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Zelle, Zellteilung, Zelldifferenzierung
Modulbeschreibung
Schulart:
Fach:
Zielgruppe:
Autor:
Zeitumfang:
Gymnasium
Biologie (Gym)
10 (Gym)
Joachim Drosdzol
Acht Stunden
Die Schülerinnen und Schüler nähern sich dem Themenbereich der Mitose durch die
Praxis an: Sie erlernen anhand von Arbeitsaufträgen, Versuchsreihen und ausführlichem
Bildmaterial die praktische Arbeit mit dem Mikroskop und die entsprechende
Materialauswertung. Die Unterrichtseinheit ist in folgende vier Themenbereiche
untergliedert: Bau und Funktionen des Lichtmikroskops, Bau von Pflanzenzellen, Ablauf
der Zellteilung und Bau von Tierzellen.
Vorauszusetzende Kompetenzen fachlich:
Grundlegende biologische Prinzipien aus Klasse 7/8; den Aufbau einer typischen
tierischen oder pflanzlichen Zelle beschreiben und lichtmikroskopische Bilder
interpretieren können.
Vorauszusetzende Kompetenzen methodisch:
Beschreiben von Abbildungen, Arbeiten mit Modellen; Experimente durchführen und
protokollieren; Arbeiten mit dem Mikroskop; Informationen beschaffen und verarbeiten.
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Zelle, Zellteilung, Zelldifferenzierung
Unterrichtsverlauf
Vorbemerkung:
Die Unterrichtseinheit ist in vier Abschnitte untergliedert:
1. Bau und Funktionen des Lichtmikroskops
2. Bau von Pflanzenzellen
3. Der Ablauf der Zellteilung
4. Bau von Tierzellen
Es wird davon ausgegangen, dass die Schülerinnen und Schüler in einer früheren
Klassenstufe bereits mikroskopiert haben. Ich möchte hier beispielsweise Bezug nehmen
auf das Unterrichtsmodul „Zellen – Grundbausteine des Lebens“. Im Rahmen des
Unterrichtsmoduls „Zelle, Zellteilung und Zelldifferenzierung“ ist folglich keine
ausführliche Einführung in das Mikroskopieren mehr beabsichtigt, dafür soll im ersten
Abschnitt des Moduls genauer auf den Bau des Lichtmikroskops eingegangen werden.
Im Verlauf der Unterrichtseinheit werden exemplarisch verschiedene Zellpräparate
mikroskopiert. Vor allem der Themenbereich Mitose verlangt den Schülerinnen und
Schülern ein hohes Abstraktionsvermögen ab, sodass es sinnvoll erscheint, sich der
Thematik durch die Praxis, d.h. durch das Mikroskopieren, anzunähern.
1. und 2. Stunde - Bau und Funktion des
Lichtmikroskops
Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges:
Eingangs wird zunächst die Frage gestellt, ob Zellen von Pflanzen oder Tieren schon mit
dem bloßen Auge zu sehen sind. Damit die Schülerinnen und Schüler sich überhaupt
eine Vorstellung davon machen können, wie klein Objekte sein dürfen, damit das
menschliche Auge sie noch beobachten kann, wird zum Vergleich auf die Sichtbarkeit
menschlicher Haare eingegangen. Obwohl menschliche Haare nur etwa 0,07 mm (70
µm) dick sind, sind sie für unser Auge noch gut erkennbar. Allerdings kann mit dem
bloßen Auge nicht wahrgenommen werden, dass Haare eine Feinstruktur besitzen. Diese
wird erst durch die mikroskopische Vergrößerung sichtbar, was mit demBild „Abbildung
von Haaren“ belegt werden kann. Siehe hierzu auch die Sachinformation
„Auflösungsvermögen des menschlichen Auges“. Zur Veranschaulichung des
eingeführten Begriffs dient ein Schülerversuch, für den zuvor Lupen ausgegeben
wurden (siehe Experiment „Auflösungsvermögen des menschlichen Auges“). Damit
lässt sich auch die Eingangsfrage nach der Sichtbarkeit von Zellen mit dem bloßen Auge
beantworten. Es erreichen nämlich viele Zellen, wie z.B. die relativ großen Zellen der
Wasserpest von ihrer Größe eigentlich den „Sichtbarkeitsbereich“ (siehe
Sachinformation „Auflösungsvermögen des menschlichen Auges“). Die Ergebnisse
dieser Betrachtungen werden nun als Tafelanschrieb festgehalten.
Bau und Bedienung eines Lichtmikroskops:
Den Schülerinnen und Schülern wird ein Lichtmikroskop gezeigt. Bau und Bedienung
werden auch mit Hilfe des Bildes „Mikroskop Modell a“ näher erläutert. Anschließend
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Zelle, Zellteilung, Zelldifferenzierung
beschriften die Schülerinnen und Schüler das dazugehörige Arbeitsblatt „Mikroskop“ .
Funktionsweise eines Lichtmikroskops:
Zur Demonstration der Funktionsweise eines Lichtmikroskops kann ein Modell verwendet
werden, wie es das Bild „Mikroskop Modell b“ zeigt. Es wurde mit der üblichen
Ausstattung einer Physiksammlung aufgebaut und kann so nachgebaut und zu
Demonstrationszwecken vorgeführt werden. Weitere Informationen zur Funktionsweise
eines solchen Mikroskops entnehmen Sie der Sachinformation „Zelle Bildinformationen“. Die Funktionsweise des Mikroskops kann auch mithilfe einer
Darstellung des Strahlengangs entsprechend der Abbildung „Strahlengang im
Mikroskop“ erklärt werden. Anschließend können die Schülerinnen und Schüler das
dazugehörige Arbeitsblatt „Strahlengang im Mikroskop“ vervollständigen. Die
Besprechung des Strahlengangs macht allerdings nur dann Sinn, wenn die Schülerinnen
und Schüler im Fach Physik bereits Strahlengänge an optischen Linsen durchgenommen
haben. Zum Schluss sollte noch erwähnt werden, dass im richtigen Mikroskop sowohl
das Objektiv als auch das Okular nicht aus einer, sondern aus mehreren Linsen
bestehen. Damit gelingt eine deutliche Verbesserung der Abbildungsqualität.
Vergrößerung und Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen:
Wie in Bild „Mikroskop Modell b“ dargestellt, wird in einem Lichtmikroskop das
betrachtete Objekt in zwei Stufen vergrößert. Die Vergrößerung durch das Mikroskop ist
folglich das Produkt aus Objektiv- und Okularvergrößerung. Weitere Erläuterungen zu der
Abbildung finden Sie in dem Dokument „Zelle -Bildinformationen“ . Die Vergrößerung
durch das Mikroskop kann auch mithilfe des Bildes „Sehwinkel“ erklärt werden (siehe
auch die Sachinformation „Zelle - Bildinformationen“ ). Darauf folgend wird nun mit
den Schülerinnen und Schülern die Frage diskutiert, bis zu welcher Vergrößerung man
mit einem Mikroskop vergrößern kann. Könnte man z.B. ein Objektiv mit 40-facher
Vergrößerung mit einem Okular kombinieren, das ebenfalls 40-fach vergrößert und damit
eine Gesamtvergrößerung von 1600-fach erreichen?
Die vorgeschlagene Kombination ist zwar theoretisch machbar, aber nicht unbedingt
sinnvoll. Stärkere Vergrößerungen bringen nämlich nicht immer neue Objektdetails zum
Vorschein, in manchen Fällen wird die Abbildungsqualität sogar schlechter. Das Bild
„Objektivvergrößerungen“zeigt dazu ein Beispiel (siehe Sachinformation „Zelle Bildinformationen“). Genaue Erläuterungen zur Funktionsweise des Lichtmikroskops
finden Sie in der Sachinformation „Bau und Funktion des Lichtmikroskops“ .
Vorschlag zum Tafelanschrieb: Auflösungsvermögen und Vergrößerung beim
Lichtmikroskop
Auflösungsvermögen: 0,2 µm unter optimalen Bedingungen
Vergrößerung: sinnvoll bis etwa 1 000-fach
Faktoren, die die Auflösung begrenzen: Bauweise der optischen Teile, Ausleuchtung,
Objektbeschaffenheit, Wellennatur des Lichts
3. und 4. Stunde - Bau von Pflanzenzellen
Stoffwiederholung:
Zunächst wird der Unterrichtsstoff der vorangegangenen Stunden zum Bau des
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Lichtmikroskops wiederholt. Bevor nun mit Mikroskopen praktisch gearbeitet wird, werden
die Schülerinnen und Schüler darauf hingewiesen, die teuren optischen Instrumente
sorgfältig zu behandeln.
Mikroskopieren von Pflanzenzellen:
Als erstes Pflanzenzellmaterial wird das feine Häutchen der Küchenzwiebel
mikroskopiert. Dazu entnehmen die Schülerinnen und Schüler detaillierte
Arbeitsanweisungen dem Dokument „Mikroskopische Betrachtung von
Pflanzenzellen“. Die Lehrperson kann die Anleitungen mithilfe der vorangestellten
Abbildungen erläutern. Für die Bestimmung der Größe der zu beobachtenden Einzelzellen
wird für jede Schülerin und jeden Schüler jeweils eine auf Klarsichtfolie ausgedruckte
Millimeterskala der Kopiervorlage aus dem Dokument „Mikroskopische Betrachtung
von Pflanzenzellen“ ausgeteilt. Diesen Folienabschnitt legen die Schülerinnen und
Schüler direkt auf einen Objektträger, geben einen Tropfen Wasser hinzu und tragen das
Präparat auf der Folie auf. Sie decken dann alles wie üblich mit einem Deckgläschen ab
und färben das Zellmaterial, wie auf dem Arbeitsblatt beschrieben, mit Methylenblau an.
Mit dem so hergestellten Präparat können die Schülerinnen und Schüler die Zellgrößen
durch den Vergleich mit der Millimeterskala des darunter gelegten Folienstücks
berechnen. Ferner sollen sie eine Heftzeichnung mit allen beobachtbaren Strukturen der
Zwiebelzellen erstellen.
Anschließend werden im Klassengespräch die gemessenen Zellgrößen verglichen. Dazu
kann auch das Bild „Größe der Zellen des Zwiebelhäutchens“herangezogen werden.
Das Ergebnis wird im Tafelanschrieb festgehalten. Anhand der vorher erstellten
Heftzeichnungen zum Bau der Zwiebelhautzelle kann nun herausgearbeitet werden,
welche Strukturen typisch sind für die Zellen des Zwiebelhäutchens. Ergänzend kann
auch das Bild „Zellen des Zwiebelhäutchens“ herangezogen werden. Das Bild
„Zellmembran“ veranschaulicht, dass eine Pflanzenzelle auch eine Zellmembran
besitzt. Außerdem wird von der Lehrperson noch erwähnt, dass in Pflanzenzellen sog.
Mitochondrien vorhanden sind, die allerdings lichtmikroskopisch schwer zu erfassen sind.
Zur Ergebnissicherung dient erneut ein Tafelanschrieb.
Als weiteres Pflanzenzellmaterial werden nun Zellen von der Wasserpest oder von
Moosblättchen mikroskopiert. Auch hier erstellen die Schülerinnen und Schüler eine
Heftskizze mit ihren Beobachtungen. Diese Zellen besitzen im Gegensatz zu den Zellen
der Zwiebelhaut Chloroplasten, was typisch ist für Zellen von grünen Pflanzenteilen. Die
Resultate werden nun schriftlich festgehalten.
Allgemeiner Bau einer Pflanzenzelle:
Das beim Mikroskopieren gewonnene Wissen über Pflanzenzellen soll nun in
Gruppenarbeit ausgewertet werden, sodass ein allgemeines Schema einer Pflanzenzelle
erstellt werden kann. Zur Lernzielkontrolle des erarbeiteten Schemas vergleichen die
Gruppen ihr Ergebnis mit der Abbildung „Schema einer Pflanzenzelle“ . Die
Schülerinnen und Schüler übernehmen die vorgegebene Beschriftung des Bildes auf
das Arbeitsblatt „Schema einer Pflanzenzelle“ . Anschließend werden die Funktionen
der aufgezeigten Strukturen erläutert und im Tafelanschrieb festgehalten. Besonders
erwähnt wird hierbei das Chromatin, eine Substanz im Inneren des Zellkerns, die ihren
Namen aufgrund ihrer Anfärbbarkeit (chroma = gr. Farbe) hat.
Pflanzliche Gewebe:
Die Zellen des Zwiebelhäutchens und die Zellen der Wasserpest bzw. des
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Moosblättchens entsprechen zwar dem Grundschema einer Pflanzenzelle, zeigen aber
auch Abweichungen, um spezielle Aufgaben erfüllen zu können. Allgemein findet man
bei Pflanzen eine beträchtliche Zahl unterschiedlich differenzierter Zelltypen. Die Bilder
„Querschnitt durch ein Fliederblatt (a)“ und „Querschnitt durch ein Fliederblatt (b)“
zeigen die unterschiedlich spezialisierten Zelltypen in einem Laubblatt. Zu erkennen ist,
dass jeweils gleich differenzierte Zellen in Schichten angeordnet sind. Erläuterungen
hierzu entnehmen Sie der Sachinformation „Aufbau von Pflanzenzellen“ . Abschließend
wird in einem Tafelanschrieb die Definition des Begriffes „Gewebe“ festgehalten und mit
einigen Beispielen erläutert.
5. und 6. Stunde - Der Ablauf der Zellteilung
Die Sachinformation „Zelle - Bildinformationen“ enthält einführende Informationen zu
dem Bild „Wachstum von Zwiebelwurzeln“ , das in der Klasse präsentiert wird.
Zweckmäßig ist es, an dieser Stelle mit Fertigpräparaten zu arbeiten, da die eigene
Herstellung von Präparaten aufwendig ist und eher im Rahmen eines gesonderten
Praktikums durchgeführt werden sollte.
Zellteilungen in den Wurzelspitzen der Küchenzwiebel:
Das Bild „Zellteilungen in der Wurzelspitze der Küchenzwiebel“ zeigt sich teilende
Wurzelzellen der Küchenzwiebel. Deutlich fällt hier der geringe Differenzierungsgrad der
Einzelzellen auf. Gut sichtbar sind die Veränderungen im Bereich des Zellkerns bei den
Zellteilungen. Dies zeigt, dass die Zellteilung vom Zellkern ausgeht. Anschließend wird das
Bild „Zellteilung“ präsentiert. Informationen zu dieser Abbildung entnehmen Sie der
Sachinformation „Zelle - Bildinformationen“ .
Bau der Chromosomen:
Anschließend wird dasBild „Chromosomen“ in der Klasse gezeigt und einige
Hintergrundinformationen hierzu vorgestellt (siehe Sachinformation „Zelle Bildinformationen“). Das Bild „Chromosomenbau“ zeigt dieses Chromosom
nochmals vergrößert und erläutert seinen Aufbau. Zur Ergebnissicherung dient ein
Tafelanschrieb.
Mikroskopieren von Mitosestadien:
In Einzelarbeit sollen die Schülerinnen und Schüler die Mitosephasen mikroskopieren.
Hierzu werden, wie schon oben erwähnt, Fertigpräparate verwendet. Die Schülerinnen
und Schüler fertigen Zeichnungen zu den Mitosephasen an und machen sich zu dazu
Notizen. Anschließend vergleichen sie ihre Ergebnisse in Gruppenarbeit miteinander unter
Zuhilfenahme des unbeschrifteten Arbeitsblattes „Ablauf der Mitose“ . Im
Klassengespräch können nun anhand des Bildes „Ablauf der Mitose“ die
Mitosephasen benannt und erläutert werden. Zur Ergebnissicherung übertragen die
Schülerinnen und Schüler den Folientext auf ihr Arbeitsblatt.
Bedeutung der Mitose und Zellzyklus:
Nun werden die einzelnen Phasen der Mitose im Zusammenhang erklärt. Die
Schülerinnen und Schüler wissen bisher, dass
•
jedes Chromosom zwei gleiche Chromatiden enthält
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Zelle, Zellteilung, Zelldifferenzierung
•
(„Zwei-Chromatid-Chromo-somen“) und
von jedem Chromosom ein Chromatid auf die eine und eines auf die andere
Tochterzelle verteilt wird.
Anhand von Bild „Schema eines Zellzyklus“ werden die Mitosevorgänge
zusammengefasst und erklärt (siehe Sachinformation „Zelle - Bildinformationen“ ).
Zur Ergebnissicherung beschriften die Schülerinnen und Schüler das dazugehörige
Arbeitsblatt „Zellzyklus“ .
Zusammenfassung: Abschließend können die wesentlichen Aspekte dieser Doppelstunde
(siehe Sachinformation „Zellteilung“ ) in Form eines Tafelbildes festgehalten werden.
7. und 8. Stunde - Bau von Tierzellen
Mikroskopieren von Mundschleimhautzellen:
Zum Mikroskopieren von tierischen oder menschlichen Zellen eignen sich besonders
Mundschleimhautzellen, da sie sich im angefärbten Zustand mikroskopisch leicht
erfassen lassen. Die Schülerinnen und Schüler verfahren dabei ähnlich wie beim
Mikroskopieren der Zellen des Zwiebelhäutchens (siehe Bild „Zellen des
Zwiebelhäutchens“ bzw. das dazugehörige Arbeitsblatt „Mikroskopische
Betrachtung von Pflanzenzellen“). Jede Schülerin und jeder Schüler entnimmt sich
mit einem Holzspatel selbst Mundschleimhaut, mikroskopiert diese in Einzelarbeit und
erstellt eine Heftzeichnung mit allen beobachtbaren Strukturen einer
Mundschleimhautzelle. Falls möglich sollen auch miteinander verbundene Zellen
gezeichnet werden. Gegebenenfalls lässt sich hier, wie schon bei den Zwiebelzellen,
zusätzlich eine Messung der Größe von Mundschleimhautzellen durchführen. Zur
Größenbestimmung kann aber auch auf dasBild „Mikroskopische Vergrößerung Vergleich“ zurückgegriffen werden. Die erstellten Präparate sollten im Übrigen nach
Gebrauch aus hygienischen Gründen von der Lehrperson entsorgt werden.
Auswertung: Ausgehend von den von ihnen angefertigten Heftzeichnungen vergleichen
die Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeit ihre Ergebnisse mit der Abbildung
„Zellen der Mundschleimhaut“ . Sie sollen dabei die wesentlichen Strukturen einer
Tierzelle herausarbeiten, benennen und ihre Funktionen erklären, wobei auf die
Kenntnisse von Bau und Funktionen der Pflanzenzelle zurückgegriffen werden kann.
Von der Lehrkraft wird angemerkt, dass auch bei den Tierzellen, ähnlich wie bei den
Pflanzenzellen, die Darstellung der Mitochondrien über die Möglichkeiten vieler
Lichtmikroskope hinausgeht. Schließlich sollen die Schülerinnen und Schüler in
Gruppenarbeit das ausgehändigte Arbeitsblatt „Schema einer Tierzelle“ , das
wesentliche Strukturen der Tierzelle durch eine Schemazeichnung erfasst, beschriften.
Eine Gruppe kann anschließend ihre Ergebnisse anhand der unbeschrifteten Abbildung
aus dem Arbeitsblatt „Schema einer Tierzelle“ am Tagelichtprojektor präsentieren. Zur
Ergebnissicherung kann nun das beschriftete Bild „Schema einer Tierzelle“
herangezogen werden. Die Klasse übernimmt die Beschriftung der Folie. Im
Tafelanschrieb wird festgehalten, dass auch Tiere aus Zellen aufgebaut sind, die sich
allerdings in Größe und Aussehen stark von Pflanzenzellen unterscheiden.
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Zelle, Zellteilung, Zelldifferenzierung
Die Mundschleimhaut ist ein Gewebe:
Die Schülerinnen und Schüler haben zuvor Zeichnungen angefertigt von miteinander
verbundenen Mundschleimhautzellen. In der Betrachtung fällt die große Ähnlichkeit aller
erfassten Zellen auf. Bei einem Verband gleichartig gebauter Zellen mit gleichen
Aufgaben spricht man, wie schon oben bei den Pflanzen definiert wurde, von einem
Gewebe. Zur Erläuterung wird in Bild „Mundschleimhautgewebe“ ein
zusammenhängendes Gewebestück abgebildet. Erkennbar ist, dass die Zellen gleich
differenziert sind. Die Mundschleimhaut stellt also ein Gewebe dar. Zur
Ergebnissicherung wird im Tafelanschrieb festgehalten, dass auch höhere tierische
Organismen, ähnlich wie die Pflanzen, in vielen Körperbereichen Verbände gleichartig
gebauter Zellen mit gleichen Aufgaben aufweisen.
Weitere Beispiele für Gewebe des Menschen: Ein weiteres Beispiel für menschliches
Gewebe zeigen die Bilder „Hautquerschnitt“ und „Schema eines Hautquerschnitts“ .
Entsprechende Erläuterungen zu den Abbildungen finden Sie in der Sachinformation
„Zelle - Bildinformationen“ .
Eine ganz andere Spezialisierung zeigen Nervenzellen, die in dem Bild „Nervengewebe
eines Rindes“ dargestellt sind. Auch im Blut des Menschen lassen sich Zellen mit
gleicher Spezialisierung nachweisen, wie mit dem Bild „Blutzellen des Menschen“
dargestellt wird. Man kann daher von einem Blutgewebe sprechen. Im Tafelanschrieb
wird vermerkt, dass auch tierische Organismen ihren Körper aus Organen bilden, die sich
wiederum aus bestimmten Gewebe- und Zelltypen zusammensetzen (Epithelgewebe,
Blutgewebe, Nervengewebe usw.).
Zusammenfassung: Bei Pflanzen und Tieren liefern Zellteilungen neue Zellen, die
zunächst gleich gebaut sind. Diese können sich aber differenzieren, d.h. zu
unterschiedlichen Zellarten und Geweben weiterentwickeln. Die Zellen passen sich damit
den Aufgaben an, die sie in ihrer Umgebung zu erfüllen haben.
Weiterführendes Film- und Lernmaterial zum Thema finden Sie in dem Dokument
"Medienliste".
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Zelle, Zellteilung, Zelldifferenzierung
Bildungsplanbezug
Gymnasium
Biologie
Zelluläre Organisation der Lebewesen
Die SchülerInnen können:
•
•
•
•
den Ablauf der Mitose beschreiben und ihre Bedeutung erläutern.
mikroskopische Präparate von Mitosestadien herstellen und analysieren.
Präparate verschiedener Zelltypen herstellen und analysieren.
Zelldifferenzierung als Grundlage für die Gewebe- und Organbildung beschreiben.
(Aus: Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 – Gymnasium, Klasse 10: Kompetenzen
und Inhalte für Biologie; Seite 208)
Ausführliche Informationen zum Bildungsplan Baden-Württemberg 2004 gibt es unter
Bildung stärkt Menschen.
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