Basiskonzept Struktur und Funktion
Das Erfassen, Ordnen und Wiedererkennen von Strukturen legt die Grundlage für das Umgehen mit der biologischen Vielfalt. Erst die Kenntnis von Strukturen ermöglicht das Verständnis und die Erklärung biologischer Funktionen auf allen Systemebenen und im Verlauf der Entwicklung. Daher sind Struktur und Funktion untrennbar miteinander verbunden. Das Basiskonzept Struktur und Funktion subsumiert große Teilbereiche der Biologie und somit auch der Unterrichtsinhalte, da Strukturen und Funktionen auf allen biologischen Organisationsebenen gekoppelt sind. Für die inhaltliche Strukturierung ist daher die weitere Differenzierung sinnvoll.
a) Stoff- und Energieumwandlung
Lebewesen bilden und erhalten durch Stoff- und Energieumwandlungen ihre Strukturen und Funktionen. Bei den Stoffumwandlungen wird in der Bilanz laufend Energie in Form von Wärme freigesetzt, so dass die Lebewesen auf eine ständige Energiezufuhr angewiesen sind. Diese erfolgt letztlich in Form der Lichtenergie, so dass alles Leben weitgehend vom Prozess der Fotosynthese abhängt. Die Zellatmung als wichtiger Prozess der Energiebereitstellung ermöglicht alle biologischen Funktionen wie Produktion körpereigener Stoffe, Aufrechterhaltung der Körpertemperatur, Informationsaustausch und Bewegung.
Die Zusammenhänge zwischen Produzenten, Konsumenten und Destruenten ermöglichen das Verständnis des Stofftransports und des Energieflusses innerhalb eines Ökosystems.
Stoff- und Energieumwandlung begegnen Schülerinnen und Schülern z. B. auch bei der Betrachtung des menschlichen Blutkreislaufs und der Atmung sowie ihrer Bedeutung für den Nährstoff-, Gas- und Wärmetransport durch den Körper.
b) Steuerung und Regelung
Lebewesen halten bestimmte Zustände durch Regulation aufrecht und reagieren auf Veränderungen. So wird bei wechselnden Umwelt- und Lebensbedingungen Stabilität erreicht. Regelmechanismen sind zumeist durch negative Rückkopplung charakterisiert. Sie sorgen dafür, dass in einem Organismus Körperfunktionen wie Temperatur, Wassergehalt oder Blutzuckerspiegel konstant gehalten werden. In einem Ökosystem wird u. a. die Dichte der Populationen, z. B. im Rahmen von Räuber-Beute-Verhältnissen, reguliert.
Eingriffe des Menschen wie Pestizideinsatz oder Düngung können als Einfluss auf Regelkreise beschrieben werden. Durch die Komplexität der Systeme ist es nur begrenzt möglich, die Wirkungen solcher Eingriffe vorauszusagen.
c) Information und Kommunikation
Lebewesen haben die Fähigkeit, Informationen aufzunehmen, innerhalb des Organismus weiterzuleiten, zu speichern, zu bearbeiten, an andere Organismen weiterzugeben und zu nutzen. Dies geschieht auf allen Ebenen biologischer Systeme.
Organismen nehmen Information aus der Umwelt über Sinneszellen und Sinnesorgane auf, leiten sie weiter und verarbeiten sie mit Hilfe von Nervenzellen. Die Sinneszellen bzw. Sinnesorgane verschiedener Lebewesen ermöglichen die Aufnahme unterschiedlicher Reizqualitäten. Lebewesen kommunizieren, indem sie als Sender und Empfänger durch gemeinsame Codierung wechselseitig Information austauschen. Signale und Signaltäuschungen spielen bei der Fortpflanzung und beim Nahrungserwerb eine wichtige Rolle. Auf der zellulären und molekularen Ebene geschieht Kommunikation z. B. im Rahmen des Immunsystems.
d) Reproduktion und Vererbung
Bei der Reproduktion geben Lebewesen ihre Erbinformationen an die nächste Generation weiter. Dies geschieht entweder asexuell oder sexuell. Die sexuelle Fortpflanzung ist verbunden mit der Neukombination von Erbanlagen. Die Veränderung von Genen und ihrer Zusammensetzung findet sich im Ablauf in natürlichen Prozessen, aber auch im Zusammenhang mit Züchtung und gentechnischen Verfahren wieder.
Die DNA enthält in codierter Form die gesamte Information für den Bau und die Funktionen eines Lebewesens. Diese Information wird abgelesen und z. B. in spezifische Enzyme umgesetzt, welche die Ausprägung eines Merkmals ermöglichen. Unterschiedliche Merkmalsausprägungen können z. B. durch Neukombination der Gene oder Mutation verursacht werden.
e) Variabilität und Angepasstheit
Lebewesen sind durch ihre unterschiedliche Merkmalsausprägung in Bau und Funktion an ihre Umwelt angepasst. Die Ursachen der Vielfalt liegen in der Mutation und Neukombination von Erbanlagen. Angepasstheit ist dann gegeben, wenn das Überleben eines Organismus und die Weitergabe seines Genoms in seiner Umwelt ermöglicht wird. Anpassung ist ein Prozess, dem Arten natürlich (unter anderem durch Selektion) und künstlich (durch Züchtung) unterliegen.