Biologie · Klasse 13

Ideen für aktives Lernen

Calvin-Zyklus und Photorespiration

Aktive Lernformen eignen sich besonders für den Calvin-Zyklus und die Photorespiration, weil die Schüler die komplexen Zusammenhänge zwischen Stoffwechselwegen, Enzymaktivitäten und Umweltbedingungen durch eigenes Handeln begreifen. Durch Simulationen und kollaborative Analysen wird der Unterschied zwischen lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen greifbar, was das Verständnis für die Dynamik der Photosynthese vertieft.

• KMK Bildungsstandards
• STD.KMK.BIO.1.4
• STD.KMK.BIO.2.2

• 30–45 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 3 Aktivitäten

Aktivität 01

• Forschungskreis
• 45 Min. · Kleingruppen

Forschungskreis: Die Bilanz des Zyklus

Schüler berechnen in Gruppen den Bedarf an ATP und NADPH+H+ für die Synthese eines Moleküls Glucose. Sie müssen dabei berücksichtigen, wie viele Umdrehungen des Zyklus nötig sind und woher die Energie stammt.

Warum gilt Rubisco als das wichtigste, aber ineffizienteste Enzym der Welt?

Moderationstipp

Legen Sie bei der 'Collaborative Investigation' Wert darauf, dass die Schüler ihre Berechnungen der Kohlenstoffbilanz Schritt für Schritt dokumentieren, um Fehlschlüsse zu vermeiden.

Worauf zu achten ist

Die Schüler erhalten eine Grafik, die den CO2-Gehalt und die O2-Konzentration über die Zeit in einem geschlossenen System mit einer Pflanze zeigt. Sie sollen erklären, wie die Photorespiration die CO2-Aufnahme beeinflusst und welche Bedingungen dies begünstigen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Aktivität 02

• Planspiel
• 30 Min. · Ganze Klasse

Planspiel: Rubisco-Dilemma

In einem Spiel simulieren Schüler das Enzym Rubisco. Sie müssen 'CO2-Bälle' fangen, aber wenn 'O2-Bälle' (Sauerstoff) in der Überzahl sind, unterlaufen ihnen Fehler, was die Photorespiration und den Energieverlust veranschaulicht.

Wie kompensiert die Photorespiration Energieverluste unter Stress?

Moderationstipp

Nutzen Sie die 'Simulation: Rubisco-Dilemma', um die Schüler aktiv zu einer Entscheidung zu führen, ob sie Rubisco als 'gutes' oder 'schlechtes' Enzym bewerten – dies fördert die Argumentationsfähigkeit.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie den Schülern eine Liste von Zwischenprodukten des Calvin-Zyklus und der Glykolyse. Die Schüler sollen die Moleküle identifizieren, die spezifisch für den Calvin-Zyklus sind und erklären, warum sie für die CO2-Fixierung notwendig sind.

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Aktivität 03

• Ich-Du-Wir (Denken-Austauschen-Vorstellen)
• 30 Min. · Partnerarbeit

Ich-Du-Wir (Denken-Austauschen-Vorstellen): Regeneration des Akzeptors

Schüler erarbeiten paarweise, warum die Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat für den Fortbestand des Zyklus kritisch ist und was passieren würde, wenn dieser Schritt blockiert wäre (z.B. durch Herbizide).

Welche Bilanz ergibt sich für die Synthese eines Glucose-Moleküls?

Moderationstipp

Verwenden Sie beim 'Think-Pair-Share' zur Regeneration des Akzeptors konkrete Strukturformeln der Zwischenprodukte, um die Kohlenstoffumverteilung sichtbar zu machen.

Worauf zu achten ist

Diskutieren Sie mit den Schülern: 'Warum ist Rubisco trotz seiner Ineffizienz das am häufigsten vorkommende Enzym auf der Erde?' Leiten Sie die Diskussion zu den evolutionären Kompromissen und den Bedingungen, unter denen die Oxygenase-Aktivität von Rubisco vorteilhaft sein könnte.

• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbstwahrnehmung
• Beziehungsfähigkeit

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Erfahrene Lehrkräfte setzen bei diesem Thema auf eine klare Trennung zwischen den lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen, um den Schülern die Abhängigkeiten zu verdeutlichen. Vermeiden Sie es, den Calvin-Zyklus isoliert zu betrachten – betonen Sie stets die Verbindung zu ATP/NADPH+H+-Bereitstellung und den Umweltbedingungen. Nutzen Sie die evolutionäre Perspektive von Rubisco, um zu zeigen, dass 'Ineffizienz' im Kontext der damaligen Atmosphäre nachvollziehbar war.

Erfolgreiches Lernen zeigt sich darin, dass die Schüler die drei Phasen des Calvin-Zyklus erklären, die Rolle von Rubisco kritisch diskutieren und die Photorespiration als Folge der Oxygenase-Aktivität von Rubisco einordnen können. Sie sollen zudem die Bilanz des Zyklus berechnen und die Bedeutung von G3P als direktes Produkt erkennen.

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Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während der Collaborative Investigation zur Bilanz des Calvin-Zyklus wird oft fälschlich angenommen, dass die Dunkelreaktion nur nachts stattfindet.

  Nutzen Sie die Gelegenheit, die Schüler auf die Abhängigkeit von den Produkten der Lichtreaktion hinzuweisen. Lassen Sie sie in der Gruppe diskutieren, warum die Fixierung von CO2 tagsüber effizienter ist und wie die Begriffe 'Dunkelreaktion' und 'lichtunabhängige Reaktion' korrekt zu verwenden sind.

• Während der Simulation Rubisco-Dilemma wird Glucose häufig als direktes Produkt des Calvin-Zyklus genannt.

  Lenken Sie die Aufmerksamkeit der Schüler im Gespräch auf die Strukturformeln der Zwischenprodukte. Zeigen Sie konkret, wie aus G3P über mehrere Schritte Glucose entsteht, und lassen Sie die Schüler die Kohlenstoffbilanz für einen vollständigen Zyklus durchrechnen.

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In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Forschungskreis
• Planspiel
• Ich-Du-Wir (Denken-Austauschen-Vorstellen)