Biologie

Mikroskopie

Die Welt des winzig Kleinen zu erkunden, ob im Teich, Kompost oder im Heuaufguss, ist eine Möglichkeit, Kinder und Jugendliche durch die Vielfalt an Formen und Nischen im scheinbar Unsichtbaren zum Staunen zu bringen. Es muss auch gar nicht das teuerste Mikroskop dafür sein. Zusätzlich noch eine einfache Tropfpipette, ein Objektträger, ein Deckglas und schon lassen sich viele Biotope in ihrer mikroskopischen Artenvielfalt entdecken. Hier eine aufgereihte Übersicht aus dem Buch Freizeit mit dem Mikroskop von Martin Deckart (1972) über geeignete mikrokopierbare Objekte: der menschliche Körper: Haare, Mundschleimhautzellen, die Vogelfeder, Fadenalgen und Chloroplasten, Milch, Blut, das Spinnennetz, Abdrücke von Pflanzenblättern, der Wasserfloh-Plankton, die Hydra, Schneekristalle, Pantoffeltierchen, Rädertierchen,Kieselalgen , Würmer, Moostierchen (Bryozoa), Amöben, Sonnentierchen (Heliozoa),Trompetentierchen (Stentor), Glockentierchen (Vorticellidae), Larven von Wasserinsekten wie Stechmücken, und Kristallisationsvorgänge (KNO₃, Asparagin, NH₄Cl Na₂S₂O₃, NaCl, Schwefel).
Die Polarisationsmikrokospie ist für den Chemieunterricht geeignet, um optisch aktive Verbindungen unter dem Mikroskop zu untersuchen. Ein Polarisationsmikroskop lässt sich sehr einfach durch zwei Polarisationsfolien bauen, indem die eine Folie auf die Lichtquelle und die andere auf die Sehfeldblende des Okulars platziert wird. Geeignete Objekte für Polarisationsmikroskopie sind chirale Verbindungen wie Kohlenhydrate,Aminosäuren, Vitamine,- die sich zur Probenvorbereitung am besten aus Ethanol umkristallisieren lassen-, Kartoffelstärke, Papierfasern und vieles mehr.
Literaturempfehlung: Mikroskopieren ganz einfach ( Bruno P. Kremer, Kosmos-Verlag (2011)): Dieses Buch ist ein sehr guter Einstieg in die Mikroskopie und gibt sehr gute Vorschriften für Mikroskopierpräparationen. Auch die Abbildungen und Fotografien sind von sehr guter Qualität.
Histologie
Mit Färbemitteln lassen sich Zellstrukturen und Organellen besser hervorheben (siehe Übersichtstabelle zu unterschiedlichen Färbemethoden). Sie finden in der medizinischen Histologie Anwendung, um Zelltypen zu differenzieren, und Krankheitsbilder zu erkennen.

Rädertierchen(Rotifera)aus einem Aquarium(Hellfeld, 100fach): Im Kleinen wie im Großen. Auch im mikroskopisch kleinen finden sich Kosmen von unendlich vielen Wechselwirkungen.

Rädertierchen (Rotifera) in der Dunkelfeldmikroskopie (100fach).

Epidermis von der Zwiebel: Deutlich sind die Zellkerne zu erkennen und die rot gefärbte Zellvakuole. Die Wirkungen von isotonischen, hypertonischen, hypotonischen Lösungen in der Zellumgebung lassen sich anschaulich an den gefärbten Vakuolen in der Plasmolyse verdeutlichen.

Mitose in Zwiebelwurzelspitzen

Als Beispiel für einen histologischen Versuch, sei hier die Anfärbung von kondensierter DNS in Form von Chromatin und Chromosomen in Mitosestadien genannt. Als Probenmaterial eignet sich hierfür, das sich schnell teilende Meristemgewebe (Wurzelapikalmeristeme) von Zwiebelwurzelspitzen, aber auch andere Meristemgewebe, wie Sprossspitzen, können gute Ergebnisse liefern.

Hier folgen bald Bilder zu Zwiebelwurzelspitzen mit Karmin-Essigsäure (1% Karmin in 45% AcOH) angefärbt.

• Prophase: Chromosomen kondensieren.
• Metaphase: Chromosomen in Äquatorialebene.
• Anaphase: Chromosomen wandern zu den Polen.
• Telophase: Zellteilung wird abgeschlossen.

Übersicht über Färbemethoden zur Differenzierung von Zellstrukturen und -organellen.

Probenmaterial für die Anfärbung von Chromatin und Chromosomen ist das Meristem aus Zwiebelwurzelspitzen.

Modelle in der Biologie

Beispiel zum Modellexperiment: Hydroponik als Modellversuch für ökologische Stoffkreisläufe

In Zusammenarbeit mit Thomas Hensel

Die Idee war es, die Hydrokultur mit der Aquaristik im kleinen Maßstab zu verknüpfen und ein Experiment zu erproben, das sich für den experimentellen Biologieunterricht an Schulen eignet, um die Hydrokultur und Stoffkreisläufe zwischen Pflanzen und aquatischen Organismen zu modellieren. Schüler können einflussnehmende Parameter 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⁺, Mn²⁺), Ammonium ( NH₄⁺), Nitrat (NO₃^-), Hydrogenphosphat (HPO₄^2-), Kalium (K⁺), Sulfat (SO₄^2-), Licht, Temperatur und Leitfähigkeit( Salzgehalt).

Erstes Experiment mit Gartenerbse (Pisum sativum) und Posthornschnecken (Planorbarius corneus); als bessere Modellorganismen eignen sich Tomaten oder Paprika-Pflanzen.

Beispiele von interessanten Fragen( 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).

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

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.

MindMap zum Thema Genetik: Übersicht über die Themen und Experimente

Fluoreszenz der Gelbanden: Ein Fluoreszenzfarbstoff, dessen Fluoreszenz durch Interkalation in doppelsträngige DNS verstärkt wird, lässt unter kurzwelligem Licht (UV-Licht oder blaues Licht) die DNS-Stränge im Gel als einzelne Banden erscheinen.

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 PCR Ansätze durchzuführen. Die benötigten Verbrauchsmaterialien und Reagenzien für PCR-Experimente können ebenfalls preisgünstig erworben werden.

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, 2x Pipettenboxen ( 200µl), 1x Pipettenbox (10µl),1x PCR-Microtubes 100 Stück, 1x Pufferkammereinsatz für Analytische Elektrophorese, 10x Pipettierkarten zum Üben von Pipettieren,

Foto vom Genetik-Werkzeugkasten: Thermocycler, Elektrophorese-Apparaturen, Micropipetten und Verbrauchsmaterialien

Pipettierkarte: Mit der Pipettierkarte kann das Pipettieren mit einer Micropipette am Anfang geübt werden, um dann in der Praxis erfolgreich anzuwenden.

AG-Tutoring und Hilfestellung

•Gibt es eine genetische Ursache dafür, dass ich eher ein Frühaufsteher bin?
•Wie kann ein Organismus biomolekular nachgewiesen werden?

Manche Fragen von Schülern zu biologischen Themen können durch die PCR-Methode beantwortet werden und am Ende in eine erfolgreiche Jugendforscht-Arbeit münden. Dreh- und Angelpunkt ist bei der Entwicklung eines PCR-Experimentes der Entwurf der Primer, um eine gewünschte Gensequenz zu vervielfältigen.

Lehrgang zu Biomolekularen Arbeitsmethoden wie 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

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.

Plasmid des Lambda-Phagen

Nachweis des Lambda-Phagen in E. coli Durch Amplifikation eines Genabschnittes des Head decoration protein D ( 332bp lang an Position 5747-6079) kann der λ-Bacteriophage nachgewiesen werden. Die Sequenz des Amplifikats, deren Forward- und Reverse-Primer unterstrichen sind, ist dargestellt.

Literatur:
• J.R. Chang et al.: Phage Lambda Capsids as Tunable Display Nanoparticles , American Chemical Society (2014)
• Q. Yang, C. E. Catalano: Biochemical Characterization of Bacteriphage Lambda Genome Packaging in Vitro , Virology 305 (2003), Seite: 276-287
• 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 ist es Arbuskuläre Mykorrhiza-Pilzen in Pflanzenwurzeln nachzuweisen und deren Art später zu bestimmen. Die Internal Transcribes Spacer-Region (ITS)- auch Genetische Barcoding-Region genannt- erlaubt es, Pilze taxonomisch mittels 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 universellen Primerpaar ITS1 und ITS4 nachgewiesen werden ( White et al. 1990) und durch Sequenzierung in ihrer Sequenz gelesen werden. Dank des mobilen Feldlabors können bei gutem Wetter PCR- und Elektrophorese-Experimente in der freien Natur durchgeführt werden.

Unterschiedliche Pilzproben können durch die Barcoding-Primer ITS1 und ITS4 bestimmt werden.

Dank des mobilen Feldlabors können auch PCR- und Elektrophorese-Experimente bei gutem Wetter draußen durchgeführt werden.

Versuch zur Charakterisierung von Mykorrhiza-Pilzarten mittels Restriktionsfragment- Polymorphismen und deren Längenbestimmung.

Kalibriergerade zum Bestimmen der Restriktionsfragmentlängen.

Literaturquellen:
•White, T.J., Bruns, T., Lee, S., and Taylor, J.: Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics,
PCR Protocols: a Guide to Methods and Applications (1990), 18. Auflage, Seite: 315–322
•Mohr Hans, Schopfer Peter: Pflanzenphysiologie , Springer- Lehrbuch (1992), 4. Auflage, Seite: 591
•Arthur Schüßler: Struktur, Funktion und Ökologie der arbuskulären Mykorrhiza , Rundgespräche der Kommission für Ökologie, Bd. 37
erschienen im Verlag Dr. Friedrich Pfeil, München (2009), Seite: 97-108
•Ebel Mathias, Erdmann Andrea, Erdmann Ulf, Müller Ole, Reichl Joachim: Grüne Reihe- Ökologie , Schroedel-Verlag (2013), Seite: 40-41

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

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).

Anthocyan-Farbstoffe sind bekanntlich pH-Indikatoren und ändern ihre Nettoladung, was ihren Einsatz in der Eltektrophorese interessant macht.

Alternativ kann auch eine Gel- oder Kieselgel-Elektrophorese durchgeführt werden.

Laufzeit: 1 Std; pH 8 Phosphatpuffer; M: Methylenblau; W: Weintraubenextrakt ( Anthocyanfarbstoff); R: Rosenextrakt; B: Bromcresolpurpur; F: Fuchsin;

Physik: Elektronik und Ingenieurwesen im Makerspace

Upcycling: Die Reparatur eines alten selbstgebauten Gitarrenverstärker aus den 70iger Jahren

Ich habe einen kaputten Gitarrenverstärker in der Nachbarschaft gefunden und mich rangesetzt, den Verstärker wieder zu reparieren. Ein Fachmann stellte fest, dass der Gitarrenverstärker mindestens aus den 70iger Jahren stammt. Er wurde also damals in der DDR von jemandem hinter der Mauer in Berlin, Schöneweide -ehemals auch Elektropolis genannt- konstruiert. Das motivierte mich noch mehr, den Verstärker wieder in Gang zu setzen. Beeindruckend sind nicht nur die Metallarbeiten, sondern auch die eigens dafür selbst gedruckten Leiterplatten durch Photolithographie.

Testaufbau für den Verstärker: Im Eingang der Signalgenerator und im Ausgang das Oszilloskop angeschlossen. Der Metallbau dient zum Einen als Kühlkörper, zum Anderen als Anschluss für die Masse.

Mit dem Multikomponententester wird die Impedanz des alten noch funktionstüchtigen Lautsprecher gemessen. Upcycling: Gehäuse statt aus Kunststoff aus wiederverwendeter Pappe
Mit Hilfe des Testaufbaus kann die Funktion der Regler getestet werden und am PC-Oszilloskop die Qualität des Sinuswelle beurteilt werden.

Zur Verstärkung des Eingangssignals wurde eine selbstgelötete Transistorvorverstärkerschaltung (Verstärkerklasse B) mit passendem Gehäuse aus dem 3D-Druck eingebaut.

Aus Müll wird wieder etwas Schönes: Am Ende steht der Praxistest an. Als Stimmabnehmer wird eine Piezoelektrische Keramik provisorisch angebracht und über einen parallelen hochohmigen Widerstand an den Eingang des Verstärkers angeschlossen.

Weitere Projekte

ESP32-Arduino-Photometer:Mit dem Arduino lassen sich kostengünstig verschiedene Messgeräte bauen.

Link zur Arduino-Messgeräte-Gallerie

Ein einfacher Metalldetektor aus der Serie Rough Science von Jonathan Hare: Mit Hilfe von Schablonen können Schaltungen auch für Kinder anschaulich dargestellt werden und gelötet werden im MakerSpace. Einfache Schaltungen lassen sich auch mit dem Breadboard umsetzen, was den Vorteil hat, dass Fehler einfach korrigiert werden können.

Chemie: Analyse und Synthese

Kabinettexperimente und Musik

Kristallisationsansatz ( siehe Experimentieranleitungen)

Kabinettexperimente: Chemischer Garten

Demonstrationsexperiment: Borsäuremethylester verbrennen.

Analytische Chemie: Dünnschichtchromatographie, Gaschromatographie und Elektrophorese

Mit Elektrophoresekammern, die sich auch leicht selbst aus vorhandenen Materialien im Labor zusammenstellen lassen, können einfache Elektrophoresen auf Cellulose durchgeführt werden. Für höhere Spannungen, bei denen auch Proteine getrennt werden können, ist es ratsam den Versuch als Lehrerdemonstrationsexperiment durchzuführen.
Das Prinzip der Elektrophorese ist einfach und anschaulich: den Schülern wird im Experiment gezeigt, dass geladene Teilchen im elektrischen Feld zu den ungleichnamigen Polen wandern. DIn diesem Zusammenhang kann auch Coulomb-Gesetz behandelt werden, um am Ende die Wandergeschwindigkeit der Teilchen nach Berechnung der wirkenden Kräfte zu berechnen.

Außerdem kann hieran verdeutlicht werden, wie die Nettoladung einer Brønsted-Säure oder einer Base -mit einer deprotonierbaren bzw. protonierbaren Gruppe - sich in Abhängigkeit vom äußeren pH-Wert ändert.
Die Chromatographie kann zuerst und im Anschluss daran die Elektrophorese behandelt werden.

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

Papier-Elektrophorese: Cellulose (Filterpapier)
ist so kompliziert aufgebaut, dass es synthetisch hergestellt unbezahlbar wäre.

Geladene Teilchen lassen sich in einem elektrischen Feld abhängig von ihrer Mobilität trennen.

Laufzeit: 1 Std; pH 8 Phosphatpuffer; M: Methylenblau; W: Weintraubenextrakt ( Anthocyanfarbstoff); R: Rosenextrakt; B: Bromcresolpurpur; F: Fuchsin

Phänomenologisch Integratives Netzwerkkonzept

Das PIN-Konzept stellt ein experimentell realisierbares Curriculum für organisch chemisches Grundlagenwissen dar, um den didaktischen Ansatz vom Entdeckenden Lernen mit Kombinatorik zu verknüpfen.

Umsetzung des PIN-Konzepts: Einstieg zum Kennenlernen anhand von sauren und basischen Substanzen, welche anhand ihrer Reaktion mit pH-Indikatoren in Gruppen eingeteilt werden sollen.

Nächster Schritt: Anwendung des PIN-Konzepts zum Thema funktionelle Gruppen:Sechs unbekannte Substanzen werden mittels sechs verschiedener Tests auf ihre funktionellen Gruppen untersucht.

Anwendung des PIN-Konzepts zum Thema funktionelle Gruppen: Unbekannte Substanzen werden wieder nach verschiedenen Tests untersucht und auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede verglichen.

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

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 einer gesamten Strecke (a+b) zur längeren Strecke (a), welches dem Verhältnis der Strecke a zur kürzeren Strecke b, und dem Wert angenähert φ~1,618 entspricht. Es lässt sich durch die Division der beiden aufeinanderfolgenden Glieder der Fibonacci-Folge berechnet werden. Wenn man das goldene Verhältnis auf einen Kreis a+b=360° anwendet, dann erhält man die beiden Winkel a=222,5° und b=137,5°. Im Zusammenhang mit dem Muster der Doppelspirale ist etwas Interessantes zu beobachten: Das Muster der Doppelspirale bildet sich nur aus, wenn die logarithmischen Spiralen einen Steigungswinkel von genau 137,5° aufweisen. Geringe Änderungen wie z.B. ein Winkel von 137,3° oder 137,7° ergeben ganz andere Muster. Um dies zu testen, eignet sich die untere Simulation in Javascript, wo der Winkel verändert werden kann und das Muster graphisch ausgegeben wird.

Die Doppelspirale in der Anordnung der Kerne in einer Sonnenblume

die Kamille

Eigene Konstruktion

Die Fibonacci-Spirale

Die Doppelspirale in der sakralen Architektur:In der Kunst, insbesondere in den Kirchenfenstern der Gotik, wird diese natürliche Form aufgegriffen.
Die Baumeister sahen in der mathematischen Ordnung der Natur keinen Zufall, sondern die Handschrift des Schöpfers.

Ausschnitt aus der Computersimulation

Simulation zur Doppelspirale: Der Steigungswinkel lässt sich verändern. (Quelle: KI deepseek)