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Begabtenförderung Biophysikalische Untersuchungs-Methoden

7. Juni 2019

Ein Kurs der Regionalen Begabtenförderung Oberfranken – von Clara Hensel

Das erste Treffen unseres Kurses stand unter der Überschrift Chromatographie. Für alle, die nicht wissen was das ist: Bei der Chromatographie nutzt man die unterschiedliche Löslichkeit der Bestandteile eines Farbstoffgemischs, um sie mit Hilfe eines Laufmittels auf einem Träger räumlich zu trennen. Zunächst haben wir Filzstiftpunkte auf Filterpapier untersucht, um die Unterschiede in den Bestandteilen von Stiften unterschiedlicher Hersteller zu untersuchen. Danach haben wir Farbstofflösungen aus Pflanzen gewonnen. Diese wurden auf Kieselgel-DC-Platten aufgetragen (DC = Dünnschichtchromatographie). Bei der Auswertung waren besonders deutlich Carotin bei Karotten und Chlorophyll bei Pflanzen aus dem „DG-Garten“ zu erkennen.

Beim zweiten Treffen haben wir uns mit dem Thema Fluoreszenz und Phosphoreszenz beschäftigt. Unter anderem konnten wir die Chemolumineszenz von Luminoll als blaues Leuchten beobachten, wenn es mit Bluspuren bzw. Hämoglobin in Kontakt kommt. Das eigentlich grüne Chlorophyll hingegen leuchtet unter UV-Beleuchtung intensiv rot.

Mikroskopie war das Thema unseres dritten Termins. Wir begannen damit, einige einfachere Präparate wie Wasserpest und Mundschleimhautzellen anzusehen. Unter anderem beobachteten wir auch an einer roten Zwiebel, wie sich die durch Anthocyane pink gefärbten Vakuolen der Zellen zusammenziehen, wenn man die Zwiebelhaut in eine Salzlösung gibt.

Bei unserem vierten Treffen haben wir eine Exkursion nach Erlangen an die Universität gemacht, wo wir die Möglichkeit hatten, mit Fluoreszenzmikroskopen zu arbeiten. Nach einem kurzen Vortrag zu Themen wie Biolumineszenz, Gentechnik und Drosophila (Fruchtfliegen) ging es dann auch schon ins Labor. Wir mikroskopierten gentechnisch veränderte Drosophila-Larven, die in ihrem Herzmuskel das fluoreszierende GFP-Protein besitzen, das normalerweise nur in biolumineszenten Quallen vorkommt.

So konnten wir im Mikroskop das schlagende Röhrenherz der Insektenlarven sehen, da durch die Anregungsstrahlung nur das grün leuchtende GFP zu sehen war.weshalb ihr Herzmuskel leuchtet. Mit dem Fluriszenzmikroskop kann man ein Präperat noch näher heranholen und noch genauer untersuchen.

 

Begabtenkurs – Sind wir allein im Weltall?

21. Oktober 2018

Exkursion zur Landessternwarte Heidelberg

Mitte Juli 2018 machten sich 14 Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Kurses „Sind wir allein im Weltall? – Exobiologie und Exoplaneten“ zusammen mit ihren Kursleitern Catja Bier und Klaus Dorbath auf den Weg nach Heidelberg. Ziel war zunächst die Landessternwarte auf dem Königstuhl bei Heidelberg. Nach vielen Theoriestunden im Laufe der Kurstreffen sollte hier ein Beobachtungsabend den Kursverlauf krönen. Leider hatten wir das Pech, dass nach vielen sternenklaren Nächten in Folge gerade bei unserem Besuch kein einziger Stern am Nachthimmel zu sehen war, So blieb uns nur die Besichtigung der 1898 gegründeten Anlage, die seit 2005 Teil der Universität Heidelberg ist und in deren sechs Beobachtungskuppeln auch heute noch aktuelle astronomische Forschung betrieben wird. Am nächsten Tag hatten wir einen Workshop zum Thema „Exoplaneten“ im Haus der Astronomie gebucht. Das HdA wurde von der Klaus Tschira Stiftung auf dem Gelände des Max-Planck-Instituts für Astronomie errichtet und 2011 als Geschenk an die Max-Planck-Gesellschaft übergeben. Das beeindruckende Gebäude, dessen Form an eine Spiralgalaxie erinnert, beherbergt Seminar-, Praktikums- und Unterrichtsräume, Büros und das zentrale Klaus Tschira Auditorium mit einem digitalen Ganzkuppelprojektionssystem. Nach dreistündigem Workshop konnten wir hier eine faszinierende Planetariumsvorführung genießen. Wenn auch der Workshop für uns kaum neue Erkenntnisse brachte (ein Beleg für unsere gute Arbeit während der Kurstreffen), so war die gesamte Exkursion doch für alle Teilnehmer sehr gewinnbringend.

Dem Täter auf der Spur

17. März 2017

Im Rahmen der Regionalen Begabtenförderung Oberfranken konnte das DG in diesem Schuljahr den Kurs „Biophysikalische Untersuchungsmethoden anbieten. Hierbei beschäftigten wir – die „Biologin“ Catja Bier, der „Physiker“ Dr. Klaus Dorbath und 12 Schülerinnen und Schüler des DG und anderer Gymnasien – uns zunächst mit Licht, Farbe und Absorptions- und Fluoreszenzphänomenen. Im März lernten wir dann an einem Laborvormittag die Gelelektrophorese kennen. Dieses analytische Verfahren dient zur Auftrennung von Makromolekülen, zum Beispiel DNA-Stücken, und ist damit eines der wichtigsten Verfahren in der forensischen Genetik.

Frau Tanja Zacher vom „green lab“, dem Vorzeigelabor der Didaktik der Naturwissen-schaften der Universität Bamberg und Vorbild unseres neuen Chemiesaals, hatte einen Kriminalfall für uns vorbereitet: Ein Erpresserbrief sei von einem Laptop des Labors geschrieben worden und zwei Verdächtige seien schon im Visier der Ermittler. Nun sollten wir die DNA-Spuren vom Tatort mit den DNA-Proben der Verdächtigen vergleichen und so den Täter ermitteln. Dieses Setting – aus jedem Fernsehkrimi wohl bekannt – ist eine riesige Herausforderung, wenn man die forensischen Standards, die an einem Tatort und auch bei Frau Zacher gelten, einhalten will. So wurden zuerst Ganzkörperanzüge, Handschuhe, Schuh- und Mundschutz übergezogen, um eine Verunreinigung mit eigenen DNA-Spuren am Tatort zu verhindern.

Mit Wattestäbchen nahmen wir an allen verdächtigen Stellen des Tatorts Proben, die anschließend im Labor zusammen mit den Speichelproben der Verdächtigen von uns weiterbearbeitet wurden. Mit Pipetten, die auch einzelne Mikroliter dosieren können, stellten wir die Ansätze zur DNA-Vervielfältigung (PCR) nach einem genauen Protokoll zusammen. Auch hier bemühten wir uns um absolut steriles Arbeiten.

Nach der Pause und etwas Theorie konnten dann die Proben auf ein zuvor präpariertes Gel aufgetragen werden. Die vervielfältigten DNA-Stücke (sogenannte STRs’ – short tandem repeats) sind individuell unterschiedlich lang und bilden somit einen genetischen Fingerabdruck. Nach etwa einer halben Stunde Laufzeit erschien unter UV-Licht das individuelle Bandenmuster, wodurch der Täter eindeutig identifiziert werden konnte.

Für alle Schülerinnen und Schüler war dies ein abwechslungsreicher, informativer und spannender Unterrichtstag, der aufzeigte, dass doch viele der Inhalte, die man im Unterricht kennengelernt hat, auch außerhalb der Schule zur Anwendung kommen.

Ideenforum Bionicum Nürnberg

28. März 2016

Mit interessierten Schülern des Begabtenkurses Bionik und des W-Seminars „Insekten“ besuchten wir am 18.02.2016 das Ideenforum Bionik im Bionicum des Nürnberger Tiergarten. Dort wurden wir wir von einem humanoiden (= der menschlichen Gestalt nachempfundenen) Roboter begrüßt und hörten insgesamt vier Vorträge von verschiedenen Ingenieuren, Doktoren und Professoren zum Thema Bionik. Zuerst aber eine Begriffsklärung: Das Wort Bionik setzt sich aus den beiden Wörtern „Biologie“ und „Technik“ zusammen. Wie diese beiden Wörter bereits vermuten lassen, beschäftigt sich die Bionik also damit, Phänomene aus der Natur als Vorbild für die Technik zu nutzen, wobei diese Vorgänge nicht exakt kopiert werden.

Im ersten und interessantesten Vortrag stellte Frau Dr. Nina Gaissert von der Firma Festo einige Tiere vor, deren geniale Funktionen in mehrjähriger Arbeit – so weit möglich – technisch nachgeahmt wurden. Beispielsweise wurde gezeigt, wie der SmartBird, ein der Silbermöwe nachgeahmtes Flugmodell, mit zwei Metern Spannweite durch aktives Auf- und Abschlagen der Flügel starten, fliegen und landen kann. Dies ist durch den komplexen Gelenktorsionsantrieb als auch durch den Ultraleichtbau sowie einer komplexen Regelung in Echtzeit möglich. Auch der Flug einer Libelle wurde nachgeahmt. Die Ingenieure mussten sich einiges einfallen lassen, um ein solches Objekt mit enormen Flugfähigkeiten steuern zu können. Zum Beispiel müssen sich die Flügel verdrehen können, die besondere Beschaffenheit der Flügel rekonstruiert und eine Art Autopilot programmiert werden, da die Flügel einer Libelle bis zu 20 mal pro Sekunde schlagen und solche schnellen Bewegungen von einem Menschen über eine Fernbedienung nicht mehr einzeln kontrollierbar wären. Der Energieverbrauch des BionicOpter ist so hoch, dass eine Handyladung nur für drei Minuten Flug ausreicht.

Auch ein soziales Insekt – die Ameise – diente als Vorbild für das sogenannte „Maschinen-Learning“. Wenn eine Ameise versucht, ein Objekt zu bewegen, aber zu schwach dafür ist, werden solange Ameisen herbeigeholt, bis sie das Objekt bewegen können. Auch die BionicAnt lernt, wenn ihre Kraft nicht ausreicht, andere Mini-Roboter herbeizurufen. Durch selbstständiges Lernen sollen in Zukunft auch andere Maschinen kooperieren und Aktionen aufeinander abstimmen können.Dr.-Ing. Ivo Boblan von der Technischen Universität Berlin beschäftigte sich im zweiten Vortrag mit dem Thema, wie man Roboter benutzerfreundlicher machen kann und eine optimale Mensch-Roboter-Interaktion schaffen kann. Dabei stellt sich besonders die Frage, welche Entscheidungen von Robotern und welche weiterhin von Menschen getroffen werden sollen.Außerdem wurde die Internet basierte Plattform „Open Bionic Innovation“ vorgestellt, auf der Biologen und Ingenieure ihre Ideen austauschen können und evolutionäre Entwicklung als Vorbild für die Technik diskutiert. Abgerundet wurden die Vorträge durch anschließende Fragen des sehr gemischten Publikums – sowohl Experten als auch interessierte Laien (wie wir vom Dientzenhofer Gymnasium) waren geladen – als auch durch die Poster-Präsentationen von Studenten der FAU und anderer MINT-Lehrstühle.

 

In der Mittagspause besuchten wir die Bionik-Ausstellung, in der man zum Beispiel die Stabilität von Bambus mit Stahl und Plastik vergleichen konnte, das Gewicht und die Stabilität von einer Muschel mit Stahlbeton und viele weitere Dinge. Wie zu erwarten, war das Beispiel aus der Natur immer wesentlich robuster beziehungsweise gewichtssparender.

Sebastian Both und Catja Bier