stoffe Hinweise und Anregungen – z. B. Endorphine, Hemmstoffe der Prostaglandinsynthese, Capsaicin, Tetrodotoxin, Opioide – Phantomschmerz 67 Lehrplan Biologie Sucht • Ursachen von Suchtverhalten • stoffgebundene und stoffungebundene Sucht • psychische und physische Abhängigkeit – Aktivierung des Belohnungssystem Hinweise und Anregungen – z. B. Opioide und Opiatrezeptoren, Modell zur Morphinwirkung – z. B. Alkohol, Spielsucht, Internetsucht, Kaufsucht – Diskussion der Alkoholwerbung oder der Legalisierung von Cannabis Erkrankungen des Nervensystems • Autoimmunerkrankungen • psychische Erkrankungen • Herz-Kreislauf-Erkrankungen • Entwicklungsstörungen Hinweise und Anregungen – z. B. Mysthenia gravis, Schizophrenie, Schlaganfall, Autismus, Epilepsie, Migräne Chronobiologie • Bedeutung endogener Rhythmen für die Erhaltung lebender Systeme • endogene Steuerung biologischer Rhythmen • Beeinflussung endogener Rhythmen durch exogene Rhythmen Hinweise und Anregungen – z. B. circadiane, circannuale, ultradiane und circalunare Rhythmen – z. B. suprachiasmatischer Nukleus, Uhrengene – z. B. Schlaf, Winterschlaf, Vogelzug, Langtag-, Kurztagpflanzen, Blütenbildung Signalverarbeitung und Bewegung bei Pflanzen und Einzellern • physiologische Grundlagen • pflanzliche Bewegung – Taxien, Tropismen, Nastien • Bewegung bei Einzellern Hinweise und Anregungen – z. B. Turgorbewegungen, Reiz-Reaktions-Schema – z. B. Venusfliegenfalle, Mimosen, Ranken – Experimente z. B. zu Geo- und Fototropismus, Fototaxis, Chemotaxis, Seismonastie 68 Lehrplan Biologie Spezielle Sinnesleistungen bei Tieren • Reizmodalitäten • Bau und Funktion – reizleitender Apparat – Sinneszellen • Angepasstheiten an abiotische und biotische Faktoren Hinweise und Anregungen – z. B. Seitenlinienorgan, elektrische Fische, Grubenorgan, Echolokation, Infrarotsensor Kommunikation und Sprache • visuelle und chemische Kommunikation bei Lebewesen • Neurobiologie der Sprache – Sprachregionen und Sprachverarbeitung im Gehirn – Spracherwerb Hinweise und Anregungen – z. B. staatenbildende Insekten, Pheromone – Lateralisierung, Split-Brain-Patienten, Aphasie – bildgebende Verfahren, z. B. funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Neuroethik und -philosophie • Hirnforschung und Willensfreiheit • Schnittstellen zwischen Gehirn und Technik • Künstliche Intelligenz • Chancen und Risiken der Hirnforschung Hinweise und Anregungen – z. B. Hirndoping, Prothesen, Cochleaimplantat Psychoneuroimmunologie • Wechselwirkung zwischen Nerven-, Immun- und Hormonsystem • Placebo-Effekt • Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse Hinweise und Anregungen – z. B. Selbstwirksamkeit, Resilienz 69 Lehrplan Biologie Verhalten • Grundlagen der Verhaltensforschung • modifiziertes Verhalten durch Erfahrung • Verhalten und Ressourcensicherung Hinweise und Anregungen – Lernen, Gewöhnung, Intelligenz Geschichte der Verhaltensforschung • Behaviorismus • klassische Ethologie • Humanethologie • Verhaltensökologie/Soziobiologie Hinweise und Anregungen – z. B. Skinner, Pawlow, Eibel-Eibesfeld, Wilson, Lorenz, Tinbergen, von Holst – Bedeutung historischer Modelle Wahlpflichtbaustein eigenes Thema
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