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scientia halensis 4/2002 .................................................................................... Fachbereich Biologie ................................................................................ 20 (z. B. künstlicher Transfer von Genen). Untersuchungen ergaben, dass es notwendig ist, in der gymnasialen Oberstufe systematisch Aspekte der Gentechnik im Biologieunterricht zu behandeln. Der Begriff Gentechnik wird dabei als Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken verwendet. Vorgeschlagene Inhalte sind: • Biotechnik – Gentechnik, • Werkzeuge der Gentechnik: Enzyme zur Bearbeitung von DNA, Vektoren (»Genfähren«), Wirtszellen und Wirtsorganismen, • Herstellung rekombinanter DNA-Plasmide, • Methoden der Analyse und Vermehrung von Nucleotidsequenzen (Gelelektrophorese, DNA-Sequenzierung, Polymerase- Kettenreaktion, Nucleinsäure-Blotting und Hybridisierung), • transgene Organismen, • Möglichkeiten der Gentherapie beim Menschen, • Gentechnologie in der Landwirtschaft, • mögliche Probleme und Risiken der Gentechnik. Die Rolle des Experimentierens Das Praktikum »Biologische Schulexperimente« – eine wichtige Komponente der Lehrerausbildung (2002) Foto: H. Grimmer Im Sinne der wissenschaftspropädeutischen Grundbildung werden die Schülerinnen und Schüler mit Denk- und Arbeitsweisen der Naturwissenschaften vertraut gemacht. Im Wechsel und in gegenseitiger Ergänzung sind Beobachtungen und Experimente im Freiland und im Labor durchzuführen. Sie bilden die empirische Basis z. B. für das Ableiten kausaler Beziehungen, für die Arbeit mit Modellen und das Erkennen und Lösen von Problemen. Dabei sollte das Experiment in den drei naturwissenschaftlichen Fächern Biologie, Chemie und Physik eine hohe Priorität haben. Im Rahmen unseres Forschungsprojekts »Untersuchungen zur Qualität des naturwissenschaftlichen Unterrichts (Fächer Biologie, Chemie, Physik)« gehen wir von der bewiesenen Position aus, dass in der Weiterentwicklung des Experimentierens ein Schlüssel zur Verbesserung des naturwissenschaftlichen Unterrichts liegt. Zunächst verfolgen wir zwei Zielstellungen: 1. Entwicklung neuer, erkenntnisintensiver, schulrelevanter Experimente und 2. Gewinnung von Erkenntnissen zur inhaltlichen Einbindung des experimentellen Arbeitens mit seiner ganzen Abfolge in den Unterrichtsprozess. Das Schülerexperiment wird durch die Folge Beobachtung/Frage/Problem, Hypothese, Experiment, Verifikation (Bestätigung) resp. Falsifikation (Widerlegung) definiert. Nur Unterricht, der den Schülerinnen und Schülern diese Folge von Einzelschritten vermittelt (experimenteller Unterricht), führt zum Verständnis des heute mit Abstand dominierenden Verfahrens der Erkenntnisgewinnung in der Fachwissenschaft Biologie. Für den Biologieunterricht muss man leider feststellen, dass dem Experiment nicht die notwendige Bedeutung beigemessen wird. Das bezieht sich auf die repräsentative Auswahl und die Durchführung von geeigneten Experimenten und vor allem auch auf die Einordnung dieser in bestimmte Unterrichtseinheiten und deren didaktischer Begründung. Zwei Beispiele sollen Letzteres belegen. Im Rahmen biologiedidaktischer Forschung hat sich gezeigt, dass Schulexperimente aufgrund ihrer Stellung im Unterricht und ihrer didaktischen Funktion in drei Gruppen eingeteilt werden können: • Das einführende Experiment dient dem Einstieg in eine neue Fragestellung. • Das entdeckende Experiment folgt im Idealfall den Schritten, wie sie zur Kennzeichnung des Forschungsexperimentes dargestellt werden. Biotechnologie-Exkurs hallescher Lehramtsstudenten in die Brauerei Landsberg (2002) Foto: L. Schmidt • Das bestätigende Experiment hat zwei Aufgaben, nämlich die Bestätigung von Sachverhalten, die den Schülern bereits bekannt sind, und die vertiefende bzw. veranschaulichende Wiederholung. Natürlich haben die Experimente aller drei Gruppen eine didaktische Funktion im Unterrichtsprozess. Allerdings werden die Ziele des naturwissenschaftlichen Unterrichts, des naturwissenschaftlichen Arbeitens, erst voll realisiert, wenn wir uns den entdeckenden Experimenten in stärkerem Maße zuwenden. Hier gibt es erhebliche Defizite. Dieses Vorgehen gelingt nur durch bewusst gestaltete Unterrichtsphasen, deren Organisationsprinzip dann das naturwissenschaftliche Arbeiten, natürlich in elementarer Form, selbst ist. Wenn der experimentelle Zugang unter schulischen Bedingungen nicht oder nur bedingt möglich ist, dann ist der ausgewählte Einsatz verschiedener Unterrichtsmedien notwendig. Der Bezug zu den neuen Medien, z. B. CD-ROM, ist vor allem bei den Themen zu empfehlen, die der unmittelbaren Anschauung durch die Schülerinnen und Schüler nicht zugänglich sind, z. B. Genetik, Gentechnik, Immunbiologie. Es ist in einer Zeit heftiger Kritik an dem Leistungsvermögen deutscher Schülerinnen und Schüler notwendig, die fachdidaktische Forschungsarbeit zu forcieren, die Lehramtsausbildung weiter zu entwickeln, die bewusste Zusammenarbeit mit den Schulen besser zu verzahnen und die Akzeptanz und Wertschätzung der naturwissenschaftlichen Fächer überzeugender auszuweisen. Wolfgang Lerchner absolvierte von 1967 bis 1971 ein Lehrerstudium für die Fächer Biologie und Chemie an der halleschen Universität, wurde hier 1981 durch die Mathematisch-Naturwissenschaftliche (-Technische) Fakultät promoviert und habilitierte sich 1986. Seit 1995 hat er an der Martin-Luther-Universität die Professur Didaktik der Biologie inne. Lothar Schmidt studierte von 1972 bis 1976 an der Universität Halle die Lehramtsfächer Biologie/Chemie. Er ist seit 1982 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Biologiedidaktik und wurde 1987 promoviert.
.............................................................................. scientia halensis 4/2002 Fachbereich Biologie ALTERN UND STRESS BEI PFLANZEN MOLEKULARBIOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN Klaus Humbeck »Altern« und »Stress« sind Begriffe, die in den Medien tagtäglich in Bezug auf uns Menschen verwendet werden. Wenige denken wohl daran, dass damit auch für Pflanzen wichtige Vorgänge beschrieben werden. Anhand einiger Beispiele soll dies im Folgenden verdeutlicht werden. Seneszenz bei Blättern Ein sehr augenscheinliches Beispiel für einen Alterungsprozess bei Pflanzen ist im Spätsommer das Vergilben der Getreideblätter auf den Feldern (Abb. 1). Bei dieser so genannten Blattseneszenz werden in einem komplizierten Prozess in den Blättern wichtige Inhaltsstoffe, z. B. Proteine abgebaut, es werden Transportformen freigesetzt und in anderen Pflanzenteilen, z. B. den wachsenden Körnern der Ähre, als wichtige Bestandteile wieder eingebaut. Der ganze Vorgang bedeutet also für die Pflanzen nicht ein altersbedingtes und negativ zu sehendes Zusammenbrechen von Blattfunktionen, sondern dient vielmehr dem sehr effektiven Recyceln wichtiger Nährstoffe. Die Verfügbarkeit von Nährstoffen, die Außenfaktoren Licht und Temperatur oder auch ein Pathogenbefall können den Seneszenzprozess beschleunigen oder auch verzögern. Ein geordneter Ablauf der Blattseneszenz ist letztendlich sehr wichtig für die Qualität und Quantität des Kornertrags und somit auch von erheblichem landwirtschaftlichen Interesse. landschaften findet, und zum anderen die Wirkung von hohen Strahlungsdosen auf Pflanzen. Pflanzen sind widrigen Umweltbedingungen in der Regel nicht schutzlos ausgeliefert. Sie haben im Lauf der Evolution in unterschiedlichem Ausmaß Anpassungsmechanismen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, auch extreme Bedingungen schadlos zu überstehen. So überleben z. B. unsere Wintergetreide-Sorten im Gegensatz zu anderen Kulturpflanzen mühelos tiefe Fröste. Wir kennen ............................................................................... analysiert. Physiologische Messmethoden erlauben Aussagen zu stress- und altersbedingten Veränderungen wichtiger pflanzlicher Funktionen. Besonders sensitiv auf Altern und Stress reagieren Photosyntheseaktivitäten. Im Photosyntheseprozess, der in den typischen pflanzlichen Zellorganellen, den Chloroplasten, lokalisiert ist, können Pflanzen das Sonnenlicht als Energiequelle nutzen. Verschiedene Messgeräte erlauben es uns, genau zu bestimmen, wann und wo in der wachsenden Pflanze und an welchen Stellen der in den Chloroplasten befindlichen Photosynthesemaschinerie z. B. stressbedingte Schädigungen auftreten (Abb. 2). Dies ist wichtig, um zu verstehen wie bestimmte Schädigungen 21 Pflanzen im Stress Was bedeutet nun »Stress« bei Pflanzen? Pflanzen befinden sich in einer Stresssituation, wenn sich die abiotischen oder biotischen Umweltbedingungen so verändern, dass wichtige Lebensfunktionen erheblich gestört werden. Stress kann dann zu irreparablen Schäden bis hin zum Tod der Pflanzen führen. Wir interessieren uns schwerpunktmäßig für den auch ökonomisch sehr bedeutenden Effekt von Kälte auf Kulturpflanzen. Man unterscheidet hier zwischen einem Kühlestress, der bei sensitiven Pflanzen im Bereich von 0 bis 15°C auftreten kann, und dem Froststress, der bei Außentemperaturen unter 0°C eine Rolle spielt. Hier ist zu bemerken, dass solche niedrigen Umgebungstemperaturen weltweit zu den wichtigsten begrenzenden Umweltbedingungen beim Anbau von Kulturpflanzen zählen. In unserer Arbeitsgruppe werden noch zwei weitere Stressfaktoren untersucht: zum einen der Einfluss von hohen Schwermetallkonzentrationen, wie man sie z. B. in Bergbaufolge- Abb. 1: »Alte« Getreidepflanzen kurz vor der Ernte mittlerweile zwar einige der Tricks, die Pflanzen auf Lager haben, um sich gegen die verschiedenen Stresssituationen zu schützen, sind aber von einem genauen Verständnis vieler Schutzmechanismen noch weit entfernt. Experimentelle Ansätze Im Labor untersuchen wir nun die Prozesse, die der oben beschriebenen Blattseneszenz und den Stressantworten der Pflanzen zugrunde liegen. Dazu werden die Pflanzen unter standardisierten Umweltbedingungen in Klimakammern und Gewächshausabteilen in verschiedenen Entwicklungsstadien Foto: Humbeck zustande kommen oder wie Schutzmechanismen in den Pflanzen wirken. Molekulare Grundlagen von »Altern« und »Stress« Ein Hauptziel der Arbeitsgruppe ist, molekulare Faktoren, die bei den komplexen Prozessen der Blattseneszenz und der Stressantwort in der Pflanze eine Rolle spielen, zu identifizieren. In einem großangelegten molekularbiologischen Experiment konnten im letzten Jahr solche Gene der Gerste »gefischt« werden (Abb. 3), die bei der Blattalterung oder nach Stressbeginn induziert (= angeschaltet) werden. Etwa zehn
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