Zum Verhältnis von Biologie und Chemie gibt es die verschiedensten Vorstellungen. Sie reichen von der Ansicht, dass „Biologie“ ohne „Chemie“ unmöglich ist (verpflichtende Fächerkombination in Bayern) bis zu der Auffassung, dass „die Chemie“ im Biologieunterricht höchstens am Rande vorkommen soll (Schülereinwand: „Ich habe doch Chemie abgewählt!“).
Betrachtet man die naturwissenschaftliche Forschung, so wird immer stärker oder ausschließlich die molekulare Ebene untersucht. D.h. man versucht die Vorgänge auf höheren biologischen Ebenen durch biochemische Untersuchungen zu erklären.
Für den Biologieunterricht in der Schule ist es die Frage, ob man sich durch Biologiestudium und Selbststudium alleine auch hinreichende Kenntnisse in Chemie erwerben kann. Das wird subjektiv ganz unterschiedlich beurteilt. Chemielehrer sehen sich in der Lage, jederzeit fundierte Meinungen zu Biologie und politischen und ethischen Fragen im Rahmen der Naturwissenschaften zu äußern. Das ist ohne entsprechende Studienabschlüsse gut möglich, kann aber auch zu krassen Fehleinschätzungen führen. Das gilt im übertragenden Sinne natürlich auch für den Biologielehrer.
Mich hat ein Vortrag von Jean-Marie Lehn (Nobelpreis für Chemie 1987): „Von der Materie zum Leben : Chemie? Chemie!“ (Frankfurt, 17.05.2006) zu einem Lösungsansatz angeregt.
Seine Definition von Chemie: Chemie behandelt die Struktur und Transformation der Materie
Sein Arbeitsgebiet : Erforschung von Molekülen mit strukturspezifischer Wechselwirkung von hoher Selektivität
Darin steckt schon der Lösungsansatz zum richtigen Verhältnis von Biologie und Chemie.
Historisch gesehen stand am Beginn der Chemie die Beschäftigung mit Atomen und Molekülen, die zum Periodensystem, zu Strukturformeln und Synthesen führte. – Reine Chemie
Die Biochemie entstand als ein Zweig der Medizin, als man erkannte, dass Analysen von Blut und Urin und anderen Körperflüssigkeiten zur Diagnose mancher Krankheiten beitragen können. Im Frühstadium wurde die Biochemie „physiologische (funktionelle) Chemie“ genannt und ergänzte die morphologische (strukturelle) Biologie bzw. Humanmedizin. – Reine Chemie
Dann folgte die supramolekulare Chemie, die sich mit der Assoziation von Molekülen zu übergeordneten (Supra-)Strukturen beschäftigt. Beispiele sind
- Enzym und Substrat
- Killerzelle und Krebszelle
- HIV und Wirtszelle
- DNA
Die supramolekulare Chemie geht dann über in eine „constitutional dynamic chemistry“; was darunter zu verstehen ist, zeigt der folgende Abschnitt aus dem Internet.
http://www.otago.ac.nz/conferences/supramolecular/lehn_plenary.html
Jean-Marie Lehn
ISIS, Université Louis Pasteur, Strasbourg and Collège de France, Paris
Supramolecular chemistry is actively exploring systems undergoing self-organization, i.e. systems capable of spontaneously generating well-defined functional supramolecular architectures by self-assembly from their components, on the basis of the molecular information stored in the covalent framework of the components and read out at the supramolecular level through specific interactional algorithms, thus behaving as programmed chemical systems.
Supramolecular chemistry is intrinsically a dynamic chemistry in view of the lability of the interactions connecting the molecular components of a supramolecular entity and the resulting ability of supramolecular species to exchange their constituents. The same holds for molecular chemistry when the molecular entity contains covalent bonds that may form and break reversibility, so as to allow a continuous change in constitution by reorganization and exchange of building blocks. These features define a Constitutional Dynamic Chemistry (CDC) on both the molecular and supramolecular levels.
CDC introduces a paradigm shift with respect to constitutionally static chemistry. The latter relies on design for the generation of a target entity, whereas CDC takes advantage of dynamic diversity to allow variation and selection. The implementation of selection in chemistry introduces a fundamental change in outlook. Whereas self-organization by design strives to achieve full control over the output molecular or supramolecular entity by explicit programming, self-organization by selection operates on dynamic constitutional diversity in response to either internal or external factors to achieve adaptation.
The merging of the features: - information and programmability, - dynamics and reversibility, -constitution and structural diversity, points towards the emergence of adaptive chemistry.
Diese Chemie, die Interaktion, Dynamik und Evolution der Moleküle mit einbezieht, kann ohne die darüber liegenden biologischen Ebenen nicht gedacht werden. Falls man diese Perspektive einbezieht, betreibt man dann noch Chemie?
Der Bereich der Strukturbiologie der Universität Frankfurt, der sich mit der dreidimensionalen Struktur biologisch wichtiger Moleküle und ihrer Funktionsweise beschäftigt, wird als Exzellenzcluster gefördert. Ein Schwerpunkt liegt auf Proteinen und Proteinkomplexen in biologischen Membranen. Im Rahmen der Initiative soll die Forschung auf große Proteinkomplexe in der gesamten Zelle ausgedehnt werden. Das daraus resultierende Verständnis soll auch zur Entwicklung neuer Arzneimittel verwendet werden.
Frankfurter Rundschau vom 14.10.2006
Biologie, Chemie, Medizin und Pharmazie gehen ineinander über (Lebenswissenschaften).
Es geht nicht um die Einzelmoleküle, sondern um ihr Verhalten und die Information, die sie tragen. Die zentrale Rolle der Information reicht über alle Ebenen: genetische Information, Informationsfluss in der Zelle, zwischen Zellen, …, Kommunikation in Populationen und Biozönosen.
An einem zentralen Thema soll geprüft werden, welche Folgerungen für den Biologieunterricht zu ziehen sind.
Als Beispiel wird der Glucosefluss (nicht nur die Glycolyse!) im Menschen untersucht.
Er ist für den Menschen wichtig (Diabetes), gut untersucht (Materialfülle), zeigt sehr viele unterschiedlich arbeitende Regulationsstellen (siehe unten) und ist sehr gut geeignet, Transportvorgänge und Enzymaktivitäten zu verbinden (siehe Übersichtsbild). Ziel ist es, Zusammenhänge zu verstehen und einen kleinen Einblick in die Komplexität des Systems zu erhalten.
Bei dieser Art der Betrachtung ergeben sich von selbst „vernünftige“ Aufgabenstellungen.
Von Schulbüchern wird man allerdings auch hier im Stich gelassen.
Die Übersicht zeigt den Glucosefluss. Die Überlegungen gelten für Kurse der Oberstufe (Cytologie, Stoffwechsel).
Man beginnt – wie immer! – auf der Organismus-Ebene.
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Nr. |
Ebene |
Thema |
Prinzipien / Ziele |
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von |
Organismus |
Nahrungsaufnahme, |
Ebenen: Organismus – Molekül,
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1 |
Organe |
Verdauungsorgane,
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Oberflächenvergrößerung, |
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2 |
Teilsystem |
Blutzuckerspiegel |
Regulation
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3 |
Membran |
Versuchsergebnisse werden interpretiert |
Modelle von Transportmolekülen
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7
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Moleküle |
glykämischer Index |
zurück zur Organismus-Ebene (Übergewicht),
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Geht es nun an die Ausgestaltung des skizzierten Verlaufs, so sollte man als Grundsatz Lehns oben erwähnte Definition „Chemie behandelt die Struktur und Transformation der Materie“ berücksichtigen.
D.h. die ausführliche Betrachtung von einzelnen Reaktionsschritten (z.B. Phosphorylierungsreaktion von D-Glucose durch ATP mit Hilfe der Hexokinase , Strukturformeln, Zwischenschritte, Rolle des Mg2+, …) ist nicht Sache des Biologieunterrichts. Das bedeutet nicht, dass man nicht laufend Anknüpfungspunkte und Hinweise zur Ergänzung und Vertiefung durch den Chemieunterricht gibt.
Die Funktionsweise der Transporter und Enzyme und das Zusammenwirken der vielen Regulationsstellen sind die Themen!
Dazu sind Übersichtskarten wie das legendäre Boehringer-Poster „Biochemical Pathways“ sehr hilfreich. Es ist aber kaum noch erhältlich; als Buch gibt es sie auch.
Gerhard Michal (Hrsg.): Biochemical Pathways, Biochemie-Atlas, Heidelberg 1999
J.G. Salway: Metabolism at a Glance, Oxford 2004
Beide Bücher sind hervorragend und ergänzen sich gegenseitig. Man selbst und auch die Schülerinnen und Schüler sollten vor dem Gebrauch nicht zurückschrecken. Der Streckenplan der Deutschen Bahn oder das U-Bahnnetz einer Großstadt sind auch auf den ersten Blick verwirrend. In beiden Fällen geht es aber nur um einen winzigen Ausschnitt, eine einzige Verbindung – und die kann man gut herausarbeiten und im Zusammenhang verstehen.
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Oktober 2006
© B.Bossert
Blut