Biologie

Mikroskopie

Mit Hilfe verschiedener histologischer Färbemethoden können Zellorganellen und auch Chromosomen angefärbt werden. Durch die Anfärbung der Chromosomen können die Stadien in der Mitose sichtbar gemacht werden.

Praktisches Beispiel: Mitose in Zwiebelwurzeln

Ein klassisches Schulversuch ist die Beobachtung von Zellteilungen (Mitose) in Zwiebelwurzelspitzen.

Vorgehen:

1. Zwiebelwurzelspitzen werden mit Karmin-Essigsäure angefärbt.
2. Die Färbung macht die Chromosomen sichtbar.
3. Unter dem Mikroskop können verschiedene Mitosestadien beobachtet werden:
   • Prophase: Chromosomen kondensieren.
   • Metaphase: Chromosomen in Äquatorialebene.
   • Anaphase: Chromosomen wandern zu den Polen.
   • Telophase: Zellteilung wird abgeschlossen.

Rädertierchen(Rotifera) unter dem Mikroskop: Im Kleinen wie im Großen. Auch im mikroskopisch kleinen finden sich Kosmen von unendlich vielen Wechselwirkungen.

Rädertierchen (Rotifera) unter dem Mikroskop

Epidermis von der Zwiebel: Deutlich sind die Zellkerne zu erkennen.

Modelle in der Biologie

Beispiel zum Modellexperiment: Hydroponik als Modellversuch für ökologische Stoffkreisläufe

In Zusammenarbeit mit Thomas Hensel

Die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung bei gleichzeitig schrumpfenden Nutzflächen ist eine der globalen Herausforderungen, die in naher Zukunft gelöst werden muss. Ein möglicher Lösungsansatz könnte die Hydrokultur in der Landwirtschaft sein– auch Hydroponik genannt. Hierbei werden Pflanzen in Nährlösungen, in erdfreien Substraten, kultiviert, wodurch eine direkte Kontrolle der Anbaubedingungen ermöglicht wird. Da die Nährlösungen durch ein Kreislaufsystem wieder verwendet werden, können bis zu 90% an Wasser im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft eingespart werden ( Clare Simonis 2017). Unsere Idee war es, die Hydrokultur mit der Aquaristik im kleinen Maßstab zu verknüpfen und ein Demonstrationsobjekt zur Verfügung zu stellen, welches sich für den experimentellen Biologieunterricht an Schulen eignet, um die Hydrokultur und Stoffkreisläufe zwischen Pflanzen und aquatischen Organismen darzustellen. Damit können die SchülerInnen unterschiedliche Parameter in der Praxis untersuchen und optimieren, entweder nasschemisch oder mithilfe digitaler Datenerfassung, die sich auch mittels eines Raspberry Pi im Internet (siehe Abschnitt: Informatik) auswerten lassen. Parameter, die Einfluss auf das Wachstum von Pflanzen und tierischen, aquatischen Organismen haben und optimiert werden können: pH-Wert,Hydrogencarbonat ( HCO₃^-), Sauerstoffgehalt(O₂), Spurenelemente (Mg²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Mn2²⁺), Ammonium ( NH₄4⁺), Nitrat (NO₃^-), Hydrogenphosphat (HPO₄^2-), Kalium (K⁺), Sulfat (SO₄^2-), Licht, Temperatur,Leitfähigkeit( Salzgehalt).

Erstes Experiment mit Gartenerbse (Pisum sativum) und Posthornschnecken (Planorbarius corneus), jedoch sind als bessere Modellorganismen Tomaten oder Paprika-Pflanzen geeignet.

Beispielhafte Fragestellungen aus unterschiedlichen Bereichen( DoE-Design of Experiment).

Unterschiedliche Modelltypen:
Übergeordnet können Modelle in theoretische Modelle (z.B. Denk- oder mathematische Modelle) und gegenständliche Modelle unterschieden werden. Feinere Unterscheidungen werden nach ihren Abbildungen vorgenommen:
Sturkturmodelle (Aufbau), Funktionsmodelle(Prozesse) oder Konstruktmodelle (Rekonstruktion). Modelle veranschaulichen den Lernenden die Sachverhalte und sind auch ein geeigntets Kommunikationsmittel ( Publikum bei Wissenschaftswettbewerben).

Für Jugendliche aus den Klassenstufen der SekI Pappmaché-Modelle von Zellen und deren Zellorganellen: Aus Pappmaché von Schülern aus der BQL-Klasse angefertigte Zellmodelle, jedoch hat sich ein Fehler eingeschlichen: es fehlt die Zellwand.

Verschiedene Knetmodelle vermitteln den Aufbau von grundlegenden Biomolekülen in der Natur: Die Atome spiegeln von ihrer Größe her die Atomradien wieder, was sich leicht durch Abwiegen der Portionen umsätzen lässt.

Animiertes Modell: der CAM-Stoffwechsel in Pflanzen: Durch ein kleines Python-Programm ( siehe kleine sinnvolle Werkzeuge) können einzelne Bilder in eine gif-Animation transformiert werden.

Modelle von Elementarsystemen von Kristallen

Genetik

DNA, Gen, Chromosom, Genom, Allel, Genotyp, Phänotyp, Mutation, Nukleotid, Basenpaar, Doppelhelix, Replikation, Transkription, Translation, Genetischer Code, PCR, Primer, Taq-Polymerase, dNTPs, Template, Thermocycler, Denaturierung, Annealing, Elongation, Amplifikat, Ct-Wert, Gelelektrophorese, qPCR, Echtzeit-PCR, RT-PCR, Multiplex-PCR, DNA-Sequenzierung, Klonieren, Gentechnik, CRISPR, SNP, RNA, Plasmid, Restriktionsenzym, Ligase, Helikase, Vektor, Hybridisierung, Molekularbiologie, Biotechnologie, Forensik, Erbkrankheit, Genetischer Fingerabdruck

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PCR und Elektrophorese

Das Thema Polymerase Kettenreaktion ist seit Jahrzehnten im Rahmenplan in der Oberstufe Biologie implementiert und hat Bekanntheit in der Corona-Zeit erlangt.
Dank der Genetik- Werkzeugkästen, welche zum Verleih zur Verfügung stehen, können Sie als Lehrkraft mit den Schülern nachmittags Genetik-Experimente wie Elektrophorese, PCR, Enzymatik ungefährlich im Fachraum durchführen. Beim Experimentieren geht es auch darum, die PCR-Methode als heiliger Gral kritisch zu betrachten:
•Welche Einflussgrößen

Angebote:

Verleih von Geräten und Materialien

Bereitstellung von Thermocyclern und Elektrophorese-Kammern, Micropipetten. Diese können halbjährig ausgeliehen werden. Das Set kann genutzt werden, um gleichzeitig bis zu 16 PCRs durchzuführen. In Gruppen von jeweils Schülern erlaubt ein Set auch das Experimentieren mit einer Klasse von 32 Schülern. Die benötigten Verbrauchsmaterialien und Reagenzien für PCR-Experimente können ebenfalls preisgünstig erworben werden. Siehe Preisliste

Inhalt des Sets:
1x Thermocycler (16 Slots),2x Elektrophorese-Apparaturen + Beobachtungskammern,2x Gelformkammern + jeweils 2 Kämme,1x 20µl-200µl Micropipette, 5x 2µl-20 µl Micropipetten,
1x 1µL-10µL Micropipette, 8x PCR- Microtube-Ständer,1x großer Labortube-Ständer, 4xPipettenständer, 2x Pipettenboxen ( 200µl), 1x Pipettenbox (10µl),1x PCR-Microtubes 100 Stück, 2x Einsätze für Analytische Elektrophorese, 10x Pipettierkarten zum Üben von Pipettieren, Fluoreszenz-Beobachtungskammer(p51)

AG-Tutoring und Hilfestellung

•Gibt es eine genetische Ursache dafür, dass ich eher ein Frühaufsteher bin?
•Gibt es ein Gen, das ein Protein codiert, welches fluoresziert?

Es gibt die Möglichkeit, dass Schüler eigene Fragen zu Genetik entwickeln, welche mit PCR überprüft werden können. Dies könnte am Ende in ein Jugendforscht-Projekt münden. Dreh- und Angelpunkt ist bei der Entwicklung eines PCR-Experimentes der Entwurf der Primer, um eine gewünschte Gensequenz zu amplifizieren. Beim Entwurf der Primer stehe ich Ihnen gerne mit meiner Expertise zur Seite.

Lehrgang zu PCR und Gelelektrophorese

Lehrgang für Lehrkräfte, die PCR und Elektrophorese gerne in ihrem Unterricht oder in einer AG anbieten möchten:
Falls Sie praktisches Know-How für PCR und Elektrophorese benötigen, biete ich auch einen Lehrgang für Sie und Ihre Kollegen an, sodass Sie in Ihrem Unterricht die PCR und Elektrophorese durchführen können.
Anfrage für einen Lehrgang

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Auswahl von Genetik-Experimenten

Lambda-Phage

Das Nachweis des λ-Bacteriophagen in E. coli durch Amplifikation eines Genabschnittes des Head decoration protein D ( 332bp lang an Position 5747-6079). Dieses Protein spielt als Nanopartikel in der Forschung im Bereich der Nanotechnologie eine wichtige Rolle.
Die Sequenz des Amplifikats mit den Forward und Reverse-Primer unterstrichen ist:

Literatur:
1. J.R. Chang et al.: Phage Lambda Capsids as Tunable Display Nanoparticles. American Chemical Society (2014)
2. Q. Yang, C. E. Catalano: Biochemical Characterization of Bacteriphage Lambda Genome Packaging in Vitro. Virology 305 (2003) p. 276-287
3. Prof. Dr. Diethard Baron, Dr. Jürgen Braun, Andrea Erdmann, Ulf Erdmann, Rudolz Heinze, Dr. Eckhard R. Lucius: Genetik- Experimentelle Durchführung zu Elektrophorese und PCR mit Lambda-Phage- Grüne Reihe Materialien SII. Schroedel-Verlag ( 2004) Seite: 108 & 112

Arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze

Ziel: Nachweis von arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen im Boden. Die Internal Transcribes Spacer-Region (ITS)- auch Genetische Barcoding-Region genannt- erlaubt es, Pilze taxonomisch mit Hilfe von PCR zu bestimmen. Diese Region beinhaltet die Gene für die konservierten 18 S, 5.8S und 28S rRNA-Gene. Die Bereiche zwischen diesen Genen sind variabel. Unterschiedliche Pilzproben können mit den universell einsetzbaren Primerpaar ITS1 und ITS4 nachgewiesen werden und mit Hilfe von Sequenzierung auch taxonomisch bestimmt werden. Mit dem mobilen Feldlabor können auch PCRs und Elektrophorese-Experimente bei gutem Wetter draußen durchgeführt werden.

Weitere Experimentiersets:
Genetically modified Organisms ( Klassenset)
Biobits ( Zellfreie Proteinexpression)
Sleep Lab ( Früh oder Spätaufsteher?)

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Analytische Elektrophorese auf Cellulose, Celluloseacetat, Polykieselsäure

Mit der Elektrophorese kann auch eine Trennung auf anderen Medien wie Papier durchgeführt werden, und so im Chemieunterricht die Trennung von geladenen Aminosäuren, und anderen kleineren Molekülen wie Farbstoffen durchgeführt werden. Die Mobilität hängt vom pH-Wert ab( siehe andere Beiträge hierzu).

Physik: Elektronik und Ingenieurwesen im Makerspace

Mechanik, Kinematik, Dynamik, Kraft, Energie, Leistung, Arbeit, Impuls, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Newtonsche Gesetze, Gravitation, Thermodynamik, Wärme, Temperatur, Entropie, Elektrizität, Magnetismus, Elektromagnetismus, Ladung, Spannung, Strom, Optik, Reflexion, Brechung, Linsen, Wellen, Frequenz, Amplitude, Schwingung, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Atomphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, Feld, Halbleiter, Supraleiter, Schall, Druck, Dichte, Viskosität, Schwarzes Loch, Photon, Elektron, Higgs-Boson Schaltkreis, Transistor, Diode, Widerstand, Kondensator, Spule, Operationsverstärker (Op-Amp), Logikgatter, Microcontroller, Sensor, Löten, Spannungsquelle, Stromquelle, Wechselstrom (AC), Gleichstrom (DC), Impedanz, Kapazität, Induktivität, Frequenzfilter, Verstärker, Oszillator, Digital, Analog, ADC (Analog-Digital-Wandler), DAC (Digital-Analog-Wandler), MOSFET, Bipolartransistor, LED, Photodiode, Thyristor, Relais, Schaltnetzteil, Steckbrett (Breadboard), Datasheet, SMD (Surface Mount Device), Elektromotor, Generator, Transformator
Konstruktion, Fertigung, CAD (Computer-Aided Design), CAM (Computer-Aided Manufacturing), 3D-Druck, CNC (Computerized Numerical Control), Werkstoffkunde, Verbundwerkstoff, Keramik, Festigkeit, Elastizität, Toleranz, Robotik, Steuerungstechnik, Regelungstechnik, Sensorik, Aktorik, Pneumatik, Hydraulik, Thermodynamik, Strömungsmechanik, Aerodynamik, Verbrennungsmotor, Turbine, Wärmeübertrager, Antriebstechnik, Getriebe, Lager, Schwingungstechnik, Nachhaltigkeit, Effizienz, Technische Mechanik, Statik, Dynamik, Festigkeitslehre, Qualitätsmanagement, Prototyp, Innovation

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Die Reparatur eines alten selbstgebauten Gitarrenverstärker aus den 70iger Jahren

Ich habe in der Mülltonne bei uns im Innenhof einen völlig zerstörten Gitarrenverstärker gefunden. Das Gehäuse war aufgebrochen und ein Lautsprecher komplett zerrissen. Ein Fachmann stellte fest, dass der Gitarrenverstärker mindestens aus den 70iger Jahren stammt und von jemandem selbstgebaut und konstruiert wurde. Das motivierte mich noch mehr, den Verstärker wieder in Gang zu bringen. Beeindruckend ist nicht nur die Metallarbeit, sondern auch die bedruckten Schaltungen.

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Weitere Projekte

Chemie: Analyse und Synthese

Periodensystem, Atom, Molekül, Element, Verbindung, Proton, Neutron, Elektron, Ionenbindung, Atombindung, Metallbindung, Oxidation, Reduktion, Säure, Base, pH-Wert, Neutralisation, Titration, Indikator, Mol, Stöchiometrie, chemische Reaktion, exotherm, endotherm, Katalysator, Orbital, Elektronenkonfiguration, chemische Bindung, organische Chemie, anorganische Chemie, Kohlenwasserstoff, Alkane, Alkene, , Elektrophil, Nukleophil, funktionelle Gruppen, Isomerie, Diastereomer, Enantiomer, Polymer, Kunststoff, Reaktionsgeschwindigkeit, chemisches Gleichgewicht, Löslichkeit, Konzentration, Destillation, Chromatographie, Reinstoff, Homogen, Heterogen, Halogen, Edelgas, Metall, Nichtmetall, Halbmetall

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Kabinettexperimente und Musik

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Analytische Chemie: Dünnschichtchromatographie, Gaschromatographie und Elektrophorese

Mit den mobilen Elektrophoresekammern von MiniPCR und eigenen Einsätzen, die es erlauben, Papier und Celluloseacetat-Elektrophoresen durchzuführen, ist es möglich, gefahrlos im Unterrichtsraum elektrophoretische Experimente zu machen.
Das Prinzip der Elektrophorese ist einfach und anschaulich, um den Lernenden zu zeigen, dass geladene Teilchen im elektrischen Feld von ungleichnamigen Polen angezogen werden.

Außerdem kann verdeutlicht werden, wie sich die Nettoladung einer Brönsted-Säure oder einer Base -mit einer deprotonierbaren bzw. protonierbaren Gruppe -in Abhängigkeit vom äßeren pH-Wert ändert.
Umfang: In Absprache mit der Lehrkraft kann im Kurs zunächst experimentell die Chromatographie und im Anschluss die Elektrophorese angeboten werden. Der zeitliche Umfang beträgt zwei Doppelstunden für die Chromatographie und zwei Doppelstunden für das Thema Elektrophorese.

• Unter- Mittelstufe: Untersuchung von Blüten- Pflanzenfarbstoffen
• Unter- Mittelstufe: Untersuchung von Lebensmittelfarben
• Oberstufe: Untersuchung von Aminosäuren und Nahrungsergänzungsmitteln

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Phänomenologisch Integratives Netzwerkkonzept

Das PIN-Konzept stellt ein experimentell realisierbares Curriculum für organisch chemisches Grundlagenwissen dar und den Ansatz von entdeckendem Lernen mit Kombinatorik verknüpft.

Präsentation zum PIN-Test aus dem Fachseminar damals:

Literaturquellen:
-Harsch G., Heimann R.: Didaktik der Organischen Chemie nach dem PIN-Konzept - Vom Ordnen der Phänomene zum vernetzten Denken. Verlag Vieweg(1998)
-Barke H., Harsch G.: Essentials of Chemical Education. Springer (2001)

Mathematik

Algebra, Analysis, Geometrie, Trigonometrie, Arithmetik, Statistik, Wahrscheinlichkeitsrechnung, Kalkül, Differentialrechnung, Integralrechnung, Lineare Algebra, Vektor, Matrix, Algorithmus, Theorem, Axiom, Beweis, Gleichung, Variable, Konstante, Funktion, Logarithmus, Exponent, Ableitung, Integral, Median, Mittelwert, Standardabweichung, Wahrscheinlichkeit, Kombinatorik, Topologie, Numerik, Diskrete Mathematik, Mengenlehre, Komplexe Zahlen, Primzahl, Fibonacci-Folge, Pythagoras, Nullstelle, Grenzwert, Binomialkoeffizient, Zufallsvariable, Korrelation

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Die heilige Geometrie

Die sakrale Geometrie ist die Lehre von geometrischen Formen, Proportionen und Mustern, die als universelle göttliche Gesetze angesehen werden. Der Kerngedanke ist: Geometrie ist die Sprache Gottes. Die fundamentale Grundlage der sakralen Geometrie sind die fünf Platonischen Körper, welche den klassischen Elementen zugeordnet sind: der Tetraeder dem Feuer, Hexaeder (Würfel) der Erde, Oktaeder der Luft, Dodekaeder dem Äther/Universum und der Ikosaeder dem Wasser.

Der Goldene Schnitt ist das Teilungsverhältnis der gesamten Strecke (a+b) zum größeren Abschnitt (a) gleich dem Verhältnis des größeren Abschnitts(a) zum kleineren Abschnitt (b).

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