1. Inhaltsverzeichnis
Evolution........................................................................................................ 4
Artbegriff ................................................................................................................................ 4
Morphologisch................................................................................................................................. 4
Genetisch ......................................................................................................................................... 4
Variabilität innerhalb einer Art ............................................................................................... 4
Selektion ................................................................................................................................. 4
Population............................................................................................................................... 4
Artbildung ............................................................................................................................... 4
Isolationsmechanismen .......................................................................................................... 5
Präzygotisch..................................................................................................................................... 5
Postzygotisch ................................................................................................................................... 5
Evolutionstheorien ................................................................................................................. 5
Darwin ............................................................................................................................................. 5
Lamarck ........................................................................................................................................... 5
Ähnlichkeit und Verwandtschaft ............................................................................................ 5
Divergenz ......................................................................................................................................... 5
Konvergenz ...................................................................................................................................... 5
Prüfen der Verwandtschaft .................................................................................................... 6
Entwicklungs- und Stammesgeschichte .......................................................................................... 6
Molekulare Verwandtschaft ............................................................................................................ 6
Molekulare Uhr ............................................................................................................................... 6
Paläontologie................................................................................................................................... 6
Gelelektrophorese ........................................................................................................................... 6
Polymerasekettenreaktion (= PCR) ................................................................................................. 6
Evolution und Verhalten ......................................................................................................... 7
Kosten-Nutzen-Analyse ................................................................................................................... 7
Evolution des Menschen ........................................................................................................ 7
Kulturelle Evolution ......................................................................................................................... 7
Stammbaum der Hominiden ........................................................................................................... 8
Erdzeitalter ............................................................................................................................. 9
Entstehung von Leben ............................................................................................................ 9
Chemische Evolution ....................................................................................................................... 9
Frühe biologische Evolution ............................................................................................................ 9
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2. Stoffwechsel .................................................................................................10
Atmung ................................................................................................................................. 10
Hämoglobin ................................................................................................................................... 10
Verschiedene Atmungsweisen ...................................................................................................... 10
Molekularbiologischer Ablauf ....................................................................................................... 10
Gärung .................................................................................................................................. 12
Milchsäuregärung .......................................................................................................................... 12
Alkoholische Gärung...................................................................................................................... 12
Muskeln ................................................................................................................................ 12
Pflanzen ................................................................................................................................ 13
Eigenschaften und Bedeutung der Pflanze ................................................................................... 13
Funktion des Blattes ...................................................................................................................... 13
Sonnen- und Schattenblatt............................................................................................................ 14
C3/C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen ................................................................................................ 14
Fotosynthese ........................................................................................................................ 14
Einflüsse......................................................................................................................................... 14
Molekularbiologische Vorgänge .................................................................................................... 14
Vergleich zur Chemosynthese ....................................................................................................... 15
Ökologie........................................................................................................15
Physiologische und ökologische Potenz ............................................................................... 15
Abiotische Faktoren....................................................................................................................... 15
Bioindikatoren ...................................................................................................................... 16
Ökologische Nische ............................................................................................................... 16
Konkurrenz............................................................................................................................ 17
Innerartliche Konkurrenz............................................................................................................... 17
Zwischenartliche Konkurrenz ........................................................................................................ 17
Räuber und Beute ................................................................................................................. 17
Räuber-Beute-Modelle .................................................................................................................. 17
Populationsgrößen/-schwankungen .................................................................................... 18
Parasiten und Symbiose ....................................................................................................... 18
Parasitismus .................................................................................................................................. 18
Symbiosen ..................................................................................................................................... 19
Strategien ............................................................................................................................. 19
K- und r-Strategen ......................................................................................................................... 19
Spezialisten und Generalisten ....................................................................................................... 19
Populationsökologie und Pflanzenschutz ............................................................................. 19
Nahrungsnetz und gestufte Systeme ................................................................................... 20
Stoffkreisläufe....................................................................................................................... 20
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3. Kohlenstoffkreislauf ...................................................................................................................... 20
Stickstoffkreislauf .......................................................................................................................... 21
Diversität und Stabilität ........................................................................................................ 22
Ökosysteme .......................................................................................................................... 22
Ökosystem Wald............................................................................................................................ 22
Ökosystem See .............................................................................................................................. 23
Ökosystem Fließgewässer ............................................................................................................. 23
Weltbevölkerung .................................................................................................................. 24
Regenerative Energiequellen ............................................................................................... 24
Neurobiologie ...............................................................................................24
Aufbau und Funktion des Neurons ....................................................................................... 24
Das Ruhepotential ................................................................................................................ 24
Das Aktionspotential ............................................................................................................ 25
Synapsen ............................................................................................................................... 25
Aufbau und Funktion ..................................................................................................................... 25
Hemmende Synapsen.................................................................................................................... 26
Summation der Potentiale ............................................................................................................ 26
Synapsengifte ................................................................................................................................ 26
Reizverarbeitung................................................................................................................... 27
Sinne des Menschen ............................................................................................................. 27
Mechanorezeptoren der Haut....................................................................................................... 27
Sinnesorgane des Innenohrs ......................................................................................................... 27
Netzhaut und Auge........................................................................................................................ 28
Nervensystem des Menschen .............................................................................................. 28
Zentralnervensystem..................................................................................................................... 28
Autonomes Nervensystem ............................................................................................................ 29
Regulation des Blutzuckerspiegels ....................................................................................... 29
Stress..................................................................................................................................... 29
Homöostase .......................................................................................................................... 30
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4. Evolution
Artbegriff
Morphologisch
Gruppe von Lebewesen, die in wesentlichen Merkmalen untereinander und mit ihren Nachkommen
übereinstimmen.
Genetisch
Gruppe von Lebewesen, die eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden und genetisch von anderen
isoliert sind.
Variabilität innerhalb einer Art
Diskontinuierliche Merkmale (= keine Übergänge) und Merkmale mit gleitenden Übergängen
Variabilitätskurve beschreibt die Häufigkeiten der einzelnen Ausprägungen
Glockenkurve
Modifikatorische Variabilität = bedingt durch Umweltfaktoren
Genetische Variabilität = bedingt durch Genpool, unterschiedliche Züchtungen
Mutationen in den Keimzellen und Rekombination sind vererbbare Variabilitäten
Selektion
Nachteilige Mutationen werden aussortiert
Schlechtere Überlebenschancen / reproduktive Fitness
Verschiedene Selektionstypen
Transformierende Selektion (= Verschiebung durch einseitigen Selektionsdruck)
Stabilisierende Selektion (= wirkt gegen die Extreme)
Disruptive Selektion (= Entstehung zwei neuer Arten)
Selektionsfaktoren
Abiotisch (= unbelebte Umwelt): Temperatur, Licht, Feuchtigkeit,…
Biotisch (= andere Organismen): Konkurrenz, Räuber, Parasiten, Symbiose, sexuelle
Selektion,…
Prädisposition = Merkmal, das bei Veränderungen der Umweltfaktoren einen Selektionsvorteil
bringt
Population
Die ideale Population
Keine Selektionsnachteile
Keine Mutationen
Keine Migration
Vollständige genetische Mischung
Keine Zufallseffekte
Gendrift verändert die Population (Zufall)
Gründereffekt: Teilpopulation in neuem Lebensraum
Flaschenhalseffekt: zufällige, drastische Reduktion der Population und des Genpools
Passen sich an durch Kosten-Nutzen-Analyse
Artbildung
Allopatrische Artbildung
Geografische Isolation (Eiszeit, Kontinentaldrift,…) führt zur Ausbildung von getrennten
Genpools (Mutation, Rekombination, Selektion)
Sympatrische Artbildung
Entstehung von zwei neuen Arten im Gebiet der Ursprungsart (keine geografische Isolation)
Starke Selektion notwendig, die sich auf Wahl des Sexualpartners auswirkt
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5. Adaptive Radiation
Aufspaltung einer Stammart
Anpassung an verschiedene ökologische Bedingungen
Vielfalt an Lebensräumen Besiedelung verschiedener ökologischer Nischen
Geografische Isolation getrennte Genpools Koexistenz
Koevolution
Wechselseitige Beeinflussung zweier Arten
Beispiel: Parasit und Wirt, Räuber und Beute
Isolationsmechanismen
Präzygotisch
Geografisch: Begegnung wird verhindert
Zeitlich: Fortpflanzungszeit unterscheidet sich
Mechanisch: spezifische Geschlechtsorgane
Gametisch: spezifische Spermien
Ethologisch: Ablehnung des Partners
Reproduktiv: Bsp. Blütentreue
Postzygotisch
Anomalie der Hybridzygoten: Genome stark unterschiedlich
Bastardsterilität: Unfruchtbarkeit der Hybriden
Bastardsterblichkeit: verringerte Lebensfähigkeit
Evolutionstheorien
Darwin
Variation innerhalb von Arten
Diese muss vererbbar sein
Selektionstheorie: nicht zufälliges Überleben und Fortpflanzen
Lamarck
Veränderungen von Umwelt und Bedürfnissen
Häufiger Gebrauch von Organen
Anstrengung des inneren Gefühls
Vermehrte Ausbildung des Organs (erblich)
Ähnlichkeit und Verwandtschaft
Divergenz
Entwicklung zweier Arten mit gemeinsamen Ursprung führt auseinander
Homologie von ähnlichen Merkmalen
Homologiekriterien:
Kriterium der Lage (Funktion irrelevant)
Kriterium der Stetigkeit (Zwischenformen vorhanden, Haeckl)
Kriterium der spezifischen Qualität (einzigartig)
Konvergenz
Entwicklung zweier Arten mit unterschiedlichem Ursprung aufeinander zu
Analogie von ähnlichen Merkmalen
Gleiche Umweltbedingungen
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6. Prüfen der Verwandtschaft
Entwicklungs- und Stammesgeschichte
„Die Keimesentwicklung (Ontogenese) ist eine kurze, unvollständige und schnelle Rekapitulation
der Stammesentwicklung (Phylogenese)“
Überprüfen des Kriteriums zur Stetigkeit
Molekulare Verwandtschaft
Überprüfung der Aminosäuresequenzen
Variable, nicht codierende Abschnitte
Triplettsequenzen (zufällige Übereinstimmung durch Mehrfachcodierung)
Molekulare Uhr
Anzahl der Mutationen pro Generation schätzbar
Feststellen des Verwandtschaftsgrades möglich
Mitochondrien-DNA um Rekombination auszuschließen
Paläontologie
Relative Datierung anhand von Leitfossilien
Absolute Datierung anhand von radioaktiven Stoffen und ihren Halbwertszeiten
Gelelektrophorese
Dient zum Aufspalten von DANN
Verwandtschaftsbeziehungen
Vorbereitung der DANN:
Restriktionsenzyme spalten an bestimmten Sequenzen der DNA
Diese Sequenzen liegen bei jeder DNA an anderer Stelle
Unterschiedlich große DNA-Stücke entstehen
Ablauf:
DNA wird in Taschen am Minus-Pol gefüllt
Da DNA negativ geladen ist, läuft sie zum Plus-Pol
Agarosegel wirkt wie ein Netz
Kleine Teilstücke kommen schneller am Plus-Pol an
Auswertung
Sichtbarmachen durch UV-Licht oder Farbstoffe
Breite und Lage der Banden gibt Auskunft über Anzahl und Größe der DNA-Stücke
Polymerasekettenreaktion (= PCR)
Dient zur Vervielfältigung der DNA
Ablauf aufgeteilt in 3 Teilschritte:
1. Denaturierung (90°C-100°C)
Auflösen der Wasserstoffbrückenbindungen
2 einzelne DNA-Stränge
2. Hybridisierung (50°C)
Ansetzen synthetischer Primer
Zu vervielfältigender Abschnitt markiert
3. Polymerisation (70°C)
Taq-Polymerase synthetisiert den Komplementärstrang
Ablauf wird öfter wiederholt (20-30 mal)
DNA-Menge wächst exponentiell
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7. Evolution und Verhalten
Proximate Fragestellung: Frage nach der Ursache
Ultimate Fragestellung: Frage nach der biologischen Bedeutung
Sexuelle Strategien / Selektion:
Intrasexuelle Selektion: Kampf der Männchen
Spermienkonkurrenz: günstiger Zeitpunkt und Häufigkeit
Intersexuelle Selektion: Weibchen wählt, „Sexy-Söhne-Hypothese“
Rufer und Satelliten
Satelliten lassen die Weibchen von Rufern anlocken und fangen sie ab
Elterninvestment
Weibchen kümmern sich vermehrt um Nachwuchs
Vaterschaftssicherheit und Geburtenabstand entscheidend für Männchen
Kosten-Nutzen-Analyse
Dawkins
Soziales Verhalten = Kosten
Weitergabe der Gene = Nutzen
Soziales Verhalten auf Fortpflanzung fokussiert
Soziales Verhalten immer eigennützig
In Genen verankert vererbbar
Hemminger
Soziales Verhalten ist erlernbar
Unterschied zwischen Mensch und Tier
Mensch ist nicht an genetische Veranlagerung (Instinkte) gebunden
Evolution des Menschen
Mensch und Schimpanse
Aufrechter Gang des Menschen / hauptsächlich aufs Klettern spezialisierter Schimpanse
Größe des Gehirns und Form des Schädels unterschiedlich
Schimpansen haben nur ein einfaches Sprachverstehen
Schimpanse: 48 Chromosomen, Mensch: 46 Chromosomen
Hominisation
Australopithecus afarensis (Afrika) bereits aufrechter Gang
Geografische Isolation: Menschen und Menschenaffen
Benutzung von Werkzeugen
Menschliches Verhalten
Ausbildung der Intelligenz durch Selektionsdruck
Nahrungssuche erschwert, kompliziertes Sozialnetzwerk
Kulturelle Evolution wesentlich schneller, da Kommunikation zwischen den Generationen
möglich
Kulturelle Evolution
Sprache, Religion, Ethik, Kunst, Recht, Staat, Geistes- und Naturwissenschaften und Technik
Geschwindigkeitsunterschied zur biologischen Evolution
Stark entwickeltes Großhirn lebenslanges Lernen, Kreativität
Besonderer Kehlkopf sprachliche Kommunikation
Greifhand Werkzeuggebrauch und –herstellung
Zielgerichtete Weitergabe des Wissens
Erfindung des Buchdrucks (15. Jahrhundert), Entwicklung der Mikroelektronik
Lamarckistische Gesetze kultureller Wandel während einer Generation möglich
Mensch macht sich von den natürlichen Selektionsbedingungen unabhängig
Die Umwelt wird den Bedürfnissen des Menschen angepasst negative Folgen für die Natur
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8. Stammbaum der Hominiden
Vor 3,8 Mio. Jahren
Australopithecus
afarensis
Australopithecus
africanus
Australopithecus
Vor 2,2 Mio. Jahren boisei + robustus
Aufrechter Gang,
steiler werdendes
Gesicht, Homo
Kiefermuskeln Homo habilis
rudolfensis
Hüttenbau, einfache
Sprache, erste
Werkzeuge
Verstand,
Homo erectus Feuer
Vor 400.000 Jahren
Homo sapiens
archaisch
Schamgefühl,
Homo sapiens Ich-Bewusstsein,
Eine Art? neandertalensis Religion?
Vor 100.000 Jahren
Homo sapiens
sapiens
8
9. Erdzeitalter
Präkambrium Vor 1 Mrd. – vor 600 Mio. Jahren Entstehung des Lebens
Kambrium Vor 600 Mio. – vor 500 Mio. Jahren Erste Algen
Silur Vor 500 Mio. – vor 400 Mio. Jahren Erste Landpflanzen / erste Fische
Devon Vor 400 Mio. – vor 350 Mio. Jahren Erste Amphibien
Karbon Vor 350 Mio. – vor 280 Mio. Jahren Erste Reptilien
Perm Vor 280 Mio. – vor 230 Mio. Jahren Erste Dinosaurier
Trias Vor 230 Mio. – vor 180 Mio. Jahren Erste Säuger
Jura Vor 180 Mio. – vor 130 Mio. Jahren Hauptzeit der Saurier, erste Vögel
Kreide Vor 130 Mio. – vor 65 Mio. Jahren Erste Blütenpflanzen
Tertiär Vor 65 Mio. – vor 2 Mio. Jahren Urmensch (Hominide)
Quartär Vor 2 Mio. Jahren - heute Erste Menschen (Homo sapiens)
Entstehung von Leben
Chemische Evolution
Millers Versuch: „Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen einer einfachen Erde“
Hypothetische frühere Erdatmosphäre:
Ammoniak (NH3)
Kohlenstoffmonoxid (CO)
Wasserstoff (H2)
Methan (CH4)
Wasser (H2O)
Elektrische Ladungen stellen die frühere Energiezufuhr durch Gewitterblitze dar
Organische Stoffe entstehen
Aminosäuren
Aminosäuren befinden sich im Wasser (= Ursuppe) und lagern sich am Gestein ab
Bilden dort Bläschen mit Lipidmembranen
Im Inneren dieser Bläschen setzten sich die DNA-Teile zusammen
Primitive Einzeller ohne Zellkern entstehen
Schwefelbakterien, die Schwefelsäure in Energie umsetzen
Bakterien mit harter und mit weicher Membran
Frühe biologische Evolution
Erde war früher mit CO2 verhüllt
Sauerstoff war nicht vorhanden
Sauerstoff war für die damaligen primitiven Lebewesen lebensgefährlich
Entstehung der Kontinente Calcium und Natrium gelangt ins Urmeer
CO2wird gebunden
Atmosphäre wird dünner
Licht fällt auf die Erde
Cyanobakterien entstehen und führen Fotosynthese durch (Licht Energie + O2)
Entstandener Sauerstoff reagiert mit dem Eisen im Wasser
Urmeer färbt sich rot
O2-Wert in der Atmosphäre steigt
Sauerstoff wirkt giftig auf Schwefelbakterien
„weiche“ Bakterien weichen dem Sauerstoff aus und schließen sich zu einer großen Zelle
zusammen
Bilden Zellkern
„harte“ Bakterien erkennen, dass Sauerstoff mehr Energie bringt als Schwefelsäure
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10. Die „harten“ Bakterien werden von den „weichen“ aufgenommen
Spätere Mitochondrien
Synergismus
Beide Bakterientypen haben einen Vorteil
„weiche“ haben Arbeiter, die den Sauerstoff verwerten und bekommen Energie
„Harte“ bekommen Schutz
Zelle wächst
Aus den primitiven Zellen bilden sich Algen, Geißeltierchen, Polypen
Stoffwechsel
Atmung
Hämoglobin
1/3 der Masse von Erythrozyten (= rote Blutkörperchen)
Aufbau
4 Globinmoleküle, die je ein Häm enthalten
Häm besteht aus einem Phorphyrin-Ringsystem ( 4 Bindungen)
Eine Bindung hält das Häm am Globin fest
Eine Bindung kann Sauerstoff locker binden
Sauerstoffpartialdruck bestimmt wie viel Sauerstoff gebunden / abgegeben wird
Lunge: hoher Druck viel Sauerstoff gebunden
Muskeln: geringer Druck viel Sauerstoff wird abgegeben Sauerstoff wird zur Reserve an
Myoglobin fest gebunden
Verschiedene Atmungsweisen
Hautatmung
Feuchte, durchlässige Haut
Tiere mit geringem Sauerstoffbedarf
Kiemen
Wasserumspült, stark durchblutet, dünnwandig
Wassertiere
Tracheen
Fein verzweigtes Röhrensystem
Geringe Diffusionsgeschwindigkeit
Sehr kleine Tiere (Gliederfüßer)
Lungen
Große innere Oberfläche, dünne Wände, gut durchblutet
Angepasst an Sauerstoffbedarf
Z.B. Säugetiere: zusätzlich Lungenbläschen
Zellatmung
Innere Atmung
Oxidation von energiereichen organischen Stoffen
Molekularbiologischer Ablauf
Glykolyse
Findet im Zytoplasma statt
Durch 2 ATP wird die Glucose aktiviert
Notwendig, weil diese reaktionsträge ist
1.Aktivierung: Glucose-6-phosphat
2.Aktivierung: Fructose-1,6-biphosphat
Wird in 2 C3-Körper zerlegt
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11. Folgende Reaktionen laufen doppelt ab:
Das C3-Atom (Glycerinaldehyd-3-phosphat) gibt zwei Wasserstoffatome (H2) an NAD+ ab
Dabei entsteht ein ATP und NADH+H+
Glycerinsäure-3-phosphat ist vorhanden
H20 wird abgegeben und Enolbrenztraubensäurephosphat entsteht
ATP entsteht durch Abgabe von Phosphatgruppe
Brenztraubensäure ist vorhanden
Weitere Reaktion im Tricarbonsäurezyklus
2 ATP eingesetzt, 2x2 ATP und 2x1 NADH+H+ erhalten!
Tricarbonsäurezyklus
In der Mitochondrienmatrix
Pro Glucose-Molekül entsteht zwei Mal Brenztraubensäure ( folgendes läuft doppelt ab!)
Decarboxylierung und Oxidation der Brenztraubensäure
NADH+H+ entsteht!
Entstandener C2-Körper wird mit aktivierter Essigsäure gekoppelt
Acetyl-CoA entsteht!
Acetyl-CoA tritt in den Zyklus ein und wird mit Oxalessigsäure verbunden
Citronensäure entsteht!
Zweifache Oxidation der Citronensäure
Zwei NADH+H+ entstehen!
Zweifache Decarboxylierung der Citronensäure
C4-Körper, Bernsteinsäure-CoA entsteht
Beim Abspalten des Coenzyms CoA bildet sich ATP
Zweifache Oxidation der Bernsteinsäure
NADH+H+ und FADH2 entstehen!
Oxalessigsäure entsteht Kreislauf geschlossen
2x4 NADH+H+ und 2x1 FADH2, sowie 2x1 ATP!
Endoxidation
Oxidative Phosphorylierung (Atmungskette)
Findet an der inneren Mitochondrienmembran statt
NADH+H+ gibt 2e- an das Redoxsystem ab
Gibt dabei auch 2H+-Ionen ab, die in den Intermembranraum wandern
2e- werden von Redoxkörper zu Redoxkörper weitergegeben
Flavoprotein Ubichinon Cytochrom b Cytochrom c Cytochrom a
Ubichinon und Cytochrom a können 2e- nur weitergeben, wenn sie 2H+-Ionen aus der Matrix
in den Intermembranraum transportieren
Cytochrom a gibt 2e- an ½ O2 und 2H+ in die Matrix ab H2O entsteht!
Durch den H+-Ionen-Transport übersäuert der Intermembranraum und eine
Ladungsdifferenz entsteht
Ausgleichsstrom durch ATP-Synthase, wodurch ATP in der Matrix gebildet wird
FADH2 gibt seine Elektronen und H+-Ionen direkt ans Ubichinon
Ein NADH+H+ = 3 ATP
Ein FADH+ = 2 ATP
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12. Gärung
Anaerober Prozess
Kein Sauerstoff für die Endoxidation vorhanden
NADH+H+ und FADH2 können nicht zu NAD+ und FAD zurückoxidiert werden
Milchsäuregärung
Niedriges Redoxpotential von NADH+H+
Geben Elektronen (und H+-Ionen) an Brenztraubensäure ab
NAD+ wieder verfügbar
Glykolyse kann ablaufen
Brenztraubensäure + NADH+H+ Milchsäure + NAD+
C3H4O3 C3H6O3
Alkoholische Gärung
Hefepilze entziehen Brenztraubensäure Kohlenstoffdioxid und reduzieren sie dann mit NADH+H+
zu Ethanol
NAD+ wieder verfügbar
Brenztraubensäure + NADH+H+ Ethanol + CO2 + NAD+
C3H4O3 C2H5OH
Muskeln
Aufbau:
Mehrere deutlich erkennbare Muskelbündel
Mehrere Muskelfaserbündel, die von Bindegewebe umgeben sind
Einzelne Muskelfasern sind parallel
Von Z-Scheiben begrenzte Sarkomere
Sarkomer besteht aus parallel angeordneten Aktin- und Mysosinfilamenten
Kontraktion
Wenn Myosin und Aktin aneinander vorbeigleiten, ziehen sich die Z-Scheiben näher
zusammen
Kontraktion
Myosinköpfchen kann ATP binden und bei Kontakt mit Aktin spalten
Unterschiedliche Winkel zwischen Köpfchen und Hals:
90°: ATP gebunden, kein Kontakt zu Aktin
50°: ATP gespalten, ADP angelagert, Kontakt zu Aktin
45°: ADP abgegeben, Kontakt zu Aktin
Bindung zwischen Myosinköpfchen und Aktin kommt durch hohe Ca2+-Ionenkonzentration
Ablauf:
Ca2+-Ioneneinstrom regt das Myosinköpfchen zur Bindung mit dem Aktin an
ATP wird gespalten, Phosphat löst sich 50° Winkel
ADP löst sich 45° Winkel
Neues ATP wird vom Myosinköpfchen gebunden Ablösung vom Aktin
Energieumwandlung im Muskel
ATP-Vorrat im Muskel reicht bei großer Anstrengung nur ca. 2 Sekunden
Phosphat aus Kreatinphosphat reicht für ca. 15 Sekunden
Energie aus Mitochondrien reicht nicht
Kapazität kann nicht so kurzfristig erhöht werden
Zellatmung erst nach 60-90 Sekunden ausreichend
Übergangszeit von 15 bis 60 Sekunden: Milchsäuregärung
Von Ca2+-Ionen aktiviert, die auch die Muskeln aktivieren
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13. Pflanzen
Eigenschaften und Bedeutung der Pflanze
Fotoautotroph
Nutzen Energie des Sonnenlichts
Abhängig von mineralischen Verbindungen aus dem Boden, Kohlenstoffdioxid und Wasser
Andere Lebewesen abhängig von den Pflanzen
Verdunstung führt in den Pflanzen zum Wasserdefizit
Transpirationssog saugt Wasser aus dem Boden
Dipoleigenschaften des Wassers lange Wasserfäden
Mineralsalze werden in Ionenform mit dem Wasser aufgenommen
Laut dem Gesetz des Minimums muss jeder Stoff in ausreichender Menge vorhanden sein
Gedeihen richtet sich nach dem am wenigsten verfügbaren
Funktion des Blattes
Kutikula – äußere Schicht
Schutzschicht (für Wasser und Gase schwer durchlässig)
Epidermis
Keine Chloroplasten
Lückenlose Zellschicht
Palisadengewebe
Senkrecht, zylindrisch, dicht gedrängt
Hauptort der Fotosynthese
Kann auch mehrschichtig sein
Schwammgewebe
Locker, unregelmäßig
Interzellularräume ( Kontakt mit Stomata)
Wenig Chloroplasten
Leitbündel
„Adern“
Versorgen alle Blattteile mit Wasser und Nährsalzen
Geben Fotosyntheseprodukte weiter an Stamm und Wurzeln
Große innere Zelloberfläche intensiver Stoffaustausch
Stomata
Enthalten Chloroplasten, bohnenförmig
Außen- und Innenwände stabil, Seitenwände elastisch
Bei Innendruckerhöhung (Turgorerhöhung) dehnen sich die Zellen in Richtung
Nebenzellen Spaltöffnung
Turgor wird beeinflusst durch:
H2O-Gehalt erhöht
CO2-Gehalt (Fotosyntheserate) verringert
Lichtintensität (Fotosyntheserate) erhöht
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14. Sonnen- und Schattenblatt
Ziel: positive Stoffbilanz
Schattenblatt:
wenig Licht wenig Produkte möglichst wenig Verbrauch weniger Zellen auf großer
Oberfläche
Sonnenblatt:
Viel Licht viele Produkte hoher Verbrauch möglich viele Zellen auf kleiner Oberfläche
Sonnenblätter haben ein dickeres Palisadengewebe als Schattenblätter!
C3/C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen
C4-Pflanzen haben zusätzlich Mesophyllzellen, in denen CO2 in Äpfelsäure gespeichert wird
Räumliche Trennung von Speicherung und Verbrauch
CAM-Pflanzen kommen vor allem in Trockengebieten vor
Können Stomata tagsüber nicht öffnen (Verdunstung)
CO2 muss nachts gespeichert werden
Äpfelsäure
Fotosynthese
Einflüsse
Beleuchtungsstärke: bei Schwachlicht begrenzender Faktor, irgendwann Sättigungspunkt erreicht
Temperatur: beim Sättigungspunkt der Beleuchtung begrenzender Faktor, bestimmt
Enzymtätigkeit nach der RGT-Regel bei der Fotosynthese
CO2-Konzentration: letzter begrenzender Faktor
Kompensationspunkt: Atmung und Fotosynthese gleichen sich aus
Molekularbiologische Vorgänge
Lichtabhängige Reaktion
Z-Schema
Besteht aus zwei Fotosystemen (I + II)
Fotosystem II dient als Elektronenlieferant für das Fotosystem I und erhält seine
Elektronen aus dem Wasser
Fotosystem I ist das eigentlich energiespeichernde System
Bei Lichteinfall wird P680 (Fotosystem II) auf ein höheres Energieniveau gebracht
Elektronenweitergabe vom P680* an Plastochinon, Cytochrom bf und Plastocyanin
Plastocyanin gibt die Elektronen an P700 (Fotosystem I) weiter
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15. Bei Lichteinfall wird P700 auf ein höheres Energieniveau gebracht
Elektronenweitergabe vom P700* an Ferredoxin
Ferredoxin gibt Elektronen zusammen mit 2H+ an NADP+ ab
NADPH+H+ entsteht ( lichtunabhängige Reaktion)
Wenn NADPH+H+ überladen ist, werden Elektronen vom Ferredoxin zurück ans
Plastochinon gegeben
Chemiosmotische ATP-Bildung
Bei der Fotolyse des Wassers entstehen im Lumen H+-Ionen
Plastochinon benötigt zur Elektronenweitergabe H+-Ionen, die aus der Matrix ins Lumen
gegeben werden
Bei der NADPH+H+-Bildung werden H+-Ionen aus der Matrix verbraucht
Lumen übersäuert, Ladungsdifferenz entsteht
Ausgleichsstrom durch die ATP-Synthase, wodurch ATP in der Matrix gebildet wird
( lichtunabhängige Reaktion)
Lichtunabhängige Reaktion (= Calvin-Zyklus)
6 C5-Körper (Ribulose-1,5-biphosphat) fixieren 6 CO2
12 C3-Körper (3-Phosphoglycerinsäure) entstehen
12 C3-Körper werden von 12 ATP aktiviert und von 12 NADPH+H+ reduziert
12 C3-Körper (Glycerinaldehyd-3-phosphat) entstehen
2 C3-Körper verbinden sich zu Fructose-1,6-biphosphat Abspalten von 2P führt zu Glucose
10 C3-Körper geben 4P ab und werden von 6 ATP aktiviert
6 C5-Körper (Ribulose-1,5-biphosphat) entstehen
18 ATP + 12 NADPH+H+ nötig für ein Glucose-Molekül
Vergleich zur Chemosynthese
Oxidation anorganischer Stoffe (aerober Prozess)
Schwefelbakterien führen Fotosynthese mit Schwefelwasserstoff durch
6CO2 + 12H2S C6H12O6 + 12S + 6H2O
Röhrenwürmer: Chemosynthese unter Lichtausschluss
2H2S + 4O2 S2 + 3O2 + 2H2O 2H2SO4
Ökologie
Physiologische und ökologische Potenz
Physiologische Potenz beachtet nur die abiotischen Faktoren
Ökologische Potenz bezieht biotische Faktoren (Konkurrenz, Räuber/Beute,…) mit ein
Toleranzbereich: in diesem Bereich kann das Lebewesen existieren
Großer Toleranzbereich: Eurypotenz
Kleiner Toleranzbereich: Stenopotenz
Pessimumbereich: in diesem Bereich ist der Stoffwechsel möglich
Beim Optimum findet der maximale Stoffwechsel statt
Präferenzbereich: der vom Tier bevorzugte Bereich
Abiotische Faktoren
Temperatur: Problem = Enzymtätigkeit
Homoiotherm: gleichwarm, unabhängig von der Außentemperatur, Regulation durch
Veränderung der Stoffwechselrate, Umverteilung der Blutzirkulation
Poikilotherm: wechselwarm, abhängig von der Außentemperatur, angepasst durch
hitzestabile Enzyme und Proteine, aktives Aufsuchen von lebensfreundlichen Temperaturen
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16. Sauerstoffgehalt von Gewässern
Kaltes Wasser speichert mehr Sauerstoff als wärmeres Wasser
Bei höheren Temperaturen steigt der Sauerstoffbedarf der Lebewesen
Doppelte Grenzwirkung der Temperatur
Licht
Energiequelle (angepasste Sonnen-/Schattenblätter)
Signalgeber (Entwicklungs-/Aktivitätsprozesse)
Salzgehalt
Bei Regulierern (homoiosmotisch) bleibt innere Ionenkonzentration unabhängig von der
Umgebung
Aktive Ionenaufnahme/-abgabe über Kiemen oder Niere
Bei Konformern (poikiloosmotisch) ist die innere Ionenkonzentration abhängig von der
Umgebung
Bioindikatoren
Pflanzen / Tiere, die stenök bezüglich eines Umweltfaktors sind
Ellenbergische Zeigerwerte
Verbreitungsschwerpunkt vieler Pflanzen bezüglich wichtiger Umweltfaktoren
Saprobiensystem
Vorkommen und Häufigkeit von bestimmten Wirbellosen
Besonders in Gewässern
Experimentelle Verfahren
Reaktionstest auf Umweltfaktoren
Konkurrenz bleibt unberücksichtigt
Wichtige Zeigerpflanzen:
Wiesenschaumkraut: feuchtnasser Boden
Große Brennnessel: stickstoffreicher Boden
Mauerpfeffer: stickstoffarmer Boden
Purpurroter Fingerhut: saurer Boden
Leberblümchen: pH-neutraler Boden
Ökologische Nische
Gesamtheit der Ansprüche an die Umwelt
Habitat (Raum mit Eigenschaften)
Sauerstoffgehalt , Temperatur, pH-Wert etc.
Verschiedene Teilbereiche:
Nahrungsnische, Brutnische, Schutznische
Wirkungsgesetz der Umweltfaktoren = Gesetz des Minimums
Begrenzend wirkt der Faktor, der am weitesten vom Optimum entfernt ist
Stellenäquivalenz
Ökologische Planstellen, die in unterschiedlichen Erdregionen liegen und übereinstimmen /
sich ähneln
Große Ähnlichkeiten nicht verwandter Arten (Konvergenz)
Realnische
Wird auch von Wechselbeziehungen zu anderen Arten bestimmt (Konkurrenz)
Bei konkurrenzschwachen Arten deutlich kleiner als Fundamentalnische
Fundamentalnische
Ansprüche unter Laborbedingungen
Physiologische Faktoren
16
17. Konkurrenz
Innerartliche Konkurrenz
Knappe Ressourcen Revierbildung
Verteidigung bedeutet Energieaufwand
Revier möglichst klein, nur zur Bedarfssicherung
Zwischenartliche Konkurrenz
Konkurrenzausschlussprinzip: bei knappen Ressourcen innerhalb der ökologischen Nischen ist
eine Koexistenz auf Dauer nicht möglich
Konkurrenzvermeidung: Koexistenz möglich, da sich die ökologischen Nischen in den begrenzten
und knappen Ressourcen unterscheiden
Räuber und Beute
Vorgehensweisen der Räuber beim Beuteerwerb
Jäger, aktives Nachstellen
Fallen stellen (Bsp. Spinnen)
Filtrierer (Bsp. Zooplankton, Bartenwale)
Weidegänger, Aufsuchen und Abfressen
Sammler (Eichhörnchen)
Mechanismen der Beutetiere
Schnelligkeit
Tarnung und versteckte Lebensweise
Bitterstoffe und Gifte (Pflanzen)
Harte Schalen und Stacheln
Wechselwirkungen der Populationen
Wenig-/ineffektiver Räuber: mehr Beute mehr Räuber
Beute beeinflusst Räuber, wird selbst kaum dezimiert
Mäßig effektiver Räuber mehr Beute mehr Räuber weniger Beute
Regelkreis zwischen Räuber und Beute, beide beeinflussen sich gegenseitig
Sehr effektiver Räuber: mehr Räuber weniger Beute
Starke Reduktion der Beutepopulation durch den Räuber, dieser hat dann keine Nahrung
mehr (Wanderung, Beutewechsel, Überdauerungsstadien)
Räuber-Beute-Modelle
Dichte der Beutepopulation
-
+
+
Kontakt Räuber-Beute Sterberate Beute
und Beutefang
Geburtenrate Räuber
+
+ +
Dichte der Räuberpopulation
Zur Vereinfachung wird das Modell auf die Beziehung von nur zwei Populationen beschränkt.
17
18. Lotka-Volterra 1: periodische, phasenverschobene Schwankungen, Räuber folgt dabei der Beute
Lotka-Volterra 2: Mittelwert der Beute > Mittelwert des Räubers
Lotka-Volterra 3: Beutepopulation erholt sich nach starker Dezimierung schneller als
Räuberpopulation
Lotka und Volterra gingen von einem exponentiellen Wachstum aus:
Nt+1 = Nt + r * Nt = Nt + (b-d) * Nt
r = Wachstumsrate
b = Geburtenrate
d = Sterberate
Populationsgrößen/-schwankungen
dichteunabhängige Faktoren
Katastrophen oder ungünstige Bedingungen
Witterungsbedingungen (Sommer/Winter)
Nahrungswachstum
Ursachen liegen außerhalb der Population
Schwankungen = Fluktuationen
Dichteabhängige Faktoren
Ursachen liegen innerhalb der eigenen oder anderer Populationen
Aufbrauch der Ressourcen ( Regenerationsphasen)
Infektionskrankheiten, größere Ansteckungswahrscheinlichkeit bei größerer Population
Große Population Knappheit der Nahrung Stress Aggressionen Unfruchtbarkeit
Ressourcenspeicherung führt zu Zeitverzögerungen
Parasiten und Symbiose
Parasitismus
Parasitenwirte haben Nachteile:
Verminderte Lebensdauer, verringertes Wachstum, geringe Fortpflanzungsrate
Parasitenformen:
Ektoparasit: an Außenfläche des Wirts
Spezielle Haftorgane, flache Form
Parasitoide: Mischung zwischen Räuber und Parasit
Töten Wirt beim Verlassen
Endoparasit: im Inneren des Wirts
Extreme Angepasstheit, hohe Spezialisierung
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19. Wirtswechsel zur neuen Endwirtbesiedelung
In den Zwischenwirten: ungeschlechtliche Vermehrung
Klone, möglichst viele eigene Gene
Im Endwirt: geschlechtliche Vermehrung
Variabilität durch Rekombination
Symbiosen
Lebensgemeinschaft, von der beide Beteiligten profitieren
Einzeller P. bursaria und Grünalgen Chlorella:
P. bursaria kann sich im Nahrungsnotstand von Grünalgen ernähren ( Notreserve)
Chlorella erhält Schutz, Mobilität sowie Mineralstoffe und Kohlenstoffdioxid
Kampfgleichgewicht, da Chlorella auch als Nahrung dienen kann
Flechten (Algen und Pilze)
Leben in Extremlebensräumen (Trockenheit, Kälte, wenig Nahrung)
Könnten dort als einzelne Organismen nicht überleben
Pilz bekommt von Algen Fotosyntheseprodukte
Algen werden von Pilz vor Austrocknung geschützt und erhalten Kohlenstoffdioxid
Pilze helfen den Algen bei Nährstoffaufnahme
Pilz und Alge sind in den Extremlebensräumen gleichermaßen voneinander abhängig
Strategien
K- und r-Strategen
K-Strategen sind langlebiger
Konkurrenzstärker
Investitionen in die eigene Existenzsicherung
Durch Speicherorgane können sie im Frühjahr eher austreiben
r-Strategen sind einjährige Pflanzen
konkurrenzschwächer
Investitionen in Fortpflanzungsprodukte (Blüten,…)
Hohe Wachstumsrate, große Schwankungen
Vorteile der Strategien vom Lebensraum abhängig
Spezialisten und Generalisten
Spezialisten (z.B. Koala)
Angewiesen auf eine bestimmte Ressource
Diese ist meist nur von ihm nutzbar (spezielle Verdauungsenzyme etc.)
Bedingung: Ressource muss ganzjährig ausreichend zur Verfügung stehen
Generalisten (z.B. Mauswiesel)
Opportunistisches Verhalten
Wählen Beute mit geringstem Kosten und höchstem Nutzen
Breites Beutespektrum ermöglicht Beutewechsel
Geringe Räuber-Beute-Beeinflussung
Konstante Populationsgrößen (aber Beeinflussung durch Klima etc.)
Populationsökologie und Pflanzenschutz
Insektizide: chemische Pflanzenschutzmittel
Nachteile: vielseitiger Eingriff ins Nahrungsnetz
Beeinträchtigung der Hauptfeinde der Schadinsekten
Extreme Vermehrung der Schadinsekten nach Insektizideinsatz
Versteckte Lebensweise der Schadinsekten (Minierer), aber offene Lebensweise der Raubtiere
Fungizide gegen parasitische Pilze
Herbizide: gegen Unkräuter, die dieselben begrenzten Ressourcen benötigen
Nachteile: Lebensräume der Raubinsekten werden zerstört
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20. Förderung der Raubinsekten (Räuberpopulation generell)
Hecken als Nistmöglichkeiten
Brachland als Rückzugs- und Entwicklungsraum
Dezimierung spezifischer Schadinsekten über Fruchtfolge
Aussetzen von Räubern
Hohe Wachstumsrate und Fressrate sowie Beutespezifität erforderlich
Generalisten-Räuber können verheerende Auswirkungen auf die Umwelt haben
Parasiten gut geeignet (Wirtsspezifität)
Müssen aber regelmäßig neu ausgesetzt werden
Gentechnische Verfahren: Selbstproduktion der Insektizide
Umstrittenes Verfahren
Nachteile: Gefahr der Resistenzbildung
Nahrungsnetz und gestufte Systeme
Biozönose (Lebensgemeinschaft) + Biotop (Umwelt) = Ökosystem
Trophiestufen:
Produzenten: Primärproduktion durch autotrophe Pflanzen *s. unten
Konsumenten 1. Ordnung: Pflanzenfresser
Konsumenten 2./3./4. Ordnung: Fleischfresser ( meistens nicht mehr als 3)
Konsumenten sind heterotroph und benötigen Biomasse anderer Organismen
Destruenten: nutzen totes organisches Material und setzen Kohlenstoffdioxid und
Mineralstoffe wieder frei
Ökologische Pyramiden zum Vergleich von
Biomasse (Masse der Individuen) bleiben über längeren Zeitraum meistens gleich
Produktion (neue Biomasse in Form von Wachstum oder Nachkommen in einer bestimmten
Zeit)
Flächenbedarf, Reviergröße
Produktivitätseffizienz liegt bei 10 %
Verhältnis der Produktion aufeinander folgender Trophiestufen (10:1)
Primärproduktion der Pflanzen:
Biomasseproduktion durch Fotosynthese (Bruttoprimärproduktion)
Verbrauch der Biomasse durch Zellatmung (verbleibender Teil = Nettoprimärproduktion)
Versorgen direkt und indirekt alle heterotrophen Organismen
Licht wird durch Absorption in mehreren Blattschichten vollständig genutzt
Nettoprimärproduktion zusätzlich durch Wasser, Mineralstoffe und Temperatur begrenzt
Stoffkreisläufe
Kohlenstoffkreislauf
Wichtigstes chemisches Element der Biomasse
Gerüststoff und Energieträger
Anorganisches CO2 wird wieder frei
Etwa alle 3 bis 4 Jahre wurde das gesamte CO2 der Atmosphäre mit der Biosphäre ausgetauscht
Bei der Fotosynthese und anderen biologischen und chemischen Prozessen wird Kohlenstoff aus
der Atmosphäre in die Biosphäre eingeschleust
Gelangt über Zellatmung und Zersetzung, sowie weitere biologische und chemische Prozesse
wieder in die Atmosphäre
Ein geringer Teil (3 Gigatonnen pro Jahr) wird an die Ozeane abgegeben
Zusätzlich gelangen über Entwaldung und den Verbrauch fossiler Brennstoffe jährlich etwa 6
Gigatonnen in die Atmosphäre
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21. Stickstoffkreislauf
Wesentliches Bauelement biologischer Moleküle
Aminosäuren und Nucleotide
N2 aufgrund der N-N-Dreifachbindung sehr stabil
Nur bestimmte Bakterien können elementaren Stickstoff direkt nutzen
Symbiosen möglich
Durch Gewitter wird Sauerstoff eingebaut
N2 + Gewitter + ½ O2 N2O4 + ½ O2 NO2- + NO3-
Nitrifikation: Oxidation von Stickstoffverbindungen
Sauerstoff notwendig (aerobe Reaktion)
Denitrifikation: Nitratatmung (Reduktion von Stickstoffverbindungen)
Kein Sauerstoff vorhanden (anaerobe Reaktion)
Knöllchen- Atmosphäre: N2
Bakterien
+ Stickstoff-
Bakterien
Stoffwechsel Stoffwechsel
Produzenten Konsumenten
Harnstoff
(pflanzliches Eiweiß) (tierisches Eiweiß)
Verwesung
Denitrifikation
+ Vergärung
Elektrische
Energie Verwesung
(Gewitter)
Nitrifikation Nitrifikation
Nitrat Nitrit Ammonium
NO3- Denitrifikation NO2- Denitrifikation NH4+
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22. Diversität und Stabilität
Biodiversität bezieht Artenvielfalt, genetische Vielfalt und Vielfalt der Lebensräume mit ein
Vereinfachend nur Artenvielfalt
Messgröße = Diversitätsindex
Große Artenvielfalt = hohe Diversität
Stark unterschiedliche Individuenzahlen = geringe Diversität
Gleiche Individuenzahlen = hohe Diversität
Diversität nur für eine bestimmte Organismengruppe innerhalb eines ausgewählten Abschnittes
bestimmbar
Nur im Vergleich sinnvoll
Ursachen für Diversität:
Hohes Ressourcenangebot hohe Produktivität mehr Trophieebenen
Vielfalt von Teilstrukturen Nischenvielfalt Artenvielfalt
Klimatische Stabilität (Bsp. Tropen) mehr Spezialisierung
Diversitäts-Hypothese:
Artenanzahl und Biomasse gleichbleibend Konstanz
Unempfindlichkeit gegenüber Störungen Resistenz
Größere Diversität stärkere Vernetzung Stabilität
Generalisten mit breitem Ressourcenspektrum tragen zur Vernetzung der Nahrungsketten bei
Elastizität (Regeneration des alten Zustands nach Störungen)
Überforderung durch starke, lang andauernde, in eine bestimmte Richtung wirkende
Störungen möglich
Ökosysteme
Ökosystem Wald
Geringe Schwankungen der abiotischen Faktoren (Wind, Luftfeuchtigkeit, Temperatur,…)
Pufferwirkung günstige Lebensbedingungen
Wald als stabiles Ökosystem
Bäume sind K-Strategen
Bedingung: genügend Feuchtigkeit, keine extremen Temperaturen
Kulturwälder sind wirtschaftliche, künstlich gepflanzte Wälder
Naturnahe Wälder:
Mitteleuropa: sommergrüner, winterkahler Laubwald
Hochgebirge: Nadelwald
Räumliche Gliederung des Waldes:
Vertikal: Kraut-, Strauch-, Baumschicht
Horizontal: mosaikartige Verteilung von Baumgruppen unterschiedlichen Alters
(Windbruch, Feuer, lokaler Masseninsektenbefall)
Zeitliche Gliederung des Waldes:
Jahreszeitlich: Frühblüher, Sträucher, Bäume ( Konkurrenz um Licht)
Altersstruktur: bestimmt dominierende Begleitpflanzen
Sukzessionsphasen (Neubesiedelung von Brachflächen)
Initialphase: wenige Pionierarten in großer Dichte, r-Strategen, besonders produktiv
Folgephasen: Jahr für Jahr konkurrenzstärkere Arten, K-Strategen, besonders produktiv
Klimax: Fließgleichgewicht zwischen Bildung und Verbrauch von Biomasse, wenige, langlebige
Arten
Störungen führen zu Mosaikzyklen
Windbruch, umfallende Bäume Lichtungen
Fraß- und Trittschäden von Tieren
Neue lokale Sukzession
Ständig gestörte Lebensräume: Kiesbänke in Flüssen, Äcker, Wattengebiete, Dünen
Meist nur r-Strategen
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23. Ökosystem See
Zirkulation und Stagnation (temperaturabhängig)
Frühjahr + Herbst: Winde führen zur Zirkulation
Gleiche O2- und Mineralstoffkonzentrationen in allen Tiefen
Gleiche Temperatur in alles Tiefen
Sommer: Sommerstagnation (keine Durchmischung)
Ausbildung des Epilimnion (warme Wasserschicht mit geringer Dichte) an der Oberfläche
und des Hypolimnion unten
Winter: Eisbildung führt zur Stagnation
Höhenzonierung (lichtabhängig)
Lichtintensität nimmt in der Tiefe ab
Nährschicht: Fotosynthese überwiegt der Zellatmung
Kompensationstiefe: keine Nettoproduktion, Ausgleich der Prozesse
Zehrschicht: Sauerstoffzehrende Prozesse (z.B. Atmung)
Nahrungsnetz im See:
Phytoplankton (pflanzliche Algen)
Zooplankton (filtrierende Kleinkrebse)
Plankton fressende Fische
Räuberische Fische
Jahresablauf im See:
Frühjahr: Populationswachstum des Phytoplankton
Populationswachstum des Zooplankton
Klarwasserstadium im späten Frühjahr möglich
Phytoplankton von Zooplankton verbraucht
Destruententätigkeiten
Oberwasser: remineralisieren totes Material unter Sauerstoffverbrauch (Nachschub aus Luft
und Fotosynthese)
Tiefenwasser: Sauerstoffverbrauch durch Bakterien, kein Nachschub möglich
Nitratatmung muss möglicherweise einsetzen
Eutrophierung durch anthropogene Einflüsse
Gewässer wird mit Mineralstoffen angereichert (Phosphat- / Nitratüberschuss)
Produktivität und Biomasse steigt
Starkes Algenwachstum
Sauerstoffhaushalt wird verändert
Mehr Abbau mehr Verbrauch
Mehr Tiere mehr Verbrauch
Zu wenig Sauerstoff Nitratatmung der Bakterien giftiges H2S und NH3 Tiere
sterben mehr totes organisches Material mehr Sauerstoffverbrauch
Ökosystem Fließgewässer
Fließgeschwindigkeit
Im Oberlauf sehr hoch angepasste Organismen
Im Unterlauf geringer See taugliche Organismen (Wasserflöhe, Algen)
Einheitliche Verhältnisse in begradigten Abschnitten geringe Artenvielfalt
Unterschiedliche Strömungsverhältnisse viele ökologische Nischen hohe Artenvielfalt
Selbstreinigung nach Eutrophierung
Oxidation durch Mikroorganismen zu ungiftigeren Salzen
Optimierung der O2-Zufuhr durch Wehre
Wärmebelastung (Sauerstoffmangel) und Schwermetallbelastung (Vergiftung) wirken sich
problematisch aus
Räumliche Zonierung stellt zeitlichen Verlauf dar (Fortbewegen des Wassers)
Verschmutzungen führen zu Artenarmut und Individuenreichtum
Vermehrung der auf Sauerstoffmangel und Ammoniumüberschuss spezialisierten Organismen
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24. BSB5-Wert misst den Sauerstoffverbrauch mikrobieller Atmungsprozesse
Biologische Wasserbeurteilung anhand vom Saprobiensytem
Gewässergüterklasse
Weltbevölkerung
Wächst jeden Tag um 227.000 Menschen
Für 7 Mrd. Menschen nur 9 Mrd. Hektar Boden
Eingriff in den Lebensraum der Tiere
Verstärktes Artensterben
Keine Nachhaltigkeit
Verschiebung der Folgen auf spätere Generationen
Zeitliche Falle!
Schonung der natürlichen Ressourcen nötig
Regenerative Energiequellen
Mais zur Erzeugung von Biogas
Anaerobe Prozesse führen zu CO2 und H2
Methanbildende Bakterien: CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
Generator wird durch Verbrennung des Methans betrieben
Sonnenenergie wird genutzt
Grünalgen zur Erzeugung von Biodiesel
Lagerung in Tanks und Bestrahlung mit Sonnenlicht
Energiereiche Kohlenstoffe werden genutzt
Keine Anbaufläche nötig
Neurobiologie
Aufbau und Funktion des Neurons
Länge: wenige Mikrometer bis über einen Meter
Zellkörper mit Zellkern
Verzweigte Dendriten
Axonhügel mit anschließendem Axon
Am Ende des Axons: Endknopf mit Synapsen
Dendriten leiten den Reiz zum Zellkörper hin
Das Axon leitet den Reiz vom Zellkörper weg
Über Synapsen zu Muskeln oder anderen Neuronen
Gliazellen schützen und ernähren die Neuronen
Mehrschichtig = Myelin
Axon + Myelin = Nervenfaser
Mehrere Nervenfasern + Bindegewebe = Nerv
Das Ruhepotential
Spannungsdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Membran
Innen im Verhältnis zu außen: -70mV (-40mV bis -90mV)
Unterschiedliche Ionenkonzentrationen
Innen: mehr K+ und A-
Außen: mehr Na+ und Cl-
Membran hat eine selektive Permeabilität
Für die Ionen unterschiedlich
K+: 1 (gesetzt), Na+: 0,04, Cl-: 0,45, A-: 0
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25. Konzentrationsgradient der K+-Ionen führt zu ständigem K+-Ionen-Ausstrom
Ladungsgradient entsteht und K+-Ionen wandern wieder nach innen
Gleichgewichtszustand der Vorgänge
Kaliumgeleichgewichtspotential = Grundlage für Membranpotential im Ruhezustand
Natrium-Kalium-Pumpe dient zum Ausgleich des (geringen) Na+-Einstroms
Benötigt ATP
Das Aktionspotential
Sensorische Nervenzellen Gehirn
Motorische Nervenzellen Muskeln
Vorgänge am Axon:
De-/Hyperpolarisation der Membran bei positiver/negativer Reizspannung
Überschreitung des Schwellenwertes starke Depolarisation von +30mV
Ruhepotential: Na+- und K+-Kanäle
geschlossen
Beginnende Depolarisation: Na+-Ionen
beginnen einzuströmen
Lokale Depolarisation
Depolarisation: spannungsabhängige Na+-
Kanäle öffnen sich, hoher Na+-Einstrom
Repolarisation: K+-Ionen-Ausgleichsstrom
Refraktärzeit: Hyperpolarisation und
Einsetzen der Natrium-Kalium-Pumpe
Lokale Depolarisationen führen zur Bildung eines elektrischen Felds
Breitet sich passiv aus (wird schwächer) elektronische Leitung
Überschreitung des Schwellenwertes starkes elektrisches Feld
Benachbarte Bereiche erreichen ebenfalls den Schwellenwert keine Abschwächung
Kontinuierliche Erregungsleitung (Kettenreaktion)
Beim myelisierten Axonen werden die umwickelten Stellen der Axone übersprungen
Saltatorische Erregungsleitung
Aktionspotentiale werden nur im Axon gebildet
Nur hier sind spannungsabhängige Na+-Kanäle
Primäre Sinneszellen (Bsp. Muskelspindeln) bilden Rezeptorpotentiale aus bei ankommenden
Reizen
Starker Reiz starkes Rezeptorpotential schnelle Aktionspotentiale
Langer Reiz langes Rezeptorpotential viele Aktionspotentiale
Synapsen
Aufbau und Funktion
25
26. In der postsynaptischen Zelle entsteht nur ein erregendes / hemmendes Potential, kein
Aktionspotential
Kann bis zum Zellkörper abgeschwächt werden
Anzahl der Aktionspotentiale Transmitterausschüttung Anzahl der Depolarisationen (über
Schwellenwert) Anzahl der Aktionspotentiale im Axon des neuen Neurons
Hemmende Synapsen
Lösen Hyperpolarisation an der postsynaptischen Membran aus
Präsynaptische Bläschen besitzen Transmitter für Cl—Kanäle
Sinkendes Membranpotential
Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP)
Gezielte Hemmung auf spezielle Synapsen durch präsynaptische Hemmung
Cl—Ionen-Einstrom ins Endknöpfchen
Ankommendes Aktionspotential wird abgeschwächt
EPSP wird abgeschwächt ( unter dem Schwellenwert)
Kein neues Aktionspotential
Summation der Potentiale
Räumliche Summation:
Mehrere EPSP kommen im Zellkörper an (aus verschiedenen Dendriten)
Gemeinsame Weitergabe ans Axon
Schwellenwert wird erreicht
Aktionspotential entsteht
Zeitliche Summation:
Zeitversetztes Ankommen von Aktionspotentialen an der postsynaptischen Membran
Membran noch nicht ganz repolarisiert
Addition des schon vorhandenen EPSP
Synapsengifte
Veränderte Acetylcholin-Freisetzung
Keine Acetylcholin-Ausschüttung durch Zersetzung eines Proteins an den synaptischen
Bläschen
Keine Übertragung
Keine Muskelkontraktion
„schlaffe Lähmung“
Beispiel: Bakterium clostridium botulinum ( Botox)
Gleichzeitige Entleerung aller synaptischen Bläschen
Dauerhafte Übertragung
Verkrampfung
„starre Lähmung“
Beispiel: Gift der schwarzen Witwe
Blockade des Acetylcholin-Rezeptors
Besetzen und Blockieren des Rezeptors ohne Na+-Kanäle zu öffnen ( Coniin)
„schlaffe Lähmung“
Besetzen und Blockieren des Rezeptors, wobei die Na+-Kanäle geöffnet werden
( Suxamethonium)
Verkrampfung
Hemmung der Acetylcholinesterase
Molekül setzt sich in die Esterase und blockiert sie ( Alkylphosphate)
Verkrampfung
26
27. Reizverarbeitung
Verschiedene Rezeptorzellen nehmen die Reize auf
Chemo-, Mechano-, Foto-, Thermo- und Elektrorezeptoren
Hilfseinrichtungen bereiten die Reize auf
Neben den „fünf Sinnen“ gibt es noch die enterorezeptiven Sinne in den inneren Organen
Muskelspindeln (Muskeldehnung), CO2-Fühler,…
Reize führen zum Öffnen oder Schließen der Ionenkanäle
Elektrisches Signal (Transduktion)
Starker Reiz starke Polarisation hohe Frequenz der Aktionspotentiale
Sensorische Nerven leiten die Signale zum Zentralnervensystem und zum Gehirn
Hirnregion entscheidend für Interpretation
Sinne des Menschen
Mechanorezeptoren der Haut
Merkel-Zellen: Eindrucktiefe und Dauer des Druckreizes
Meissner-Körperchen: Geschwindigkeit des Reizes
Haarfollikel-Rezeptoren: reagiert auf Haarverbiegungen
Pacini-Körperchen: Wahrnehmung von Vibrationen
Sinnesorgane des Innenohrs
Lagesinnenorgane in den Vorhofbläschen
Neigungen des Kopfes führen zur Ablenkung der Cilien und zur Öffnung dehnungssensiver
Ionenkanäle
Drehsinnesorgan in den Bogengängen des Labyrinths
Vergleichbar mit den Cilien des Lagesinnesorgans
Hören mit der Basilarmembran
Reaktion auf Schallwellen
Hohe Frequenz = hoher Ton
Hohe Schwingungsamplitude = starker Ton
Signaltransduktion im Ohr
Cochlea ist mit Flüssigkeit gefüllt
Druck-/Schallwellen erzeugen Schwingungen
In der Cochlea befinden sich Cilien (Haarzellen)
Werden von bestimmten Druckwellen gereizt
K+-Kanäle öffnen sich
Durch K+-Einstrom auch Ca2+-Einstrom
Synaptische Bläschen geben Transmitter frei
Aktionspotential kann entstehen
Hörschäden:
Geringe Hörschäden durch beschädigte Sinneszellen können durch Hörgeräte korrigiert
werden
Starke Hörschäden werden mit einem Cochlea-Implantat korrigiert
Implantat sitzt oberhalb des Ohrs
Implantat erhält und entschlüsselt die Impulsmuster, die der Sprachprozessor
aufzeichnet
Weitergabe an die Elektroden in der Hörschnecke, die den Hörnerv direkt stimulieren
Chemische Sinnesorgane
Geschmacksbildung durch Mikrovilli
Liegen in den Geschmacksknospen der Geschmackspapillen auf der Zunge
Depolarisation durch Ionen der Transmitterstoffe
27
28. Riechsinneszellen
Tragen verschiedene Duftrezeptormoleküle
Anlagerung von bestimmten Stoffen führt zu charakteristischen Polarisationen
Primäre Rezeptoren bilden Aktionspotentiale aus
Netzhaut und Auge
Aufbau:
Schlanke Stäbchen (120 Millionen) für
Hell-Dunkel-Sehen
Kegelförmige Zapfen (6 Millionen) für
Farbsehen
Horizontalzellen und Amakrinen sind
quer verschaltet und können Reize
bündeln oder verteilen
Ganglienzellen (1 Millionen) nehmen
Reize auf und leiten diese über den
Sehnerv weiter
Am gelben Fleck sind nur Zapfen und
viele Ganglienzellen
Zentrale Sehgrube
Außen sind weniger Rezeptoren als im Zentrum
Am blinden Fleck sitzt der Sehnerv
Keine Rezeptoren
Funktion:
Lichtsinneszellen besitzen hemmende Synapsen, die bei Dunkelheit aktiviert sind
Lichteinfall führt zur Hyperpolarisation und zum Wegfall der Hemmung
Zustand bei Dunkelheit:
cGMP ist ein sekundärer Botenstoff und dient als Transmitter zur Öffnung der Na+-Kanäle
Na+-Kanäle sind geöffnet
Zelle wird dauerhaft depolarisiert
Hemmung findet statt
Rhodopsin liegt verbunden vor
Zustand bei Lichteinfall:
Rhodopsin wird gespalten und wirkt auf ein Protein, das ein Enzym zur cGMP-Spaltung
aktiviert
Na+-Kanäle schließen sich
Zelle wird repolarisiert
Hemmung fällt weg
Nervensystem des Menschen
Enthält schätzungsweise 1011 Neuronen
Zentralnervensystem
Gehirn und Rückenmark
Bifunktionales Rückenmark
Verbindung zwischen Gehirn und peripherem Nervensystem des Körpers ( äußere weiße
Substanz)
Selbstständige Umschaltstelle sensorischer auf motorischer Neuronen (InterNeuronen
zwischengeschaltet) ( innere graue Substanz)
Umschaltung über marklose kurze Axone und ein Geflecht von Dendriten
Sensorische Neuronen in hinterer Wurzel des Spiralnervs
Motorische Neuronen in vorderer Wurzel
Beide Wurzeln vereinigen sich zu einem gemischten Nerv
28
29. Autonomes Nervensystem
Vegetative Wirkung auf innere Organe
Kontrolle des inneren Milieus
Enge Zusammenarbeit mit somatischem Nervensystem (Verbindung von Skelettmuskulatur mit
Rückenmark)
Aufgeteilt in zwei Gegenspieler:
Sympathicus: Förderung des Zustands höchster Leistung
Durchblutung
Ausschüttung von Adrenalin etc.
Parasympathicus: Vorgänge bei körperlicher Ruhe
Verdauung
Regulation des Blutzuckerspiegels
Fühler der Bauchspeicheldrüse und des Hypothalamus messen den Blutzuckerspiegel
(= Regelgröße)
Störgrößen (Nahrungsaufnahme, Grundumsatz, körperliche Tätigkeit) können den Wert
verändern
Differenz zwischen Soll- und Istwert
Fühler regen bei Störungen die Stellglieder an, welche die Regelgröße wieder auf den Sollwert
bringen
Geringe Differenz: nur Glukagon / Insulin aus der Bauchspeicheldrüse
Große Differenz: zusätzlich Adrenalin aus dem Nebennierenmark
Insulin und Glukagon sind Gegenspieler:
Insulin: Anregung der Glykogensynthese, wodurch Glucose gespeichert wird, und der Fett-
und Eiweißsynthese zum Verbrauch von Glucose
Glukagon: Anregung des Glykogen-, Fett- und Eiweißabbaus zur Bereitstellung von Glucose
Werden beide in den Langerhans’schen Inseln gebildet
Stress
Fight-or-Flight-Syndrom
Impulse gelangen zum Hypothalamus, der den Sympathicus erregt
Herzschlagfrequenzerhöhung
Adrenalinausschüttung
Verengung der Blutgefäße und Blutdruckerhöhung
Glykogenabbau wird angeregt
Höchstleistungen sind möglich
Eustress (gelegentlicher Stress mit Erholungsphasen)
Stärkt Widerstandskraft des Körpers
Distress (Dauerstress)
Herz-/Kreislauferkrankungen
29
30. Homöostase
Gleichgewichtszustand, der durch einen Regelmechanismus auch bei wechselnden inneren /
äußeren Faktoren konstant gehalten wird
Hypothalamus
autonomes somatisches
hormonelles System
Nervensystem Nervensystem
Schilddrüse Schweißdrüsen braunes Fettgewebe Gefäße Skelettmuskulatur
Leber Muskeln
Wärmebildung
Wärmeabgabe Zitterfreie Wärmestrom Wärmebildung
durch gesteigerten
durch Verdunstung Wärmebildung Kern --> Haut durch Muskelzittern
Energieumsatz
30