des Kurses - Universität Hohenheim

Seminarkurs Biologie
Schuljahre 2002/2005
Neuro- und Membranphysiologie
„unter Weltraumbedingungen“
In Zusammenarbeit von:
Wilhelms-Gymnasium Stuttgart Degerloch
und
Universität Hohenheim, Arbeitsgruppe Membranphysiologie
Unterstützt von
NaT-Working
Ein Förderungsprogramm
der Robert Bosch Stiftung
Schülerprojekt mikro-Gravitationsforschung in der Membran- und
Neurophysiologie
Einleitung
Die Forschung unter Weltraumbedingungen sowie die begleitende Forschung unter
terrestrischen Bedingungen haben in den letzten Jahrzehnten massiv an Bedeutung gewonnen.
Die Wichtigkeit dieser Forschung für die Zukunft des Lebens auf der Erde und später im
Weltraum wurde zunehmend erkannt. Entsprechend werden in diesem Bereich erhebliche
staatliche Mittel aufgewendet. Nach einer Phase der anfänglich Euphorie ist jedoch in der
letzten Zeit zunehmend das Interesse der Öffentlichkeit und speziell auch der Jugend an dieser
Forschung und Technik zurückgegangen. Hiervon ist auch die Frage der Ausbildung
hochqualifizierter Nachwuchskräfte im Bereich der Naturwissenschaften und Technik berührt,
der in unserer Gesellschaft ein hoher Stellenwert zukommen muss.
Es ist unter den gegebenen gesellschaftlichen Bedingungen von großer Wichtigkeit, die
Öffentlichkeit durch interessante Projekte für die Forschung unter Weltraumbedingungen
wieder stärker zu interessieren.
Weiterhin ist es notwendig, entsprechend begabte Heranwachsende für obige Fragen zu
interessieren und sie bezüglich einer späteren Ausbildungs- und Berufswahl an die Themen
im Bereich der Weltraumforschung - und Technik heranzuführen.
Es
bietet
sich
daher
an,
Schüler/innen
der
höheren
Jahrgangsstufen
eines
naturwissenschaftlichen orientierten Gymnasiums als Zielgruppe zu wählen, damit die
notwendigen bildungsseitigen Voraussetzungen gegeben sind, und diese für Projekte im
Bereich der Raumfahrt zu gewinnen. Diese Projekte sollten dann eine möglichst weitgehende
aktive Beteiligung der Schüler/innen beinhalten. Nur so ist gewährleistet das für die
notwendigen längeren Zeiträume (unser Projekt jeweils ein Schuljahr) die erforderliche
Mitarbeit erhalten bleibt.
Unter den gegebenen Voraussetzungen in der Struktur des Schulwesens, sowie der
Finanzierung können entsprechende Projekte nicht von Schulen allein durchgeführt werden.
Hier bietet sich eine Zusammenarbeit von Schule und Universität an, die neben den oben
genannten Argumenten auch für die Universität von Vorteil ist, da sie spätere Studenten/innen
für die Ausbildung an der Universität im naturwissenschaftlich – technischen Bereich
aktiviert.
Aus Gründen der Praktikabilität ist es sinnvoll die Inhalte eines solchen Schülerprojektes in
Zusammenarbeit mit einer universitären Gruppe so zu wählen, dass sie in das
Arbeitsprogramm der Gruppe eingepasst werden können. Damit ergeben sich für uns die
entsprechenden Inhalte des Projekts.
Diese Inhalte sollten zusätzlich so gewählt sein, dass sie der interessierten (Laien)
Öffentlichkeit verständlich gemacht werden können, und dass gewonnene Ergebnisse auch
wissenschaftlich verwertet werden können.
Um ein entsprechendes Projekt attraktiv zu gestalten, ist eine weitgehende Einbindung in den
Lehrplan der Schule notwendig, dies geschieht durch einen Seminarkurs Biologie für die
Schüler/innen, der im Lehrplan verankert ist.
Entsprechende Zusatzveranstaltungen der Universität, speziell ein 1-jähriges Praktikum
(Nachmittag mit 3 Schulstunden je Woche während der Schulzeit) im Rahmen des
Seminarkurses sind die tragenden Säulen des Projekts.
Eine ausführliche Öffentlichkeitsarbeit muss das Pogramm abrunden, insbesondere über die
beteiligte Universität. In diesen Rahmen können dann auch weitergehende Veranstaltungen
eingebunden werden, die sich über die Schule und die Universität hinaus an die interessierte
Öffentlichkeit wenden, es u.a. werden Vorträge zu Themenkreisen im Rahmen der Biologie
der Universität Hohenheim angeboten.
Um das Projekt für die Beteiligten Schüler/innen attraktiv zu gestalten, werden am Schluss
des ersten Seminarjahres Parabelflüge für eigene Experimente unter Schwerelosigkeit
durchgeführt (bereitgestellt vom DLR).
An den Flügen werden die Schüler/innen selbst teilnehmen. Sie haben dadurch Gelegenheit
selbst Schwerelosigkeit zu erfahren, und Experimente unter Schwerelosigkeit durchzuführen.
Allgemeine Angaben zum Projekt
An dem Projekt sind die Arbeitsgruppe für Membranphysiologie der Universität Hohenheim,
Stuttgart (Leitung Prof. Dr. W. Hanke) und eine Gruppe von Schüler/innen der Jahrgangsstufe
12 des Wilhelm-Gymnasiums in Stuttgart-Degerloch beteiligt. Die Gruppengröße wird 8-12
Schüler/innen betragen.
Die Schule wird vertreten durch Herrn OStR. Schwertner, Fachgebietsleiter Biologie, der die
Schülergruppe bei allen Veranstaltungen betreuen und begleiten wird.
Die Zustimmung der Universitäts- und Schulleitung
wurden eingeholt, das zuständige
Oberschulamt und die zuständigen Ministerien für Forschung und für das Schulwesen in
Baden-Württemberg sind unterrichtet und haben ihre Einwilligung erteilt.
Die primär vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bewilligte Förderung des
Projekts für 2002 bis 2003 beinhaltet zunächst ca. 14.000.- Euro, und die Bereitstellung einer
Parabelflugmission Mitte 2003 (mindestens 3 Flugtage, je 2 Personen, findet in Bordeaux,
Frankreich statt). Aus universitären Quellen werden weitere Mittel zur Verfügung gestellt
(z.Z. 400.- Euro). Die Arbeitsgruppe Membranphysiologie beteiligt sich mit ca. 10.000 Euro.
Für die Schuljahre 2003 bis 2005 wurde eine Förderung durch die Robert-Bosch-Stiftung von
17.300.- Euro eingeworben(im Rahmen des Nat-Working Programms).
An der Parabel-Mission 2003 sollen die Schüler selbst teilnehmen um mikro-Gravitation zu
erfahren. Sie sollen außerdem lernen, unter diesen Bedingungen sinnvolle biologische
(neurophysiologische) Experimente durchzuführen, die dann natürlich zusätzlich mit
Labormessungen verglichen werden sollen. Die Labor – und die ergänzenden makroGravitationsmessungen sollen in den Labors der Arbeitsgruppe Membranphysiologie
durchgeführt werden, soweit dies nicht im Rahmen des Unterrichts and der Schule möglich
ist.
Projektbeschreibung für den Parabelflug 2003:
Es handelt sich um ein µ-Gravitations-Projekt, das im Bereich der Membran- und
Neurowissenschaften
angesiedelt
und
mit
der
Forschung
der
Arbeitsgruppe
Membranphysiologie kompatibel ist. Es wird eine Fragestellung behandelt werden, die
zusätzlich im Lehrplan der Jahrgangsstufe 12 des Gymnasiums zumindest grundlegend
behandelt werden kann (laut Curriculum), u.U. durch entsprechende Abstimmung des
Lehrplans.
Zur Zeit wird von unserer Arbeitsgruppe (Abt. Membranphysiologie der Universität
Hohenheim)
eine
Reihe
von
Experimenten
durchgeführt,
bei
dem
die
Ausbreitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen (AP) in Abhängigkeit von der
Gravitation gemessen werden soll. Aktionspotentiale sind die Grundlage der biologischen
Reizleitung und Informationsverarbeitung und daher auch für die Physiologie des von
grundlegender Bedeutung.
Die entsprechenden Experimente können zumindest teilweise am Riesenaxon (Nervenfaser)
des Regenwurms durchgeführt werden.
Bei Durchführung des Schülerprojekts wollen wir dann, parallel zur Messung der
Ausbreitungsgeschwindigkeit von AP´s im Riesenaxon (unter micro-g) die Ausbreitung von
AP´s im isolierten gesamten Bauchnerv des Regenwurms (unter micro-g) messen, und zwar in
einer Parabelmission (Juni 2003).
Im Biologieunterricht der 12 Jahrgangsstufe des Gymnasiums wird Neurobiologie behandelt,
hier können auch Versuche zur Untersuchung von Aktionspotentialen am intakten lebenden
Regenwurm durchgeführt werden. Daher werden die Schüler/innen einen Versuchsstand
aufbauen um Aktionspotentiale am intakten lebenden Regenwurm unter µ-Gravitation zu
untersuchen (für eine Parabelflugmission). Der Messstand wurde in Hohenheim gebaut und
finanziert. Kontrollexperimente unter 1 g und unter makro-g (in einer von uns zur Verfügung
gestellten Zentrifuge) können bei uns im Labor ausgeführt werden, evtl. zumindest teilweise
im dem Schul-Seminar.
Wir werden eine Parabelflugmission durchführen, bei der je 2 Personen der Arbeitsgruppe
Membranphysiologie der Universität – Hohenheim ihre Versuche zum AP durchführen
(Bauchnerv des Regenwurm) und gleichzeitig zwei Schüler/innen den entsprechenden
Versuch am intakten lebenden Regenwurm (Juni 2003, siehe oben).
Die experimentellen Ergebnisse der universitären Arbeitsgruppe und der Schüler/innen aus
den Parabeln können gemeinsam ausgewertet und zusammen mit den Daten am isolierten
Axon und an Neuronen aus anderen Experimenten verarbeitet werden. Damit wären die Daten
aus dem Schülerversuch in unser Versuchsprogramm einzubinden und auch von
wissenschaftlichem Interesse. Auch an eine Verwertung im Rahmen einer Publikation kann
gedacht werden.
Das eigentliche Projekt soll folgende Punkte beinhalten:
- Heranführung der Schüler/innen an die wissenschaftliche Arbeit:
die Schüler/innen nehmen an entsprechenden (ausgeweiteten) Kursen in Biologie und
Physik teil,
der Unterrichtsplan für die Schüler/innen wird soweit nötig auf das Projekt
abgestimmt,
an der Schule wird ein einjähriges Seminar für das Projekt eingerichtet, 3
Stunden pro Woche, die Teilnahme ist obligat, die Noten und evtl. abgelegte
Seminararbeiten sind für das Abitur relevant, im Rahmen dieses Seminars führen
die Schüler ca. 25 Experimente im Labor der Arbeitsgruppe Membranphysiologie
durch,
- ein eigenes Experiment der Schüler/innen für eine Parabelflug-Mission (nur in 2003):
die Schüler/innen entwerfen und bauen mit Unterstützung der Arbeitsgruppe
Membranphysiologie einen eigenen Messstand für die Parabelflugmission. Mittel,
Technik und Materialien dazu werden von der Arbeitsgruppe Membranphysiologie
gestellt,
sie führen die Mission durch und werten die Ergebnisse aus,
sie führen Vergleichsmessungen unter 1 g und makro- Gravitation in Labors der
Arbeitsgruppe durch
- schulisches Begeleitprogramm:
Abstimmung des Unterrichts in Biologie und Physik,
das oben genannte Seminar ist im Lehrplan verankert,
Dokumentation des Projekts durch beteiligte Schüler/innen (Video und Text, während
des Projekts eine eigene Internetseite: http://www.wg-weightless.de),
eine Abschlussveranstaltung
- universitäres Begleitprogramm:
Besichtigung verschiedener Institute,
Teilnahme der Schüler/innen an geeigneten Praktika und Vorlesungen in Biologie und
Physik,
Möglichkeit zur Ablegung berufsorientierender Praktika (BOGI), wurde im Herbst
2002 von 5 Teilnehmer/innen wahrgenommen
Spezielle Vorlesungen und Vorträge im Umfeld der Raumforschung, die auch der
interessierten Öffentlichkeit zugänglich sein sollen
Möglichkeit für die Schüler/innen in den Labors der Membranphysiologie
eigenständig zu experimentieren (wird regelmäßig wahrgenommen)
- Besuche von Institutionen mit Bezug zur Forschung des DLR (optional):
DLR in Köln
DLR Oberpfaffenhofen
In den Herbstferien 2003 wird für den Kurs 2002/2003 eine Exkursion nach Brasilien in die
Regenwald-Akademie Salve Floresta im Bundesstaat Sao Paulo durchzuführen.
Die Brasilianische Raumfahrtagentur hat ihre Unterstützung angeboten, sodass außerdem die
Anlagen der brasilianischen Raumfahrt in Dos Campos, SP, Brasilien (INPE und CTA),
innerhalb der oben genannten Reise, besichtigt werden.
Ziele, Grundlagen und Verwertung des vorgestellten Vorhabens:
Schüler/innen sollen an die wissenschaftliche Arbeit des DLR und allgemeiner an Fragen der
„life sciences“ unter Weltraumbedingungen herangeführt werden. Ihr Interesse an der
Weltraumforschung soll geweckt werden.
Der interessierten Öffentlichkeit soll an diesem Beispiel die Arbeit des DLR, sowie die
Weltraumforschung im allgemeinen, nahe gebracht werden.
Die Popularität der Raumforschung an Schulen und Universitäten soll gestärkt werden.
Es soll gezeigt werden, dass bei einem Projekt an dem interessierte und begabte Schüler/innen
beteiligt sind, von diesen mit Unterstützung durch die Lehrer und durch entsprechende
Einrichtungen einer Universität wissenschaftliche relevante Ergebnisse erzielt werden
können.
Die Vorteile einer frühen Forschungsförderung durch staatliche Institutionen, hier des DLR,
aber auch durch privatrechtliche Organisationen wie die Robert-Bosch-Stiftung, sollen der
Öffentlichkeit demonstriert werden.
Versuche
an der Uni als praktischer Teil des Seminarkurses durchzuführen
1
2
3
4
5
Elektrische Messtechnik
Messung an einem Membranmodell
Optische Messtechnik und Spektralphotometrie
Lumineszens und Fluorimetrie
Messdatenauswertung und Statistik
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7
Membranlipide
Enzymkinetik
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Osmose
Diffusion
Diffusionspotential
Ionenselektive Elektroden
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Aktionspotentiale am Regenwurm
Aktionspotentiale am Riesenaxon
Riesenalge Chara als biophys. Modellsystem
Computersimulation von Aktionspotentialen
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Ephys. Messungen an einzelnen Neuronen – Ruhepot.
Patch-Clamp Technik – Einzelkanäle
Planare Bilayer und Rekonstitution – Alamethicin
Monolayer und Filmwaage
Computersimulation von Einzelkanälen – NeuroSim
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Human- Sinnesphysiologie – Sehen
Human- Sinnesphysiologie – Riechen, Schmecken
Human- Sinnesphysiologie – Hören
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24
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Bildung von Strukturen in Sand und viskosen Flüssigkeiten
Belousov-Zhabotinsky Reaktion
Spreading Depression
Computersimulation, zelluläre Automaten
Human - Elektrophysiologie, EKG – EMG
Die Schüler/innen legen am Ende des Schuljahres eine mündliche Prüfung ab (ca. 30 min), sie
haben während des Schuljahres einen Vortrag über ein Thema aus dem Wissensbereich des
Kurses zu halten (20 min), und die Führung von Protokollbüchern und eine Klausur gehören
ebenfalls zum Kurs. Die Kursnote ist für das Abitur relevant.
Zusatz-Aktivitäten:
Es wurde im Januar 2003 ein ½ Tag langer Kurs in Rhetorik für alle beteiligten Schüler/innen
durchgeführt (durch eine eingeladene Referentin). Eine Einführung in die Rhetorik wird
aufgrund des Erfolges dieses Kurses in das Programm des Seminarkurses aufgenommen
Eine Vorführung des Elektronenmikroskopischen Labors des Lehrstuhls Zoologie wurde mit
allen Teilnehmer/innen besucht, diese Veranstaltung wird ebenfalls in das Programm des
Seminarkurses aufgenommen.
Darstellung des Seminarkurs in den Medien.
Eine eigene Internetseite des Kurses wurde eingerichtet, www.wg-wheightless.de.
Der Kurs wurde in verschiedenen Medien vorgestellt. Eine Video- und Bilddokumentation
durch Kursteilnehmer wird durchgeführt.
Teile des Kursprogramms sind bereits publiziert: Völlig losgelöst, Biologie in unserer Zeit,
Nr.2, 2003,115-121.
Ausblick
Für die Jahre 2003 bis 2005 gibt es eine Anschlussförderung durch die Robert-Bosch Stiftung
(siehe oben), dadurch ist die Weiterführung des eigentlichen Seminarkurses (Schul- und
Universitätsprogramm) für die nächsten 2 Schuljahre gesichert.
Als Exkursion ist für 2004 (derzeitiger Termin Ende März bis Anfang April 2004) eine
Teilnahme an einem Raketenstart mit einem Experiment der Arbeitsgruppe in (Kiruna)
Nordschweden geplant (retinale spreading depression unter Schwerelosigkeit). Im Rahmen
des Seminarkurses 2003/2004 werden entsprechende Zusatzveranstaltungen über die
wissenschaftlichen Hintergründe des Experiments eingefügt.
Eine Exkursion im Umfeld des Inhalts des Seminarkurses für das Schuljahr 2004/2005
befindet sich derzeit in Planung, die Realisierung hängt von der Finanzierbarkeit und den
Missionen der Arbeitsgruppe ab.
Es ist beabsichtigt, das DLR School-Lab in Köln-Porz jeweils in 2004 und 2005 für ein bis
zwei Tage zu besuchen.
Der Seminarkurs soll im Rahmen einer fachdidaktischen Promotion aufgearbeitet werden, die
Ergebnisse sollen als Buch publiziert werden.
Der Seminarkurs soll in das geplante Schnupperstudium der Universität Hohenheim
aufgenommen werden.