Sensibles Zusammenleben. Bakterien, Viren, SARS-CoV-2 und wir

Von Markus Schulze, Dezember 2020

1878 schlug Anton de Bary die Bezeichnung Symbiose für jegliches Zusammenleben artverschiedener Organismen auf der Versammlung Deutscher Naturforscher vor. Er hatte entdeckt, dass Flechten eine Verbindung von Algen und Pilzen darstellen.

Zwei Jahre später fasste Louis Pasteur sein Konzept der Infektionskrankheiten in einem großen Vortrag in Paris zusammen, indem er Infektionskrankheiten auf Mikroorganismen zurückführte. Damit war der Grundstein zur Erforschung der Mikroorganismen gelegt, der Bakterien, Viren und Pilze, sowohl als Krankheitserreger als auch als kooperierende Partner von vielzelligen Organismen und als wertvolle Bestandteile von Ökosystemen. Um 1900 entdeckte man, dass sich die Erbsubstanz von Organismen plötzlich »sprunghaft« verändern kann und bezeichnete diesen Vorgang als Mutation. Zunehmend erkannte man, dass auf diesen Veränderungen des Erbgutes die Entwicklung vom Einzeller bis hin zum Menschen beruht, die Evolution. Die ersten echten Zellen sind, so die weitgehend anerkannte Endosymbiontentheorie, aus der Symbiose (Verschmelzung) von zwei bakterienähnlichen Zellen entstanden. Was die enorme Bedeutung der Bakterien für den Beginn der Evolution und auch für deren Fortgang zeigt. Der Organismus des Menschen besteht aus etwa 100 Billionen Zellen (1) und lebt interessanterweise mit einer noch etwas größeren Zahl an Bakterien in Symbiose. Wir, bzw. alle vielzelligen Organismen, sind also keine von der Umwelt abgegrenzten Lebewesen, sondern mit ihr in engem Kontakt stehende offene Systeme. Die meisten dieser Bakterien befinden sich in unserem Darm, der, als Abschnitt des den Menschen durchziehenden Magen-Darm-Kanals sozusagen die in den Organismus hineingenommene Umwelt darstellt. Ein weiterer großer Teil der Bakterien befindet sich auf unserer Haut. Dazu kommt dann eine vielleicht noch größere Anzahl an Viren.

Die Entwicklungsfähigkeit der Bakterien hängt damit zusammen, dass sie mit ihrem Erbgut etwas »lockerer« umgehen als wir. Sie sind in der Lage, Erbgut untereinander auszutauschen, was ihnen dabei hilft, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Dazu haben sie sogenannte Plasmide, die man »als mobile genetische Elemente« (2) bezeichnen kann, Erbsubstanz (DNA), die sich unabhängig von der eigentlichen Erbsubstanz des Zellkerns (den Chromosomen) in der Zellflüssigkeit (dem Plasma) befindet. Mit Hilfe dieser Plasmide können sie Erbsubstanz untereinander austauschen und sich so verändern, z.B. um die durch Mutation erworbene Antibiotikaresistenz weiterzugeben. Viren kann man in gewisser Weise mit diesen Plasmiden vergleichen (und vermutlich lassen sie sich entwicklungsgeschichtlich aus solchen Elementen ableiten (3), da es sich bei ihnen ebenfalls um »mobile genetische Elemente« handelt, Erbsubstanz (DNA oder RNA), die aber nur von einer Proteinhülle oder Fetthülle umgeben ist. Sie brauchen zwar auch einen Organismus, um sich zu vermehren, gehören diesem aber nicht in der Weise an, wie die Plasmide »ihrem« Bakterium. Die Organismen, in denen sie sich vermehren können, bezeichnet man als Wirte. Viren haben ganz spezielle Wirtszellen, zu denen sie mit den Proteinen ihrer Proteinhülle Kontakt aufnehmen können, indem sie sich mit bestimmten Proteinen (Rezeptoren) der Zellmembran der Wirtszellen verbinden. Wenn ihre Proteine zu den Rezeptoren dieser Wirtszellen passen, können sie in diese Eindringen und sich mit Hilfe des Stoffwechsels der Wirtszelle vermehren. Dabei zerstören sie diese Wirtszelle, was zu einer Schädigung des Wirtes führt. Sie können sich aber auch dauerhaft oder zumindest über längere Zeit in die Erbsubstanz des Wirtes integrieren. Dabei können sie eigene Erbsubstanz auch dauerhaft in der Erbsubstanz des Wirtes zurücklassen. Etwa acht Prozent der Gene (DNA) des Menschen stammen von Viren (4) und sind für den Menschen von enormem Vorteil. Es handelt sich dabei zum Beispiel um Gene unseres Immunsystems und der Plazenta. Manche Forscher gehen von einem noch weit höheren Anteil unsere Erbsubstanz viralen Ursprungs aus.

Wir benötigen »genetische Mobilität«, damit sich Organismen evolutiv verändern können, und wir brauchen »genetische Stabilität«, damit wir einen erreichten Zustand, bei höher entwickelten Organismen ist das ein bestimmter Grad an Autonomie gegenüber der Umwelt, auch erhalten können. Aus diesem Grund haben wir ein DNA-Reparatursystem, damit nicht jede Mutation auch gleich zu einer Veränderung unseres Organismus führt. Was ja in den meisten Fällen eben auch keine Entwicklung, sondern eine Krankheit, wie ungezügeltes Wachstum im Falle von Krebs, hervorruft.

Organismen entwickeln aus diesem Grunde fein ausbalancierte Formen des Zusammenlebens, der Koexistenz, der symbiotischen gesunden Wechselwirkungen, die Zeit benötigen, in denen bestimmte Organismen sich aufeinander einstellen können. Das sind unter anderem Prozesse, in denen eine Immunisierung erfolgt und die mehr oder weniger als Krankheit erlebt werden.

Da sich Bakterien und Viren relativ schnell verändern können, Bakterien durch ihre Plasmide, Viren durch Mutation, die sich in der Regel sofort in ihrer Proteinhülle zeigen, kann es dazu kommen, dass wir auf Bakterien und Viren treffen, mit denen wir beim ersten Zusammen- treffen schwer oder gar nicht fertig werden.

Das ist bei der Entdeckung Amerikas erfolgt, bei der die Europäer das Masern-Virus eingeführt haben, das ist auf den Handelsrouten von Asien nach Europa am Beginn der Neuzeit erfolgt, als das Pest-Bakterium nach Italien gelangt ist. Es ist bei den Cholera-Pandemien des 19. Jahrhunderts so gewesen, bei der sogenannten Spanischen Grippe, bei Aids, SARS und jetzt eben bei SARS-CoV-2. In letztgenannten drei Fällen handelt es sich um Viren, die an bestimmte Tiere als ihre Wirte angepasst waren und von den Tieren auf den Menschen übergesprungen sind. Die dadurch hervorgerufenen Krankheiten bezeichnet man als Zoonosen. Diese Übertragung findet häufig bei dem Verzehr von Wildtieren statt, die durch die Zerstörung der Landschaft in menschliche Siedlungen vordringen, häufig illegal und unter unhygienischen Verhältnissen gehalten, verkauft und verzehrt werden. In diesen Tieren kommt es zu Mutationen der Viren, die für sie aber keine Gefahr darstellen. Sars-CoV-2 hat seinen Ursprung wahrscheinlich in Fledermäusen und ist dann über Schuppentiere auf den Wildtiermärkten Chinas in den Menschen gelangt.

Die beiden anderen Virus-Infektionen ähnlichen Ausmaßes der letzten hundert Jahre waren die Influenza-Pandemie 1919/20 (Spanische Grippe) und Aids Anfang der achtziger Jahre des letzten Jahrhunderts. Das Influenza-Virus ist wahrscheinlich während des Ersten Weltkriegs aus den USA eingeführt worden. Es wird angenommen, dass es von Vögeln oder Schweinen stammt. Das HI-Virus stammt wahrscheinlich von Affen Afrikas. An der Spanischen Grippe sind 25-50 Millionen Menschen (5), an Aids bisher 35 Millionen gestorben.

Aids ist mit Medikamenten heute behandelbar, wobei die Medikamente sehr teuer und aus diesem Grund nicht für alle verfügbar sind, eine Schutzimpfung existiert nicht, und das Virus verbreitet sich in armen Regionen Afrikas und Asiens, in denen nicht genügend finanzielle Mittel zur Verfügung stehen und die Aufklärung über die Infektionswege nicht ausreichend wirkt.

Influenza wird überwiegend durch Viren der Stämme Influenza-A und Influenza-B ausgelöst und betrifft nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) 10-20% der Weltbevölkerung, die jedes Jahr von einer oder mehreren Grippewellen infiziert werden. Bis Mitte der achtziger Jahre gab es zwei Influenza A-Stämme und einen Influenza-B-Stamm.

Gegen diese drei Stämme wurde auch geimpft. Mitte der achtziger Jahre hat sich dann der B-Stamm ebenfalls in zwei Stämme aufgespalten, gegen die anfangs noch kein Impfstoff vorlag. Erst seit 2018 wird mit einem Vierfachimpfstoff gegen alle vier Stämme geimpft. Das Problem ist allerdings, dass auch diese vier Stämme keine Einheitlichkeit besitzen, sondern sich in eine ganze Reihe von Subtypen aufteilen. Von Grippesaison zu Grippesaison wechseln im Wesentlichen die einzelnen Stämme, die jetzt von dem Vierfachimpfstoff erkannt werden müssten. Bei den zusätzlichen Mutationen, die recht häufig sind, kann es dann sein, dass diese von den körpereigenen Antikörpern erkannt werden oder auch nicht. Daran liegt es wahrscheinlich, dass die Wirksamkeit der Grippeimpfung bei 50-60% liegt.

Die Influenzaviren befallen die Zellen des Atemtraktes, dringen in diese ein, vermehren sich in ihnen und zerstören dadurch dir Zellen der Lungenschleimhaut. Die eigentliche Komplikation, die bei der Influenza zu schweren Verläufen führt, ist eine sekundäre bakterielle Infektion (mit Pneumokokken), die zu einer bakteriellen Lungenentzündung führt. In diesem Fall ist eine Behandlung mit Antibiotika möglich und aus diesem Grund wird für Risikopatienten zusätzlich eine Impfung gegen den Erreger der Lungenentzündung, die Pneumokokken, empfohlen.

Die Coronaviren bilden eine Virusfamilie, die wie Influenza zu den sogenannten RNA-Viren gehören, deren Erbsubstanz aus RNA besteht. Während Influenza-Viren aber relativ wenig Erbsubstanz besitzen (die Gesamtheit der Erbsubstanz bezeichnet man als Genom), verfügen die Coronaviren über ein für Viren sehr großes Genom. Beim Menschen sind bis jetzt sieben Arten von Coronaviren nachgewiesen. Dabei handelt es sich zum Teil um Erreger von leichten respiratorischen Infektionen (grippalen Infekten), zum Teil aber auch um Erreger des sogenannten Schweren akuten Atemwegssyndrom (SARS). Dieser Erreger führte 2002/3 zu einer Pandemie, der ersten des 21. Jahrhunderts, die vor Augen führte, wie schnell sich ein solcher Erreger in der sich immer stärker vernetzenden Welt ausbreiten kann.

Das Virus, das hauptsächlich über »Tröpfcheninfektion« übertragen wird, dringt in die Zellen der Lungenschleimhaut ein und selten in die der Rachenschleimhaut, worin ein wesentlicher Unterschied zu SARS-CoV-2 besteht. Dadurch ist die Infektiosität deutlich geringer. Das ist auch der Grund, warum man die SARS-CoV-1-Pandemie relativ schnell unter Kontrolle gebracht hat. Hier kam man zu der Erkenntnis, dass viele infizierte Personen relativ wenig weitere Personen infizierten, während einzelne das Virus extrem stark verteilten, die sogenannten Superspreader. Ende März 2003 wurde das Virus an der Universität Honkong, am Gesundheitszentrum (CDC) in Atlanta und am Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin in Hamburg als neuartiges Coronavirus identifiziert. Am 12.April wurde die Sequenz (die Reihenfolge der einzelnen Elemente) der Erbsubstanz (RNA) von mehreren Laboratorien weltweit entschlüsselt, unter anderem auch in dem Institut in Hamburg, und zwei Tage später gelang es den Virologen Christian Drosten und Stephan Günther dort als ersten, einen diagnostischen Test zu entwickeln, der inzwischen weltweit eingesetzt wird. Danach wurde die Infektionsausbreitung eingedämmt, und am 31. Juli 2003, nach nur achteinhalb Monaten,

konnte die Pandemie für beendet erklärt werden. Es gab 8096 bestätigte Infizierte und 774 bestätigte Todesfälle. Damit waren die Sorgen aber nicht aus der Welt, sondern vor allem geweckt. Ein weiterer Ausbruch einer Pandemie durch ein erneut mutiertes Coronavirus oder auch ein stark verändertes Influenzavirus schien sehr wahrscheinlich.

Schon im Dezember 2003 kam es dann in der Region Honkong zu einem größeren Ausbruch der sogenannten Vogelgrippe, einer hochvirulenten Variante des Influenza-A-Stammes unter Zuchtgeflügel, der sich weltweit verbreitete. Es folgte 2009 von den USA ausgehend die Schweinegrippe (Subtyp-Influenza-A), 2012 MERS durch das Mers-Coronavirus, 2013 erneut eine Vogelgrippe (ausgehend von China) und 2017/18 kam es zu einer deutlichen stärkeren Grippewelle, die in Deutschland 1674 bestätigte und 25 000 geschätzte Todesopfer forderte.

Diese Übersicht ist nicht vollständig, zeigt aber wie intensiv nach der Jahrtausendwende bei zunehmenden internationalen Spannungen und gleichzeitig zunehmender Vernetzung und wirtschaftlicher Verflechtungen das Infektionsgeschehen weltweit verfolgt wurde, zumal die Folgen einer neu auftretenden Infektionskrankheit direkt in allen Teilen der Welt spürbar werden konnten. Hierbei wurde oft vor Gefahren gewarnt, die in diesem Ausmaß dann gar nicht eingetreten sind. Die Sorgen waren aber nicht unbegründet, die Infektionsverbreitung war extrem schwer abzuschätzen. Die Folgen von diesem Umgang mit möglichen oder wirklichen Pandemien lassen sich in der momentanen gesellschaftlichen Diskussion mit den durch die Covid-19-Pandemie notwendigen Einschränkungen erkennen.

Ende 2019 wurde erstmals in der südchinesischen Millionenstadt Wuhan eine neue Variante eines Coronavirus entdeckt. Am 13. Januar lag bereits die entschlüsselte Erbsubstanz (RNA-Genomsequenz) des als SARS-CoV-2 bezeichneten Erregers in der zentralen GenBank in den USA vor, aufgrund der Arbeiten verschiedener Laboratorien. Am gleichen Tag war bereits ein Nachweisverfahren verfügbar, das an der Berliner Charité unter Federführung von Christian Drosten entwickelt worden war, da chinesische Wissenschaftler bereitwillig Befunde zur Verfügung gestellt und international Forschungsnetze grundlegende Daten und bis dahin verfügbare Nachweismethoden veröffentlicht hatten. Die WHO bewertete die durch SARS-CoV-2 ausgelöste Krankheit Covid-19 am 30. Januar als »gesundheitliche Notlage von internationaler Tragweite«. Am 9. Februar überstieg die Zahl der registrierten Todesfälle mit über 800 bereits die Gesamtzahl der SARS-Pandemie 2002/3. Am 19. März meldete Italien mehr Todesopfer als China. Die meisten Infektionsfälle gab es jetzt in China, Italien, Spanien, dem Iran, Deutschland, Frankreich und den USA. Heute (02.12.20) werden über 64 Millionen Infektionen weltweit und über 1,4 Millionen Todesopfer gemeldet. (6) In Deutschland sind über eine Million Infizierte und über 17 000 bestätigte Todesopfer gemeldet. (7)

Die Besonderheit des SARS-Corona-Virus-2 ist offenbar, dass es im Gegensatz zu dem SARS-Corona-Virus-1 nicht nur die Zellen der Lungenschleimhaut befällt, sondern auch die des Rachens. (8) Dass es in diese Zellen eindringt, sich dort vermehrt, und auf diese Weise weitere Viren produziert werden, ist einer der Gründe für die hohe Infektiosität. Denn Viren gelangen schneller in den Rachen als in die Lunge, und wenn sie dort schon ihre »Nachkommen« produzieren können, erfolgt das schneller und sie können auch schneller und in größeren Mengen wieder nach außen abgegeben werden und andere Menschen erreichen. Bleibt es dabei, dass sie nur in die Schleimhautzellen des Rachens eindringen, kommt es wahrscheinlich nur zu einem milden Verlauf. Das ist anzunehmen, wenn uns von einem Infizierten nur wenige Viruspartikel erreichen. Dringen durch ein längeres Gespräch in kurzer Distanz, Husten oder Gesang mehr Viren in uns ein, ist die Gefahr größer, dass sie in die Lunge gelangen und damit ist auch die Gefahr größer, dass es zu einem schweren Verlauf der Krankheit kommt. Ob das Virus die Lunge erreicht, hängt neben der Menge an Viruspartikeln (Viruslast) aber wahrscheinlich auch von unserem Immunsystem ab, von der Qualität der die Viren bekämpfenden neutralisierenden Antikörper. Gelangt das Virus in die Lunge, verhält es sich scheinbar ähnlich wie SARS-CoV-1: es zerstört die Lungenbläschen (Alveolen), aus denen der Sauerstoff ins Blut gelangt. Wenn die Wand dieser Bläschen zerstört wird, tritt Flüssigkeit aus der Blutbahn in die Lunge und verhindert die Aufnahme von Sauerstoff. Gleichzeitig gelangen weiße Blutkörperchen zu den infizierten Lungenbläschen, um die Krankheitserreger zu beseitigen. Bei SARS-CoV-2 kommt es hierbei aber häufig zu einer Überreaktion dieser weißen Blutkörperchen, was dazu führen kann, dass die kleinen sich verzweigenden Röhrchen der Bronchien zusätzlich zu der eingedrungenen Flüssigkeit mit weißen Blutkörperchen verstopft werden, was die Aufnahme von Sauerstoff ins Blut zusätzlich erschwert. Diese Überreaktion wird als »Zytokinsturm« (Hyperinflammationssyndrom) (9) bezeichnet, was die Dramatik dieses Vorgangs gut ins Bild bringt. Jetzt ist der Verlauf unter Umständen so schwer, dass der Patient beatmet werden muss, wobei der Erfolg der Behandlung nicht sicher ist und Intensivbetten mit der Möglichkeit der Beatmung nur begrenzt zur Verfügung stehen. In einigen Ländern reichten im Frühjahr diese Kapazitäten nicht aus. Eine weitere Komplikation, die in vielen Krankheitsverläufen beobachtet wurde, ist die Störung der Blutgerinnung, was zur Bildung von Blutgerinnseln führen kann, die dann zusätzlich zu der Überreaktion der weißen Blutkörperchen (»Zytokinsturm«) zur Verstopfung von Blutgefäßen führen kann. Schlaganfällen und Lungenembolien sind mögliche Folgen. Mit der Zeit ist es auch nachgewiesen, dass es bei Covid-19 zu neurologischen Ausfällen (10) kommt. Und in fast allen anderen Geweben wurden Viren nachgewiesen.

Infektionen können also sehr schwer bis tödlich verlaufen, haben in den meisten Fällen aber nur milde Symptome. Das macht den Umgang damit nicht leichter. Das Infektionsrisiko scheint durch die sogenannten Aerosole am größten zu sein, die sich als kleinste Partikel noch einige Zeit nach der Anwesenheit eines Infizierten im Raum befinden können. Es scheint dabei von der Dauer und der Art des Kontaktes mit einem Infizierten abzuhängen. 15 Minuten mit einem Abstand von unter anderthalb Meter in kontinuierlichem Gespräch, bei dem ständig mit der Atemluft Aerosole abgegeben und aufgenommen werden, können mit relativer Sicherheit zu einer Infektion führen. Die Größe des Raumes, die Anzahl der Personen, die Häufigkeit des Lüftens spielen dabei eine zentrale Rolle, wobei die Raumluft in Schulklassen durch seltenes Lüften und fehlende Filter oder Absauganlagen seit Jahrzehnten auch ohne Corona ein bekanntes Problem ist und die Richtwerte von CO2 und Stickstoff ständig über- schritten werden, was die Konzentration beeinträchtigt. Masken haben in vielen Studien der letzten Zeit gezeigt, dass sie die Infektionsgefahr stark reduzieren, wenn auch nicht völlig verhindern können. Angesichts der Gefährdung Einzelner, die sich sowohl unter Schülern als auch unter Lehrern befinden, ist das eine durchaus akzeptable als auch gebotene Schutzmaßnahme, zumal laut einer englischen Studie von Oktober 2020 (11) die höchsten Inzidenzzahlen in der Altersgruppe 18-24 Jahre auftreten, gefolgt von der Altersgruppe 13-17 Jahre. Und der Corona-Ausbruch in einer sächsischen Grundschule in der zweiten Novemberhälfte 2020 (12), bei dem 57 Schülerinnen und Schüler und drei Lehrerinnen und Lehrer positiv getestet wurden, zeigt, dass auch in dieser Altersgruppe Infektionen auftreten, wie sich auch in der Darstellung der Altersverteilung des Robert-Koch-Institutes ablesen lässt. Insgesamt steigen die Infektionszahlen an den Schulen deutlich an.

Insofern scheint es sinnvoll zu sein, über Klassenteilungen, versetzten Unterricht und Online-Unterricht vor allem in der Oberstufe nachzudenken, was ja stellenweise im Frühjahr schon praktiziert wurde oder auch jetzt praktiziert wird. Die positiven Nachrichten von der Impfstoffentwicklung scheinen mir ein hoffnungsvolles Signal zu sein, dass ab dem späten Frühjahr, in dem jahreszeitenbedingt die Infektionszahlen wahrscheinlich wieder runtergehen werden und wir zu diesem Zeitpunkt die Risikogruppen durch Impfen besser schützen können, sich die Lage für uns entspannen wird.

Anmerkungen:

1) Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/frage/wie-viele-zellen-hat-der-mensch/620672

2) Neil A. Campbell, Jane B. Reece: Biologie. Heidelberg, Berlin.2003, S. 398

3) Ebd., S. 398 f. Andere Forscher gehen davon aus, dass RNA-Moleküle vor der ersten entstanden, aus denen sich die Viren gebildet. Siehe u.a.: Karin Mölling: Supermacht des Lebens. München 2015

4) Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/magazin/entdeckung-von-viren-im-menschlichen-erbgut/821099

5) https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1126441/umfrage/todesfaelle-aufgrund-der-spanische-grippe-nach-weltregion-1918-1920/ | https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/I/Influenza/IPV/Bevoelkerungsschutz_03-2007.pdf?__blob=publicationFile | https://de.wikipedia.org/wiki/AIDS

6) https://www.google.com/search?client=firefox-b-d&q=corona+weltweit+tote

7) https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Fallzahlen.html

8) David Cyranoski: Porträt eines Killers. In: Spektrum der Wissenschaft. 8.20. S. 40-49

9) https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/COVRIIN_Dok/Hyperinflammationssyndrom.pdf?__blob=publicationFile sowie Michael Brendler: Das Coronavirus sorgt für Chaos im Blut. Kölner Stadt-Anzeiger. 19.5.2020

10 https://www.spektrum.de/news/wie-sars-cov-2-das-nervensystem-beeintraechtigt/1790216

11) Official Statistics REACT-1: real-time assessment of community transmission of coronavirus (COVID-19) in October 2020

12) https://www.news4teachers.de/2020/11/groesster-ausbruch-an-einer-grundschule-haelfte-der-schueler-und-lehrer-infiziert/

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