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Genetik und Biotechnologie • Beitrag 5
Unsere Erbanlagen (Kl. 9/10)
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Der Bauplan des Lebens – unsere Erbanlagen
Ein Beitrag von Sabine Nelke, Haltern am See
Mit Illustrationen von Julia Lenzmann, Stuttgart
Mithilfe einer Lerntheke beschäftigen sich
die Schüler mit dieser Frage. Dabei erarbeiten sie weitgehend selbstständig wichtige Begriffe wie Chromosomen oder Gene
und bauen Modelle einer menschlichen
Zelle, eines Chromosoms und der DNA.
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A
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Foto: Thinkstock/iStock
Jeder Jugendliche hat sicher schon einmal
sein Spiegelbild betrachtet und nach Ähnlichkeiten mit seinen Eltern, Geschwistern
oder anderen Verwandten gesucht – doch
wie kommt es zu diesen Ähnlichkeiten?
Die Jugendliche (Mitte) ist ihrer Großmutter und Mutter
wie aus dem Gesicht geschnitten – dank der Gene, die
sie von beiden geerbt hat.
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omosomen- und
r
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,
ZellModell selbst bauen!
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D
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Das Wichtigste auf einen Blick
Klasse: 9/10
Aus dem Inhalt:
Dauer: 6 Stunden (Minimalplan: 4)
•
Wo beinden sich die Erbanlagen des
Menschen?
beschreiben, wo sich die Erbanlagen
eines Menschen beinden.
•
Was ist ein Chromosom?
•
Wie ist die DNA aufgebaut?
•
benennen die verschiedenen Teile
eines Chromosoms.
•
Wie entsteht ein bestimmtes Merkmal
bei einem Menschen?
•
erläutern, wie die DNA aufgebaut ist.
•
•
beschreiben den Weg von den Genen zu
einem Merkmal mithilfe der Proteinbiosynthese.
Zusatzmaterialien zu Mutationen, genetischem Fingerabdruck, Gentechnik
und zur Entdeckung der Erbanlagen
Kompetenzen: Die Schüler …
•
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Unsere Erbanlagen (Kl. 9/10)
Genetik und Biotechnologie • Beitrag 5
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Rund um die Reihe
Warum wir das Thema behandeln
Die meisten Schülerinnen und Schüler* haben schon einmal Begriffe gehört, die mit der Vererbung von Merkmalen zu tun haben, wie Chromosomen, Erbanlagen oder Gene. Doch selten
kennen sie deren Aufbau, Funktion oder Lage im Körper.
In dieser Lerntheke erarbeiten die Schüler diese Begriflichkeiten weitgehend selbstständig.
Dabei werden sie einerseits aufgrund des hohen Alltagsbezugs, andererseits durch die große
Methodenvielfalt motiviert.
* Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.
Was Sie zum Thema wissen müssen
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Die Lage der Erbanlagen und der Aufbau eines Chromosoms
Die Erbanlagen eines Menschen liegen auf den Chromosomen. Daher werden diese auch als
„Träger der Erbanlagen“ bezeichnet. Sie beinden sich im Zellkern jeder Zelle.
Chromosomen haben im kondensierten Zustand eine x-ähnliche Form, was daher kommt,
dass sie aus zwei identischen DNA-Fäden, den Chromatiden, aufgebaut sind. Die Stelle, wo
die Chromatiden aneinanderhaften, nennt man Centromer.
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Der Aufbau der DNA
Der Begriff DNA ist die Abkürzung für den englischen Begriff Deoxyribonucleic Acid. Auf
Deutsch wird sie Desoxyribonukleinsäure (DNS) genannt. Sie ist der Träger der Erbanlagen
eines Menschen. Diese transportiert sie in Form von chemischen Informationen.
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Die DNA ähnelt in ihrem Aufbau einer „gedrehten Strickleiter“ und wird deshalb auch als Doppelhelix bezeichnet. Sie ist aus vier verschiedenen Bausteinen, den Nukleotiden, zusammengesetzt. Diese sind jeweils aus einem Phosphat-Rest, dem Zucker Desoxyribose und einer der
vier organischen Basen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) oder Guanin (G) zusammengesetzt.
Dabei bestehen die „Stränge“ der Leiter aus einer langen Kette von sich abwechselnden Phosphat-Resten und dem Zucker Desoxyribose. Die einzelnen Leitersprossen bestehen jeweils
aus zwei gegenüberliegenden Basen. Diese beiden Basen sind immer komplementär, wobei
Adenin immer zusammen mit Thymin und Cytosin immer zusammen mit Guanin eine Sprosse
bilden. Die Erbinformation ist durch die Abfolge der vier verschiedenen Basen verschlüsselt.
So besitzt jeder Mensch seinen ganz persönlichen „Code des Lebens“.
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Von den Erbanlagen zum Merkmal
Einzelne Abschnitte der DNA, die bei der Ausprägung eines Merkmals beteiligt sind, werden
als Gene bezeichnet. Die Gesamtheit aller Gene eines Menschen nennt man Genom. Auf unseren Chromosomen beinden sich etwa 25.000 Gene.
Gene unterscheiden sich untereinander in ihrer Länge und Basenabfolge. Diese Basenabfolge codiert die Information für ein bestimmtes Merkmal eines Menschen, z. B. die Haarfarbe
Braun. Mithilfe dieser Information werden Proteine hergestellt, z. B. der Farbstoff für die Haarfarbe Braun. Dieser komplizierte biochemische Prozess wird Proteinbiosynthese genannt. Er
läuft in zwei Phasen ab: Während der Transkription werden im Zellkern Kopien der Gene (in
Form von RNA-Molekülen) gebildet, um daraus während der Translation speziische Proteine
herzustellen. Die Information der Erbanlagen wird auf diese Weise also in Proteine übersetzt.
So können unterschiedliche Proteine entstehen, die an der Ausbildung bestimmter Merkmale
beteiligt sind.
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Mutationen können Erbanlagen verändern
Als Mutationen werden dauerhafte Veränderungen im Erbgut bezeichnet. Es können in allen
Zellen Mutationen vorkommen, wobei nur Mutationen der Keimzellen an die Nachkommen
weitervererbt werden. Mutationen können spontan oder durch äußere Einlüsse, z. B. die Einwirkung ultravioletter Strahlung, hervorgerufen werden. Beim Menschen kann es durch Mutationen z. B. zur Rot-Grün-Blindheit oder zu Albinismus kommen. Bei jedem Menschen treten
im Laufe seines Lebens einige Mutationen ein, wobei die meisten jedoch harmlos sind und
nicht in Erscheinung treten. Man unterscheidet Gen-, Chromosomen- oder Genommutationen.
Der genetische Fingerabdruck
Die Entwicklung des genetischen Fingerabdrucks hat die Kriminaltechnologie revolutioniert.
Beim genetischen Fingerabdruck handelt es sich um das DNA-Proil eines mutmaßlichen Täters, das man aus dessen biologischen Spuren, z. B. Haut, Blut, Sperma oder Haare, die er am
Tatort zurückgelassen hat, erstellen kann.
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Dazu werden die DNA-Abschnitte von menschlichen Spuren am Tatort und einer Vergleichsprobe eines mutmaßlichen Verdächtigen herausgeiltert. Diese DNA-Abschnitte werden dann
durch ein elektromagnetisches Feld zu einem Strichcode sortiert. Dieser Code ist für jeden
Menschen individuell. Bei einer Übereinstimmung vom Strichcode der biologischen Spur vom
Tatort und vom Strichcode des mutmaßlichen Täters ist der Täter identiiziert.
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Gentechnik
Die moderne Biotechnologie bietet heute durch die Gentechnik verschiedene Möglichkeiten,
gezielt in das Erbgut eines Lebewesens einzugreifen. So kann z. B. das genetische Material
von Nutzplanzen oder Nutztieren in der Landwirtschaft verändert werden, aber auch ein
Gen-Check eines Embryos ist denkbar. Diese Möglichkeiten macht sich die Präimplantationsdiagnostik, kurz PID, zunutze. So werden Embryonen, die aus einer künstlichen Befruchtung
hervorgegangen sind, einem Gen-Check unterzogen, also hinsichtlich ihrer genetischen Eigenschaften untersucht. Damit können beispielsweise Erbkrankheiten festgestellt werden. Wenn
dann die Eltern nach einer PID über die genetischen Eigenschaften der entstandenen Embryonen informiert wurden, können sie entscheiden, ob sie in die Gebärmutter der Mutter eingesetzt werden oder nicht. In Deutschland ist der Einsatz der PID nur in einigen Fällen erlaubt,
nämlich dann, wenn die Gefahr von Erbkrankheiten, Tod- oder Fehlgeburten besteht.
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Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung
Voraussetzungen der Lerngruppe
Da das Thema Genetik in den Lehrplänen für die Jahrgänge 9 und 10 vorgesehen ist, bringen
die Schüler meist schon einige Voraussetzungen für das Verstehen der Thematik mit. So kennen sie den Aufbau von Zellen, welcher so im Rahmen dieser Unterrichtseinheit eine Wiederholung darstellt. Auch sollten die Vorgänge der Mitose und der Meiose schon mal besprochen
worden sein. Einige verwendete Begriffe, wie z. B. Embryo oder Keimzellen, sollten die Schüler
in den vergangenen Schuljahren im Rahmen des Aufklärungsunterrichts kennengelernt haben.
Aufbau der Reihe
In der ersten Stunde führen Sie zunächst das Thema der Reihe mithilfe eines stummen Impulses durch Farbfolie M 1 ein, auf der das Foto einer Tochter, Großmutter und Mutter sowie
weitere Abbildungen zur Lage der Erbanlagen in einer Körperzelle, zu Chromosomen sowie zu
Erbkrankheiten abgebildet sind. Im Unterrichtsgespräch erhalten Sie daraufhin einen Eindruck
vom Vorwissen Ihrer Klasse bzw. können darauf verweisen, dass Unklarheiten mithilfe der nun
folgenden Lerntheke zu den Erbanlagen des Menschen ausgeräumt werden.
In den nächsten Stunden eignet sich die Lerngruppe Informationen rund um die Lage der
Erbanlagen eines Menschen (M 3), den Aufbau der Chromosomen (M 4), den Aufbau der DNA
(M 5), die Proteinbiosynthese (M 6), Mutationen (M 7), den genetischen Fingerabdruck (M 8)
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Genetik und Biotechnologie • Beitrag 5
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und die Gentechnik (M 9) während der selbstständigen Arbeit an der Lerntheke an. Der Laufzettel M 2 dient dabei als Checkliste, welche Materialien schon bearbeitet wurden, sowie als
Übersicht über die zu wählende Sozialform, das Niveau und die Möglichkeit der Selbsteinschätzung.
Mithilfe von Farbfolie M 1 können die Inhalte der Lerntheke nochmal aufgegriffen sowie mögliche Unklarheiten besprochen werden. Der Selbst-Test M 10 dient als schriftliche Lernerfolgskontrolle zum Abschluss der Unterrichtseinheit. Falls noch Zeit vorhanden ist, kann außerdem
eine Debatte zum Thema Gentechnik, welche im Rahmen der Differenzierung mit Arbeitsblatt
M 9 schon vorbereitet worden ist, vor der Klasse als Rollenspiel aufgeführt werden.
Tipps zur Differenzierung
Die Unterrichtsreihe ist so aufgebaut, dass den Schülern der Lernstoff durch die selbstständige schülerzentrierte Arbeit mit einer Lerntheke vermittelt wird. Währenddessen arbeiten die
Schüler in verschiedenen Sozialformen und können sich im Rahmen der Differenzierung für
zusätzliche Aufgaben entscheiden. Es werden dabei Materialien in drei Niveau-Stufen angeboten.
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Während der Arbeit mit den Materialien der Lerntheke müssen die Schüler Plichtaufgaben erledigen (M 3–M 6); können aber im Rahmen der Differenzierung aus weiteren Zusatzaufgaben
(M 7–M 9) wählen, die verschiedene Schwierigkeitsgrade aufweisen. Auf dem Laufzettel M 2
sind die Plichtaufgaben angegeben. Außerdem erhält die Lerngruppe dort auch einen Überblick darüber, welcher Niveaustufe die jeweiligen Zusatzaufgaben entsprechen. Als Zusatzmaterial auf CD
steht Ihnen außerdem das Arbeitsblatt „Gregor Mendel & Co. – die Entdeckung der Erbanlagen“ zur Verfügung, das besonders schnelle Schüler zur Überbrückung von
Wartezeiten bearbeiten können.
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Ideen für die weitere Arbeit
Mithilfe dieser Reihe erhalten die Schüler einen breiten Überblick über die verschiedenen
Aspekte der Genetik. In den folgenden Stunden können diese Aspekte, beispielsweise in einer
arbeitsteiligen Gruppenarbeit, vertieft werden.
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Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler
Die Schüler …
•
•
•
•
•
•
•
•
•
beschreiben, wo sich die Erbanlagen eines Menschen beinden.
benennen die verschiedenen Teile eines Chromosoms.
erläutern, wie die DNA aufgebaut ist.
beschreiben den Weg von den Genen zu einem Merkmal mithilfe der Proteinbiosynthese.
informieren sich in unterschiedlichen Texten über biologische Sachverhalte und arbeiten
mit diesen in verschiedener Form weiter.
können Modelle nach Anleitung bauen und deren Unterschiede zur Realität beschreiben.
erklären Mutationen als Ursache für die Veränderung von Erbanlagen und wenden ihr Wissen auf einige Beobachtungen von Charles Darwin an (Differenzierung).
stellen den Verlauf der Anwendung des genetischen Fingerabdrucks im Rahmen der Kriminaltechnologie dar (Differenzierung).
formulieren Pro- und Contra-Argumente zum Thema Gentechnik (Differenzierung).
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Genetik und Biotechnologie • Beitrag 5
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Die Reihe im Überblick
Ab = Arbeitsblatt
LK = Lösungskarte
SV = Schülerversuch
Fo = Folie
LEK = Lernerfolgskontrolle
= Zusatzmaterial auf CD
Stunden 1–5: Die Lerntheke „Unsere Erbanlagen“
Material
Thema und Materialbedarf
M 1 (Fo)
Um welches Thema geht es?
M 2 (Ab)
Lerntheke „Unsere Erbanlagen“ – Laufzettel
M 3 (Ab/SV/LK)
j Wo beinden sich die Erbanlagen des Menschen?
M 4 (Ab/SV/LK)
r
Klebstoff
r
1 Bleistift pro Schüler
r
5–10 Scheren
r
1 roter Buntstift pro Schüler
r
2 x 50 cm dünner Draht pro
Schüler
r
1 x 10 cm Wollfaden pro Schüler
r
1 Klarsichthülle pro Schüler
H
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r
1 Bleistift pro Schüler
M 5 (Ab/SV/LK)
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k Chromosomen – die Träger der Erbanlagen
l Die DNA – der Code deines Lebens
r
3 x 4 Knetstangen (schwarz,
weiß, rot, gelb, blau)
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3 Schneidebretter
r
3 Küchenmesser
r
Smartphone oder Kamera zum
Fotografieren der Knete-Modelle
M 6 (Ab/LK)
m Proteinbiosynthese – von den Erbanlagen zum Merkmal
M 7 (Ab/LK)
n Mutationen – Veränderungen der Erbanlagen (Zusatz)
M 8 (Ab/LK)
o Der genetische Fingerabdruck – entlarvt den Täter! (Zusatz)
M 9 (Ab/LK)
(Ab)
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p Gentechnik – Pro oder Contra? (Zusatz)
Gregor Mendel & Co. – die Entdeckung der Erbanlagen (Zusatz)
Lösungskarten zu den Materialien a–g
Stunde 6: Besprechung der Ergebnisse, Lernerfolgskontrolle
Material
M 10 (LEK)
(Vorlage)
Thema und Materialbedarf
Teste dich selbst! – Was weißt du über unsere Erbanlagen?
Auswertungsbogen für den Selbst-Test
Dein Bio-Lexikon – Begriffe von A–Z
Minimalplan
Ihnen steht wenig Zeit zur Verfügung? Dann können Sie die Einheit auf vier Stunden verkürzen,
indem Sie die Lerntheke ohne die Arbeitsblätter M 7–M 9 durchführen. Der Selbst-Test M 10
kann auch als Hausaufgabe eingesetzt werden.
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Um welches Thema geht es?
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Fotos a, b: Fotolia; c: Thinkstock/Dorling Kindersley; d: Thinkstock/iStock
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Unsere Erbanlagen (Kl. 9/10)
Genetik und Biotechnologie • Beitrag 5
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Lerntheke „Unsere Erbanlagen“ – Laufzettel
M2
Mithilfe der Lerntheke „Unsere Erbanlagen“ kannst du dir den Lernstoff zum Thema selbstständig aneignen.
So gehst du vor
• Du bearbeitest in deinem persönlichen Lerntempo die verschiedenen Materialien. Über die
Reihenfolge entscheidest du.
• Wenn ein Material in einer Partner- oder Gruppenarbeit bearbeitet werden soll, arbeite mit
deinen Mitschülern zusammen.
• Nach der Bearbeitung überprüfst du eigenständig deine Lösungen mithilfe der Lösungskarten und trägst in der Tabelle unten ein, wie du dein Ergebnis einschätzt. Du kannst die
Materialien ein zweites Mal bearbeiten.
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• Nach den Pflichtmaterialien kannst du die Zusatzmaterialien in beliebiger Reihenfolge bearbeiten.
Erledigt?
Material
Sozialform
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Wo befinden sich die Erbanlagen eines Menschen?
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Pflicht
b
Pflicht
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Pflicht
d
Pflicht
Chromosomen – die Träger der Erbanlagen
e
Niveau
So schätze ich mein
Ergebnis ein:


Die DNA – der Code deines Lebens

Von den Erbanlagen zum
Merkmal

Veränderungen der Erbanlagen – Mutationen

Ein genetischer Fingerabdruck entlarvt den Täter!

Zusatz
f
Zusatz
g
Gentechnik – Pro oder
Contra?

Zusatz
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Genetik und Biotechnologie • Beitrag 5
Unsere Erbanlagen (Kl. 9/10)
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a Wo befinden sich die Erbanlagen des Menschen?
M3
Heute weiß man, dass sich die Erbanlagen des Menschen in seinen kleinsten Einheiten, den
Zellen, befinden. Diese wiederum bestehen aus mehreren Bausteinen, den Organellen, die
unterschiedliche Aufgaben haben. Wo aber liegen genau die Erbanlagen?
Aufgabe 1
Informiere dich in der Tabelle unten über die verschiedenen Organellen einer Zelle.
Zellorganell
Aufgabe in der Zelle
ER (Endoplasmatisches
Retikulum)
In dieser „Fabrik“ der Zelle werden verschiedene Stoffe produziert und über ihre Transportkanäle zu anderen Teilen der Zelle
geleitet.
Golgi-Apparat
Das „Lager“ der Zelle nimmt verschiedene Substanzen auf und
gibt sie wieder ab.
Mitochondrien
In diesem „Kraftwerk“ der Zelle wird Energie gewonnen.
Zellkern
Die „Steuerzentrale“ für alle Vorgänge in der Zelle und der
„Speicher“ für das genetische Material liegen hier in Form von
Chromosomen vor.
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Aufgabe 2
Stelle ein einfaches Zellmodell für eine tierische Zelle her:
a) Schneide die verschiedenen Organellen einer Zelle am unteren Rand dieses Arbeitsblattes
aus.
b) Klebe sie in die Zelle unten. Beachte: Das ER liegt direkt am Zellkern!
c) Beschrifte dein Zellmodell.
d) Schneide den Pfeil vom unteren Bildrand aus. Male ihn mit einem Buntstift rot aus. Klebe ihn
so in dein Zellmodell, dass deutlich wird, wo sich die Erbanlagen des Menschen befinden.
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Hier befinden
sich die Erbanlagen
des Menschen!
Mitochondrien
Golgi-Apparat
Zellkern
ER
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f Der genetische Fingerabdruck – entlarvt den Täter!
M8
Wenn ein Verbrechen begangen wird, hinterlässt der Täter meistens Spuren. Häuig handelt es
sich dabei um biologische Spuren, wie z. B. ein Haar oder eine Hautschuppe. Mit einer solchen
Spur kann dann ein DNA-Proil des Täters, sein genetischer Fingerabdruck, erstellt werden.
Mithilfe dieses Verfahrens kommt die Kriminalpolizei häuig auf die Spur eines Täters.
Aufgabe
Stelle unten mithilfe der verschiedenen Textbausteine dar, wie das DNA-Proil eines Täters erstellt wird. Schneide dazu die verschiedenen Textbausteine aus und ordne sie den passenden
Abbildungen zu.
Klebe die Textbausteine erst auf, wenn du dein Ergebnis kontrolliert hast!
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B
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Die DNA wird aus der biologischen Spur
des Täters herausgeiltert. Bestimmte
DNA-Abschnitte aus dem Filtrat werden
mithilfe von Enzymen herausgeschnitten
und dann vervielfältigt.
Durch ein elektromagnetisches Feld werden die DNA-Abschnitte zu einem für
jeden Menschen individuellen Strichcode
sortiert. Sind die Strichcodes der biologischen Spur und der Vergleichsprobe identisch, ist der Täter entlarvt.
Ein Straftäter hinterlässt am Tatort biologische Spuren. Das können z. B. Haare,
Hautschuppen oder Blut sein.
Eine Vergleichsprobe von einem mutmaßlichen Täter wird erstellt, z. B. durch einen
Speichelabstrich.
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g Gentechnik – Pro oder Contra?
Die moderne Gentechnik kann Unvorstellbares möglich machen. So können z. B. künstlich
erzeugte Embryonen mithilfe der Präimplantationsdiagnostik hinsichtlich ihrer genetischen
Eigenschaften untersucht werden. Diskutiert die Vor- und Nachteile der neuen Möglichkeiten.
Aufgabe 1
Lies dir den folgenden Informationstext durch.
Die PID und ihre Folgen
Durch die moderne Gentechnik ist es heute möglich, Embryonen, die durch eine künstliche
Befruchtung erzeugt wurden, hinsichtlich ihrer genetischen Eigenschaften zu untersuchen.
Diese Untersuchungen werden als Präimplantationsdiagnostik, kurz PID, bezeichnet. Durch
diese Untersuchungen können z. B. Erbkrankheiten festgestellt werden. Nachdem die Eltern dann nach einer PID über die genetischen Eigenschaften des entstandenen Embryos
aufgeklärt wurden, können sie entscheiden, ob sie diesen in die Gebärmutter der Mutter
einsetzen lassen oder nicht. In Deutschland ist der Einsatz der PID nur in Fällen erlaubt, bei
denen die Gefahr von Erbkrankheiten, Tod- oder Fehlgeburten besteht.
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Aufgabe 2
Stell dir vor, du beteiligst dich an einer Pro- und Contra-Debatte zum Thema Gentechnik. An
dieser Debatte werden folgende Personen teilnehmen:
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Ein Arzt
Dieser führt die PID
bei kinderlosen Paaren durch.
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Eine Schwangere
Sie möchte auf gar
keinen Fall ein behindertes Kind zur Welt
bringen.
Ein Priester
Eine Mutter
Sie ist sich sicher,
dass ihr Kind mit
Down-Syndrom ein
glückliches
Leben
führt.
Fotos: Thinkstock/iStock
Er glaubt, dass niemand außer Gott
über Leben und Tod
entscheiden darf und
dass Eltern keine
„Designer-Kinder“
erwarten dürfen.
a) Entscheide dich für eine der Personen, welche du in der Pro- und Contra-Debatte gern vertreten würdest.
b) Stell die Meinung dieser Person ausführlich dar, indem du Argumente für ihre Position
notierst.
Wusstest du schon, …
… dass es in einigen Ländern erlaubt ist, durch die PID „Retter-Geschwister“ zu erzeugen? Von diesen Kindern werden Blut oder Gewebe verwendet, um ein älteres,
krankes Geschwisterkind zu retten.
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Lösungskarte zu b: Chromosomen – die Träger der Erbanlagen
Aufgabe 2
Aufgabe 3
Chromosomen-Modell aus Draht:
Telomer
Chromatide
Centromer
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Aufgabe 4
a) Ein Modell kann zwar nie alle Aspekte dessen zeigen, was es modellhaft darstellt, dafür
wird aber ein bestimmter Aspekt, hier der grobe Aufbau eines Chromosoms, besonders
hervorgehoben.
H
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b)

Chromosom
Chromosomen-Modell
Chromosom
Drähte und Wollfaden
Chromatid
ein Draht
Centromer
Wollfaden
S
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Lösungskarte zu c: Die DNA – der Code deines Lebens
Aufgabe 2
Beispiel für das Knet-Modell eines DNA-Abschnittes:
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