Unterrichtsreihe: Populationsgenetik und Evolution (Oberstufe)
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Evolution wird messbar, wenn man auf Allelfrequenzen schaut: Die Reihe erarbeitet Genpool und Hardy-Weinberg-Gesetz als Nullmodell, prüft Abweichungen mit dem Chi-Quadrat-Test und untersucht Selektion und Gendrift im Evolutions-Simulator und an belegten Beispielen. Den Abschluss bilden Anwendungen von Resistenzen bis zu Erbkrankheiten.
Steckbrief
| Merkmal | Angabe |
|---|---|
| Zielgruppe | Oberstufe (Qualifikationsphase, grundlegendes und erhöhtes Anforderungsniveau) |
| Umfang | 6 Doppelstunden à 90 Minuten |
| Vorwissen | Mendel-Genetik und Punnett-Quadrat (siehe Vererbung: Mendel und Mensch), Mutationen (siehe Molekulargenetik: vom Gen zum Merkmal); Produktregel der Wahrscheinlichkeitsrechnung |
| Leitfrage | Wie verändert sich der Genpool einer Population – und woran erkennt man, dass Evolution stattfindet? |
| Ausstattung | Tablets oder Laptops (ein Gerät pro Paar) für den Evolutions-Simulator; Beutel mit verschiedenfarbigen Kugeln oder Papierkärtchen für das Drift-Modell; Taschenrechner |
| Lernkontrolle | Übungsklausur im Klausurtrainer; Klausur mit Rechen- und Deutungsaufgaben; Beobachtungsaufträge des Simulators |
Kompetenzbereiche nach den KMK-Bildungsstandards
- Sachkompetenz: Population, Genpool, Allelfrequenz, Hardy-Weinberg-Gleichgewicht und Evolutionsfaktoren erklären (Individuelle und evolutive Entwicklung).
- Erkenntnisgewinnung: Allel- und Genotypfrequenzen berechnen; Hypothesen mit dem Chi-Quadrat-Test prüfen; Simulationen planen, durchführen und auswerten.
- Kommunikation: Diagramme von Simulationsläufen und Verteilungskurven beschreiben und deuten.
- Bewertung: Alltagsaussagen über Evolution, Resistenzen und historische Fehlannahmen der Eugenik fachlich beurteilen; Modellgrenzen reflektieren.
Die Doppelstunden im Überblick
| Nr. | Thema | Schwerpunkt | Zentrale Seiten |
|---|---|---|---|
| 1 | Population, Genpool, Allelfrequenz | Rechnen mit der Zählmethode | Populationsgenetik, Genpool, Allelfrequenz berechnen |
| 2 | Das Hardy-Weinberg-Gesetz | Mathematisches Modell als Nullmodell | Hardy-Weinberg-Gesetz, Hardy-Weinberg-Aufgaben, Evolutions-Simulator |
| 3 | Abweichungen prüfen – Panmixie und Chi-Quadrat-Test | Erkenntnisgewinnung: Hypothesen testen | Panmixie, Chi-Quadrat-Test, Hardy-Weinberg-Aufgaben |
| 4 | Selektion | Simulation und belegte Beispiele | Verschiebung von Genfrequenzen, Selektionsformen, Evolutions-Simulator |
| 5 | Gendrift – Flaschenhals- und Gründereffekt | Zufall im Modell und in der Natur | Flaschenhals- und Gründereffekt, Evolutions-Simulator, Genpool |
| 6 | Evolution anwenden – Resistenzen, Erbkrankheiten, Modellkritik | Transfer und Bewertung | Gefahren der Gentechnik, Bt-Mais, Hardy-Weinberg-Aufgaben, Evolutions-Simulator |
Abkürzungen in den Verlaufstabellen: EA = Einzelarbeit, PA = Partnerarbeit, GA = Gruppenarbeit, UG = Unterrichtsgespräch, LV = Lehrkraftvortrag. Auf schmalen Bildschirmen lassen sich die Tabellen seitlich verschieben.
Doppelstunde 1: Population, Genpool, Allelfrequenz
Ziele
Die Schülerinnen und Schüler …
- definieren Population, Genpool und Allelfrequenz,
- unterscheiden Genotypfrequenz und Allelfrequenz,
- berechnen Allelfrequenzen mit der Zählmethode, auch für drei Allele und X-chromosomale Gene,
- erklären, warum Evolution an Populationen und nicht an Individuen sichtbar wird.
| Phase | Zeit | Inhalt / Aktivität | Sozialform | Material |
|---|---|---|---|---|
| Einstieg | 10 min | Aussage „Weil das Allel für braune Augen dominant ist, werden blaue Augen irgendwann aussterben.“ Abstimmen, Begründung später. | UG | Populationsgenetik: Aufg. 4 |
| Erarbeitung | 20 min | Begriffe Population, Genpool, Allelfrequenz; genetische Vielfalt. | EA | Populationsgenetik: Aufg. 1; Genpool: Abschnitt „Genpool: Definition und Beispiel“ |
| Übung | 25 min | Zählmethode Schritt für Schritt; Bänderschnecken, Wunderblumen, Genotypfrequenzen. | PA | Allelfrequenz berechnen: Aufg. 2–3; Populationsgenetik: Aufg. 2 |
| Erweiterung | 15 min | Sonderfälle: X-chromosomales Allel und drei Allele. | PA | Allelfrequenz berechnen: Aufg. 4–5 |
| Sicherung | 15 min | „Nicht Individuen evolvieren, sondern Populationen“; zurück zur Einstiegsaussage. | UG | Populationsgenetik: Aufg. 3 |
| Abschluss | 5 min | Zwei Fragen aus dem Selbsttest. | EA | Populationsgenetik: Selbsttest |
Hausaufgabe und Differenzierung
Hausaufgabe: Aufgabe 6 auf Allelfrequenz berechnen (zwei Lösungswege beurteilen).
- Basis: Rechenschema der Zählmethode als Karte; zuerst nur Aufgabe 2.
- Vertiefung: Vertiefung „Wie genau ist eine geschätzte Allelfrequenz?“ auf Allelfrequenz berechnen; effektive Populationsgröße auf Genpool.
- Einfach-Modus und Karteikarten: Lernende mit Leseschwierigkeiten schalten im Seitenkopf den Einfach-Modus ein und lesen zuerst die Kurzfassung „Einfach erklärt“. Fachbegriffe: Karteikarten „Populationsgenetik“ und Karteikarten „Allelfrequenz berechnen“.
Doppelstunde 2: Das Hardy-Weinberg-Gesetz
Ziele
Die Schülerinnen und Schüler …
- stellen die Hardy-Weinberg-Gleichungen auf und erklären, woher sie kommen,
- nennen die Bedingungen einer idealen Population,
- berechnen aus der Häufigkeit Erkrankter den Anteil der Anlageträger,
- erläutern, warum das Modell als Vergleichsmaßstab für Evolution dient.
| Phase | Zeit | Inhalt / Aktivität | Sozialform | Material |
|---|---|---|---|---|
| Einstieg | 10 min | Wie viele Menschen tragen das Mukoviszidose-Allel? Schätzen, dann im Rechenbeispiel prüfen. | UG | Hardy-Weinberg-Gesetz: Abschnitt „Rechenbeispiel“ |
| Erarbeitung | 25 min | Gleichungen herleiten; Bedingungen der idealen Population; Genotyp-Häufigkeiten für p = 0,7. | EA, PA | Hardy-Weinberg-Gesetz: Aufg. 1–2 |
| Übung | 20 min | Rechenschema anwenden: rezessives Merkmal bei 9 %, Phenylketonurie, mischerbige Anteile. | PA | Hardy-Weinberg-Aufgaben: Aufg. 2, 3 und 5 |
| Simulation | 20 min | Evolutions-Simulator: Nullmodell beobachten; Genotyp-Balken mit den Hardy-Weinberg-Markierungen vergleichen; Anlageträger bei Mukoviszidose berechnen. | PA | Evolutions-Simulator: Aufg. 1 und 3 |
| Sicherung | 10 min | Bei welchem q gibt es die meisten Heterozygoten? | UG | Hardy-Weinberg-Gesetz: Abb. 1, Aufg. 4 |
| Abschluss | 5 min | Merksatz: Das Modell beschreibt eine Population ohne Evolution. | UG | – |
Hausaufgabe und Differenzierung
Hausaufgabe: Aufgaben 4 und 6 auf Hardy-Weinberg-Aufgaben.
- Basis: Rechenschema auf Hardy-Weinberg-Aufgaben als Kopiervorlage; Punnett-Quadrat der Keimzellen als Herleitungshilfe.
- Vertiefung: Vertiefung „Warum stellt sich das Gleichgewicht schon nach einer Generation ein?“ auf Hardy-Weinberg-Gesetz; Aufgabe 5 auf Hardy-Weinberg-Gesetz (rezessive Krankheiten „ausrotten“?).
- Einfach-Modus und Karteikarten: Lernende mit Leseschwierigkeiten schalten im Seitenkopf den Einfach-Modus ein und lesen zuerst die Kurzfassung „Einfach erklärt“. Fachbegriffe: Karteikarten „Hardy-Weinberg-Gesetz“ und Karteikarten „Hardy-Weinberg-Aufgaben“.
Doppelstunde 3: Abweichungen prüfen – Panmixie und Chi-Quadrat-Test
Ziele
Die Schülerinnen und Schüler …
- definieren Panmixie und unterscheiden Formen nicht zufälliger Paarung,
- prüfen, ob eine Population im Hardy-Weinberg-Gleichgewicht ist,
- führen einen Chi-Quadrat-Test durch (Nullhypothese, Erwartungswerte, Freiheitsgrade, kritischer Wert),
- beurteilen die Aussagekraft eines Tests bei kleinen Stichproben.
| Phase | Zeit | Inhalt / Aktivität | Sozialform | Material |
|---|---|---|---|---|
| Einstieg | 10 min | Darf man das Hardy-Weinberg-Gesetz beim Menschen anwenden, obwohl Menschen ihre Partner bewusst wählen? | UG | Panmixie: Aufg. 5 |
| Erarbeitung I | 20 min | Panmixie und ihre Gegenteile; Folgen für den Anteil Mischerbiger. | PA | Panmixie: Aufg. 1–3 |
| Erarbeitung II | 25 min | Chi-Quadrat-Test Schritt für Schritt an Mendels dihybrider Kreuzung; anschließend Mendels Ergebnis zur Blütenfarbe prüfen. | EA, PA | Chi-Quadrat-Test: Aufg. 1–2 |
| Anwendung | 20 min | Sind zwei Populationen im Gleichgewicht? Mit und ohne Chi-Quadrat-Test. | PA | Hardy-Weinberg-Aufgaben: Aufg. 4; Chi-Quadrat-Test: Vertiefung „Prüft eine Population das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht?“ |
| Sicherung | 10 min | 30 gezählte Pflanzen: Was darf man schließen? | UG | Chi-Quadrat-Test: Aufg. 5 |
| Abschluss | 5 min | Schrittfolge des Tests als Karte festhalten. | EA | – |
Hausaufgabe und Differenzierung
Hausaufgabe: Aufgabe 3 oder 4 auf Chi-Quadrat-Test.
- Basis: Produkt- und Summenregel wiederholen auf Produkt- und Summenregel; Tabellenvorlage für den Test.
- Vertiefung: Binomialverteilung (Vertiefung auf Produkt- und Summenregel); Aufgabe 4 auf Panmixie (Kinder von Cousin und Cousine).
- Einfach-Modus und Karteikarten: Lernende mit Leseschwierigkeiten schalten im Seitenkopf den Einfach-Modus ein und lesen zuerst die Kurzfassung „Einfach erklärt“. Fachbegriffe: Karteikarten „Chi-Quadrat-Test“ und Karteikarten „Panmixie“.
Doppelstunde 4: Selektion
Ziele
Die Schülerinnen und Schüler …
- nennen die Evolutionsfaktoren und beschreiben ihre Wirkung auf den Genpool,
- erklären Selektion an Birkenspanner und Sichelzell-Allel,
- beschreiben die drei Selektionsformen und erkennen sie an Verteilungskurven,
- erläutern den Heterozygotenvorteil.
| Phase | Zeit | Inhalt / Aktivität | Sozialform | Material |
|---|---|---|---|---|
| Einstieg | 10 min | Zitat aus einer Talkshow: „Bakterien passen sich an Antibiotika an, weil sie überleben wollen.“ Was stimmt daran nicht? | UG | Verschiebung von Genfrequenzen: Aufg. 5 |
| Erarbeitung I | 20 min | Evolutionsfaktoren im Überblick: Mutation, Selektion, Gendrift, Migration. | EA | Verschiebung von Genfrequenzen: Aufg. 1 |
| Simulation | 20 min | Modell „Birkenspanner“: drei Abschnitte der Kurve beschreiben und mit Selektion und Migration erklären. | PA | Evolutions-Simulator: Aufg. 4; Verschiebung von Genfrequenzen: Aufg. 2 |
| Erarbeitung II | 20 min | Selektionsformen an Verteilungskurven; Darwinfinken und Geburtsgewicht zuordnen. | PA | Selektionsformen: Aufg. 1–2 |
| Transfer | 15 min | Heterozygotenvorteil: Sichelzell-Allel in Malariagebieten; im Simulator die Malaria „abschalten“. | PA, UG | Verschiebung von Genfrequenzen: Aufg. 4; Evolutions-Simulator: Aufg. 5 |
| Abschluss | 5 min | Zurück zum Einstiegszitat: eine fachlich korrekte Formulierung. | UG | – |
Hausaufgabe und Differenzierung
Hausaufgabe: Aufgabe 6 auf Selektionsformen („Durch die moderne Medizin gibt es beim Menschen keine Selektion mehr“) oder Aufgabe 8 auf Hardy-Weinberg-Aufgaben.
- Basis: Vorbereitete Modelle des Simulators; Beobachtungsbogen mit Leitfragen.
- Vertiefung: Züchtergleichung (Vertiefung und Aufgabe 3 auf Selektionsformen); Vertiefung „Wie schnell wirkt Selektion?“ auf Verschiebung von Genfrequenzen.
- Einfach-Modus und Karteikarten: Lernende mit Leseschwierigkeiten schalten im Seitenkopf den Einfach-Modus ein und lesen zuerst die Kurzfassung „Einfach erklärt“. Fachbegriffe: Karteikarten „Verschiebung von Genfrequenzen“ und Karteikarten „Selektionsformen“.
Doppelstunde 5: Gendrift – Flaschenhals- und Gründereffekt
Ziele
Die Schülerinnen und Schüler …
- definieren Gendrift, Flaschenhalseffekt und Gründereffekt,
- erklären an einem Modell, warum eine kleine Stichprobe die Allelfrequenzen verschiebt,
- werten belegte Beispiele aus (Gepard, Nördlicher See-Elefant, Pingelap),
- grenzen Gendrift von Selektion ab und beurteilen Folgen für den Artenschutz.
| Phase | Zeit | Inhalt / Aktivität | Sozialform | Material |
|---|---|---|---|---|
| Einstieg | 10 min | Kugelmodell: Aus einem Beutel mit verschiedenfarbigen Kugeln ziehen Gruppen je fünf Kugeln. Wie unterscheiden sich die „neuen Populationen“? | GA | Flaschenhals- und Gründereffekt: Abb. 1 |
| Simulation | 20 min | Modell „Gendrift“ mit kleiner Population und mit N = 1000 laufen lassen und vergleichen. | PA | Evolutions-Simulator: Aufg. 2 |
| Erarbeitung | 25 min | Arbeitsteilig: Gepard, Nördlicher See-Elefant, Gründereffekt auf Pingelap. | GA | Flaschenhals- und Gründereffekt: Aufg. 1, 2 und 4 |
| Sicherung | 15 min | Flaschenhals- und Gründereffekt vergleichen; Gendrift oder Selektion? | UG | Verschiebung von Genfrequenzen: Aufg. 3; Flaschenhals- und Gründereffekt: Abschnitt „Gendrift oder Selektion?“ |
| Bewertung | 15 min | Aussage „Der See-Elefant zählt wieder über 200.000 Tiere – genetische Vielfalt ist unwichtig“ beurteilen. | PA | Flaschenhals- und Gründereffekt: Aufg. 6 |
| Abschluss | 5 min | Merksatz: Drift wirkt zufällig und in kleinen Populationen stark. | UG | – |
Hausaufgabe und Differenzierung
Hausaufgabe: Aufgabe 5 auf Flaschenhals- und Gründereffekt (mtDNA-Varianten der See-Elefanten deuten) oder Aufgabe 4 auf Genpool.
- Basis: Beobachtungsbogen für den Simulator; Beispieltexte mit Leitfragen.
- Vertiefung: Formel zum Allelverlust (Vertiefung und Aufgabe 3 auf Flaschenhals- und Gründereffekt); Wright-Fisher-Modell (Vertiefung auf Evolutions-Simulator).
- Einfach-Modus und Karteikarten: Lernende mit Leseschwierigkeiten schalten im Seitenkopf den Einfach-Modus ein und lesen zuerst die Kurzfassung „Einfach erklärt“. Fachbegriffe: Karteikarten „Flaschenhals- und Gründereffekt“ und Karteikarten „Genpool“.
Doppelstunde 6: Evolution anwenden – Resistenzen, Erbkrankheiten, Modellkritik
Ziele
Die Schülerinnen und Schüler …
- erklären die Entstehung von Resistenzen mit dem Selektionsbegriff,
- wenden Hardy-Weinberg und Evolutionsfaktoren auf reale Fälle an,
- beurteilen die Aussagekraft und die Grenzen eines Simulationsmodells,
- beurteilen historische Annahmen der Eugenik aus populationsgenetischer Sicht.
| Phase | Zeit | Inhalt / Aktivität | Sozialform | Material |
|---|---|---|---|---|
| Einstieg | 10 min | Kartenabfrage: Welche Faktoren verändern den Genpool, welche nicht? | UG | – |
| Fallarbeit | 30 min | Stationen: (A) glyphosatresistente Unkräuter, (B) Resistenz des Maiswurzelbohrers gegen Bt-Mais, (C) Sichelzell-Allel ohne Malaria, (D) Annahmen der Eugenik. | GA | Gefahren der Gentechnik: Aufg. 3 (A); Bt-Mais: Aufg. 4 (B); Evolutions-Simulator: Aufg. 5 (C); Hardy-Weinberg-Aufgaben: Aufg. 9 (D) |
| Präsentation | 20 min | Gruppen stellen ihre Fälle vor; Evolutionsfaktor benennen. | Plenum | Ergebnisse der Stationen |
| Modellkritik | 15 min | Welche Vereinfachungen macht der Simulator, welche Fragen beantwortet er trotzdem gut? | PA | Evolutions-Simulator: Aufg. 6 |
| Sicherung | 10 min | Concept Map der Evolutionsfaktoren mit Beispielen. | UG | – |
| Abschluss | 5 min | Hinweis auf die Übungsklausur. | UG | Klausurtrainer |
Hausaufgabe und Differenzierung
Hausaufgabe: Übungsklausur im Klausurtrainer; wahlweise Gene Drive als Bewertungsaufgabe (Streitfrage 5 der Ethik-Arena).
- Basis: Stationen A und C mit Leitfragen; Begriffsliste für die Concept Map.
- Vertiefung: Station D; Glyphosat; Musterbeispiel Gene Drive auf Ethische Urteilsbildung.
- Einfach-Modus und Karteikarten: Lernende mit Leseschwierigkeiten schalten im Seitenkopf den Einfach-Modus ein und lesen zuerst die Kurzfassung „Einfach erklärt“. Fachbegriffe: Karteikarten „Verschiebung von Genfrequenzen“ und Karteikarten „Hardy-Weinberg-Aufgaben“.
Abschluss und Leistungsüberprüfung
Der Evolutions-Simulator enthält fünf Beobachtungsaufträge und sechs Aufgaben (AFB I–III). Eine Bewertungsaufgabe mit populationsgenetischem Kern bietet Streitfrage 5 der Ethik-Arena („Gene Drives gegen Malaria-Mücken?“). Für eine Klausur bieten sich an:
- AFB I: Bedingungen der idealen Population und Evolutionsfaktoren nennen (Aufgabe 1 auf Hardy-Weinberg-Gesetz, Aufgabe 1 auf Verschiebung von Genfrequenzen).
- AFB II: Allelfrequenzen und Anlageträger berechnen, Gleichgewicht prüfen, Simulationsdiagramme erklären (Aufgaben 2–7 auf Hardy-Weinberg-Aufgaben, Aufgabe 2 auf Evolutions-Simulator).
- AFB III: Aussagen zu Selektion oder Vielfalt beurteilen (Aufgabe 6 auf Selektionsformen, Aufgabe 6 auf Flaschenhals- und Gründereffekt, Aufgabe 9 auf Hardy-Weinberg-Aufgaben).
- Erkenntnisgewinnung: einen Chi-Quadrat-Test mit vorgegebenen Daten durchführen (Aufgabe 3 oder 4 auf Chi-Quadrat-Test).
Klausurtrainer (Übungsklausur, Quiz-Mix und Operator-Training mit Aufgaben der jeweiligen Seite): Allelfrequenz berechnen · Hardy-Weinberg-Gesetz · Hardy-Weinberg-Aufgaben · Chi-Quadrat-Test · Verschiebung von Genfrequenzen · Flaschenhals- und Gründereffekt · Selektionsformen
Karteikarten zur Wiederholung der Fachbegriffe: Populationsgenetik · Hardy-Weinberg-Gesetz · Verschiebung von Genfrequenzen · Flaschenhals- und Gründereffekt · Selektionsformen
Hinweise zur Durchführung
- Artbildung und Stammesgeschichte sind auf genzukunft.de nicht eigens ausgearbeitet. Ergänzen Sie diese Themen bei Bedarf mit Ihrem Lehrbuch.
- Der Evolutions-Simulator nennt als Zeitbedarf etwa 30 Minuten für die Einführung mit den Modellen; alle Beobachtungs- und Arbeitsaufträge füllen eine Doppelstunde.
- Bei der Station zur Eugenik (Doppelstunde 6) ist eine klare historische Einordnung wichtig: Die Aufgabe beurteilt eine falsche Annahme, sie stellt sie nicht zur Diskussion.
Weitere Unterrichtsreihen
Molekulargenetik: vom Gen zum MerkmalOberstufe · 8 Doppelstunden Gentechnik und HumangenetikOberstufe · 8 Doppelstunden Vererbung: Mendel und MenschKlasse 9/10 · 6 Doppelstunden Alle UnterrichtsreihenÜbersicht mit Werkzeugen und Bezug zu den Bildungsstandards
Quellen & Stand
- Kultusministerkonferenz: Bildungsstandards im Fach Biologie für die Allgemeine Hochschulreife (Beschluss vom 18.06.2020).
- Kultusministerkonferenz: Weiterentwickelte Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss in den Naturwissenschaften (Meldung vom 14.06.2024; Biologie: Beschluss vom 16.12.2004 in der Fassung vom Juni 2024).
- Kultusministerkonferenz: Bildungsstandards in Deutschland – Überblick.
- Fachinhalte, Abbildungen, Aufgaben und Quiz: die jeweils verlinkten Seiten von genzukunft.de mit ihren eigenen Quellenangaben.
Stand: Oktober 2026. Zeitangaben sind Richtwerte für eine Doppelstunde von 90 Minuten.
„Unterrichtsreihe: Populationsgenetik und Evolution (Oberstufe)“ von genzukunft.de – Lizenz: CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de) – Quelle: https://www.genzukunft.de/lehrkraefte/unterrichtsreihen/populationsgenetik-und-evolution/ – Logo und Wortmarke sind ausgenommen.