Die „roten Fäden“ durch die Biologie
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Die „roten Fäden“ durch die Biologie (nach einem Vorschlag des Fortbildungsprogramms DELTAplus) Grundwissen im Fach Natur und Technik (5.-6. Jahrgangsstufe) Steuerung und Regelung Organisationsebene Evolution Information Struktur und Funktion Reproduktion Variabilität und Angepasstheit Steuerung und Regelung Stoff- und Energieumwandlung Organisationsebene Evolution Information Struktur und Funktion Reproduktion Variabilität und Angepasstheit Steuerung und Regelung Evolution Informati Informati on on Evoluti Evoluti on Struktur und Funktion on Oberfläc Oberfläc he Variabilität und he Angepasstheit Stoffe und Stoffe und Teilchen Teilchen Stoff- und Energieumwandlung Organisationsebene Energie Energie Information .............. .............. Reproduktion Fortpflanzu Fortpflanzu Stoff- und ng Energieumwandlungng Stoffwech Stoffwech sel sel Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 1 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 1 Luft ist ein Gasgemisch und besteht aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Edelgasen Volumenanteile der Gase in % Luft ist ein Gasgemisch 0,98 Stickstoff 20,94 0,94 Sauerstoff Edelgase 78,08 Kohlenstoffdioxid 0,04 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 2 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Nachweisreagenz Stärke + braune IodLösung blauviolette Färbung Fehling- Probe: Traubenzucker/ Glucose + blaue FehlingLösung rotbraune Färbung Fettfleck- Probe: Fett/Öl + Papier durchsichtig, bleibender Fettfleck Eiweiß- Probe: Eiweiß + Hitze oder Säure Gerinnung Kohlenstoffdioxid + klares Kalkwasser milchig, trüber Niederschlag Sauerstoff + glimmender Span brennender Span KalkwasserProbe: Glimmspan-Probe: Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 3 für den Stoff typische Reaktion + Iod-Probe: Struktur und Funktion 2 unbekannter Stoff Allg. Schema: Nachweise seit 5. Jgst. Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 3 seit 5. Jgst. 4 Naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Art seit 5. Jgst. 4 Alle Lebewesen, die sich miteinander fortpflanzen und dabei fruchtbare Nachkommen hervorbringen, gehören zu einer Art. Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5 5. Jgst. Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Kennzeichen des Lebens Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6 5. Jgst. seit 5. Jgst. 5 Bewegung Veränderung über Generationen (Evolution) Stoffwechsel (Aufnahme, Umbau, Abgabe) Aufbau aus Zellen Wachstum Fortpflanzung Information (Aufnahme, Verarbeitung, Weitergabe) Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 6 Zelle: kleinste lebensfähige Einheit Zelle pflanzliche Zelle Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 7 5. Jgst. Makroskopische Ebene Organisationsebenen Mikroskopische Ebene Zellmembran Zellwand ion Zellkern Chloroplasten Informa Zellw mit DNA Cytoplasma Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden ri seit 5. Jgst. 7 Lebewesen besteht aus verschiedenen Organen (z B. Muskeln, Herz) Organ Funktionseinheit aus verschiedenen Geweben (z.B. Muskel aus Muskelgewebe, Nervengewebe, ..) Gewebe bestehen aus vielen gleichen Zelltypen Muskelgewebe aus vielen Muskelzellen) Zellen sind die kleinsten, lebensfähigen Einheit der Lebewesen (z.B. Muskelzellen, …) (z.B. Zellorganellen sind membranumschlossene Untereinheiten einer Zelle, die bestimmte Aufgaben erfüllen (z.B. Zellkern, ...) Teilchen CO2 tierische Zelle Vakuole z.B. Kohlenstoffdioxid-Teilchen Submikroskopische Ebene Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 8 5. Jgst. Vom Reiz zur Reaktion: Reiz ? Schallwellen als Reiz Umwandlung in elektrische Signale elektrische Weiterleitung Sinneszelle Sinnesnerv Reaktion im Sinnesorgan Ohr Reiz Reaktion Reaktion elektrische Weiterleitung Muskel Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. Gehirn + Rückenmark + Nervenfasern Fang ! Fang ! Information Nervensystem: Nervensystem Schallwellen als Struktur und Funktion Bewegungsnerv Vom Reiz zur Reaktion: Umwandlung in elektrische Signale elektrische Weiterleitung Sinneszelle Sinnesnerv im Sinnesorgan Ohr Verarbeitung im Gehirn elektrische Weiterleitung Muskel Verarbeitung im Gehirn Bewegungsnerv Gehirn 8 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 9 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Skelett: seit 5. Jgst. 9 Stützfunktion, Schutz wichtiger Organe und Beweglichkeit Schädel und Wirbelsäule Schultergürtel (Schlüsselbein und Schulterblatt) Brustkorb (Brustbein und Rippen) Skelett des Menschen Beckengürtel Armskelett (Oberarm-, Elle/Speiche, Handwurzel-, Mittelhand-, Fingerknochen) Beinskelett (Oberschenkel-, Schien-/Wadenbein, Fußwurzel, Mittelfuß-, Zehenknochen) Gelenke: Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 10 bewegliche Verbindungsstellen zwischen Knochen Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 10 Muskeln bewegen die Knochen können sich selber nur zusammenziehen, aber nicht aktiv dehnen Muskeln Gegenspielerprinzip von Beuger und Strecker Gegenspieler-Prinzip Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. Für die Bewegung von Gliedmaßen, z.B. des Unterarms, sind immer zwei Muskeln notwendig! Der Beugemuskel und der Streckmuskel arbeiten meist abwechselnd. Sie sind Gegenspieler! Dies ist nötig, weil sich Muskeln nur aktiv verkürzen, aber niemals selber wieder dehnen/strecken können. 11 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 11 seit 5. Jgst. 12 Nahrungsbestandteile Kohlenhydrate Stärke, Traubenzucker z.B. Brot, Nudeln, Kartoffeln Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Stoffwechsel seit 5. Jgst. 12 Aufnahme von Stoffen (Energieträger, Baustoffe, …) Umwandlung von Stoffen zum Aufbau und für die Energieversorgung des Körpers Abgabe von nicht verwertbaren Stoffen Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 13 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 13 Verdauung Zerlegung der Nährstoffteilchen in kleinere Bestandteile, um die Aufnahme ins Blut zu ermöglichen Verdauung Enzyme Protein(molekül)e als „Nanowerkzeuge“, die den Auf-, Umund Abbau aller von der Zelle benötigten Teilchen bei Körpertemperatur beschleunigen bzw. erst ermöglichen. Enzyme Stoffe und Teilchen seit 5. Jgst. 14 Stoffe und Teilchen seit 5. Jgst. 14 Jeder Gegenstand (=jedes Ding) besitzt eine Masse (= Messgröße); [g], [kg] (= Einheit) ein Volumen (= Messgröße); [cm3], [l] (= Einheit) eine Form und besteht aus bestimmten Stoffen (=Materialien). Gegenstand und Stoff Stoffe und Teilchen seit 5. Jgst. 15 Stoffe und Teilchen seit 5. Jgst. 15 Reinstoffe erkennt man an ihren charakteristischen Eigenschaften (z.B. Siedetemperatur, Schmelztemperatur, Dichte und Löslichkeit, ...) Reinstoffe Stoffgemische bestehen aus unterschiedlichen Reinstoffen (Beispiel: Zuckerwasser ist ein Gemisch aus dem Reinstoff Zucker und dem Reinstoff Wasser) lassen sich aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Reinstoffe wieder voneinander trennen (Beispiel: Filtrieren, Sedimentieren, Abdampfen, …) Stoffgemische Stoffe und Teilchen Teilchenmodell (Unterstufe) seit 5. Jgst. 16 Stoffe und Teilchen seit 5. Jgst. 16 Alle Stoffe bestehen aus kleinen Teilchen, die sich in Größe, Form und Masse unterscheiden. Teilchen ist ein Sammelbegriff für Atome, Moleküle, Ionen. Zwischen den Teilchen ist nichts (Vakuum). Die kleinen Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in Masse, Form und Größe. Die kleinen Teilchen sind ständig in Bewegung. Durch Erwärmen einer Stoffportion werden sie schneller, durch Abkühlen langsamer. Diffusion: gleichmäßiges Verteilen mindestens zweier Teilchensorten aufgrund ihrer Eigenbewegung ( Durchmischung auf Stoffebene) seit Stoffe und Teilchen 5. Jgst. 17 seit 5. Jgst. Stoffe und Teilchen Aggregatzustand 17 Teilchenvorstellung kondensieren verdampfen flüssig erstarren schmelzen erwärmen Aggregatzustände und Teilchenmodell abkühlen gas(förm)ig fest Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 18 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 18 Je größer die Oberfläche, desto mehr Austausch ist möglich! OberflächenvergrößerungsPrinzip Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. Beispiele Darmzotten: Aufnahme der Nährstoffteilchen ins Blut Lungenbläschen: Gasaustausch 19 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 19 doppelter geschlossener Blutkreislauf Lungenbläschen Kapillaren (Haargefäße): feinste Blutgefäße zwischen Arterien und Venen für den Stoffaustausch Lungenkreislauf doppelter geschlossener Blutkreislauf Venen: Blutgefäße, die das Blut zum Herzen hintransportieren Herz Arterien (Schlagadern): Körperkreislauf Blutgefäße, die das Blut vom Herzen wegtransportieren Körperzelle Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 20 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5. Jgst. 20 Energie kann weder erzeugt werden noch verloren gehen, höchstens nicht mehr nutzbar sein. Es gibt verschiedene Formen von Energie, die sich ineinander umwandeln lassen. z.B.: Energie Energie in Nährstoffen Bewegungsenergie, Wärme Lageenergie des Wassers elektrische Energie Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5/6. Jgst. 21 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5/6. Jgst. 21 Zellatmung In jeder Tier- und Pflanzenzelle ( Energiebereitstellung aus Energieträgern für Lebensvorgänge) Zellatmung Traubenzucker +SauerstoffLichtenergie Kohlenstoffdioxid + Wasser Energie für Lebensvorgänge Fotosynthese in den Chloroplasten der Pflanzenzellen Fotosynthese ( Energiespeicherung in Energieträgern) Licht Lichtenergie Wasser + Kohlenstoffdioxid Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5./6. Jgst. 22 Sauerstoff + Traubenzucker Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 5./6. Jgst. 22 Geschlechtszellen (=Keimzellen): Eizelle: unbewegliche, nährstoffreiche, weibl. Geschlechtszelle Spermium: bewegliche, männl. Geschlechtszelle Pollen: unbewegliche, männl. Geschlechtszellen der Pflanzen Keimzellen Begattung / Bestäubung Begattung / Bestäubung Übertragung der Spermien in den weiblichen Körper bzw. der Pollen auf die Narbe der Blüte der gleichen Art Befruchtung Befruchtung Verschmelzung der Zellkerne von Eizelle und Spermium Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 23 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Atmung Kennzeichen der 5 Wirbeltierklassen Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Embryo seit 6. Jgst. 24 Körperbedeckung bzw. -temperatur Knochenwechselschuppen warm seit 6. Jgst. 23 Fortpflanzung: Befruchtung bzw. frühe Entwicklung äußere äußere: Larven mit Dottersack (Nährstoffspeicher) meist äußere meist äußere: Larvenentwicklung im Wasser (Metamorphose) Fische Kiemen Amphibien stark durchblutete Haut mit Schleimschicht wechselwarm Reptilien Kiemen (Larve), Hautatmung, Lunge Lunge Hornschuppen oder –platten wechselwarm innere Vögel Lunge Federn aus Horn gleichwarm innere Säugetiere Lunge Haare (Fell) aus Horn gleichwarm innere Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden äußere: nährstoffreiche Eier mit weicher Schale äußere: nährstoffreiche Eier mit harter Kalkschale innere: in der Fruchtblase später: Weibchen mit Milchdrüsen zum Säugen der Jungen seit 6. Jgst. 24 Embryo Aus der befruchteten Eizelle neu entwickelter Organismus Larve Larve Jugendform mit besonderen Organen, die dem erwachsenen Tier fehlen Metamorphose Metamorphose Verwandlung der Larve zum erwachsenen Tier, wobei eine Gestaltänderung durch Rückbildung, Umwandlung und Neubildung von Organen erfolgt Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 25 Pflanzenkörper Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden Spross Wurzel Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 26 seit 6. Jgst. 25 Blüte Blätter Fortpflanzung Herstellung von Traubenzucker (Fotosynthese) Stängel / Stamm Transport Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen Speicherung von Stoffen Verankerung im Boden Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 26 Kelchblatt Blüte Blüte Blütenblatt Staubbeutel mit Pollen Staubgefäß Blüte Fruchtknoten Stempel Samenanlage mit Eizelle Blütenboden Frucht Information Samen Embryo im Ruhezustand, der von Vorratsstoffen umgeben ist Frucht Die Frucht entsteht nach der Befruchtung meistens aus dem Fruchtknoten und enthält die Samen bis zur Reife Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 27 Ungeschlechtliche Fortpflanzung Geschlechtliche Fortpflanzung Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden gleichwarm wechselwarm Griffel Narbe Samen Struktur und Funktion Staubfaden seit 6. Jgst. 28 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 27 Ungeschlechtliche Fortpflanzung ( Klone ) Ein Lebewesen erzeugt Nachkommen, die untereinander identisch sind (z.B. Kartoffelknolle). Geschlechtliche Fortpflanzung Zwei Lebewesen erzeugen Nachkommen, die untereinander etwas verschieden sind. ( Verschiedenheit als Voraussetzung für Evolution.) Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 28 gleichwarm Die Körpertemperatur ist unabhängig von der Außentemperatur immer ungefähr gleich. Das Lebewesen kann die Körpertemperatur durch Regulation konstant halten. wechselwarm Die Körpertemperatur entspricht ungefähr der Außentemperatur und kann vom Lebewesen nicht konstant gehalten werden. Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 29 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 29 Diagramm, das die Verwandtschaftsverhältnisse von Arten und größeren Gruppen sowie die zeitliche Reihenfolge ihres Auftretens zeigt. Zeit: vor … Jahren Stammbaum Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 30 Struktur und Funktion Information Evolution Variabilität und Angepasstheit Organisationsebene Reproduktion Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Methoden seit 6. Jgst. 30 Biologen sortieren Lebewesen nach abgestuften Ähnlichkeiten in Verwandtschaftsgruppen ( systematische Begriffe) zunehmende Ähnlichkeit und somit größerer Verwandtschaftsgrad Natürliches System Verwandschaftsgruppe Reich Stamm Klasse Ordnung Familie Gattung Art Beispiel Tiere Wirbeltiere Säugetiere Raubtiere Bären Echte Bären Eisbär
