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Die perfekte Abiturvorbereitung
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Basiskonzepte

Einheitliche Prüfungsanforderungen für das Abitur

EPA steht für Einheitliche Prüfungsanforderungen. In diesen EPAs wurden acht Basiskonzepte verankert, mit deren Hilfe das Fach Biologie unterrichtet und geprüft werden soll. Grund für die Basiskonzepte ist die enorme Menge an inhaltlichen Fakten, die das Fach Biologie kennzeichnet. Die Basiskonzepte vereinen Prinzipien und Strukturen, die in der Biologie immer wieder auftauchen. Diese Strukturierung ermöglicht einen besseren Überblick in den einzelnen Themenbereichen und über die einzelnen Themen hinaus.

Obwohl die Basiskonzepte ein gutes Hilfsmittel sind, Prinzipien aufzuzeigen und Strukturen ausfindig zu machen, ist ein Unterrichten strukturiert nach den Basiskonzepten eher schwierig; es sei denn, das „Denken“ in diesen acht Konzepten wurde schon während der Sekundarstufe eingeführt.

Die acht Basiskonzepte

  1. Struktur und Funktion
  2. Kompartimentierung
  3. Steuerung und Regelung
  4. Stoff- und Energieumwandlung
  5. Information und Kommunikation
  6. Reproduktion
  7. Variabilität und Angepasstheit
  8. Geschichte und Verwandtschaft

Struktur und Funktion

Betrachtet man Moleküle wie z.B. die DNA oder Proteine, so ist deren Aufbau, ihre Struktur auch immer ganz klar an deren Funktion gekoppelt. Man könnte sagen, die Struktur wurde auf eine ganz bestimmte Funktion hin optimiert. Vergleicht man Enzyme (Katalysatoren) unterschiedlicher Lebewesen, die identische Reaktionen katalysieren, so finden sich ganz eindeutige Strukturmerkmale, die auf eine bestimmte Funktion hindeuten. So treten bei Enzymen, die Phosphatreste binden müssen, ganz bestimmte Strukturen auf, die genau diese Funktion übernehmen. Oder es finden sich bei Redoxreaktionen katalysierenden Proteinen immer Bindestellen für die Coenzyme (Cofaktoren) NAD+ oder FAD.

Nicht nur auf molekularer Ebene, auch phänotypisch betrachtet finden sich „Struktur-und-Funktion“-Zusammenhänge. Z.B. lässt sich die Aerodynamik der sich im Wasser schnell fortbewegenden Lebewesen, z.B. Haie, Pinguine oder Hecht, sehr gut mit der Funktion „schnelle Bewegung“ verbinden.

Im niedersächsischen Kerncurriculum werden verschiedene Beispiele für das Basiskonzept „Struktur und Funktion“ aufgeführt:

  • DNA-Basenpaarung
  • exakte Einpassung der organischen Basen Adenin-Cytosin bzw. Guanin-Thymin in die Doppelhelix der DNA
  • Wechselspiel zwischen der einzelsträngigen und doppelsträngigen Information -> DNA-DNA, DNA-mRNA -> mRNA-Ribosom (tRNA)
  • ...
  • Enzyme (siehe Text oben)
  • Wirkungs- und Substratspezifität der Enzyme spiegelt sich im Bau des Enzyms wider
  • Rezeptormoleküle
  • Spezifität der Rezeptormoleküle
  • Mitochondrien und Chloroplasten
  • Doppelmembranen
  • Oberflächenvergrößerungen
  • semipermeable Eigenschaft der „Funktionsmembran“ in Vorgängen wie Lichtreaktion der Fotosynthese bzw. Endoxidation/Atmungskette
  • Sonnen- und Schattenblatt des Baumes
  • Bau spiegelt Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen wider

Kompartimentierung

Betrachtet man Lebewesen (vom Einzeller zum Vielzeller), finden sich in biologischen Systemen immer abgegrenzte Reaktionsräume (Kompartimente). Dies kann wie z.B. wie beim Einzeller eine Abgrenzung gegen „Draußen“ sein oder bei Vielzellern und einzelligen Eukaryoten eine Unterteilung des Zellinnenraums in verschiedene Reaktionsräume (Mitochondrien, Zellkern ...). Einzelne Kompartimente nehmen unterschiedliche Aufgaben wahr. So wird es möglich, auf kleinstem Raum unterschiedliche Stoffwechselprozesse parallel durchzuführen, Energie zu erzeugen und zu speichern. Obwohl die Kompartimentierung ein zusätzliches Basiskonzept darstellt, könnte sie ebenfalls als „Struktur-Funktionsbeziehung“ verstanden werden.

Hier einige Beispiele zur Kompartimentierung:

  • Stofftransport zwischen den Kompartimenten
  • passiver bzw. aktiver Transport
  • Zellpotentiale
  • Ruhe- und Aktionspotential

Steuerung und Regelung

Jedes Lebewesen tauscht sich mit seiner Umwelt aus. Energie (z.B. Sonnenlicht) wird aufgenommen, Abfallprodukte werden abgegeben. Das Lebewesen ist ein offenes System.

Dieses System muss in irgendeiner Form reguliert werden, um die internen Bedingungen gegenüber der Umwelt (dem „Draußen“) aufrechtzuerhalten.

Regulationsmechanismen finden sich auf den unterschiedlichsten Systemebenen, z.B. auf der molekularen Ebene (Produktion von Proteinen innerhalb der Zelle) oder bei der Frage des Zellwachstums bzw. der Vermehrung der einzelnen Zellen oder, weg von der molekularen Ebene, bei Wechselbeziehungen von Lebewesen untereinander ...

Auch hier Beispiele zum Basiskonzept „Steuerung und Regulation“:

 

  • Regulation der Enzymaktivität
  • kompetitive und nichtkompetitive Inhibitorwirkung
  • Regulation des Stoffwechsels
  • Fließgleichgewicht
  • Homöostase als Ergebnis von Regelungsvorgängen
  • z.B. Regulation der Körpertemperatur
  • Rückkopplung und Regelkreise
  • Konkurrenz, Parasitismus und Symbiose als Beispiele für die Wechselwirkung von Organismen untereinander bzw.
  • Wechselwirkung von Organismus und Umwelt in Bezug auf biotische und abiotische Umweltfaktoren, die wiederum das Wachstum und die Fortpflanzung eines Lebewesen beeinflussen

Stoff- und Energieumwandlung

Dieses Basiskonzept könnte man durchaus mit dem althergebrachten Begriff „Stoffwechsel“ bezeichnen. Unter „Stoff- und Energieumwandlung“ verstecken sich die Vorgänge des aufbauenden und abbauenden Stoffwechsels und die Organisationsebenen, über welche die Stoffe, Energie- und Reduktionsäquivalente miteinander verknüpft sind.

Weg von den chemischen Details der Einzelreaktion, werden die Stoffwechselwege schematisch und in Energiediagrammen betrachtet (C-Körperschema, Redoxreaktionen, ATP-Bilanz). Die Frage der Speicherung, des Transport und der Umwandlung von Stoffen sowie das Problem der Wärmefreisetzung fällt ebenso in das Basiskonzept „Stoff- und Energieumwandlung“ wie die Energiekonzepte eines Ökosystems.

 

Beispiele:

  • Grundprinzipien von Stoffwechselwegen
  • Redoxreaktionen, Energieumwandlung, Energieentwertung, ATP/ADP-System
  • Fotosynthese: Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie
  • Zellatmung: Bereitstellung von Energie
  • Prinzip von Stoffkreisläufen auf Ebene von Ökosystemen und der Biosphäre
  • Kohlenstoffkreislauf

Information und Kommunikation

Leben in komplexen Formen, wie wir dies auf unserer Erde in vielfältiger Form kennen, ist nur möglich indem die Systeme kommunizieren. Der Austausch, die Weiterleitung und die Verarbeitung von Informationen sind notwendige Eigenschaften aller lebenden Systeme.

Das Basiskonzept „Information und Kommunikation“ erläutert die Verschlüsselung der Erbinformation genauso wie die Vorgänge in der Neurobiologie, der Immunologie oder den Mechanismen des Hormonsystems. Beispiele aus dem niedersächsischen Kerncurriculum:

  • Signaltransduktion als Übertragung von extrazellulären Signalen in intrazelluläre Signale
  • Second messenger
  • Neurotransmitter-Rezeptor
  • Informationsübertragung innerhalb der Zelle
  • Proteinbiosynthese bei Eukaryoten
  • Transkriptionsfaktoren, alternatives Spleißen
  • Neurobiologie:
  • Entstehung und Weiterleitung elektrischer Potentiale
  • chemische Synapsen
  • Beeinflussung der Synapse durch einen neuroaktiven Stoff
  • Immunologie:
  • Erkennen und die spezifische Abwehr von Antigenen
  • Antigen-Präsentation, humorale und zelluläre Immunantwort, klonale Selektion
  • hormonelle und neuronale Informationsübertragung
  • Stressreaktion

 

Reproduktion

Kein Leben ohne die Weitergabe des genetischen Materials! Unter das Basiskonzept der Reproduktion fallen Prozesse wie Meiose und Mitose ebenso wie das Verständnis von embryonalen und adulten Stammzellen.

Variabilität und Angepasstheit

Werfen Sie einen Blick aus dem Fenster, so werden Sie innerhalb weniger Minuten verschiedenste Vogelarten sehen: Meisen, Rotkehlchen, Spatzen, Raben, wenn Sie Glück haben, einen Buntspecht oder Kleiber. Alle sind Vögel, alle sind durch ihren Körperbau an ihre Umwelt und ihren Lebensraum angepasst. Diese Variabilität basiert, molekular betrachtet, auf Mutation, Rekombination und Modifikation. Das Basiskonzept Variabilität und Angepasstheit umfasst die Einnischung und Artbildung der synthetischen Evolutionstheorie genauso wie die im Moment zu erfassenden Vorgänge der Ökologie.

Auch hier wieder Punkte, die das niedersächsische Kerncurriculum zu diesem Basiskonzept vorschlägt:

  • Evolutionstheorien: Lamarck – Darwin – Synthetische Evolutionstheorie
  • Angepasstheit als Ergebnis von Evolution (Mutation, Rekombination, Gendrift, Selektion)
  • Präadaptation (Antibiotikaresistenz)
  • Artbildung (allopatrisch)
  • Artbildung (sympatrisch)
  • ökologische Nische
  • Angepasstheit von Populationen (r- und K-selektierte Fortpflanzungsstrategien)
  • Biodiversität

Geschichte und Verwandtschaft

Das Einzige, was in der Biologie Bestand hat, ist die Veränderung … Leben ist nur durch Veränderung möglich, nur so kann es zur Weiterentwicklung kommen. Hier stecken ganz klar die Inhalte der Evolutionsforschung hinter dem Gedanken zu Basiskonzept Nummer acht: „Geschichte und Verwandtschaft“.

Stammbäume basierend auf molekularbiologischen Informationen, Reflexion zu Menschwerdung und zur Entwicklung an sich: Das Basiskonzept „Geschichte und Verwandtschaft“ ist eng mit allen anderen Basiskonzepten verknüpft, so wie sich der Themenbereich Evolution auch nie von den anderen inhaltlichen Schwerpunkten trennen lässt und daher in der Regel als letzter großer Punkt in der Biologie in der gymnasialen Oberstufe unterrichtet wird.

Punkte zum Basiskonzept „Verwandtschaft und Geschichte“

  • molekularbiologische Homologien (DNA, Proteine) zur Untersuchung phylogenetischer Verwandtschaft (Wirbeltiere).
  • Analogien als Anpassungsähnlichkeiten und Homologien als auf Abstammung basierende Ähnlichkeiten
  • Menschwerdung (Hominisation): biologische und kulturelle Evolution

Methode: Fertigen Sie sich Mindmaps zu den Basiskonzepten an. Nehmen Sie ein leeres Blatt und schreiben Sie in die Mitte ein Basiskonzept. Nun beginnt das Brainstorming: Was passt alles zu „Information und Kommunikation“ bzw. zu den verbleibenden sieben Basiskonzepten …?

Bild von Autor Dr. Martina Henn-Sax

Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Basiskonzepte ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Basiskonzepte der Biologie.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.

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