Celler, gener og bioteknologi i biologi i 7.–9. klasse

Hvad handler “Opdag mikroskopisk biologi” om?

Området skal ifølge fagplanudkastet give eleverne indsigt i, at levende organismer består af celler med gener, som kan nedarves og ændres. Praktiske undersøgelser skal forbindes med mikroorganismers betydning i naturen og hverdagen, blandt andet for sundhed, fødevareproduktion og genteknologi. Se side 10.

Det kræver både observationer og modeller. Eleverne kan undersøge noget i et præparat og samtidig have brug for en model til at forklare forhold, som observationen ikke viser. Eksemplerne her er redaktionelle, ikke officielle opgaver. Faget er beskrevet samlet for 7.–9. klasse, som det fremgår af side 6.

At sammenligne celler

Udkastet nævner ligheder og forskelle mellem bakterie-, plante- og dyreceller. Mitose, DNA og sammenhængen med organismers egenskaber indgår også. Eleverne skal undersøge celletyper praktisk og sammenholde deres observationer med modeller af opbygning, funktion og deling. Se side 10.

Her sammenligner vi en bakteriecelle af typen E. coli, en fotosyntetiserende bladcelle og en almindelig model af en dyrecelle med kerne. Det er udvalgte cellemodeller, ikke en oversigt over alle specialiserede celler. Den biologiske baggrund er Geoffrey Coopers beskrivelse af bakterie- og eukaryote celler hos NCBI Bookshelf.

Struktur	Bakteriecellen	Bladcellen	Dyrecellen i modellen
Cellemembran	Ja	Ja	Ja
Membran omkring en cellekerne	Nej	Ja	Ja
Cellevæg uden for cellemembranen	Ja	Ja	Nej
Ribosomer, hvor proteiner dannes	Ja	Ja	Ja
Kloroplaster til fotosyntese	Nej	Ja	Nej

Cellemembranen adskiller cellens indre fra omgivelserne. Cellevæggen er en ekstra, støttende struktur udenfor. Hos bakterien ligger DNA ikke i en membranomsluttet kerne. Plante- og dyreceller har kernemembran og indre rum med forskellige opgaver. Bladcellen i tabellen har både kloroplaster og mitokondrier; fotosyntese erstatter ikke cellens øvrige energiomsætning. Se de samme afsnit om cellestruktur.

Brug tabellen som et modelspørgsmål: Kan en cellevæg alene skelne bakteriemodellen fra plantemodellen? Nej, begge har en. Kernemembranen skiller de to modeller. Det er vores sammenligning, ikke en identifikationsnøgle til ukendte præparater. At man ikke kan se en kerne i et billede, dokumenterer ikke alene, at cellen er en bakterie.

I et lærerstyret eksempel bruger klassen egnede undervisningspræparater og fagligt kontrollerede modeller. Eleverne tegner først det, de faktisk kan se, og noterer, hvilke betegnelser de endnu er usikre på. Derefter sammenligner de med modellen.

En detalje på en model er ikke nødvendigvis synlig i det valgte præparat. Eleverne skal kunne skelne mellem en observation og viden, de henter fra en anden kilde. Modellens farver og proportioner kan også være valgt for at gøre forklaringen overskuelig.

En model af celledeling kan derudover vise et forløb over tid. Det er noget andet end at se én celle på ét tidspunkt. Læreren hjælper eleverne med at forbinde modellens trin med de biologiske begreber, frem for blot at lære tegningernes rækkefølge.

Fra DNA til cellens arbejde

Gener er afsnit af DNA med biologisk information. Proteinkodende gener indeholder information, som bruges til at danne proteiner med forskellige opgaver i organismen. Andre gener giver funktionelle RNA-molekyler uden at kode for et protein. NHGRI forklarer forskellen i opslaget om gener.

Når vi forbinder et gen med en egenskab, mangler der derfor en forklaring, hvis vi bare skriver “gen → udseende”. For et proteinkodende gen må vi spørge, hvilket protein der dannes, og hvilken opgave det har. Det er vores måde at stille spørgsmålet på; opslaget om gener giver ikke en regel om ét gen til hver synlig egenskab. Krydsningsskemaet nedenfor viser fordelingen af genvarianter under bestemte antagelser, ikke alle disse biologiske led.

Mitose: kopier først, fordel derefter

Før mitosen kopierer cellen sit DNA i cellecyklussens S-fase. Under mitosen fordeles de kopierede kromosomer til de to nye kerner. Delingen af resten af cellen følger normalt med, så der dannes to datterceller. Kopiering og fordeling er altså forskellige dele af forløbet. Se NHGRI’s forklaring af cellecyklussen og mitose.

Vores papirmodel følger kun fordelingen af to mærkede kromosomer, R og B, i en tænkt cellekerne. Bogstaverne er mærkater, ikke genvarianterne A og a fra krydsningsskemaet. Vi antager fejlfri kopiering og fordeling.

Trin i modellen	Hvad ligger på bordet?	Hvad kontrollerer vi?
Før DNA-kopiering	Ét kort mærket R og ét mærket B	Begge kromosomer er repræsenteret
Efter DNA-kopiering, før fordeling	To R-kort og to B-kort	Der er en kopi til hver ny kerne
Efter fordeling	Gruppe 1: R og B. Gruppe 2: R og B	Hver gruppe har én kopi af hver slags

Læg nu begge R-kort i den ene gruppe og begge B-kort i den anden. Der ligger stadig to kort i hver gruppe, men fordelingen er forkert: Hver gruppe mangler en slags. Det er ikke nok at tælle kort; man må kontrollere, hvilke kopier hver gruppe får. Flyt ét kort fra hver gruppe, så begge igen har R og B.

Modellen viser ikke kromosomernes form, de strukturer der flytter dem, eller delingen af resten af cellen. Fire kort efter kopiering betyder heller ikke fire færdige celler. NHGRI beskriver også fejl i kopiering eller fordeling. Papirmodellen viser et forenklet forløb uden sådanne fejl. Se NHGRI’s mitoseforklaring.

En billedrække med celler fra forskellige tidspunkter kan bruges til at undersøge forløbet. Den skal have oplysninger om, hvad hvert billede viser. Papirkortene alene dokumenterer ikke, hvad der er sket i et rigtigt præparat, og modellen er ikke en forklaring på bakteriers formering.

Et enkelt krydsningsskema

Simple nedarvningsmønstre, stamtræer og krydsningsskemaer står i udkastets indhold for både plante- og dyreriget. Se side 10.

Her er en forenklet redaktionel model. Vi ser på ét gen med to varianter, A og a, hos en tænkt organisme. Begge forældre har kombinationen Aa. Modellen antager, at hver forælder giver enten A eller a videre med samme sandsynlighed, og at de to bidrag er uafhængige.

Første forælders bidrag	Anden forælders A	Anden forælders a
A	AA	Aa
a	Aa	aa

Under disse antagelser er der fire lige sandsynlige kombinationer: én AA, to Aa og én aa. Sandsynlighederne er derfor 25 %, 50 % og 25 %. Det betyder ikke, at fire faktiske afkom nødvendigvis fordeler sig præcis sådan.

Hvert felt har sandsynligheden ½ × ½ = ¼. Kombinationen Aa kan opstå på to måder: A fra den første forælder og a fra den anden, eller omvendt. Derfor lægger vi de to felter sammen: ¼ + ¼ = ½. For AA og aa er der kun ét felt hver.

Skemaet fortæller heller ikke alene, hvordan organismen ser ud. Det kræver oplysninger om, hvad genvarianterne betyder i netop modellen. Det er ikke en model af alle egenskaber, og vi bruger den ikke til at forudsige et barns udseende eller helbred.

Bed barnet pege på de to veje til Aa og forklare, hvorfor de tælles sammen. Spørg derefter, hvad der ville mangle, hvis man kun fik tabellen uden beskrivelsen af forældrene og sandsynlighederne. Regnestykket afhænger af de antagelser.

Mikroorganismer i naturen og hverdagen

Eleverne skal undersøge mikroorganismers tilstedeværelse, vækst og betydning. Der indgår biologiske processer, levevilkår og formering, og eleverne skal sammenligne levevilkår og tale om bioteknologiens brug. Se side 10.

Klassen kan arbejde med lærerens valgte data fra en undersøgelse af vækstbetingelser. Eleverne skal vide, hvad der er ændret mellem målingerne, hvad der er holdt ens, og hvordan væksten er registreret. Hvis flere forhold er ændret samtidig, bliver det vanskeligere at forklare, hvilket der har haft betydning.

Et resultat fra én opstilling kan ikke uden videre overføres til alle mikroorganismer eller til et menneskes sundhed. Valg af organismer, materialer og sikre arbejdsformer hører til i skolens tilrettelæggelse. Guiden indeholder ingen anvisninger på dyrkning af ukendte mikroorganismer hjemme.

Gær i brød: en mikroorganisme laver gas

Bagegær er en encellet svamp. Når gæren omsætter sukker i dejen ved gæring, dannes blandt andet kuldioxid og alkohol. Kuldioxiden holdes i små gaslommer i dejen, som derfor hæver. Her bruger bageren en biologisk proces til at ændre et produkt. Institute of Food Science and Technology forklarer gærens arbejde.

Processen afhænger af betingelserne. Gæren skal have adgang til sukker i dejen, og temperaturen har betydning for aktiviteten. Under bagningen bliver temperaturen så høj, at gærcellerne dør. Man kan altså ikke få stadig mere gæring ved blot at skrue op for varmen. Se IFST’s forklaring af temperaturens betydning.

Følg de tre led i vores forenklede procesoversigt:

Led	Hvad sker der?
Organisme og råstof	Gærceller har adgang til sukker i dejen.
Omsætning	Ved gæring dannes kuldioxid og alkohol.
Virkning i produktet	Gaslommer får dejen til at hæve.

Oversigten sammenfatter IFST’s forklaring. Den viser ikke en fuld opskrift eller alle processer under bagningen. Dejen er heller ikke en celletæller: En stor hævning fortæller ikke alene, hvor mange gærceller der er blevet dannet.

Vækst: hvad viser antallet af celler?

Her er vores opdigtede vækstmodel, som kun skal læses og regnes på. Det er ikke målte gærdata eller en forsøgsvejledning. Vi følger antallet af celler i to lige store, tænkte prøver ved tre tidspunkter med lige lang tid imellem. Startantallet og registreringsmetoden er ens. I modellen er næringsbetingelsen den eneste forskel mellem A og B; ingen celler flyttes ind eller ud.

Måletidspunkt i modellen	Celler i A	Celler i B
Start	100	100
Første tidspunkt	200	150
Andet tidspunkt	400	200

A vokser fra 100 til 400 celler. Det er 300 flere, altså en stigning på 300 procent. B vokser fra 100 til 200, en stigning på 100 procent. A er blevet fire gange så stor som ved start; det er ikke det samme som en stigning på 400 procent. Ved sidste tidspunkt har A dobbelt så mange celler som B.

Tallene viser nettotilvæksten. De fortæller ikke, hvor mange celler der eventuelt er døde undervejs, eller hvor meget gas der er dannet. A fordobles i begge tidsintervaller i vores model. Det giver ikke belæg for, at virkelige gærkulturer altid følger den rytme eller fortsætter med at vokse uden grænse.

Hvis tallene kom fra en rigtig undersøgelse, måtte klassen også se på gentagelser og usikkerheden ved at registrere cellerne. Her har vi selv valgt tallene og antagelserne. Modellen dokumenterer derfor ingen bestemt næringsblandings effekt og kan ikke bruges til at vælge en bageopskrift. Den udvider spørgsmålet om vækstbetingelser ovenfor uden at kræve, at barnet dyrker mikroorganismer.

Hvad skal eleverne overveje om bioteknologi?

Udkastet omfatter bioteknologiens anvendelse og etiske spørgsmål om genteknologiens konsekvenser for levende organismer. Se side 10.

Et undervisningseksempel kan tage udgangspunkt i en fagligt dokumenteret anvendelse, som læreren vælger. Klassen skelner først mellem, hvad teknologien gør, og hvad forskellige parter ønsker at bruge den til. Hvilket problem skal den løse? Hvilke konsekvenser er undersøgt, og hvor er der usikkerhed?

I vores tænkte bageri er en fordel ved gæren, at dens gasproduktion får dejen til at hæve. Forestil jer, at bageren overvejer at ændre hævetiden. Produktionen vil have en plan, der kan overholdes, mens kunderne kan lægge vægt på brødets konsistens og pris. Det er mulige hensyn i vores eksempel, ikke udtalelser fra et virkeligt bageri. Klassen må spørge, hvad ændringen gør ved produktet og arbejdet, før den kalder forslaget en forbedring. Et større antal celler i en tabel afgør ikke alene den beslutning.

At bruge gær til produktion er ikke i sig selv dokumentation for, at gæren er gensplejset. NHGRI beskriver genetisk modificering (genetic engineering) som laboratorieteknikker, der ændrer en organismes DNA, for eksempel ved at ændre, fjerne eller tilføje DNA. Brødeksemplet ovenfor følger gærens omsætning; det viser ingen sådan ændring. Læs NHGRI’s definition.

Eleverne kan derefter diskutere, hvem der får fordelene, hvem der kan blive berørt, og hvilke hensyn der bør indgå i en beslutning. En etisk diskussion har brug for biologisk viden, men uenighed om værdier forsvinder ikke nødvendigvis, fordi man kender teknikken.

Fra Fælles Mål til fagplanen

Fælles Mål efter 9. klasse beskriver allerede undersøgelser af celler og mikroorganismer og deres vækstbetingelser. DNA, celledeling, arvelighed og genetik indgår i modelleringsarbejdet. Anvendelser, mulige fordele og risici ved bioteknologi og tilhørende interessemodsætninger er også beskrevet. Se tabellen på side 5.

Udkastet samler dette stof i “Opdag mikroskopisk biologi” og nævner blandt andet sammenligning af bakterie-, plante- og dyreceller samt stamtræer og krydsningsskemaer direkte. Det viser udvalgte forskelle i organisering og formulering, ikke at genetik eller bioteknologi er nye i biologiundervisningen.

Fælles Mål-tabellens konkrete færdigheds- og vidensmål er vejledende. Læs dokumentets statusforbehold på side 1. Fagplanen er et udkast.