Meiose - Bundesministerium für Bildung und Frauen
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Medienbegleitheft zur DVD 12310 MITOSE – MEIOSE Medienbegleitheft zur DVD 23 Minuten, Produktionsjahr 2008 Informationen für Lehrer Serie: Modern Biology Series MEIOSE 15 Minuten Verlag: BENCHMARK MEDIA Für die Verwendung in: Biologie Schulstufe: 9. bis 12. Schulstufe (5. bis 8. Klasse Oberstufe) Didaktische Beratung: Dr. 0. Roger Anderson: Professor of Natural Sciences, Columbia University, Teachers College; and Senior Research Scientist, Biological Oceanography, Columbia university. Professor Prof. Anderson ist eine international anerkannte Autorität in Mikrobiologie und Autor von vielen Büchern und Artikeln über Biologie und die Lehre von Biologie. Lernziele Die Studierenden sollen verstehen: 1. Diploide und haploide Zellen 2. Die Interphase (DNA-Replikation) 3. Spermatogenese (Bildung der Spermienzellen ) Meiose I: Prophase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I & Cytokinese I Meiose II: Prophase II, Metaphase II, Anaphase II Telophase II & Cytokinese II 4. Oogenese (Bildung der Eizellen) Meiose I & II Vor dem Zeigen des Films Bei allen Organismen, die sich sexuell fortpflanzen, ist die Meiose jene Art der Kernteilung, in der die Anzahl der Chromosomen in haploide (1n) Gameten, nämlich Spermien und Eizellen, reduziert wird, das ist auf die Hälfte der Zahl in den diploiden Mutterzellen(2n), die beim Menschen (und vielen Tieren) in den Ovarien (= Eierstöcken) als Eimutterzellen (diploide Ureizellen, Oocyten) und in den Hoden als Spermienmutterzellen (diploide Urspermienzellen, Spermatogonien) vorliegen. Der evolutionäre Vorteil der sexuellen Fortpflanzung liegt in den hohen Kombinationsmöglichkeiten vererbter Eigenschaften. Kein Nachkomme ist identisch mit seinen Eltern. Je größer die Vielfalt an vererbten Eigenschaften, desto größer die Überlebens-Chancen für die Art. -1- Damit die Studierenden verstehen, dass Nachkommen zwar ihre Eigenschaften von den Eltern erben, aber niemals in identischer Form, erstellen Sie eine Tabelle, einen Raster, entweder auf der Tafel oder auf dem Overhead-Projektor. Schreiben Sie verschiedene Eigenschaften, wie etwa Größe, Gestalt, Haarfarbe, Haarform (Locken, glatt usw.), Augenfarbe etc. untereinander. Fügen Sie 3 Spalten ein: Vater, Mutter, Kind. Wenn Geschwister vorhanden, fügen Sie weitere Rubriken hinzu (Schwester, Bruder). Lassen Sie nun die Studierenden die Eigenschaften ihrer Eltern beschreiben und dann in die Tabelle eintragen. Dann sollen sie ihre eigenen entsprechenden Eigenschaften und die der Geschwister beschreiben. Wenn dies mit einer genügend großen Anzahl von Studierenden durchgeführt wird, wird klar, dass sie ähnliche Eigenschaften wie ihre Eltern haben; aber in einigen Fällen weichen ihre Eigenschaften deutlich von denen der Eltern ab. Reicht die Zeit nicht für die Erstellung einer derartigen Tabelle, kann das ganze auch in Diskussionsform ausgearbeitet werden. Fragen Sie die Studierenden, wie sie sich erklären, dass sie Eigenschaften haben, die nicht mit denen der Eltern identisch sind. Das bietet eine gute Einstimmung für die Darbietung des Videos, das diese Fragen anspricht. Studierende, die selbst Tiere gezüchtet haben, etwa Fische, könnten gegebenenfalls die Abweichungen im Aussehen der Nachkommen von deren Eltern beobachtet haben. Inhalt des Videos Am Beginn erscheint ein Inhaltsverzeichnis für 4 Kapitel: 1. Diploide und haploide Zellen 2. Interphase (Replikation der DNA) 3. Spermatogenese (Bildung der Spermienzellen) Meiose I Meiose II 4. Oogenese (Bildung der Eizellen) Meiose I Meiose II 1. Diploide und haploide Zellen Abgesehen von Eizellen und Spermienzellen besitzen alle übrigen Körperzellen einen doppelten Chromosomensatz. Solche Zellen nennt man diploid (2n). Sie enthalten beim Menschen 46 Chromosomen. Durchlaufen diese Zellen eine Mitose, gehen aus der Zellteilung wieder diploide Tochterzellen hervor. Eizellen und Spermienzellen werden als Gameten bezeichnet. Sie besitzen einen einfachen Chromosomensatz. Solche Zellen nennt man haploid (1n). Sie enthalten beim Menschen 23 Chromosomen. Sie gehen aus diploiden Mutterzellen im Verlauf der Meiose hervor. -2- Wenn eine Spermienzelle eine Eizelle befruchtet, entsteht eine diploide Zelle (befruchtete Eizelle, Zygote). 2. Die Interphase (Verdoppelung des genetischen Materials) Während der Interphase, vor der Meiose, wechselt die DNA von der lose aufgerollten Form als Chromatin zu der wesentlich dichter spiralisierten Form des Chromosoms. Jedes der 46 Chromosomen, 23 von jedem Elternteil vererbt, verdoppelt sich (Replikation). Solche replizierten Chromosomen nennt man Schwester-Chromatiden. 3. Die Spermatogenese (Bildung der Spermien) Während des gesamten Spermatogeneseverlaufs werden computer-animierte Darstellungen der Zellaktivität mit mikroskopischen Lebend-Aufnahmen derselben MeiosePhasen unterschnitten, wie sie in einer Keimzelle in den Hoden einer männlichen Fliege ablaufen. Die Animation schafft schematisch Klarheit über den Vorgang, die Mikroskopaufnahmen liefern die Realität. Statt Centromer könnte man das Synonym Kinetochor verwenden. Damit ist eine Verwechslung ausgeschlossen! Meiose I Prophase I Die homologen verdoppelten väterlichen und mütterlichen Chromosomen ordnen sich paarweise zu Tetraden, die aus 4 „Strängen“ bestehen. Üblicherweise werden in diesem Stadium Gene für dieselben Eigenschaften zwischen väterlichen und mütterlichen Chromosomen im Zuge des sog. „Crossing-Over“ ausgetauscht, was die Vielfalt der vererbten Eigenschaften erhöht. Der Nukleolus und die Membran des Zellkerns werden aufgelöst, der Spindelapparat beginnt sich zu bilden und je ein Centrosom wandert zu den entgegengesetzten Zellpolen. Kernspindel-Fasern treten auf und heften sich an das Centromer jedes Chromosoms der Tetrade, das dem Centrosom gegenüber liegt. Meiose I Metaphase I Die Fasern der Kernspindel ordnen die Tetraden in der Äquatorialebene der Zelle an. Meiose I Anaphase I Die Spindelfasern trennen die homologen Chromosomen und transportieren sie zu den entgegen gesetzten Zellpolen. Damit ist die Reduktion vom diploiden zum haploiden Chromosomensatz vollzogen. Meiose I Telophase I und Cytokinese (alternativ: Zelltrennung) I Die Spindelfasern lösen sich auf, neue Kernmembranen bilden sich an jedem Pol der Zelle um den neuen Nukleolus und die Chromosomen, die aus zwei SchwesterChromatiden bestehen. Das Zytoplasma teilt sich, es formten sich zwei Zellen, von denen jede 23 Chromosomen enthält, und zwar je ein homologes Chromosom aus dem diploiden Satz. Somit handelt es sich um haploide Zellen. -3- Die vier Phasen der Meiose II werden kurz zusammengefasst. Meiose II Prophase II Die Chromosomen verkürzen sich abermals. Die Kernmembran zerfällt. Die Centrosomen wandern zu den gegenüberliegenden Zell-Polen. Meiose II Metaphase II Die Spindelfasern ordnen die aus Schwester-Chromatiden bestehenden Chromosomen in der Äqutorialebene der Zelle an. Meiose II Anaphase II Die Schwester-Chromatiden Chromosomen werden getrennt, wandern an zu den entgegengesetzten Polen und bilden die mit einfacher Erbinformation ausgestatteten einzelnen Chromosomen. Meiose II Telophase II und Cytokinese (Zelltrennung) II Je eine Kernmembran und je ein Nukleolus bilden sich um die Einzelchromosomen an beiden Polen der zwei Zellen. Die Chromosomen entspiralisieren sich in ihre lose verdrillte Form des Chromatins. Es sind vier haploide Zellen, die zu Spermienzellen reifen, entstanden. 4. Oogenese (Bildung der Eizellen) Meiose I & II Bei der Oogenese, der meiotischen Bildung weiblicher Keimzellen, verläuft die Meiose I genauso wie bei der Spermatogenese, der Bildung männlicher Keimzellen, mit der Prophase I bis zur Anaphase I. Aber bei der Cytokinese I teilt sich das Cytoplasma inäqual, d.h. nicht zu gleichen Teilen: Es bildet sich eine große Zelle und eine viel kleinere, die als Polkörper bezeichnet wird. In diesem befindet sich ein homologer Chromosomensatz! Die Meiose II setzt sich in beiden Zellen mit den üblichen Phasen fort. Der Polkörper teilt sich äqual (also zu gleichen Teilen), aber die große Zelle …wieder…sehr inäqual. Dieser Polkörper enthält einen kompletten Chromatidensatz. Die entstandenen drei Polkörper zerfallen…sodass nur eine haploide Eizelle, die reich an Cytoplasma ist, übrig bleibt. -4- Informationen für Lehrer: Serie: Moderne Biologie MITOSE 10 Minuten Verlag: BENCHMARK MEDIA Zur Verwendung in: Biologie Schulstufe: 9. bis 12. Schulstufe (5.Kl. Oberstufe bis 8. Klasse, Oberstufe AHS) Didaktische Beratung: Dr. O. Roger Anderson: Prof. für Naturwissenschaften, Columbia University, Lehrerausbildung und Erwachsenenbildung, Biologische Ozeanographie. Prof. Anderson ist eine international anerkannte Autorität in Mikrobiologie und Autor von vielen Büchern und Artikeln über Biologie und die Lehre von Biologie. Lernziele Die Studierenden sollen verstehen: Alle Lebewesen werden aus Zellen aufgebaut Die Replikation (Verdoppelung) der DNA während der Interphase ist Teil des Lebens einer Zelle Anregung: Die Replikation (Verdoppelung) der DNA während der Interphase, einer Zustandsform der Zelle im Zellzyklus, ist beim Ablauf der Mitose die Voraussetzung für die Vermehrung der Zellen. Mitose (Kernteilung) und Cytokinese (Zellteilung) in tierischen Zellen Mitose (Kernteilung) und Cytokinese (Zellteilung) in pflanzlichen Zellen Vor dem Zeigen des Films Bei der Teilung von eukaryontischen Zellen teilen sich sowohl das Cytoplasma als auch der Zellkern. Bei Eukaryonten gibt es zwei Arten von Kernteilungen mit anschließender Zellteilung. In diesem Video wird nur die Mitose gezeigt. Das Ergebnis einer Mitose sind zwei neue Zellen mit einem genetischen Material, das identisch mit dem der Mutterzelle ist. Mitose tritt bei der Teilung von Einzellern ebenso auf, wie bei Vielzellern, um verbrauchte Zellen zu ersetzen bzw. um mit Hilfe zusätzlicher Zellen wachsen zu können. Dieses Video untersucht die Mitose in tierischen und pflanzlichen Zellen, nutzt dabei Computer-Animation und bemerkenswerte mikroskopische Aufnahmen von lebenden Tierund Pflanzenzellen während der Mitose. -5- In einem zweiten Video wird die Meiose eukaryontischer Zellen erklärt. Bei der Meiose entstehen Keimzellen, haploide Zellen, indem zuerst das genetische Material repliziert (= verdoppelt) wird. Danach werden in zwei aufeinander folgenden Teilungsschritten haploide Zellen mit der einfachen Chromosomenzahl erzeugt. Später werden sich je zwei haploide Zellen im Zuge der Befruchtung vereinigen und befruchtete Eizelle (Zygote) hervor bringen, die wieder den doppelten (diploiden) Chromosomensatz trägt. Inhalt des Videos Die Vielfalt der Lebewesen ist enorm; sie haben jedoch eines gemeinsam: Sie werden aus Zellen aufgebaut. Im Inhaltsverzeichnis scheinen 3 Kapitel auf: 1. Interphase (DNA-Verdoppelung) 2. Mitose: Kernteilung in tierischen Zellen 3. Mitose: Kernteilung in Pflanzenzellen 1. Interphase (DNA-Verdoppelung) Während der Interphase eines Zell-Zyklus, vor der Mitose, befindet sich die DNA in lose aufgerollter Form, dem Chromatin. Menschliche Zellen haben 46 Chromosomen, je 23 von jedem Elternteil. Die DNA-Stränge verdoppeln sich, bleiben aber mit dem sogenannten Centromer verbunden. Die DNA in der verdoppelten (replizierten) Form bildet die Schwester-Chromatiden. Die DNA der Schwester-Chromatiden wird schließlich dichter und enger aufgerollt und bildet in der Anaphase die Tochter-Chromosomen. 2. Mitose: Kernteilung in tierischen Zellen Die Prophase ist die erste von vier Mitose-Phasen. Der Nukleolus und die Zellmembran lösen sich auf, das Centrosom hat sich bereits in der Interphase verdoppelt, je ein Centrosom wandert zu den entgegengesetzten Zellpolen. Fasern der Kernspindel (des Spindelapparats) treten auf, erstrecken sich von den Centrosomen zu den Centromeren jedes Tochterchromosoms, sowohl zu den mütterlichen (von der Mutter geerbt) als auch zu den väterlichen (vom Vater geerbt). Die Metaphase ist die zweite Phase der Mitose. Die Fasern der Kernspindel, die an den Centromeren der Tochterchromosomen befestigt sind, ordnen diese in einer gedachten Äquatorialebene der Zelle an. Dies wird sowohl als Computer-Animation als auch in einer lebenden tierischen Zelle gezeigt. Die Anaphase ist die dritte Phase der Mitose Die Spindelfasern trennen die Tochterchromosomen und ziehen die nunmehr getrennten Chromosomen an ihrem Centromer zu den entgegen gesetzten Zellpolen. Dies wird sowohl als Computer-Animation als auch (siehe oben) in einer lebenden tierischen Zelle gezeigt. -6- Die Telophase ist die vierte Phase der Mitose; gleichzeitig findet die Cytokinese, die Zellteilung statt. Die Spindelfasern lösen sich auf, eine Kernhülle und ein Nukleolus bilden sich erneut an jedem Zellpol. Im Verlauf der Cytokinese, der Teilung des Cytoplasmas der Zelle, formen sich zwei unabhängige Tochterzellen, jede mit einer DNA, die mit der ihrer Mutterzelle identisch ist. Dies wird sowohl als Computer-Animation als auch in einer lebenden tierischen Zelle gezeigt. Die DNA wandelt sich erneut von der kompakten Form im Chromosom in die lose aufgerollte Form des Chromatins. Die Zellen reifen und werden größer, treten wieder in die Interphase ein und bereiten sich auf die nächste Mitose vor. 3. Mitose: Kernteilung in pflanzlichen Zellen Pflanzenzellen haben weitgehend dieselben Organellen wie tierische Zellen, aber sie unterscheiden sich in 3 wesentlichen Dingen: durch eine feste Zellwand, die die Zellmembran umgibt; durch Plastiden, wie den Chloroplasten, Organellen, die Sonnenenergie für die Herstellung von Glucose, welche Pflanzen als Nahrung verwenden, absorbieren; und durch eine Vakuole, einem großen zentralen Zellsaftraum, in dem Abfall und Enzyme gespeichert werden. Sie drängt den Zellkern und andere Organellen nach außen gegen die Zellmembran. Die vier Phasen der Mitose in einer Pflanzenzelle gleichen denen in einer tierischen Zelle; jedoch erfolgt die Zellteilung nicht wie bei tierischen Zellen durch Einschnürung. In der Zellmitte formt sich eine Platte von innen nach außen an der Stelle, wo sich das Cytoplasma der Pflanzenzelle teilen wird. Auf ihr lagern sich Zellwandbestandteile auf. Am Ende der Zellteilung werden die Zellmembranen der beiden Tochterzellen von Zellwänden umschlossen sein. Der Spindelapparat wird bei den pflanzlichen Zellen anders gebildet als bei tierischen: Mikrotubuli, die auf die Wandschichten der Zelle aufgelagert sind, lösen sich während der Mitose ab und bilden die Kernspindel. Vor der Mitose, während der Interphase einer Pflanzenzelle, liegt die DNA in Form des lose aufgerollten Chromatins vor. Die DNA-Stränge verdoppeln sich, bleiben aber mit einer bestimmten Region, dem Centromer, miteinander verbunden. In dieser verdoppelten Form nennt man die DNA Schwester-Chromatiden. Die DNA in den Schwester-Chromatiden rollt sich dichter auf und wird in kompakter Form zu Tochter-Chromosomen. Prophase: Der Nukleolus im Zellkern und die Kernhülle, die den Zellkern jeder eukaryontischen Zelle umgibt, lösen sich auf, das Centrosom hat sich in der Interphase verdoppelt und je eines wandert zu den entgegengesetzten Zellpolen. Die Fasern der Kernspindel treten auf und erstrecken sich von den Centromeren jeweils zu den Centrosomen der Tochter-Chromosomen. -7- Metaphase: Die Fasern der Kernspindel, die an den Centrosomen der TochterChromosomen befestigt sind, ordnen diese in einer gedachten Äquatorialebene in der Pflanzenzelle an. Dies wird sowohl als Computer-Animation als auch in einer lebenden pflanzlichen Zelle gezeigt. Telophase und Zytokinese: Die Spindelfasern lösen sich auf, an jedem Zellpol bildet sich ein Nukleolus, der zusammen mit den Chromosomen von der Kernmembran umhüllt wird. Im Verlauf der Cytokinese bildet sich eine Zellplatte, die die Mutterzelle in zwei Tochterzellen trennt, jede von ihrer eigenen Zellwand umhüllt, jede mit einer DNA, die mit der der Mutterzelle identisch ist. Dies wird sowohl als Computer-Animation als auch bei einer lebenden pflanzlichen Zelle gezeigt. -8- Medieninhaber und Herausgeber: BUNDESMINISTERIUM FÜR UNTERRICHT, KUNST UND KULTUR Medienservice 1014 Wien, Minoritenplatz 5 Tel. 01/53 120-4829, Fax: 01/53 120-4848 E-Mail: [email protected] Download unter: http://www.bmukk.gv.at/schulen/service/mes/specials.xml Bestellungen: AMEDIA Servicebüro 1140 Wien, Sturzgasse 1a Tel. 01/982 13 22, Fax: 01/982 13 22-311 E-Mail: [email protected] Verlags- und Herstellungsort: Wien
