Schüler neu motivieren

Ben ist nichts Besonderes - denkt er. Er ist großzügig, freundlich und aufgeschlossen. Und er hat miserable Noten. Jedes Jahr gesellt sich eine weitere Vier zu seinem Durchschnitt - manchmal auch eine Fünf. Die Kopfnoten sind ebenso eindeutig. Sie sagen, er sei zu oft abgelenkt und würde seine Hausaufgaben vernachlässigen.

Er lernt jetzt nicht und er sieht auch nicht den Sinn, es für seine Zukunft zu tun.

In diesem Artikel geht es darum, jugendliche Schüler als Eltern oder Bekannte des Schülers motivieren zu lernen.

Dieses Mini-Programm ist keine Gehirnwäsche oder ein System, dass ich von jemand anderem abgeschaut habe. Es ist für Ben entstanden, das schlaue und soziale Köpfchen, das es nicht einsieht, auch nur einen Finger für seine schulischen Noten zu krümmen.

Ursachen, Auslöser und Gedanken

Ben ist KEIN Paradebeispiel eines missverstandenen, vernachlässigten Jugendlichen. Nein, er hat eine um ihn besorgte Mutter mit Migrationshintergrund, die Himmel und Hölle dafür in Bewegung setzen würde, damit es Ben gut geht.

Er hat auch ein normales sonstiges Umfeld. Genügend Freunde (und auch eine feste Freundin) in der Schule und außerhalb - auch ein Mobbing-Opfer war er nie.

Wie Sie sehen, ist er (wie er sich übrigens auch sieht) sehr normal.

Schon vor dem Knall des letzten Zeugnisses habe ich mich ein paarmal mit ihm auseinander gesetzt und wollte seinen fehlenden Ehrgeiz verstehen. Zur Antwort kam immer "Wieso sollte ich mich bessern, wenn ich doch überall 3-4 stehe?" Und fragt man ihn, was er denn mit seiner Zukunft vorhabe, kam immer: "Keine Ahnung."

Der Junge sieht also von sich aus keinerlei Notwendigkeit, sich zu bessern. Seine Mutter versucht ihn anzutreiben, sagt ihm aber nicht wofür. Für sich selbst steckt Ben keine Ziele, wozu auch, sie könnten ja einen Misserfolg mit sich bringen.

Selbstdisziplin und fehlende Ziele, für die es sich lohnt, zu arbeiten, sind der Hauptauslöser der Faulheit.

Wie Ben zur neuen Motivation kam

Tagelang habe ich mir den Kopf zerbrochen, wie man bei diesem doch schon recht charakterstarken Jungen einen Umbruch erzielen könnte.

Die einzige Antwort war: Er muss es selbst wollen.

Doch das "Wollen" lässt sich lernen. Schmerzfrei, individuell und getrieben durch Selbsterkenntnis.

Ich stellte einen Fragenkatalog von 15 Fragen zusammen, die es nicht nur wert wären, von Ben beantwortet zu werden. Diese Fragen zielten auf reines "Was bin ich?" "Wie bin ich?" "Was kann ich?" und "Was will ich können?" ab. Einige Fragen sind zugegebenermaßen hart, aber meiner Meinung nach müssen manchmal Fassaden eingerissen werden, um einen guten Neuanfang zu schaffen.

Die Fragen für neue Motivation

So kurz die Liste und die Sätze sind: Sie haben es in sich. Vor allem für einen Fernseh-Jugendlichen, der kaum gewohnt ist, Selbstreflexion zu betreiben. Ben hat für die gewissenhafte Bearbeitung gut eine Stunde gebraucht. Ursprünglich war er auch schon nach 35 Minuten fertig - die Fragen 1, 7 und 14 waren unfertig oder leer. "Ich habe Zeit, Ben.", war alles was ich dazu sagte, als ich ihm das Blatt zurückschob.

Er grübelte, druckste herum und füllte es schließlich zu Ende aus. Was will man mehr? ;-)

Lassen Sie ihrem Schüler also bitte genug Zeit, ohne bedrängend zu sein.

Ich persönlich fand es auch unfair, von Ben zu erwarten, mir seine sehr persönlichen Antworten zeigen zu müssen. Daher ließ ich es ihm offen, mit mir am Ende darüber zu sprechen. Der Fragenkatalog war schließlich für ihn - nicht für mich.

Seine Mutter, geschweige denn seine Lehrer werden nie erfahren, was er genau schrieb. So die Abmachung. Er sollte es für sich tun. Für sich allein.

Hier nun endlich die Fragen:

1. Was kannst du, was sonst keiner kann?
2. Wie sehen dich andere?
3. Was magst du an dir?
4. Und was magst du nicht an dir?
5. Wärst du gerne manchmal anders und wenn ja, wie?
6. Wenn du eine Sache durch ein Fingerschnippen ändern kannst, was wäre das? Und warum?
7. Nenne 10 positive Dinge an dir?
8. Was würdest du tun, wenn die Schule JETZT für immer für dich aus wäre?
9. Wofür ist deiner Meinung nach die Schule überhaupt gut?
10. Was würdest du dir von der Schule wünschen?
11. Was für eine Zukunft wünschst du dir? (Sei gerne ausführlich!)
12. Welche Berufe findest du für dich interessant, um sie nach der Schule vielleicht auszuüben?
13. Was musst du für diese Berufe können? Ist es realistisch, dass du mit deinem jetzigen Können und Wissen eine Ausbildung bekommen würdest?
14. Schreibe genau auf, was sich bei dir bessern muss, damit du deine Wunsch-Zukunft verwirklichen kannst!
15. Ist es dir wert, für deine Wunsch-Zukunft JETZT zu arbeiten?
    Wenn "JA": Schreibe dir Vorsätze für diesen Monat auf, die dich näher dahin bringen!
    Wenn "NEIN": Warum nicht?

Die Folgen

Wie Sie sehen, geht es um reine Selbst-Motivation, die mit ihm selbst, nicht mit seinen Eltern, Lehrern etc. zu tun haben.

Hätte Ben bei seinen Traumberufen aufgeschrieben, er wolle Schauspieler werden, hätte ich seine Einstellungen zu mittelmäßig-schlechten Noten verstanden. Aber er antwortete (entsprechend seiner Begabung) Grafikdesigner. Und damit formulierte er für sich die Notwendigkeit, wenigstens einen mittelmäßig-guten Notendurchschnitt zu erreichen.

Seine Vorsätze hat er selbst formuliert (durchaus realistisch, ohne sich zu überfordern) und sie seitdem mit wenigen Rückschlägen umgesetzt.

Alle zwei Wochen frage ich nebenher nach - sehe aber auch so, dass er endlich Ziele für sich formuliert hat, für die es sich lohnt, zu arbeiten.

Bild: CC 2.0 by pedro.desousa

Aufbau der Nervenzelle

Denkt man an den Begriff "Zelle" kommt einem vermutlich zuerst der Gedanke an die normale runde eukaryote Zelle. Klein ist sie, kann sich ohne Probleme teilen und ist daher relativ leicht ersetzbar.

Nervenzellen dagegen können zu Recht als Königinnen der Zellen in unserem Körper bezeichnet werden, sind sie doch groß, filigran und erfüllen die überaus wichtige Aufgabe der Weiterleitung von Reizen, ohne die unsere Intelligenz nicht möglich wäre.

Wie ist eine Nervenzelle aufgebaut?

Schon bei dem Betrachten des Bildes sollte dir auffallen, dass es hier einiges gibt, dass dir von normalen eukaryoten Zellen unbekannt ist und grundsätzlich kann man die Nervenzelle auch in drei Bereiche aufteilen: den Hauptkörper, das Axon und die Dendriten. Axon und Dendriten sind den Nervenzellen eigene Bestandteile - gleich jedoch ist der Hauptkörper der Nervenzelle - auch Soma oder Zellkörper genannt.

Der Hauptkörper:

In diesem Bereich sitzen wie bei normalen Zellen auch der Zellkern (2) mit dem Nucleolus (1), Mitochondrien, Ribosomen, sehr viele endoplasmatische Retikula (die sich hier vermehrt zu Nissl-Schollen sammeln), sowie alle anderen Zellorganellen, die du bereits kennst. Die Nervenzelle - auch Neuron genannt - ist ebenfalls umgeben von einer Zellmembran, die Neurolemm (3) genannt wird.

Im Hauptkörper sitzt das Kontrollzentrum der Zelle (Zellkern), der darüber verfügt, was zu tun ist. Neben der Selbstversorgung der Zelle (über Mitochondrien etc.) werden im Hauptkörper außerdem alle wichtigen Substanzen der Nervenzelle hergestellt - beispielsweise die Neurotransmitter.

Das Axon:

Das Axon (6) ist quasi mit einem elektrischen Kabel zu vergleichen, das den Strom weitergibt. Die Aufgabe des Axons ist es, (elektronische) Reize, die am Axonhügel durch das Aktionspotential generiert werden, weiterzugeben an die Synapsen. Das Axon wird auch Neurit genannt. 

Der Axonhügel (5) ist die Stelle am Neuron, wo das Soma endet und zum Axon übergeht. Das so genannte Schwellenpotential ist an dieser Stelle stark reduziert, sodass Aktionspotentiale hier schneller zustande kommen. Damit ist sichergestellt, dass die Reize vom Axon kommen und nicht von einer anderen Stelle der Zelle - denn theoretisch kann an jeder Stelle der Zelle ein Aktionspotential ausgelöst werden.

Das Axon selbst kann sowohl mikroskopisch kurz als auch sehr lang sein. Manche Axons sind sogar länger als einen Meter! Sie münden dabei immer in Synapsen, sodass die elektronischen Signale in chemische umgewandelt werden und auf die nächste Nervenzelle übergehen können.

Das Axon ist immer von den so genannt Myelischeiden (7) umhüllt, die die Weiterleitung des elektrischen Potentials leichter machen und schneller machen, da sie das Axon isolieren, sodass der Reiz nicht geringer wird. Im Zentralen Nervensystem (ZNS) ist das Axon dabei umhüllt von einer Myelinscheide aus Oligodendrozyten und im Peripheren Nervensystem (PNS) von Schwannschen Zellen.

Die Myelinscheiden sind immer durch kleine Lücken von einander getrennt. Diese werden Ranviersche Schnürringe (8) genannt. Durch diese Schnürringe wird das Aktionspotential bis zu 10-mal so schnell weitergeleitet, weil es immer von einem zum nächsten Schnürring springt.

Das Axon endet im Endknöpfchen - auch Präsynapse genannt (9). Hier wird der elektrische Reiz in einen chemischen übersetzt, der über den synaptischen Spalt hinweg an die nächste Nervenzelle weitergeleitet werden kann. Ein Axon dabei auch mehrere Endknöpfchen haben, also einen Reiz an mehrere Stationen weitergeben.

Der Dendrit

Die Dendriten (11) der Nervenzellen sind dafür da, empfangene (chemische) in elektronische zu übersetzen und weiterzuleiten. Sie bilden die Postsynapsen (10). Die Anzahl der vorhandenen Dendriten bestimmt darüber, ob man eine Unipolare, bipolare, multipolare oder pseudounipolare Nervenzelle vor sich hat.

Unipolare Nervenzellen beispielsweise haben dabei keine Dendrite, können also keine Reize von anderen Zellen empfangen, sondern nur selbst generierte Aktionspotentiale weitergeben. Dies ist beispielsweise bei Primären Sinneszellen wie Stäbchen und Zapfen der Fall.

Multipolare hingegen besitzen eine Vielzahl von Dendriten und können sehr viele Reize von vielen anderen Zellen empfangen, die sie über das Axon weiterleiten.

Aufgaben:

• Zeichne das Bild schematisch ab oder drucke es aus und beschrifte die Zahlen mit den dazu gehörenden Namen. Versuche das, ohne Hilfe aus diesem Text zu tun.
• Zeichne eine Tabelle und liste die Unterschiede zwischen Peripheren Zellen (z.B. Munschleimhauzelle) und der normalen Nervenzelle auf.
• Was sind die Funktionen der Nervenzellen? Wo kommen sie im Körper überall vor?

Bild: CC 2.0 by Ethan Hein (Thanks a lot for this professional and FREE picture!)

Der Kohlenstoffkreislauf

Auch der Kohlenstoffkreislauf - ähnlich dem Stickstoffkreislauf - ist ein beliebtes Thema der Lehrer für normale Klausuren, aber auch fürs Abi. Es lohnt sich also, ihn zu verstehen und zu lernen.

Aufgaben:

• Denk mal nach: Wo kommt Kohlenstoff überall vor?
• Brauchen wir Kohlenstoff zum Leben?

Warum ist der Kohlenstoffkreislauf so wichtig für uns?

Jedes lebendige Wesen, und somit auch der Mensch, ist angewiesen auf das Element C - Kohlenstoff. Denn dieser ist ein überaus wichtiger Baustoff für diverse Proteine, Lipide, Nucleinsäuren und Kohlenhydrate. Ohne den Kohlenstoff wäre unser Körper also nicht lebens- oder funktionsfähig. Bei Tieren und Pflanzen ist es nicht anders. Auch sie benötigen bestimmte Lipide, Proteine etc. zum Leben.

Nun ist es so, dass in der Biosphäre, also in allen lebenden Organismen zusammen nur 0,001% des irdischen Kohlenstoffs vorkommen. Der Rest ist vor allem in der Lithosphäre (im Gestein) zu finden, sowie andere kleine Prozente in der Atmosphäre (Luft), der Hydrosphäre (Wasser) und der Pedosphäre (oberste Schicht der Erde - Boden).

Die über 99% des irdischen Kohlenstoffs sind zu einem großen Teil fest ins Sediment integriert, sodass es sehr lange dauert (tausende von Jahren), bis dieses Vorkommen an Kohlenstoff für die Biosphäre teilweise verfügbar wird.

Aus diesem Grund findet der Großteil des Austauschs des Kohlenstoffkreislaufs zwischen Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre statt. So wird beispielsweise jährlich ein Siebtel des in der Atmosphäre vorhandenen Kohlenstoffs von Pflanzen assimiliert - also umgesetzt und den Konsumenten erster Ordnung (Pflanzenfresser) zugänglich gemacht.

Weil nur über circa 0,5% des Kohlenstoffs "einfach so" verfügt werden kann, ohne Sedimente chemisch aufzulösen, ist es wichtig, dass ein Kreislauf entsteht, sodass der Kohlenstoff nicht an einer Endstation gelagert wird, bis alles Leben auf der Erde erlischt.

Wie läuft der Kohlenstoffkreislauf ab?

Das folgende Bild soll dir zeigen, wie der Kohlenstoffkreislauf grob abläuft. Wir werden bei der Erklärung auch zunächst die Abläufe in der Hydrosphäre außer Acht lassen, damit der Prozess leichter zu verstehen ist.

1. Die Assimilation (grünes Feld)

Als Startpunkt für den Kohlenstoffkreislauf haben wir die Assimilation des Kohlenstoff durch Pflanzen bzw. andere Produzenten gewählt.

Bei der Assimilation wir durch den Prozess der Photosynthese Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form von Kohlenstoffdioxid (CO2) in organische Substanzen umgewandelt. 

Die kleine Pflanze auf dem Bild könnte zum Beispiel ein Apfelbaum sein, der mit Hilfe der Photosynthese Äpfel produziert, die jede Menge Fruchtzucker enthalten - also umgewandelten Kohlenstoff.

2. Die Respiration (orangefarbenes Feld)

Das Pferd frisst nun den Apfel und löst bei der Verdauung die Fruchtzucker (und damit die enthaltenen Kohlenstoffe) aus dem Fruchtfleisch heraus. Diese Frucht werden durch die Blutbahn an Stellen geleitet, wo Energie benötigt wird. Dort werden sie im Prozess der Zellatmung so lange umgeformt, bis alle für das Tier verwertbare Energie ausgenutzt wurde. Das Pferd atmet Kohlenstoffdioxid und Wasser aus, sodass der Kohlenstoff zum größten Teil zurück in die Atmosphäre gelangt.

3. Die Zersetzung (violettes Feld)

Ein Teil des Kohlenstoffs wird jedoch immer auch für den Aufbau von Biomasse verwendet, sei es, dass ein Baum wächst (dazu muss er zwangsläufig mehr Kohlenstoff ansammeln) oder ein Tier zunimmt. In der lebendigen Biosphäre ist also auch immer Kohlenstoff als "Gerüst-" und "Arbeitsstoff" zu finden.

Stirbt ein Lebewesen jedoch, geht der als Baustoff verwendete Kohlenstoff nicht verloren. Destruenten wie Bakterien und bestimmte Pilze sorgen dafür, dass die tote Biomasse von Pflanzen, Tieren, Pilzen und Bakterien wieder zersetzt werden.

Diese Pilze und Bakterien gewinnen ihrerseits Energie aus der Zersetzung und machen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid wieder zugänglich für Produzenten aller Art.

Ein Teil des freigesetzten CO2 gelangt dabei wieder zurück in die Atmosphäre - ein weiterer Teil bleibt im Boden (in der Pedosphäre) zurück als Humus und Torf, die sich über tausende von Jahren hinweg zu fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle aber auch zu kohlehaltigen Sedimenten wie Carbonat und Kerogen umwandeln können.

4. Die Diffusion (dunkelblaues Feld)

Das Kohlenstoffdioxid kann nicht nur über den langen Umweg der Assimilation und anschließenden Zersetzung in den Boden gelangen. Ein Teil des atmosphärischen Kohlenstoffs kann auch in die Pedosphäre diffundieren.

5. Die Verbrennung von fossilen Brennstoffen (hellblaues Feld)

Die ersten vier Schritte laufen schon seit Millionen Jahren genau so ab. Dieser fünfte jedoch erst, seitem der Mensch Erdöl und Kohle als würdig empfunden hat, seine Gefährte zu betreiben und seine Häuser zu beheizen. Hier wird Kohlenstoff in Form von fossilen Brennstoffen in Fabriken verbrannt, um Energie zu gewinnen. Dabei wird wieder CO2 frei, das in die Atmosphäre entlassen wird.

Aufgaben: 

• Wiederhole noch einmal den Kohlenstoffkreislauf stichwortartig in deinen eigenen Worten und fertige dazu eine passende Skizze an.
• Die Hydrosphäre wurde in diesem Artikel noch nicht behandelt. Was denkst du, geschieht mit dem Kohlenstoff im Meer, bzw. wie gelangt der Kohlenstoff dahin? Stelle Nachforschungen zu dem Thema mithilfe des Internets und deines Biologie Buches an!

Der Stickstoffkreislauf

Wenn du auf dieser Seite landest, tust du das vermutlich, weil du das Thema Stickstoffkreislauf gerade in der Schule hast oder es bis zum Abi sitzen muss. Lass dir jedoch eins gesagt sein: Schwachsinn ist das Thema nicht und - wenn man geneigt ist, die Bedeutung davon zu begreifen - auch nicht langweilig.

Zunächst einmal solltest du dir die aufgelisteten chemischen Verbindungen merken oder gegebenenfalls in dein Heft notieren:

Warum ist der Stickstoffkreislauf so wichtig?

Stickstoff ist in jedem lebenden Wesen enthalten, sei es Bakterie, Pflanze, Pilz oder Tier, denn es kommt sowohl in Proteinen, Aminosäuren und der DNA bzw. RNA als wichtiger Baustoff vor. Wie du dir vielleicht denken kannst, ist in deinem Körper beispielsweise so gut wie nichts statisch und "für immer". Das heißt, dass die Zellen in deinem Körper (und jede Zelle enthält DNA!) regelmäßig erneuert werden und dementsprechend neu mit Baustoffen wie Stickstoff versorgt werden müssen.

Es ist natürlich auch wichtig, dass, wenn jemand stirbt, der Stickstoff nicht einfach mit der Leiche verloren geht, sondern wieder verwertet werden kann, damit andere Lebewesen davon profitieren können.

Es ist wichtig, dass du dir merkst, dass nur wenige Lebewesen in der Lage sind, den elementaren Stickstoff, wie er zu circa 99% in der Luft vorkommt, "einfach so" aufzunehmen. Zu den wenigen Lebewesen, die das können, gehören beispielsweise Cyanobakterien und die Knöllchenbakterien (welche symbiotisch am Wurzelwerk von einigen Pflanzen leben).

Aufgaben:

• Woher, denkst du, kommt der Stickstoff, den der Mensch in seinem Körper verwendet?
• Worin liegt der "Sinn" des Stickstoffkreislaufs?

Wie läuft der Stickstoffkreislauf ab?

Aufgabe:

• Betrachte erst einmal das Bild und versuche die Abfolge der Pfeile zu verstehen!

1. Die Ammonifikation:
Der Stickstoffkreislauf beginnt gewissermaßen mit der Ammonifikation (wobei ein Kraislauf natürlich nirgendwo beginnt oder endet, für unser Verständnis jedoch ist es sinnvoll, an einer Stelle wie dieser zu beginnen.).

Bei der Ammonifikation wird der Stickstoff, der in allen erdenklichen Verbindungen in organischen Stoffen wie Exkrementen und anderer Biomasse (v.a. Tier- und Pflanzenleichen) enthalten ist, durch Destruenten wie Bakterien und Pilze freigesetzt. Die Destruenten zersetzen die organischen Teile und gewinnen damit Energie für sich.

Ammonifikation kann nicht nur durch Destruenten erfolgen, sondern ebenfalls durch andere chemische Prozesse wie die Hydrolyse von Urin.

Durch die Ammonifikation steht dem Ökosystem wieder wertvoller Stickstoff in Form von NH3 oder NH4+ zur Verfügung. Ammoniak oder Ammoniakionen können die meisten Pflanzen und andere autotrophe Lebewesen problemlos verwenden.

2.  Die Nitrifikation
Die Nitrifikation erfolgt durch einen zweistufigen Prozess durch 2 Gruppen von Bakterien, die Nitritbaktieren (z.B. Nitrosomas) und die Nitratbakterien (z.B. Nitrobacter). Die beiden Bakteriengruppen arbeiten so zu sagen "Hand in Hand", sind also von einander abhängig, denn zunächst muss Ammoniak in Nitrit und anschließend in Nitrat umgewandelt werden.

Der erste Schritt erfolgt durch die erste Bakteriengruppe, den Nitritbakterien. Diese oxidieren Ammoniak mit molekularem Sauerstoff zu Nitrit. Sie tun das natürlich nicht aus Pflichtbewusstsein der Natur gegenüber, sondern gewinnen in dem Prozess Energie.

NH3 + 1,5 O2 → NO2- + H2O
(2 Ammoniak-Moleküle werden unter Einwirkung von 3 Sauerstoff-Molekülen zu je 2 Nitrit und Wassermolekülen.)

Für den zweiten Schritt sind Nitratbakterien wie die Nitrobacter nötig, denn hier wird wiederum durch Oxidation Nitrit in Nitrat umgewandelt.

NO2- + 0,5 O2 → NO3-
(2 Nitrit-Molekule oxidieren mit einem Sauerstoff-Molekül zu einem Nitrat-Molekül.)

3. Stickstoffassimilation
Die anorganischen Verbindungen Nitrat und Ammoniak werden von Pflanzen und anderen autotrophen Organismen aufgenommen, um stickstoffhaltige organische Verbindungen wie Nucleinsäuren, Proteine und Aminosäuren zu bilden.

Auf viele Pflanzen wirkt sowohl Ammoniak als auch Nitrat daher düngend und regt diese zum Wachstum an.

Viele Pflanzen (v.a. Mangold und Spinat) speichern mehr Nitrat als sie brauchen. Daher kann es gesundheitsschädlich wirken, eines der stark nitratspeichernden Gemüse mehr als einmal aufzuwärmen, da bei einer künstlichen Nitrifikation durch Hitze (Kochtopf) Nitrit entsteht, welches vor allem für Kinder giftig ist.

Die Pflanzen werden von Konsumenten erster Ordnung verzehrt. Diese verwerten den pflanzlichen Stickstoff und setzen ebenfalls den Stickstoff als Baumittel für diverse organische Verbindungen ein (z.B. DNA).

Die Exkremente und Leichen von Mirkroorganismen, Pflanzen, Pilzen und Tieren enthalten selbstverständlich Stickstoff, welcher entweder (wie in 1. beschrieben) durch Ammonifikation zu Ammoniak umgewandelt wird oder durch andere chemische Prozesse frei wird.

4. Denitrifikation
Einige anaerobe Bakterien können unter Nitrat oder Nitrit zur Oxidation verwenden, um somit für sich Energie zu gewinnen. In mehreren Zwischenschritten wird dabei aus Nitrat oder Nitrit N2, welcher zum größten Teil in die Atmosphäre entweicht.

5. Stickstofffixierung
Nur wenige Lebewesen sind in der Lage, den wertvollen Stickstoff in seiner reinen Form zu binden, bzw. zu fixieren und ihn somit zugänglich für Pflanzen und Mikroorganismen zu machen. Zu den seltenen Fällen gehören Cyanobakterien, Bakterien der Gattung Frankia und andere Bakterien wie die Knöllchenbakterien.

Diese Bakterien leben vornehmlich in Symbiosen mit Pflanzen in deren Wurzelwerken, wo sie von dem Stoffaustausch mit den Pflanzen stark profitieren.

6. Nitrifikation durch Energie
Hier ist die natürliche Alternative der Nitrifikation zum Kochtopf gemeint. In der Atmosphäre vorkommender Stickstoff wird während eines Gewitter gebunden zu Nitrat.

Aufgaben:

• Zeichne dein eigenes Bild zum Stoffwechselkreislauf und gestalte es, um die Übersicht zu verbessern, farblich.
• Fasse den Ablauf noch einmal in eigenen Worten stichwortartig zusammen!

Die Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese ist ein Thema der Molekularbiologie und beantwortet viele Fragen im Bezug auf das Leben. Hast du dich z.B. schon einmal gefragt, wie es kommt, dass du immer die gleiche Augenfarbe hast?

Eigentlich ist es einfacher, als man denkt, die Proteinbiosynthese zu verstehen. Du weißt: Alle Informationen bezüglich deines Aussehens (z.B. die Augenfarbe) stehen niedergeschrieben in deiner DNA. Und du weißt: Ich habe diese Augenfarbe. Der Schritt dazwischen - nämlich die Umsetzung der Information auf der DNA in die Realität - ist Aufgabe der Proteinbiosynthese.

Fragen und Antworten zum Thema Proteinbiosynthese:

Was ist das Ziel der Proteinbiosynthese?
Die Umsetzung der Informationen auf deiner DNA zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Was Raum und Zeit betrifft meinen wir beispielsweise, dass von der DNA, die in Zellen in deinem Fuß vorkommt, sicherlich keine Informationen zum Thema "Augenfarbe" umgesetzt werden. Auch wird eine Information zum Thema Alkohol-abbauende-Enzyme wohl kaum umgesetzt werden, wenn noch genügend Enzyme davon da sind. :)

Übung:

• Überlege: Warum ist das so?

Was ist das Produkt der Proteinbiosynthese?

Bei dem Prozess werden eine Menge von Aminosäuren aneinander gereiht, sodass Proteine und Peptide entstehen. Zu den Proteinen gehören unter anderem Enzyme - die Baumeister des Körpers. Durch Enzyme werden sowohl Stoffe im Körper auf als auch abgebaut.

Übertragen auf das Augenfarben-Beispiel bedeutet das: Die Augenfarbe eines Menschen wird durch den Melaningehalt in der Iris bestimmt. Wenig Melanin bedeutet, dass jemand blaue Augen bekommt, viel Melanin bedeutet braune Augen. Melanin entsteht durch die enzymatische Oxidation von Tyrosin - eine Aminosäurekette. Das Enzym, das die Oxidation des Tyrosins hervorruft, muss erst einmal geschaffen werden. Ich denke, du kannst dir vorstellen, wie der Prozess heißt, bei dem das geschieht...

Wo findet das ganze statt?

Da die Proteinbiosynthese nicht nur aus einem Schritt besteht, kann man sich denken, dass es auch mehr als einen Ort gibt, an dem sie stattfindet. Die Transkription findet im Zellkern direkt an der DNA statt, die Translation wird an einem Ribosom irgendwo innerhalb der Zelle vorgenommen und das "Aminosäure-Produkt" findet seine Bestimmung in vielen Fällen auch außerhalb der Zelle.

Wie läuft die Proteinbiosynthese ab?

Grundsätzlich gibt es zwei Hauptschritte. Diese sind auch die, die du für die Schule können musst: Die Transkription und die Translation. Nach diesen beiden Schritten musst das fertige Protein noch transportiert werden, das jedoch werden wir in diesem Artikel nicht erklären.

Übungen:

• Versuche zu übersetzen: Was könnte Transkription und Translation heißen?
• Wie stellst du dir die beiden Vorgänge vor?

Die Transkription:

Die Transkription ist der Prozess, in dem ein Gen von der DNA in mRNA abgeschrieben wird. mRNA heißt übersetzt messenger ribonucleic acid, also Boten-Ribonukleinsäure. Ziel der Transskription ist es, die Informationen eines Gens abzulesen und im verarbeitungsfähigem Zustand zu einem Ribosom außerhalb des Zellkerns zu bringen. Folgende sind dabei die Schritte:

1. Ein RNA-Polymerase-Proteinkomplex setzt sich auf den Promotor der DNA an dem abzulesendem Gen. Der Promotor ist eine Basensequenz (z.B. AGGCTTAG), die sagt "Hier fängt das Gen an" und gleichzeitig das passende "Schlüsselloch" für den "Schlüssel" des RNA-Ribonuklein-Komplexes bildet. Der Komplex kann also nirgendwo sonst ansetzen als am Promotor. Aus diesem Grund wird auch kein Primer benötigt.
2. Die RNA-Polymerase entspiralisiert die DNA nun für ein kurzes Stück, sodass mindestens 10 Basen zur Trasskription freiliegen. Dieser Schritt ist der Initiation der Replikation der DNA ähnlich.
3. Die RNA-Polymerase läuft nun an den Basen entlang und komplementäre Nukleotide setzen sich am codogenen Strang auf die freien Basen, sodass die mRNA ensteht. Die RNA-Polymerase verbindet die komplementären Basen miteinander.
   Merke: Hier wird nur in 3'-5' Richtung abgelesen, also nur der Folgestrang. Hier paart sich nicht wie sonst üblich Adenin und Thymin. In der RNA wird Thymin nämlich mit Uracil ersetzt. (Außerdem kommt als Stabilisator nicht Desoxirobose vor, sondern Ribose).
4. Die RNA-Polymerase läuft weiter bis zum Terminator. Der Terminator ist ebenfalls eine Basensequenz, die die Polymerase wissen lässt: "Das Gen ist hier zu Ende. Du kannst jetzt loslassen."
5. Die neu gebildete mRNA wird nun "entlassen" .
6. (Nur bei Eukarioten!) Die mRNA ist noch nicht ganz fertig. Sie muss erst noch "reifen". Das geschieht durch das Splicing. Hier werden unnütze Basenstücke herausgeschnitten, die die Translation erschweren oder gar verhindern würden.
7. Die mRNA wandert nun aus dem Zellkern heraus.

Die Translation:

Ziel der Translation ist es, die Informationen der mRNA in ein real existierendes Protein oder Peptid umzusetzen. Die Baustoffe dafür sind Aminosäuren und der Ort der Translation ist das Ribosom innerhalb der Zelle.

Ein paar Gedanken zuvor: Es gibt insgesamt 20 Aminosäuren, die als Baustoffe dienen - die so genannten proteinogenen Aminosäuren - jedoch nur 4 Basen auf der mRNA. Das bedeutet, das die Übersetzung von einer Base = eine Aminosäure nicht stimmen kann (man hätte dann ja nur 4 Aminosäuren zur Auswahl). Würden je 2 Basen eine Aminosäure "bedeuten", wäre das ähnlich fruchtlos - denn 4 hoch 2=16 und nicht 20, also immer noch 4 Basen zu wenig. 4 hoch 3 hingegen ergibt 64. Das erscheint zunächst zuviel, aber eine Doppelbelegung von Informationen ist einfach zu realisieren als das Fehlen einer Übersetzung für eine Aminosäure.

Aus diesem Grund wird die mRNA immer in Dreierschritten abgelesen, den so genannten Tripletts (oder Codons). Drei Basen - also ein Triplett oder Codon - ergeben also den Code für je eine Aminosäure.

Das Kernelement der Translation ist die so genannte tRNA (das "t" steht hier für transfer - Übertragung). Die tRNA ist ein sehr kurzes Stück RNA, welche an der einen Seite bloß drei Basen hat (also ein Codon) und an der anderen eine Aminosäure.

Die Translation läuft folgenderweise ab:

1. Innerhalb des Ribosoms werden verschiedene tRNAs mit der passenden Stelle der mRNA zusammengeführt. Auf drei Basen der mRNA passt immer nur je eine tRNA mit ihren entsprechenden drei komplementären Basen. Das Startcodon ist die Basen-Sequenz A-U-G, das von der Start-tRNA besetzt wird. Neben ihr landet nun die nächste tRNA und so weiter.
2. Die Aminosäuren, die am oberen Ende der tRNA hängen, werden durch eine Peptidbindung miteinander verknüpft. So entsteht die Aminosäurekette.
3. Die tRNAs verlassen ohne ihre Aminosäure das Ribosom.
4. Das Ribosom wandert immer um ein Triplett weiter, bis es auf das Stopp-Codon (U-G-A) trifft.
5. Die Aminosäurekette löst sich von dem Ribosom ab und faltet sich zu einer komplexen Strukur, sodass ein Peptid oder Protein entsteht.

Hier ist noch ein wunderbares Video in Englisch, das den Ablauf der Transkription und Translation der Proteinbiosynthese zeigt:

Übung:

• Schau dir das Bild oben noch einmal genau an. Welcher Vorgang wird gezeigt? Zeichne es ab und beschrifte es!

Lotka-Volterra Regeln

Wie schon öfter in der Geschichte hatten hier zwei große Männer den gleichen Gedanken. In diesem Fall handelt es sich auf der einen Seite um den österreichisch-amerikanischen Mathematiker Alfred Lotka und den italienischen Physiker Vito Volterra. Sie beide hatten die Vermutung, dass die Räuber-Beute-Beziehungen in der freien Natur bestimmten mathematischen Regeln unterliegen, die sich mathematisch beschreiben lassen.

Es geht also um die so genannte Populationsdynamik. Populationsdynamiken beschreiben die räumliche oder mengenmäßige Veränderungen von Populationen über eine meist längere Zeit. Populationen sind mehrere Individuen einer Art, die zur selben Zeit am gleichen Ort leben und sich dort miteinander fortpflanzen können.

Die Lotka-Volterra Regeln umfassen drei Regeln und beziehen sich ausschließlich auf die interspeziefische Konkurrenz (Konkurrenz zwischen verschiedenen Arten) - speziell auf Räuber-Beute Beziehungen (z.B. Katze - Maus). Dabei werden alle anderen Umstände, denen die Arten unterworfen sind (biotische und abiotische Faktoren wie Krankheiten, Temperaturen, ...) als konstant (gleich bleibend) oder zu vernachlässigen betrachtet. Die Lotka-Volterra-Regel wird in den meisten Fällen auf Beobachtungen angewendet, die mindestens 30 Jahre umfassen - also mehrere Generationen von Räuber und Beute zulassen.

Übung:

• Schau dir den Graphen an und liste auf, was dir auffällt. Sammle dabei mindestens drei Aussagen!

Die erste Lotka-Volterra Regel:

Die erste Regel von Lotka und Volterra beschreibt die periodische Populationsschwankung von Räuber- und Beutepopulation. Sowohl Räuber- als auch Beutepopulation sind nicht gleichbleibend oder linear steigend sondern schwanken in in ihren Beständen, wie man es auch auf dem Graphen oben sieht. Die Räuberpopulation folgt in ihren Schwankungen immer der Beutepopulation. Daher liegen die Maxima (Höhepunkte) und Minima (Tiefpunkte) der Räuberpopulation immer zeitlich hinter denen der Beutepopulation.

Begründen kann man das mit der direkten Abhängigkeit der Räuberpopulation von der Beutepopulation.

Stell dir vor, du hast eine friedliche Kaninchenpopulation in einem ruhigen Tal. Der einzige Fressfeind der Kaninchen sind die Füchse. Die Kaninchenpopulation hat ein gesundes Wachstum, daher haben auch die Füchse immer genug Futter, sodass auch deren Bestand anwächst.

Eines Tages ist jedoch der Punkt erreicht, an dem mehr Kaninchen von den Füchsen gefressen werden, als neu geboren werden. Aus diesem Grund sinkt die Kaninchenpopulation auf einen Tiefpunkt. Die Füchse sind nun zu viele, um sich von den immer seltener werdenden Kaninchen zu ernähren. Daher wird auch die Fuchspopulation geringer.

Da wieder weniger Füchse im Land sind, haben die Kaninchen weniger "Feinddruck" auf sich, werden also weniger häufig gefressen und können sich somit wieder vermehren. Die Füchse finden von da an wieder mehr Futter und können sich somit auch wieder stärker vermehren.

Das ganze läuft dann immer weiter in solcher oder ähnlicher Weise.

Zweite Lotka-Volterra Regel:

Die zweite Regel beschreibt die Konstanz der Mittelwerte. Das bedeutet, dass die durchschnittliche Größe der Räuber- und Beutepopulation über einen längeren Zeitraum betrachtet konstant (gleichbleibend) sind. Zieht man also einen Mittelwert in den oben gezeigten Graphen, sieht man, dass die Populationen immer ungefähr gleich groß sind.

Die Individuen-Zahl der Beutepopulation (also beispielsweise der Kaninchen) ist dabei immer höher als die der Räuberpopulation (beispielsweise der Füchse).

Warum ist klar: Damit ein Fuchs leben kann, braucht dieser mindestens alle zwei Tage ein Kaninchen.

Dritte Lotka-Volterra Regel:

Diese Regel beschreibt, was passiert, was passiert, wenn die Mittelwerte gestört werden, also die Störung der Mittelwerte.

Wenn etwas passiert, was beide Populationen negativ betrifft, ist es so, dass die Räuberpopulation immer deutlich länger braucht, um den früheren Mittelwert der Population zu erreichen als die Beutepopulation.

Nehmen wir an, dass beispielsweise jemand Kaninchengift verteilt, das jedoch für keine andere Art gefährlich ist, sodass beinahe alle Kaninchen daran sterben. Der Fuchs findet nun plötzlich gar kein Futter mehr. Daher sterben auch beinahe alle Füchse.

Die wenigen Kaninchen, die nicht gestorben sind, sind nun befreit von jedwedem Feinddruck und können sich munter fortpflanzen. Da eine Kaninchenmutter mehrere Male pro Jahr werfen kann, ist die Population der Kaninchen wieder recht schnell auf dem alten Mittelwert. Füchse hingegen brauchen deutlich länger, um auf den gleichen Stand zurück zu kommen - wirft eine Füchsin doch deutlich seltener und zudem auch weniger Junge als ein Kaninchen.

Die Replikation der DNA

Vielen Schülern fällt es zunächst schwer, sich die Replikation (Vervielfältigung) der DNA vorzustellen - erscheint doch das Thema so abstrakt und nah am Göttlichen, dass es schon absurd ist, so etwas in der Schule zu lernen. Die Replikation des Erbguts ist gleichzeitig eine hoch interessante Sache, die wir dir als Schüler nicht nur den Noten wegen nahe legen möchten, zu lernen.

Zunächst musst du wissen, dass die DNA semikonservativ repliziert (vervielfältigt) wird. Das bedeutet, dass nach jeder Replikation zwei komplette DNA-Sätze vorhanden sind, die sich zu 100% gleichen (wenn kein Fehler bei dem Prozess unterlaufen ist). Der DNA-Faden wird jedoch nicht einfach in der Mitte durchgebrochen wie ein Stock und anschließend repliziert, sondern längs geteilt, wie man ein Seil in 2 Seile aufriffeln kann, wenn man die Einzelstränge des Seiles von einander trennt. Das hat natürlich den Grund, dass man nur auf diese Weise alle Erbinformationen beibehält. Würde die DNA einfach in der Mitte zerbrochen wie eine Salzstange, wären nur die Hälfte der Informationen vorhanden und die andere Hälfte würde im besten Falle zufällig dazu gebaut.

Im nebenstehendem Lego-Modell der DNA kannst du sehen, dass die DNA zum einem aus den rot-gelben Rückratsträngen besteht, sowie aus den grau-schwarzen oder blau-weißen Nukleinbasen. Diese Nukleinbasen sind immer komplementär (gegensätzlich) zueinander. Das bedeutet, dass die graue Base, nennen wir sie Guanin, sich nur mit der schwarzen Base, Cytosin, paaren kann. Umgekehrt kann sich die blaue Base, Thymin, nur mit der weißen Base, Adenin, paaren.  Dadurch ergibt sich, dass ein Strang das Negativ des anderen Stranges ist, sodass beide Stränge die gleichen Infos enthalten - einer jedoch "spiegelverkehrt".

Zwischen den jeweiligen Basen-Paaren (G und C oder A und T) finden sich Wasserstoffbrücken, welche die DNA zusammen halten. Bei der Replikation der DNA brechen diese Wasserstoff-Brücken auseinander, sodass zwei - zu einander komplementäre - DNA Stränge entstehen.

Die Replikation der DNA lässt sich in verschiedene Schritte untergliedern: Initiation, Elongation, eine Interphase sowie die Termination. Sie findet in den meisten Fällen in der S-Phase (Synthese-Phase) der Mitose statt, bevor sich die Zelle teilt.

Schritt 1: Die Initiation der Replikation

Die DNA liegt zunächst in ihrer äußerst stabilen Doppelhelix vor und ist außerdem in sich gewunden. Damit die DNA jedoch vernünftig abgelesen und repliziert werden kann, muss sie "ordentlich" in ihre Einzelstränge geteilt vorliegen.

Daher wird nun die DNA von einem Enzym namens Topoisomerase an einer Stelle aufgeknackt. Die DNA verliert dadurch an dieser Stelle ihre Spannung und kann sich aufzwirbeln oder entwinden. Unmittelbar nachdem die DNA entspannt wurde, wird die Lücke wieder geflickt. Es bleibt eine Replikationsblase, wie sie in dem oben stehenden Bild zu erkennen ist. Dort, wo die DNA-Stränge wieder zusammen kommen, sind die beiden Replikations-Gabeln. Diese Gabeln werden durch SSB-Proteine (Single-Strand-Binding-Protein) auseinander gehalten, damit sich die Wasserstoffbrücken nicht wieder "aus Versehen" wieder an einander binden und die Replikationsblase somit geschlossen wird.

Dabei werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen Guanin-Cytosin oder Adenin-Thymin durch die Helikase auseinander gebrochen. Die Helikase setzt am so genannten Origin an, dem Replikationsurpsrung. Dies ist ein Ort auf der DNA, der sich durch eine bestimmte Abfolge von Basen auszeichnet.

Nun kann endlich das Priming stattfinden: Der Primer wird durch die Primase (eine RNA-Polymerase) an eine Stelle auf den Einzelsträngen der DNA angebracht. Der Primer selbst ist ein kurzes Stück DNA, das unbedingt nötig ist, damit die Replikation beginnen kann. Der Primer ist Startsignal und Ansatzstelle für die DNA-Polymerase.

Schritt 2: Die Elongation der DNA

Hier findet die eigentliche Replikation der DNA statt. Die DNA-Polymerase (in der Zeichnung oben der gelbe Block) synthetisiert hier aus den zwei Einzelsträngen zwei komplette Sätze von DNA. Das geschieht durch freie Basenpaarung. Wie schon oben festgestellt, kann auf Guanin nur Cytosin passen, auf Cytosin nur Guanin, auf Thymin nur Adenin und auf Adenin nur Thymin. Die einzelnen Basen schwirren frei in der Zelle herum und gelangen mehr oder weniger nach dem Zufallsprinzip auf ihre passende Base auf dem DNA-Strang. Dort verbindet die DNA-Polymerase die beiden Basen miteinander und synthetisiert den neuen (hier roten) Rückratstrang.

Es gibt dabei nur ein Problem: Die DNA-Polymerase kann nur in eine Richtung synthetisieren (nämlich in 5'-3'-Richtung - auf dem Leitstrang). Das bedeutet, dass sie auf einem Strang "ungestört" arbeiten kann, bis der DNA-Strang zuende ist, während sie auf dem anderen Strang nur stückchenweise voran kommt.

Auf dem Bild erkennt man den 5'-3'-Strang als den unteren. Man nennt ihn auch den Leitstrang. Der obere ist der 3'-5'-Strang, Folgestrang genannt, und dort sieht man, dass die DNA-Polymerase immer nur ein kleines Stück der DNA herstellt, bevor sie auf ein Ende stößt und an einer anderen Stelle von vorne anfängt. Diese kleinen Stücke, die da repliziert werden, nennt man Okazaki-Fragmente.

Die Synthese am Leitstrang nennt man "kontinuierliche Synthese" und die am Folgestrang "diskontinuierliche Synthese".

Wenn die Replikation der DNA in der Replikationsblase fertig ist, läuft eine andere DNA-Polymerase noch einmal über die Stränge der DNA und entfernt dort die Primer. Sie füllt außerdem die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten auf dem Folgestrang mit Nukleotiden auf.

Die DNA-Ligase ist dafür zuständig, eine Verbindung zwischen den Basen und dem Rückratstrang zu bilden.

Schritt 3: Die Termination der DNA-Replikation

Hier wird die DNA schließlich beendet. Dies ist kein besonders komplizierter Prozess, denn die DNA-Synthese wird dann automatisch beendet, wenn entweder die Replikationsgabeln aneinander stoßen, oder die DNA-Polymerase über eine Terminationssequenz läuft, die ihr gebietet, mit der Synthese auf zu hören.

Aufgaben zum Thema DNA-Replikation

• Suche aus dem Text alle kursiv gedruckten Wörter heraus und erkläre sie noch einmal mit eigenen Worten.
• Zeichne den Prozess der Replikation in mehreren Schritten und beschrifte diese Zeichnung.
• Suche bei Wikipedia etc. den Unterschied zwischen der eukaryoten und prokaryoten DNA-Reduplaktion heraus.

Bilder CC 2.0 by mknowles, Ethan Hein