Biologie hautnah erleben

Die Naturwissenschaft Biologie ermöglicht immer wieder tiefe und konkrete Einblicke in verschiedenste Themen des Lebens. Unter anderem ist es bereits in den Klassen 6 und 8 möglich, den Aufbau von Wirbeltieren beispielhaft anhand einer Forelle zu untersuchen. 

Sezieren einer Forelle

Bereits in der Klasse 6 (Vergleich der Wirbeltierklassen - Leben in extremen Lebensräumen) oder aber spätestens in der Klasse 8 (Ökologie Fließgewässer) ist es möglich, sich den Aufbau von Fischen am Beispiel der Forelle genauer anzusehen. Forellen sind leicht über den Lebensmittelhandel - speziell über den Fischhandel - zu bekommen.

Um die Forellen in Gruppenarbeit genauer zu untersuchen, werden die Schülerinnen und Schüler angehalten, sich zunächst ein genaues Bild von der äußeren Erscheinungsform des Fisches zu machen; dazu dokumentieren sie den Aufbau durch das Anfertigen einer Skizze.

Zudem betrachten und ertasten sie die äußeren Merkmale der Forelle, das Seitenlinienorgan, die Kiemenöffnungen, die verschiedenen Flossen (unterschiedlicher Bau) und die Mundöffnung.

Danach beginnen sie mit dem Sezieren: Sie öffnen dazu die Forelle seitlich, indem sie zunächst den Kiemendeckel abtrennen; danach werden zwei Schnitte durchfeführt: von den Kiemen aus zum vorderen Teil der Seitenlinienorgans und vom After aus zum Seitenlinienorgan. Dann wird mit Schnitten entlang des Bauches und entlang des Seitenlinienorgans die Forelle seitlich geöffnet, so dass die Organe betrachtet und identifiziert werden können (Schwimmblase - siehe Bild -, Magen mit Magenanhängen, Herz, Leber, Darm, etc.).

Auf diese Weise ist es möglich, einen ersten Einblick in den (speziellen) Bau dieser Wirbeltiere zu bekommen.  

Bio-LK-Fahrt zum Gentechniklabor nach Olsberg

Am 02.04.2009 machte sich der Bio-LK des Walramgymnasiums um7:50 Uhr auf den Weg zum Gentechniklabor in Olsberg. Dort sollte das im Unterricht erworbene Wissen jetzt auch praktisch umgesetzt werden.

Das Ziel des Besuches war es, zunächst die DNA aus einem Stück Wurst zun isolieren, um danach zu prüfen, von welchen Tierarten die Fleischanteile der Leberwurst stammen.

Wir erreichten Olsberg um 10:00 Uhr, und daraufhin wurde unsere Gruppe in zwei Arbeitsgruppen aufgeteilt, die in verschiedenen Laboratorien arbeiten sollten. Dort bekamen wir zunächst noch gemeinsam eine Einführung vom Institutsleiter Herrn Kampschulze, in der wir mit den wichtigsten Arbeitsmaterialien vertraut gemacht wurden. Danach wurde jeder mit einem Kittel und Namensschild ausgestattet und in Zweiergruppen eingeteilt.

Die Arbeit, ein Stück DNA zu isolieren, sollte von einer einzigen Gruppe übernommen werden. Der Rest der Gruppe hat sich um die PCR-Methode und die Gelelektrophorese gekümmert. Dabei wurden allerdings schon vorgefertigte DNA-Proben genutzt. Nur so konnten wir an einem Labortag alle Arbeitsschritte kennen lernen.  

Isolierung

Um DNA untersuchen zu können, musste man sie natürlich erstmal isolieren. Während die Mehrheit des Kurses aus Zeitgründen eine vorgefertigte DNA bekam, isolierte eine Gruppe DNA aus einem Stück Leberwurst. Hierzu wogen sie 1 Gramm Wurst ab und homogenisierten diese. Dadurch erhielt man dann einen DNA-haltigen Überstand. Die DNA-Lösung pipettierte man dann auf die Silicamembran einer NucleoSpin®Food-Säule, um sie zu reinigen. Nach einem letzten Zentrifugieren erhielt man reine DNA aus der Wurstprobe. Nun konnte man hiermit weiterarbeiten und bestimmen, aus welchem Tier die Wurst hergestellt wurde. 

PCR

Um eine aussagekräftige Auswertung zu bekommen, musste die isolierte DNA mit Hilfe der PCR-Methode vervielfältigt werden. Hierfür wurde zunächst ein Mastermix vorbereitet.

Ein Mastermix besteht u.a. aus 0,75 µl Primer, CYT b1, 0,75 µl Primer CYT b2 und aus 1,5 µl Taq-DNA-Polymerase und freien Nucleotiden. Diese Reagenzien und Lösungen wurden in einem sterilen, im Eisbad gekühlten 1,5 ml Reaktionsgefäß vermengt.

Nach dem Zusammenpipettieren wurde das Reaktionsgefäß mit dem Mastermix verschlossen, anschließend auf den Vortexer gesetzt und zuletzt für 10 Sekunden zentrifugiert. Nach diesem Teil der Arbeit haben wir den Mastermix gleichmäßig in drei sterile und beschriftet, im Eisbad gekühlte 0,5 ml PCR-Reaktionsgefäße verteilt.

Als letzte Komponente von PCR-Ansätzen wurden in zwei der PCR-Reaktionsgefäße jeweils 2 µl der aus der Wurst isolierten DNA (Template-DNA) zupipettiert. Das dritte PCR-Reaktionsgefäß wurde als Negativkontrolle benutzt, indem man 2 µl bidest. Wasser zupipettierte. 

Jetzt begann die eigentlich PCR-Reaktion im Thermocycler

Sie begann mit der Denaturierung, indem die Lösungen auf 94 °C erhitzt wurden. Hierbei wurden die Wasserstoffbrückenbindungen aufgetrennt, und man erhielt DNA-Einzelstränge. Nach diesem Vorgang trat das Annealing ein. Hier lässt man die Lösung auf 50 °C abkühlen, und somit setzen sich die Primer gegenläufig an den Einzelsträngen an. Als letzter Schritt kam das Extending. Hier werden die Lösungen auf 72 °C erhitzt, was zur Folge hat, dass sich die Einzelstränge zu einer Doppelhelix zusammensetzen.

Restriktionsspaltung

Nachdem die Vervielfältigung der DNA mithilfe der PCR-Methode abgeschlossen war, wurden nun die Restriktionsendonucleasen Alu I bzw. Rsa I hinzugegeben. Danach wurden beide Cups in einem 37 °C warmen Wasserbad 20 bis 30 Minuten inkubiert. In dieser Zeit schnitten die Restriktionsenzyme die DNA an bekannten Basensequenzen auf. Anschließend wurde eine Stopplösung hinzugegeben, die die Reaktion beendete.

Gelelektrophorese

Die geschnittenen DNA-Stücke wurde nun mittels Gelelektrophorese sichtbar gemacht. Zunächst wurde ein Elektrophoresepuffer und das Elektrophoresegel hergestellt. Im nächsten Arbeitsschritt haben wir die Gelelektrophoresekammer aufgebaut. Dazu wird ein Gelträger horizontal ausgerichtet und an den flachen Seiten mit Gummistopfen verschlossen. Danach wird dieses vorsichtig in den vorbereiteten Gelträger gegossen. Nach einer 30-minütigen Pause konnten wir die Gummistopfen lösen, sowie den vorher eingesetzten Kamm herausnehmen und samt des Gels in die Elektrophoresekammer setzen. Nach dem Einsetzen wurden beide Pufferreservoirs der Elektrophoresekammer mit dem Elektrophoresepuffer befüllt. Als Nächstes haben wir die Einkerbungen, die durch den Kamm entstanden sind, mit der isolierten DNA befüllt. Als letzten Schritt haben wir die Elektrophoresekammer angeschlossen. An der Seite mit der DNA haben wir den Minuspol angeschlossen und auf der gegenüberliegenden Seite den Pluspol. Somit lief bei Spannungsaufbau die negativ geladene DNA in Richtung des Pluspols, und es blieben die Teilstücke im Gel hängen. Die Teilstücke, die eine größere Masse aufwiesen, blieben früher im Gel hängen, und somit konnte man die Längen der einzelnen DNA-Stücke vergleichen.

Nachdem alle Gruppen mit ihrer Arbeit fertig waren und alle ein (mehr oder weniger) brauchbares Ergebnis verliegen hatten, ging es an die Auswertung. 

Herr Dr. Kampschulze erklärte uns, dass man nun an den bestimmten Kombinationen der Schnittlängen erkennen kann, um welches Tier es sich handelt. Aufgrund der zwei verschiedenen Restriktionsenzyme wurden die DNA-Stücke auch unterschiedlich geschnitten. So schneidet Alu I zum Beispiel ein DNA-Stück gar nicht und Rsa I dieses in zwei oder auch drei Teile. Mithilfe von Tabellen, die durch vorherige Versuche aufgestellt wurden, kann dann die Länge der Stücke verglichen und ausgewertet werden. Dadurch ist dann eine eindeutige Zuordnung zu einer bestimmten Tierart möglich.

Es handelte sich hier um Huhn und Pute.

geschrieben von: Christopher Holub und Isa Dzemaili   

Sezieren eines Schweineauges (Klasse 9)

"Biologie hautnah" erlebte in diesem Halbjahr u.a. die Klasse 9 a (Schuljahr 2008 / 2009). In Verbindung mit dem Thema "Reizaufnahme, Informationsverarbeitung, Regulation" untersuchten sie den Aufbau eines Wirbeltierauges am realen Objekt.

Dazu sezierten die Schülerinnen und Schüler das Auge eines Hausschweins (Sus scrofa domestica). Die Untersuchungsobjekte wurden freundlicherweise von einer ortsansässigen Fleischerei gratis zur Verfügung gestellt.

Zunächst entfernten die Schülerinnen und Schüler in Partnerarbeit das Bindegewebe und die Bindehaut, die sich häufig noch am Auge befinden. 

Diese Arbeit ist wichtig, um anschließend genauer die Strukturen des Auges von außen betrachten zu können (Lederhaut, Pupille, Iris, Ausgang des Sehnervs etc.). 

Nach der Betrachtung der äußeren Augenstrukturen schnitten die Schülerinnen und Schüler das Auge entlang der Medianline um die Pupille auf, so dass sie einen vorderen (ventralen) und einen hinteren (dorsalen) Augenteil erhielten. 

Von oben blickt man nun zum einen auf die inneren Strukturen der Augenlinse und ihrer Umgebung, zum anderen auf die Netzhaut mit den zahlreichen Nervenfasern und dem Ausgang des Servnervs (Blinder Fleck).

Betrachtet man die vordere (ventrale) Seite des Schweineauges genauer, so erkennt man die Ansätze der Augenhäute und die Strukturen der Muskeln und Bänder um die Augenlinse.

Zuletzt kann man die Linse herauspräparien und auf einen Text legen, um die vergrößernde Wirkung zu verdeutlichen. Es ist dabei jedoch notwendig, mit sehr "frischen" Augen zu arbeiten, da die Linse zwei bis drei Tagen nach der Schlachtung des Tieres trüb wird. 

In diesem Bild sehen wir die Augenlinse mit den Akkommodationsstrukturen (Strukturen zur Nah- und Ferneinstellung) - Zonularfaser und ringförmiger Ziliarmuskel - und dem gallertartigen Glaskörper.

Selbst wenn solche Untersuchungen (Sezieren von Fischen, Schweineherzen und Schweineaugen) im Biologieunterricht oftmals eine gehörige Portion Überwindung kosten, lohnt es sich in besonderem Maße, die im Buch lediglich in Farbskizzen dargestellten Strukturen am realen Objekt erkunden zu können; ebenso fällt meist auch das Schülerfeedback aus, wobei ihnen freigestellt wird, an diesen Untersuchungen teilzunehmen.