Dieses Basiswissen fasst die wesentlichen Inhalte des Fachlehrplans Biologie 12 für das grundlegende Anforderungsniveau zusammen. Es dient der Wiederholung und ersetzt weder Unterricht noch den verbindlichen LehrplanPLUS.
Biologisch arbeiten
Biologie verbindet Sachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung. Stelle aus Beobachtungen überprüfbare Fragen und Hypothesen auf. Plane Untersuchungen mit geeigneten Kontrollen; halte Bedingungen möglichst konstant und unterscheide unabhängige und abhängige Variablen. Protokolliere, werte Daten aus und prüfe, ob sie die Hypothese stützen. Korrelation allein belegt keine Ursache.
Modelle machen Zusammenhänge anschaulich, vereinfachen aber die Wirklichkeit. Erläutere ihre Aussagekraft und Grenzen. Verwende Fachsprache, prüfe Quellen und belege sie. Unterscheide bei Bewertungen Sach- und Werturteile, vergleiche Handlungsoptionen anhand von Kriterien und berücksichtige Folgen und verschiedene Perspektiven.
DNA und Proteinbiosynthese
Informationsspeicher
DNA besteht aus Nukleotiden mit Desoxyribose, Phosphat und einer Base. Zwei antiparallele Stränge bilden eine Doppelhelix; Wasserstoffbrücken verbinden komplementär A mit T und G mit C. Die Basenfolge trägt Information. RNA enthält Ribose und Uracil statt Thymin und ist meist einzelsträngig.
Vom Gen zum Protein
Bei der Transkription liest RNA-Polymerase den Matrizenstrang der DNA in 3′→5′-Richtung ab und synthetisiert komplementäre RNA in 5′→3′-Richtung. Bei Eukaryoten entsteht zunächst prä-mRNA. Durch Prozessierung, darunter das Entfernen von Introns und Verbinden von Exons beim Spleißen, entsteht reife mRNA.
Am Ribosom wird die mRNA bei der Translation in 5′→3′-Richtung gelesen. tRNAs bringen passend zu den Codons Aminosäuren; das Ribosom verknüpft sie zu einer Polypeptidkette. AUG ist gewöhnlich das Startcodon, Stoppcodons beenden die Translation. Der genetische Code ist ein Triplettcode und redundant: Mehrere Codons können dieselbe Aminosäure codieren. Daher lässt sich aus einer Aminosäurefolge meist keine eindeutige DNA-Sequenz ableiten.
Proteine wirken etwa als Enzyme, Transport- oder Strukturproteine. In einer Genwirkkette wirken Produkte verschiedener Gene bei der Entstehung eines Merkmals zusammen, beispielsweise indem Enzyme aufeinanderfolgende Reaktionsschritte ermöglichen.
Regulation der Genaktivität
Unterschiedliche Zelltypen besitzen meist dieselbe DNA, nutzen aber unterschiedliche Gene. Transkriptionsfaktoren binden an regulatorische DNA-Abschnitte. Aktivierende Faktoren können über Enhancer die Transkription fördern, hemmende Faktoren über Silencer verringern; DNA-Schleifen ermöglichen Kontakte zum Promotor.
Epigenetische Veränderungen beeinflussen Genaktivität, ohne die DNA-Basenfolge zu ändern. DNA-Methylierung im Promotorbereich ist häufig mit geringerer Transkription verbunden. In Zellen mit zwei X-Chromosomen wird früh in der Entwicklung meist eines weitgehend inaktiviert und bildet ein Barr-Körperchen; einige Gene entgehen der Inaktivierung. Der Zustand bleibt in Tochterzellen meist erhalten.
Stammzellen können sich selbst erneuern und differenzieren. Embryonale Stammzellen sind pluripotent: Sie können Zelltypen der drei Keimblätter bilden. Adulte Stammzellen sind meist stärker in ihren Entwicklungsmöglichkeiten eingeschränkt und dienen unter anderem der Gewebeerneuerung. Anwendungen und Forschung bieten Chancen, werfen aber je nach Herkunft und Verfahren ethische Fragen auf.
Epigenetik im Lerntool erkunden ↗Replikation und Zellteilung
Vor der Zellteilung wird die DNA semikonservativ verdoppelt: Jeder neue Doppelstrang enthält einen alten und einen neu synthetisierten Strang. DNA-Polymerasen ergänzen Nukleotide anhand der Vorlage in 5′→3′-Richtung; am Folgestrang geschieht dies abschnittsweise.
Die PCR vervielfältigt einen ausgewählten DNA-Abschnitt außerhalb der Zelle durch wiederholtes Erhitzen zur Strangtrennung, Abkühlen zur Primeranlagerung und Verlängern mithilfe einer hitzestabilen DNA-Polymerase. Sie benötigt unter anderem Primer und freie Nukleotide.
Im Zellzyklus folgen auf G₁ die DNA-Synthese in der S-Phase und G₂. In der Mitose kondensieren Chromosomen in der Prophase, ordnen sich in der Metaphase an, Schwesterchromatiden trennen sich in der Anaphase und neue Zellkerne entstehen in der Telophase. Nach der Cytokinese entstehen normalerweise zwei genetisch weitgehend gleiche Tochterzellen. Mitose ermöglicht Wachstum, Reparatur und ungeschlechtliche Vermehrung.
Meiose, Mutation und Gentechnik
Die Meiose bildet aus einer diploiden Ausgangszelle haploide Zellen. In Meiose I trennen sich homologe Chromosomen, in Meiose II Schwesterchromatiden. Crossing-over zwischen homologen Chromosomen und ihre zufällige Verteilung erzeugen neue Allelkombinationen. Bei der Befruchtung vereinigen sich Keimzellen; genetische Vielfalt entsteht.
Bei der männlichen Keimzellbildung entstehen aus einer primären Keimzelle normalerweise vier Spermien; bei der weiblichen meist eine Eizelle und Polkörperchen. Fehler in der Chromosomenverteilung können zu Genommutationen wie Trisomien führen, die im Karyogramm erkennbar sind. Eine Abweichung des Genotyps oder Phänotyps ist nicht automatisch eine Krankheit.
Genmutationen verändern die Basensequenz, etwa durch Austausch, Einfügen oder Verlust von Basen. Ein Austausch kann ohne Änderung der Aminosäure bleiben, eine andere Aminosäure oder ein Stoppcodon erzeugen; Einfügungen und Verluste können das Leseraster verschieben. Mutagene wie UV-Strahlung erhöhen die Mutationsrate.
Gentechnische Verfahren verändern Erbgut gezielt, etwa durch Einbringen oder Verändern von DNA. Anwendungen in Medizin, Landwirtschaft und Forschung sind nach Nutzen, Risiken, Alternativen und ethischen Gesichtspunkten zu beurteilen.
Weitergabe von Merkmalen
Ein Allel ist eine Variante eines Gens. Ein diploider Organismus kann für ein Gen homozygot oder heterozygot sein. Bei vollständiger Dominanz prägt ein dominantes Allel den Phänotyp auch im heterozygoten Zustand; ein rezessives Merkmal tritt bei einfachem Erbgang meist nur homozygot auf. Bei unvollständiger Dominanz zeigt der heterozygote Phänotyp eine Zwischenform; bei Kodominanz werden beide Allelprodukte erkennbar, wie bei Blutgruppe AB.
Mendels Uniformitätsregel beschreibt die einheitliche F₁ bei Kreuzung reinerbiger Eltern, die sich in einem betrachteten Merkmal unterscheiden. Bei der Kreuzung geeigneter F₁-Hybride entstehen in F₂ typische Aufspaltungsverhältnisse. Bei ungekoppelten Genen werden Allele verschiedener Gene unabhängig kombiniert. Diese Regeln beruhen auf der Trennung und Verteilung homologer Chromosomen in der Meiose; Kopplung und andere Einflüsse begrenzen ihre Anwendung.
Beispiel: Bei Aa × Aa ergeben sich unter einfachen Annahmen die Genotyp-Wahrscheinlichkeiten ¼ AA, ½ Aa und ¼ aa; bei vollständiger Dominanz ist das erwartete Phänotypverhältnis 3 : 1. Das sind Wahrscheinlichkeiten, keine Garantie für eine einzelne Familie. Beim AB0-System sind A und B kodominant und gegenüber 0 dominant; beim Rhesusfaktor D ist das D-Merkmal gewöhnlich dominant.
Humangenetik und DNA-Analytik
Stammbäume helfen, mögliche Erbgänge einzugrenzen: Autosomal-dominante Merkmale erscheinen oft in aufeinanderfolgenden Generationen; autosomal-rezessive können Generationen überspringen. X-chromosomal-rezessive Merkmale betreffen häufiger Männer; ein betroffener Vater gibt sein X nicht an seine Söhne weiter. Kleine Stammbäume und unvollständige Informationen erlauben nicht immer eine eindeutige Zuordnung.
Genetische Beratung kann Familienstammbäume, Heterozygotentests und pränatale Diagnostik einbeziehen. Sie informiert über Wahrscheinlichkeiten und Grenzen; ein Trägerstatus oder Testergebnis muss im jeweiligen Zusammenhang interpretiert werden.
Bei der Gelelektrophorese wandern negativ geladene DNA-Fragmente im elektrischen Feld durch ein Gel; kürzere Fragmente bewegen sich im Allgemeinen weiter. Ein genetischer Fingerabdruck vergleicht variable DNA-Merkmale; DNA-Sequenzierung ermittelt Basenfolgen. Die Aussagekraft hängt von Probe, Methode und Vergleich ab. Anwendungen wie Identitätsfeststellung, Massentests und Gesundheitsprüfungen berühren Datenschutz, Einwilligung, mögliche Diskriminierung und das Recht auf Nichtwissen.
Evolution und Verwandtschaft
Verwandtschaft untersuchen
Gemeinsame Merkmale können auf gemeinsame Abstammung hinweisen. Molekulare Homologien lassen sich durch Vergleiche von DNA- oder Aminosäuresequenzen untersuchen. Kladogramme stellen Verwandtschaftshypothesen anhand gemeinsamer abgeleiteter Merkmale dar; Verzweigungspunkte stehen für gemeinsame Vorfahren. Ein natürliches System ordnet Lebewesen nach Verwandtschaft. Bestimmungsschlüssel nutzen Merkmale, um Arten zu identifizieren. Der morphologische Artbegriff grenzt Arten anhand übereinstimmender Merkmale ab, hat aber bei ähnlichen oder variablen Arten Grenzen.
Wie Populationen sich verändern
Darwin erklärte Angepasstheit durch natürliche Selektion erblicher Unterschiede. Lamarck nahm dagegen unter anderem die Vererbung erworbener Eigenschaften an; diese Vorstellung erklärt evolutionäre Anpassung nach heutigem genetischem Wissen nicht allgemein. Naturwissenschaftliche Erklärungen müssen anhand von Beobachtungen und überprüfbaren Hypothesen geprüft werden.
Die synthetische Evolutionstheorie beschreibt Evolution unter anderem als Veränderung von Allelfrequenzen in Populationen. Mutation erzeugt neue Allele, Rekombination neue Kombinationen. Selektion verändert Häufigkeiten über Unterschiede im Fortpflanzungserfolg; genetische Drift verändert sie zufällig, besonders in kleinen Populationen. Fitness bezeichnet den relativen Beitrag zum Genpool der nächsten Generation.
Stabilisierende Selektion begünstigt mittlere Ausprägungen, transformierende verschiebt die Merkmalsverteilung und disruptive begünstigt extreme Ausprägungen. Geographische oder ökologische Isolation kann den Genfluss verringern; entsteht reproduktive Isolation, können Arten auseinandergehen. Der populationsgenetische Artbegriff betrachtet Fortpflanzungsgemeinschaften und ihre reproduktive Abgrenzung; auch er ist nicht in allen Fällen einfach anzuwenden.
Koevolution bezeichnet wechselseitige evolutionäre Anpassungen interagierender Arten: mutualistisch etwa bei Bestäuber und Blütenpflanze, antagonistisch etwa bei Wirt und Parasit. Die Beteiligten verändern sich über Generationen; Evolution verfolgt kein vorgegebenes Ziel.
Verhaltensökologie
Verhaltensökologie untersucht, wie Verhalten unter bestimmten Umweltbedingungen Überleben und Fortpflanzung beeinflusst. Direkte Fitness entsteht durch eigene Nachkommen; indirekte Fitness durch die Förderung der Fortpflanzung genetisch verwandter Individuen. Die Gesamtfitness berücksichtigt beide Beiträge.
Eine Kosten-Nutzen-Analyse vergleicht Auswirkungen einer Verhaltensweise auf die Fitness. Optimalitätsmodelle formulieren unter bestimmten Annahmen eine erwartete günstige Strategie; Beobachtungen und Experimente prüfen die Vorhersagen. Beim Nahrungserwerb oder der Habitatwahl müssen etwa Energiegewinn, Zeit und Feindrisiko gegeneinander abgewogen werden.
Kooperation kann bei Nahrungserwerb, Verteidigung oder Jungenaufzucht Vorteile bringen. Altruistisches Verhalten senkt die direkte Fitness des Handelnden und erhöht die eines anderen; Verwandtenselektion kann erklären, wie indirekte Fitness dies begünstigt. Aggression reicht vom Drohen über ritualisierte Kommentkämpfe bis zum Beschädigungskampf; Rangordnungen und Territorialität können Konflikte strukturieren.
Bei der Partnerwahl können auffällige Merkmale trotz ihrer Kosten als Signale interpretiert werden; das Handicap-Prinzip ist ein Erklärungsansatz dafür. Paarungssysteme umfassen Monogamie und verschiedene Formen der Polygamie. Brutpflege steigert häufig die Überlebenschancen der Jungen, kostet aber Ressourcen. Beim Eltern-Kind-Konflikt unterscheiden sich die Interessen hinsichtlich der Verteilung begrenzter elterlicher Investitionen.
Zusammenfassung nach dem FachlehrplanPLUS Biologie 12, grundlegendes Anforderungsniveau. Der Lehrplan enthält zusätzlich konkrete Kompetenzerwartungen und Unterrichtsbeispiele. Für Aufgaben, Experimente und vertiefende Beispiele nutze den Unterricht und die dort angegebenen Materialien.