Biologie · Klasse 13

Ideen für aktives Lernen

Molekulare Phylogenie

Aktives Lernen funktioniert besonders gut bei der molekularen Phylogenie, weil die Schülerinnen und Schüler durch praktische Methoden wie Sequenzvergleich und Kladogramm-Erstellung ein intuitives Verständnis für abstrakte Konzepte wie genetische Distanzen und evolutionäre Verwandtschaft entwickeln. Die Kombination aus Handlungsorientierung und visuellen Darstellungen überbrückt die Lücke zwischen Theorie und Anwendung und macht komplexe Prozesse greifbar.

• KMK Bildungsstandards
• STD.KMK.BIO.4.5
• STD.KMK.BIO.1.2

• 15–30 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• Concept-Mapping
• 25 Min. · Partnerarbeit

Paararbeit: Sequenzvergleich

Schülerinnen und Schüler vergleichen DNA-Sequenzen bekannter Arten mit Online-Tools und erstellen ein einfaches Kladogramm. Sie diskutieren Übereinstimmungen und Divergenzen. Ergebnisse werden im Plenum präsentiert.

Warum gelten molekulare Daten als objektiver für die Stammbaumerstellung?

Moderationstipp

Bei der Paararbeit zum Sequenzvergleich stellen Sie sicher, dass beide Partner ihre Interpretationen gegenseitig erklären, bevor sie das Kladogramm erstellen.

Worauf zu achten ist

Geben Sie jeder Schülerin und jedem Schüler eine kurze DNA-Sequenz (10-15 Basenpaare) und bitten Sie sie, eine hypothetische Sequenz einer verwandten Art zu erstellen, die eine einzelne Punktmutation aufweist. Sie sollen erklären, warum ihre erstellte Sequenz eine geringere genetische Distanz anzeigt als eine Sequenz mit mehreren Mutationen.

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Aktivität 02

• Concept-Mapping
• 30 Min. · Kleingruppen

Gruppenarbeit: Molekulare Uhr

In kleinen Gruppen kalibrieren Schülerinnen und Schüler eine molekulare Uhr mit Fossilien-Daten und schätzen Divergenzzeiten. Sie vergleichen Ergebnisse mit Literaturwerten. Eine Visualisierung schließt ab.

Wie kalibriert man eine molekulare Uhr mit Hilfe von Fossilien?

Moderationstipp

Bei der Gruppenarbeit zur molekularen Uhr achten Sie darauf, dass jede Gruppe mindestens ein Gen mit bekannter Mutationsrate auswählt und die Fossiliendaten korrekt zuordnet.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie die Frage: 'Warum ist die Annahme einer konstanten Mutationsrate für die molekulare Uhr wichtig, und welche Faktoren könnten diese Rate beeinflussen?' Leiten Sie eine Diskussion, die die Schüler dazu anregt, die Grenzen und Annahmen des Modells zu erkennen.

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Aktivität 03

• Concept-Mapping
• 15 Min. · Einzelarbeit

Individuelle Aufgabe: Kladogramm vs. Phylogramm

Jede Schülerin und jeder Schüler zeichnet ein Kladogramm und ein Phylogramm zu gegebenen Sequenzen. Unterschiede werden notiert und begründet.

Was ist der Unterschied zwischen Kladogrammen und Phylogrammen?

Moderationstipp

Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler während der individuellen Aufgabe zu Kladogramm vs. Phylogramm ihre Ergebnisse zunächst in Partnerarbeit vergleichen, bevor sie die Unterschiede im Plenum diskutieren.

Worauf zu achten ist

Zeigen Sie zwei einfache Kladogramme, die auf unterschiedlichen Datensätzen basieren (z. B. ein Kladogramm basierend auf morphologischen Merkmalen, ein anderes auf DNA-Sequenzen). Bitten Sie die Schüler, die Hauptunterschiede in der dargestellten Verwandtschaftsstruktur zu identifizieren und kurz zu begründen, welches Diagramm sie als zuverlässiger einstufen würden und warum.

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Aktivität 04

• Concept-Mapping
• 20 Min. · Ganze Klasse

Whole Class: Diskussion phylogenetischer Methoden

Die Klasse diskutiert Vor- und Nachteile molekularer vs. morphologischer Daten. Beispiele werden an der Tafel gesammelt.

Warum gelten molekulare Daten als objektiver für die Stammbaumerstellung?

Worauf zu achten ist

Geben Sie jeder Schülerin und jedem Schüler eine kurze DNA-Sequenz (10-15 Basenpaare) und bitten Sie sie, eine hypothetische Sequenz einer verwandten Art zu erstellen, die eine einzelne Punktmutation aufweist. Sie sollen erklären, warum ihre erstellte Sequenz eine geringere genetische Distanz anzeigt als eine Sequenz mit mehreren Mutationen.

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Unterrichten Sie molekulare Phylogenie durch eine schrittweise Heranführung an die Methoden: Beginnen Sie mit einfachen Sequenzvergleichen, bevor Sie zu komplexen Kladogrammen übergehen. Vermeiden Sie es, zu viel Wert auf perfekte Ergebnisse zu legen, da der Prozess des Vergleichens und Interpretierens zentral ist. Nutzen Sie reale Daten aus Datenbanken wie GenBank, um die Relevanz der Inhalte zu verdeutlichen. Betonen Sie, dass molekulare Phylogenie ein Werkzeug ist, das ständig weiterentwickelt wird – Unsicherheiten und Diskussionen sind Teil des Lernprozesses.

Erfolgreich lernen die Schülerinnen und Schüler, wenn sie Sequenzdaten selbstständig analysieren, evolutionäre Beziehungen in Kladogrammen und Phylogrammen korrekt interpretieren und die Grenzen molekularer Methoden kritisch reflektieren können. Sie erkennen, dass molekulare Daten ergänzend zu morphologischen Merkmalen sind und verstehen die Bedeutung der Kalibrierung der molekularen Uhr.

---

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während der Paararbeit zum Sequenzvergleich nehmen einige Schülerinnen und Schüler an, dass molekulare Daten morphologische Merkmale vollständig ersetzen können.

  Nutzen Sie die erstellten Sequenzvergleiche, um gezielt zu fragen: 'Welche evolutionären Anpassungen, die Sie in den morphologischen Merkmalen erkennen, fehlen in den Sequenzdaten? Wie ergänzen sich beide Ansätze?'

• Während der Gruppenarbeit zur molekularen Uhr gehen viele davon aus, dass die Mutationsrate bei allen Genen gleich ist.

  Fordern Sie die Gruppen auf, ihre gewählten Gene zu vergleichen und zu begründen, warum die Mutationsraten variieren könnten. Zeigen Sie Beispiele für Gene mit unterschiedlichen Evolutionsgeschwindigkeiten.

• Während der individuellen Aufgabe zu Kladogramm vs. Phylogramm glauben einige, dass beide Diagrammtypen identische Informationen liefern.

  Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler die Unterschiede direkt an ihren erstellten Beispielen aufzeigen: 'Markieren Sie die genetischen Distanzen im Phylogramm und vergleichen Sie sie mit den Verzweigungen im Kladogramm.'

---

In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Concept-Mapping