Einstieg in die klassische Genetik
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www.klett-verlag.de Skizze eines Unterrichtsplans zur klassischen Genetik mit dem Programm "Klassische Genetik" Inhalt Vorwort Kurzbeschreibung des Programms Anregungen - Einstieg in die klassische Genetik - Formale Genetik - Dihybride Erbgänge - Meiose - Gonosomale Erbgänge - Genabstand – Zweifaktorkreuzung - Genabstand – Dreifaktorkreuzung - Sonstige Themen Autor: Addi Nüchel, Juni 2002 www.klett-verlag.de Vorwort Diese skizzenartigen Ausführungen richten sich an einen Fachkollegen, der ausführliches Begleitmaterial für den Unterrichtseinsatz des Programms "Klassische Genetik" plant. Demgemäß sind die Ausführungen kurz gehalten, manchmal stichwortartig, nicht als "Königsweg", sondern nur als Anregung zu verstehen. Insbesondere werden i.A. keine methodischen Feinheiten ausformuliert. Der Einsatz verschiedener Unterrichtsformen (Arbeitsblättern als Anleitung oder zur Kontrolle, Gruppenarbeiten, Forschungsaufträge, Frontalunterricht mit einem Projektor, ergänzender Unterricht ohne Programm) wird nicht festgelegt, der eigenen Kreativität überlassen. Ferner ist das Folgende auch keine Bedienungsanleitung zum Programm (diese findet man im Handbuch des Programms oder in der Programm-Hilfe). Stattdessen findet man eine Art Leitfaden zur Behandlung bestimmter genetischer Themen mit dem Schwerpunkt: was kann das Programm bei verschiedenen Fragestellungen leisten? Hauptleistungsmerkmal des Programms vorweg: es kann dem genetischen Unterricht wieder eine experimentelle Basis geben. Hinweis: es werden keineswegs alle (nicht einmal annähernd alle) Themen angesprochen, zu denen das Programm etwas beitragen kann. Es besteht jedoch die (begründete) Hoffnung, dass die wenigen hier formulierten Beispiele dem Fachkollegen genügend Anregungen zur Behandlung der anderen (nicht angesprochenen) Themen im Unterricht geben kann. Kurzbeschreibung des Programms Das Programm "Klassische Genetik" erlaubt die Simulation klassischer Kreuzungen bei einer Vielzahl von Organismen. Es deckt die Mendel-Genetik und die Morgan-Genetik ab und bietet darüber hinaus auch Beispiele zu weitergehenden Problemfeldern der Genetik (besondere Erbgänge, Stammbaumanalysen, Karyogrammuntersuchungen). Das Programm kann so eingestellt werden, dass der Benutzer auschließlich auf der Phänotypen-Ebene arbeitet. Die verwendeten Organismen werden also stets - wie in der Realität - mit ihrem Phänotyp vorgestellt und können nur anhand der Phänotypen ausgewählt werden. Die Nachkommen einer Kreuzung werden dann ebenfalls nur phänotypisch angegeben. Dennoch verwaltet das Programm natürlich intern die Organismen korrekt nach Maßgabe der ihnen jeweils zukommenden Genotypen. Der Ansatz einer Kreuzung erfolgt durch Angabe der Elterntiere. Diese müssen aus den vorgegebenen Ausgangsstämmen oder aus den Nachkommen bereits vollzogener Kreuzungen per Mausklick ausgewählt werden. Danach simuliert das Programm völlig wirklichkeitsnah die angesetzte Kreuzung. Es berücksichtigt dabei: Anzahl der Nachkommen zufällige Chromosomenauswahl bei jeder Meiose zufällige Gametenauswahl für die Befruchtung eventuelle Kopplung eventuelle cross-over mit korrekter Frequenz autosomale und gonosomale Erbgänge alternative und intermediäre Erbgänge eventuelle Polygenie eventuelle Polyphäny eventuelle multiple Allelie eventuelle somatische Erbgänge eventuelle Letalität der Nachkommen spontane Mutationen Autor: Addi Nüchel, Juni 2002 www.klett-verlag.de Das Simulationsergebnis wird realistisch angegeben: jeder Nachkomme wird in der zeitlichen Reihenfolge seines Erscheinens auf dem Bildschirm dargestellt. Diese Nachkommen stehen für weitere Kreuzungen zur Verfügung. Das Programm ermöglicht es also, den Genetik-Unterricht wieder auf eine experimentelle Basis zu stellen. Die Schüler können selbst Kreuzungen planen, geeignete Organismen auswählen und auch über letztlich lehrreiche Irrwege ohne großen Zeitverlust zu eigenen Einsichten gelangen. Über die durch die Bilder vermittelte phänotypische Anschauung hinaus bietet das Programm auf Wunsch auch Interpretationshilfen mittels einblendbarer Genotypen, Kreuzungsschemata, Informationstexte, Fotos und vieles mehr. Einstieg in die klassische Genetik Vorbereitung Im folgenden wird davon ausgegangen, dass das Programm wie folgt vom Lehrer voreingestellt wurde: Ansicht: nur Phänotypen Anzahl der Nachkommen: realistische Nachkommenzahl Menüsperren: Ansicht : gesperrt Dauerversuch : gesperrt Informationstexte : gesperrt Anzahl Nachkommen : gesperrt Geladener Organismus: Einfaktorkreuzung mit intermediärem Erbgang, z.B. Wunderblume Erste Fragestellung Die erste Fragestellung kann/sollte möglichst allgemein sein, etwa: Du kannst nun Wunderblumen miteinander kreuzen und dir die Nachkommen ansehen. Versuche irgendwelche Gesetzmäßigkeiten herauszufinden. Die Schüler kreuzen rote mit roten Blumen und weiße mit weißen Blumen. Die Nachkommen sind wieder rot bzw. weiß, was sicherlich kaum als bemerkenswert angesehen wird. Kreuzt man die Nachkommen untereinander, bleibt das auch so, irgendwie langweilig. Auch die Kreuzung von roten mit weißen Blumen, die stets nur rosa Nachkommen liefert, dürfte noch zu keiner Aufregung führen. Einzige erste Erkenntnis zu diesem Zeitpunkt: die Anzahl der Nachkommen jeder Kreuzung ist unterschiedlich. Reinerbigkeit - Mischerbigkeit Erst die Kreuzung von zwei rosa Blumen (irgendein Schüler kommt sicher von allein irgendwann darauf) sorgt für die erste Überraschung: die Nachkommen sind rosa, weiß oder rot, irgendwie chaotisch. Die neue Situation gibt Anlass im Unterricht die Begriffe "reinerbig" und " mischerbig" (noch etwas ungenau) einzuführen, etwa so: Kreuzt man Blumen, die bezüglich eines Merkmals dieselbe Merkmalsausprägung besitzen, und sind alle Nachkommen (über alle weiteren Generationen) wie die Eltern, dann nennen wir die Eltern reinerbig, sonst heißen sie mischerbig. Aber auch die Uniformitätsregel kann in einer ersten (falschen) Formulierung gefunden werden: Kreuzt man reinerbige Eltern, die sich in einer Merkmalsausprägung unterscheiden, dann liegt die Merkmalsausprägung der Nachkommen "zwischen" der der Eltern. Es empfiehlt sich, diese falsche Formulierung, die ja auf Grund der bisherigen Erfahrung korrekt ist, zunächst so stehen zu lassen und dem Schüler später die Gelegenheit zu geben, die Hypothese selbst zu verwerfen oder zu modifizieren. Autor: Addi Nüchel, Juni 2002 www.klett-verlag.de Die Diskussion des bisher Erreichten sollte zumindest zwei Fragen/Problemkreise aufwerfen: 1. Gilt die Uniformitätsregel für alle Organismen oder ist sie eine Besonderheit der Wunderblume? 2. Verbirgt sich hinter dem Chaos der Nachkommen rosa x rosa doch noch eine unbekannte Gesetzmäßigkeit? Eventuell kann man die Klasse teilen und jede Hälfte mit einem Forschungsauftrag zu einer der Fragestellungen beauftragen. Fragestellung 1 – Die Uniformitätsregel Die Schüler werden nun andere Organismen laden und die bisher gefundene Uniformutätsregel durch analoge Kreuzungen auf Allgemeinheit testen. Die Beispiele mit dominant-rezessivem Erbgang zeigen Ihnen, dass die bisher gefundene Regel so nicht gilt. Eine didaktisch wichtige Stelle: Die Schüler müssen nun entscheiden, ob sie die (bisher einzige Regel) wieder verwerfen oder ob sie diese modifizieren können, damit die neuen Beispiele passen. Dies ist eine gute Einübung des neopositivistischen Erkenntniswegs. Die Modifizierung führt dann zur Uniformitätsregel, die etwa wie folgt formuliert wird: Kreuzt man reinerbige Eltern, die sich in einer Merkmalsausprägung unterscheiden, dann sind die Nachkommen bezüglich des Merkmals alle unteinander gleich. Wer solche Gesetze logisch untersuchen lassen will, der kann in Auftrag geben, experimentell mit den Möglichkeiten/Beispielen des Programms zu prüfen, ob auch der umgekehrte Schluss (alle Nachkommen gleich, dann waren Eltern reinerbig) stimmt. (Hinweis: stimmt ncht AA x Aa führt zu einheitlichem Phäntyp A bei den Nachkommen). Die Beispiele, die zur Modifizierung der Uniformitätsregel herangezogen werden, geben auch Anlass, die Begriffe dominant / rezessiv einzuführen und erste Erbgänge zu unterscheiden: intermediärer Erbgang und dominant-rezessiver, besser alternativer Erbgang. Fragestellung 2 – Die Spaltungsregel Die Schüler werden die Kreuzung rosa x rosa, die zu dem zu untersuchenden Chaos führen, mehrfach durchführen. Sicher wird irgendwann jemand erkennen, dass in allen Kreuzungen immer die rosa Pflanzen unter den nachkommen besonder häufig sind. Die gibt Anlass die Schüler aufzufordern doch einmal zu zählen. Um das Zählen zu erleichtern, bietet man den Menüpunkt "Häufigkeitstabelle" an, fordert gegebenenfalls auf, die Ergebnisse der einzelnen Kreuzungen aufzuaddieren etc. Auf diese Weise kann die Spaltungsregel, z.B. in der Formulierung Zahlenverhältnis 1:2:1 oder besser 25%, 50%, 25%. gefunden werden. Der dahinterstehende statistisch-zufällige Mechanismus ist den Schülern wegen des Umgangs mit dem Programm von vorneherein klar. Synthese der beiden Fragestellungen Selbstverständlich müssen nun alle Schüler die Informationen der anderen Gruppe (der anderen Fragestellung) erhalten. Aber hier gibt es ferner eine echte Synthese der Ergebnisse, was auch die Schüler merken müssten: Das Ergebnis 1:2:1 kann beim dominant-rezessiven Erbgang nicht sein. Welches Zahlenverhältnis ist hier zu erwarten? Es können begründet Hypothesen aufgestellt werden und diese können sofort mit dem Programm auf ihre Stichhaltigkeit geprüft werden. Dies führt zu einer allgemeiner formulierten Spaltungsregel, eventuell mit Nennung beider möglichen Verteilungsverhältnissen (25%, 50%, 25% oder 75%, 25%). Testkreuzung Auch die Behandlung von Testkreuzungen (nach Mendel Rückkreuzung) ist selbstverständlich möglich. Kann man vielleich historisch aufziehen: Mendel hat zur Überprüfung seiner Ergebnisse folgendes gemacht ........ und folgendes gefordert ..... . Prüfe mit dem Programm, ob Mendels Forderung erfüllt wird. -----Das Ergebnis der bisherigen Bemühungen ist die eigenständige/experimentelle Erarbeitung der ersten beiden mendelschen Regeln, die grundlegende Kenntnis des stochastisch-statistischen Geschehens bei Erbvorgängen und die Kenntnis genetischer Fachbegriffe, die nicht einfach vorgegeben wurden, sondern sich auf Grund der Beobachtungen als sinnvolle Sprachregelungen aufdrängten. Autor: Addi Nüchel, Juni 2002 www.klett-verlag.de Formale Genetik Irgendwann muss man die rein experimentelle Arbeit verlassen und dem Schüler formale Beschreibungen (Allele, Genotyp, Phänotyp, Kreuzungsschemata) anbieten. Nicht nur, damit sich die Dinge besser notieren und behalten lassen, auch und vor allem, damit man nun über geeignete Krezungsschematas begründete Vorhersagen machen kann. Es ist sicher nicht ratsam, dies mit dem Programm zu tun, sondern auf herkömmliche Weise (Tafelarbeit, Arbeitsblatt), natürlich immer unter Bezug auf die bisherigen virtuell-experimentellen Ergebnisse. Dennoch kann das Programm dienen, die formale Genetik zu festigen: 1. Man kann Aufgaben stellen, Vorhersagen machen lassen und die Richtigkeit der Vorhersagen experimentell mit dem Programm überprüfen lassen. 2. Man kann einige Aufgaben aus dem Programm ("Konkrete Aufgabe laden" oder grüner Schalter mit römisch "I"). Diese bitte ansehen und auf Verwendbarkeit prüfen. 3. Man schaltet im Menü "Ansicht" auf "Phänotypen und Genotypen". Dann wird unter "Mehr zur Kreuzung" auch ein Kreuzungsschema zur jeweils aktellen Kreuzung angeboten (Kontrolle eigener Schemata). Die Übungsphase kann fast beliebig lange ausgedehnt werden. Wichtig: Von nun an ist es wichtig, dass der Schüler "verinnerlicht", dass er alle Fragestellungen zunächst mit Hilfe geeigneter Kreuzungsschemata angehen sollte und so mit gezielteren/begründeten Kreuzungsansätzen experimentelle Problemlösungen angeht. Dihybride Erbgänge Vorbereitung Im folgenden wird davon ausgegangen, dass das Programm wie folgt vom Lehrer voreingestellt wurde: Ansicht: nur Phänotypen Anzahl der Nachkommen: stets die ersten 50 Nachkommen (mein Vorschlag, er lässt sich für den Schüler sicher mit dem Argument der Zweckmäßigkeit beim Auszählen akzeptabel begründen) Menüsperren: Ansicht : gesperrt Dauerversuch : gesperrt oder frei (siehe unten) Informationstexte : gesperrt Anzahl Nachkommen : gesperrt oder frei (siehe oben) Regel von der Neukombination (3. mendelsche Regel) Die wesentlichen Inhalte der 3. mendelschen Regel kann der Schüler nun rein logisch selbst erschließen. Man gibt ihm eine Situation mit zu zwei Merkmalen reinerbigen Eltern vor (natürlich eine, die auch vom Programm angeboten wird und ungekoppelte Gene behandelt, da gibt es mehrere) und und fragt, wie denn nun die Nachkommen einer typischen Mendel-F1 und einer typischen Mendel-F2 aussehen werden. Die zweifache Anwendung der Uniformitätsregel führt sicher zur korrekten Vorhersage der Uniformität der Nachkommen zu beiden Merkmalen. Mit dem Programm lässt sich die Richtigkeit der Vorhersage prüfen und man kann auch die Dominanzverhältnisse der Gene klären lassen, deren Kenntnis für eine Vorhersage der F2 notwendig ist. Bei der F2 ist die Vorhersage sicher komplizierter. Zu jedem Merkmal allein hat man die Spaltungsregel, beide singulären Vorhersageergebnisse zu kombinieren, geling nach meinen Erfaghrungen Schülern nur bedingt. Also ab ins Programm und experimentieren. Autor: Addi Nüchel, Juni 2002 www.klett-verlag.de Ein (nachträgliches?) Kreuzungsschema begründet die experimentell gefundene Regel von der Neukombination. Auch hier bietet das Programm zahlreiche Übungen zur Festigung. Will man die Zahlenverhältnisse gemauer untersuchen, dann reichen die 50 Nachkommen auch bei wiederholter Kreuzung nicht, man kann dazu aber den "Dauerversuch" freigeben. Ich warne jedoch vor einer frühzeitigen Freigabe, denn von nun wird der Dauerversuch erfahrungsgemäß immer wieder sofort verlangt und verdeckt das "reala" Kreuzungsergebnis und die statistischen Gegebenheiten eventuell zu früh. Mendels Fehler - Kopplung Bekanntlich gilt die 3. mendelsche Regel nicht allgemein. Dies kann man nun sehr einfach als Problem einbringen, indem man den Schüler ein dihybrides Beispiel mit gekoppeltem Erbgang mit dem Auftrag übergibt, Vorhersagen bzgl. der Zahlenverhältnisse der F2 zu machen und diese mit dem Programm zu überprüfen. Diskussion des Problems führt zum Begriff der Kopplung. Die Sinnhaftigkeit des Begriffes, die Klarheit für den Schüler usw. hängt natürlich stark davon ab, ob das Phänomen Meiose bereits bekannt ist, oder nicht. Auch die 3. mendelsche Regel lässt sich modifiezieren mit dem Nachsatz "...., dies alles gilt, wenn die Gene nicht gekoppelt sind." Meiose Dieses Thema wird vom Programm nur mäßig, bis auf einen Informationstext eigentlich garnicht unterstützt, ist aber für ein wirkliches Verständnis weitergehender genetischer Fragen (crossover, Genabstand) unverzichtbar. Herkömmlicher Unterricht also. Nachträglich kann hierbei auch die Kopplung vernünftig erklärt werden. Ein Bezug zu den Experimenten des Programms kann wieder hergestellt werden, indem die Schüler das Ergebnis der Kreuzungen (siehe oben: Mendels Fehler, Kopplung) unter Kenntnis der Meiose nochmals neu diskutieren und den Kopplungsbruch als crossover selbst "erfinden" (mit Hilfe natürlich). Nach einer Behandlung der Meiose kann man auch Karyogrammuntersuchungen in den Mittelpuinkt des Unterrichtsgeschehen stellen und dazu ebenfalls das Programm Beispiele/Übungen beisteuern lassen. (Datei | Humangenetik | Karyogramme) Gonosomale Erbgänge Man konfrontiert die Schüler mit dem Organismus "DROSOPHILA Augenfarbe (weiß)" und lässt sie analysieren, z.B. die mendelschen Regeln überprüfen. Die abweichenden Ergebnisse bei den Nachkommen zueinander reziproker Kreuzungen geben Anlass zur Diskussion. Informationen zu den Geschlechtschromosomen (durch Lehrer oder Arbeitsblatt) sollten beim Schüler geeignete Hypothesen zum Erbgeschehen erbringen. Dies alles gibt Anlass die Begriffe "gonosomaler" und "autosomaler" Erbgang einzuführen. Übungen zur kreuzungstechnischen Unterscheidung gonosomaler und autosomaler Erbgänge stehen im Programm Klassische Genetik in großer Zahl zur Verfügung. Methode jeweils: reziproke Kreuzung. Von hier aus kann man auch zu Stammbaumanalysen überleiten (Datei | Humangenetik | Stammbaumanalysen). Genabstand – Zweifaktorkreuzung Autor: Addi Nüchel, Juni 2002 www.klett-verlag.de In der Oberstufe, dort vor allem in Leistungskursen, kann/sollte die Bestimmung von Genabständen nach Morgan Unterichtsgegenstend sein. Die sicherlich bestehende Möglichkeit, die Schüler die Morgansche Grundidee selbst in Auseinandersetzung mit dem Programm "Klassische Genetik" entdecken zu lassen, halte ich zwischenzeitlich auf Grund eigener Erfahrungen, auch unter Einsatz stark steuernder Arbeitsblätter, für nicht effektiv. Der Irrwege / Fehlideen sind es meist zu viele. Stattdessen bevorzuge ich hier die Erarbeitung der Methoden/Gedanken an Hand eines Beispiels im Unterrichtsgespräch unter Einbeziehung der Tafel. Danach stelle ich den Schüler (sozusagen als Festigung) die Aufgabe, mit dem Programm "Klassische Genetik" eine andere Fallanalyse selbstständig durchzuführen: also Experiment mit dem Programm, Auswertung analog zu Einstiegsbeispiel). Als Festigungsaufgabe sind DROSOPHILA Genetische Analyse D MAIS Bestimmung des Genabstandes aber auch andere Beispiele geeignet. Diese findet man als Lehrer schnell, wenn man im Menü "Lehrer | Kreuzungstyp Vorauswahl" nur den Fall "Morgan – Genetik" ankreuzt. Bei Anwahl über II (blau) und (II) grün findet man nur Beispiele mit einer Kopplung, an denen der Genabstand bestimmt werden kann. Genabstand – Dreifaktorkreuzung Hier gilt grundsätzlich dasselbe, wie das im Abschnitt zur Zweifaktorkreuzung Gesagte: Die Grundidee, wie man aus einer Dreifaktorkreuzung die Daten für gleich drei Zweifaktorkreuzungen gewinnt, sollte man m.E. im Unterrichtsgespräch unter Einbeziehung der Tafel erarbeiten. Danach kann das Programm Klassische Genetik wieder zur Festigung eine selbstständig zu bearbeitende Aufgabe stellen. Geeignet ist beispielsweise: DROSOPHILA Genetische Analyse D Aber das Programm bietet auch hier weitere Beispiele. Sonstige Themen Außer den oben genannten, bietet das Programm Beispiele zu vielen anderen Themen, z. B. Polygenie, Polyphäny, multiple Allelie, somatische Erbgänge, Letalität, genetische Geschlechtsbestimmung, Mutationen die je nach Schulart/-stufe und Kursinteresse genutzt werden können. Autor: Addi Nüchel, Juni 2002
