Abispicker - Biologie

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Evolution
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Klausuraufbau


Zellen

Eucyte:
Lebewesenzelle Sie besitzt einen Zellkern. Die Euzyte kann man wiederrum in Tierische und Pflanzliche Zelle unterteilen.
Tierische Zellen haben keine Plastide (Farbstoffbeinhalter oder Produzenten und keine Vakuole, statt der Vakuole haben sie Lysosomen sie sind mit Verdauungsenzymen gefüllt).
Pflanzliche Zellen sind gut sichtbar durch Membranen von einander getrennt (Zellmembran, Zellwand, Mittellamelle), durch die so genannten Tüpfel stehen die Zellen unter Kontakt und erledigen die ihnen bestimmte Aufgabe. Sie besitzen Plastide (Chloroplasten) und eine Vakuole.
Außerdem wie auch die Tierischen Zellen, Zellkern, Mitochondrium, Dictyosom, (R/G) Endoplasmatisches Retikulum, und das Cytoplasma das alle Zellorganellen umgibt.
Die Tierische Zelle hat keine Zellwand und ist dadurch von den anderen Zellen nicht deutlich abgeschnitten.

Procyte:
bakterielle Zelle. Sie besitzt keinen Zellkern. Ihre DNA liegt frei in der Zelle vor. Procyten besitzen außerdem im Gegensatz zu den Eucyten Flagellen zur Fortbewegung.

Zellorganellen

Grafik eines Stoffwechsels der Zelle

Die Endosymbiontenhypothese

Die Endosymbiontenhypothese besagt, daß Mitochodruim und Plastiden ursprünglich eigenständige Zellen waren die eine Symbiose mit einer Wirtszelle eingingen und sich mit der zeit zur Pflanzlichen und Tierischen Zelle entwickelten.
Das Mitochundrium wird ernährt und gibt der Wirtszelle dafür Energie in form von ATP. Die Hypothese ist also eine Vermutung für die Entstehung bestimmter Zellorganellen.
Argumente:

Kompartimentierung

Innere Membranen teilen die Eukaryontenzelle in unterschiedliche Kompartiemente (Reaktionsräume), die Zellorganellen. In den unterschiedlichen Organellen finden verschiede Reaktionen statt für die Funktion der Zelle würden diese Reaktionen nicht von einander getrennt sein, würden sie sich stören.
Durch diese Trennung kann die Zelle unterschiedliche Vorgänge gleichzeitig abwickeln.

Diffusion und Osmose

Der Austausch von Stoffen (Molekülen) zwischen Zellen findet über die Membran statt.
Die Semipermeable Membran läßt nur bestimmte gelöste Stoffe Diffundieren.

Diffusion:
Diffusion ist „vermischen“ genauer gesagt ausgleichen von verschiedenen Konzentrationen
-> Aus Bereichen mit höherer Konzentration wechseln Teile in den Bereich der niedrigen Konzentrationen.

Osmose:
Ist die Diffusion (meist von Waßer) durch eine selektiv Permeable Membran, also eine Semipermeable Membran.

Osmotischer Druck:
Druck der Osmose der entsteht wenn auf der einen „Seite“ mehr als auf der anderen ist. Hängt von dem Anteil der Teilchen die nicht Diffundieren können ab.
Der Osmotische Druck sorgt dafür, daß das Volumen auf der Seite der nicht Diffundierenden Teilchen nicht immer weiter ansteigt sondern mit der Zeit ein Gleichgewicht findet.
Osmose und Diffusion sind paßive Transporte sie benötigen keine Energie.
Aktive Transporte benötigen Energie.

Isotonisch:
Beide „Seiten“ das Außenmedium und die Zelle haben den gleichen Anteil an Molekülen und es wandern immer genau gleiche Anzahlen von Molekülen zwischen Zelle und Außenmedium hin und her
-> Isotonischer Zustand

Plasmolyse:
Eine Zelle gibt über die Membran Waßer ab um das außen Medium (hypertonisches Außenmedium) im Waßergehalt aus zu gleichen.
In der Pflanzenzelle zieht sich die Vakuole weit zusammen und bleibt nur noch an wenigen Stellen mit der Zellwand in Kontakt.
Der Zelle werden Stoffe entzogen.

Deplasmolyse:
Macht die Plasmolyse rückgängig.
Außenmedium gibt Waßer an die Zelle ab. (Vakuolen erweitern sich wieder auf normalen zustand. Können auch platzen auf Grund von zu viel Aufnahme von Waßer, dies löst der Turba Druck aus)
De und Plasmolyse sind spezialisierte Vorgänge bei Pflanzenmembranen! Es gibt ähnliche Vorgänge auch bei anderen Zellen, diese kann man aber nicht unter diesem Titel benennen.

Turbadruck:
Hält die Zellen stabil, wird er jedoch zu hoch durch zu viel in die Zelle über die Membran eindringendes Waßer steigt der Druck zu hoch an und Zelle platzt.

Braunsche Molekular Bewegung:
Bezeichnung für die Eigenständige unterschiedlich schnelle Bewegung jedes Moleküls (egal ob Flüßig, Gasförmig oder gelöst). Desto wärmer die Temperatur desto schneller die Bewegung.

Visualisierung zum Vorgang Deplasmolyse als Beispiel

Biomembran

Flüßige-Mosaik ->fluid mosaic Modell:
Es besteht aus einer Doppel-Lipidmembran.
Tunnelproteine sind für größere Waßermenegen zu ständig, während kleinere auch durch die Lipide hindurch kommen.
Die Biomembran ist amphipathisch
Amphipatisch: Waßeranziehen und abstoßend
Hydrophil: Waßeranziehend
Hydrophob: Waßerabstoßend

Abbildung eines Modells

Der Stofftransport durch die Biomembran

Unpolare Moleküle oder kleine Moleküle wie Waßer gelangen leicht durch die Biomembran als größere oder Polare Moleküle. Die größeren Moleküle benötigen entweder durch den Paßiven Transport bedingt durch Ionenkanäle oder Carrir oder den Aktiven Transport bedingt durch Energie.

Paßiver Transport:
Stofftransport ohne Energie Aufwand.
Verschiedene Transportproteine:

In der Zeit die Kanäle offen stehen können Moleküle Diffundieren, wobei man sich hier nicht nur auf einen Stoff festlegen kann es können unterschiedliche durch die öffnung gelangen. Dieser Vorgang ist eine Erleichterte Diffusion.

Diese Stofftransportmethode transportiert die Stoffe durch Konformationsänderung (=Formveränderung) und nicht durch schließen oder öffnen.

Aktiver Transport:
Primär Aktiv:
Es werden in Stoffe gegen das Konzentrationsgefälle transportiert. Dafür dir ATP geteilt. Ein Phosphat Rest verbleibt an der Zelle während das nun ADP (Adenosindiphosphat) übrig bleibt. Der Phosphatrest sorgt dafür, daß das Carrir seine Form verändert und den Molekülen an der entsprechend anderen Seite „Die Türe öffnet“.
Ein gutes Beispiel ist hierfür die Natrium-Kalium Pumpe. Sie transportiert sowohl Natrium aus der Zelle als auch Kalium in die Zelle beides gegen das Konzentrationsgefälle(3 Na/2 K9). (Erleichterete Diffusion, Antiport)

Sekundär aktiv:
In diesem Antiport der erleichterten Diffusion wird ein Molekül gegen das Konzentrationsgefälle transportiert und eins mit dem Konzentrationsgefälle. Es wird trotzdem Energie benötigt den die Energie für die Konformation des Carrirs kann nicht alleine von dem Molekül kommen, daß richtig transportiert wird.

Stofftranspotarten:
Uniport:
Nur ein Stoff wird dem Konzentrationsgradienten folgend transportiert. (erleichterte Diffusion)
Cotransport:
2 Verschiedene Stoffe werden dem Konzentrationsgradienten folgend transportiert (Erleichterte Diffusion)
Antiport:
Verschiedene Stoffe/Moleküle können sowohl dem Konzentrationsgradienten folgend oder andersherum transportiert werden (anders herum transportierte Moleküle nutzen nur das Tor mit sie liefern nicht die Energie! Energie wird immer gebraucht sobald ein Molekül gegen das Konzentrationsgefälle transportiert wird!) (Erleichterte Diffusion)

Visualisierung der Transportproteine

Endocytose und Exocytose (Transport von größeren Moleküle)
Endocytose:
Aufnahme von größeren Molekülen durch überstüllpung von der Membran
Pinocytose:
Aufnahme speziell von flüßigkeittröpfchen
Phagocytose:
Aufnahme speziell von festen Molekülen
Exocytose:
Abgabe über denselben weg von Flüßigkeiten oder festen Molekülen
Rezeptor vermittelte Endocytose:
An sogenannten coated pits (stellen auf der Membran) sind Erkennungßtrikturen vorhanden. Diese Binden nur mit dem auf die Erkennungßtruktur paßendem Molekül. Trifft ein solches Molekül auf. Beginnt sich die Membran dort ein zu stülpen und das Molekül in einem geschnürtem Vesikel auf zu nehmen. Einem so genannten coated Vesikel.

Chromosomen

Haploid:
Einfacher Chromosomensatz (beim Menschen nur in Keimzellen enthalten) n=23

Diploid:
Zweifacherchromosomensatz, Beim Mensch alle Zellen außer die Gonosomen n=46 (Alle Körperzellen)

Zwei-Chromatid-Chromosomen:
Zwei „Chromatidschwestern“, diese Schwestern sind auch genetisch identisch, die beiden Chromatiden werden von dem Centromer zusammen gehalten (Bekannte x-Form). Es gibt zwei lange q-arme und zwei kurze p-arme.

Homologe Chromosomen:
(Chromosomen Paar) H.C. ähneln sich in äußerlicher Form sind aber Genetisch nicht Identisch. Enthalten zwar die gleichen aber nicht genetisch identischen Informationen. (z.B. Enthält das 1 Chromosom die Information einer hellen Haarfarbe, das zweite zwar auch die Information der Haarfarbe allerdings ist hier eine dunkle Haarfarbe vermerkt)
Bespiel: Man besitzt von jedem Chromosom 2 Eins von Mama und eins von Papa. Papa ist Blond man selber auch, hier ist also das Papa-Chromosom sichtbar trotzdem gibt es das gleiche Chromosom aber noch einmal mit der Information von Braunen haaren der Mutter. Diese kann die Person weiter vererben auch, wenn sie selber die Dominant Blonden haare hat.
Chromatide in Somazellen haben immer einen Homologen „Partner“ diese Zellen besitzen also einen diploiden Chromosomensatz, da sie zwei Mal die gleiche Art von Informationen enthalten. Gonosomen enthalten nur einen haploiden Chromosomensatz, da sie noch mit einer anderen Zelle und deren DNA verschmelzen müßen. Würde hier ein diploider Chromosomensatz vorliegen würden sich die DNA Informationen von Generation zu Generation verdoppeln! Mehr hierzu unter Meiose (Zellteilung der Gonosomen).

Gonosomen:
Geschlechtschromosomen (X, Y) Männliche personen haben für das Y keinen Homologen Partner

Autosomen:
Alle Chromosomen außer Gonosomen

Gamet:
Gecshlechtszelle

Abbildung zum Aufbau eines Chromosms
Aufbau eines Chromosoms

Mitose und Meiose

Interphase:
Zu der Interphase zählen wie unten genauer zu finden G1, G0, Synthese und G2- Phase
G1- Phase:
Normale Stoffwechselphase der Zelle (46 Ein chromatid chromosomen), eventuell wahstum der Zelle
G0 - Phase: Die G0 Phase ist die Arbeitsphase, in dieser verläßt die Zelle quasi den Zellzyklus und Arbeitet . Entweder veharrt sie in dieser Phase bis zum Zelltod oder sie wird nach einer gewißen Zeit wieder in den Zellzylklus übergeleitet und entscheidet sich am sogenannten Restriktionspunkt dafür, sich zu teilen. Dies ist gut der unterseten Abbildung zu entnehmen, die den gesamten Zellzylus darstellt.
S(Sythese)-Phase:
In der Synthesephase repliziert die Zelle ihre Ein Cromatidchromosomen zu Zwei CHromatid Chromoomen, so daß jedes Chromatid ein Schwesterchromatid erhält, welche dann bei der Zellteilung auf die neu entstehenden Zellen aufgetielt werden (Synthetisieren)
Die Mitosephase:

Zelle im Normalzustand

Prophase:
Chrmosomen verdichten sich und werden dadurch Sichtbar. Außerdem entstehen die Spindelapperate aus Eiweißmolekühlen an den Centriolen (Zellpolen)

Zelle in der Prophase

Prometaphase:
Die Kernhülle zerfällt und Chromosomen beginnen sich zu Mitte der Zelle hin zu orientieren.

Zelle in der Prometerphase

Metaphase:
Nun sind die Spindelapperate vollständig gebildet sie bilden ihrerseits die Spindelfasern, die sich auf die nun fertig zur äquatorialebene geordneten Chromosomen zu bewegen.

Zelle in der Metaphase

Anaphase:
In der Anaphase erreichen die Spindelfasern ihr Ziel und Ziehen die Chromosomen auseinander so, daß zu jeder Seite ein Genetisch Identisches Schwester-Chromatid gezogen wird. Die Chromosomen werden am Centromer zu zwei Chromatiden getrennt.

Zelle in der Anaphase

Telophase:
Die Chromatide haben ihre jeweilige Seite erreicht, die Spindelapperate lösen sich auf und Kernkörperchen sowie Kernhülle bilden sich neu.

Zelle in der Telophase

G2 Phase: In dieser Phase ruht die Zelle kurz aus und bereitet sich auf die Cytokinese vor.

Cytokinese: (Zweiter Teil der Zellkernteilung)Zellwand bzw bei Tierischen Zellen bildet sich Zellmembran um die Zelle um die beiden Zellen von einander zu trennen. Liegen die Chromatide nun in ihrer neune Zelle vor replizieren sie ihren identischen Schwester-Chromatid und werden wieder zum Chromosom.

Zelle in der Cytokinese


Mitoseablauf im überblick

Meiose
1. Reifeteilung -> Teilung der Homologen Chromosomen Paare
2. Reifeteilung ->Teilung der Zwei-Chromatid-Chromosomen oder auch Schwester Chromatiden wie oben in der Mitose genau beschrieben.

Weibliche Eizellenbildung:

  1. Reifeteilung:
    • Prophase: 23 Zwei-Chromatid-Chromosomen liegen vor, diese verdicken sich, außerdem entstehen die Spindelapperate
    • Promethphase: Kernhülle zerfällt und die Chromosomen ordnen sich der äquatorialebene an
    • Metaphase: Spindelapperte bilden Spindelfasern aus, vollständige äquatorialebene Anordnung, während dieser Anordnung kommt es zum sogenannten „Croßin over“ DNA Austausch
    • Anaphase: durch das „Croßing over“ veränderte Homologe Chromosomen werden getrennt
    • es entstehen zwei Zellen mit einem Haploiden Chromosomensatz
    • Vom Vorgang her sehr ähnlich der Mitose, bloß das die Chromosomen nicht am centromer getrennt werden, sondern das zunächsten die Homologen Chromosomen auf zwei Zellen aufgeteilt werden.
  2. Reifeteilung:
    • Prophase: Spindelapperate bilden sich erneut
    • Prometphase: Chromosomen ordnen sich erneut jeweils in beiden Zellen an der äquatorialebene an
    • Metaphase: Spindelfasern werden gebildet
    • Anaphase: Chromatiden werden an den Centromeren getrennt und auseinander gezogen, nur eine der nun vier vorhandenen Zellen wird behalten die anderen Chromosmen werde als Polkörper abgegeben
    • Eine Eizelle mit 23 Ein-Chromatid-Chromosomen ist entstanden durch das vorherige trennen der Homologen Chromosomen.Den erhaltenen Chromosomensatz bezeichnet man auch als haploid. Er ist notwendig, da die Keimzelle bei der Befruchtung mit einer weiteren verschmilzt, durch dieses Verschmelzen entsteht in der Zelle wieder ein gewöhnliche Diploider Chromosomensatz. So kann ein entstehendes Kind von beiden Elternteilen Informationen mit bekommen.

Männliche Spermiumbildung:
ähnlich wie die Eizellenbildung
1 Reifeteilung: Trennung der Homologen Chromosomen
2 Reifeteilung: Trennung der zwei-Chromatid-Chromosomen
Anders als bei der Eizelle werden aber keine „Abfall Polkörper“ in der Anaphase gebildet, sondern alle Chromosomen verwendet und aus einer Keimzelle entstehen also 4 weitere Keimzellen.

Nebenbei: Keimzellen werden nicht dafür produziert um sich wieder zu teilen! Keimzellen entstehen nur aus Körperzellen. Und bei der Frau werden sie schon im Bauch der Mutter produziert und dann zu entsprechendem Zeitpunkt an gereift.

Genaueres zum Croßing Over:
Wie eben schon bei der Erläuterung des Vorganges erwähnt, findet während der Anlagerung der Chromosomen in der äquatorialebene, in der ersten Reifeteilung das sogenannte Croßing Over statt. Die Homologen Chromosomen liegen sich hier gegenüber, man bezeichnet sie in diese Formation auch als Terade.
Beim Croßing Over handelt es sich um einen DNA Informationen Austausch unter diesen Homologen Chromosomen.
Da die Chromosomen sich eng an einander lagern, kann es paßieren, daß sich Arme bestimmter homologen Chromosomen über einander lagern. Kommt es hierbei zu einem Austausch zwischen den Waßerstoffbrückenbindungen, so werden Teile an Informationen des einen Arms mit Teilen der Informationen des anderen Arms ausgetauscht. Logischerweise, an der Stelle wo, sich die Brückenbindungen verändert haben. Dieser Vorgang zwischen Homologen Chromosomen ist nicht schädlich, im Gegenteil völlig natürlich, denn dank dieses Vorgangs, werden Informationen der DNA neu kombiniert, man spricht daher auch von einer Neukombination oder interchromosomalen Rekombination.
Beispiel:
Zwei Homologe Chromosomen codieren für die Haar- und Augenfarbe. Eines codiert für grüne Augen und braune Haare, das andere Chromosom codiert blonde Haar und blaue Augen. Würde man jetzt die Meiose durchspielen, würde diese Person entweder die Information grün und braun, oder die Information blond und blau weiter geben. Würde jedoch in der ersten Reifeteilung, die Information der Augenfarbe vertauscht werden, so könnte die Person anschließend auch die Information braun und blau oder blond und grün weiter geben. Die Variation erweitert sich also und sorgt dafür, daß sich das Außehen der Nachkommen immer weiter variiert und niemand gleich außieht.

Tabellenvergleich Mitose und Meiose

Mitose Meiose
Besteht aus einer Teilung
Es entstehen zwei Zellen
Die entstehenden Zellen besitzen eine identische DNA Information
Die entstehenden Zellen besitzen eine diploiden Chromosomensatz
Es werden lediglich die Schwester Chromatide, welche Identisch sind, getrennt
Besteht aus 2 Reifeteilungen
Es werden zunächst die Homologen Chromosomen getrennt und anschließend dann die identischn Schwester-Chromatide
Durch das Croßing over und die Trennung der Homologen Chromosomen entstehen keine Zellen mit identischem DNA Material
Die vier entstehenden Zellen besitzen eine haplioden Chromosomensatz(2n → 1n)

Die Bildung des Spindelapparates

Der Spindelapparat bildet die Spindelfasern oder auch Mikrotubuli aus, welche dann entweder je nachdem ob erste oder zweite Reifeteilung bzw. ob Meiose oder Mitose vorliegt, die Schwesterchromatide oder die Homologen Chromosomen voneinander trennen. Doch wo kommt der Spindelapparat eigentlich her?
Das Organisationszentrum, das so genannte Centrosom teilt sich in der Interphase. Jeweils beide Teile wandern in der Prometaphase zu den jeweils anderen Enden der Zelle und bilden somit die Zell pole.
Die Spindelapparate gehen also durch Teilung aus dem Centrosoms hervor und bestehen wie die Spindelfasern die sie bilden, aus Mikrotubuli, also Proteinfasern.

Die Bildung von Spindelfasern

Die Spindelfasern, Proteinfasern oder auch Mikrotubuli setzten sich aus Tubulin zusammen. Es gibt freie Tubulin-Einheiten und gebundene Tubulin-Einheiten. Gebunden heißt, daß einzelne Tubuline aneinander gebunden sind. Für gewöhnlich gibt es immer gleich viele Gebundene wie Freie Tubuline. Freie Tubuline hängen sich an gebundene Tubiline an einem Ende an, während sich Gebundene Tubuline ablösen. So bleibt das Gleichgewicht bestehen. Hängen sich jetzt mehr Tubuline an, als sich ablösen, wächst die Spindelfaser. Lösen sich mehr Tubuline ab, wird die Spindelfaser kleiner.

Die Wirkung von Colchicin auf die Mitose:
Colchicin lagert sich an freie Tubuline an. Solche „belagerten“ Tubuline können sich zwar noch an gebundene Tubuline anbinden, jedoch verhindern sie, daß sich von dem Moment an, an dem sie anbinden, weitere Tubuline anlagern. Sie verhindern jedoch nicht, daß sich gebundene Tubuline lösen. Somit kann die Spindelfaser nur noch kleiner werden und nicht mehr wachsen.

Genetische Rekombination während der Meiose

Da die Meiose einen habloiden Chromosomensatz hervorbringt, ergeben sich verschiedene Möglichkeiten der Kombination von DNA Material. Das ist wichtig, da die Meiose stattfindet um Keimzellen herzustellen, also Zellen die zur Befruchtung und Fortpflanzung dienen. Würde hier immer genau die gleiche Information weiter gegeben werden, würden Geschwister immer gleich und zwar genau so wie die Eltern sein. Einmal kann diese Kombination dadurch erfolgen, daß die Chromosomen unterschiedlich kombiniert werden. Nimmt man sich als Beispiel einen Chromosomensatz von 2n=4, also einen doppelten Chromosomensatz mit 4 Chromosomen, bedeutet das, daß man 4 verschieden Möglichkeiten der Kombination hat.

DNA Rekombination 4 Möglichkeiten

Durch das croßingover welches bei der Meiose zwischen nebeneinanderliegenden Chromosomen in der Metaphase ablaufe kann, wird die Kombinationsmöglichkeit erneut erweitert. Geht man wieder von dem obigen, schon dargestellten Beispiel aus. Mit dem Unterschied, daß nun bei beiden homologen Chromosomenpaaren auch noch das Croßingover stattfinden kann, hat man nun insgesamt 16 Kombinationsmöglichkeiten.

DNA Rekombination mit 16 Möglichkeiten

Proteine und Aminosäuren

Proteine entstehen durch Verknüpfungen vieler einzelner Aminosäuren zu einem Makromolekül. Man teilt die Proteine in 2 Stoffgruppen ein, die unterschiedliche Aufgaben im Körper übernehmen. Die eine Stoffgruppe ist die der Unlöslichen Gerüstproteine (Faserproteine=Sklerprotein); die andere Gruppe ist die Gruppe der Waßerlöslichen Proteine (globulär=späroprotein), die für den Stoffwechsel verantwortlich sind (z.B. Enzyme) Bei Veränderung von z.B. Temperatur, pH-Wert oder Ionenkonzentration verändert sich auch das Protein oder es wird sogar zerstört. Dieses Zerstören bezeichnet man denaturieren. Denaturieren geschieht bei den meisten Proteinen ab 42 °C, die Temperatur kann jedoch je nach Protein oder Enzym abweichen außerdem ist die Zerstörung Irreparabel und zerstört die Strukturen der Proteine.
Allgemeines Aminosäureschema:
Schema einer Aminosäure in einem Chemichemmodell dargestellt
Aufbau der Proteine

Primärstruktur:
Bestimmt die Reihenfolge der Aminosäuren also der Peptidbindungen.
Peptidbindung:
Verbindung zweier Aminosäuren unter Abgabe eines H2O Moleküls zum Dipetid.
Skizze:
 Chemischesmodell eine Peptidbindung
Oligopeptide:
Kette von 2-10 Aminosäuren
Polypeptide:
Kettenverbindung von über 10 Aminosäuren
Proteine:
Polypeptide mit über 100 Aminosäuren

Sekundärstruktur:
Bestimmt die Wiederholung die räumlichen Musters.
Schraube:alpha-Helix (Helices)
Falten:Beter-Faltblatt
Basierend auf Waßerstoffbrückenbindungen

Tertiärstruktur:
Bestimmt die Dreidimensionalität der Peptidkette, also des Proteins.
Basierend auf weiteren Waßerstoffbrückenbindungen

Quartärstruktur:
Zusammensetzung aus den unterschiedlichen Strukturen um eine größeres Molekül/Protein zu bilden.
→ Die Anzahl der enthaltenen Strukturen und somit der Moleküle steigt mit jedem Struktur teil. Vollständig Funktionsfähig ist das Protein in der Quatärstruktur.

Enzymatik

Enzyme katalysieren Reaktionen im Lebewesen, d.h. sie beschleunigen bestimmte chemische Reaktionen ohne sich dabei selbst chemisch zu verändern. Alle Stoffwechselreaktionen, ob Verdauung, Zellatmung oder Fotosynthese, sind durch Enzyme katalysierte Reaktionsfolgen.
Man unterscheidet:
A: exergonische Reaktion = Energie wird Frei
B: endergonische Reaktion = Energie wird für die Reaktion benötigt
Aktivierungsenergie: Zur überführung von Stoffen in einen reaktionsbereiten Zustand erforderliche Energie.
Aktivierungsenergie ist notwendig um zunächst bestehende Chemische Bindungen lösen zu können, bevor sich neue chemische Bindungen bilden können.

RGT (Reaktions-Geschwindigkeit-Temperatur-Regel): Die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen nimmt mit steigender Temperatur zu. Das liegt daran, daß sich bei steigender Temperatur die Teilchen schneller bewegen und so die Wahrscheinlichkeit eines Aufeinandertreffens zwischen Substrates und eines Enzymes erhöht.
Der Stoffumsatz verdoppelt sich je Zeiteinheit, bei einer Zunahme von 10 °C
Ab 42 Grad denaturieren die Proteine oder Enzyme jedoch.

Enzyme: - spezielle Proteine
Aufgabe: - Biokatalysator
- Erhöhung der Geschwindigkeit mit der eine Reaktion abläuft
- Enzyme setzten erforderliche Aktivierungsenergie so weit herab, daß Reaktionen bei Umgebungstemperatur ablaufen können.

Subtratspezifität: Ein Enzym kann nur ein bestimmtes Substrat umsetzten. Schlüßel-schoß Prinzip.
Enzyme heißen immer wie der Stoff den sie umsetzten nur mit einem vertauschten Buchstabe von o zu a. Beispiel: Amylose (stärke) spezifisches Enzym: Amylase

Wirkungßpezifität: Ein Enzym kann zusätzlich zu der Substratspezifität die nur ein bestimmtes Substrat umsetzten läßt aus diesem einen Substrat auch nur ein bestimmtes anderes Substrat und nicht unterschiedliche machen.

Wechselzahl: Die Wechselzahl gibt die Geschwindigkeit pro Sekunde an, in der die Enzyme Substarte umsetzten. Die Geschwindigkeit ist von dem Substrat und seinen Bindungen abhängig. (Man spricht hier in tausend oder Millionen pro Sekunde)
Außchlaggebend für Substrat und Wirkungßpezifigkeit ist das Aktive Zentrum des Enzyms. Hier findet der Vorgang statt.
→ Die Verbindung vom Enzym und Substrat nennt man Enzym-Substrat-Komplex.

Wie schnell Enzyme arbeiten liegt nicht nur an der Temperatur (Optimum Temperatur=Körpertemperatur) sondern auch an dem PH-Wert. In diesem Fall geht es immer um dem PH-Wert des Milieus, des Umfeldes in dem sich das Enzym befindet.
PH-Wert-Abhängigkeit: Mit dem PH-Wert verändert sich auch Konformation eines Enzyms. So können verschiedene Seitenketten von Aminosäuren je nach PH-Wert Protonen aufnehmen oder abgeben. Dadurch ändern sich die Intramolekularen Wechselwirkungen und somit die Dreidimensional Struktur des Enzyms.

Herleitung: Waßermoleküle können im geringem Umfang in Ionen zerfallen ->dißozieren.
Nämlich in ein Proton h+ und ein Hydroxidion (OH-): H+ +OH-
Säuren reagieren im Waßer so, daß sie Protonen abgeben (Protonenspender) -> Protonen überschuß. Basen wie z.B. die Natriumlauge hingegen, produziert einen überschuß an Hydroxidionen. Also gibt der PH-Wert die Anzahl der Protonen in einem Stoff an.
Je mehr der PH-Wert vom Optimum abweicht, desto mehr verändert sich auch die Struktur des Enzyms, desto geringer wird also seine Aktivität.
Optimumkurve: Gibt im Graf wieder wann ein Enzym am meisten arbeiten kann (Temperatur und PH-Wert)

Michaelis-Menten-Konstante
Die Michaelis-Menten-Konstante (Km-Wert) gibt die Geschwindigkeit der Enzyme beim Umsetzten der Substrate in Abhängigkeit der Konzentration des Substrates an, bei der die halbe maximale Geschwindigkeit erreicht wird. Sie ist ein Maß für die Wirksamkeit eines Enzyms; ein niedriger Wert bedeutet, daß schon bei geringer Substratkonzentration die halbe maximale Geschwindigkeit erreicht wird. Je kleiner der Km, desto fester ist die Bindung zwischen dem Substrat und dem zugehörigen Enzym. Die Michaels-Menten-Konstante zeigt deutlich die Abhängigkeit der Enzyme von der Substratkonzentration. Je mehr Substrate vorhanden sind, desto mehr können Enzyme umsetzten, jedoch kann nur so viel Substrat umgesetzt werden, wie Enzyme vorhanden sind. Enzyme werden nach dem sie eine Bindung mit einem Substrat eingegangen haben nur langsam von dem von Enzym produziertem Produkt verlaßen. (Die Maximale Geschwindigkeit ist nicht genau abzulesen und wird Michaelis-Menten-Kinetik genannt.)
Verständnisgrafik zur Michaelismenten Konstante

Cofaktoren

Cofaktoren

Infos zur Darstellung:

→ Cofaktor ist der Oberbegriff für eine Chemische Komponente, die ein Enzym für seine katalytische Tätigkeit benötigt.
→ Ein Coenzym ist ein Cofaktor, der ein organisches Molekül darstellt.

Feedbackhmmung Irversiblehemmung Kompetetivehemmung Allasterischehemmung
Stoff hemmt sich selbst bei überkonzentration bindet an seiner ersten Produktionskette allasterischehemmung Dauerhafte Zerstörung der Konformation aufgrund einer festen Bindung zwischen Inhibitor und Aktivem Zentrum Effektor ähnlich dem Substrat, Kann Inhibitor und Aktivator sein, Konkurriert mit Substrat um gleiche Bindugßtelle Effektor bindet an einer zweiten Allasterischen Bindungßtelle, Keine Konkurrenz, Effektor kann Aktivator und Inhibitor sein, Vorrübergehende Konformations-änderung

Pflanzen und Wachstum

Das Wachstum einer Pflanze hängt nicht nur von den Nähr- und Mineralstoffen im Boden, sondern auch vom CO2 Gehalt in der Luft, Waßer und der Sonneneinstrahlung also den Lichtverhältnißen ab. Bestandteile einer Pflanze in Bezug auf den Stofftransport und die Fotosynthese: Leitbündel: Als Blattadern erkennbar, sie sorgen für den Transport von Waßer und Nährstoffen, sie bestehen aus abgestorbenen und verbundenen Zellen Xylem: Leitbündel/Leitgefäß, daß speziell für den Transport von Waßer zuständig ist Phloem: Leitbündel/Leitgefäß, das für den Transport von in Waßer gelösten Nähr- und Mineralstoffen zuständig ist. Transpiration: Verdunstung von Waßer über die Blätter genauer die Stamata (Spaltöffnungen) der Blätter der Pflanze. Durch diese wird das Konzentrationsgefälle aufrecht gehalten (-> Waßerdefizit in den Blättern) Transpirationßog: Sog der durch das Konzentrationsgefälle, daß durch die Transpiration entsteht, hervorgerufen wird. Dieser sorget dafür, daß Waß auch bis in die Blattspitzen gelangt. Wurzeldruck: Ein ATP abhängiger Transport sorgt dafür, daß Waßer und Salz von den Wurzeln in die Leitgefäße gelangen. Die dabei entstehende Ionen Konzentration wiederrum sorgt dafür, daß Waßer aus dem inneren Epidermis Bereich in die Leitelemente gelangt. Diese Diffusion ist auch bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit noch aktiv und deshalb für die Pflanze sehr wichtig. Die Aufnahme von Waßer und Mineralien über die Wurzel: -Waßer folgt dem Konzentrationsgradienten aus dem Waßerreichen Boden in die Wurzelzelle (Osmose). Es gelangt von Zelle zu Zelle bis zur Endodermis und von dieser dann in die Leitbündel. In diesen wiederrum sorgt der Transpirationßog für den Weitertransport des Waßers und der Mineralien. Die Mineralien jedoch gelangen nicht durch die Osmose zur Endodermis. Sie benötigen einen Aktive Transport. Pflanzen sind also autotrophe Organismen (Selbstversorgende), im Gegensatz zu Menschen oder Tieren welche heterotrophe Organismen sind (Nicht selbstversorgend). Nettoprimärproduktion: Maßezuwachs der Pflanze pro Zeiteinheit (Biomaße als meßbarer Wert) Bruttoprimärproduktion: Stoffwechselleistung der Pflanze (Nettoprm.prod. + Atmungsrate → Sonnenenergie wird in Energie umgewandelt)

Laubblattaufbau

Gewebe/ Schicht Funktion
Kutikula (oben und unten vorhanden) Gas/Waßer Austausch, Lückenlos, Wachsartig -> dient dem Schutz
Obere Epidermis Einlagige Zellschicht, enthält keine Chloroplasten, ->Abgrenzung und Schutz des Mesophyls
Palisadenparendym (Gewebe) Ein Teil des Mesophyls, enthält viele (80%) der Chloroplasten dicht gedrängt ->Hauptort der Fotosynthese
Schwammparendym (Gewebe) Zweiter Teil des Mesophyls, enthält restliche Chloroplasten, mit Interzelluaren (Zwischenräumen) dazwischen -> Kontakt zu Stomata->Gas(Sauerstoff) Austausch (Luftkammern speichern die Gase), Fotosynthese
Mesophyl Besteht aus den beiden oben genannten Schichten: Palisaden und Schwammgewebe
Untere Epidermis Enthält die Stomata und ihre Nebenzellen -> Gasaustausch und Austausch von Waßer
Stomata (stomata) Spaltöffnung -> Ein und Ausgang für die Gase O2 und CO2 sowie für Waßer
Leitbündel Ziehen sich durch das gesamte Blatt und versorgen es mit Waßer -> Halten also den Transpirationßog aufrecht beziehungsweise reagieren darauf

Zellenaufbau eines Laubblattes

Stomata (Spaltöffnung eines Blattes)

Spaltöffnungsmechamismus:
Die Spaltöffnung ist bei Dunkelheit und wenn viel CO2 in der Atemhöhle enthalten ist und der Tugordruck hoch ist, geschloßen um das Blatt und Pflanze vor der Austrocknung zu schützen. Geöffnet ist das Blatt hingegen, wenn Licht auf das Blatt fällt oder wenig CO2 in der Atemhöhle vorhanden ist. Jedoch kann das Blatt variieren wie weit der Spalt geöffnet ist. Ist der Spalt geöffnet findet der Gasaustausch und die Transpiration statt. Wie funktioniert das öffnen und Schließen genau? Nimmt der CO2 Gehalt in der Atemhöhle, die sich direkt hinter der Schließzelle befindet, ab, erhöht sich der PH-Wert in der Schießzelle. ATP-abhängige Ionenpumpen werden dadurch aktiviert und sorgen dafür, daß Kalium Ionen in die Schließzelle strömen (aktiver Stofftransport). Waßer folgt nun dem Konzetrationsgradienten und „macht sich auf dem Weg die Konzentration aus zu gleichen“. Der Tugordruck in der Zelle nimmt zu die Schließzelle füllen sich → Porus → Die Spalte öffnet sich Soll sich die Schließzelle schließen muß der Vorgang andersrum erfolgen. Der CO2 Gehalt ist hoch, der PH-Wert niedrig, die ATP-Ionenpumpen inaktiv und keine Kalium Ionen in der Schließzelle vorhanden, daraus folgt, daß wenig Waßer diffundiert, die Zelle erschlafft, und sich schließt. !Achtung! schwer vor zu stellen: Die erschlaffte Zelle ist geschloßen, die gefüllte geöffnet!


schließmechamismus spaltöffnung

Sonnenlicht

Licht ist eine elektromagnetische Energie auch bekannt als Strahlung.
Sie verteilt sich in Wellen, den Abstand dieser Wellen bezeichnet man als Wellenlänge und dieser abstand ist beim Licht außchlaggebend dafür welche Strahlung vorhanden ist. Wir erkennen Licht nur in einem Wellenabstand von 750nm-400mn. Die Variationen innerhalb dieses Abstandes sin für uns die unterschiedlichen Farben. Einzelne „Lichtteilchen“ die reine Energiepakete sind bezeichnet man als Photonen.
Jedes Photon besitz eine bestimmten Energiebetrag welcher die Wellenlänge und damit für uns die Farbe bestimmt.
Energiegehalt des Sichtbaren Lichtes:

400mn Blau-violett 300 Kj pro Einheit
500mn Grün 238 Kj pro Einheit
550mn Grün-Gelb 218 Kj pro Einheit
600mn Gelb-Orange 200 Kj pro Einheit
700mn Hellrot 172 Kj pro Einheit
750mn Dunkelrot 160 Kj pro Einheit

Absorption:Absorbieren heißt, daß ein Körper Licht quasi verschluckt.
Absorbiert ein Stoff Strahlung wird es in andere meist in Wärme Energie umgewandelt deshalb werden scwarze Autodächer warm.
Jedoch können Strahlen die Absorbiert werden wie z.B. Röntgenstrahlen auch schaden in Körpern anrichten mit der Energie die Frei wird oder ihre Energie in Chemische Reaktionen einleiten, damit diese von statten gehen können.
Reflektieren:Jeder Körper der angestrahlt wird reflektiert und absorbiert eine gewiße Menge an Licht die Menge die er reflektiert ergibt dann die Farbe wie er uns erscheint.
Ein Blauer Pullover absorbiert also alle Strahlen bis auf die mit der Wellenlänge die Bau ergibt, diese Reflektiert er und so erkennen wir den Pullover als Blau.
Unklar ist bis heute ob diese Blau aber für uns alle gleich erscheint, oder der eine den Ton helle sieht als der andere.

Das Borsche Atommodell

Theorie von Bohr; gültig bis 1925:
Elektronen kreisen auf Bahnen um den Atomkern herum.
Heutige Vorstellung:
Die Elektronen bewegen sich auf 3- Dimensionalen Orbitalen um den Kern herum.
Wobei maximal 2 Elektronen ein Orbital benutzen.

Quantensprung: Als Quantensprung bezeichnet man den Sprung von einem Elektron auf einer inneren Schale auf eine äußere Schale.
Für diesen Sprung gibt es drei Voraußetzungen:
  1. Je weiter das Elektron vom Kern entfernt ist, desto höher ist der Energiegehalt
  2. Durch Absorption gelangt ein Elektron vom Grundzustand auf ein höheres Energieniveau (-> Angeregter Zustand)
  3. Dieser angeregte Zustand hält nur sehr kurz an. Dann fällt das Elektron wieder in seinen Ausgangszustand zurück währen meist wärme oder Licht frei wird

Chlorophyll

Chlorophyle sind chemische Tetraphyrrol-Verbindungen.
Da die Pyrolringe I-IV durch Methinbrücken mit ungesättigten Bindungn verknüpft sind, ergibt sich für das gesamte Molekül eine Häufung von Konjugierten Doppelbindungen (insgesamt 11). Diese sind verantwortlich für eine intensive Färbung.
Es gibt zwei unterschiedliche Chlorophyle: Chlorophy a und b.
Diese beiden unterscheiden sich nur in einer einzigen Bestandteils gruppe. Nämlich an einer an den II Pyrrolring anschließenden Gruppe.
Bei Chlorophyl a handelt es sich hier um Methylgruppe.
Bei Chlorophyl b befindet sich an dieser Stelle eine Aldehydgruppe.
Sonst ergeben die beiden Chlorophyle das gleiche Muster:
Sie besitzen Alkoholpytolschwanz der unpolar ist, dieser Teil ist fest in der Thylakoidmembran der Innenmembran des Chloroplasten verankert. Der polare Teil mit den vier Pyrrolringen ist zuständig für die Farbe.

Definitionen der Bestandteile eines Blattpigemnts
Darszellung von Chlorophyll a und b

Die Hauptpigmente einer Pflanze, die Licht zur Betreibung von Fotosynthese absorbiert, sind die Chlorophylle. Neben diesen gibt es aber noch andere, die ihr Absorptionsmaximum ungleich denen der Chlorophylle haben (z.B. Carotinoide). Chlorophyll b und die gelborangen Farbtöne werden auch als Akzeßorische Pigmente bezeichnet.
Die Bindungßysteme die in der ersten Abbildung gezeigt werden, finden sich alle in der Zusammensetzung der Chlorophylle daneben wieder. Diese Bindungßysteme enthalten Pie-Elektronen welche frei beweglich über die ganze Bindungstrecke sind und Energie in Form von Lichtquanten aufnehmen können. Die Chlorophylle nehmen aus dem weißen Licht rote und blaue Lichtquanten durch Absorption auf. Grüne werden reflektiert.

ATP und ADP

→ Eine Enzym, das Energie überträgt.
1 Zuckermolekül + 1 organische Base + 3 Phosphatgruppen (mit energiereichen Bindungen)
Durch Abspaltung eines oder zwei Phosphatrestes entsteht ADP und Energie wird frei. Diese kann durch die Phosorylierung direkt auf ein Substrat übertragen werden.

NADP+ und NADPH+

→ Ein Coenzym, das Waßerstoff und Elektronen überträgt
2 Zuckermoleküle + 2 organische Basen + 2 Phosphatgruppen
NAD + steht als Oxidationsmittel bereit (Unterstützung bei der Abgabe von Elektronen)
NADH steht als Reduktionsmittel bereit (Unterstützt bei der Aufnahme von Elektronen)

Fotosynthese

Definition der Fotosynthese:
Die Pflanze erzeugt Sauerstoff und Nährstoffe durch die Fotosynthese.
Bei der Fotosynthese produziert die Pflanze aus Waßer und Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Traubenzucker. Dieser Aufbau kann nur stattfinden, wenn Licht und Chlorophyll (=grüner Blattfarbstoff) vorhanden sind. Der bei der Fotosynthese gebildete Traubenzucker wird bei den meisten Pflanzen sofort in stärke umgewandelt.
Waßer + Kohlenstoffdioxid → Traubenzucker ( → Stärke) + Sauerstoff
- unter Licht + Chlorophyll
6 CO2 + 12 H2O → C6 H12 O6 + 6 O2 + 6 H2O

Zweigeteilte Fotosynthese:
Lichtabhängige Reaktion:
-LHC= Light harvesting complex:
Die Antennen Pigmenten (Chlorophyll und Carotinoide)
absorbieren Licht und Leiten die Energie des Lichtes
von Pigment zu Pigment bis zum Reaktionszentrum
welches aus einem Chlorophyll a paar betseht.
Fotolyse des Waßers: H2O → 2H+ +2e- + 1/2O2

Modellvorstellung

Das Licht regt im Reaktionszentrum vorhandene Elektronen an welche mit der Lichtenergiegeladen sind, sie werden vom Fotosystem II (P680), durch viele Redoxreaktionen, durch ein sogenanntes Redoxsystem zum Fotosystem I weiter geleitet. Dies Geschieht durch Reduktion und Oxidation im Wechsel. Bei diesen Reaktionen wird Energie frei und das Elektron verliert diese Energie. Diese wird für die ATP-synthese später verwendet.
Der räumliche Abstand wird auch durch die freie Beweglichkeit von Plastochinon und Plastocyanin überwunden.
Als erstes gelangt das energiereiche Elektron auch in das Plastochinon. Im folgenden Cytochrom b/f Complex findet dann, mit der Energie des Elektrons, ein Energie-abhängiger Transport von H+Ionen aus dem Thylakoiden heraus, in den Chloroplasten statt. Auch von der Fotolyse des Waßers befinden sich noch H+Ionen innerhalb des Chloroplasten. Dies ist für die später stattfindenen ATP Synthese durch ATP Synthase von bedeutung. Der Weg des Elektrons führt noch durch das eben genannte Plastocyanin bis es schließlich zum Fotosystem I gelangt.
Das Fotosystem I (P700) sorgt mit erneuter Lichtenergie Absorption dafür, daß die auf dem Weg verloren gegangene Energie wieder „aufgepuscht“ wird. Nun geht das energiegeladene Elektron entweder zum Ferredoxin, wird an ein NADP+ Ion gebunden und zu NADPH+ H+ und weiter zur Lichtunabhängigen Reaktion gegeben (Nicht Zyklischer Elektronen Transport). Diese Verbindung ist die Quelle der Energie für das spätere ATP. Oder Die Energie gelangt erneut zum Plastochinon. Dies hat den Grund, das die ATP-Synthese die ebenfalls Lichtabhängig ist und Zeitgleich verläuft, genügen H+Ionen braucht.
Die ATP-Synthase nutzt nämlich den Protonengradienten, der durch den hohen Protonengehalt außerhalb des Thylakoides, entsteht, in dem es die Energie zur Umsetzung von ADP in ATP verwendet, die entsteht wenn die H+Ionen ihren Konzentrationsgradientem zurück in den Thlakoiden folgen. Ihr Weg führt dabei über die ATP Synthase. Sie nutz die Fließenergie um an ADP einen weiteren Phosphatrest zu binden, so daß ATP entsteht. Ist genügend NADPH+H+ vorhanden werden alle Elektronen in den Zyklischen Elektronentransport geleitet und nur ATP produziert.

Lichtabhängige Reaktion  der Fotosynthese als Schema

Lichtunabhängige Reaktion (CALVINZYKLUS)
Der Calvinzyklus findet im Stroma statt und stellt zusammengefaßt die Synthese von Kohlehydraten und die Reduktion von CO2 dar. Man kann den Calvinzyklus in 3 Phasen einteilen:

1. Die Fixierung von Kohlenstoff:
- Durch die Stomata aufgenommenes CO2 wird im Stroma an Ribulose-1,5-biphosphat gebunden. Das Enzym Rubisco katalysiert diesen Vorgang.
- Ribolose-1,5-biphosphat ist ein Zuckermolekül mit zwei Phosphatresten, die jeweils an dem ersten und dem fünften Kohlenstoffatom binden.
- Durch das Anbinden des CO2 an das Zuckermolekül entsteht ein sehr instabiles Molekül, welches sofort wieder in die doppelte Anzahl zerfällt (3 -> 6) und zwar zu 6 3-phosphoglycerat.

2. Reduktion der Kohlenstoffe:
- unter Verwendung von ATP wird aus dem 3-phosphoglycerat, 1,3- Biphosphoglycerat reduziert
- unter 1,3-biphosphoglycerat versteht man ein Zuckermolekül mit 2 Phosphatresten die je an dem ersten und dem dritten Kohlenstoffatom binden
- unter Einfluß von NADPH entsteht dann Glycerinaldehyd-3-phosphat als erstes stabiles Zwischenprodukt der Fotosynthese. Aus diesem Stoff kann Glucose und daraus Stärk gewonnen werden.
- Es werden immer 6 Moleküle produziert nur 1 verläßt den Zyklus und wird zu Glukose. Die anderen 5 gelangen zur 3. Phase es Calvinzyklus

3. Regeneration des Akzeptor Moleküls:
- unter erneutem ATP verbrauch wird aus Glycerinaldehyd-3-phosphat wieder Ribulose-1,5-biphosphat, damit wieder Kohlenstoffdioxid binden kann.

Bildliche darstellung

Besondere Pflanzen -C4 Pflanzen

C4 Pflanzen, wie zum Beispiel der Mais sind beßer, als andere Pflanzen(C3 Pflanzen), an heißes und trockenes Wetter angepaßt.
Trotz warmer Temperaturen und hoher Lichtintensität können diese Pflanzen bei leicht geöffneter Stomata genügen CO2 fixieren um den Calvin Zyklus zu betreiben.
Bevor das CO2 in den Calvinzyklus gelangt findet ein Mechanismus, aufgeteilt auf die Kompartimente Mesophyll Zelle und Bündelscheidenzelle, statt.
Die Bündelscheidenzellen sind in C3 Pflanze kaum ausgeprägt. Die C4 Pflanzen nutzen sie deutlich stärker.
Zu Beginn wird CO2 durch das Enzym PEP-Carboxylase an Phosphoenolpyruvat (PEP) angelagert so daß daraus der C4 Körper (Oxalacetat) , der der Pflanze den Namen gibt, entsteht.
Dieses Oxalacetat wiederum wird zu Malat reduziert, welches wiederum an die Bündelscheidenzellen weitergegeben.
Die Bündelscheidezellen spalten das CO2 vom Malat ab, es entsteht Brenztraubensäure (Pyruvat). Diese Pyruvat folgt seinem eigenen Kreislauf, als PEP steht es wieder dazu bereit neues CO2 auf zu nehmen.
Das CO2 hingegen wird in den Calvinzyklus geleitet, der ganz normal wie bei C3 Pflanzen abläuft.

Die Anpaßung der Pflanze durch diesen Vorgeschalteten Vorgang besteht darin, daß die Fixierung von CO2 in Kompartimente eingeteilt wird und das CO2 nicht direkt an Rubisco aus dem Calvinzyklus bindet, denn Rubisco kann sowohl CO2 als auch O2 binden. Mit O2 kann der Calvinzyklus jedoch nicht funktionieren. Schleust Rubisco O2 statt CO2 nennt man dies Fotorespiration. Diese findet durch die Kompartimierung und Vorschaltung des Mechamismuses nicht statt und der Calvinzyklus läuft ununterbrochen nur mit CO2.

Jahrgangßtufe 11

Genetik

Geschichte der Genetik

1928:
Das Griffith-Experiment
Frederick Griffith machte 1928 Versuche mit Mäusen. Er spritze ihnen Erreger die eine Lungenentzündung hervorrufen. Er verwendete S-Pneumokokken welche eine Schleimhaut um sich herum gebildet hatten, um sich vor den Weißenblutkörperchen der Mäuse zu verbergen. Außerdem verwendete er R-Pneumokokken, die diese Schleimhaut nicht besaßen und deshalb schnell von den Weißenblutkörperchen der Mäuse zerstört wurden und deshalb keine Lungenentzündung hervor brachten.
Verabreichte er einer Maus die lebenden R-Pneumokokken erkrankte diese nicht, jedoch bei der Verabreichung vom lebenden S-pneumokokken. Die Mäuse erkrankten jedoch, auch als Griffith ihnen lebende R-Pneumokokken und durch Hitze abgetötete S-Pneumokokken verabreichte. Dieser Versuch bestätigte, daß bestimmte Eigenschaften von Lebewesen auf Nachfolger übergehen können bzw. das Eigenschaften überhaupt weiter gegeneben werden können.

1944:
Oswald Avery stellte in diesem Jahr durch einen ähnlichen versuch im reagenzglas fest, daß die DNA also die Desoxyribonocleinsäure dafür zuständig sein muß. Die stellte er anhand von Enzymen wie der DNase fest.

1953
James Watson und Francis Crick brachten das erste Strukturmodell der DNA heraus.
Mit diesem stand fest, daß die DNA aus einer schraubenförmigen Doppelhelix gebildet wird, die ein Durchmeßer von 2nm hat. Desweiterem wurde klar, daß sich die Basen nach innen richteten und immer nur zwei Basenpaare sich zusammenschloßen.

1958:
Matthew Meselson und Frank Stahl stellen bei Bakterien durch das ändern von Stickstoffisotopen von N14 zu N15 und die damit verbundene Dichteveränderung fest, wie sich die DNA Stränge verdoppeln.

1960:
Entwicklung des Operon Modelles von Jocob Francois und Monod Jacques, welches in Substratindktion und Endproduktrepreßion unterteilt ist.

1983:
Kary Mullis kam auf die Idee der PCR ( Polymerase chain reaction -> Polymerase-Ketten-Reaktion)

Aufbau der DNA

Bausteine der DNA:

Pentosezucker:
Desoxyribose: (pen fünf → 5 Kohlenstoffe)
Pentosezucker

Phosphorsäurerest:
Bestandteil des Rückgrates; stellt die Verbindung zu anderen Pentosezuckern her und hält die DNA somit zusammen
Phosphatrest
Organische Basen:
Cytosin: besteht aus einem einfachem Ringsystem → Pyrimidin
C=T:Die Anzahl der Pyrimidine stimmt überein
Thymin: betseht aus einem einfachem Ringsystem → Pyrimidin
C=T: Die Anzahl der Pyrimidine stimmt überein
Guanin: besteht aus einem Doppelringsystem →Purin
A=G: Die Anzahl der Purine stimmt überein
Adenin: besteht aus einem Doppelringsystem → Purin
A=G: Die Anzahl der Purine stimmt überein
A+G=C+T: So viele Purine es gibt so viele Pyrimidine gibt es
Das Verhältnis von A/T Paaren und G/C Paaren muß jedoch nicht übereinstimmen
Nucleosid: Zucker + Organische Base
Nucleotid: Pentosezucker + Phosphatrest + Organische Base
Monomer: Sind Grundbausteine der DNA Allgemein z.B. Pentosezucker ist ein Monomer
Rückgrat: Zucker-Phosphat-Kette aus Millionen Nucleotiden
(Begriffserläuterung: mono:1 oli:2 poly: mehrere
(poly) Nucleotidbausteine:
Als Nucleotidbausteine bezeichnet man die oben genannten Bestandteile der DNA (Desoxyribose, Phosphatrest, Basen)
Ploynucleotidstrang:
Als Polynucleotidstrang bezeichnet man einen Einzelstrang der DNA
Kovalente Bindung: Eine Kovalente Bindung ist eine Stabile Bindung, in der sich zwei Atome ein Elektron auf der äußersten Schale teilen, um vollständig zu sein. Durch diese Kovalente Bindung werden Phosphatrest und Pentosezucker/Desoxyribose immer am 3. Und am 5. Kohlestoffatom zusammen gehalten.
Waßerstoffbrückenbindung: Eine Waßerstoffbrückenbindung ist nicht so stabil wie die Kovalente Bindung. Sie entsteht durch verschiedene Ladungen zwischen zwei Atomen. Enthält ein Atom Sauerstoff welches leicht negativ geladen ist, und ein anderes Waßerstoff, welches leicht positiv geladen ist ziehen die beiden sich gegenseitig an und bilden ein jedoch instabile Verbindung. Mit 3 dieser Waßerstoffbrückenbindungen werden die Organischen Basenpaare zusammen gehalten.
Zeichnung zur Erläuterung:
Waßerstoffbruekenbindung
Komplementär: Die Organischen Basen die zueinander paßen Thymin und Adenin und Guanin und Cytosin sin zu einander komplementär.

Anordnung der Bausteine:

Basensequenz: Als Basensequenz bezeichnet man die Reihenfolge in der die Organischen Basen an die Pentosezucker gebunden sind.
Antiparallel: Antiparallel sind die beiden Zucker-Phosphat-Rückgrate zu einander gerichtet. Der eine Strang endet mit dem 3. Kohlenstoffatom, während der gegenüber mit dem 5. Kohlenstoffatom endet
Erklärung siehe Zeichnung:
dnaaufbau
Doppelhelix Struktur: Aufbau der DNA aufgewickelter Form.
Basenpaarung: Mit Basenpaarung ist das Zusammentun der Bestimmten Basen, also Thymin und Adenin und Guanin und Cytosin gemeint.

Allgemeine Infos zur DNA:


Die Kondesationßtufen der DNA

Die DNA des Menschen würde, wenn sie nicht sehr komprimierend verpackt währe ca. 2 Meter lang sein. Die Form der Komprimierung wird im dem folgendem Absatz genauer dargestellt.
Die Fibrille: Die Fibrille ist ungefähr 10nm dicke Schnur auf die die Nucleosomen wie Perlen aufgereiht sind.
Die Nucleosomen ergeben sich aus der DNA Schur, der Fibrille und den Histonen (Proteinen) Die Fibrille ist immer mit zwei Umwindungen um die 8 Histonen gewickelt. Ein weiterer Histon sitzt auf. Diese gesamte Konstellation ergibt das Nucleosom.
Teilt die Zelle sich nicht liegt die DNA in der Zelle als Filament von etwa 30 nm dicke vor, dieses Filament ist in der Form eines Hohlzylinders aufgewickelt und in jeder Ebenen finden sich 6 Nucleosomen.
Steht die Zelle kurz vor der Zellteilung heften sich das Chromatin (DNA-Prtotein-komplex später näher erklärt) an nicht-Histonen-Proteine und bildet Schleifen welche sich noch einmal verdrillen zu der unter dem Mikroskop sichtbaren Chromosomenstruktur.
Ein Chromosom steht aus zwei sich kreuzenden Chromatiden Das Chromatin stellt den gesamten DNA-Protein-Komplex dar.

Die Verdopplung der DNA

Es gab zur Verdopplung der DNA drei verschieden Möglichkeiten, die man nach und nach Außchloß bis die letzte heute noch gültige Möglichkeit übrig blieb.
Der Desperser Mechanismus wurde zuerst ausgeschloßen, alleine schon aufgrund seiner Komplexität. Hier ging man davon aus, daß der DNA Strang an bestimmten Teilen nach und nach kopiert wurde.
Nach diesem Mechanismus schied dann auch der Zweite, der Konservative Mechanismus aus. In diesem Mechanismus ging man davon aus, daß ein externer Stoff die DNA ausliest und dann genau so repliziert. Das Außchließen dieser Möglichkeit geschah wie in der Zeitleiste notiert durch einen Versuch von Meselson und Stahl.
Die beiden ließen Bakterien in einem N15 Isotop wachsen und änderten schließlich das Isotop auf N14, also mit einer etwas niedrigeren Dichte und warteten ein oder mehrere Zellteilungsvorgänge ab. Das Ergebnis war, daß nach einer Zellteilung, die Dichte der DNA genau zwischen der Dichte von N14 und N15 zu finden war. Hier muß die DNA also kombiniert aus beiden Bausteinen sein, sowohl N14 als auch N15. Nach der Zweiten Zellteilung waren sowohl DNA Stränge mit der Dichte des N14 entsprechend und des N15 entsprechend vorhanden woraus man auf die unten skizzierte Teilungsmethode und zwar den Semikonservativen Mechanismus schließen kann:
versuch der Dichte

Die Replikation in genauen Arbeitßchritten

Die DNA Replikation verläuft in verschiedenen Arbeitßchritten. Zuerst entwirrt die Topoismerase die DNA Stränge. Danach folgt die Helikase. Sie trennt die Waßerstoffbrückenbindungen, und somit die beiden Polynucleotidstränge (DNA Stränge) voneinander. Es entsteht die Replikationsgabel. Sogenannte ßb - Proteine geben den nun einzeln vorliegenden Strängen Stabilität.
An die nun freilegenden Organischen Basen können jetzt sogenannte Nucleosidtriphosphate anbinden. Nucleosidtriphosphate bestehen wie die schon bekannten Nucleotide aus einer Desoxyribose (Pentosezucker)und einer der vier organischen Basen. Jedoch, wie der Name schon sagt, aus 3 Phosphatresten, statt einem Phosphatrest im Gegensatz zum bekannten Nucleotid.
Die Primase setzt nun an bestimmte stellen des DNA Einzelstranges sognannte Primer. Diese sind kurze Startstücke aus RNA (Ribonucleinsäure). Die Primer sind für den folgenden Schritt notwendig.
In diesem verbindet die DNA-Polymerase I je einen Phosphatrest mit der nächstgelegenen Nucleosid. Die Energie, die sie für die Herstellung dieser Kovalenten Bindung benötigt, gewinnt sie durch die Abspaltung zweier Phosphate, von den Nucleosidtriphosphaten. Daraus geht auch der Bekannte Aufbau der DNA mit nur einem Phosphatrest pro Nucleotid hervor.
Beim sogenannten Vorwärtßtrang (Matrizenstrang 5`→3`ende), erfolgt die Arbeit der DNA-Polymerase I in Richtung der Replikationsgabel (vom 3´→5´) ohne Unterbrechung. Man spricht von einer kontinuierlichen Replikation des Leitstranges.
Da die DNA-Polymerase I jedoch nur an ein 3`OH-Ende binden kann, geht dies beim Rückwärtßtrang (Matrizenstrang 3`→5` Ende) nicht. Der zu replizierende Strang verläuft nämlich folglich vom 3´Ende zum 5´Ende, was bedeutet, daß die DNA-Polymerase I an einem 5`Ende binden müßte.
Nach einiger Zeit setzt die Primase also erneut einen Primer. Dieser hat nun ein freies 3´OH ende. Die DNA-Polymerase I kann also binden und bis zum letzten Primer entgegen der Richtung der Replikationsgabel, die Nucleotide des Folgestrangs verbinden.
Da dies nur Abschnittsweise von Primer zu Primer in sogenannten Okazakifragmente möglich ist, bezeichnet man die Replikation des Rückwärtßtranges als diskontinuierlich.
Nach dem nun die Stränge repliziert wurden, fehlen jedoch vor allem beim Rückwärtßtrang die Bereiche, an denen die Primer aus RNA binden. Die DNA-Ploymerase III löst diese Primer und die Ligase füllt die Lücken.

Darstellung der DNA Replikation

Zellen altern - Ergänzung der Replikation

Die DNA-Polymerase I entfernt alle Primer bis auf den Ersten. Bei diesem ist das 3´ Ende nicht vorhanden und es ist ihr nicht möglich.
Um diesen Primer (100 Nucleotide) ist der Folgestrang kürzer, als der Matrizenstrang.
Um die Länge anzupaßen, zerfallen diese überstehenden Stücke. Also beim Folgestrang der Primer und beim Matrizen Strang, die Strecke die er jetzt zu lang ist.
Dies geht nur durch die sogenannten Telomere. Sie bilden die Endstücke der DNA Stränge. Bei Menschen bestehen sie etwa 2000 Mal aus der Basensequenz TTAGGG und ganz wichtig: Sie sind nicht codiert, d.h. daß sie keine Erbinformationen enthalten und Problemlos zerfallen können, um somit die Länge der DNA anzugleichen, ohne das Informationen verloren gehen. Jedoch sind diese Telomere endlich. Hat eine Zelle und damit auch die DNA sich so oft geteilt, daß keineTelomere mehr vorhanden sind, können sich die DNA und damit auch die Zelle nicht mehr teilen, sie ist "alt" geworden. Der Programmierte Zelltod tritt ein.

Die Funktion von genen

Was ist das Gen?
a) 1-Gen-1-Merkmal-Hypothese: Ein Gen Umfaßt für die Information für ein bestimmtes Körper- oder Verhaltens Merkmal
b) 1-Gen-1-Enzym-Hypohese: Ein Gen umfaßt die Information zur Bildung eines bestimmten Enzyms.
c) 1-Gen-1-Protein(Polypeptid)-Hypothese: Ein Gen umfaßt die Information zur Bildung eines bestimmten Proteins. (c ist heute gültig)

Genwirkkette
Eine Genwirkkette stellt da, mit welchen Stoffen ein Organismus was, wie und durch was produzieren kann.
Ein berühmtes Beispiel hierzu ist der Versuch von George Beadle und Edward Tatum mit dem roten Schimmelpilz Neurospora.
Die beiden bestrahlten den Pilz, welcher daraufhin Mangelmutanten Sporen ausbildete.
Die Mangelmutanten konnten auf bestimmten minimierten Nährböden nicht mehr wachsen, da sie nicht mehr in der Lage waren mit diesen Stoffen, Stoffe herzustellen, die sie für ihr Wachstum benötigten. Ganz speziell waren die Mutanten nicht mehr in der Lage die Aminosäure Arginin zu synthetisieren.
Gab man den verschiedenen Mutante jedoch verschiedene Vorstufen der Aminosäure, waren sie teilweise dazu in der Lage zu wachsen, sie konnten die Aminosäure also wieder synthetisieren.
Dabei bildeten sich drei Typen von Mangelmutanten.
Der erste Typ konnte Arginin sowohl mit der Vorstufe Ornithin, als auch mit der Vorstufe Citrullin synthetisieren.
Der zweite Typ konnte Arginin nur mit der Vorstufe Citrulin synthetisieren und Typ 3 konnte nur dann wachsen wenn man ihm die Aminosäure Arginin direkt zuführte, er war also gar nicht mehr dazu in der Lage den Stoff zu synthetisieren.
Man schloß daraus, daß die Mutanten unterschiedlich beschädigt sein mußten.
Da sie nicht mehr in der Lage waren zu synthetisieren geht man davon aus, das Enzyme beschädigt wurden.
Daraus ergab sich die 1-Gen1-Enzym-Hypothese. Des weiterem läßt sich daraus eine Reihenfolge schließen in welcher der Pilz die Aminosäure synthetisiert.
Da der erste Typ sowohl mit Ornithin und mit Citullin die Aminosäure synthetisiert, muß bei ihm ein Enzym im forderen Bereich der Genwirkkette beschädigt sein, so daß er mit Stoffen die folgen noch weiter arbeiten kann.
Typ 2 kann nur mit Arginin selber oder mit Citrullin wachsen also muß hier ein Enzym, welches weiter hinten in der Genwirkkette wirkt beschädigt sein und somit muß die DNA dort beschädigt sein wo dieses Enzym codiert ist.
Nach diesem Prinzip kann man weiter verfahren und kommt dann auf folgende Genwirkkette:

Vorstufe → Durch Enzym A Welches durch Gen A codiert ist →Ornithin →durch Enzym B welches durch Gen B codiert ist → Citrullin → durch Enzym C welches durch Gen C codiert ist → Arginin

Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese ist der Vorgang, der Kopie der DNA zur m-RNA (Meßenger-RNA) und die übersetzung dieser m-RNA in die Aminosäuresequenz der Proteine.
Dies geschieht in 2 Schritten bei Prokaryoten, und in drei Schritten bei Eukaryoten.
Bei den Prokaryoten gehen Transkription und Translation, direkt in einander über. Während bei den Eukaryoten noch ein Zwischenschritt, die sogenannte RNA-Prozeßierung durchgeführt wird. Dies liegt daran, daß die m-RNA der Prokaryoten nach der Transkription große Anteile codierender Sequenzen hat, während die m-RNA der Eukaryoten größere Teile mit nicht codierenden Sequenzen enthält. Diese werden in dem Zwischen schritt entfernt, damit eine einheitliche, gerade (reife) RNA vorliegt.

Die Transkription

Die Transkription beschreibt den Vorgang der Kopie einer bestimmten Stelle des DNA Stranges.
Die Kopie der DNA bezeichnet man als RNA. Anstatt Desoxyribose enthält RNA Ribose und anstatt der Organischen Base Thymin enthält RNA Uracil.
Die Transkription verläuft in 3 Abschnitten:
1) Initiation:
Die RNA-Polymerase (Enzym) sucht und erkennt eine bestimmte Basensequenz, den sogenannte Promotor. An ihn bindet sie an.
2) Elongation:
Auf einer Strecke von 15 bis 20 Basenpaaren wird der DNA Strang entwunden. Die RNA-Polymerase trennt die beiden DNA Einzelstränge auf so, daß die Basensequenz nach dem Prinzip der der komplementären Basenpaarung kopiert werden kann. Es lagern sich also an den sogenannten codogenen Strang (bei der Replikation der Matrizenstrang) RNA Nukleotide an. Es wird ein RNA (Einzelstrang) synthetisiert. Wobei die Information des codogener Strang immer in 3´→5´ Richtung abgelesen wird. Im Anschluß schließt sich der DNA Strang wieder.
3) Termination:
Trifft die DNA Polymerase auf eine bestimmte Stoppsequenz den sogenannten Terminator wird die Transkription beendet.

Abbildung Traskription

Die RNA-Prozeßierung (Zwischenschritt bei Eukaryoten)

Die Prozeßierung oder auch Reifung der prä- m-RNA ist der Zwischenschritt zwischen Transkription und Translation, denn wie oben schon erwähnt, hat die prä-m-RNA, wie man das Produkt der Transkription bei den Eukaryoten nennt, größeren teils nicht codierender Sequenzen, diese bezeichnet man als Introns. Die codierenden Bereiche als Exons.
Um nun die unwichtigen Informationen zu entfernen findet das Spleißen statt. Man muß jedoch hier sagen, daß in der DNA niemals unwichtige Informationen erhalten sind. Die Informationen, die bei diesem Prozeß als Introns definiert werden, sind bloß nicht für das Protein, welches synthetisiert werden soll, notwendig. Es kommt immer darauf an, was produziert wird. Wird ein anderes Protein produziert, sind Introns und Exons anders definiert. Es gibt das so genannte alternative und das konstitutive Spleißen. Beim konstitutiven spleißen steht von beginn an fest welche Teile der DNA Introns und welche Exons sind, da von Beginn an fest steht, welches Protein synthetisiert wird. Beim alternativen spleißen, wird erst während des Prozeßes entschieden, welches Protein möglich ist und dem entsprechend dann sortiert. Der Spleißprozeß:
Als Spleißprozeß bezeichnet man also wie erwähnt den Vorgang, in dem die eben beschriebenen Introns ausgeschnitten und die Exons aneinander gebunden werden. Nicht notwendige Basensequenzen werden also ausgeschnitten und die übrigbleibenden, wichtigen an einander gehängt so, daß eine durchgängige Kette entsteht.
Die Entfernung wird durch die sogenannten SnRNPs (small nuclear Ribo Nucleic Proteinparticles) welches sich später zu Spliceosomen entwickeln eingeleitet, diese lagern sich an Siganalsequenzen an, an denen ein Intron entweder anfängt oder beginnt. Hier schieben sie dann Anfang und Ende des Introns auf einander zu, so daß diese Schleifen bilden, sich also ausgliedern und die Exonen aneinander gebunden werden können. (Dies ist auf der Abbildung zur Vorstellung vielleicht beßer zu erkennen) Bei diesem alternativen Spleißen können also Sequnezen, die bei dem Konstitutiven Spleißen als Exon gelten übersprungen werden und somit uminterpretiert als Intron werden, eine andere, alternative Aminosäure wird gebildet.

Darstellung der RNA prozesierung

Ebenfalls zur Prozeßierung gehört die Vorbereitung der m-RNA auf die Abbauenzyme ausßerhalb des Zellkerns, denn die darauf folgenden Translation findet an den Ribosome außerhalb des Zellkerns statt. Hier sind Abbauenzyme unterwegs, die ihnen Unbekanntes Abbauen um Krankheiten nicht ausbrechen zu laßen.
Um die RNA vor einem solchen Abbau zu schützen findet während de Prozeßierung zum einen das Capping statt. Das bedeute, daß der m-RNA an den Beginn der Kette eine GTP (Guanintriphosphat) Kappe „aufgesetzt“ wird. Diesen Stoff bauen die Abbauenzyme nicht ab, und so wird die die RNA schon mal an einem Ende verschont. Am anderen Ende findet die sogenannten Polyadenylierung statt. Das wiederum bedeutet, daß diese Ende der RNA eine lange Kette aus Adenin Basen angehängt wird (Adeninschwanz). Diese Adenin Kette codiert nichts und kann daher bedenkenlos abgebaut werden. Abbauenzyme bauen also zunächst diese lange Kette ab bevor sie an ernsthaft codierende Sequenzen gelangen.

Die Translation (der letzte Schritt der Proteinbiosynthese)

Die Translation findet im Zytoplasma an den Ribosomen statt.
Deshalb benötigte die m-RNA der Eukaryoten unteranderem auch im Zellkern noch eine Vorbereitung durch die RNA-Prozeßierung auf diesen Schritt. Bei Eukaryoten befindet sich die DNA nämlich sicher im Zellkern, im Zytoplasma gibt es sogenannte Abbauenzyme, welche DNA die sich außerhalb des Zellkerns befinden zerstören. Dies ist ein Abwehrmechanismus. Gegen fremde Bakterien und Viren im Körper. Zum Schutz vor diesen Abbauenzymen sind die Kappe und der Poly-a-Schwanz.
Bei Prokaryoten ist kein Zellkern vorhanden die DNA liegt frei in der Zelle vor. Es gibt also keine räumliche Trennung von Transkription und Translation.
Bei der Translation werden die Informationen der nun reife m RNA übersetzt in die Aminosäuresequenz der Proteine.
Die aus der Transkription hervorgehende m RNA gelangt aus dem Zellkern ins Zellplasma zu den Ribosomen. Die Anbindung funktioniert da Ribosomen zu einem großen Teil aus r RNA bestehen.
Den Anbindungßchritt von Untereinheiten der Ribosomen und der t(transfer) RNA bezeichnet man als Initiation. Zuerst bindet die kleinere Untereinheit des Ribosoms an die mRNA. Im Anschluß bindet die mit einer Aminosäure beladenen (Aminosäurebindestelle), tRNA mit ihrem Anticodon (Komplementär zu dem Codon/ Basenpaarung) an die mRNA. Am Ende der Initiation bindet die größere Untereinheit des Ribosoms an die tRNA, so daß die t RNA an der P-Stelle der größeren Untereinheit des Ribosoms liegt. An die davor liegende A-Stelle bindet nun eine weitere mit einer Aminosäure beladenen tRNA.
Nun setzt die Elongation ein. In dieser entsteht die Polypeptidkette aus Aminosäuren welche später das Protein ergibt. Die Aminosäure der ersten tRNA welche sich an der P-Stelle befindet, gibt unter einer Energiebedürftigen Reaktion ihre Aminosäure an die tRNA der A-Stelle ab. Die Aminosäuren werden verkettet, eine Polypeptidkette entsteht. Nun wandert die größere Untereinheit des Ribosoms weiter in 3`-Richtung weiter. So gelangt die erste tRNA, nun ohne Aminosäure, an der E-Stelle. Hier wird sie von der mRNA abgelöst und frei gesetzt (Exit). Die tRNA welche zuvor an der A-Stelle war wandert nun weiter zur P-Stelle. An der A-Stelle kann eine neue beladene tRNA binden. Die beiden Aminosäuren, die schon eine Polypeptidkette darstellen, werden dann zusammen unter Energieaufwand an die Aminosäure der neuen tRNA angekettet, die Kette wird also verlängert. Ist dies paßiert wandert das Ribosom wieder weiter bis es irgendwann auf ein Stoppcodon trifft. An einen Stoppcodon bindet ein Release factor, welcher die Beendigung der Translation hervorruft. Die nun fertig gebildete Polypeptidkette wird freigesetzt und der Translationskomplex als solcher aufgelöst. Die Beendigung bezeichnet man auch als Termination.

Abbildung der Translation

Die Transfer RNA (tRNA)

Die Transfer RNA kur tRNA ist der eigentliche übersetzer von der m RNA in das Protein.
Sie besteht aus 70 bis 95 Nukleotiden und bildet, wenn man sie zwei Dimensional abbildet eine „Kleeblattstruktur“. In Drei dimensionaler Anschauung ist sie L-förmig.
Um als übersetzer zu funktionieren hat die tRNA 4 wichtige Abschnitte:
1) Anticodon
Das Anticodon dient der Anbindung an die mRNA durch die komplementäre Basenpaarung und besteht daher aus einem Basentriplett welches an die mRNA paßt.
2) Akzeptorstamm/Aminosäure-Bindestelle
Am Akzeptorstamm bindet die Aminosäure, welche vom Anticodon festgelegt wird. Am 5´-Ende befindet sich ein Phosphorsäurerest (phosphoryliert) und am 3´-Ende, welches überlappt, befindet sich das Basentriplett CCA
3) D-Arm
Der D-Arm enthält mehrere Dihydrouracli Nukleotide, welche als Erkennungsmerkmal für die Aminoacyl-tRNA-Synthase dienen.
4) T♆CC- Arm
Der T♆C –Arm enthält wie der Name schon sagt, die Basen Thymin, ♆C (=Pseudouracil) und Cytosin. Diese dienen der Anbindung an die große Untereinheit des Ribosoms.

Darstellung der tRNA

Der genetische Code

Der genetische Code liefert die übersetzung, um aus der Basensequenz der m RNA die Reihenfolge der Aminosäuren zu ermitteln.
Dies ist auf Grund der Kolinearität (Kolinear) möglich. Was wiederum bedeutet, daß die Basenabfolge einer m RNA der Aminosäuresequenz eines Proteins entspricht. Der genetische Code ist also eindeutig.
Die Tatsache, daß es jedoch nur vier verschiedene Organische Basen gibt, während es 20 verschiedene Aminosäuren gibt, stellt klar, daß eine Aminosäure nicht von einer Base codiert werden kann. Eine Aminosäure wird immer von drei Basen codiert. → Basentriplett (1 Codon)
Manche Aminosäuren sind durch mehrere verschiedene Basen codiert, da es mehr als 20 Möglichkeiten der Kombination gibt, wenn immer 3 Basen eine Aminosäure codieren. Diese Eigenschaft bezeichnet man als redundant oder degeneriert.
Auch gibt es drei Sequenzen die keine Aminosäure codieren sondern als Sequenz das Ende der Translation kenntlich machen. Diese bezeichnet man als Stoppcodons (UAA; UAG; UGA). Als Startsequenz zählt die Sequenz AUG der Aminosäure Methionin. Trennungen zwischen den Tripletts gibt es jedoch nicht, der Code ist als Kommafrei. Allgemein bezeichnet man Sequenzen die eine Aminosäure codieren als Codon.
Der genetische Code ist universell. Das bedeutet, daß er für fast alle Organismen gleich ist, es gibt nur wenige Ausnahmen (Chloroplasten, Mitochondrien).
UUU → Phenylalanin
CCC → Prolin
GGG → Glycin
AAA → Lysin

Mutationen

Definition:
Unter Mutation versteht man eine sprunghafte, nicht durch Vererbung bedingte qualitative oder quantitative Veränderung der Erbinformationen.
Diese kann auf der Ebene der DNA also als Genmutation, der Chromosomenstruktur also als Chromosomenmutation oder der Chromosomenzahl also als Genommutation, erfolgen.
Genmutation
→ Veränderung der Basensequenz innerhalb eines Gens

Chromosomenmutation
→ Veränderung der Chromosomenstruktur
Anmerkung:
Den Austausch von Chromosomenstücken zwischen Homologen Chromosomen kann man als Mutation ansehen, jedoch entspricht dies dem Vorgang des Croßing over und kann von daher auch beabsichtigt sein!
Genommutation
→ Anzahl der Chromosomen wird verändert

Mutagene

Mutagene sind äußere Einwirkungen welche Mutationen hervorrufen/ Auslösen.
Es gibt Mutationen welche durch Zufall entstehen solche werden als Spontane Mutation bezeichnet und Mutationen welche eine Ursache haben. Diese werden als Induzierte Mutation bezeichnet. Diese Induzierten Mutationen kommen durch die Mutagene zustande.
Die Gründe/Mutagene kann man wiederrum in zwei Gruppen einteilen.

1) Physikalische Mutagene/Ursachen:
UV-Strahlung
Röntgen- und radioaktive Strahlung → Kurzwellige elektromagnetische Strahlung

2) Chemikalische Mutagene /Ursachen:
Basenanaloga: Substanz ähnelt einer Base so sehr das sie anstatt einer Base verbaut wird es kann zur Tautomerie kommen
Tautomerie (plur. Tatomere) bezeichnet man Moleküle die zwar die gleiche Summenformel haben aber eine unterschiedliche Anordnung der Atome aufweisen. Durch Umlagerung können diese Moleküle schnell vom einen zum anderen werden. Aminoform bezeichnet man hier die gewöhnliche Form Iminoform ist die veränderte Anordnung der Atome.
Interkalierende Substanzen: Verbindungen welche sich zwischen Basepaaren einfügen es kommt zur Leseraster Mutation
Akylierende Mutagene: Durch Anlagerung von Alkylgruppen an Phosphatgruppen entstehen Veränderungen in der Basenstruktur (Basenaustausch) es kommt zur Genmutationen

Sponaten Mutationen entstehen wenn zufällig in der Meiose Homologe Chromosomen nicht voneinander getrennt werden (Nondisjunction) oder zufällig falsche Nukleotide verbaut werden.

Reparatur Mechamismen der DNA

Die DNA wird erstaunlich oft durch oben erläuterte Mutagene verändert. Es gibt bestimmte Reparaturmechanismen, die die vor oder während der Replikation diese Fehler bemerken und entfernen. Paßiert dies nicht entsteht eine Mutation.
Fotoreaktivierung
Eine fotoreaktivierendes Enzym erkennt die Pyrimidin-Dimere und bindet an diesen Fehlerhaften Stellen.
Durch Energie von UV-Strahlen, also von Licht, welches für diesen Reparaturmechanismus unabdingbar ist, wird das Dimer in zwei Monomere gespalten und der Ursprünglich Zustand wieder hergestellt.
Außchnittsreparatur/Excisionsreparatur
Die Excisionsreparatur verläuft in drei Arbeitßchritten:
1) (Vor der Replikation):
Eine Schadstelle wird von einem Enzymkomplex erkannt und von der sogenannten Endonuclease herausgeschnitten.
2) (Während der Replikation):
Die DNA-Polymerase füllt die entstandenen Lücken mit komplementären Basen
3) Die DNA-Ligase verknüpft die neuen Nukleotide untereinander und mit den alten Nukleotiden wieder zu einer Kette
Rekombinationsreparatur
Die Rekombinationsreparatur findet anders als die beiden Vorrangegangenen Prozeße außchließlich während der Replikation, also im letztmöglichen Moment statt.
Stellt die DNA-Polymerase einen Schaden auf dem Matrizenstrang fest, überspringt sie diesen auf ungefähr 1000 Nukleotide. Die Lücke wird mit der Rekombination des Mutterstranges geschloßen, welcher wiederum die eigene Lücke wieder mit DNA-polymerase schließen kann.
Auch hier verknüpft jeweils wieder eine Ligase die neu eingefügten Nukleotide.

Genregulation bei Prokaryoten

Dadurch, daß zum Beispiel die coli Bakterien auf unterschiedliche Nährmedien unterschiedlich in ihrem Wachstum reagieren weiß man, daß bestimmte Enzyme nur synthetisiert werden, wenn sie benötigt werden, bzw. das das vorhanden sein eines Stoffes die Synthetisierung eines Enzyms behindert.
Das Operon-Modell stellt dieses genauer dar:
Gene die ein Enzym codieren werden im Modell als Strukturgene bezeichnet.
Der Promotor ist wie schon bekannt die Bindungßtelle für die RNA-Polymerase, der Operator die Bindungßtelle für ein Protein.
Dieses Protein, welches an den Operator bindet, bezeichnet man als Repreßor. Es behindert die RNA-Polymerase, denn die RNA-Polymerase startet am Promotor mit der Synthese eines Tochter DNA Stranges, wie aus der Replikation bekannt. Stößt sie jedoch nun auf den Repreßor, kann sie nicht vorbei und ab dieser Stelle keine RNA synthetisieren. Was wiederrum zur Folge hat, das die folgenden Basentripletts keine Aminosäuren und somit keine Enzyme mehr kodieren können.
Das Repreßorprotein wird ein Stück weiter vor dem nun blockierten DNA Strang durch das Regulatorgen codiert.
Substratinduktion:
Die Substratinduktion ist so zu sagen das Anschalten von Strukturgenen durch ein bestimmtes Substrat. (Substrat = Molekül welches durch ein Enzym verändert wird)
Das Regulatorgen codiert also ein bestimmtes Protein welches durch die RNA-Polymerase synthetisiert wird. Dieses Repreßorgen wird bei der Substratinduktion als aktiver Repreßor synthetisiert. Daraus folgt, daß sich der aktive Repreßor an den Operator bindet, und somit aktiv die RNA-Polymerase aufhält entsprechende Teile der RNA zu synthetisieren.
Kommt nun jedoch ein Substrat und bindet an den aktiven Repreßor, wird dieser in seiner Struktur verändert, paßt nicht mehr an den Operator löst sich und wird somit also inaktiv. Die RNA-Polymerase kann nun auch die bisher abgegrenzten Teile der RNA synthetisieren. Der Synthesevorgang wird „angeschaltet“.
Darstellung der Substratinduktion
Endproduktrepreßion:
Die Endproduktrepreßion ist im Gegensatz zur Substratinduktion so zu sagen das Außchalten von Strukturgenen durch ein entsprechendes Produkt.
Das Regulatorgen codiert hier inaktive Repreßor, welche dem entsprechend, wenn sie Synthetisiert werden auch zunächst nicht an den Operator paßen und somit inaktiv sind. Daraus folgt, daß die ganze Zeit über auch die von Operatoren eingegrenzten Bereiche der RNA synthetisiert werden.
Gelangt das Produkt dieser Enzyme welche in diesen Bereichen codiert werden, jedoch an die inaktiven Repreßoren, werden diese in ihrer Struktur so verändert, daß sie an die Operatoren paßen und somit aktiv werden, das heißt sie halten durch das anbinden nun die RNA-Polymerase auf und die von diesen Operatoren eingegrenzten Bereiche können nicht mehr synthetisiert werden. Der Sythesevorgang wird „ausgeschaltet“.
Darstellung der Endproduktrepreßion

Die Polymerasekettenreaktion (PCR)

Um den genetischen Fingerabdruck herauszufinden werden im Wesentlichen zwei große Arbeitßchritte benötigt. Der erste von diesen Arbeitßchritten ist die PCR.
In dieser wird der zu untersuchenden DNA in einem Reagenz Glas, Puffer, zwei spezielle Primer, DNA Nukleotide, und hitzeresistente DNA-Polymerase hinzugefügt.
Im ersten Unterarbeitßchritt wird dann dieses Gemisch auf ca. 95 °C erhitzt, so daß es zur Denaturierung der DNA Stränge kommt, und diese jeweils in zwei Einzelstränge zerfallen.
Im zweiten Unterarbeitßchritt wird die DNA wieder auf ca. 60 °C abgekühlt. Die so genannte Hybridisierung findet statt. Das bedeutet nichts anderes, als daß sich die speziellen, im labor angefertigten Primer an ihre komplementären Basensequenzen, an den nun einzeln vorliegenden DNA Strängen anlagern. Diese speziellen Primer sind so konzipiert, daß sie sich an bestimmte Erkennungßequenzen von Introns (nicht codierenden Sequenzen) anlagern. Genauer gesagt den STR (short Tandem repeats).
Man arbeitet in der Gentechnik nämlich vor allem mit dem Vergleich der Länge von Intronabschnitten, da insbesondere in diesen der Unterschied zwischen verschiedenen DNAS liegt. Jeder Mensch hat verschieden große Intronabschnitte in seiner DNA enthalten. Und nur durch unterschiede oder eben Gemeinsamkeiten in der DNA, kann eine Verwandtschaft entweder bestätigt oder wiederlegt werden. Exons codieren vor allem zum Beispiel Enzyme, die für den Stoffwechsel zuständig sind und welche daher jeder Mensch hat, hier weisen sich also später in den Banden der Gelelekttrophorese, welche der gleich vorgestellte zweite große Arbeitßchritt der Analyse des genetischen Fingerabdruckes ist, keine großartigen Unterschiede auf. Die Introns oder genauer der STR Introns hingegen schon.
Im dritten Unterarbeitßchritt der Polymerisierung wird die die hitzebeständige DNA-Polymerase Polymerase (meist Taq-Polymeras gewonnen aus Bakterien, welche in den heißen Quelle überleben) aktiv. Sie synthetisiert nun an den gerade angelegten Primern beginnend, die Intron abschnitte. Die Synthtetisierten Stränge die also nun entstehen enthalten nur Abschnitte des DNA Stranges, welche von den Primern festgelegt worden sind.
Die Intron (STR) DNA abschnitte.
Diese drei Unterarbeitßchritte werden im Zyklus mehr Mals wiederholt und die DNA somit mehrfach vervielfältig.
Um zu berechnen wie viel DNA Stränge man vorliegen hat kann man 2 hoch n rechnen, wobei n die Anzahl der Vorgänge ist.

Die Gelelektrophorese

Die Gelelektrophorese ist der zweite große Arbeitschritt um den genetischen Fingerabdruck zu erhalten.
Die in der PCR vervielfältige DNA wird in ein Gel gegeben, welches (ja nach Konzentration) ein unterschiedlich dichtes Netz für die DNA darstellt. Legt man nun auf das Netz eine Spannung so, daß sich die Kathode, der negative Pol, an den Probetaschen (Taschen in die die Probe DNA gegeben wird) befindet, und daß sich die Anode, der positive Pol auf der gegenüberliegenden Seite befindet, so wandern die negativ geladenen DNA zur Anode also auf die gegenüberliegende Seite des Gels. Kurze Stränge kommen schneller durch das Netz als längere DNA abschnitte. So werden kurze und lange DNA Moleküle von einander getrennt. Gestoppt wird der Vorgang für Gewöhnlich, sobald das kleinste DNA Molekül die Anode erreicht hat.
Zur Längenbestimmung der Probe wird eine der Probetaschen mit einer bekannten DNA gefüllt so, daß man die längen mit einander vergleichen kann.
Stimmen die Längen überein, was man daran sieht, ob sich die DNA Moleküle auf gleicher Höhe befinden, so ist die DNA identisch, stimmen die längen nicht überein, so liegen keine identischen DNAS vor. Mit dieser Methode ist es möglich zum Beispiel eine Vaterschaft fest zu stellen oder einen Täter eines Verbrechens zu finden.

Die Sequenzierung

Möchte man noch genauere Daten über einen DNA Strang haben muß man eine Sequenzierung durchführen. Diese ermöglicht es mit einem ähnlichen Prinzip die Sequenz der DNA fest zu stellen.
Zuerst wird in das, aus der Polymerasekettenreaktion bekannte Gemisch, markierte/eingefärbt dNTP (Desoxinucleotiden) dazu gegeben. DNTPs werden von der Polymerase ganz normal verbaut, wie gewöhnliche Nukleotide, während ddNTP zwar auch zunächst normal verbaut werden, wird jedoch nach ihnen kein weiteres Nukleotid mehr angebaut. Dies funktioniert nicht mehr, da den ddNTP Nukleotiden am 3´-Ende am C Atom eine OH-Gruppe fehlt und somit ein anbinden eines weiteren Nukleotides nicht möglich ist, da die Nukleotide bekanntlich nur an dem 3´-Ende an der OH-Gruppe anbinden können.
Da es sich in dem Versuch um mehrere Millionen DNA Stränge handelt und ebenso um so viele verschiedene ddNTPs, kann man mit großer Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, daß jeder Strang das ddNTP an einer anderen Stelle verbaut hat, somit hört jeder Strang an einer anderen Stelle auf und somit gibt es für jedes Nukleotid einen Strang, an dem es das letzte Nukleotid ist. Diese verschiedenen langen Stränge bezeichnet man als Sange-Coulson-Ansätze. Durch die Gelelektrophorese werden die Stränge nur der Länge nach von einander getrennt. Beim wandern durchlaufen sie einen Lichtdetektor, welcher die Farbeb des ddNTP wahrnimmt und aufzeichnet. Da nun die kleinen Moleküle, bei denen schon früh ein ddNTP Molekül verbaut wurde, diesen zuerst paßieren und danach die längeren, kann man nun anhand der Farben die Sequenz der Basen zuordnen. Zu beachten ist jedoch, daß wenn man die Sequenz des Matrizenstranges erhalten möchte, die Basensequenz, welche aus der Sequenzierung hervorgeht noch zurückübersetzen muß.

Handwerkzeuge der Genetik

Das Restriktionsenzym
Restriktionsenzyme zählen zu den Endonucleasen, da sie innerhalb der DNA Moleküle tätig sind. Sie stellen so zu sagen die Schere der Genetik dar.
Es gibt unterschiedliche Restriktionesenzyme, welche die DNA auf unterschiedliche Weise oder viel mehr an unterschiedlichen Erkennungßequenzen schneiden. Restriktionsenzyme sind Sequenzen spezifisch, was bedeutet, daß sie nur an einer bestimmten Basensequenz die DNA zerschneiden. Die Erkennungßequenzen bestehen meist aus 4 bis 8 Nukleotiden und entsprechen einem Palindrom (z.B Lagerregal). Das bedeutet, daß die Erkennungßequenzen der Restriktionsenzyme in ihrer Basenabfolge immer so gestrickt sind, daß die Basenabfolgen des einen Stranges der des anderen Stranges in anderer Leserichtung entspricht. Da die Restiktionsenzyme bei beiden komplementären Strängen jedoch an dem gleichen Nukleotid schneiden, werden die Stränge versetzt zerschnitten und jeder der beiden Doppelstränge hat einen einzelsträngigen überstand, welcher auch als klebriges Ende bezeichnet wird, da an diese Nukleotide erneut komplementäre anbinden können.

Veranschaulichung:
Veranschaulichung der arbeit der Restriktionsenzyme

Die Ligase
Die Ligase ist so zu sagen der Klebstoff der Genetik.
Werden zwei unterschiedliche DNA Stränge durch das gleiche Restriktionsenzym geschnitten haben beide klebrige zu einander paßende enden, welche sich verbinden können. Egal ob ein DNA Strang von einem Pferd und der andere von einem Hund stammt. Da der Genetiche Code universell ist, sind die Basen komplementär und die DNA abschnitte können sich verbinden. Jedoch müßen diese Bindungen wie aus der Replikation zum Beispiel schon bekannt vom einem weiteren Enzym sicher gemacht werden. Dies tut die schon bekannte Ligase, in dem sie einfach, die Zucker-Phosphat-Bindungen zwischen den Nukleotiden wieder herstellt.
Einen so entstandenen DNA Strang bezeichnet man als rekombinante DNA.

Beispiel:
Veranschaulichung der arbeit der Ligase

Vektoren
Vektoren sind künstlich hergestellte Plasmide.
Plasmide wiederrum sind ringförmige, geschloßene DNA Ringe, welche neben der gewöhnlichen DANN bei Prokaryoten extrachromosomal vorliegen. Sie besitzen einen eigenen Replikationsursprung und vervielfältigen sich somit unabhängig von der eigentlichen DNA.
Plasmide sind durch ihre Struktur klein und dadurch einfach zu isolieren und zu transportieren. Was auch ihre Aufgabe ist. Plasmide transportieren DNA Sequenzen von einer Zelle zur anderen.
Man nennt sie deshalb auch Gentaxen. Zu beachten ist jedoch, daß dieser Transport nur zwischen Prokaryoten, welche diese Ringe aufweisen, stattfinden kann.
Aufbau des Plasmid-Vektors:

Veranschaulichung eines Plasmid-Vektores
Vektoren besitzen nur eine Erkennungßequenz für Restriktionsenzyme, also nur eine Schnittstelle. Diese liegt am 2. Resistenzgen, da die andere Abschnittstelle des Ringes funktionsnotwendig ist. Der Replikationsursprung dient der Vervielfältigung des Ringes.
Resistenzgen 1 dient zur Erkennung, der Bakterienzelle, die einen Plasmiden Ring aufgenommen hat. Die Schnittstelle liegt wie eben schon erklärt daher in dem 2. Resistenzgen.
Hier wird der Ring auf geschnitten und neue DNA verbaut. Daraus geht hervor, daß die Bakterienzelle welche einen solche Plasmiden Ring verbaut resistent gegen 1 ist durch das erste vorhandene Resistenzgen, jedoch durch die DNA Veränderung nicht mehr gegen 2 resistent ist.
Allgemein kann man also sagen, daß Plasmiden Ringe DNA transportieren können und dadurch DNA zwischen zwei verschiedenen Bakterienzellen verändern können. Dies wird durch die beiden markierten Sequenzen, die Resistenz Gene bewiesen.
Das erste beweist, daß der Ring verbaut wurde, das zweite beweist, daß der Ring verändert wurde.

Herstellung genetisch Veränderter Bakterien

Darstellung zur Herstellung von genetisch veränderten Bakterien 1
Darstellung zur Hestellng von genetisch veränderten Bakterien 2
Darstellung zur Herstellung von genetischen veränderten bakterien 3

Ergänzung zum genetischen Fingerabdruck:DNA- Analyse durch Restriktionsfragment-längen-Polymorphismus (RFLP)

Beispiel Darstellungen

Das Fertilitäts Plasmid

Das F-Plasmid enthalten nicht alle Bakterien, sondern nur bestimmte. Diese bezeichnet man als F+ Plasmide, andersherum bezeichnet man Bakterien ohne das Fertilitätsplasmid als F-.
Alle Nachkommen eines Bakteriums, welches das F-Plasmid enthält, enthalten es ebenfalls.
Das F-Plasmid enthält ungefähr 25 Gene, welche zur Herstellung von einer sogenannten Plasmabrücke notwendig sind. über diese Plasmabrücke kann der DNA Austausch stattfinden.
Zunächst wird der F-Plasmid vervielfältigt durch Replikation. Anschließend wird dann die „Brücke“ gebaut. Das Bakterium, welches das F-Plasmid enthält, die Brücke baut und somit der DNA-Spender ist bezeichnet man in dieser Situation als „männlich“. Das Bakterium, an welche die Brücke anknüpft und welche durch diese das F-Plasmid erhält bezeichnet man in dieser Situation als „weiblich“. Hat das weibliche Bakterium das F-Plasmid empfangen baut sich diese auf eine gewiße Zeit in den DNA Ring des Bakteriums ein. In diesem Zustand bezeichnet man die Bakterien Zelle als Hrf-Zelle.
Löst sich das F-Plasmid wieder aus der Ring-DNA paßiert es oft, daß Teile der Ring DNA mit ausgerißen werden, so kommt es zu einem DNA Austausch an die nächste Zelle.
Insgesamt bezeichnet man diesen Austausch der DANN unter Bakterien über eine Plasmidbrücke als Konjugation.

Weitere Austausch Möglichkeiten sind:
Transformation: Freie DANN aus der Umgebung wird von der Bakterien Zelle aufgenommen und die eigene Ring DNA eingearbeitet.

Transduktion: Vieren, welche zur Fortpflanzung einen Wirt benötigen und ihre DNA in diesen einschleusen sind an der Transduktion schuld. Denn bei diesem Vorgang kann die Bakterien Zelle Teile der Vieren DNA in die eigenen DANN verbauen.

Transposition: Bei der Transposition werden Teile der Ring DNA des Bakteriums mit, Teilen eines in dem Bakterium befindlichen Plasmid ausgetauscht.

Die Klaßische Genetik

Johann Gregor Mendel war ein Augustiner Mönch, welcher sich den Untersuchungen der Genetik mit Hilfe von Erbsen und Bohnen widmete. Er unternahm Jahre lange Kreuzungsversuche und stellte dabei zum Beispiel die mendelschen Regeln auf.
Seine Vorgehensweise beruhte auf künstlicher Bestäubung. Er trennte Staubblätter von der Blüte ab und gab die Polen selbst darauf um sicher zu stellen, daß auch die richtigen Pflanzen gekreuzt wurden.
1) Uniformitätsregel: Kreuzt man Individuen, welche sich in bestimmten reinerbigen Merkmalen unterscheiden, zeigen die Nachkommen der folgenden Generation (F1) diese Merkmale in gleicher Ausprägung.
2) Spaltungsregel: Kreuzt man Individuen der zweiten (F2) Generation, spalten sich die Merkmale der folgenden Generation (F3) in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf (9:3:3).
3) Die dritte nicht immer zu treffende oder zu belegende Regel bezeichnet man als Unabhängigkeitsregel. Sie besagt, daß Individuen, welche sich in mehreren Merkmalen unterscheiden und gekreuzt werden, diese Merkmale unabhängig voneinander vererben. Man kann schon nach einem Kriterium festlegen, daß diese Regel nicht immer zu trifft. Nämlich dann wenn zwei verschiedene Merkmale durch das gleiche Chromosom codiert werden. Mehr dazu wird auch unten erklärt.

Man kann mit diesen Regeln und durch ein Kombinationsquadrat darstellen, mit welcher Wahrscheinlichkeit Nachkommen bestimmter Individuen, bestimmte Merkmale Phänotypisch und Genotypisch aufweisen. Phänotypisch bedeutet, daß die Merkmale äußerlich zu erkennen sind. Der Genotyp gibt auch die Phänotypisch nicht ausgeprägten Merkmale an.
Beispielsweise kann ein Schwarzer Hund auch weiße Anlagen, Allele, im Genotyp haben, und diese somit auch vererben. Zwar ist der Hund schwarz, da sich schwarz in diesem Fall weiß gegenüber dominant verhält und weiß sich gegenüber schwarz rezeßiv verhält, doch das weiße Allel ist genotypisch dennoch vorhanden und kann weiter gegeben werden. Erhält ein Nachkomme der F1 oder Filialgeneration 1 nun dieses rezeßive weiße Allel und vom anderen Elternteil zufällig ebenso eines, so wird der Welpe Phänotypisch weiß sein, auch wenn beide Elterntiere der P oder auch Parentalgeneration schwarz waren. Hier ist zu erwähnen, daß bei allen Kreuzungen die Reziprozität wichtig ist. Das bedeutet, daß es bei der Vererbung keine Rolle spielt, welche Gene vom männlichen und welche vom weiblichen Elternteil stammen. Dies ist möglich, da Keimzelle bekanntlich, durch die vorherig stattfindende Meiose, nur einen haploiden Chromosomensatz erhalten, diploid wird er wieder, wenn die Keimzellen unterschiedlicher Individuen verschmelzen. In diesem Fallbeispiel sind nun zwei Keimzellen verschmolzen, die beide das weiße eigentlich rezeßive Gen weiter gegeben haben. Da aber kein anderes dominantes Allel vorhanden ist, setzt sich nun die weiße Fellfarbe durch.
Den entstandenen Welpen bezeichnet man jetzt in Bezug auf die Fellfarbe auch als reinerbig oder auch homozygot. Der Phänotyp bildet sich bei ihm durch das Vorkommen zweier übereinstimmender Merkmale. Seine Eltern waren jeweils mischerbig oder auch heterozygot, sie besaßen unterschiedliche Merkmale von denen sich eines dominant im Phänotyp gezeigt hat und das andere versteckt blieb.
Verfolgt man einen Solchen Erbgang mit dem blick auf ein Merkmal wie im Beispiel auf die Fellfarbe, so bezeichnet man diesen Erbgang als monohybrid.
Werden zwei mehrere Merkmale beobachtet die sich unterschieden so spricht man von einem di- oder polyhybriden Erbgang.
Allgemein bezeichnet man die Kreuzung zweier Individuen welche unterschiedliche Merkmale haben, im übrigen als Hybridisierung. Ein Hybrid ist dann in unserem Fallbeispiel der Welpe, also das Ergebnis der Kreuzung.
In der Vererbung gibt es jedoch auch unterschiedliche Mischformen.
Beim sogenannten intermediären Erbgang ist nicht klar welches der Merkmale sich dominant dem anderen gegenüber verhält und somit ist nicht genau klar, welches Merkmal im Phänotyp auftritt.
Bei der sogenannten unvollständigen Dominanz prägen sich bei einem Individuum mit heterozygoten Allelen beide Allele aus. Es tritt eine Mischform auf. In unserem Beispiel würde das ganze so außehen, daß der Welpe von einem Elternteil ein unvollständig dominantes schwarzes Allel erhalten würde und von dem anderen Elternteil ein weißes Allel. In gemischter Form würden sich beide Informationen im Phänotyp als ein Grauton durchsetzen. Der Welpe würde also graues Fell besitzen.
Würden die Allele, die der Welpe erhielte kodominant sein, also würde er sowohl ein weißes dominantes, als auch ein schwarzes dominantes Allel erhalten so würden sich beide Merkmale nebeneinander im Phänotyp ausbilden, was bedeuten würde das der Welpe zweifarbig gefleckt sein würde.

Hier sind zum Nachvollziehen und beßerem Verstehen Erbgänge im Kombinationsquadrat abgebildet, es folgen aber auch weiter unten noch weitere Beispiele!

Monohybrider Ergang
Diybrider Ergang
Kreuzung der F1 Generation
Kreuzung der F2 Generation/ verschiedene Variationen

Die Rückkreuzung
Die Rückkreuzung ist die Kreuzung der F1 oder F2 Generation mit einem anderen Individuum was dem Genotyp, eines Elternteiles entspricht. Genauer dem Genotyp des Elternteils, welches seine Rezeßiven Gene weiter gegeben hat. Zweck der Rückkreuzung ist es, heraus zu finden welche Individuen der F1 oder F2 Generation heterozygot und welche homozygot sind.
Beßer läßt sich dies an einem Beispiel erklären, an diesem werden auch die oben genannten Grundsätze noch einmal deutlich.
Wie haben ein Hundepaar, die Parentalgeneration. Ihr Genotyp sieht so aus:
Weibchen: DD(Dunkel Großbuchstabe gibt Dominants an) und kk (klein Kleinbuchstabe gibt Rezeßivität an)
Männchen: hh (Hell Kleinbuchstabe gibt Rezeßivität an) GG (groß Großbuchstabe gibt Dominants an)
Phänotypisch ist das Weibchen also dunkel und klein, das Männchen hat helles Fell und ist groß. Stellt man nun ihre Verpaarung in einem Kombinationsquadrat dar sieht diese wie folgt aus:

F1 Dk Dk
hG DhGk DhGk
hG DhGk DhGk

Sowohl im Genotyp als auch im Phänotyp sind die Nachkommen der F1 Generation Uniform (gleich) dies bestätigt die Uniformitätsregel, da die Eltern ihre Merkmale jeweils Homozygot im Genotyp vorliegen haben. Ihre Nachkommen sind nun Heterozygot. Im Phänotyp sind alle Dunkel und groß können jedoch in der ihr folgenden Generation die Rezeßiven Gene weiter vererben, wo sie sich je nach dem was er andere Partner abgibt auch ausprägen können. Dies folgt jetzt als Beispiel:

F2 hk hk
DG DhGk DhGk
hk hhkk hhkk
Dk Dhkk Dhkk
Gk Ghkk Ghkk

Phänotypisch kommt ein Verhältnis von 2 zu 2 zu 2 zu 2 heraus.

Kreuzt man nun aber nach der zweiten Mendleschen Regel der Spaltungsregel zwei Individuen der F1 Generation untereinander erhält man folgendes Verhältnis:

F2 DG Dk hG hk
DD DDGG DDGk DhGG DhGk
Dk DDGk DDkk DhGk Dhkk
hG DGGh DhGk hhGG hhGk
hk DhGk Dhkk hhGk hhkk

Phänotypisch ergibt sich hier ein Verhältnis von 9 zu 3 zu 3 zu 1

äußerlich läßt sich den Tieren nun aber nicht ansehen welche nun reinerbig also homozygot im Genotyp sind und welche mischerbig, also Heterozygot. Dieses Wißen ist für die Zucht aber unglaublich wichtig um auch wirklich genau Ergebniße zu haben wenn man auf ein bestimmtes Merkmal hin züchtet.
Um nun heraus zu finden welches der entstanden Nachkommen homozygot ist, wendet man die Rückkreuzung an.
In der Parentalgeneration liegen nun zwei Reinerbige also Homozygote Elterntiere vor.
DD und hh als Beispiel. Ihre F1 Generation bringt also uniform im Genotyp Dh und im Phänotyp entsprechend D hervor.
Geht man jetzt davon aus das D für dunkel steht und h für hell wie eben zu vor auch schon so sind also alle Tiere der F1 Generation Dunkel, tragen jedoch rezeßiv als Heterozygote Tiere noch ein helles Gen in sich. Hier muß man die Tiere also noch nicht unterscheiden können. Schwieriger wird es wenn man nun mit den Tieren weiter züchtet:

F2 D h
D DD Dh
h Dh hh

Nun erhält man ein Phänotypische Zahlenverhältnis von 3 zu 1. Das wieder zum vorschein gekommen helle Tier trägt zweifellos beide rezeßiven hellen Gene in sich, aber welches der drei dunklen Tiere ist nun homozygot?
Jetzt kommt die Rückkreuzung ins Spiel. Die drei in Frage kommenden Tiere werden zu einer F3 Generation verpaart, jedoch nicht mit beliebigen Tieren, sondern mit dem Elternteil, der Parentalgeneration, welches die Rezeßiven Gene in sich trug. Oder wenn man von Inzucht abgeht, mit einem Tier welches ebenfalls Homozygot die rezeßiven Gene in sich trägt wie das Ur-Elterntier der Parentalgeneration.
Um den Versuch ausführlich und richtig zu gestalten, müßen selbstverständlich alle dunklen Nachkommen verpaart werden. Unten wird das Kombinationsquadrat einmal von einem Heterozygoten und einmal von dem gesuchten Homozygoten Individuum dargestellt um den Vergleich zu zeigen:

F3 Generation1: Heterozygotes Tier der F2 Generation und Parental rezeßiv vererbendes Tier

F3 D h
h Dh hh
h Dh hh

Ein Phänotypischen Verhältnis von 2 zu 2 tritt auf.

F3 Generation2: Homozygotes Tier der F2 Generation und Parental rezeßiv vererbendes Tier

F3 D D
h Dh Dh
h Dh Dh

Die Nachkommen sind wie die F1 Generation uniform, was bedeutet, daß die Eltern wie in der Parentalgeneration beide reinerbig sein müßen, somit hat man das reinerbige Tier unter den Mischerbigen in der F2 Generation gefunden!

Die bis jetzt aufgezeigten Erbgänge basierten alle auf den Mendleschen Regeln und damit auf ihrer Richtigkeit.
Die dritte, die Unabhängigkeitsregel, läßt sich aber leicht durch eine ganz einfache Außage teilweise wiederlegen. Sie ist nicht komplett falsch! Sie bezieht nur einen entscheidenden Aspekt nicht mit ein.
Der Mensch hat 46 Chromatiden welche 23 Chromosomen bilden. Auf diesen liegen alle Informationen zum Beispiel über den Körperbau. Eine riesige Menge an Informationen auf wenige Quellen verteilt. Das wiederrum bedeutet, daß auf einem Chromosom, mehr als nur eine Information liegt. Die dritte Mendlesche Regel besagt, daß die Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden. Was ist jedoch wenn zwei Merkmale auf dem gleichen Chromosom liegen?
Richtig in diesem Fall werden sie gemeinsam vererbt oder eben nicht. Sie sind also automatisch, dadurch das sie von der gleichen Quelle stammen voneinander abhängig.
Beachtet man diesen Aspekt zusätzlich, sehen Zahlenverhältniße von Geno- und Phänotypen schon wieder ganz anders aus!

ökologie

Grundbegriffe der ökologie
Unter dem Thema ökologie faßt man die Lehre der unterschiedlichen Lebensräume mit tierischen und pflanzlichen Bewohnern samt ihrer Anpaßungen an bestimmte Bedingungen zusammen. Es geht also um die Einflüße welche verschieden Organismen und andere Faktoren in einem Raum auf einander haben.
In der ökologie gibt es unterschiedliche Bereiche:
Die Autökologie untersucht die Wechselbeziehung eines einzelnen Lebewesens mit seiner Umwelt.
Die Populationsökologie (Demökologie) untersucht Gruppen von Lebewesen einer Art in einem Raum, dabei werden die Beziehungen zu anderen Populationen und die Umwelt berücksichtigt.
Die Synökologie als letztes, untersucht die Wechselbeziehungen der Lebewesen einer Lebensgemeinschaft (Biozönose).
ökologie bezieht sich auf den Planeten Erde, da es bislang bekannt nur hier Leben gibt. Alle Lebensräume der Erde, die Biosphäre, ist untergliedert in die Atmosphäre, den Lebensraum Luft, die Hydrosphäre, den Lebensraum Waßer und die Pedosphäre den Lebensraum Boden. Diese Unterteilungen bezeichnet man auch als ökosysteme. Die geografisch abgetrennt in Biotope unterteilt werden. Biotope werden auch als unbelebte Umgebung von Individuen bezeichnet in denen sich Biozönosen entwickeln können. Biozönosen sind der belebte Teil eines ökosystems. Es sind Lebensgemeinschaften die Lebewesen einer und unterschiedlicher Art zwangsläufig eingehen, wenn sie im selben Biotop existieren.
Geht man Beispielsweise, von einem bestimmten Tier aus, gibt es die biotischen und die abiotischen Faktoren, die in einem Lebensraum, also im Biotop auf das Tier einwirken. Unter den biotischen versteht man belebte Einflüße, wie zum Beispiel Freßfeinde (Biozönose). Unter abiotischen Faktoren unbelebte Einflüße, wie zum Beispiel die Temperatur oder die Luftfeuchtigkeit.
Bei den Biotischen Faktoren spielt vor allem die Konkurrenz mit anderen Tieren eine Rolle. Hier unterscheidet man zwischen einer innerartlichen oder auch intraspezifischen Konkurrenz. Das bedeutet, daß zwei Individuen der gleichen Art konkurrieren. Und der zwischenartliche oder auch der interspezifische Konkurrenz, welche die Konkurrenz zwischen unterschiedlichen Tierarten zum Beispiel um die Waßerstelle beschreibt.
Als Population bezeichnet man allgemein die Anzahl der Tiere oder Pflanzen einer bestimmten Art in einem bestimmten Raum. Sie hat grundsätzlich das Ziel sich in diesem und eventuell auch weitreichenderen Räumen (Wenn möglich) zu vermehren und somit das überleben der eigenen Art möglichst dauerhaft zu sichern.

ökofaktor Temperatur
Die Temperatur hat bei allen Tieren oder Pflanzen auch etwas mit dem Energiehaushalt zu tun. Viel Wärme bedeutet für gewöhnlich auch viel Energie, es gibt jedoch Obergrenzen.
Wichtig für den Abiotischen Faktor Temperatur ist die RGT-Regel (siehe 10).
Sie sagt aus, daß eine Temperatur Erhöhung von 10 Grad die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2 bis 3 Fache erhöhen kann. Dies gilt jedoch für die aller meisten Zellen nur in einem Bereich von 0 bis 40 Grad Celsius. Bei höheren Temperaturen denaturieren überlebenswichtige Proteine und der Organismus stirbt (Zelltod). Bei niedrigeren Temperaturen würde das Zellplasma zerstört und die Zellen würden beginnen auszutrocknen. Was ebenfalls zum Tod führen würde.
Stellt man nun egal ob bei Tieren oder bei Pflanzen dieses zur Veranschaulichung Grafisch dar, entstehen verschiedene wichtige Punkte, welche auch in der Abbildung zu finden sind.
Zunächst gibt es ein Minimum und ein Maximum, welches die Zellen und damit der Organismus tolerieren. Diesen Bereich, in dem das Individuum also leben kann, bezeichnet man daher auch als Toleranzbereich oder ökologische Potenz. Individuen mit einem verhältnismäßig großen Toleranzbereich bezeichnet man als eurytherm, Individuen mit einem verhältnismäßig kleinem Toleranzbereich sind dagegen stenotherm. Diese Begriffe beziehen sich jedoch nur auf die Toleranz auf die Temperatur bezogen. Eine Grafik wie sie gerade beschrieben wird kann natürlich auch auf andere Umwelteinflüße als auf die Temperatur bezogen werden in diesem Fall würde man von eurypotenten für Individuen mit großer Toleranz und von Stenopotenten für Individuen mit kleinerer Toleranz sprechen.
Die sogenannte Optimum Kurve welche vom Minimum zum Maximum verläuft stellt dar wann / bei welcher Grad zahl das Individuum am aktivsten ist und sich somit am wohlsten fühlt, diesen Punkt bezeichnet man folglich als Optimum.
Insgesamt werden Minimum Maximum und Optimum auch als Kardinalpunkte bezeichnet. Nahe des Minimums oder des Maximums, also der äußeren Kardinalpunkte, werden die Lebensfunktionen des Individuums oft so stark herunter gesetzt, daß eine Fortpflanzung nicht mehr möglich ist, somit würde die Art nur noch so lange überleben, wie das letzte Individuum der Population überleben kann, da für nachkommen nicht gesorgt werden kann. Diese Phasen heißen Peßimumbereich. Werden Minimum oder Maximum überschritten kommt es zum Hitze- oder Kältetod.
Da Individuen generell eine Optimum haben, bei dem sie am besten Leben können siedeln sie sich, wenn es ihnen möglich ist auch dort an. Diesen bevorzugten Bereich nennt man daher Präferendum oder auch Präferenzbereich. Dieser ist vor allem im Labor leicht zu ermitteln da hier wesentlich weniger andere natürliche Einflüße vorliegen. So kann es sein das eine Pflanze im Labor in Bezug auf die Feuchtigkeit des Bodens einen ganz anderen Wert bevorzugt als wenn sie im Freiland wächst. Im Labor konkurrieren keine anderen Pflanzen mit der bestimmten Pflanze um zum Beispiel die Feuchte in der Erde. Im Freiland hingegen kann es durch aus sein, das andere Pflanzen schneller die Feuchtigkeit dem Boden entziehen und als Konkurrenz stärker in Bezug darauf sind.
Dadurch wird die Konkurrenz schwächere Art entweder räumlich, auf einen von den Konkurrenz stärkeren Arten selber schlechter besiedelbaren Flächen verdrängt, oder die schwächere Pflanze beginnt sich in Bezug auf ihren Waßerhaushalt und damit ihren Bodenfeuchtigkeitsbedarf in ihrem Toleranzbereich nach hinten oder weiter vorne zu orientieren und nicht mehr im Präferendum zu wachsen. Dies und die Entwicklung dahin, daß dieser neue Wert zum Präferndum wird bezeichnet man auch als Einnischung. Genauer wird dies später noch erläutert.
Im allgemeinen bezeichnet man Individuen mit einem weiten Toleranzbereich als eurypotent und Individuen mit einem geringen Toleranzbereich als stenopotent.

Optimumkurve

Tiere und Temperatur
Es gibt Tiere welche ihre Körpertemperatur nicht selber regulieren können, sie sind stark von der außen Temperatur und der Sonneneinstrahlung abhängig. Solche Tiere bezeichnet man als exotherm oder Wechselwarm.
Um ihre Körpertemperatur im Toleranzbereich zu halten haben die Tiere oft thermoregulatorische Verhaltensweisen. Die bekannteste ist wohl das Sonnenbad Echse. Doch auch Muskeltätigkeit kann die Körpertemperatur hoch heizten. So zittern Bienen zum Beispiel mit ihren Flügeln um sich auf zu wärmen.
Können wechselwarme Tiere jedoch trotz ihres Verhaltens ihre Körpertemperatur nicht halten fallen sie nahe des Miniums oder des Maximums also im Peßimum in die Kälte- oder Hitzestarre. Um sich vor Schäden zu schützen.
Tiere oder Menschen hingegen regulieren ihre Körpertemperatur und halten sie möglichst konstant auf einer Grad zahl. Sie werden als endotherm oder auch gleichwarm bezeichnet.
Endotherme Tiere nutzen die Abwärme des Stoffwechselprozeßes um die eigene Körpertemperatur konstant zu halten. Die Fähigkeit des Kältezitterns beherrschen auch als homoiotherm bezeichnete Tiere zwar auch, jedoch übernimmt vor allem Thermoregulation im Körper das konstant halten der Temperatur, welche höchstens um einen grad abweichen darf.
Weitere Schutzmechanismen sind eine isolierende Körperbedeckung also Fell oder Federn, bei Menschen die Kleidung, Fettgewebe zur Wärmedämmung, der Blutkreislauf als Wärme Transport im ganzen Körper und das damit verbundene Regulationßystem sowie die Wärmeabgabe zur Kühlung wie zum Beispiel das schwitzen.
Homoiotherme Tiere haben vor allem den Vorteil das sie und der Außentemperatur nur sehr geringfügig abhängig sind und sich dadurch viel weiter auch in für viele Wechselwarme Tiere unerreichbaren Gegenden aufhalten können. Ob sie Nachts- oder Tagsüber aktiv sind macht für sie oft auch keinen Unterschied, je nach Freßfeinden oder Nachtsicht sind die Tiere in der Nacht sogar sicherer.
Ein Nachteil ist, das für die gesamte Regulation sehr viel Energieverbraucht wird und ein Endothermes Tier dem entsprechend wesentlich mehr freßen muß als ein Exothermes Tier. Bis zu 90% der gesamten Energie die die gleichwarmen Tiere aus ihrer Nahrung gewinnen kann für die Regulation der Temperatur notwendig sein.
Einige Gleichwarme Tiere halten daher im Winter den Winterschlaf. Das bedeutet, daß sie ihrer Körperfunktionen auf ein Minimum herunter fahren. Atmung und Kreislauffunktion verringern sich um einen Energieumsatz von 2%, so daß für diese möglichst wenig Energie verbraucht werden muß und genug für die Regulation der Körpertemperatur vorhanden ist.

Die Allensche Regel
Joel Asaph Allen (1838-1921) formulierte die Allensche Regel, welche besagt, daß bei homoiothermen Tieren die relative Länge, in Bezug auf die Körpergröße, der Körperanhängsel (Ohren, Schwanz) in kalten Klimazonen geringer ist als bei Artverwandten Individuen in wärmeren Gebiete. Als Beispiel kann man hier Wüstenfuchs, Rotfuchs und Polarfuchs und ihre verschieden großen Ohren nennen. Grund dafür ist, das große Flächen wärme verlieren und der Polarfuchs logischerweise so viel wärme wie möglich behält, während der Wüstenfuchs problemlos Wärme über die Ohren abgeben kann.

Bergmannsche Regel
Carl Bergmann (1814-1865) formulierte die Bergmannsche Regel welche besagt, daß bei nah verwandten homoiothermen Tieren die durchschnittliche Körpergröße zu den Polen hin, also zu den kalten Zonen hin, zu.
Dies liegt wieder daran, daß eine geringere Oberfläche weniger Wärme verliert. Ein großes und breites Tier besitz eine geringere relative Oberfläche über die es wärme verlieren kann. Das höhere Volumen schütz also vor Wärmeverlust.

Anpaßung von Pflanzen an die Temperatur
Pflanzen können sich nicht von einem Ort fortbewegen sie sind ortgebunden. Sie paßen sich in ihrem Lebensrhythmus daher voll und ganz dieser an. Die Temperaturzonen der Erde kann man an den Pflanzen ebenfalls gut erkennen, da sich Nadelgehölz vor allem in den kühleren Breiten geraden durchsetzt wo Laubgehölz dazu nicht mehr in der Lage ist. Desto kälter oder wärmer es wird desto dünner oder stärker wird die Vegetation, doch nicht nur die Anzahl sondern auch ihre Zusammensetzung ändert sich da es pflanzen gibt die gewiße Temperaturen benötigen oder eben nicht, doch auch die Waßermenge ist für Pflanzen stark außchlaggebend.
Ganz ähnlich sieht es mit der Höhenzonierung aus, desto höher man in einem Gebirge kommt desto dünner wird die Vegetation, nur noch pflanzen die mit dem dünnen Sauerstoff und den niedrigeren Temperaturen auskommen können in den höheren Lagen wachsen, bis es schließlich auch diesen zu kalt wird.
Pflanzen die Frost überstehen müßen enthalten oft gelöste Stoffe als Gefrierschutz um nicht einzufrieren. Auch Enzyme katalysieren hier Proteinproduktionen um die Pflanze in den kalten Tagen zu schützen.
Vor Hitze schützen sich Pflanzen mit Hilfe er Stomata, läßt der Waßervorrat es zu so werden die Stomata weit geöffnet und stark Transpiration betrieben um die Pflanzen runter zu kühlen.
In den Mittleren Breitengeraden ist vor allem der Laubabwurf der Bäume als Anpaßung an die kalte Jahreszeit bekannt. Sie werfen ihre Blätter ab um einzig und alleine ihr überdauerungsorgan den Stamm versorgen- und am Leben erhalten zu müßen. Zu den überdauerungsorganen zählen auch Zwiebeln, Knollen oder Samen.
Allgemein kann man sagen, daß die Temperatur auf folgende Aspekte der Pflanze Einfluß nimmt:

ökofaktor Licht
Einfluß von Licht auf Pflanzen
Der bekannteste Einfluß von Licht auf Pflanzen ist wohl am Wald zu beobachten. Der Stockwerkebau.
Ganz oben wo sich die Baumkronen befinden und die ersten Sonnen- also Lichtstrahlen empfangen ist die Baumschicht. Darunter folgt die Strauchschicht bis ungefähr 5 Meter. Hier fällt nur noch das Licht, welches die Baumkronen durch laßen. Unter der Strauchschicht liegt die Krautschicht hier wachsen Kräuter und Farne, welche schon nur noch wenig Licht für die Fotosynthese benötigen. Die Boden- oder auch Mooßchicht schließt das ganze ab.
Grundsätzlich gilt für den Wald je wenige Baumschicht desto mehr Strauchschicht. Je weniger Strauchschicht desto mehr Krautschicht. So zieht sich das Ganze dann bis nach unten.
Durch Licht- und Schattenblätter paßen sich die Pflanzen ebenfalls an unterschiedliche Lichtverhältniße an.
Bäume besitzen also Sonnen- und Schattenblätter. Wie der Name schon sagt sind die Sonnen oder auch Lichtblätter genannt zur Sonnen hin in Sonnige Bereichen der Baumkrone positioniert. Die Schattenblätter hingegen in den weniger bestrahlen Bereichen.
Grund dafür ist, daß sich für den Baum Blätter nur lohnen, wenn sie für ihn eine positive Stoffbilanz ergeben. Das bedeutet, daß die Blätter nicht mehr Energie in Bildung und Versorgung kosten dürfen, als sie auch wieder durch Fotosynthese herstellen.
Blätter welche sich in schattigen Bereichen der Baumkrone befinden, werden nicht so stark durchleuchtet, wie Blätter, welche starker Sonnenstrahlung, in sonnigen Bereichen ausgesetzt werden. Daher sind Schattenblätter eher schlank und dünn, denn die Sonnenstrahlen dringen ohne hin nicht tief in das Blatt ein. Während das Blatt dick würden in tieferen Zellschichten befindliche Chloroplasten ohnehin keine Fotosynthese betreiben können das sie von den Sonnenstrahlen nicht erreicht würden, es würde den Baum nur Energie kosten die Zellen zu erhalten, und logischerweise würde das Blatt keine positive Stoffbilanz erreichen können. Sonnenblätter hingegen sind dick und weisen mehrere Zellschichten von Chloroplasten auf, da die Lichtstrahlen hier tief in das Blatt gelangen und auch noch tiefer liegend Chloroplasten Photosynthese betreiben.

Zu dieser Anpaßung paßend gibt es Schatten- und Sonnengewächse. Logischerweise besitzen Schattengewächse die zum Beispiel in der Mooßchicht wachsen können vermehrt Schattenblätter, während Sonnengewächse vermehrt Sonnen- oder auch Lichtblätter besitzen um die positive Stoffbilanz zu halten. Lichtpflanzen kann man aber durch die Sonnenblätterstruktur als stärker von der Sonne abhängig bezeichnen. Wenn die Sonne scheint und die Strahlen auf die Blätter treffen wird stark Fotosynthese betrieben, scheint die Sonne jedoch einen Tag einmal nicht geht die Stoffbilanz des Baumes stark zurück, denn nun arbeiten deutlich weniger Zellen, da das gewöhnliche Tageslicht nur die obersten Zellschichten erreicht, weiter unten liegende Zellen müßen dennoch versorgt werden.
Schattenpflanzen haben hier einen Vorteil, die Chloroplasten betreiben auch an sonnigen Tagen nur konstant weniger Photosynthese, so daß das Gewächs gerade so eine positive Stoffbilanz hat, diese ändert sich dann auch nicht ganz so sonnigen Tagen nicht.

Schattenblatt Sonnenblatt

Licht als physiologisches Steuerungßignal bei Pflanzen:
Licht steuert den Rhythmus von Pflanzen, da Pflanzen für die Fotosynthese Licht benötigen.
Die Abhängigkeit von Licht (Helligkeit oder Dunkelheit ) bei Pflanzen in Bezug auf Wachstum und Entwicklung bezeichnet man als Fotoperiodismus.
Es gibt die sogenannten Kurztagpflanzen sie bilden Blüten schon bei Lichtperioden unter 12 Stunden. Langtagpflanzen benötigen für die Blütenbildung eine Beleuchtungszeit von über 12 Stunden. Die Tagneutralen Pflanzen bilden ihre Blüten unabhängig von der Beleuchtungszeit.
Auch die Samenkeimung ist durch das Licht beeinflußt. Es gibt Licht- und Dunkelkeime welche auf bestimmte Wellenlängen des Lichtes reagieren und beginnen zu Keimen.

ökofaktor Waßer
Anpaßung von Pflanzen an den Waßerhaushalt
Eine Pflanze muß zum Dauerhaften überleben in ihrem Biotop eine positive Waßerbilanz haben. Das bedeutet, daß sie nicht mehr Waßer durch Transpiration verlieren darf, als sie über die Wurzeln und gegeben falls Blätter aufnimmt. Die Waßerabgabe eine Pflanze erfolgt zum einen Teil über die Stomata (die Spaltöffnungen) zu 2-25% jedoch auch über die Epidermis. Kann nicht genügend Waßer aufgenommen werden um diesen Verlust aus zu gleichen, steigt der Osmotische Druck in der Pflanze, was verschiedenen Pflanzen nur bis zu einem bestimmten Wert aushalten.
Um sich verschiedenen Feuchtigkeitsgraden an zu paßen, gibt es unterschiedlich aufgebaute Blätter, die verschiedene Pflanzen an unterschiedlichen Feuchtigkeitsgraden, typisch auszeichnen.
Die Waßerpflanze auch Hydrophyt genannt hat eine ziemlich dünne Epidermis und statt einer Waßerleitung durchziehen oft sogenannte Aerenchyme, Luftleitungen die Pflanze. Dadurch sind sie an große Waßermengen angepaßt und können viel Waßer schnell wieder abgeben.
Feuchtpflanzen oder auch Hygrophyten haben ebenfalls große dünne Blätter mit dünnerer Epidermis. Die Blätter sind oft mit lebenden Haare besetzt und die Stomata herausgehoben. Zusätzlich besitzen die Hygrophyten sogenannte Hydathoden (waßerspalten), welche es der Pflanze ermöglichen auch bei hoher Luftfeuchtigkeit noch Waßer abzugeben. Diesen Vorgang nennt man Guttation. Insgesamt sorgt dies für eine starke Transpirationsleistung, so daß auch bei diesen Pflanzen niemals zu viel Waßer in der Pflanze ist.
Trockenpflanzen oder auch Xerophyten hingegen sind an trockene Zeiten gut angepaßt. Sie haben eher kleine verdornte Blätter und eine dicke Cuticula die möglichst wenig Waßer Abgabe zuläßt. Außerdem schützen tote Haare auf den Blättern und eingesenkte Stomata vor einem zu großen Waßerverlust.
Waßerspeichernde Pflanzen, so genannte Sukkulenten haben ebenfalls die Eigenschaften der Xerophyten, zusätzlich jedoch sind sie noch dazu in der Lage in Sproß oder Blättern Waßer zu speichern.
Eine Unterart der Waßerspeichernden Pflanzen, sind die Stammsukkulenten. Diese haben größten Teils Dornen, die Fotosynthese findet hier im Stamm der Pflanze statt.

Xerophyten und Hygrophyten im Vergleich:

Xerophyten Hygrophyten
Tote Haare
Dicke Cuticula
Eingesenkte Stomata
Mehrschichtige Epidermis
--> Verringerung der Transpiration
Kleine Dicke Blätter sorgen für eine geringer Oberfläche, welche weniger Waßer verliert (Vergleich Temperatur Bergmannsche Regel)
Gegebenenfalls werden Waßerspeicher ausgebildet und die Fotosynthese in den Stamm verlagert
Lebende Haare
Dünne oder sogar gar keine Cuticula
Herausgehobene Stomata, ebenfalls mehr Stomata (Anzahl)
-->Erhöhung der Transpiration
Dünnere und größere Blätter sorgen für eine Größere Oberfläche, über die mehr Waßer abgegeben werden kann

Allgemein kann man sagen, daß es unzählbar viele verschiedene Einflüße gibt, die auf eine Art oder auch nur auf ein einzelnes Individuum einwirken. Dies ist daher Grafisch nicht darstellbar, da mehr als drei Dimensionen vorhanden sein müßten.
Um eine Art genauer zu analysieren, werden meist ein bis zwei Faktoren unter Laborbedingungen untersucht und diese Werte verwendet, denn die Realität nach zu spielen ist unmöglich.
Allgemein gilt aber, nach dem Gesetzt des Minimums, daß der Umweltfaktor, welcher am weitesten vom Optimum entfernt ist als Limitierender Faktor dient. Ist diese Reßource ausgeschöpft kann es von anderem noch so viel werden, und die Population könnte auf Grund Ermangelung der anderen Reßource nicht größer werden.

Biotische Faktoren
Konkurrenz Die Konkurrenz kann wie zu Beginn des Themas schon erwähnt sowohl innerartlich also intraspezifisch oder interspezifisch also zwischenartlich stattfinden.
Konkurrenz kann um viele verschiedene Dinge gehen innerartlich um Nahrung, Paarungspartner, oder Aufzuchtorte. Zwischenartlich kann ebenfalls Nahrung Objekt der Konkurrenz sein.
Das sogenannte Konkurrenzaußchlußprinzip sagt aus, daß Arten mit völlig oder annähernd gleichen Ansprüchen an ihre Umwelt auf Dauer nicht im selben Lebensraum existieren können. Es gibt immer einen Konkurrenz schwächeren und einen Konkurrenzstärkeren.
Konkurrezschwächere Arten müßen dann den Raum ihres Physiologischen Optimums verlaßen. Dieser Raum entspricht dem Präferendum in der grafischen Darstellung bezogen auf alle Umwelteinflüße. Die Art spezialisiert sich dann auf einen Raum der immer noch im Toleranzbereich liegt und die Konkurrenz außchließt, so daß die Art sich nun hier am besten Fortpflanzen kann es entwickelt sich quasi ein angepaßtes neues präferendum. Das sogenannte ökologische Optimum. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als einnischung.
Durch das Konkurrenzaußchlußverfahren wird eine Art aus dem Physiologischen Optimum verdrängt und im Toleranzbereich siedelt es sich am ökologischen Optimum an. Hier spezialisiert es sich um sich in den zunächst nicht unbedingt optimalen Bedingungen dennoch gut überleben zu können. Aus einer solchen Situation können über Jahrtausende auch neue Arten entstehen. Das Individuum nischt sich ein, was bedeutet, daß es sich in Bezug auf einen Umwelteinfluß anpaßt.

Allgemein bezeichnet man als eine ökologische Nische als die Gesamtheit aller Beziehungen zwischen einer Art und ihrer Umwelt. Diese Nische setzt sich allerdings aus den verschiedensten kleineren Nischen, wie zum Beispiel der Brutnische oder der Nahrungsnische zusammen.
Die Fundamentalnische ist dabei die Nische und damit die Lebensweise an dem Ort, wo für die Art das Physiologische Optimum herrschen würde.
Diese Situation kann man für eine Art jedoch nur unter Laborbedingungen herstellen in der Realität zählt die Realnische für die Arten. Denn diese gibt die Lebensweise und Orte an wo eine Art auch unter Einfluß von Konkurrenz noch existieren kann.
Es gibt Arten sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren die Stellenäquivalent bezeichnet werden. Das bedeutet, daß sie eine übereinstimmende oder zumindest sehr ähnlichen ökologischen Nische haben und ausleben. Dies jedoch in unterschiedlichen Biotopen, so daß sie nicht gegenseitig darum konkurrieren.

Um Konkurrenz zu vermeiden gibt es also die sogenannte einnischung. Außerdem jedoch können auch innerartlich verschiedene Anpaßungen von statten gehen die ein Leben nebeneinander möglich machen. Zum einen gibt es das bekannte Prinzip der Revierbildung. Zum Anderem können wie es zum Beispiel vom Frosch bekannt ist verschieden alte Tiere unterschiedliche Biotope und völlig unterschiedliche Reßourcen beanspruchen. Außerdem kann der Sexualdimorphismus auftreten. Das bedeutet, daß die Geschlechter einer Art unterschiedliche Ansprüche an ihre Umwelt haben und die Tiere somit nebeneinander her leben können ohne Konkurrenten zu werden. Beispielsweise können sie sich in ihrer Körpergröße und damit in der Größe der Beute unterscheiden. Als Ergebnis nutzen sie unterschiedliche Reßourcen.

Populationsökologie
Eine Population ist wie zuvor schon definiert eine Gruppe Artgleicher Individuen in einem Biotop mit dem Ziel des dauerhaften überlebens.
Wichtig für die Populationsökologie sind die folgenden Werte:
Populationsgröße: Gesamtanzahl der Population.
Populationsdichte: Anzahl der Individuen einer Population pro Flächeninhalt.
Geburten/Sterberate: Durchschnittlicher Nachwuchs/ Durchschnittliche Sterbezahl pro Individuum und Zeit.
Zuwachsrate (mit r abgekürzt): Berechnung durch Abzug der Sterberate von der Geburtenrate.
Umweltkapaziät oder auch ökologisches Faßungsvermögen (mit k abgekürzt): Die Maximale Anzahl einer Art die in einem Lebensraum leben kann.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Einfluß auf eine Population. Zum einen die Dichteunabhängigen Einflüße die sogenannten Fluktuationen. Diese sind wie der Name schon sagt von der Dichte der Population unabhängig. Dazu zählen zum Beispiel Umwelteinflüße wie Naturkatastrophen oder im Allgemeinen schlechte Wetterbedingungen die eine Population in einem Jahr klein halten und im anderen Jahr dafür groß werden laßen.
Der andere Einfluß der Dichteabhängige Einfluß wird auch als Oszillation bezeichnet. Hier drunter versteht man die Einflüße die Individuen einer Art gegenseitig aufeinander haben. Dabei treffen wir wieder insbesondere auf die Intraspezifische Konkurrenz.

Zum Wachstum einer Population gibt es drei verschiedene Modelle wo von das zu letzt aufgeführte, das ist was die höchste Richtigkeit aufweist.

  1. Lineares Wachstums Modell
  2. Exponentielles Wachstumsmodell (Stimmt auf bestimmte Zeiten/Stellen)
  3. Logistisches Wachstumsmodell (Siehe Skizze)
Wachstum

Lotka Volterra Regeln: Räuber Beute Beziehungen

  1. Populationsgrößen von Räuber und Beute schwanken periodisch um einen Mittelwert. Hohe Beutedichten gehen hohen Räuberdichten voran.
  2. Durchschnittsgrößen bleiben trotz Schwankungen langfristig konstant, sofern keine anderen abiotischen oder biotischen Faktoren sich verändern, wegbleiben oder hinzukommen.
  3. Nach starker Dezimierung sowohl der Beute- als auch der Räuberpopulation, erholt sich die Beutepopulation zuerst. (Räuber kann ohne Beute nicht überleben)

Regelkreise und das ökologische Gleichgewicht
Bei den sogenannten Regelkreisen und dem ökologischen Gleichgewicht geht man vor allem auf die Tierischen Beziehungen und deren gegenseitigen Einfluß ein.
Eine je mehr – desto mehr – Beziehung wird durch einen Pfeil mit einem aufgesetzten plus dargestellt (siehe Abbildung).

Man bezeichnet dies auch als positive Rückkopplung.

Regelkriespfeile

Eine je weniger – desto weniger – Beziehung wird durch einen Pfeil mit einem aufgesetzten minus dargestellt (siehe Abbildung).
Dies wiederrum wird auch als negative Rückkopplung bezeichnet.
Ein Regelkreis liegt jedoch allgemein nur dann vor, wenn es eine ungerade Zahl von negativen Rückkopplungen vorliegt. Das bedeutet, daß ein Regelkreis nur vorliegt wenn Populationen über einen längeren Zeitraum konstant bei einem Mittelwert bleiben.

Räuber – Beute – Beziehung oder Prädation
Strategien um die Räuber – Beute – Beziehung für das eigene überleben sicher zu machen:
Beute:

Safty in nummbers:
In Gruppen ist die Gefahr für das einzelne Individuum geringer.

Schwarmeffekt:
Durch die Maße kann der Feind kaum ein einzelnes Tier lokalisieren, die Menge ist zu schwer anzugreifen.

Viele- Augen – Prinzip:
Mehr Augen sehen mehr als wenige. Der Feind kann dadurch schneller entdeckt werden.

Mechanische Schutzeinrichtungen:

Räuber:
Monophag: Der Jäger spezialisiert sich auf eine Beuteart welche er jedoch besonders erfolgreich jagt.
Oligophag: Der Räuber hat wenige Beutearten, welche er jagt.
Polyphag: Der Räuber hat viele Beutearten zwischen denen er je nach Situation wechseln kann.

Räuber Methoden:
Ansitzstrategie: Abwarten, Auflauern und überraschen.
Verfolgungßtrategie: Aufsuchen und zu Tode hetzten.
Fallensteller: Netzspannen und Beute rein locken (Spinnen).
Revierverhalten/ Territorialität: Räuber grenzen sich für gewöhnlich ein Gebiet ab, mit dem sie sich selber ernähren können, und verteidigen dies. Dies dient dem Erhalt der eigenen Beute, so daß es dem Tier nicht paßieren kann, daß die eigene Beute ausgeht.

K- und R- Strategen
Zu Beginn ist zu definieren, daß k für ökologisches Faßungsvermögen oder auch Umweltkapazität steht, während r für die Wachstumsrate steht.
Sogenannte R-Strategen sind dem zu folg Individuen welche das überleben ihrer Art sichern in dem eine hohe Wachstumsrate vorliegt.
R- Strategen sind Konkurrenzschwach und investieren die meiste Energie in die Fortpflanzung und die dafür notwendigen Produkte, wie zum Beispiel bei Pflanzen die Blüten, um eine größtmögliche Population zu „produzieren“ und zu erhalten. Dementsprechend wird Wert auf viele Nachkommen, mit dem Preis einer hohen und schnellen Sterblichkeit gelegt. Auf Grund dieser Kurzlebigkeit brauchen R-Strategen kaum Entwicklungszeit sie sind schnelllebig und wenig Ort treu, ihre Populationsgröße in einem Biotop schwankt stark.
K-Strategen hingegen sind Konkurrenz stark. Sie legen Wert darauf die ökologischen Gegebenheiten optimal auszunutzen und dadurch die Lebensdauer möglichst lang zu halten.
Die meiste Energie wird also offensichtlich in überdauerungs- und Speicherorgane gegeben. Dem entsprechend kommen nur wenige Nachkommen zustande.
K-Strategen sind also wesentlich langlebiger als R-Strategen und leben daher auch in dauerhaft gegebenen Lebensräumen wie dem Meer. R-Strategen sind dagegen zum beispiel in Pfützen zu finden.
Auf Grund ihrer Langlebigkeit benötigen sie auch wesentlich mehr Entwicklungszeit und sorgen dem entsprechend für die Entwicklung der Nachkommen.
K-Strategen sind Orts treu und sind meist durch konstanten Populationsgrößen ausgezeichnet.
Sie sichern ihr überleben also durch Selektion der optimalen Ausnutzung der Umweltkapazität.
R-Strategen erhalten ihre Population durch Selektion einer hohen Wachstumsrate.

Biotische Faktoren Tabellarisch im überblick

Wechselbeziehung Definition / Beispiel Auswirkungn aif Art I Auswirkungen auf Art II
Konkurrenz Wettbewerb von Organismen um den Anteil an einer begrenzten Reßource (z.B. Nahrung ect.) kann innerhalb einer Art auftreten (Intraspezifisch) oder zwischen verschiedenen Arten (Interspezifisch). negativ negativ
Prädation Interspezifische Beziehung, bei der sich Individuen einer Art (Prädatoren) von einigen bis vielen Individuen anderer Spezies (Beute) ernähren. positiv negativ
Karpose / Kommensalismus Interspezifische Beziehung bei der ein Partner einen Vorteil aus der Beziehung zieht der andere jedoch nicht erkennbar benachteiligt ist. Bei der Karpose ist ein direkter Kontakt vorhanden, außerdem bezieht sich der Kommensalismus vor allem auf Nahrung. positiv /
Amensalismus Interspezifisch Beziehung, bei der ein Beteiligter geschädigt wird, während der andere unbeeinflußt bleibt. negativ /
Symbiose / Mutualismus Interspezifische Beziehung, die für beide Beteiligte von Nutzen ist und im Regelfall zu einer dauerhaften obligate (Symbiose) oder fakultativen (Mutualismus) Lebensgemeinschaft führt. Es gibt die Unterscheidung von Ekto und Endo wie bei den Parasiten. positiv positiv
Parasitismus Interspezifische Beziehung, bei der ein Partner (Parasit) auf Kosten des anderen (Wirt) einseitig Nutzen zieht. Auch hier gibt es die Unterscheidung in Endo und Ekto. positiv negativ
Geschlechtspartnerlichebeziehung Intraspezifische Beziehung mit dem Ziel der Arterhaltung positiv positiv

Interspezifische Beziehungen im ökosystem
Mutualismus und Symbiose
Mutualismus bedeutet, daß zwei unterschiedliche Arten sich bei einer Begegnung gegenseitig unterstützen. Für beide Arten hat diese Beziehung positive Folgen. Dennoch sind beide Arten nicht von der anderen Abhängig. Als Beispiel kann man das Nashorn nennen welches sich gerne vom Madenhacker Parasiten vom Rücken picken läßt.
Symbiose bedeutet, daß sich zwei verschiedene Arten so Grundlegend gegenseitig unterstützen, daß sie sogar voneinander abhängig sind. Hier sind als Beispiel Pilze und Waldbäume mit ihrem Mineralienaustausch zu nennen.


Parasitismus:
Es gibt verschiedene Arten von Parasitismus.
Der sogenannte Ektoparasitismus bezeichnet die Situation in der sich eine Art der anderen aufzwingt. Wobei nur die sich aufzwingende Art ihren Nutzen aus der Situation zieht. Ekto bedeutet, daß der Parasit sich außerhalb des „befallenen“ Körpers befindet. Hier kann man als Beispiel Zecken nennen.
Beim sogenannten Endoparasitismus liegt dieselbe Situation wie zuvor beim Ektoparasitismus vor. Der Unterschied besteht darin, daß der Parasit sich nun innerhalb des „befallenen“ Tieres befindet. Bandwürmer sind hier als Beispiel zu nennen.
Das jeweils „befallene“ Tier kann man auch als Wirt bezeichnen. In einem ökosystem kann es für einen Parasiten Wirte, Zwischenwirte und Endwirte geben. Der Parasit bestreitet dann vom Zwischenwirt zum Endwirt einen sogenannten Wirtwechsel.
Ein Beispiel ist in der Skizze zu sehen.

beispielwirtskreis

Karpose:
Unter Karpose läßt sich eine Beziehung zweier Arten verstehen, in der nur einer der beiden Beteiligten einen Nutzen hat. Dem anderen Beteiligten fügt es jedoch keinen Schaden zu. In dieser Wechselbeziehung stehen die beiden Arten in direktem Kontakt zu einander.

Kommensalismus:
Der Kommensalismus beschreibt die gleiche Situation wie die Karpose, mit dem Unterschied, daß die beiden beteiligten Arten hier keinen direkten Kontakt zu einander haben.
Hier kann man große und kleine junge nebeneinanderstehende Bäume nehmen. Die großen schützen die jüngeren vor Wetter Einflüßen. Die großen Bäume selber haben davon weder Vor- noch Nachteile.

Amensalismus:
Amensalißmus bezeichnet eine Beziehung zweier Arten in der ein beteiligter geschädigt wird während der andere beteiligte werde positive noch negative Folgen zu spüren bekommt. Dies könnte zum Beispiel eine Elefanten Herde sein, die durch Gebüsche läuft und diese dabei zerstört.

Beziehungen zwischen den Geschlechtspartnern
Intraspezifische Beziehungen zweier Geschlechtspartner dienen der Erhaltung der Art durch Fortpflanzung.
Um dieses Ziel zu erreichen oder zunächst die Beziehung herzustellen gibt es bei den unterschiedlichsten Arten unterschiedlichste Techniken.
Als wichtiger Fachbegriff sind hier zu Nächst die Pheromone zu nennen. Das sind Signalstoffe eine Geschlechtspartners welche das geschlechtliche Verhalten des anderen ändern und steuern sollen.
Sehr bekannt ist das Pheromon Biolumineszenz.
Unter Biolumineszenz versteht man die Lichterzeugung durch eine chemische Reaktion wie es etwa die Glühwürmchen tun.
Haben sich die Geschlechtspartner gefunden verhalten sich verschiedene Arten unterschiedlich.
Es gibt die sogenannten Dauerehen. Das bedeutet, daß sich ein Paar, nach dem es sich gefunden hat nicht mehr wieder trennt.
Saisonehe bedeutet, daß die beiden Partner für die Aufzucht der Jungen noch zusammen bleiben.
Oft ist es aber auch so, daß die Tiere lediglich für die Fortpflanzungszeit zusammen sind.

Beziehung zu den Nachkommen
Die Beziehung zu den Nachkommen hat oft etwas damit zu tun wie die Geschlechtspartner sich in Bezug auf die Dauer ihres Zusammenlebens verhalten.
Arten welche eine Dauerehe ausleben kümmern sich wahrscheinlich länger und fürsorglicher um ihren Nachwuchs als Arten, welche sich lediglich in der Paarungszeit zusammen tun. Dies geht ganz logisch aus den Möglichkeiten der Tiere hervor. Zwei können sich beßer kümmern als einer. Dies ist jedoch längst keine Regel.
Allgemein läßt sich die Beziehungßituation in zwei Fachbegriffe untergliedern.
Bei der Brutfürsorge versuchen die Eltern bei der Ablage oder dem verstecken des Nachwuchses einen möglichst günstigen als versteckten aber Nahrungsreichen Ort zu finden, die kleinen sind jedoch dann von Geburt an auf sich gestellt.
Tiere welche die Brutpflege ausleben kümmern sich stärker um ihren Nachwuchs.
Hier füttern die Eltern ihre Jungen beispielsweis noch nach dem Schlupf oder brüten überhaupt die Eier aus, was auch nicht längst alle Arten tun.
Insbesondere bei Vögeln ist die sogenannte Prägung von Jungtieren auf ihre Eltern bei der Brutpflege gut zu beobachten. Prägung bedeutet, daß die Jungtiere sich Geruch, Außehen und Bewegungsabläufe der Versorger gut einprägen und sich dadurch entwickeln, in dem sie ihre Bewegungsabläufe nach ahmen.

Leben in Tierverbänden
Es gibt bei in Gruppen oder in Schwärmen lebenden Tieren einige unterschiedliche Formen.
Als Familienverbände bezeichnet man Tiergruppen die sich aus Eltern und ihren Nachkommen für längere Zeit zusammensetzten. Sippenverbände sind Tiergruppen in denen die Familie über mehrere Generationen als eine Gruppe bestehen bleibt.
Auch kann man das Ganze in anonyme- oder Individualisierte Verbände einteilen.
Bei Individualisierten Verbänden herrscht oft auch eine viel genauere uns strengere Rangordnung. Zudem sind die Gruppen kleiner als bei anonymen Verbänden.
Es gibt auch Tiere welche nur zeitweise, wenn es sich anbietet in Gruppen leben, aber auch gut alleine überleben können. Sie bilden dann zeitweise sogenannte Zweckgemeinschaften. Tiere welche in dieser Form leben durchleben oft auch den sogenannten Phasendimorphismus. Das bedeutet, daß die Tiere je nach dem in welcher Situation sie gerade sind, also ob sie in der Gruppe oder alleine unterwegs sind, anders außehen.
Bei in Tierverbänden lebenden Tieren kommt es bei zu großen Gruppen oft zur Intraspezifischen Konkurrenz. Das führt dazu, daß Tiere Territorien bilden und teilweise eine Emigration durchführen. Das bedeutet, daß sich die Tiere neue Lebensräume suchen, da der Ursprüngliche zu klein wird.
Die Nahrungsverknappung ist eine sich selbsterklärende Folge bei zu vielen Tieren welche oft schon als Limitierender Faktor wirkt bevor Tiere emigrieren.
Es kann zum Kannibalismus und zum Shock-disease-syndrom kommen auf Grund des Gedränge Faktors.

Nahrungsnetze
Das sogenannte Nahrungsnetzt in einem ökosystem setzt sich aus verschiedenen sich meist gegenseitig beeinflußenden Nahrungsketten zusammen.
Die klaßische Nahrungskette besteht aus dem Produzenten am Anfang, dem Primärkonsumenten oder auch dem Konsumenten erster Ordnung, dem Sekundär Konsumenten oder dem Konsumenten zweiter Ordnung, dem Tertiärkonsumenten oder dem Konsumenten dritter Ordnung usw. bis schließlich die gesamte Nahrungskette den Endkonsumente erreicht.
Diese Stufen bezeichnet man auch als Trophiestufen, die sich sehr lange ziehen laßen können.
Die sogenannten Destruenten gehören auch in diese Kategorisierung der Trophiestufen. Sie stehen am Ende aller, da die Destruenten die Gruppe der Zersetzter bilden. Unter Destruenten versteht man die Bakterien, welche totes organisches Material im Boden zersetzten.
Bei der sogenannten Tracer-methode werden bestimmten Organismen radioaktiv „eingefärbt“ so daß man ihre Laufbahn durch das Nahrungsnetzt nachvollziehen und seiner Schlüße ziehen kann.
Betrachtet man die Anzahl der in die Trophiestufen kategorisierten Tiere, und vergleicht diese, so stellt man fest, daß die Trophiestufen eine Pyramide bilden. Produzenten sind unten mit der größten Population. Darauf folgen dann Primärkonsumenten, dann Sekundärkonsumenten und Tertiärkonsumenten und so weiter.

Energiefluß durch ein ökosystem
Durch das ökosystem und somit durch die verschiedenen Trophiestufen fließt Energie durch Nahrungsaufnahme.
Ganz logisch zu Schlußfolgern ist: Die Pflanze wächst durch Energie, welche sie durch die Fotosynthese gewinnt. Einen Teil der Energie speichert sie auch ab.
Frißt ein Tier nun die Pflanze nimmt es die Energie auf die die Pflanze abgespeichert hat. Wird dieses Tier wiederrum von einem anderen gefreßen nimmt dieses den Teil der Energie der Pflanze auf, welchen der Primärkonsument noch nicht verbraucht oder wieder ausgeschieden hat.
Man sagt, daß der Primär Konsument 10% der produzierten Energie der Pflanze auf nimmt während der Sekundär Konsument von diesem Betrag wiederrum 10% aufnimmt.
Logische Folgerung ist daher, desto weiter hinten ein Tier in der Nahrungskette oder dem Nahrungsnetzt steht, desto mehr muß es freßen um ausreichend Energie auf zu nehmen.

Energiefluß

ökosystem See

Das ökosystem See ist auf Grund seiner Seltenheit sehr intereßant. Selten deshalb da es nur 0,5% Süßwaßer auf der Erde gibt das durch die Seen gebildet wird. Und dennoch ist das ökosystem See von entscheidender Bedeutung.
Allgemein wird der See sowohl vertikal als auch Horizontal gegliedert.
Die Vertikale Gliederung verläuft vom Ufer bis in die tieferen Zonen des Sees.
Man spricht von dem sogenannten Litoral im Uferbereich, einem Mittel oder Grenzbereich bei 7 bis 30 Metern je nach tiefe und Waßerqualität des Sees, welcher als Kompensationsebene bezeichnet wird und daraus folgende von einem Profundal welches die Tiefenzonen des Sees bezeichnet. Das Benthal ist hierbei die Bodenzone während die Freiwaßerzone als Pelagial bezeichnet wird.
Geht man die Waßertiefen ab, so kann man den See ebenfalls mit Hilfe von Sauerstoffgehalt und Lichtintensität in drei verschiedene Zonen einteilen. Oben befindet sich die trophogene Nährschicht. Sie wird durch die eben schon genannte Kompensationßchicht von der tropholytischen Zehrschicht getrennt. Wie die Namen schon erklären wird in der oberen trophgenen Nährschicht durch genügend Lichtintensität und dementsprechend genügend Pflanzenbewuchs genügend Fotosynthese betrieben, um den Sauerstoffgehalt in den oberen Seeschichten hoch zu halten.
Unter der Kompensationßchicht ist die Fotosynthese auf Grund zu geringer Lichteinstrahlung nicht mehr möglich. Die Organismen, die hier leben verzehren Sauerstoff und sind auf die Produktion in den oberen Bereichen angewiesen. Für gewöhnlich sind sie auch an niedrigere Sauerstoffgehalte angepaßt.
Die Horizontale Gliederung ergibt sich aus dem Pflanzenbewuchs, welcher wiederrum stark von der Lichtintensität abhängt.
In den nur feuchten aber noch nicht dauerhaft Unterwaßer stehenden Bereichen stehen oft noch feste Bäume. Diese Zone bezeichnet man als Bruchwaldzone.
Auf die Bruchwaldzone folgt Richtung See die Röhricht Zone. Die Pflanzen die hier am Seeufer wachsen besitzen schon für den Sauerstoffarm werdenden Boden Durchlüftungsgewebe.
Bis zu 4 Metern Waßertiefe befindet sich die Schwimmblattzone. Die hier wohl bekannteste Pflanze ist die Seerose. Ihre Blätter schwimmen für di Fotosynthese oben auf dem Waßer auf. Fotosynthese wird dem entsprechend auch nur auf der Oberseite betrieben. Auch liegen nur auf dieser Seite die Spaltöffnungen für die Transpiration.
In tieferen Zonen folgt dann die sogenannte Tauchblattzone. Pflanzen die hier wachsen, wachsen vollständig unter Waßer. Extrem dünne Epidermis laßen einen starken Waßer und Mineralstoffaustausch zu. Außerdem sind die Pflanzen durch ein gutes Durchlüftungsgewebe angepaßt, welche den Blättern der Pflanze erlaubt nach oben Richtung Licht „aufzusteigen“.

Die verschiedenen Zonen werden von verschieden angepaßte Tiere bewohnt. Einfach zu merken ist, daß die Bodenzone also das Benthal von dem sogenannten Benthon besiedelt wird. Plankton besiedelt die trophogene Nährschicht, da es auch Fotosynthese betreibt. Nekton sind Tiere wie Plankton aber auch größer, sie leben auch unterhalb der Kompensationßchicht, da sie keine Fotosynthese betreiben. Fische kann man zum Beispiel zum Nekton dazu zählen.
Typische Bewohner für den See sind Pleuston und Neuston.
Sie kommen vor allem hier vor, da der See für gewöhnlich keine Strömung wie ein Bach oder Fluß oder Wellen wie ein Meer hat. Die Waßeroberfläche ist verhältnismäßig ruhig. Das ist wichtig denn genau hier leben die Tiere dieser Kategorie.
Während das Pleuston auf der Waßeroberfläche läuft (Waßerläufer), hängt das Neuston „von unten“ an der Waßeroberfläche (Larven).

Nahrungsbeziehungen in einem ökosystem (Beispiel See)
Nahrungskette:
Produzenten → Primärkonsumenten / Konsumenten 1. Ordnung → Sekundärkonsumenten / Konsumenten 2. Ordnung → Tertiärkonsumenten / Konsumenten 3. Ordnung … → Endkonsumenten → Destruenten

Eine Nahrungskette kann man am besten an einem typischen Beispiel erläutern.
Nimmt man die Löwenzahnpflanze. Diese gewinnt ihre Nährstoffe aus dem Boden oder produziert sie selber, sie ist also ein Produzent. Allgemein kann man fast alle Pflanzen als Produzenten eingliedern.
Der auf dem Feld wachsende Löwenzahn wird nun vom Feldhasen gefreßen. Nimmt man hierbei direkt den Energiefluß in einem ökosystem auf kann man sich errechnen, daß der Feldhase bloß 10% der Energie aufnimmt, die der Löwenzahn ursprünglich produziert hat. Dies liegt daran, daß der Löwenzahn selber schon einen großen Teil verwertet hat.
Da der Feldhase erst zu Dämmerungszeiten ein Versteck sucht findet ein Fuchs ihn bereits bevor er sich verstecken konnte. Nach einer Hetzt jagt über das Feld voller Löwenzahn verliert der Hase schließlich und wird von dem Fuchs erlegt. Der Fuchs ist nun der zweite Konsument in der Nahrungskette, dementsprechend ist er der Sekundärkonsument. Er nimmt wieder bloß 10 % der jetzt noch verbleibenden Energie auf.
Eine Nacht später läuft der Fuchs dem Jäger in die Arme. Er soll momentan die überpopulation der Füchse im Wald bekämpfen und erschießt den Fuchs.
Da der Mensch den Fuchs strenggenommen nicht ißt kann man sich streiten ob man ihn als Konsumenten einordnet, doch da der Jäger ihn mit nimmt und das Fell verkauft wird der Mensch in dieser Kette als Endkonsument eingeordnet. In dieser Kette bekommen die Destruenten streng genommen nur die überbleibsel der Hasen und eventuell das Fuchsfleisch wenn es nicht verwertet wird. Doch würde ein Tier natürlicherweise sterben und verwesen würden die Destruenten also die zersetzter als Ende der Kette ins Spiel kommen.

Da der Fuchs aber beispielsweise auch von Produzenten lebt in dem er Beeren frißt und in diesem Fall als Primärkonsument gilt entsteht wenn man ein gesamtes ökosystem genauer betrachtet aus der Nahrungskette ein Nahrungsnetz. Allgemein werden die Einheiten des Nahrungsnetzes als Trophiestufen bezeichnet.
Da je mehr Konsumenten es gibt immer weniger Energie weiter gegeben wird eine immer größere Menge an Nahrung benötigt wird bauen sich die Trophiestufen in ihrer Quantität wie eine Pyramide auf. Das bedeutet das es in der Menge am meisten Produzenten gibt, es folgen die Primärkonsumenten und dann die Sekundärkonsumenten usw. Dies bezeichnet man als ökologische Pyramide. Man sagt auch die Phytomaße übersteigt die Zoomaße.
Die Phytomaße begrenzt somit die Zahle der Zoomaße und damit auch automatisch die Anzahl er Trophiestufen, wobei an zu merken ist, das es in Gewäßerökosystemen meist mehr Trophiestufen gibt als an Land.

Jahreszeitenschichtung in einem See
Der See ist zu den unterschiedlichen Jahreszeiten auf Grund unterschiedlicher Wetterverhältniße unterschiedlich geschichtet.
Im Frühling findet eine sogenannte Vollzirkulation statt. Das bedeutet, daß das Waßer im See vollständig Zirkuliert. Außchlaggebend dafür sind vor allem starker Wind und schwankende Temperaturen. Durch die Zirkulation kommt es zu einer Gleichmäßigen Verteilung von Nährstoffen und Sauerstoffen in allen Seetiefen.
Im Sommer nehmen die Winde ab und die Temperatur kontinuierlich zu. Das hat die Sommerstagnation zur Folge. Die Sonne erwärmt die Waßeroberfläche welche in diesem Kontext als Epillimnion bezeichnet wird.
Hier wird durch die viele Bestrahlung viel Fotosynthese betrieben und der Sauerstoffgehalt ist dem entsprechend hoch währen der CO2 Gehalt niedrig ist. Die Mitteschicht mit mittleren Temperaturen bezeichnet man als Metolimnion. Hier sind beide Stoffanteile einigermaßen ausgeglichen, da die Schicht noch genügend Sauerstoff von dem Epillimnion zur Verfügung gestellt bekommt. Die tiefste Schicht, welche jedoch nie kälter als 4 °C wird heißt Hypolimnion. Hier kommt kaum mehr Strahlung der Sonne an und auch die niedrigen Temperaturen sorgen dafür daß sich Pflanzen hier nur noch bedingt wohl fühlen. Hier ist der CO2 Gehalt durch die Zersetzungsprozeße am Seegrund entsprechende höher und der Sauerstoffgehalt durch den dauerhaften Verbraucher- aber nicht Produktionsprozeß geringer.
Im Herbst findet wie im Frühling wieder eine Vollzirkulation statt, so daß Co2 und Nährstoffe wieder gleichmäßig verteilt werden.
Wie zu erwarten folgt dann im Winter wieder eine Stagnation. Diesmal die Winterstagnation. Durch das Eis an der Oberfläche kann der Wind das Waßer nicht durchmischen. Auch hält das Eis Sonnenlicht vom See ab. Aus diesem Grund und da die Temperaturen zu niedrig sind wachsen keine Pflanzen und somit wird kein Sauerstoff produziert.
Am Seegrund sammelt sich je nach kälte des Winters mit 4 °C sogar das wärmste Waßer des Sees.

Eutrophierung
Eutrophierung ist die Anreicherung eines Gewäßers mit Mineral/Nährstoffen (z.B Nitrat und Phosphat)
Es gibt so genannte Oligotrophe (wenig nährende) Seen welche dementsprechend mit weniger Mineralstoffen angereichert sind.
Andersherum gibt es aber auch sogenannte Eutrophe (stark nährende) Seen welche dementsprechend mit vielen Mineralien angereichert sind.
In folgendem ist eine Tabelle zu finden, welche angibt welche Eigenschaften die beiden jeweiligen Seen formen/Stadien aufweisen.

Eigenschaften Oligotropher See Eutropher See
Nähstoffgehalt Gering Hoch
Biomaßeproduktion Nieddrig Hoch
Sauerstoffgehalt Hoch Unterscheidung zwischen Nähr- und Zehrschicht: Nährsch. : Hoch Zehrsch. : Niedrig Insgesamt: gering
Außehen/ Farbe Klar, bläulich Trüb, grünlich
Sichttiefe tief z.T. > 10m geringe Sichttiefe oft < 1m
Boden des Sees Kein Schlamm Starke Ablagerung (Faul)Schlamm
Uferbereich Wenig bewachsen Starkbewachsen

Das Molekül Waßer
Waßer ist in vielerlei Hinsicht ein ganz besonderes Molekül. Es erhält durch seine besonderen Eigenschaften den gesamten Planet Erde am Leben.
Allgemein kommt Waßer in drei Aggregatszuständen vor: flüßig, gasförmig und Fest.

Ein Waßermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Waßerstoffatomen.
H2O
Insgesamt ist das Waßermolekül neutral geladen, dennoch haben die einzelnen Atome bestimmte Ladungen, du diese sind unterschiedlich. Man bezeichnet das Waßermolekül daher auch als Dipol. Es gibt als zwei verschiedene Partialladungen (Teilladungen) im Waßermolekül. Im Bereich der Waßerstoffe bilden sich positive Partialladungen aus während im Bereich des Sauerstoffatoms eine negative Partialladung vertreten ist.

Auch in Bezug auf dich Dichte weist Waßer eine sehr spezielle Eigenschaft auf.
Im Regelfall ist es so, daß die Dichte eines Stoffes bei steigender Temperatur abnimmt. Waßer jedoch nimmt an Dichte bei schmelzen von unter 0°C auf 0°C ab. Ab 0 °C jedoch steigt die Dichte bis zum 4ten °C an. Bei 4 °C hat das Waßer die höchste Dichte. Das Erklärt auch, warum am Grund des Sees immer 4 °C herrschen, wie im vorherigen Kapitel erwähnt. Ab 4°C sinkt die Dichte dann wieder langsam ab. Diese Eigenschaft des Waßers bezeichnet man als Dichteanomalie.
Erklären kann man dies dadurch, daß im gefrorenen Eis Hohlräume entstehen welche die Dichte senken beim auftauen jedoch wieder steigen laßen.

Die Oberflächenspannung ist eine weitere äußerst intereßante Eigenschaft des Waßers. Sie wird durch die sogenannte Kohäsion und die sogenannte Adhäsion verursacht.
Unter der Kohäsion versteht man die Zwischenmolekulare Kraft, welche die Waßerteilchen zusammen hält.
Unter Adhäsion versteht man die Anziehungskraft zwischen Waßerteilchen und Teilchen anderer Materialien.
Ist die Kohäsion geringer als die Adhäsion zu einer Grenzfläche wird die Fläche mit Waßer benetzt.
Ist die Kohäsion höher als die Adhäsion zu einer Grenzfläche ist die Fläche Waßerabweisend.
Die Oberflächenspannung entsteht letztendlich dadurch, daß an der Waßeroberfläche H2O Moleküle durch die Kohäsion ins Innere der Flüßigkeit gezogen werden.

Stickstoffkreislauf
Der Stickstoffkreislauf ist einer der kompliziertesten Kreisläufe, da er aus mehreren verschiedenen Unterkreisläufen besteht.
Um das Ganze zu vereinfachen wird so einfach wie möglich Schrittweise vorgegangen und mit einer Skizze gearbeitet.
Wichtig ist zu nächst, daß es verschiedene Arten von Stickstoff gibt. Der sogenannte elementare Stickstoff oder auch Luftstickstoff genannt kann von den meisten Tieren und Pflanzen nicht genutzt werden. Er wird mit N2 abgekürzt.
Pflanzen nehmen bevorzugt Stickstoff in Verbindung mit anorganischen Stoffen wie Ammonium (NH4+) oder Nitrat (NO3) auf.
Da jedoch der Luftstickstoff vermehrt vorhanden ist läßt sich daraus leicht schließen, daß der Kreislauf hauptsächlich daraus besteht Luftstickstoff an anorganisches Material zu binden, damit Pflanzen ihn beßer aufnehmen können.
Dafür muß zum Beispiel das eben genannte Ammonium produziert werden wo nun hier in der Erklärung auch eingestiegen wird.
Durch den Prozeß „Ammonifikation“, in welchem absterbende Tiere und Pflanzen Proteine freisetzten, die von Destruenten in Ammonium umgesetzt werden, wird in der Erde Ammonium frei.
Es folgt die sogenannte Nitrifikation. In dieser wird das eben gewonnene Ammonium zu Nitrat umgesetzt. Dies geschieht in zwei Phasen. In der ersten Phase wird Ammonium zu Nitrit (NO2) durch sogenannte Nitritbakterien. In der zweiten Phase sorgen Nitratbakterien für die Weiterverarbeitung zu Nitrat (NO3). Beide Prozeße verlaufen aerob. Das bedeutet, daß sie Sauerstoff benötigen.
Das nun entstandene Nitrat können Pflanzen gut aufnehmen und in ihre Aminosäuren und Proteine verbauen.
Nun können Konsumenten sich von der Pflanze ernähren und die Proteine durch Außcheidungen wieder dem Boden zu führen. Insbesondere im Harnstoff sind noch viele Ammoniumspuren enthalten die von den Nitrit- und Nitratbakterien sofort verarbeitet werden können.
Sterben die Tiere geben sie über ihr totes, organisches Material ihre Proteine an den Boden ab. Hier sorgen die Destruenten für die Weiterversorgung und überleitung zu den Nitrit und Nitratbakterien
Damit schließt sich der Kreislauf zunächst. Nutzbarer Stickstoff wird also bisher aufgefangen und wieder aufbereitet.
Der Stickstoffkreislauf wird jedoch auch noch durch andere Umstände beeinflußt, welche diesen Hauptkreis verbeßern aber auch verschlechtern können.
Der eben erwähnte Luftstickstoff, welcher als für Pflanzen und Tiere nicht nutzbar dargelegt wurde, kann von einigen Pflanzen, durch die sogenannte Stickstofffixierung, in Ammonium umgewandelt und damit für den Hauptstickstoffkreislauf und seine beteiligten nutzbar gemacht werden.
Unter anaeroben Zuständen, also bei sehr geringem Sauerstoffgehalt kommt es aber durch sogenannte denitrifizierende Bakterien zu einer entgegengesetzten Reaktion. Die Bakterien beginnen dann sowohl Nitrit als auch Nitrat in elementaren also Luftstickstoff zu wandeln. Dieser Vorgang nennt sich Denitrifikation.
Je nachdem wie Pflanzen oder Bakterien gerade arbeiten befindet sich also in einem ökosystem ein Stickstoffarmer- oder reicher Boden.
Doch auch mit diesem Ergänzendem Aspekt ist der Kreislauf noch nicht vollständig.
Auch extrem Wetterlagen wie Waldbrände oder Blitzeinschläge können den Nitrit- und Nitratgehalt ändern und somit den Kreislauf beeinflußen.
Des Weiteren ist der Mensch mit seinen Nitratdüngern ein großer Beeinflußender Faktor in diesen Kreislauf.

Stickstoffkreislauf

Sauerstoffkreislauf
Der Sauerstoff- sowie der Kohlenstoffkreislauf sind wesentlich einfacher als der Stickstoffkreislauf.
Am Beispiel des ökosystems See kann man beide Kreisläufe gut durchspielen.
In der Luft / Atmosphäre ist sowohl Sauerstoff als auch Co2 vorhanden. Zunächst soll es um den Sauerstoff gehen.
Tiere und Menschen sowie Bakterien verbrauchen / veratmen den Sauerstoff um ihre Lebensfunktionen am Laufen zu erhalten.
Pflanzliche Organismen hingegen produzieren mit der Fotosynthese Sauerstoff und geben diesen an die Atmosphäre ab, wo er wieder verbraucht werden kann.
Man kann also von einem Austausch zwischen Produzenten und Konsumenten / Destruenten sprechen. Was die einen Produzieren verwenden die anderen.
Genauso verhält es sich bei dem folgenden Kohlenstoffkreislauf.

Kohlenstoffkreislauf
Beim Kohlenstoffkreislauf ist es genau anders herum als beim sauerstoffkreislauf. Die Tiere und Menschen stoßen Co2 bei ihrer Atmung aus, während die Pflanzen den Kohlenstoff für ihre Fotosynthese und somit die Produktion von Sauerstoff und Traubenzucker benötigen. Hier ist schnell erkennbar wie eng die beiden Kreisläufe mit einander zusammen hängen.

Fließgewäßer

Zonierung der Fließgewäßer
Bei Fließgewäßern unterschiedet man je nach Fließgeschwindigkeit zwischen Bach, Fluß und Strom. Der wohl wichtigste Charakter eines Fließgewäßers ist, das sich seine Lebensbedingungen je nach äußeren Einflüßen oft verändern. Dadurch das er über eine lange Strecke fließt und sich seine Umgebung verändert verändern sich auch immer zu seine Lebensbedingungen für die Bewohner.
Fließgewäßer sind jedoch im Vergleich zum See meist so Flach das sich eine Horizontaler Zonierung nicht lohnt. Der Fluß wird daher nach seiner Länge zoniert.
Ganz grob entspringt er an der Quelle und fließt dann vom Oberlauf über den Mittellauf und Unterlauf bis zur Mündung.
In den verschiedenen Zonierungen finden sich für die Bewohner ganz unterschiedliche Bedingungen. Beispielsweise nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zur Mündung hin kontinuierlich ab, dies liegt an dem abnehmenden Gefälle. Oft Entspringt ein Bach in den Bergen und mündet letztendlich auf dem Höhenmeter null ins Meer. Durch die sinkende Kraft die ein Fluß hat wird also in seinem Verlauf auch die Korngröße von Geröll kleiner, auch der Sauerstoffgehalt nimmt ab. Dies liegt jedoch auch daran, da bei geringerer Geschwindigkeit mehr Tiere und Pflanzen im Fluß siedeln welche diesen verbrauchen.
Wie man sich dementsprechend bildlich vorstellen kann nimmt die Waßermenge des Flußes zu. Dies kann an Zuflüßen, Grundwaßerquellen und Regen liegen.
Da diese Veränderungen im Laufe des Flußes übergehend und nicht abrupt sind gibt es für Bäche, Flüße und Ströme auch eine engere Zonierung, die von den Bewohnern der Gewäßer ausgeht. Und zwar von den Fischen.
Bei schneller, turbulenter Strömung, 3-15°C, Hartboden und Geröll einer Sauerstoffsättigung und geringem Nährstoffgehalt (Oberlauf nahe der Quelle) leben zum Beispiel die Bachforelle, die äsche oder der Lachs. Man bezeichnet diese Region auch als die Forellen-ären-Region.
Bei Mittlerer Strömung, einem Kies Flußbett, einer Waßertemperatur unter 15°C, einem hohe Sauerstoffgehalt im Oberflächenwaßer, während im Bodenwaßer geringer O2 Gehalt herrscht (Mittellauf), leben zum Beispiel die Barbe, der Aal oder der Hasel. Diese Region bezeichnet man als Barbenregion.
Bei geringer und gleichmäßiger Strömung, Weich- und Sandböden, einer Waßertemperatur von > 20°C im Sommer und einem Oberflächenwaßersauerstoffgehalt der ausreichend ist, während der Bodenwaßersauerstoffgehalt durch Zehrung sehr gering ist (Mittellauf), leben zum Beispiel Brachse Schleie und Karpfen. Diese Region wird daher als Brachsregion bezeichnet.
Ist die Strömung wiederrum schwach, das Flußbett besteht aus weichen Schlammböden, die Waßertemperatur ist im Sommer >20°C, das Oberflächenwaßer gerade ausreichend mit O2 angereichert, während das Bodenwaßer nur gering angereichert ist, fühlen sich hier Knaulbarsche, die Flunder und das Rotauge wohl. Man nennt die Region Kaulbarsch-Flunder-Region.

Lebensformen im Fließgewäßer
Allgemein gibt es die verschiedensten Anpaßungen an das Leben im Fluß in dem man mit Waßertemperatur, schwankenden Waßerständen, Strömung und noch vielen weiteren besonderen Bedingungen klar kommen muß.
Die typischsten sind wohl Schlammhöhlen um der Strömung auszuweichen, Saugnäpfe um ihr Stand zu halten oder angepaßt Körperformen um mit möglichst wenig Aufwand gegen die Strömung an zu kommen.
Im Fluß lebende ernährungstypen sind Zerkleinerer, welche Pflanzenteile freßen. Sie kommen vermehrt im Oberlauf vor, Weidegänger, welche Alpen zerraspeln, sie kommen vermehrt Mittellauf vor, und Sedimentfreßer welche sich von Detritus ernähren welche wiederrum vermehrt im Unterlauf vorkommen.
Zusätzlich gibt es auch noch Filtrierer welche zu den Sedimentfreßern gehören. Sie ernähren sich von Feindetritus und Plankton und kommen ebenfalls vermehrt im Unterlauf vor.
Räuber zu denen die Fische gehören kommen sowohl in Ober- Mittel- als auch Unterlauf vor.

Gewäßergütebestimmungen – Das Saprobiensystem
Das Saprobiensystem dient der allgemeinen Gewäßergüte Bestimmung. Dabei geht es darum wie stark ein Gewäßer belastet ist, oder eben nicht.
Grundsätzlich gilt desto höher der Saprobienwert ist, desto höher ist seine Belastung durch organische Fäulnisvorgänge.
Bestimmt wird dies grundsätzlich durch Bioindikatoren (Zeigerarten). Das bedeutet das in einer Gewäßerprobe Tierarten und ihre Anzahl bestimmt werde. Anhand dieser Werte wird dann mit einer Formel der Saprobienindex errechnet, welcher die Belastung des Gewäßers angibt.
Die Indikatororganismen haben also drei Kenngrößen die Berücksichtigt werden müßen:
Erstens den Saprobienwert s.
Dieser gibt die gewäßergütestufe an in welcher der Organismus lebt, wobei 1 ein besonders gutes Gewäßer ist und 4 ein besonders belastetes Gewäßer. Als Beispiel lebt der Bachflohkrebs bei einem Saprobienwert von 1,8 was bedeutet, daß er in einem Sauerstoffreichen aber Nährstoffbegrenztem Waßertyp lebt.
Als zweiten Wert gibt es das Indikationsgewicht g.
Bekanntlicherweise haben Tiere und auch Pflanzen eine Toleranzbereich der sowohl Stenöke (enger Toleranzbereich) als auch Euröke (weiter Toleranzbereich) sein kann.
Selbstverständlich müßen Tiere mit einem Stenöken Toleranzbereich mit mehr Gewicht gewertet werden, denn sie geben eine genauere Auskunft.
Beispielsweise kann eine Planktonart welche Euröke in einem Gewäßergütebereich von 1-3 leben kann nicht so genau Informationen liefern wie eine Alge die nur in dem Gewäßergütebereich 2 bestehen kann.
Man wertet desto geringer der Toleranzbereich desto höher der Wert (5) und desto größer der Toleranzbereich desto geringer der Wert (1).
Als dritter Wert muß natürlich aus einem ähnlichen Grund wie bei dem Indikatorgewicht zuvor, die Anzahl der gefundenen Tiere in der Probe berücksichtigt werden. Man bezeichnet dies als Häufigkeitswert h.
Es gilt desto mehr Tiere desto höher der Häufigkeitswert.
1-2 Tiere werden mit dem Wert h=1 bewertet weiter geht es mit:
3-10 Tiere h= 2
11-30 Tiere h=3
31-60 Tiere h=4
61-100 Tiere h=5
101-150 Tiere h= 6.
Hat man nun all diese Werte ermittelt kann man mit folgender Gleichung den Saprobienindex und damit die Gewäßergüte ermitteln.

Saprobienindex = Summe von (g * s * h) geteilt durch die Summe von (h *g)

Saprobienindex Gewäßergüte Belastungsgrad
1,0 - <1,5 I ungelastet; sehr gering belastet
1,5 – 1,8 I-II gering belastet
1,8 - <2,3 II mäßig belastet
2,3 -<2,7 II- III kritische belastet
2,7 -<3,2 III stark verschmutzt
3,2-<3,5 III - IV sehr stark verschmutzt
3,5 - <4,0 IV übermäßig verschmutzt

BSB5 – Der Chemische Index für die Gewäßergüte
Es gibt auch noch eine weitere Variante der Gewäßergüte Meßung, welche man als den chemischen Weg bezeichnet.
Insgesamt wird bei diesem Test Wert auf den Sauerstoffgehalt im Waßer gelegt Tiere werden nicht beachtet.
Zunächst wird eine gewäßerprobe mit Sauerstoff gesättigt. Anschließend wird sie bei Zimmertemperatur 5 Tage lang in einen dunklen Raum gestellt, so daß keine Photosynthese stattfinden kann, die das Gewäßer erneut mit Sauerstoffanreichert.
Nach den 5 Tagen wird der Sauerstoffgehalt in der Probe gemeßen. Der erhaltende Wert nennt sich BSB5 (Biologischer Sauerstoffverbrauch in 5 Tagen)
Ist viel Sauerstoff verbraucht, so ist das Waßer stark belastet, ist hingegen wenig Sauerstoff verbraucht ist das Waßer in gute Qualität.
Andere Parameter des chemischen Index sind:
Waßertemperatur : Reaktionszeit Lebewesenbestimmung – Sauerstoffkapazität
PH-Wert:– Chemische Belastung
Leitfähigkeit : Salzgehalt
Nitrat- Ammonium- und Phosphatkonzentration: geben den eutrophierungsgrad an

Während der Chemische Index kurzfristig genaue Informationen gibt da er die genauen Meßwerte der Waßerprobe berücksichtigt und diese detailgerecht mißt, gibt der Saprobien Index die Waßerqualität über einen längeren Zeitraum an, da er sich mit den Tieren auseinandersetz, welche nur da leben wenn sich die Waßerqualität über einen längeren Zeitraum so hält wie man sie in diesem Moment mißt.

Selbstreinigungsvorgänge in einem Fließgewäßer
Um sich vor zu starke Verschmutzung /Eutrophierung zu schützen und nicht umzukippen können sich Fließgewäßer selber reinigen.
Dies ist am einfachsten durch folgendes Schaubild zu erklären:
Fließgewäßerreinigung
Erklärung zum Schaubild:
Hat die Eutrophierung bei einem Gewäßer in starkem Maße zu genommen, so bedeutet das, daß sich durch die Entwicklung vieler Pflanzen, aber vor allem Tieren, viele Sedimentablagerungen bilden. Totes organisches Material muß unter Sauerstoffverbrauch zu Mineralien oxidiert werden. Doch der Sauerstoffgehalt wird immer geringer. Da nun viele Destruenten im Waßer sind, welche man durch das Saprobiensystem feststellen würde, würde sich ein entsprechender Index ergeben.
Durch den schon erläuterten Stickstoffkreislauf kann es jedoch zur Reinigung des Gewäßers kommen.
Der am giftigsten eingestuft Nährstoff Ammonium kann durch Bakterien über Nitrit zu Nitrat verarbeitet werden. In dieser Form kann er von noch lebenden Pflanzen als Nährstoff aufgenommen und verarbeitet werden. Die Pflanzen, in Gewäßern bevorzugt Algen produzieren wiederrum Sauerstoff welcher für den Abbau der toten Maße benötigt wird.
So wird ein Gewäßer nie ganz von totem Material befreit werden, kann sich aber bei guter Lage in einen guten Belastungswert begeben. Wobei man nennen muß, daß sich Gewäßer in ihrer Gewäßergüter klaße immer gut halten, wenn keine äußeren Einflüße das System stören.

Jahrgangßtufe 12

Evolution

Naturgeschichtstheorien im Vergleich
Naturgeschichtstheorie nach Linné (1707 – 1778)
Linné vertritt seiner Zeit entsprechend biblisch ähnliche Ansichten. Nach ihm sind die Arten der Welt so wie sie aktuell eistieren von Gott geschaffen haben sich nie verändert und werden sich auch nicht verändern.
Allgemein formuliert geht er von der Konstanz der Arten aus.

Naturgeschichtstheorie nach G. Cuvier (1769-1832)
Cuvier geht ebenfalls davon aus, daß Gott die Arten so wie sie sind geschaffen hat, doch läßt er die Möglichkeit des Außterbens einer Art durch Katastrophen zu. Die Ausgestorbene Art wird laut ihm nach einiger Zeit von einer anderen Gottgeschaffenen Art ersetzt. Man bezeichnet die Theorie allgemein auch als Katastrophentheorie.

Beide Theorien haben die Gemeinsamkeit, daß sie die heutige Vielfalt der Arten nicht erklären können und dem entsprechend heute nicht als Evolutionstheorien im engeren Sinne betrachtet werden.

Naturgeschichtstheorie nach J. B. de Lamarck (1744 -1829)
Lamarck war den beiden vorrangegangenen Theorien schon weiter voraus, denn er glaubte an die Veränderung der Arten.
Die Artenveränderung geschah laut ihm durch die aktive Anpaßung an sich verändernde Umwelteinflüße.
Das wohl einfachste und bekannteste Beispiel dafür ist die Giraffe. Lamarck war der Ansicht, daß ihr Hals immer länger wurde, da in Dürrezeiten nur noch weiter oben im Baum Blätter hingen. Die Giraffe strengte sich also besonders an und reckte ihren Hals so lang wie nur möglich. Durch das regelmäßige verwenden des möglichst langen Halses wurde der Hals auch Stück für Stück länger, wie ein Muskeln den man trainieren kann. Pflanzte die Giraffe ich nun fort, vererbte sie ihren Hals schon in der Länge, wie er sich bei ihr verlängert hatte. So mußte der Nachwuchs sich längst nicht mehr so anstrengen. Der lange Hals etablierte sich.
Andere Organe oder Körpereigenschaften, die dafür jedoch nicht mehr regelmäßige verwendet wurden, bildeten sich zurück.

Charles Darwin (1808 – 1882)
Die Theorie von Charles Darwin oder auch von Wallace ist die noch heute gültige Evolutionstheorie.
Man bezeichnet sie auch als die Lehre von der Veränderung der Arten.
Darwin stellte durch Beobachtungen von Tieren aber auch von menschlichem Verhalten fest, daß bei einer größeren Population Konkurrenz um limitierte Reßourcen herrschte. Dadurch, daß innerhalb einer Art Variationen herrschen, kommen manche Individuen mit der Konkurrenz beßer klar als andere. Diese pflanzen sich fort, während die weniger angepaßten Individuen außterben und ihre Gene nicht weiter geben. Man bezeichnet dies auch als Natürliche Selektion. Und die Vererbung des überlebensvorteils. Dadurch breitet sich das vorteilhafte Merkmal aus und die Art verändert sich. Einfach zusammengefaßt:
überproduktion von Nachkommen -> Variabilität -> Natürliche Selektion -> Vererbung -> Ausbreitung des Merkmals.
Wichtig anzumerken ist, daß Charles Darwin nicht wie Lamarck davon ausgeht, daß die Anpaßung von den Tieren aktiv herbeigeführt wird, sondern daß die Anpaßung zufällig z.B. durch Mutationen erfolgt.

Das Leben Charles Darwin
Am 12.2.1809 wurde Charles Darwin geboren.
Bis 1831 schloß er sein Theologiestudium ab und war auch sehr gläubig. Er begann anschließend mit dem Geologie- und Biologiestudium. Da seine Familie reich war und er nicht arbeiten mußte, ging er während seines Studiums freiwillig mit an Bord eines Forschungßchiffes.
5 Jahre lang listete und beobachtete er die verschiedensten Tierarten auf den verschiedensten Inseln. Darwin machte für ihn erschreckender Weise jedoch eher gottlose Beobachtungen. Von Arten in verschiedenen Formen und Jägern wie gejagten. Das unüberschaubare System der Biologie schien ihm alles andere als Gottes, ewige Ordnung sondern völlig brutal und ohne irgendein gerechte Ordnung.
1839 endete seine Forschungsreise in England.
Hier beschäftigt sich Darwin zunächst damit ob er heiraten soll oder nicht und wägt wie bei seinen Theorien ab. Er heiratet schließlich seine Cousine.
Er beschäftigt sich auch mit der Aufarbeitung seiner Auflistungen und Beobachtungen der Tiere.
1844 erhält er dann endgültig die Erkenntnis, daß Arten veränderlich sind. Jedoch ist er unsicher, da er noch nicht weiß wie die Veränderung zu Stande kommt. Ganz davon abgesehen würde er damit Gott und der Bibel Widersprechen. So viel traut sich Darwin zu dieser Zeit nicht zu. Auch aus Liebe zu seiner Frau hält er seine Kenntniße noch geheim.
Ein paar Jahre später bekommt er durch Thomas Maltus einen Denkanstoß. Dieser beschäftigte sich mit der menschlichen Population und schrieb, daß die Menschliche Population immer mehr zunehmen würde, die Nahrungßicherung jedoch nicht hinterher kommen würde und so Nahrungskonkurrenz entstehen würden.
Darwin überträgt dies auf die Tiere und erhält eine Begründung für die Veränderung der Arten.
Zum Beispiel sind die Gallapagos Finken durch ihre Schnabelform an ihre Nahrung angepaßt. Der Vogel mit der besten Anpaßung erhält die meiste Nahrung.
Doch Darin ist immer noch aus Glaubenstechnische Gründen unsicher.
Erst als der Forscher Wallace ihm eine ganz ähnliche Theorie der Veränderten Arten zuschickt wird Darwin sicher. Unter Absprache mit Wallace, der ihm in der Veröffentlichung den Vortritt läßt, da er, Darwin, mehr beweise at und schon länger forscht, veröffentlicht Darwin dann 1851 endlich seine Naturgeschichtstheorie.
Durch die Ausarbeitung der Theorie verlor Darwin immer mehr den Glauben an Gott und seine Weltordnung. Auch der Tot von dreien seiner 10 Kinder, laßen ihm im Glauben unsicher werden. So stirbt er schließlich 1892 ohne einen glauben an Gott.

Evolutionsfaktor Variabilität
Variabilität sagt aus, daß Tiere einer Art Unterschiede im Phänotyp wie auch im Genotyp aufweisen können. Dies bezeichnet man auch als Polymorphismus und ist die Grundlage für evolutionäre Entwicklung. Das geschieht zum einen durch Rekombination der Gene bei der Fortpflanzung, aber auch durch Mutationen die sich sowohl positiv als auch negativ auf das überleben eines Individuums in seiner Umwelt auswirken.
Auf äußere Merkmale des Individuums einwirkende Umweltveränderungen bezeichnet man als Modifikation oder auch Selektionsfaktoren. Sie sorgen dafür, daß sich ein bestimmtes Merkmal durchsetzt.
In einer Population (Fortpflanzungsgemeinschaft) gibt es verschiedenste Genotypen, die Gesamtheit dieser, bezeichnet man als Genotypen Frequenz oder auch als genetische Struktur. Während die Gesamtheit aller Allele als Allel Frequenz bezeichnet wird und die Gesamtheit alle Gene als Genpool.
All diese Begriffe beziehen sich auf eine Population. Eine Population ist wie die anderen Begriffe auch aus der Genetik schon bekannt. Eine Population bezeichnet die Anzahl von Individuen einer Art in einem Biotop.

Evolutionsfaktor Selektion
Natürliche Selektion funktioniert auf verschiedene Weisen. Das Grundprinzip beruht darauf, daß sich Umwelteinflüße verändern oder Reßourcen weiter begrenzt werden. Dadurch ist es den am schlechtesten angepaßten Tieren nicht mehr möglich zu überleben, da sie zum Beispiel an die begrenzte Reßource nicht mehr gelangen. Die Tiere welche zufällig Eigenschaften besitzen, welche den Zugang zu den begrenzten Reßourcen vereinfachen und damit das Leben der Tiere verlängern, können sich fortpflanzen. Unangepaßte Tiere werden also selektiert während sich angepaßte fortpflanzen können.
Allgemein formuliert: Selektion führt zur gerichteten Veränderung des Genpools in dem durch Zufall auftretende Variationen ein Vorteil oder Nachteil werden.
Die erste der drei möglichen Selektionsformen ist die Transformierende Selektion.
Hier verändern sich die Umwelteinflüße so, daß nur eine Veränderung gut überleben kann und dementsprechend auch nur die Individuen mit dieser Veränderung überleben. Da nur diese sich verpaaren wird die Eigenschaft weitergegeben und die gesamte Art transformiert sich mit der neuen Eigenschaft, welche an die veränderte Umwelt beßer angepaßt ist. Gegebenenfalls wird diese Eigenschaft sogar noch verbeßert. Es entsteht also eine Verschiebung der gesamten Art. Der Ursprungstyp und andere Entwicklungstypen können sich nicht weiter durchsetzen.
Bei der Stabilisierenden Selektion verändern sich die Umwelteinflüße nicht stark sondern sie werden extremer. Zum Beispiel nimmt die Anzahl einer Räuberart zu.
Damit werden die Individuen, welche Veränderungen aufweisen und deshalb zum Beispiel auffälliger sind, schneller getötet als Tiere bei denen sich im Phänotyp nichts verändert. Die Art wird also in ihrer ursprünglichen Eigenschaft stabilisiert. Veränderungen können sich nicht weiter durchsetzen.
Bei der Disruptiven Selektion oder auch der aufspaltenden Selektion wirkt der Selektionsdruck, wie man ihn nennt, dagegen auf den ursprünglichen Phänotypen. Das bedeutet, daß es Tiere gibt die sich in die eine oder auch in die andere Richtung Phänotypisch verändert haben, und damit der Ursprungsart gegenüber im Vorteil sind. Beide können sich weiter in ihrer Richtung verändern, so daß über einen länger anhaltenden Zeitraum auch zu einer Artenspaltung kommen kann. Die beiden veränderten Arten bestehen als unterschiedliche Arten weiter, während die Ursprungsart außtirbt. Dies fällt dann unter den später erläuterten Begriff der Adaptiven Radiation (Artbildung).

Selektionsdruck

Theorie der Sexuellen Selektion
Die Theorie der Sexuellen Selektion entstand durch die Beobachtung, daß zum Beispiel bei den Pfauen, die Männchen sich verpaaren, welche am auffälligsten sind und nach dem Natürlichen Selektionsprinzip eigentlich gar nicht lange leben dürften, geschweige denn sich fortpflanzen. Denn sie haben das Handicap der Auffälligkeit, welches sie sofort für jeden Feind sichtbar macht.
Die Frage, warum diese Tiere dennoch überleben und auch noch von den Weibchen als Geschlechtspartner gewählt werden, beschäftigte Darwin lange.
Er gelangte schließlich zu der Theorie, daß die sexuelle Konkurrenz sich von den anderen Konkurrenzen etwas unterscheidet. Die sexuelle Konkurrenz wurde durch ihn in zwei Teile eingeteilt. Einmal in den „Male competition“. Also denn Wettbewerb unter den Männchen. In diesem ist es vorteilhaft groß Stark und Impulsiv zu wirken und auch zu sein.
Und die sogenannte „female choice“. Hier zählen außer der Stärke und dem Außehen auch die überlebensfähigkeiten. Und dies führt dann zu dem sogenannten Handicap-Prinzip.
Dieses macht deutlich, das Weibchen sich gerne für das auffälligste Männchen entscheiden und das hat nicht unbedingt nur die Gründe des guten Außehens.
Das Weibchen folgt hier einer ganz einfachen Gleichung: Der Auffälligste von allen hat das größte Handicap, da er dem Feind am meisten ausgeliefert ist, und dennoch ist er so lebenßtark und kann um mich balzen. Das bedeutet trotz des großen Handicaps hat er es geschafft bis hier her zu überleben, er muß also ein überlebenskünstler sein und damit gut genug als Vater für meine Jungen.

Paarunßystem Vorteil Nachteil
Monogamie =Dauerhafte Bindung zwischen Geschlechtspartnern
->Dauerehe
-> Saisonale Monogamie
Män. : - keine dauerhafte Konkurrenz um Fortpflanzung - Gewißheit der Vaterschaft Beide: - Schutz vor Infantizid - Größere überlebenschance der Jungtiere durch gemeinsam Aufzucht Män.: - höherer Aufwand (Elterninvestment) - relativ geringe Reproduktionsrate Beide: - weniger Paarungspartner → Durchmischung der Gene
Polygenie = 1 Männchen, mehrere Weibchen (promiskuitiv) Män. : - Höhere Reproduktionserfolg - Gewißheit über Vaterschaft durch Rangordnungßystem Weib. : - erhöhte Chance auf durchsetzungsfähige Väter mit guten Genen und dadurch durchsetzungsfähige Jungtiere → erhöhte Fitneß Män. : - geringere Produktionschancen für nicht erfolgreiche Rang niedrigere Tiere Weib.: Alleinige Jungenaufzucht (Elterninvestment)
Polyandrie = 1 Weibchen, mehrere Männchen Weib.: - ggf. Selektion des fittesten Partners durch Spermienkonkurrenz - erhöhte genetische Varianz der Nachkommen Beide : -Schutz vor Infantizid - Erhöhung der überlebenschancen von Jungtieren Män.: -meist höhere Konkurrenz - geringere Reproduktion
Promiskrität (promiskuitiv) =keine starke Bindung zwischen Geschlechtspartnern; häufiger Wechsel der Geschlechtspartner Weib. : - Selektion des gesunden Partners durch Spermien Konkurrenz Beide: -hohe Reproduktionsrate - Schutz vor Infantizid Weib: - Elterninvestment Män.: - Keine Gewißheit über Vaterschaft

Altruismus oder auch Verwandtschaftßelektion
Als Altruismus bezeichnet man uneigennütziges Verhalten zugunsten anderer Artmitglieder auch auf kosten eigener Nachteile.
Dieses Verhalten ist in Bezug auf Selektion nur schwer zu verstehen und wurde daher auch erst wesentlich später geklärt.
Das wesentliche Problem am Altruismus ist seine Entstehung durch Evolution. Den Laut der heute noch geltenden Evolutionstheorie versucht man als fittester zu gelten in dem man am meisten Junge zeugt und auch durchbringt. Tiere versuchen also ihre Gene so weit wie möglich zu verbreiten. Wie funktioniert das, wenn ein Erdmännchen Wachen aufstellt. Während die anderen Tiere auf Nahrungßuche gehen stellt sich ein Tier des Clans erhöht und hält nach Räubern Außchau. Erblickt es einen Greifvogel oder andere Feinde kreischt es laute Warnrufe, so daß sich alle Clanmitglieder in den Bau retten können. Mit diesem Verhalten macht das Tier jedoch auf sich selber aufmerksam und gefährdet sich. Offensichtlich ein unvorteilhaftes Verhalten. Doch warum setzte es sich trotzdem durch Evolution durch.
Die Erklärung ist einfacher als man denkt.
Innerhalb eines Clans sind die Tiere meist verwandt. Rettet nun ein Erdmännchen Weibchen einer Schwester das Leben, welche dann noch ein oder zwei Würfe Junge bekommt ist es vorteilhafter als wenn der Greifvogel eventuell die Wächterin und die Schwester getötet hätte, denn beide tragen zu 50% die gleichen Gene in sich. Opfert sich die Wächterin so kann sie sicher sein das ihre Schwester ihre Gene noch weiter gibt und zumindest ein gewißer % Satz ihrer Gene weiter gegeben wird.
Diese Fitneß bezeichnet man auch als indirekte Fitneß.
Es ergibt sich durch den Altruismus also folgende Formel:
Gesamt Fitneß = direkte Fitneß + Indirekte Fitneß
Die direkte Fitneß entspricht der Weitergabe von Genen durch die eigene Fortpflanzung, während die indirekte Fitneß der Weitergabe von Genen durch das Beschützen von verwandten Individuen bezeichnet. Aus der Entdeckung ergibt sich dann die „Hamilton-Ungleichung“:

K (kosten) < r (Verwandtschaftskoeffizient) * N (nutzen oder Zugewinn an Fitneß)
Der sogenannte Reziproke Altruismus folgt der Gleichung: Hilfe ich Dir, so hilfst Du mir

Eusoziale Tiere – Ameisen – Haplo-Diploidie
Eusozial bezeichnet die Staatenbildung im Tierreich. Diese ist vor allem bei den Ameisen bekannt.
Aber welchen Nutzen haben die Maßen an Arbeiterinnen davon, daß sie die Jungen der Königin aufziehen?
Welche Ameisen Arbeiterinne und welche Königinnen werden entscheidet sich im Larven Alter. Armeisenlarven welche gut gefüttert werden, werden so großen Königinnen und Ameisen welche wenig bis gar nicht gefüttert werden, werden zu kleineren Arbeiterinnen.
Hinzu kommt jetzt, daß unbefruchtete Eier zu männlichen Ameisen werden.
Wie geht das?
Ameisen haben einen Haplo-diploiden Erbgang.
Das bedeutet, daß unbefruchtete Eier mit einem haploiden Chromosomensatz zu männlichen Tieren werden. Sie bilden später dementsprechend Spermienzellen ohne eine Meiose. Erst, wenn die Eizellen befruchtet und Diploid sind, entwickeln sich Weibchen.
Da Königinnen und arbeiterinne Schwestern sind, ist es für die Arbeiterinnen von größerem Nutzen die Nachkommen der Königinnen zu versorgen als selber zu versuchen Junge zu bekommen. Was nebenbei bei Ameisen kaum möglich ist, da die Arbeiterinnen unfruchtbar sind. Es handelt sich also bei dem Eusozialen Staat von Ameisen mit Haplo- Diploidem Erbgang um eine extreme Form des Altruismus.
Erbschema:

Genschema des Eusozialenstaates
Verwandtschaft im Eusozialenstaat

Populationsveränderung durch Zufallseffekte: Gen Drift/ bzw. genetischer Drift
Als Gen Drift bezeichnet man die Veränderung des Genpools durch zufällige äußere Einflüße und nicht durch Selektion.
Dabei ist in zwei verschiedene Arten des Gen Driftes zu unterscheiden.
Zum einen gibt es den sogenannten Gründereffekt und zum anderen den sogenannten Flaschenhalseffekt.
Beim Gründereffekt kommt es zum Durchsetzten eines bisher unnormalen Gens oder auch schwächeren Gens, da nur eine entsprechend kleine Anzahl an Individuen vorhanden ist zwischen denen die Gene dementsprechend geringe Kombiniert werden können.
Als Beispiel kann man sich die Amish people vor Augen führen.
Sie leben seit mehreren Generation abgeschottet von der Außenwelt unter sich. Die Population entwickelte sich also aus den Gründerfamilien heraus. Dem entsprechend ist es leicht zu erklären, daß eine Genetisch bedingte Krankheit sich schnell unter der abgeschotteten Population ausbreiten konnte.
Desto weniger Menschen vorhanden sind, desto weniger Kombinationsmöglichkeiten bestehen um die Art zu erhalten und desto eher werden Krankheiten weitergegeben. Bis schließlich ein Großteil oder die gesamte Population an diesem Endeffekt leidet. Im vollendeten Fall kann man dann von einer Arten Wandlung reden. Die gesamte Population hat nun den Gendefekt und vererbt ihn entsprechend weiter. Innerhalb dieser Population ist der gendefekt also Norm und kein Defekt mehr.
Beim Flaschenhalseffekt setzt sich ein negatives Gen oder ein Gendefekt durch, da alle Gesunden durch zum Beispiel eine Umweltkatastrophe getötet werden.
Zum Beispiel bei einem Sturm können 70 von 100 Individuen umkommen. Entweder sie werden von Umfallenden Bäumen erfaßt, oder sie bekommen schleudernde Gegenstände ab oder ertrinken. Es würden 30 Individuen übrig bleiben. Wenn nun aber ausgerechnet 20 von den 30 eine Mutation aufweisen würde sich beim Wiederaufbau der Population zwangsweise die Mutation durchsetzen.

Gründer- und Flaschenhalseffekt

Biologische Artbegriffe

Morphologisch typologischer Artbegriff
Der morphologisch typologische Artbegriff besagt, daß alle wesentlichen phänotypischen Merkmale unter Individuen und ihren Nachkommen übereinstimmen. Man kann sie also dem Außehen nach den Arten zu ordnen.

Biologisch populationsgenetischer Artbegriff
Unter dem biologischen Artbegriff werden Individuen zusammengefaßt, welche durch gemeinsame Abstammung miteinander Verbunden und von anderen Gruppen reproduktiv isoliert sind. Sie können eine erfolgreiche Fortpflanzungsgemeinschaft bilden. Das bedeutet, daß zwei Individuen einer Art fruchtbare Nachkommen zeugen können müßen.
Raßen sind dagegen Populationen einer Art, die sich nur in der Häufigkeitsverteilung ihrer Allele unterscheiden; Ein Genfluß zwischen den Arten bleibt möglich.
Der biologisch populationsgenetische Artbegriff ist der in der Biologie am meist verwendete.

Phylogenetischer Artbegriff
Der phylogenetische Artbegriff beschreibt, daß alle Individuen einer Art sich innerhalb eines bestimmten Zeitraums auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückführen laßen.

Koevolution:
Koevolution bedeute, daß sich zwei unterschiedliche Arten nebeneinander einwickeln und sich gegenseitig so beeinflußen in ihrer Entwicklung, daß sie nach einem bestimmten Zeitraum unterumständen sogar auf einander angewiesen sind. Dies liegt daran, daß die Arten neben einander Leben voneinander profitieren und sich speziell an einander angleichen.
Ein Beispiel dafür ist eine spezielle Orchideen Art, welche Darwin fand. Ein Rätsel war für ihn, wie sich die Pflanzen befruchtete, da ihre Pollen und Nektar für bekannte Insekten viel zu tief lagen, als das die Rüßel der bekannten Insekten diese erreichen könnten.
Darwin vermutet darauf hin, da auch eine Selbstbefruchtung auszuschließen war, daß es einen ganz speziellen Falter geben mußte, der diese Pflanze befruchtete, denn sonst könnte die Art nicht über mehrere Jahre hinweg bestehen.
Tatsächlich dokumentierte man viele Jahre später einen Nachtfalter mit einem entsprechend langen Rüßel um an Nektar und Pollen zu gelangen.
Vorteil für die Pflanze ist, daß sich der Falter so gut wie außchließlich von der einen Orchideen Art ernährt. Grund dafür ist der besonders süße Nektar im inneren der Pflanze. Somit ist garantiert, daß die wertvollen Pollen der Orchidee auch mit großer Wahrscheinlichkeit, auf der nächsten Orchidee landen und nicht auf einer anderen Blume. Im Gegenzug hat der Nachtfalter eine Nahrungsgarantie, da nur er auf der Insel bis her einen der Art langen Rüßel hat.

Evolutionsfaktor: Isolation – Isolationsmechanismen
Präzyotische Fortpflanzungsbarrieren Postzygotische Fortpflanzungsbarrieren
  • Separation :
    Die Separation beschreibt die räumlich Trennung von Individuen, wodurch diese sich nicht verpaaren können.
  • Ethologische Isolation:
    Unterschiedliche Balzverhalten verhindern, daß unterschiedliche Arten sich paaren
  • Zeitliche Isolation:
    Unterschiedliche Balzzeiten verhindern, daß verschiedene Arten sich paaren
  • Mechanische Isolation:
    Paarung kann nur zwischen artgleichen Individuen von statten gehen, da nur diese zusammenpaßen und den geschlechtlichen Akt vollziehen können
  • Gametische Isolation:
    Trotz Paarung kommt es nicht zur Befruchtung der Eizelle, da das Spermium die Eizelle nicht durchdringen kann auf Grund z.B. chemischer Grundlagen.
  • Einnischung :
    Unterschiedliche Einnischnung kann zur Verhinderung von Paarungen führen
  • Hybridstirilität:
    Nachkommen von zwei ähnlichen aber dennoch nicht Artgleichen Tieren sind steril und können dementsprechend keine Weitern Nachkommen bekommen. Die „Neukombination“ kann sich nicht durchsetzen.
  • Isolation durch Polyploidie:
    Fortpflanzung ist auf Grund unterschiedlicher Chromosomensätze nicht möglich

Formen der Artenbildung
Artenentstehung ist durch Genfluß nur aus bereits bestehenden Arten möglich.
Innerhalb einer Art isoliert sich eine Teilpopulation reproduktiv durch die oben aufgezeigten Isolationsmechanismen. Das bedeutet, daß diese Teilpopulationen sich so verändern, daß sie keine fruchtbaren Nachkommen mehr zeugen können, oder aber, daß sie aus praktischen Gründen keine Nachkommen mehr zeugen können (Abwanderung etc.)
Entstandene Teilpopulationen spalten sich oft noch mehrmals auf, vor allem wenn es sich um allopatrische Artbildung durch Separation handelt.
Sogenannte Geschwisterarten sind schon reproduktiv isoliert, sehen sich Phänotypisch jedoch noch sehr ähnlich. Hier würde man mit dem typologisch morphologischen Artbegriff noch auf eine Art schließen. Dies zeigt, daß sich erst die Fortpflanzungsbarriere bildet und anschließend veränderte äußere Merkmal auftreten.
Es gibt drei verschiedene Formen der Artenbildung:
Allopatrische Artenbildung:
Artbildungsprozeß, der durch geographische Isolation (Separation) von Individuen innerhalb einer Population bewirkt und/oder gefördert wird.

Sympatrische Artbildung:
Artbildungsprozeß, der durch reproduktive Isolation von Individuen innerhalb einer Population erfolgt.
(Reproduktive Isolation: Unterbrechung des Genflußes zwischen Populationen, die nicht einer Art angehören durch Unmöglichkeit der fruchtbaren Nachkommen Zeugung)

→ Die beiden bisher genannten Artbildungsprozeße beschreiben, wie aus einer Ursprungsart eine neue Art gebildet wird

Adaptive Radiation:
Aufspaltung einer Stammart in mehrere Arten in Anpaßung an unterschiedliche ökologische Bedingungen.

→ In der zuletzt angegeben Artbildung werden die zuvor genannten Bedingungen der oben genannten Artbildungen quasi weiderholt. Mit dem Unterschied, daß sich hier mehrere Arten bilden und sich nicht eine Art wandelt.

Die Synthetische Evolutionstheorie
Aus den bisher zusammengefaßten Selektionsfaktoren wie sexuelle Selektion, Gendrift, Isolation, Mutation, Rekombination und Genfluß ergibt sich die sogenannte Synthetische Evolutionstheorie.
Sie besagt, daß auf eine Population genau diese Evolutionsfaktoren wirken und für Selektion der Population sorgen. Durch diese Selektion werden eine Art oder mehrere Arten reproduktiv isoliert. Das bedeutet, daß sie sich nicht mehr mit ihrem Ursprung verpaaren kann. Es entstehen getrennte Teilpopulationen aus welchen sich mit dem Faktor Zeit neue Arten bilden.
Die folgende Skizze stellt dies sehr übersichtlich dar.

Skizze der Synthetischen Evolutionstheorie

Belege für die Evolution
1) Belege aus der Anatomie und der Morphologie:

- Analogie: ähnlichkeit biologischer Strukturen aufgrund der Anpaßung an ähnliche Selektionsbedingungen (→ Funktionsgleichheit) Die Analogie ist kein Nachweis der Verwandtschaft!
Zum Beispiel: Flügel von Insekten und von Vögeln. Es besteht keine Verwandtschaft, dennoch besitzen beide Arten Flügel zu Fortbewegung auf Grund des gleichen Lebensraums Luft.

- Homologie: ähnlichkeit von Merkmalen verschiedener Arten auf Grund gemeinsamer Abstammung.
Durch drei Kriterien bestimmt:
- Kriterium der Lage: Gleiche Lage im Gesamtgefüge des Organismus
- Kriterium der Spezifischen Qualität: Gleicher Aufbau aus gleichen Materialien
- Kriterium der Stetigkeit: Laßen sich verbindende zwischenformen zwischen zwei Merkmalsausprägungen aufweisen.
(1 Kriterium muß sicher sein, damit von Homologie gesprochen werden kann)

-Konvergenz: Entstehung analoger Merkmale aufgrund ähnlicher Lebensweisen.
-Divergenz: Entstehung homologer Merkmale aufgrund gemeinsamer Abstammung, welche durch mindestens eine der drei Kriterien bewiesen ist.

- Atravismus: Atravismen sind äußerst seltene Phänomene. Hier paßiert es, daß ein Rückschlag der Gene der Ahnen auch im Phänotyp stattfindet. Das bedeutet, daß zum Beispiel die ganz Körperbeharrung des Urmenschen bei einem heutigen Menschen vorhanden ist, obwohl die Eltern dies in keinen Fall vererbt haben. Schuld ist eine Mutation von Kontrollgenen, welche kontrollieren welche Gene abgelesen werden und welche nicht. Denn tatsächlich ist es so, daß viele der Gene unserer Ahnen noch in der DNA festgehalten sind. Durch Regulationsgene wird das Ablesen dieser jedoch verhindert, und sie werden nicht ausgeprägt. Mutieren diese Kontrollgene jedoch in einem absolut seltenen Fall (bis her ungefähr 50 Fälle bekannt) kommt es zur Ausprägung des eigentlich ausgestorbenen Merkmals.

-rudimentäre Organe:
Rudimentäre Organe oder Körperteile haben ihre eigentliche Funktion im Laufe der Evolution verloren. Eine Nebenfunktion ist dafür in den Vordergrund getreten. In Folge deßen wurde das Organ um und/oder zurückgebildet.
Beispiele bei Menschen dafür sind zum Beispiel das Steißbein des Menschen (Funktionsverlust) oder der Blinddarm (Funktionswandel von der Verdauung zum Immunsystem)

2) Belege aus der Biogeographie:
- Kontinentalverschiebung und Plattentektonik
Durch Erdbeben finden langsame Bewegungen zwischen den verschiedenen Kontinentalplatten statt. Die Theorie der Plattentektonik besagt, daß die 5 heute existierenden Kontinente einmal ein Urkontinent waren. Doch durch Verschiebung Reibung und beben drifteten die Platten auseinander.
Beweise dafür sind Tierarten, die zunächst gemeinsam gelebt haben und daher auch der gleichen Abstammung entspringen, dann aber durch die Plattentektonik getrennt wurden.
Die eigentlich gleichen Arten paßten sich ihren Kontinent und seinen sich veränderten Lebensbedingungen verschieden an und entwickelten sich teilweise aus einander oder überlebten einfach, da sich nun Konkurrenzsituationen anders darstellten.
So kommen die Beuteltiere heute vermehrt nur noch in Australien vor.
Die Urbeutler waren einmal über alle Kontinente verteilt, doch sie wurden auf den meisten Kontinent durch die modernen Säuger verdrängt. Da Australien und Süd Amerika von den modernen Säugern nur dünn besiedelt wurde konnten diese hier die Beuteltiere nicht verdrängen und diese wiederrum konnten sich an ihren Kontinent in Ruhe anpaßen. So kommt es, daß heute vor allem noch in Australien welches abgeschottet von modernen Säugern ist Beuteltiere wie Kängurus finden.
Ein weiteres Beispiel sind Lemuren. Bevor sich Madagaskar als Insel durch Erdbeben abspaltete lebten Lemuren auch in Afrika. Im Laufe der Entwicklung wurden diese jedoch von den Affen verdrängt. In Madagaskar jedoch lebten noch keine Affen zur Zeit der Trennung. Hier konnten sich die bestehenden Lemuren also weiter entwickeln ohne verdrängt zu werden.
Daß Lemuren in der Vergangenheit auch in Afrika gelebt haben, beweisen Foßilien.

3) Belege aus der Paläontologie
Definition der Paläontologie:
Paläontologie beschäftigt sich Lebewesen vergangener Zeitaltern. In Gesteinßchichten sollen aus den verschiedensten Zeiten Foßilien über ausgestorbene oder weiterentwickelte Tiere Aufschluß geben.

- Foßilien
Foßilien sind Spuren heute ausgestorbener oder sich kaum wiedererkennbar veränderter Tiere aus vergangenen Zeitaltern.
Es gibt die sogenannten Körperfoßilien, welche aus dem gesamten Körper oder Körperteilen des Tieres bestehen, oder Spurenfoßilien. Diese sind Hinterlaßenschaften von Tieren aus vergangenen Zeiten, wie zum Beispiel Fußabdrücke oder Kot.
Je älter die Foßilien sind, desto größer ist ihr Unterschied zu rezenten, also heutigen Arten. Durch brückenformen läßt sich Anhand von Foßilien klar eine evolutionäre Entwicklung erkennen und beweisen. Man findet in Bezug auf verschiedene Merkmal progreßionsreihen oder Regreßionsreihen. Progreßion steht für die Ausbildung von etwas, während Regreßion für die Rückbildung steht.

- Relative Altersbestimmung – Stratigraphie
Es gibt verschiedene Arten von Stratigraphie. Allgemein ist die Stratigraphie eine Datierungsmethode, die möglichst genau versucht zu analysieren, wie alt gefundene Foßilien sind.
Die Biostratigraphie läßt sich auf die unterschiedlichen Gesteinßchichten zurückführen. Foßilien die man gefunden hat ordnet man zu der Zeit ein, wo auch die Gesteinßchicht eingeordnet wird, in der man das Foßil gefunden hat. Man orientiert sich also an einem Leitfoßil und zwar dem Gestein.
Relatives Alter der Schicht = relatives Alter des Foßils.
Foßilien dienen als Beleg für die Evolutionstheorie, da sie die Entwicklung und Abstammungsgeschichte von verschiedenen Art beweisen. Dies wird deutlich wenn man Funde mit noch heute existierenden Arten vergleicht.
Funde längst ausgestorbener Arten weisen auf das Selektionsverfahren hin. Denn diese Tiere konnten sich anderen Arten gegenüber offensichtlich nicht dauerhaft durchsetzen.

- Absolute Altersbestimmung – C14 Methode
Die C-14 Methode wird auch Radiocarbonmethode genannt.
Sie ermöglicht es das Alter von Foßilien zwischen 300 und 50.000 Jahren zu bestimmen. Das Ganze funktioniert durch die Meßung von dem radioaktiven Stoff C14 in den Körpern der verschiedenen Arten.
Während der Lebenszeit eines Individuums findet ein Austausch des radioaktiven Stoffes C14 statt.
Dabei geht man davon aus, daß dieser immer so hoch ist, wie in der Atmosphäre auch. In der Atmosphäre wiederrum blieb der Wert in den letzten 50.000 Jahren konstant.
Stirbt ein Organismus wird der Austausch von C14 abgebrochen. Als Folge baut sich das C14 langsam ab. Die Halbwertszeit von C14 beträgt 5730 Jahre.
Folglich kann man bei einem gefundenen Körperfoßil die Radioaktivität des C14 meßen. Je geringer dieser Wert ist, desto älter ist das Foßil, denn desto mehr hat sich in der langen Zeit schon abgebaut.
Da die Halbwertszeit genau bekannt ist, kann man das Alter recht genau auf Jahre ausrechnen.
Nach zu langer Zeit ist der radioaktive Wert jedoch nicht mehr meßbar, daher kann maximal bis zu 50.000 Jahre alte Foßilien genau bestimmen.
Es gibt auch noch weiter radioaktive Stoffe in Atmosphäre und Art die nach gemeßen werden können. Ihre Halbwertszeit ist noch größer und reicht bis in die 1,25 Milliarden Jahre zurück. Dementsprechend werden die Jahreszahlen aber ungenauer.

4) Belege aus der Entwicklungsbiologie
- Homöotische Gene
Homöotische Gene sind anders gesagt Entwicklungskontrollgene. Sie kontrollieren als Transkriptionsfaktoren die spezifische Ausbildung verschiedener Körpersegmente.
Zum Beispiel sorgen sie dafür, daß die Zehen nicht an den Händen wachsen, sondern an den Füßen. Die Hände dafür mit Fingern ausgestattet werden. Gesorgt wird dafür durch die Reihenfolge des Ablesens, welche der Körperachse entspricht (Kopf bis Fuß).
Verändert sich die Reihenfolge der HOM- Cluster oder auch HOX Cluster also aller Homöotischer Gene so kann es dazu kommen, das Körperteile nicht an der richtigen Stelle wachsen.
Homötische Gene und ihre Gesamtheit also die HOM- oder auch HOX- Cluster sind in der Hinsicht ein Beleg für die Evolutionstheorie, daß sie bei fast allen Tieren nachgewiesen werden können.

- Biogentische Grundregel
Die Biogenetische Grundregel wird auch als Rekapitulationstheorie bezeichnet.
Sie wurde 1866 von Erst Haeckel aufgestellt.
Die Kernhypothese sagt aus: „Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese“

Erläuterung:
Um diese Kernhypothese zu verstehen sind zunächst die Fachbegriffe wichtig zu verstehen.
Unter Ontogenese versteht man in diesem Zusammenhang, die individuelle Entwicklung eines jeden Lebewesens von der Zeugung an bis zur Geburt.
Die Phylogenese ist die Stammesgeschichtliche Entwicklung einer gesamten Art.
In anderen Worten besagt die Rekapitulationstheorie also, daß eine Art in der vorgeburtlichen Entwicklung, also in den verschiedenen Embryonen Zuständen, die Stammesgeschichtliche Entwicklung der eigenen Art durchlebt.
Belegt wird dies durch die ähnlichkeit der verschiedenen Embryonen verschiedener Arten oder auch durch die Tatsache, daß Menschenembryos beispielsweise in einem sehr frühen Stadium Kiemen aufweisen sowie eine Ganzkörperbeharrung, welche sich in den späteren Stadien wieder zurückentwickelt.
Da zu viele Faktoren nicht in diese Theorie paßten, weil sich zum Beispiel nur nahe Verwandte Embryonen ähnlich sahen und längst nicht alle, oder auch längst nicht alle Merkmale die die Vorfahren des Menschen einmal aufwiesen heute in den verschiedenen Stadien der Embryos zu finden sind. Wird der Theorie meist heute widersprochene, dennoch hat sie einen gewißen wahren Kern.

5) Belege aus der Biochemie und Molekularbiologie Mit der Molekularbiologie und ihren Techniken können verschiedene DNA-Stränge verglichen und ihr Verwandtschaftsgrad bestimmt werden. Damit kann ebenfalls bewiesen werden wie weit entfernt oder nah verwandt verschiedene Arten sind und dies auf ihre gemeinsame Entwicklung zurückgeführt werden.

-DNA Hybridisierung
Geht man davon aus, daß alle Homologien auf übereinstimmender Erbinformation beruhen, ist der direkte Vergleich der DNA die unmittelbarste Bestimmung des Verwandtschaftsgrades zwischen Lebewesen. Je mehr änderungen vorhanden sind, umso mehr Mutationen haben stattgefunden und umso größer ist die stammesgeschichtliche Distanz.
Um DNA zu vergleichen wird bekanntlich die DNA Sequenzierung mit der voran geschalteten PCR durchgeführt.
Als zweite Prüfungsmethode der Verwandtschaft kann auch die von Sibley und Ahlquist entwickelte DNA Hybridisierung verwendet werden. In dieser werden 2 verschiedene DNA Einzelstränge auf ihren Verwandtschaftsgrad getestet, indem die Komplementarität ihrer Basensequenz überprüft wird.
DNA Einzelstränge mit hohem Verwandtschaftsgrad haben viele komplementäre Basen und bilden demzufolge viele Waßerstoffbrückenbindungen aus.
Je mehr Bindungen entstehen, desto höher muß die Temperatur sein, um diese wieder zu zertrennen. Daraus folgt: Je höher die Temperatur sein muß, um zwei verschiedene DNA-Stränge wieder zu trennen, desto höher ist ihr Verwandtschaftsgrad.
Auch läßt sich daraus ableiten: Je geringer die Temperatur ist, desto mehr Mutationen liegen in den Einzelsträngen vor, und desto früher muß die getrennte Entwicklungslinie begonnen haben.

DNA-Hybridisierung
1. Man isoliert die DNA zweier Arten A und B und verkürzt sie enzymatisch in Fragmente (ca.500bp).
2. Die DNA von Art A wird radioaktiv markiert, während die unmarkierte DNA der Art B in größerer Menge dazu gegeben.
3. Das Gemisch wird auf 95 °C erhitzt, was die Denaturierung der DNA verursacht, also die Auftrennung in Einzelstränge.
4. Nach Abkühlung auf 60 °C werden erneut Doppelstrangmoleküle gebildet. Das Ergebnis sind nun wenige AA-Strängen, viele BB-Strängen sowie einige AB-Stränge, welche man als Hybrid-DNA bezeichnet.
5. Das Gemisch wird nun mittels einer Trennsäule, welche nur für Einzelstränge durchläßig ist, aufgeteilt. Durch eine schrittweise Temperaturerhöhung um 2,5 °C erreicht man auf verschiedenen Temperaturstufen die erneute Denaturierung der DNA-Doppelstränge. Nach jeder Erhöhung wird die denaturierte DNA, welche die Trennsäule als Einzelstränge paßiert hat, aufgefangen.
6. Nun bestimmt man die Radioaktivität der Proben und kann somit die Anzahl der vorhandenen Hybridstränge ermitteln.
Im Vergleich von konspezifischer (gleiche Art) und heterospezifischer (verschiedene Arten) Hybrid-DNA gilt die Faustregel: Eine Abweichung um 1 °C entspricht 1,3% ungepaarten Basen. Die Differenz der Schmelzpunkte gibt somit Aufschluß über die evolutive Nähe von Organismen.

-DNA Sequenzierung
Die DNA Sequenzierung ist die Analyse der einzelnen DNA- Nukleotide. Mit der Sequenzierung ist es möglich die Basensequenz eines DNA Stranges auf zu stellen. Macht man dies mit 2 verschiedenen DANN Strängen verschiedener Arten ist es möglich ihre Sequenzen zu vergleichen und somit einen Verwandtschaftsgrad fest zu stellen. Denn so mehr Sequenzen über ein stimmen, desto näher müßen die Arten dem entsprechend sein. Wie die Sequenzierung in genauem abläuft kann unter Jahrgangstufe 11 nach gelesen werden.

- Aminosäuresequenz vergleich – Cytochrom c Vergleich
Aminosäuresequenzen bauen verschiede für den Körper wichtige Proteine. Vergleicht man die Sequenzen die bei den verschiedenen Arten beispielsweise das gleiche Protein codieren können dennoch unterschiede auftreten. Diese Unterschiede sind selbst verständlicherweise auf Mutationen zurück zu führen. Logischer weise läßt sich wie so oft bei DNA oder Sequenzen vergleich sagen: Je mehr Gemeinsamkeiten desto näher sind die Arten verwandt. Je mehr unterschiede desto weiter ist ihr Verwandtschaftsgrad entfernt und desto früher ging ihre Stammesgeschichtliche Entwicklung aus einander.
Der bekannteste Protein Vergleich ist der Cytochrom c Vergleich. Cytochrom c ist bei allen Atmenden Organismen vorhanden, da es ein wesentlicher Bestandteil der Elektronentransportkette in Mitochondrien ist. Etwa 1/3 aller Aminosäuren ist identisch während die anderen 2/3 zwischen den verschiedenen Arten verschieden stark voneinander abweichen. Desto mehr Abweichungen vorhanden sind desto weniger sind die Arten untereinander verwandt. Der sogenannte Cytochrom c Stammbaum gibt das Ergebnis der Analyse genau wieder.
Folgt man nun dem Pfad von einer Art zur anderen und rechnet die Unterschiede in kleinen Zahlen über dem Pfad stehen zusammen, erhält man einen Wert, welcher den Verwandtschaftsgrad der Arten angibt.
Während Affe und Mensch bloß eine Aminosäure verändert haben und sich dem entsprechend der wert 1 ergibt muß bei Mensch und Schildkröte beispielsweise 1+7+5=13 gerechnet werden.
Es liegen also 13 Veränderungen vor und die Arten sind entfernter miteinander verwandt. Genauso sieht es bei dem Huhn aus. Es wird 1+7+5+1=14 gerechnet.

- Immunologischer Verwandtschaftsnachweis / Serum-Präzipitin-Reaktion
Der Immunologischer Verwandtschaftsnachweis oder auch Serum-Präzipitin-Reaktion genannt, wird heute nicht mehr durchgeführt. Zu vor erläuterte DNA vergleiche sind Heut zu Tage nicht bloß möglich im Gegensatz zu Früher sondern auch billiger, genauer und einfacher.
Denn der Immunologische Verwandtschaftsnachweis stütz sich auf die Blutgruppen und nicht auf die DNA.
1901 stellte man das Prinzip der Blutgruppen fest und nahm an, daß verwandte Menschen verträglicher auf ihr Blut reagierten als völlig fremde.
Al Maßstab der Verwandtschaft zählt bei diesem Test die Intensität der Blutverklumpung, wenn man verschiedene Blutproben mischt.
Genauer: Es gibt vier verschiedene Blutgruppen:
A mit den Antigenen A und den Antikörpern B
B mit den Antigenen B und den Antikörpern A
AB mit den Antigenen AB und keinen Antikörpern
0 mit keinen Antigenen aber beiden Antkörpern

Daraus folgt bekanntlich daß A, A und AB Blut spenden darf, ohne, daß dies verklumpt. Denn die Antikörper von A paßen nicht auf die Antigene, so daß keine Verklumpung stattfinden kann. AB hat keine Antikörper welche sich an die Antigene der gespendeten Blutkörper legen könnten, daher kann AB ohne hin von jeder anderen Blutgruppe Blut erhalten ohne zu verklumpen.
Für Blutgruppe B gilt es genauso bloß andersherum. B darf an B und AB spenden ohne das Verklumpungen stattfinden.
AB jedoch darf dadurch, daß es sowohl Antigene von A und B enthält nur an AB spenden.
Die Blutgruppe 0 ist die großzügigste Gruppe. Durch den Vorteil, daß sie keine Antigene hat, kann jede Blutgruppe mit 0 vermischt werden ohne, daß Verklumpungen auftreten.
Andersherum darf jedoch 0 keine andere Blutgruppe, außer 0 erhalten.

Man konstruierte ein Anti-Human-Serum indem man einem Kaninchen menschliches Blut injiziert. Das Kaninchen produziert Antikörper gegen das menschliche Blut. Das nun vom Kaninchen mit menschlichen Antikörpern versehen Blut wird gefiltert und nur die Antikörper werden weiter verwendet. Diese Substanz bezeichnet man dann als Anti-Human-Serum. Mischt man dieses Serum mit Menschlichem Blut verklumpt das Blut völlig. Da Antikörper und Antigene auf einander paßen. Mischt man das Blut jedoch mit Blut von Arten die weniger verwandt mit dem Menschen sind verklumpt das Blut weniger.
Wie stark und schnell das Blut verklumpt ist bei dieser Probe außchlaggebend für den Verwandtschaftsgrad.

Serum Prizipitin Reaktion

Die Systematik

Die biologische Systematik möchte in die Vielfalt der Lebewesen, die es auf der Erde gab und gibt Ordnung hinein bringen, um einen überblick zu behalten.
Dafür sind viele verschiedene Fachbegriffen von Nöten, welche die verschiedenen Lebewesen zuordnen und in Gruppen gliedern.
Dies geschieht zum einen über die Binäre Nomenklatur. Diese beschreibt das heute noch gültige Ordnungßystem von Carl v. Linné in dem er jedes Lebewesen mit einem Doppelnamen bezeichnet. Einmal mit der Gattung und einmal mit der Art jeweils auf lateinisch.
Bei dieser Klaßifizierung ergibt sich ein sogenanntes Hierarchisches System von Reich, Stamm, Klaße, Ordnung, Familie, Gattung bis zur Art, Unterart/Raße/ Variarität.
Zur Zeit Linnés faßte man unter eine Art allerdings noch, was sich ähnlich sah. Man zog also die morphologische ähnlichkeit als Kriterium der Einteilung zu Rate. Dies bezeichnet man als Künstliches System. Heute versucht man mit dem sogenannten Natürlichen System auf Grundlage der neuen Erkenntniße, zum Beispiel von DNA, die Tiere nach ihrer Verwandtschaft in die verschiedenen Kategorien ein zu teilen.
Ihre Verwandtschaft wird in verschiedenen Formen dargestellt eine, in der auch die Abstammung darstellt ist, ist zum Beispiel der Stammbaum, auch Dendogramm genannt. Diesen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Beispielsweise gibt das Kladogramm, welches die Stammesgeschichtliche Entwicklung (Phylogenie oder auch Pylogenese) angibt. Es zeigt aber nicht auf, mit welchem Grad Tiere noch verwandt sind, nach dem sie sich abgespalten haben, oder zu welchem Zeitpunkt sie sich voneinander abgespalten haben. Das Phylogramm hingegen gibt durch Abstand der äste und Länge der äste zusätzlich auch eine ungefähre Vorstellung wie nah Lebewesen nach eine Abspaltung noch verwandt sind und wann sie sich zeitlich ungefähr getrennt haben in ihrer Entwicklung.
Lebewesen mit unterschiedlichen Verwandtschaftsgrad werden nun in unterschiedliche Taxa eingeteilt (ein Taxon mehrere Taxa!). Ein Taxon stellt also eine Gruppe von Lebewesen dar, die eine systematische Einheit bilden. Beispielsweise einer Art angehören oder alle ein gleiches Merkmal aufweisen.
Dementsprechend ist die Taxonomie die Einteilung solcher Gruppen.
Es kann zum Beispiel eine Polyphletische Gruppe eingeteilt werden. Bei diesem Taxon handelt es sich um eine Gruppe, welcher Nachkommen mehrerer Ausgangsarten angehören.
Eine Monophyletische Gruppe (Monophylie) ist ein Taxon das alle Nachkommen einer gemeinsamen Stammart umfaßt.
Im Taxon kann es zur Autopomorphie kommen. Das ist das alleinige Auftreten eines Abgeleiteten Merkmals. Doch auch in verschiedenen Taxa kann es dazu kommen das gleiche abgeleitete Merkmale (Apomorphie=evolutiv neu erworbenes Merkmal) vorkommen. Dies bezeichnet man als Synapomorphie.
Wobei die Plesiomorphie ein ursprüngliches Merkmal darstellt.
In Kladogrammen wird allgemein wie bereits erwähnt die die Stammesgeschichte (Phylogenese) dargestellt bei dieser kommt es zur Kladogenese (Artaufspaltung) und zur Anagese (Artwandel).

Der Ursprung des Lebens
Um den Ursprung des Lebens streitet man sich heute noch und es wichtig an dieser Stelle noch einmal festzuhalten, daß alles was im Bereich der Evolution heute „feststeht“ immer wieder durch neue Funde komplett umgeworfen werden kann und „bisher gültige“ und als richtig empfundene Informationen wieder komplett wiederlegt werden können!
Evolution ist allgemein ein sehr spekulatives Thema.
Für die allgemeine Entwicklung der Erde wird ungefähr ein solcher Zeitstrahl für möglich gehalten:

Entstehung der Erde vor 5 Milliarden Jahren
Chemische Evolution vor 3,8 Milliarden Jahren
Entstehung von Prokaryoten vor etwa 3,5 Milliarden Jahren
Entstehung von Eukaryoten vor etwa 2,5 Milliarden Jahren
Entwicklung von Wirbeltieren vor etwa 450 Millionen Jahren
Radiation der Saurier vor etwa 350 Millionen Jahren
Sterben der Saurier vor etwa 65 Millionen Jahren
Entstehung der Gattung Homo vor 2 Millionen Jahren
Ersten Höhlen Malereien (Entwicklung von Kultur) vor etwa 20 bis 30 Tausend Jahren

Untersucht man im weiteren Verlauf der Unterrichtsreihe nun einen Aspekt der Erdentwicklung, so muß man sich immer im Klaren darüber sein, daß dies nur ein kleiner Teil der für uns unvorstellbar schon ewig alten Erde ist, und das wir Menschen die Erde im Vergleich der gesamten Entwicklung doch erst vor so kurzer Zeit erobert haben.

Die frühe Chemische Evolution

Unter der frühen chemischen Evolution faßt man in der Biologie zwei Aspekte.
Einmal die Bildung organischer Moleküle und zum zweiten die Bildung Zellähnlicher Strukturen, den sogenannten Mikrosphären.
Organische Moleküle können wie Miller und Urey feststellten anhand von Nachstellversuchen aus anorganischen Stoffen unter gewißen Wetter und anderen Umweltbedingungen entstehen, von denen man ausgeht, daß diese damals auf der Erde vorherrschten. Dazu zählen Hitze oder energetische Strahlung.
Mikrosphären entstanden auf ähnliche Weise und unter ähnlichen Bedingungen. Durch das Verdampfen von Proteinoiden auf Sedimentgestein entstanden erste Zellähnliche Strukturen. Sie wiesen eine Selbstständige Teilung, Enzymatische- oder katalytische Fähigkeiten sowie eine Synthese von RNA-Ketten auf, was sie heutigen Zellen ähneln läßt.
Man geht davon aus, daß durch diese beiden Reaktionen unter bestimmten Bedingungen vor 3,8 Milliarden Jahren erste Zellähnliche Wesen entstanden, welche sich im Laufe der Zeit um 3,5 bis 2,5 Milliarden Jahren in Prokaryoten und Eukaryoten auf spalteten. Somit wurde laut heutigen Kenntnißen der Grundstein für die heutige Vielfalt gelegt.

Die Endosymbiontentheorie
Der Kerngedanke der Endosymbiontenhypothese besagt, daß Eucyten durch eine Symbiose entstanden sind.
Diese Symbiose soll zwischen verschiedenen Prokaryoten stattgefunden haben und schließlich zu einer neuartigen Zelle der Eucyte geführt haben.
Man geht davon aus, daß Zellen in eine schon vorhandene Zelle aufgenommen wurden und im inneren der Zelle überlebten vielleicht die „Wirtzelle“ sogar unterstützten und dadurch ein Selektionsvorteil besaßen. Da Zellen mit einer Symbiose Selektionsvorteile hatten überlebten nach der Darwinschen Regel überwiegend diese und gaben diese Information weiter. So entwickelte sich die Eucyte aus den Prokaryoten ohne diese zu verdrängen, denn bekanntlich existieren heute noch beide Zellformen.
Zentrale Argumente für diese Hypothese sind:
- Die Doppelmembran von Mitochondrien und Chloroplasten:
Belegt man diese Theorie oder auch Hypothese so geht man davon aus, daß sowohl Mitochondrien als auch Chloroplasten zur Zeit der Prokaryoten noch nicht existiert haben. Jedenfalls nicht innerhalb eine „Wirtzelle“ sondern lediglich als einzelne unabhängige Zelle.
Heute liegen beide Zellorganellen mit einer Doppelmembran innerhalb der Prokaryoten vor besitzen jedoch eine Doppelmembran im Gegensatz zu allen anderen Zellorganellen und genau dies belegt ihre eigenständige Existenz zuvor. Sie hatten eine eigen Zellwand um sich vor äußeren Einflüßen zu schützen, gelangten dann aber in eine andere Zelle dies durch eine Art Vakuolen Abbindung bei der dem Zellorganell durch die Zellwand der „Wirtszelle“ eine weitere Zellwand gegeben wird. So entstand die Doppelmembran. Ein Beleg dafür sind die Materialien beziehungsweise er Cholesteringehalt der unterschiedlichen Zellmembranen die das Zellorganell umgeben.
- Chloroplasten und Mitochondrien besitzen eine eigene DNA:
Dafür, daß Chloroplasten und Mitochondrien einmal unabhängige Zellen waren spricht nicht nur ihre doppelte also eigene Zellwand die sie in ihrer Unabhängigkeit außerhalb der Wirtszelle benötigten sondern auch die eigene DNA die sie noch heute besitzen und vor entsprechenden Evolutiven schritten benötigten um sich fortzupflanzen.
- Eigenständige Teilung von Chloroplasten und Mitochondrien:
Auf Grund des Vorhandenseins von eigener DNA teilen sich die beiden besagten Zellorganellen auch selbstständig. Auch dies läßt auf eine ehemalige unabhängige Zelle schließen.
- Antibiotika hemmen Tätigkeit von besagten Zellorganellen:
Eine intereßante Beobachtung und zwar die, daß Antibiotika auf die Zellorganellen Mitochondrien und Chloroplasten ebenso wirken wie auf Prokaryoten läßt auf eine Verwandtschaft schließen und somit darauf, daß diese ehemals unabhängige Prokaryoten waren.
-Ribosomenzahl von Prokaryoten stimmen mit denen der Mitochondrien und denen der Chloroplasten überein, was man auch als eine Art Verwandtschaftsnachweis betrachten kann.
- Für das letzte Argument spielen Cyanobakterien (Blaualgen) eine wichtige Rolle:
Blaualgen sind in der Lage ohne Chloroplasten Fotosynthese zu betreiben sie verwenden dazu jedoch die gleichen Stoffewie Chloroplasten. Demzufolge ist es also möglich, daß Cyanobakterien mit anderen Prokaryoten eine Symbiose eingingen und somit die Fotosynthese innerhalb einer anderen Zelle möglich machten.

Die Entwicklung der Wirbeltiere Es gibt heute 5 Klaßen von Wirbeltieren: Fisch, Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere.
Man weiß heute fast sicher wie sich die verschieden Gruppen auseinander heraus entwickelt haben. Das läßt sich mit folgenden Stammbaum (Dendogramm) gut darstellen:

Entwicklung der Wirbeltiere

Wie meist bekannt kommt das Leben aus dem Waßer und man geht von einer Art Urfisch aus, aus der sich natürlich zunächst verschiedene Fische entwickelten.
Der nächste Entwicklungßchritt Richtung Land waren dann die Amphibien, welche wecheslweise an Land oder im Waßer überlebten (Frosch), dicht gefolgt von den völlig am Land lebenden Reptilien (Echsen). Aus den Reptilien entwickelten sich dann auch noch die Vögel, während die Säugetiere sehr spät erst aus dem Stamm hervorgingen.

Einen Stammbaum darstellen (Stammesgeschichte verstehen)
Oft kommt es vor, daß man Stammbäume oder genauer Dendogramme erstellen soll. Phylogramme werden für gewöhnlich nicht verlangt dennoch kann es zu einer kniffligen Aufgaben werden, wenn man nicht genau weiß, wie man eine solche Aufgabe angehen soll.
Anhand einer Beispielaufgabe soll das ganze näher erläutert werden.

Durch die DNA – Hybridiesierung hat man zu den folgenden Arten folgende Verwandtschaft errechnet:
Gibbon und Orang-Utan, Gorilla, Mensch, Schimpanse haben eine Distanz von 5,2
Gorilla und Mensch haben eine Distanz von 2,3
Schimpanse und Mensch haben eine Distanz von 1,8
Schimpanse und Gorilla haben eine Distanz von 2,3
Orang-Utan und Gorilla, Mensch, Schimpanse haben eine Distanz von 3,7
Schimpanse und Bonobo haben eine Distanz von 0,7

Deutlich erkennbar ist, daß der Gibbon am entferntesten mit den Arten Verwandt ist, denn seine Distanz zu den anderen Hominoiden ist die größte. Mit ihm wird also begonnen.
ähnlich verhält es sich mit dem Orang-Utan.
Gorilla und Mensch und Gorilla und Schimpanse haben den gleichen Distanz betrag, das deutet nicht nur auf den Abstand des Gorillas zu den verbleibenden Arten hin sondern auch auf die nähe mit der Mensch und Schimpanse verwandt sind. Der Gorilla folgt also nun in der Linie und wir behalten im Hinterkopf, daß Mensch und Schimpanse nahe beieinander bleiben müßen.
übrig bleiben nun Mensch Schimpanse und Bonobo.
Schimpanse und Bonobo sind noch näher verwandt als Schimpanse und Mensch zu der Verwandtschaft zwischen Bonobo und Mensch haben wir in dieser Aufgabe nichts angeben daraus erfolgt dann folgendes Finale für den Stammbaum.

Stammbaum

Lucy – Eine Mosaikform
Als Mosaikform oder auch Brückentier werden Foßilien oder auch heute noch existieren Lebewesen bezeichnet, die eine übergangsform zwischen zwei Gruppen darstellten oder auch heute noch darstellen.
Das wohl bekannteste Beispiel hierfür ist der Archaeopteryx. Betrachtet man sein Skelett im Vergleich mit dem eines Huhns und dem eins Sauriers wie dem Compsognathus so ist direkt erkennbar, daß der Archaeopteryx die beiden Skelette in vielerlei Hinsicht verbindet. Der Schnabel wird immer spitzer und länger. Hat der Saurier noch ein Maul mit Zähnen, welches eher kurz ausgelegt ist, so hat der A. schon kleinere Zähne und ein etwas länger gezogenes Maul. Das Huhn hingegen hat keine Zähne mehr und einen vollkommen langen und spitzen Schnabel.
Auch an Hand von anderen Details ist der übergang und die Entwicklung deutlich erkennbar.
Diese Brückenform gibt es auch bei der Humanentwicklung. Das berühmte Skelett Lucy welches der Art Australopithecus afarensis angehört, wird als eine solche mosaikform eingestuft. Deutlich erkennbar ist diese aber auch erst im Vergleich mit einem Affen und einem Menschenskelett.
In der folgenden Tabelle werden Mensch und Affe verglichen und in einer dritten Zeile werden die übergangseigenschaft von Lucy beschrieben:

Mensch Australopithecus afarensis Affe
Becken (Stütz Organe), Oberschenkel und Füße sind an den aufrechten Gang angepaßt ;
Doppeltes S der Wirbelsäule federt Gang ab ;
Setzt gerade am Hinterkopf an;
Flache Füße helfen beim Gleichgewicht halten
→ Körperschwerpunkt mittig
Lediglich Hände könne greifen
Eckzähne sind vollkommen zurückgebildet
Großer Schädel mit größerem und komplexem Gehirn → Kultur
Zungenlage, Gaumen und Kehlkopflage erlauben die Wortbildung und somit die Kommunikation durch Sprache
Fleischfreßer
Anpaßung und gezieltere Verwendung und Verbeßerung von Werkzeugen
Lucy konnte bereits dank ihres Beckens und ihrer Wirbelsäule gut Aufrecht gehen,
für lange Wanderungen reichte es jedoch noch nicht Füße und Hände waren noch zum Greifen und Arme und Beine besonders lang und somit an das Klettern in Bäumen angepaßt
Lucys Eckzähne waren zwar noch etwas länger als die anderen Zähne, aber längst keine spitzen Eckzähne mehr
Der Schädel Lucys war schon recht groß und läßt auf primitiven Werkzeuggebrauch schließen, sicher ist man sich da aber nicht.
Becken und Bauch fallen nach unten bei dauerhaft aufrechten Gang → kein aufrechter Gang
Nicht so stark geschwungene Wirbelsäule und schräger Ansatz der W.Säule am Hinterkopf verhindern aufr. Gang
Füße und Hände können zum Klettern greifen
→ Körperschwerpunkt Vorne
Vollkommen ausgeprägte Eckzähne
Kleinerer Schädel mit kleinerem einfachen Gehirn → kaum Werkzeug Verwendung
Durch den Sprachapparat werden lediglich Lautbildungen zugelaßen, welche eine komplexe Sprache nicht zustande bringen
Vegetarier
Außchließliche Verwendung natürlicher Werkzeuge

Die menschliche Entwicklung

Die Entwicklung des Menschen ist durch einige Funde belegbar, aber dennoch stark umstritten. Man ist sich heute größtenteils einig, daß sich der Mensch aus Affenähnlichen Wesen entwickelt hat auch wenn die Meinungen darüber schon auseinander gehen ob die Menschen jetzt vom Affen abstammen oder ob Mensch und Affe lediglich einen gemeinsamen Vorfahren haben.
Man hat im Laufe der Humanevolutionsforschung viele verschiedene dem Menschen und Affen ähnlich sehende Skelette oder auch nur Teilskelette gefunden und versucht mit diesen heute das Puzzle der Geschichte zusammen zu puzzeln. Doch klar ist, daß mit jedem neuen Fund ein bisher logisches Puzzle wieder vollkommen falsch sein kann und neu geordnet werden muß.
Eine bisher recht logisch erscheinende Entwicklungskette scheint in folgendem gut dargestellt:
entwicklung der Menschen

Allgemein sind zur Entwicklung des Menschen folgende wichtigen Aspekte zu nennen:
- Evolutionstendenzen sind das Wachstum des Gehirns, Gesichtßchädel wird flacher, überaugenwülst bildet sich zurück, der aufrechte Gang entwickelt sich dadurch, daß das Hinterhauptsloch sich zentraler verlagert.
- Die Entwicklung der Menschen begann durch eine Lebensraumanpaßung. Der Vormensch mußte die Bäumer verlaßen und sich in der Savanne zurecht finden. Präadaptionen waren hierbei die gute räumliche Sicht die das Individuum schon für das Klettern brauchte, sowie die Greifhände, welche in der späteren Entwicklung sogar zum Werkzeug gebrauch fähig waren.
- Der aufrechte Gang verschaffte den Populationen in der Savanne Vorteile durch einen beßeren überblick, Schutz vor Hitze auf Grund weniger Sonnenbeschienener Fläche und die Hände wurden frei um zum Beispiel Nahrung mit auf die Reise zu nehmen.
- Der aufrechte Gang begann mit dem Australopithecus Afarensis. Das Beispiel Skelet ist die bekannte Lucy außerdem beweisen versteinerte Fußabdrücke dieser Art, daß sie Aufrecht ging.
- Homo Rudolfhensis weißt als erste Art die Verwendung von Werkzeugen auf, bearbeitete sie selber jedoch nicht. Homo Erectus beherrscht auf jeden Fall teilweise das Feuer. Durch beide „Zusätze“ kommt es zur vermehrten Fleisch und damit auf Protein und Eiweiß Aufnahme, wodurch das Wachstum des Gehirns gefördert wird.
- Der Homo Erectus ist der erste Vormensch welcher auch Europa und Asien erreicht man bezeichnet dies auch die erste Auswanderung. Hier entwickelte sich daraus der Homo Sapiens sowie der Homo Heidelbergensis und damit der Homo Neanderthalensis. Der Homo Sapiens Sapiens entwicklte sich in Afrika und kam im Zuge der Zweiten Auswanderung nach Europa und Asien. Hier verdrängte er den Homo Neanderthalensis vermutlich und breitete sich dann nach Australien und Amerika aus.
- Der Homo Neanderthalensis war an die Eiszeit vor allm durch seinen breiten Körperbau aber seinen kleinen Körper (Bermannsche Regel) gut angepaßt. Er verfügte über viele verschieden Werkzeuge und begrub sogar die eigene Toten, was eine Religion oder Vorstufe zur Religion vermuten läßt. Durch seinen Körperbau muß er dem Homo Erectus, dem Homo Sapiens und dem Homo Sapiens Sapiens eigentlich wesnetlich überlegener gegenüber gewesen sein. Warum er genau außtarb ist noch nicht genau geklärt. Es gibt Vermutungen, daß sein Kopf auf Grund des großen Gehirns (1500cm3 größer als bei heutigen Menschen) schon bei dem Nachwuchs zu groß war. Zu groß um gut durch den Geburtskanal zu gelangen und durch die schweren Geburten konnte Art sich nicht lange halten.

Im Allgemeinen gibt es zwei verschiedene Theorien, wie sich der Mensch auf der gesamten Erde ausgebreitet hat. So wie man auch über die allgemeine Entwicklung und Entstehung der Gattung Homo diskutiert, so sind auch diesen beiden Theorien immer noch umstritten, aber dennoch die bekanntesten und am logischsten erscheinenden Theorien.
1) Out-of-Africa-Hypothese:
Die Out-Of-Africa-Hypothese besagt, daß der Homo erectus sich in Afrika vor etwa 1,8 Millionen Jahren entwickelte und dann entlang der Küsten sich auch nach Europa und Asien ausbreitete. Aus diesem entwickelte sich ebenfalls in Afrika aber vor 200.000 Jahren dann er Homo Sapiens. Auch dieser konnte durch den immer noch vorhandenen aufrechten Gang gut wandern und begann den Vormarsch entlang der Küsten in alle anderen Teile der Welt. Der Homo Erectus, mit seinem kleineren Gehirn, wurde dort, wo er noch nicht ausgestorben war, da er sich in Europa zum Beispiel weiter zum Homo neanderthalensis entwickelt hatte, nun verdrängt. Somit setzte sich der Homo Sapiens aus Afrika auf dem gesamten Erdball durch.

2) Multiregionale Hypothese
Auch die Multiregionale Hypothese geht von dem Homo erectus als Grundbaustein aus. Laut dieser Hypothese wanderte der Homo erectus vor 1,8 Millionenn Jahren in die anderen Kontinente aus, wie in der Out-Of-Africa-Hypothese. Doch der weitere Verlauf unterscheidet sich dann deutlich von der ersten Theorie.
Die Multiregionale Hypothese geht davon aus, daß sich der Homo erectus auf den verschiedenen Kontinenten unterschiedlich weiter entwickelte, es aber über die gesamte Entwicklungsdauer immer einen Wanderungsaustausch zwischen den verschiedenen Kontinenten gab. Demnach nahmen alle unterschiedlichen Arten auf den unterschiedlichen Kontinenten gegenseitig Einfluß auf die Entwicklung der anderen und wurden auch durch sie beeinflußt. Das Ergebnis ist, daß sich auf jedem Kontinent ein eigener Homo Sapiens entwickelte.

Es gibt verschiedenen Argumente, die die Hypothesen wiederlegen oder unterstützen. Die Multiregionale Hypothese wird aktuell dadurch wiederlegt, daß Genetische Unterschiede einem dauerhaften Genfluß in früheren Zeiten wiedersprechen.
Eine Meßung ergab, daß die Genetische Variabilität in den Auswanderungsgebieten abnimmt.
In Afrika herrscht demnach die größte genetische Variabilität, während 30 Siedler in Europa eine übereinstimmende Mitochondrien DNA aufweisen. Zwischen 951 Italienern gab es eine Distanz von 0,32% bei der Mitochondrien DNA.
Dies läßt sich mit den einfachen Sätzen erklären, daß die Variabilität in einem bestimmten Gebiet im Laufe der Zeit zunimmt, da mehrere verschiedene Mutationen stattfinden können. Wandert jedoch ein Teil der Population ab, so treten Gründereffekt und Flaschenhalseffekt ein. Die Variabilität sinkt demzufolge zunächst erst einmal da ein geringerer Genpool vorhanden ist. Dieser kann sich erst langsam im Laufe der Zeit durch neue Mutationen wieder erweitern und im Vergleich zur Ursprungspopulation auch deutlich verändern, da es sich nun auch um eine andere Umgebung handelt.

Neurobiologie

Aufbau von Neuronen


Neuron

Neuronen sind für die Weiterleitung von Signale zuständig.
Um dies genauer zu verstehen werden zunächst die verschiedenen Bestandteile der Neuronen erläutert.
Das (3) Soma ist meist Kugel oder Tropfenförmig und stellt den Zellkörper der Nervenzelle dar.
Es enthält alle wesentlichen Zellorganellen wie zum Beispiel den (5) Zellkern und ist damit für den Stoffwechsel der Zelle verantwortlich.
An das Soma schließen zum einen (4) Dendriten und zum anderen (2) Axone an.
Axone (Neurit) entspringen am sogenannten (6) Axonhügel oder auch Axonsprung aus dem Zellkörper. Das Axon kann über einen Meter lang sein und ist für die Signalweitergabe verantwortlich. Signale gelangen also durch das Axon weg von der aktuellen Zelle zur nächsten.
Axone sind umkleidet von einer Schicht aus (7) Myelin, welche durch die (8) Schwannschen Zellen gebildet wird. Regelmäßig ist diese lipidhaltige Membran jedoch unterbrochen und es treten „nackte“ Stellen des Axon hervor. Diese Stellen bezeichnet man als (9) Ranvier´sche Schnürringe und sie spielen bei der Weiterleitung von dem Signal eine besondere Rolle.
Die Erregung kommt nun durch die Weiterleitung am Ende des Axons an Verzweigungen an. Hier sitzen die (10) synaptischen Endknöpfchen welche die Informationen über den synaptischen Spalt, den Abstand zwischen zwei Neuronen, an die nächste Zelle weitergeben. Der gesamte untere Komplex des Axons von der Verzweigung an bezeichnet man als (1) Synapse. Genauer ist die Synapse die Stelle, an der die Information von einer Zelle zur anderen getragen wird, es zählen also auch noch die Dendriten der anderen Zelle zu der Synapse dazu.
Man spricht von der Präsynapse (Endknöpfchen) und der Postsynapse (Membran mit Empfangsrezeptoren).
Die Dendriten gehen wie das Axon ebenfalls vom Soma aus. Auch sie sind Baumartig verzweigt, doch weisen sie dennoch einen wichtigen Unterschied zu den Axon auf. Nämlich die Richtung in die Informationen weiter gegeben werden. Während das Axon das Signal verbreitet und weitergibt, empfängt der Dendrit das Signal und leitet es an das Soma und somit das Axon weiter. Die Dendriten gehören wie eben schon erwähnt durch ihre empfangende Tätigkeit ebenfalls zur Synapse. Wichtig zur Synapse ist noch zu sagen, daß man zwischen chemischer und elektrischer Synapse unterscheidet.
Bei der Chemischen Synapse erfolgt die Informationsübertragung durch Moleküle (Transmitter), bei der Elektrischen Synapse durch geringfügige Elektrizität.

Das Ruhepotential
Als Ruhepotential einer Nervenzelle bezeichnet man das stabile Ungleichgewicht, genauer die elektrische Spannung die zwischen der Innen- und der Außenmembran einer unerregten Nervenzelle vorliegt.
Grundsätzlich gibt es für diesen ladungsunterschied und damit das stabile Ungleichgewicht zwei Bedingungen.
1) Unterschiedliche Ionenkonzentrationen außerhalb und innerhalb der Membran
2) Eine Membran mit unterschiedlich guter Permeabilität für die einzelnen Ionen-Sorten.

Anhand der unten befindlichen Abbildung läßt sich das Prinzip der Ladungen gut erklären.
Im Zellinneren befinden sich zunächst organische Anionen, welche negativ geladen sind und Kalium Kationen, welche positiv geladen sind.
Außerhalb der Zelle befinden sich positiv geladenen Natrium Ionen und negativ geladenen Chlorid Ionen.
Die Zellmembran an sich besteht, wie aus den vorrangegangen Jahren bekannt aus einer Doppellipidschicht, wobei der polare Kopf jeweils nach außen zeigt, während der unpolare Schwanz nach innen zeigt (Fluid mosaic modell).
Außerdem befinden sich noch verschiedene Integrale Proteine in der Zellmembran. Man kann diese auch als Ionenkanäle bezeichnen.
Diese Proteine variieren jedoch in Anzahl und Durchläßigkeit.
Grundsätzlich kann man sagen, daß die Integralen Proteine für Kalium am meisten vorhanden sind und somit am besten Transportieren. Mit etwas Abstand folgt der Kanal für Chlorid Ionen. Natrium Ionen kommen selbstständig kaum durch die Membran.

Erinnert man sich an das Thema Diffusion und Osmos gibt es 2 Gradienten die dafür sorgen, daß Teilchen sich bewegen.
Zum ersten den Konzentrationsgradienten. Bei diesem wollen Teilchen sich innerhalb eines Raumes immer „gerecht aufteile“ und einen überschuß in eine Richtung vermeiden.
Zum Zweiten gibt es den Ladungsgradienten. Nach diesem wollen Teilchen verursacht durch ihre Ladung, auch die Ladung in einem Raum oder zwischen zwei verschiedenen Räumen ausgleichen.
Zunächst folgen in unserer Zusammensetzung die Kalium Ionen ihrem Konzentrationsgradienten. Für sie ist das Integrale Protein oft nicht weit und sie können es leicht durchqueren (Erklärung für den Beginn). Durch den Ausgleich des Konzentrationsgradienten kommt es aber zu einem Ladungsungleichgewicht. Denn nun wo sich positive Ladung außerhalb der Zelle befindet, findet man durch die organischen Anionen einen negativen überschuß innerhalb der Zelle. Die organischen Anionen können die selektiv Permeable Membran zum Ausgleich der Ladung jedoch nicht paßieren. Zusätzlich diffundieren Chlorid Ionen in die Zelle, angetrieden durch ihren Konzentrationsgradienten. Dies steigert das Ladungsungleichgewicht noch weiter.
Wenn Ladungs- und Konzentrationsgradient sich die Wage halten ist ein stabiles Ungleichgewicht oder auch die Ruhespannung bzw. das Ruhepotential vorhanden. Das bedeutet das es zu einem ständigen Fluß vor allem von Kalium Ionen zwischen den beiden Membran Seiten kommt in dem diese versuchen sowohl Ladungs- als auch Konzentrationsgradienten auszugleichen, das auf Grund der Selektivpermablen Membran aber nicht möglich ist. Es kommt zu einer leicht negativen Ladung innerhalb und einer leicht positiven Ladung außerhalb der Zelle. Dem Ruhepotential.
Doch dieses Ladungsungleichgewicht würde aufgrund des dauerhaften Na- Leckstroms, also dem dauerhaften Einfluß von Natrium Ionen, ihrem Ladungsgradienten folgend, in das Zellinnere zusammenbrechen. Es würde zu einem Ladungsausgleich kommen. Für Natrium ist die selektivpermeable Membran zwar nur sehr bedingt durchläßig, doch durch den starken Ladungsgradienten schaffen es zumindest nach einiger Zeit viele Ionen die Membranseite zu wechseln. Durch diesen Ladungsausgleich können dann weitere Kalium Ionen, welche zuvor durch die starke Ladung davon abgehalten wurden weiter ihrem Ladungsgradienten zu folgen, doch wieder nach außerhalb der Zelle diffundieren, so daß es letztendlich doch wieder zu einem Landungs- und Konzentrationsausgleich kommen kann.
Doch ein Ladungsausgleich entspricht wie zu Beginn definiert nicht dem Ruhepotential eine Nervenzelle.
Die elektrische Spannung einer Nervenzelle liegt in der Regel bei -70 mV.
Um nun das durch die Kalium Ionen verursachte Ungleichgewicht aufrecht zu erhalten ist eine unter ATP verbrauch arbeitende Natrium-Kalium-Pumpe notwendig. Diese zerstört das Gleichgewicht welches Natrium herzustellen droht.
Wie ihr Name eigentlich schon erklärt, transportiert sie unter dem Verbrauch von ATP Natrium Ionen von Innerhalb der Zelle nach Außerhalb.
Dadurch kann der Ladungsunterschied und die Spannung aufrechterhalten werden. Denn die zu Ausgleich in die Zelle einströmenden Natrium Ionen werden durch die Pumpe wieder nach Außen geschleuste. Dafür aus der Zelle ausdiffundierte Kalium Ionen, welche den Ladungsausgleich nutzen um nach außen zu diffundieren werden wieder in die Zelle gepumpt. Das Verhältnis liegt bei 3 Natrium Ionen und 2 Kalium Ionen.
→ Das Ruhepotential ist die Spannung der Membran einer unerregten Nervenzelle. Es entsteht durch ein stabiles Ungleichgewicht verschiedener Ladungsträger (Ionen).

Ruhepotential

Das Aktionspotential
Das Aktionspotential ist einfach gesagt die Umkehrung der Ladung des Ruhepotentials.
Das Ruhepotential wird durch Hintergrundkanäle und der Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten. Das Aktionspotential wird, sofern ein Reiz das Schwellenpotential überschreitet (Alles oder nichts Reaktion) durch Spannungsgesteuerte hervorgerufen. Die Weiterleitung des Signals erfolgt dann durch Liganden gesteuerte Ionenkanäle.
Es handelt sich entweder um eine Hyperpolarisation, was bedeutet das die Spannung zwischen der Innen und Außenseite der Membran gesteigert wird, also daß ein Kaliumaußtrom aus der Zelle in den Extrazellulären Raum stattfindet, oder um eine Depolarisation. Das wiederrum bedeutet, daß das Zellinnere positiver geladen ist als der Extrazelluläre Raum. Dafür muß ein Natriumeinstrom in die Zelle stattfinden.
Wichtig hierbei zu erwähnen ist, das eine Synapse immer nur entweder hemmende oder erregende Signale weitergeben kann.
Doch wie läuft das Aufbauen eines Aktionspotentials nun in genauen Abschnitten ab?
Zunächst muß ein Signal so stark sein, daß das Schwellenpotential (meist 15 bis 20 mV positiver als das Ruhepotential) überschritten wird, denn erst dann kommt es zu einem Aktionspotential und auch zur Weiterleitung des Signales.
Zunächst sorgt also eine Erregung dafür, daß die Axonmembran depolarisiert. Dies wird durch einen Na+ Einstrom mit Hilfe von Spannungsgesteuerte Na+ -Ionenkanäle verursacht. Durch die leichte Ladungsveränderung können sich weitere Spannungsgesteuerte Kanäle öffnen, bis das Schwellenpotential überwunden ist.
Nun kommt es zu einem sogenannten Rückkopplungsprozeß bei dem sich schlagartig alle Na+ Kanäle öffnen. Es kommt zur erweiterten Depolarisation. Das Schwellenpotential ist überwunden und das Zellinnere ist kurze Zeit positiv geladen.
Zeitverzögert zu den Na+ Kanälen öffnen sich nun aber auch die K+ Kanäle und dem Ladungsgradienten folgend strömt Kalium aus der Zelle heraus, während die Na+ sich schon wieder zu schließen beginnen (Zeitversetzte Reaktion der Spannungsabhängigen Ionen Kanäle). Diesen Vorgang des öffnen des K+ Kanäle und das Schließen der Na+ Kanäle bezeichnet man als Repolarisation, da sich nun die Ladung wieder in ihre Richtung des Ruhepotentials beginnt zu drehen.
Durch den maßiven K+ Außtrom kommt es jedoch, bevor sich die langsamen K+ Kanäle wieder schließen zu einer kurzen Hyperpolarisation, also eine noch negativeren Ladung verglichen mit dem Ruhepotential. Dies bezeichnet man als das Nachpotential. Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt am Ende das stabile Ungleichgewicht des Ruhepotentials her und macht somit die Neurone Aufnahme bereit für das nächste Signal. Die Zeit bis dieses Ruhepotential wieder hergestellt ist bezeichnet man als Refraktärzeit. In dieser kann die Neurone keine weiteren Signale weiter leiten.
In der absoluten Refraktärzeit werden keine Signale und Ladungsänderungen wahrgenommen. In der relativen Refraktärzeit verhindert/ hemmt die Hyperpolarisation noch ein überschreiten des Schwellenpotentials, so daß auch hier noch keine weitere Erregung wahrgenommen werden kann.

Erregungsweiterleitung im Axon
Die Weiterleitung eines Signals findet am Axon statt.
Vom Axonhügel überspringt das Signal die durch die Myelinschicht isolierten Teile. Das Signal springt als von einem Schnürring zum nächsten. Durch dieses Weiterspringen ist die Reizweiterleitung relativ schnell und weniger Energieaufwendig, da weniger Umladungen stattfinden. Wichtig ist das Springen des Signals aber auch, da so durch weniger Weiterleitungßtationen weniger Fehler bei der Weiterleitung geschehen können.
Vom Dendrit zum Axonhügel, wo das Schwellenpotential zum ersten Mal für die Neuronen überschritten werden muß, damit das Axon das Signal weiterleitet, wird das Signal ohne das Springen an den Schnürringen weitergegeben da hier keine vorhanden sind. Da dies im Vergleich nur eine sehr kurze Strecke ist, kann sich der Körper die oben genannten Nachteile leisten.
Allgemein kann man sich das weitergeben wie einen Ladungsausgleich vorstellen. Am Axonhügel finden eine Depolarisation mit Repolarisierung und Hyperpolarisierung statt. Das bedeutet, daß hier kurze Zeit das Ladungsverhältnis zwischen Extrazellulärem Raum und Zellinnerem getauscht wird. Durch Ladungsaustausch wird dies in eine Richtung weiter gegeben. Dem Axon entlang bis zur Synapse. In die andere Richtung kann das Signal auf Grund der anschließenden Refraktärzeit nicht weiter gegeben werden. In dieser Richtung ist die Zelle noch nicht bereit ihre Ladung wieder zu ändern.

Die Chemische Synapse
Vom Axon her kommt das Aktionspotential, da die Na+ Kanäle geöffnet sind. Die Depolarisation erreicht also die Synapse. Hier öffnen auf Grund der Spannungsänderung Spannungsabhängige Ca+ Kanäle und sorgen somit für die Steigerung der Depolarisierung. Außerdem bewirken sie, daß sich in Vesikeln enthaltene Transmitter zur Präsynaptischen Membran bewegen. Kommen die Vesikel an der Membran an, verschmelzen sie hier mit der Membran und öffnen sich dabei nach außen, so daß die Transmitter in den Extrazellulären Bereich, den Synaptischen Spalt gelangen.
Hier können die Transmitter an der Postsynaptischen Membran an den Rezeptoren binden, wodurch Transmitter oder Liganden gesteuerte Kanäle geöffnet werden. Durch diese diffundiert Natrium in die Postsynaptische Zelle und es kommt zur Depolarisation in der Postsynaptischen Membran und damit auch in dem entsprechendem Dendriten. Das Signal wird zum Axonhügel weiter geleitet. überschreitet es hier das Schwellenpotential, so wird ein Aktionspotential ausgelöst.

Verschiedene Arten von Neurotransmittern
Neurotransmitter Wirkung
Acetylcholin Meist erregend (=bewirkt Depolarisation der Postsynaptischen Membran → exitatorisches Postsynaptisches Potential(EPSP))
Glutamat erregend
Adrenalin Erregend z.T. Hemmend
Dopamin Hauptsächlich hemmend (=bewirkt Hyperpolarisation der Postsynaptischen Membran → Inhibitonisches postsynaptisches Potential (IPSP))
GABA hemmend
ChemischeSynapse

Funktionsweise verschiedener Rezeptoren
In den oben dargestellten Ausführungen wurden die Rezeptorkanäle durch ein Rezeptorprotein = Effektorprotein genauer erläutert. Durch die Bindung eines Transmitters aus der Präsynapse wird die Gestalt des Kanals verändert, er öffnet sich und Ionen (Natrium) kann durch die Postsynaptische Membran diffundieren.
Es gibt jedoch auch noch andere Arten von Rezeptoren. So genannte G-Protein gekoppelte Kanäle.
Hier ist das Rezeptorprotein nicht direkt das Effektorprotein.
Durch das Binden des Transmitters an dem Rezeptor wird zunächst das G-Protein aktiviert. Dieses bindet nun an das Effektorprotein, wo nun die Gestalt verändert wird, also der Kanal geöffnet wird und Ionen diffundieren können. Dieser Prozeß durch das G-Protein benötigt jedoch GTP einen ähnlichen Stoff wie ATP und dient oft auch der Regulierung also der Hyperpolarisation der Zelle dadurch das Kalium aus der Zelle diffundiert oder Chlorid in die Zelle diffundiert (kanalabhängig).
Eine weitere Variante des Rezeptors ist der G-Proteingekoppelte Rezeptor mit Verstärkerkaskade.
Bindet hier ein Transmitter an den Rezeptor wird ebenfalls unter GTP ein G Protein aktiviert. Dieses bindet diesmal nicht an das Effektorprotein sondern an ein Enzym welches einen interzellulären Botenstoff produziert, der mehrere Effektorproteine aktivieren kann. Somit kommt es zur vermehrten Gestaltveränderung von Effektorproteinen, also zur vermehrten öffnung von Kanälen und Natrium kann besonders gut in die Postsynaptische Zelle diffundieren. Die Depolarisierung wird also gefördert.
Der Transmitter wird anschließend wieder gespalten und in Form seiner Einzelteile wieder Rücktransportiert in die Präsynapse, wo unter ATP verbrauch wieder Transmittervesikel synthetisiert werden. Die Transmitter dürfen sich nicht dauerhaft im Synaptischen spalt aufhalten, da es sonst zu einer Dauererregung de Postsynapse kommen würde.

Synapsen Gifte
Es gibt viele verschiedene Synapsen Gifte. Im Folgenden werden die vier wichtigsten vorgestellt.

Curare:
Curare ist von den Indianern bekannt, welche Columbus bei seiner Entdeckungsreise bedrohten und viele Männer mit einzelnen Pfeilen töteten. Schuld war das aus verschiedenen Lianen Arten gewonnene Synapsen Gift Curare. Es wirkt durch das blockieren der Rezeptoren an der Postsynaptischen Membran. So können die Transmitter nicht mehr binden und die Kanäle für Na+ werden nicht geöffnet. Es kommt nicht zur Depolarisierung der Postsynaptischen Membran und auch nicht zur Weitergabe von dem Signal.
Als Folge kommt es zur Muskellähmung, die Todesursache ist meist die Lähmung der Atemmuskulatur und dadurch das Sterben an Atemstillstand. Curare wirkt jedoch nur intraveös also durch den Kontakt mit Blut. Nimmt man das Gift als „Nahrung“ auf, so treten keine Symptome auf.

Botox (Botulinum-Toxin):
Botox wirkt in der Membran der Synaptischen Vesikel hier wird die Acetylcholin Außchüttung, also die Botenstoffaußchüttung verhindert. So kommen gar nicht erst Botenstoffe in den Postsynaptischen Spalt und können demnach auch nicht an den Liganden gesteuerten Kanal binden und auch keine Kanäle öffnen, welche die Depolarisation der Postsynaptischen Zelle hervorrufen würden. Wie auch bei Curare kommt es zu einer Muskellähmung und den Tod durch Atemstillstand.

Kokain:
Kokain wirkt bekanntlicherweise ermunternd und führt zu guter Laune. Dies liegt an einem hohen Transmittergehalt innerhalb des Synaptischen Spaltes, da der Transmitter (Dopamin) nicht wieder Rücktransportiert wird. Löst sich ein Transmitter von einem Na- Kanal an der Postsynaptischen Membran bindet er kurze Zeit später erneut an dem Kanal, da an der Präsynaptischen Membran durch das Nervengift der Rücktransport des Transmitters verhindert wird. Durch die daraus folgende Dauererregung kommt es zur Verkrampfung der Muskulatur.

Sarin (Alkylphosphat) – organische Phosphatverbindung:
Sarin führt ähnlich wie Kokain zu einer Dauererregung der Nervenzellen und somit zur Muskelverkrampfung.
Das Nervengift wirkt im Synaptischen Spalt an den Ligandengesteuernten Na+ Kanälen. Der Botenstoff oder auch Transmitter Acetylcholin wird nicht abgebaut und demnach nicht Rücktransportiert in die Präsynaptische Zelle. Auch hier kann der Transmitter demnach immer wieder an die Rezeptoren binden und die Dauererregung wird ausgelöst. Durch diese kommt es wie oben schon erwähnt zur Muskelverkrampfung.

Nervenverschaltung – Verrechnungsprozeße an der Synapse
Da an einer Nervenzelle durch die vielen verschiedenen Dendriten viele verschiedene Erregungen ankommen werden diese miteinander verrechnet. Kommen also zwei positive, also erregende Signale an den Dendriten an entsteht durch die Summation der beiden eine noch höher Depolarisierung und eine noch höhere Chance am Axonhügel das Schwellenpotential zu überschreiten. Somit steigt die Chance, daß das Signal weitergeleitet wird durch die Summation. Anders herum, kann aber auch ein erregender und ein hemmender Reiz gleichzeitig auf die Zelle treffen. Durch die Summation der beiden Signale kann es sein, daß die Depolarisation nicht mehr ausreicht um am Axonhügel ein Aktionspotential auszulösen. Bei der Verrechung von den Signalen gibt es zwei verschiedene Varianten:
1. Räumliche Summation:
EPSP oder IPSP kommt durch die Summation oder das Zusammenzählen von Signalen unterschiedlicher Dendriten zusammen. Von verschieden Dendriten kommen also Zeitgleich verschiedene Signale, die Verrechnet werden und als Folge entweder Depolarisieren also exitatonisches postsynaptisches Potential hervorrufen oder Hyperpolarisieren also ein inhibitonisches Postsynaptisches Signal hervorrufen.

2. Zeitliche Summation:
Kommen mehrere Reize vom selben Dendriten sehr Zeitnahe, so kann es dazu kommen, daß der erste Reiz den anderen „einholt“ und die beiden oder auch noch mehrere Reize summiert werden.
Bei dieser Summation wird also nur ein Dendrit berücksichtigt, doch von diesem gehen Zeitnahe mehrere Reize aus, die durch aus auch unterschiedlich, also sowohl depolarisierend als auch Hyperpolarisierend wirken können.

Bau und Funktionsweise von Sinneszellen
Neuronen können lediglich Erregungen weiter leiten. Bevor es aber zu einer solchen Erregung kommen kann muß zunächst ein Reiz (Stimulus) eine solche Erregung auslösen.
Der Stimulus wird durch die Rezeptoren der sogenannten Sinneszellen wahrgenommen.
Durch die Reizung der Sinneszellen verändert sich ihr Membranpotential zu einem Rezeptorpotential. Das Rezeptorpotential ist graduiert also direkt proportional zur Reizintensität (KEINE Alles oder nichts Reaktion wie das Aktionspotential!). Das bedeutet aber auch, daß es nur kurze Wege über die kontinuierliche Erregungsweiterleitung zurücklegen kann, da das Signal schwächer wird.
Allgemein bezeichnet man die Reizcodierung oder auch Reizumwandlung in eine Erregung Transduktion. Diese ist notwendig damit die Erregung als Aktionspotential über die Neuronen weiter geleitet werden kann. Die Transduktion bezeichnet als die Umwandlung des Rezeptorpotentials in ein Aktionspotential.
Für die verschiedenen Reize wie Geräusche, Licht, Druck, Berührungen etc. gibt es hoch selektive Sinneszellen. Jede Sinneszelle springt also nur auf den eigen adäquaten Reiz an.
Sinneszellen werden nach drei verschiedenen Mustern klaßifiziert:
1) Klaßifizierung nach ihrem adäquaten Reiz:
Mechano- Thermo- und Elektrorezeptoren zählen zu den Ionotropen Rezeptoren. Das bedeutet, daß diese Rezeptoren entweder selbst einen Ionenkanal darstellen durch welchen positive Ionen diffundieren können um das Membranpotential zu verändern, oder das diese Rezeptoren direkt ein anderes Protein beeinflußen welches als Ionenkanal fungiert.
Chemo- und Photorezeptoren dagegen zählen zu en Metabotropen Rezeptoren. Das bedeutet im Gegenteil zu den Ionotropen Rezeptoren, daß diese Second-meßenger verwenden für die öffnung von den Ionenkanälen. Diese Second-meßenger (meist c-AMP) öffnen Ionenkanäle oder aber aktivieren Proteine (G-Proteine) welche Enzyme für die öffnung von Ionenkanälen produzieren.
2) Klaßifizierung nach Ort der Umkodierung des Signals:
Primäre Sinneszellen sitzen direkt am Ort der Reizaufnahme und sind mit einem Axon ausgestattet. Sie leiten demensprechend, das aufgenommen Signal umcodiert in dem eigenen Axon zum ZNS. Die Umcodierung findet demnach nahe der Reizaufnahme statt. ähnlich arbeiten Sinnesnervenzellen. Sie sitzen zwar im ZNS doch ihren langen Dendriten reichen bis zum Ort der Reizaufnahme wo das Signal umcodiert und zum zentralen Nervensystem geleitet wird.
Sekundäre Sinneszellen hingegen besitzen keine eigenes Axon. Sie sitzen am Ort der Reizaufnahme und leiten das Rezeptorpotential weiter über eine Chemische Synapse an das anschließende Neuron. Hier wird durch das Prinzip der chemischen Synapse an der Postsynapse ein Aktionspotential ausgelöst, welches dann über den bekannten weg der saltatorischen Erregungsleitung an das ZNS weitergeleitet wird.
3) Klaßifizierung nach Art der Rezeptorantwort
Tonische Rezeptoren geben über die gesamte Reizdauer konstante Erregungsmuster weiter. Nach einer bestimmten Zeit kommt es zur Gewöhnung (Adaption) an den Reiz und es werden weniger Erregungen weiter gegeben. Die Impulsfrequenz ist allgemein abhängig von der Reizstärke.
Phasische Rezeptoren kommen wesentlich schneller zu einer Adaption Der Rezeptor spricht demnach vor allem auf Reizveränderungen in ihrer Intensität an und gibt diese weiter.
Spontanaktiver Rezeptoren dagegen geben ständige Impulse ab, entscheidend ist das Muster in dem diese abgegeben werden.

Reflexe
Der Kniereflex:
- Reiz an der Sehen: Kurzfristige Dehnung des Muskels
- Sensorische Dehnungsrezeptoren registrieren Dehnung und lösen eine Rezeptorpotential aus
- Sensorische Neuronen leiten das Signal zum Rückenmark weiter
- Reaktion wird umgeleitet auf Motorneuronen, welche bei der motorischen Endplatte enden
- über Interneuronen wird zum Gegenmuskel eine Hemmung weitergeleitet, so daß der Gegenmuskel gehemmt wird und sich nicht beide Muskeln verkrampfen.
- Reaktion: Knieschnellt hoch da entsprechend der Muskel ein Signal bekommt und der Gegenmuskel gehemmt wird


Methodik

1. Aufgabenbereich
Anforderungsbereiche sind in der Biologie schwerer zu trennen. Es kann auch vorkommen, daß sich verschiedene Teilbereiche in einer Aufgabe überschneiden, da andere Aufgaben für den vorgesehenen Aufgabenbereich die Bedingungen nicht hergeben.
Meist ist eine Klausur so gestrickt, daß zunächst ein biologischer Vorgang wie zum Beispiel die Replikation dargestellt oder beschrieben werden soll. Dies kann auch oft über Skizzen laufen. Dementsprechend sollte man sich Darstellungsmethoden aus dem Unterricht merken.
Operatoren sind: darstellen, Erklären, Erläutern, Skizzieren, Zeichnen, Zusammenfaßen und Beschreiben.

2. Aufgabenbereich
Zum zweiten Aufgabenbereich zählt das Auswerten, Erklären und Analysieren eines Versuches zum entsprechenden Thema. Ja nach dem arbeitet man in Bio mit relativ vielen Quellen die einen Versuch und / oder viele verschiedene Ergebniße aufweisen. Hier ist es wichtig den überblick zu behalten und auch wirklich alle Materialien gezielt zu verwenden.
Hat man Diagramme gegeben ist es nicht unbedingt für die Punkte außchlaggebend diese so detailliert wie möglich zu beschreiben, doch um sich selber klar zu machen ob man die Grafik verstanden hat, ist es immer wichtig mit einer Beschreibung zu beginnen.
Operatoren sind: Analysieren, Untersuchen, Auswerten, Begründen, Deuten, Ermitteln, Interpretieren, Prüfen, Vergleichen.

3. Aufgabenbereich
Hier erhält man eine ähnlichen Versuch / Sachverhalt und soll meist eine Hypothese aufstellen, wie dieser verlaufen wird (mit Begründung) oder warum dieser so verlaufen ist, wie er es ist.
Auch kann die Bewertung eines Modells zu dem gegebenen Sachverhalt erfragt werden. Hierbei spielen alle Details wie zum Beispiel Farben eine Rolle. Es müßen außerdem sowohl Vorteile als auch Nachteile dargelegt und abgewägt werden.
Operatoren sind Hypothese entwickeln, Diskutieren, Prüfen und Bewerten.

Schreibtipps:
Diagrammbeschreibung:
Eine Diagrammbeschreibung sollte, auch wenn es in der Aufgabenstellung nicht explizit steht zum eigenen Verständnis in kleinem Umfang zu Beginn der Aufgabe immer erfolgen.
Der Lehrer kann dafür auch extrapunkte verteilen (weiteres Kriterium). Dabei ist es wichtig sich nicht im Detail zu verlieren sondern sich klar zu machen: Was wird gezeigt? Welche Einheiten liegen vor? Welche Punkte sind wichtig? Und was wird von wem in Abhängigkeit dargestellt? Titel liefern auch oft wertvolle Informationen!

Allgemein aber vor allem bei ökologieklausuren sind Vorstrukturierungen von großer Bedeutung.
In der ökologie ist alles mit einander vernetzt und häufig kommt man von einem Gedankensprung zum nächsten. Um eine Unordnung und Unklarheit im Text zu vermeiden sollte man sich zuvor eine kurze Abhackliste entwerfen was man wie in welcher Reihenfolge einbringen möchte. So vermeidet man auch Dopplungen und spart Zeit.
Eine gute Struktur ist immer:

Soll man Regeln auf einen Sachverhalt prüfen, so sind die Regen in ihren konkreten Wortlaut zunächst zu nennen und dann mit Begründung zum Thema als zutreffen oder nicht zu treffend zu erklären.


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