"Roderich Koerner" <rodkoerner@planet-interkom
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"Roderich Koerner" <[email protected]> Thema: Verhalten Þ Definition: Wechselwirkungen mit der Umgebung, Körperhaltung und Lautäußerungen werden als Verhalten bezeichnet. Beim Menschen ist die Verhaltensforschung sehr schwierig, weil gelernte Reaktionen den ursprünglichen Ablauf der natürlichen Reaktion beeinflussen können. Säugling sind stark Reflex - gesteuert. Reiz - Reaktions - Schema (Black Box): Þ Ererbtes Verhalten Der Ablauf dieser Verhaltensweisen ist weitgehend festgelegt. Er beruht nicht auf Erfahrungen, die ein Lebewesen in seiner Umwelt macht, sondern ist das Ergebnis einer langen Stammesgeschichte. Methoden zum Nachweis ererbten Verhaltens "Roderich Koerner" <[email protected]> Þ Attrappenversuche Natürliche Reize, die ein Verhalten auslösen, werden auf möglichst einfache Art künstlich nachgebildet und auf ihre auslösende Wirkung hin überprüft. Reagiert ein Tier auf besonders einfache Attrappen, deutet dies auf ein ererbtes Verhalten. Þ Aufzucht unter Erfahrungsentzug Die Versuchstiere werden von ihren Artgenossen isoliert aufgezogen und auf ihr Verhalten hin untersucht. Findet man bei ihnen Verhaltensweisen, die mit denen ihrer Artgenossen übereinstimmen, so kann man daraus schließen dass diese angeboren sind, weil sie diese von Niemandem lernen konnten. Bei den meisten sog. Kaspar - Hauser - Experimenten stellt man fest, dass die Grundlage für das Verhalten zwar vorhanden ist, Erfahrung und lernen aber auch eine bedeutende Rolle spielen. Þ Kreuzungsexperimente Werden bei Kreuzungsexperimenten unterschiedliche Verhaltensweisen den Mendelschen Gesetzten entsprechend vererbt, so ist bewiesen, dass diese im Erbgut gespeichert sind. Þ Instinktverhalten Bei einer Instinkthandlung kann man drei Abschnitte unterscheiden: ungerichtetes Appetenzverhalten: richtungslose Aktivität (das wie suchen nach Beute aussieht) gerichtetes Appetenzverhalten: gerichtete Annäherung an das erspähte Objekt (Beute); Dies wird auch als Taxis bezeichnet. instinktive Endhandlung: Vollendung der Taxis (z.B. Ergreifen, Töten und Verzehrung der Beute) Þ Motivation (Handlungsbereitschft) Eine Instinkthandlung läuft nur ab, wenn eine gewisse Bereitschaft des Organismus vorliegt. Diese kann durch verschiedene Faktoren bestimmt werden (z.B. Glukosemangel als innerer Faktor; Jahreszeit/Temperatur als äußerer Reiz). Nach Ablauf der instinktiven Endhandlung kann die Handlungsbereitschaft bis auf Null absinken. Þ Schlüsselreiz und Auslöser Eine Instinkthandlung wird in der Regel von einem Außenreiz ausgelöst. Dieser Reiz heißt Schlüsselreiz. Geht dieser von einem anderen Lebewesen aus, nennt man ihn auch Auslöser. Oft werden Instinkthandlungen durch eine Kombination von Schlüsselreizen ausgelöst.. Als Schlüsselreiz können alle Reize gelten, die von den Sinnesorganen aufgenommen werden. Welche Reize als Schlüsselreize wirken kann man anhand von Attrappenversuchen feststellen. Geht der Schlüsselreiz von einem Artgenossen aus, so nennt man ihn Auslöser. Þ Angeborener Auslösender Mechanismus (AAM) Die Auslösung einer Instinkthandlung erfordert einen nervösen Mechanismus, einen neurosensorischen Filtermechanismus, der den Schlüsselreiz von anderen Reizen unterscheidet. Man nennt einen solchen Mechanismus des ZNS, der den Schlüsselreiz von allen anderen Reizen unterscheidet den angeborenen auslösenden Mechanismus, kurz AAM. Þ Reizsummenregel Es gibt Verhaltensweisen, die durch verschiedene Schlüsselreize ausgelöst werden können. Werden die Reize kombiniert, so ist die Gesamtwirkung größer. Dies bedeutet aber nicht, daß die einzelnen Reize streng additiv wirken, sondern nur, daß sie in Kombination eine stärkere Wirkung ausüben. "Roderich Koerner" <[email protected]> Þ Doppelte Quantifizierung einer Instinkthandlung Manche Verhaltensweisen können mit unterschiedlicher Stärke ausgeführt werden. Man kann beobachten, daß die Stärke des Verhaltens von der Reizstärke und von der Höhe der Motivation abhängig ist. Das folgert man aus der Tatsache, daß die gleiche Stärke einer Reaktion entweder bei stark auslösendem Reiz und geringer Motivation oder bei schwacher Reizintensität und starker Motivation auftritt. Þ Handlungsketten Handlungsketten sind eine Folge sich anschließender Schlüsselreize, wobei jeder Schlüsselreiz einen Auslöser für die nächste Tat ist. Eine Handlungskette kann nicht in der Mitte beginnen. Brechen die Reize ab, so hört die Handlungskette an dieser Stelle ab. Þ Leerlaufhandlung Wird eine Instinktive Endhandlung längere Zeit nicht ausgelöst, kann ihr Antrieb immer stärker werden. Bleibt selbst ein schwacher Reiz aus, so läuft die instinktive Endhandlung ausnahmsweise ohne Schlüsselreiz ab. Þ Prägung Prägung bedeutet das schnelle Erlernen einer Reizsituation, durch die ein bestimmtes angeborenes Verhalten ausgelöst wird. Sie weißt bestimmte Ähnlichkeiten mit der bedingten Konditionierung auf, jedoch unterscheidet sie sich in folgenden Punkten: Prägung ist nur in einer zeitlich begrenzten, der sensiblen Phase im Leben des Tieres möglich. Prägung ist irreversibel. Eine unmittelbare "Belohnung" ist nicht notwendig. Þ Lernen Lernen ist im allgemeinen die individuelle Anpassung des Verhaltens an die Gegebenheiten der Umwelt, wobei die Lernphase als Verschränkung von angeborenen und erworbenen Verhaltensweisen aufzufassen ist. Þ Konditionierung Das Erlernen eines bestimmten Reiz - Reaktions - Musters: Auf eine bestimmten Reiz hin, erfolgt eine bestimmte Reaktion. Die Konditionierung kann erfolgreich bei einer Therapie angewandt werden. Þ Übersprungverhalten Wenn die Motivationen zweier Reize gleich groß sind und diese in Konflikt treten (z..B. Kämpfen oder fliehen), so springt diese Motivation auf einen dritten, völlig anderen Reiz über und wird abgespult. Thema: Neurologie Begriff Funktion Neuron (Nervenzelle) Informationsverarbeitung Soma Nimmt Information auf und verarbeitet sie Dendrit Leitet Informationen zum Soma Neurit (Axon) Sendet Informationen, die vom Soma kommen zu anderen Zellen "Roderich Koerner" <[email protected]> Markscheide Isolierungsschicht des Axons Schwannsche Zellen Bilden die Markscheide und ernähren die Zellen Synapsen Reizweiterleitung Þ Definition: Als Reiz bezeichnet man eine physikalische oder chemische Einwirkung, die von einem Organismus aufgenommen werden kann, d.h. für die er Sinneszellen besitzt. (Außen-, Innenreiz) Reizweiterleitung Þ Membranpotential Zwischen dem Zellinneren (Axon) und dem Außenmedium liegt eine elektrische Spannung. Sie kann mit Hilfe zweier Elektroden gemessen werden. Dazu hält man die eine Elektrode in das Medium, die andere sticht man in die Zelle ein. Auf dem Oszillographen kann man eine Spannung von ca. -30 mV beobachten. Þ Ursachen für das Membranpotential Das Membranpotential beruht auf der unterschiedlichen Verteilung von Ionen im Innen- und Außenmedium sowie der unterschiedlich großen Permeabilität der Zellmembran für gewisse Ionen. Die positiv geladenen Kaliumionen können sich ungehindert durch die Membran hindurch bewegen, während die großen, negativ geladenen Moleküle in der Zelle festgehalten werden. Die ebenfalls positiv geladenen Natriumionen werden durch einen aktiven Transportvorgang aus der Zelle entfernt. Þ Das Aktionspotential Ein AP ist eine kurzfristige Spannungsumkehr in der Zelle. Zunächst strömen Kaliumionen in die Zelle, so dass die negative Ladung geringer wird. Daraufhin ändern sich die Membraneigentschaften so, dass Natrium in die Zelle eindringen kann. Das geschieht so schnell, so dass sich im Zellinneren insgesamt eine Positive Ladung aufbaut. Wenn ein Aktionspotential entstanden ist an einer Zelle, wandert es durch Ionenaustausch an bestimmten Stellen - den Ranvier&rsquo;schen Schnürringen - am Axon entlang. Das Aktionspotential begrenzt sich in seiner Höhe von selbst, denn wenn zu viele Natriumionen in die Zelle eindringen, werden erst die Kaliumspäter auch die Natriumionen aus der Zelle befördert, so dass sich wieder eine negative Spannung aufbaut. Damit ist das Neuron wieder korrekt polarisiert. Dieser Vorgang ist so schnell, dass an der Axonmembran erst nach der refraktär Phase ein weiteres Aktionspotential entstehen kann. Þ Elektrotonische Weiterleitung (nur bei Marklosen Fasern) Reizt man mit einem unterschwelligen Stromimpuls ein Axon einer marklosen Faser, so kann man an den benachbarten Ableitungen eine schlagartige Ausbreitung der Depolarisation über einige Millimeter nach beiden Seiten beobachten, deren Grad rasch mit der Entfernung von der Reizstelle abnimmt. Diese Art von Potentialausbreitung nennt man passiv oder elektrotonisch. "Roderich Koerner" <[email protected]> Þ Saltatorische Erregungsleitung (bei markhaltigen Fasern) Durch die Schwannschen Zellen wird das Axon von der Na+ haltigen Gewebsflüssigkeit isoliert. Nur an den ranvierschen Schnürringe besteht Kontakt zwischen dem Axon und der leitenden Flüssigkeit. Þ Strömchentheorie der Erregungsleitung Reizt man mit einem überschwelligen Stromimpuls, so entsteht ein Aktionspotential. Betrachtet man die Ionenverteilung an der Membran, so wird deutlich dass die Membran an dieser Stelle umgepolt ist. Positive und negative Ladungen grenzen an einander, ohne dass sich eine Membran dazwischen befindet. Ausgleichsströmchen sind die Folge. Diese ernidrigen das Membranpotential der benachbarten Stellen, so dass auch hier ein Aktionspotential erzeugt wird. Þ Reizweiterleitung an der Synapse Ein ankommendes AP erregt die Kalziumporen an der Membran des Endknöpfchens Þ Die Poren öffnen sich und Ca2+ strömt ein. Die synaptischen Bläschen, welche Acetylcholin (Ach) enthalten, verschmelzen mit der präsynaptischen Membran (PSM) Þ ACh strömt in den synaptischen Spalt. ACh Moleküle besetzten die Rezeptoren an der subsynaptischen Membran (SSM) für ca. Eine Millisekunde Na + Ionen können aus dem synaptischen Spalt ins Innere der (Muskel-) Zelle gelangen; weitaus mehr als K+ Ionen raus. Der Spannungsunterschied bewirkt eine Depolarisation Diese Depolarisation breitet sich elektrotonisch auf der SSM aus und löst dort - wenn überschwellig - ein AP aus. Die ACh Moleküle verhalten sich im synaptischen Spalt wie Pingpong Bälle: Sie können mehrere Rezeptoren besetzten und werden danach wieder abgestoßen. Trifft das Molekül aber auf das Enzym Cholinesterase, so wird es in Acetat - Ionen und Cholin gespalten. Dies verhindert eine Dauererregung. Die einzelnen Ionen diffundieren wieder in den Endknopf und werden dann wieder zu ACh umgewandelt. Þ Das Endplatten Potential Die postsynaptische Membran (PSM) besitzt wie Neuronen ein Ruhepotential. Werden wie bei der Reizweiterleitung an der Synapse ACh Moleküle in den synaptischen Spalt ausgeschüttet, dann treffen sie auf die Ionenporen mit den ACh - Rezeptoren. Werden diese besetzt, öffnen diese sich und Na+ - Ionen treten in die Zelle ein, viel mehr als K+ - Ionen in den synaptischen Spalt hinein. Es entsteht eine Depolarisation, d.h. das Potential verringert sich. Die Depolarisation breitet sich elektrotonisch auf der PSM aus... Þ Zeitliche Summation Kommen an einer Zentralen Synapse kurz hintereinander mehrere AP an, so überlagern sich die durch diese AP ausgelösten postsynaptischen Depolarisationen zu einem postsynaptishcen graduierten Potential , dessen Höhe von der Impulsfrequenz abhängt. Das graduierte PSP breitet sich elektrotonisch auf der Somamembran bis zum Axonhügel aus und löst dort als postsynaptisches Generatorpotential - wenn überschwellig - ein AP aus. Þ Räumliche Summation Kommen an einem zentralen Neuron gleichzeitig über verschiedene Axone mehrere AP an, so überlagern sich die durch diese AP ausgelösten postsynaptischen Depolarisationen zu einem "Roderich Koerner" <[email protected]> postsynaptischen graduierten Potential, dessen Höhe von der Impulsfrequenz abhängt. Das graduierte PSP breitet sich elektrotonisch auf der Somamembran bis zum Axonhügel aus und löst dort als postsynaptisches Generatorpotential - wenn überschwellig - fortgeleitete AP aus. Þ Erregende interneurale Transmitter Die Synapsen zwischen zwei Neuronen (interneurale -) arbeiten grundsätzlich wie motorische Endplatten. Neben ACh findet man hier aber auch andere Transmitterstoffe . Auch diese Stoffe werden im synaptischen Spalt von Enzymen abgebaut (keine Dauererregung). Das AP das an einer erregenden Synapse ankommt, erzeugt in der postsynaptischen Zelle eine kurzzeitige Depolarisation. Es heißt erregendes postsynaptisches Potential, kurz EPSP. Bei der Summation wirken erregende AP addierend. Þ Hemmende interneurale Synapsen An einer hemmenden Synapse erzeugt ein ankommendes AP hingegen eine Hyperpolarisation der Folgezelle. Es heißt inhabitatorische postsynaptisches Potential, kurz IPSP. Bei der Summation wirken hemmende AP subtrahierend. Gifte Wirkungsort des Giftes Auswirkung für den Körper ACh - Rezeptor der Ionenporen im synaptischen Spalt Die Ionenpore bleibt geschlossen Þ Tod durch Atemlähmung, Herzstillstand etc ACh Rezeptor in synaptischen Spalt Die Ionenporen bleiben geöffnet Þ Dauererregung, Tod Cholinesterase ACh wird nicht mehr abgebaut und kann so nicht mehr insEndknöpfchen gelangen, kein ACh Nachschub Calciumporen am Endknöpfchen Schlagartige Entleerung der synaptischen Bläschen Synaptische Bläschen Sie können nicht mehr ausgeschüttet werden Þ tödliche Atemlähmung Thema: Muskulatur Þ Aufbau von Muskeln Muskelbestandteil Beschreibung Muskelzellen Spindelförmig Cytoplasma besteht aus Muskelfibrillen, diese können sich zusammenziehen Muskelfaser Vielkerniges Gebilde (Syncytium) viel länger als Muskelzellen durchziehen den ganzen Muskel Fibrillen in Muskelfasern und Muskelzellen 2 Ausbildungsformen: glatt und "Roderich Koerner" <[email protected]> quergestreift Quergestreifte Fibrillen arbeiten viel schneller Fibrillen der Quergestreiften Muskulatur besteht aus Sakromeren Herz- und Skelettmuskulatur sind quergestreift Sakromere wird durch zwei Z - Scheiben begrenzt Innen: dünne Filamente: Aktinfilamente dicke Filamente: Myosinfilamente Aktinfilamente ragen von den Z - Scheiben ins Sakromer Die Myosinfilamente liegen in der Mitte Bei Kontraktion überlappen sich die Filamente stärker Die Filamente sind bei quergestreifter Muskulatur regelmäßig angeordnet, bei glatter unregelmäßig Þ Muskelkontraktion Ein einzelnes AP oder ein einzelner elektronischer Impuls löst eine Zuckung des Muskels aus. Bei einer einzelnen Muskelfaser ist die Stärke der Zuckung von der Stärke des Impulses unabhängig. Bei einem ganzen Muskel ist die Stärke der Kontraktion von der Stärke des Reizes abhängig. Thema: Reflexe Definition Reflex: Unter einem Reflex versteht man eine stets gleichbleibende (stereotype), vorhersehbare, direkt eintretende Reaktion auf einen Sinnesreiz. Þ Monosynaptischer Reflex Wenn der Rezeptor im Erfolgsorgan liegt (s. Patellarsehnenreflex), und die Verschaltung nur über eine Synapse läuft, spricht man von einem Eigen- oder monosynaptischen Reflex. Þ Polysynaptischer Reflex Im Gegensatz zu monosynaptischen Reflexen, welche aus je einer efferenten- und einer afferenten Nervenzelle (folglich auch nur einer Synapse) geschaltet werden, werden polysynaptische Reflexe über mehrere Synapsen geschaltet. In den meisten Fällen erreichen die Verschaltungswege nur bis zum Rückenmark. In einzelnen Fällen werden Reflexe im sog. Rautenhirn verschaltet. Þ Eigenreflex Wenn der Rezeptor im Erfolgsorgan liegt (s. Patellarsehnenreflex), und die Verschaltung nur über eine Synapse läuft, spricht man von einem Eigen- oder monosynaptischen Reflex. Þ Fremdreflex "Roderich Koerner" <[email protected]> Wenn der Rezeptor eine Reaktion an einer anderen Stelle des Körpers auslöst, erfolgt die Verschaltung über mehrere Neurone und man spricht von einem Fremd- oder polysynaptischen Reflex. Thema: Rezeptoren Rezeptoren sind im einfachsten Fall, marklose Endigungen von Nervenfasern oder spezialisierte Zellen, die Reize aufnehmen und in Erregungen (AP) umwandeln. Der Rezeptor antwortet auf einen Reiz erst, wenn dieser eine bestimmte Intensität aufweist. Dann allerdings nach dem Alles - oder - Nichts - Gesetz. Man kann verschiedene Typen von Sinneszellen unterscheiden: phasische Sinneszellen: Bei gleichbleibender Reizung fällt die Impulsfrequenz schließlich auf Null ab. tonische Sinneszellen: Sie ändern ihre Impulsfrequenz bei der gleichen Reizstärke fast nicht phasisch - tonische Sinneszellen: Am Anfang ist die Impulsfrequenz sehr hoch, sie fällt jedoch bei gleicher Reizintensität auf einen niedrigen Wert herab. Thema: Bakterien Þ Bakterien - Einführung Unter dem Begriff Bakterien faßt man eine Menge recht unterschiedlicher Organismen zusammen. Es sind Zellen, die biologisch verschieden reagieren und chemisch verschieden aufgebaut sind. Sie ähneln sich nur in anatomischen Eigenschaften: Eucyte (echte Zelle) Procyte (o. Protocyte) Pflanzen: Zellwand (Zellulose) + Plasmamembran Tiere: Plasmamembran Bakterien: Murein (-sacculus) Zellkern mit Membran (welche mit Poren versehen ist DNA schwimmt frei im Cytoplasma, ist ringförmig angeordnet (Bakterien - Chromosom) Mitochondrien Mesosomen (evtl. Vorstufen der Mitochondrien) Pflanzen: Thylakoide in Organellen (Þ Chloroplasten) Thylakoide frei im Plasma Geißeln mit Basalkörper Geißeln ohne Basalkörper 80 - S Ribosomen 70 - S Ribosomen Besonderheiten: Extrachromosomale DANN - Anteile = Plasmide Sexual Pili Þ Wachstum von Bakterien in flüssigen Medien Man kann Bakterien in flüssigen Medien z.B. Bouillon züchten. Diese müssen dann aber mit einer "Roderich Koerner" <[email protected]> Energiequelle (z.B. Glucose) angereichert sein. Bakterien vermehren sich durch Teilung, d.h. sie schnüren nach einer bestimmten Zeit ein Teil ihres Körpers ab, aus dem dann eine neue Bakterie wird. Dieser Vorgang hat keinerlei Ähnlichkeit mit der Mitose oder Meiose. Dieser Vorgang geschieht auch viel schneller als die Mitose oder die Meiose. Außerdem ist das Wachstum der Bakterien exponentiell. Überimpft man eine kleine Menge von Bakterien in ein frisches Medium, brauchen diese eine Gewisse Anlaufzeit, bis die Teilung der Zellen beginnt (engl. Lag - Phase). In der lag - Phase werden die neuen Nährstoffe aufgenommen und der Stoffwechsel auf die entsprechenden Enzyme zur Verwertung der Nährstoffe umgestellt. Danach beginnt die Phase der exponentiellen Vermehrung (log - Phase). Ist eine gewisse Abundanz erreicht, stagniert der Titer. In dieser Phase werden zu viele wachstumshemmende Stoffe von den Bakterien ins Medium gegeben. In dieser stationären Phase halten sich die Teilungsrate und die Sterberate der Bakterien in der Waage. Einige Tage nach erreichen der stationären Phase sterben die Bakterien ab. Sie vergiften sich mit ihren eigenen Stoffwechselprodukten. Es geschehen zwar noch vereinzelt Teilungen, jedoch überwiegt die Sterberate. Þ Wachstum auf festem Medium Bakterienkolonien können auch auf festen Agrarnährböden wachsen. Verdünnt man eine flüssige Bakterienkultur bis zu einem Titer von einigen Hundert Bakterien pro m l und verstreicht davon einige Tropfen auf der Agraroberfläche, findet man am nächsten Tag (bei 37 °C) auf der Platte einzelne Kolonien mit einem Durchmesser von 1 - 5 mm. Jedes Bakterium hat sich zu einer Kolonie vermehrt. Streicht man 10.000 Bakterien oder mehr auf einer Petrischale aus und wartet ab, so entsteht ein Bakterienrasen. Þ Zur Ernährungsweise von Organismen Grüne Pflanzen: autotroph (PS) Tiere: heterotroph (organische Stoffe müssen aufgenommen werden) Bakterien: Wildtyp: prototroph: Sie wachsen auf einem Minimalmedium mit Zucker und Stickstoffhaltigen Salzen Þ Sie können alle Aminosäuren synthetisieren Mutanten: auxotroph: Sie können auf einem Minimalmedium nicht wachsen, da sie einen bestimmten Syntheseschritt nicht durchführen & deshalb auch nicht eine der (ca. 20) Aminosäuren bilden. Diese Mutanten heißen Aminosäuremangelmutante. Þ Isolation biochemischer Mangelmutanten Eine Bakterienkultur wird (im Vollmedium) mit Röntgenstrahlen bestrahlt und anschließend für ca. 24 h unter günstigen Bedingungen gezüchtet. So ist sichergestellt, daß sich nicht nur die prototrophen, sondern auch die auxotrophen Bakterien sich vermehren. Jetzt werden die Bakterien aus dem Vollmedium getrennt (durch Zentrifugation) und auf ein Minimalmedium mit Stickstoffmangel gesetzt. Die Mutanten gehen nach Verbrauch der Reservestoffe in den Ruhezustand über. Um die nicht mutierten Bakterien zu isolieren bringt man die Zellen auf ein Minimalmedium mit Salz (NH4SO4) als Stickstoffquelle. Bei Anwesenheit von Stickstoff können die nicht mutierten Bakterien ihren Stoffwechsel wieder aufnehmen, während die Mutanten im Ruhezustand verharren. Durch den Zusatz von Penicillin wird der überwiegende Teil der sich teilenden Zellen abgetötet, die ruhenden (mutierten) Zellen hingegen werden vom Penicillin nicht angegriffen. Dann plattet man geringe Mengen dieser Suspension auf einem Vollmedium aus, auf dem sowohl die mutierten- als auch die nicht mutierten Zellen wachsen. Dadurch wird eine Anreicherung der Mutanten bewirkt. Danach verfährt man nach den Replikaplattierungsverfahren: Mit Hilfe eines sterilen Samtstempels werden nun Abdrücke der Ausgangsplatte auf Voll- sowie Minimalnährböden gedrückt. Anschließend züchtet man die Kolonien in einem Wärmeschrank (die Anordnung der Kolonien ist dieselbe wie beim "Original"). Nach einiger Zeit untersucht man die Medien: Nur die Kolonien der auxotrophen Zellen fehlen auf dem Nährboden, während sie auf dem "Original" vorhanden sind. Sind die Nährböden durch ihre fehlenden Aminosäuren gekennzeichnet, so kann man die Art von Mangelmutante feststellen. Thema: Viren "Roderich Koerner" <[email protected]> Þ Was sind Viren? Viren sind winzige Teilchen, die aus einem Nukleinsäurefaden (DNA o. RNA) und einer Kapsel unterschiedlicher Form die aus Eiweißen besteht und noch Anhänge trägt. Sie sind lichtmikroskopisch nicht sichtbar. Þ Temperente Phagen und Virulente Phagen Virulente Phagen: Bei Befall eines Bakteriums durch einen virulenten Phagen läuft sofort der Þ lytische Zyklus ab. Temperente Phagen: Bei Befall eines Bakteriums durch einen temperenten Phagen wird die DANN des Phagen als Prophage in die Bakterien - DNS eingebaut und mit - vermehrt. Das Bakterium ist vor einer Neuinfektion durch andere Phagen geschützt. Durch Bestrahlung mit UV - Licht oder einem Temperaturschock löst sich der Prophage und geht in den lytischen Zyklus über. Þ Lytische Phagenvermehrung Der Zyklus, der mit der Auflösung der Wirtszelle endet wird als lytischer Zyklus bezeichnet. Adsorbtion: Zufälliger Kontakt mit der Bakterienzelle (strenge Wirtsspezifität) Injektion: Lysozym "fräst" ein Loch in das Rezeptorprotein und löst die Zellwand auf. Kontraktion des Schwanzstiftes und Injektion der Virus DNS. Latenzphase und Synthesephase: Äußerlich ist keine Veränderung zu beobachten, im Innern bilden sich aber die Bauteile der Phagen (unter Verbrauch der B. - DNS) "Roderich Koerner" <[email protected]> Self - Assembly oder Reifung: Phagenbestandteile lagern sich durch chemische Anziehung zusammen. Lyse: Auflösung der Bakterienwand durch das Enzym Lysozym. Die neu gebildeten Phagen treten aus. Þ Lysogene Phagenvermehrung Der lysogene Zyklus ist dem lytischen Zyklus sehr ähnlich: Der Unterschied ist nur, daß vor der Latenzphase der Nukleotidfaden in die Bakterien - DNS eingliedert und so die Zelle (vorerst) nicht zerstört. Þ Transduktion Ein das Erbgut verändernder Prozeß bei Bakterien. Dabei übertragen Bakteriophagen Merkmale von ihrem letzten Wirtsbakterium auf die neu infizierte Zelle. So werden kleine Stücke des Bakteriengenoms überführt, was zu einer Rekombination führt. Þ Transformation Die Aufnahme von reiner DNS durch Bakterien bezeichnet man als Transformation. Das aufgenommene Material wird so in das Genom des Bakteriums integriert, daß die Information abgelesen werden kann und zu einer Veränderung der Eigenschaften führt. Thema: Das genetische Material Þ Chemischer und räumlicher Aufbau der DNS Die DNS (Desoxyribonukleinsäure) ist der chemische Träger unserer Erbinformation. Sie ist "Roderich Koerner" <[email protected]> im Zellkern lokalisiert. Am chemischen Aufbau der DNS sind 4 Basen beteiligt: Adenin (A), Thymin (T) [bei RNS ist es Uracil (U)], Cytosin (C) und Guanin (G).Diese Basen sind an einem Zuckermolekül [bei der DNS ist es Desoxyribose, bei der RNS Ribose] verknüpft. Die Zuckermoleküle sind mit Phosphorsäuremolekülen verbunden. Die Basen können sich nur in bestimmten Kombinationen zusammentun: Adenin zu Thymin und Cytosin zu Guanin. Verknüpft werden die Basen durch Wasserstoffbrücken. Bei A - T sind es 2, bei C - G sind es 3. Nach physikalischen Untersuchungen der Wissenschaftler Watson & Crick 1953 hat besteht die DNS aus zwei langen Polynukleotidsträngen, die über die Basen verknüpft sind. Es ist ein Doppelstrang, der zudem noch schraubig gedreht ist, auf jede Windung kommen 10 Nukleotidpaare. Man spricht dann von einer Doppelhelix - Struktur. Die beiden Stränge sind komplementär gebaut, d.h. durch die Basensequenz des einen Strangs ist auch die des anderen festgelegt. Zudem verlaufen die Stränge antiparallel. Zu erkennen ist dies an den Phosphatbrücken zwischen den Zuckern (vom 3. Zum 5. C - Atom) in den beiden Strängen in unterschiedlicher Richtung. Þ Replikation der DNS (Forschungsergebnisse an E. Coli) Entwindung der DNS und öffnen des Doppelstrangs durch Entwindungsenzyme (Helicasen), sowie Stabilisierung der Einzelstränge durch spezielle Eiweiße Die Neusynthese der Tochterstränge mit Hilfe der DNS - Polymerase (kann nur in 5&rsquo; - 3&rsquo; Richtung verlaufen, da die Polymerase ein neues Nukleotid jeweils nur an der 3&rsquo; - OH - Gruppe der Desoxyribose anlagern kann) Leitstrang: Auf einer Seite läßt sich der Tochterstrang kontinuierlich synthetisieren Folgestrang: Im neu geöffneten Bereich der Replikationsgabel existiert kein 3&rsquo; - OH Ende des Zuckers Anlagern von RNS - Primern (wenig Nukleotide) mit freiem 3&rsquo; - OH - Ende alle ca. 10 Tripletts plus Okazaki-Stücke (5-6 Tripletts); Synthese eines DNS Stückes mit Hilfe der DNS Polymerase (Bis zum nächsten Primer) Herausschneiden der Primer Synthese von DNS im Bereich der herausgeschnittenen Primer Stücke Schließen der Lücken durch DNS - Ligase Þ Die Eigenschaften des genetischen Codes Der genetische Code ist universell, d.h. er gilt für alle Lebewesen, er ist gleich codiert (vgl. Code Sonne) Der genetische Code wird Komma- und überlappungsfrei abgelesen (vgl. Code Sonne) Der genetische Code ist degeneriert, d.h. die Aminosäuren werden oft durch verschiedene Codons bestimmt, so daß man nicht eindeutig bei Kenntnis der Aminosäure auf das Codon rückschließen kann. Der genetische Code wird in 5&rsquo; - 3&rsquo; - Richtung abgelesen. "Roderich Koerner" <[email protected]> Die Proteinbiosynthese Die Proteinbiosynthese (PBS) dient dem Aufbau und Erhalt unserer Körpersubstanz besteht aus zwei Vorgängen: Transkription (Umschreiben), hier wird die DNS in die mRNS umgeschrieben. Translation, (Übersetzen), hier wird die mRNS abgelesen und Proteine werden gebildet. Þ Transkription Die Transkription ist der Replikation der DNS sehr ähnlich: Der Doppelstrang wird entwunden und getrennt. Dann wird der Leitstrang durch ein Enzym (RNS - Polymerase) mit dem komplementären Elementen der Ribonukleinsäuren verknüpft. Der entstandene Doppelstrang (Polynukleotid) heißt mRNS, wird wieder gespalten, die Ribonukleinsäure wandert (bei Eukaryoten) ins Cytoplasma). Die Transkription ist nötig, weil nur der Code der RNS außerhalb des Nukleus abgelesen werden kann. Der der DNS nicht. Þ Translation Der Ort der Translation sind die Ribosomen, welche die erforderlichen Enzyme besitzen. Im Cytoplasma bindet eine bestimmte tRNS die für sie "bestimmte" Aminosäure und heftet sich im Ribosom an die mRNS. Die Synthese der Proteine Die Aminosäuren werden im Cytoplasma an eine tRNS gebunden. Jeder tRNS Typ kann nur eine bestimmte Aminosäure binden (mit Hilfe eines spezifischen Enzyms). Die tRNA Moleküle haben einen bestimmten Bau: Ein Teil der Basen ist gepaart; an vier Stellen treten jedoch Schleifen mit ungepaarten Basen auf. An einer Schleife des Moleküls befindet sich ein bestimmtes Basen - Triplett, das mit dem komplementären Codon der mRNS in Wechselwirkung treten kann. Man nennt dieses Triplett der tRNS daher Anticodon. Am 3&rsquo; - Ende der tRNS, an dem die Aminosäure angeheftet wird, findet sich stets die Basenfolge CCA. Die von tRNS mitgebrachten Aminosäuren werden am Ribosom zum Polypeptid geknüpft. Die tRNS Moleküle sind mit Dolmetschern vergleichbar, welche die Sprache der DNS in die Sprache der Proteine übersetzen. Zur Synthese eines Polypeptids treten an die mRNS die beiden Untereinheiten eines Ribosoms heran und bauen ein funktionsfähiges Ribosom auf. Die mRNS wandert dann durch das Ribosom hindurch. Beim Start der Synthese lagert sich eine mit der Aminosäure Methionin beladene tRNS an das Start - Codon der mRNS an, da diese tRNS das passende Anticodon trägt. Auf dem Ribosom befinden sich zwei Bindungsstellen für beladene tRNS Moleküle, die als P - und A - Bindungsstellen bezeichnet werden. Die Bindung der Start - Methionin tRNS erfolgt an der P - Bindungsstelle. An der noch freien A Bindungsstelle bindet dann eine weitere beladene tRNS, deren Anticodon zu dem Codon paßt, das in der A - Bindungsstelle liegt. Nun erfolgt die Verknüpfung der Aminosäuren; dabei wird die tRNS der P Bindungsstelle aminosäurefrei und löst sich ab. Die mRNS wird nun um ein Codon verschoben, und die tRNS der A - Bindungsstelle, an der die beiden verknüpften Aminosäuren (das Peptid) gebunden sind, muß daher in die frei gewordene P - Bindungsstelle überwechseln. Die dadurch frei gewordene A Bindungsstelle, in der nun das nächste Codon liegt, bindet eine neue, beladene tRNS. Dann kann die nächste Verknüpfung zwischen dem schon vorhandenen Peptid in der P - Bindungsstelle und der Aminosäure in der A - Stelle stattfinden. Der ganze Vorgang geht weiter, bis ein Stop - Codon erreicht ist. Þ Raumstruktur der Proteine Schon während der Synthese des Polypeptids beginnt sich dessen Raumstruktur auszubilden; sie ist die Folge von Bindungskräften zwischen den Seitenketten der verknüpften Aminosäuren. Die Raumstruktur wird nach Ablösung vollendet also nicht speziell in der DNS codiert. Damit liegt ein funktionsfähiges Protein (meist ein Enzym) vor. Primärstruktur: Die Reihenfolge der Aminosäuren in einer Polypeptidkette heißt "Roderich Koerner" <[email protected]> Aminosäuresequenz oder Primärstruktur. Sekundärstruktur: Sich wiederholende Strukturelemente der Polypeptidkette nennt man Sekundärstruktur (Bsp. a - Helix b - Faltblatt) Tertiärstruktur: Spezifische Raumgestalt. Quartärstruktur: Wechselwirkungen einzelner Polypeptidketten in einem Proteinmolekül. Genregulation Þ Ein Gen, ein Enzym Hypothese Jeweils ein Enzym ist auf einem Gen kodiert. Zu diesen Ergebnissen kam man nach der Erforschung von Stoffwechsel - Reaktionsketten. Am Anfang steht ein Ausgangsstoff (Substrat) A, welcher nach der Reaktionskette in den Stoff E umgewandelt werden soll. Bei der Proteinbiosynthese wird nach der Substrat Induktion durch das Gen 1 das Enzym 1 gebildet. Dieses Enzym 1 tritt nun in Wechselwirkung mit dem Substrat und wandelt es in Substrat B. Nun wird das Gen 2 abgelesen, in der Proteinbiosynthese wird das Enzym 2 gebildet was dann wieder mit B in Wechselwirkung tritt und es in C umwandelt. Dann wird das Gen 3 abgelesen usw. Ist ein an der Reaktionskette beteiligtes Gen defekt (durch Mutation) so wird die Reaktionskette an dieser Stelle unterbrochen. Þ Substrat - Induktion Bei Bakterien findet man zwar keine Chromosomen vor, jedoch haben sie DNA Fäden die die gleichen Aufgaben. An Ihnen konnte man folgendes beobachten: Danach sind einzelne Gene zu einem Operon zusammengefasst. Ein Operon enthält mehrere Strukturgene, Operator und einen Promotor. An dem Operator lagert sich bei der Translation die RNS - Polymerase an. Dieser kann aber auch durch einen Repressor blockiert sein. Bei der Substrat Induktion dient das Substrat als Induktor, der den Repressor hemmt, d.h. er kann nicht mehr mit dem Operator in Wechselwirkung treten. So kann auch die Proteinbiosynthese im Bereich des Operons ablaufen. Die Substratinduktion findet vor allem bei der Synthese von Enzymen für abbauende Stoffwechselreaktion. Þ Endprodukt Repression Bei der Endprodukt - Repression hemmt das aus der Stoffwechselkette produzierte (End-) Produkt den Operator was zur Folge hat, dass die Gensequenz nicht ein weiteres Mal abgelesen wird. Chromosomen Þ Chromosomen Mutationen Genmutationen Punktmutation: Austausch einer Base bzw. eines Nukleotids in der DNA Rastermutation: (Leserasterverschiebung; Frameshift) Einschub (Insertion) oder Wegfall (Deletion) eines Nukleotids, oder einer Gruppe von Nukleotiden, die kein Vielfaches von drei ist. Ab dem Mutationsort liegt ein verrücktes Leseraster vor. Chromosomenmutation "Roderich Koerner" <[email protected]> Dies sind Mutationen die die Struktur eines oder mehrerer Chromosomen betreffen. Sie sind mikroskopisch faßbar Deletion: Ein oder mehrere Chromosomenstücke gehen verloren Inversion: Ein Chr. - Stück ist infolge Schleifenbildung und Bruch wieder umgekehrt wieder eingefügt worden Duplikation: Ein Chr. - Stück ist infolge eines (falschen) Chiasmas zwischen Chromatiden homologer Chromosomen an nicht homologer Stelle verdoppelt worden. Translokation: Ein Chromosomenstück ist infolge eines falschen Chiasmas zwischen Chromatiden verschiedener Chromosomen auf ein anderes Chromosom übertragen worden. Genommutationen Genommutationen sind eine Veränderung der Chromosomenzahl Euploidie: Veränderung des ganzen Chromosomensatzes (x2; x3) Aneuploidie: Veränderung der einzelnen Chromosomenzahl z.B. Trisomie der Autosomen è Down Syndrom (Trisomie 21) Trisomie der Heterosomen: è Klinefelder - Syndr. xxy è Triplo - X xxx è Diplo - Y xyy Monosomie: Turner - Syndrom x_ Ökologie Þ Einführung Alle Lebewesen sind von Ihrer Umwelt und beeinflussen sie ihrerseits. Die Einflüsse, die die Umwelt auf den Organismus hat, kann man in zwei bereiche Einteilen: Þ Abiotische Umweltfaktoren: Dies sind Faktoren, die aus der unbelebten Natur stammen, z.B. Licht, Temperatur oder Wasserbeschaffenheit und Þ Biotische Umweltfaktoren: Dies wiederum sind Faktoren, die von der lebenden Natur stammen, z.B. Wasserpflanzen, Feinde oder Artgenossen In einem bestimmten Lebensraum, dem Biotop, bilden Pflanzen und Tiere eine Lebensgemeinschaft, die Biozönose. Die Einheit von Lebensraum und -gemeinschaft mit allen Wechselbeziehungen bezeichnet man als Ökosystem. Umwelttoleranzen Es gibt zwei verschiedene Umwelttoleranzen in der biotischen Umwelt: Euryökie: Eine Art mit einer breiten Umwelttoleranz bezeichnet man als eurypotent oder euryök. Stenökie: Eine Art mit einer engen Umwelttoleranz bezeichnet man als stenopotent oder "Roderich Koerner" <[email protected]> stenök. Diese Bezeichnung euryök und stenök lassen sich auf alle biotischen Faktoren anwenden. So kann ein Fisch z. B. stenök im Bezug auf die Wassertemperatur sein, aber euryök auf den Salzgehalt im Wasser. Wechselbeziehungen zwischen Tieren und ihrer Umwelt Viele Tiere können nur in bestimmten Temperaturbereichen ihre Lebenstätigkeit voll entfalten. Vögel und Säuger sind durch ihre Fähigkeit zur Temperaturregulation weniger temperaturabhängig. Sie werden als homöotherm klassifiziert. Zur Aufrechterhaltung ihrer Körpertemperatur benötigen sie jedoch sehr viel Energie; deshalb begrenzt auch (nur) das Nahrungsvorkommen die Verbreitung dieser Klassen. Hingegen gebt es Tierarten, deren Körpertemperatur weitgehend der der Umwelt anpasst. Diese Tiere nenn man dann poikilotherm. In kälteren Zeiten breiten sie ihren Körper so aus, dass möglichst viel Sonne auf ihn scheint. Hat die Temperatur annähernd 37 °C erreicht, meiden sie die Sonne. Bei weiterer erwärmung würde sonnst der Hitzetod eintreten. Þ Überwinterung bei wechselwarmen Tieren Wechselwarme Tiere überwintern auf eine besondere Art und Weise: Sie suchen sich eine möglichst frostfreie Stelle und fallen dort in eine reversible Kältestarre. Dort überwintern sie dann. Sollte ein strenger Frost doch die Stelle erreichen, tritt der Kältetod ein. Þ Überwinterung bei gleichwarmen Tieren Viele gleichwarme Tiere besitzen zur Isolierung ihres Körpers ein Fell oder ein Federkleid. Dieses schützt sie im Winter vor einer zu starken auskühlung bzw. einem zu hohen Energieverlust. In Gebieten, in denen die Nahrungsvorräte im Winter knapp werden, fallen die Tiere in eine Winterruhe oder in einen Winterschlaf: Winterruhe: Viele Säuger und Vögel schalten im Winter auf Sparflamme, d.h. sie bewegen sich so wenig wie möglich und halten sich an kältegeschützten Orten auf. Zudem legen sie lange schlafpausen ein. Diese Variante des Überwinterns nennt man Winterruhe (Bär, Dachs) Winterschlaf: Einige Tiere senken hormonell gesteuert ihre Körpertemperatur herab, verringen gleichzeitig Herzschlag und Atemfrequenz. So schlafen sie dann den Winter über. Sollte es zu kalt werden erfolgt ein Kälteweckreiz: Hier werden für kurze Zeit Stoffwechselaktivitäten wieder aufgenommen. Manche Tiere wachen dabei sogar auf. Þ ALLENsche Regel Tiere in kalten Klimaten haben kleinere Körperfortsätze als verwandte Arten in warmen. Þ BERGMANNsche Regel Mit wärmer werdenden Klima nimmt die Körpergröße verwandter Tiere ab. Populationen Þ Definition Unter Population versteht man die Gesamtheit alle Individuen einer Art oder Rasse in einem geographisch abgegrenzten Raum, wobei alle Individuen sich uneingeschränkt mit einander kreuzen können. Diese Individuen besetzten alle dieselbe ökologische Nische und treten, falls die Abundanz sehr hoch ist, in hohe Konkurrenz mit einander. Þ Konkurrenz "Roderich Koerner" <[email protected]> Es gibt zwei verschiedene Arten von Konkurrenz: Innerartliche Konkurrenz: um z.B. Nahrung, Gattungspartner, Nistplätze, etc. (intraspezifische K.) Zwischenartliche Konkurrenz:Diese kommt zum Vorscheinen wenn zwei Arten einen Lebensraum bewohnen: Sie stehen in Konkurenz um Nahrung, Nistplätze, etc. Ist eine Art nicht so fit so wird sie aus dem Lebensraum verdrängt (Konkurenzausschlußprinzip). Þ Räuber - Beute Beziehung Als Räuber wird der Organismus bezeichnet, der sich von den (getöteten) organischen Verbindungen seiner Beute ernährt. An einer Kurve kann man folgendes erkennen: Auf eine Zunahme der Abundanz der Beute folgt eine phasenverschobene Zunahme der Abundanz des Räubers und dies führt zu einer Abnahme der Abundanz der Beute, welches eine phasenverschobene Abnahme der Abundanz des Räubers bedingt. Þ Symbiose Symbiose ist das Zusammenleben zweier artverschiedener Organismus zum gegenseitigen Vorteil. Þ Die Volterra&rsquo;schen Gesetzte Gesetz der schwankenden Bevölkerungsdichten Bei Nahrungsbeziehungen zweier Arten ergeben sich periodisch schwankende, phasenverschobene Abundanzkurven Gesetz der konstanten Bevölkerungsdichten: Die Abundanzen schwanken um ein festes Mittel. Gesetz der Störung der mittleren Bevölkerungsdichten: Gleichsinnige äußere Einflüsse auf beide Arten wirken auf den Feind nachhaltiger als auf die Beute. Þ Populationsdynamik Populationsdynamiken werden in sog. Kybernetischen Regelkreisläufen dargestellt. Die Beziehungen werden mit Pfeifen dargestellt, an denen noch entweder ein (+) oder ein (-) angehängt wird. Das Plus bedeutet so viel wie "Je mehr, desto mehr, oder je weniger, desto weniger". Das Minus bedeutet so viel wie " Je mehr, desto weinger, oder je weniger, desto mehr." Parasiten Þ Definition Parasitismus (Schmarotzertum) ist das Ausnutzen eines Organismus durch einen anderen Organismus. Er tritt häufiger bei Bakterien und Pilzen auf als bei Samenpflanzen. Man unterscheidet zwischen Innen (Ento-) Parasiten und Außen (Ekto-) Parasiten und Halb- und Vollschmarotzer. Þ Halb- und Vollschmarotzer Es gibt zwei verschiedene Arten von Parasiten. Einmal Halbschmarotzer und die Vollschmarotzer. Halbschmarotzer: sind Grüne Pflanzen, die vorwiegend Wasser und Nährsalze von Ihrem Wirt nehmen. Sie haben ein verkümmertes Wurzelwerk und zapfen mit ihren Haustorien die Leitungsbahnen des Baums an. Vollschmarotzer: haben reduzierte oder keine Blätter; sie sind Chlorophyll frei und somit unfähig zur Photosynthese. Sie entziehen ihrem Wirt neben Wasser und Nährsalzen auch noch organische Stoffe. Das Ökosystem See "Roderich Koerner" <[email protected]> Þ Einführung in das Ökosystem See Untersucht man einen See genauer, so muß man ihn in verschiedene Bereiche aufteilen. Zunächst muß man zwischen der Uferregion, dem Litoral, und dem Pelagial, also der Wasserzone unterscheiden. Das Litoral gliedert sich wiederum in drei Bereiche: Der Schlifrohrzone, der Schwimmpflanzenzone und der Unterwasserpflanzenzone. Zudem unterscheidet man zwischen Litoral (Uferregion) und Profundal (Tiefenregion); zusammen ergeben sie das Benthal, den Bodenbereich. Das Pelagial kann man nun in drei Abschnitte unterteilen: Erstens die Oberflächenschicht (Epilimnion), das Metalimnion und das Hypolimnion. Diese Schichten unterscheiden sich in Nährstoffgehalt, Sauerstoff und Tiere, die diesen Bereich bewohnen. Þ Nahrungsbeziehungen im See Bei der Untersuchungen der Nahrungsbeziehungen im See muß man zwischen Produzenten Konsumenten und Destruenten unterscheiden: Produzenten sich in der Regel autotrophe Phytoplanktonarten. Da sie Photosynthese betreiben brauchen sie nur Licht, welches ihnen die nötige Energie liefert um das CO2 in O2 umzuwandeln. Das Phytoplankton wird von heterotrophen Tierchen, dem herbivoren Zooplankton gefressen. Das Zooplankton stellt den Primärkonsumenten dar. Das folgende Glied in der Nahrungskette, den Sekundärkonsumenten, wird vom carnivoren Zooplankton gebildet. Diese werden wiederum von Fischen (Tertiärkonsumenten) gefressen, usw. Am Ende dieser Nahrungsketten stehen meist Raubfische. Durch vielfältige Verknüpfungen der Nahrungsketten untereinander entstehen sog. Nahrungsnetze, die eine gewisse Stabilität beweisen. Stirbt ein Mitglied der Nahrungskette so sinkt er zum Grund des Sees und wird von den Destruenten abgebaut. Beim Tod des Tieres werden in jeder Zelle Enzyme frei die die Autolyse einleiten: die Zelle baut sich sozusagen selbst ab. Die kleinen einzelnen organischen Stücke werden von den Destruenten in ihre ursprüngliche Bestandteile abgebaut. Þ Der See im Wechsel der Jahreszeiten Ein See durchläuft vier Veränderungen im Verlauf eines Jahres. Beim Winter angefangen, verläuft es folgendermaßen ab: 1. Winterstagnation 2. Frühjahrs(voll)Zirkulation 3. Sommerstagnation 4. Herbst(voll)Zirkulation. Durch kühlere Außentemperaturen im Winter kühlt sich auch das Wasser an der Oberfläche (im Epilimnion) des Sees ab und bildet eine Eisdecke. Da Eis aufgrund der Dichteanomalie des Wassers eine geringere Dichte und somit leichter ist, sinkt es nicht ab sondern bleibt an der Oberfläche. Unter dem Eis bildet sich eine Schichtung aus, die mit steigender Tiefe wärmer und damit auch schwerer wird (s. Dichteanomalie). Das Tiefenwasser (Metalimnion) hat immer eine Temperatur um 4 °C, so ist sichergestellt, daß unter der schützenden Eisdecke der Lebensraum für Organismen erhalten bleibt. Der Sauerstoffgehalt des Wassers sinkt mit zunehmender Tiefe weil sich dort die Organismen, die Sauerstoff zum überleben brauchen, aufhalten. Im Frühjahr steigt bekanntlich die Außentemperatur und damit auch die Außentemperatur. Das Eis schmilzt und das kalte Wasser sinkt in Schichten gleicher Dichte ab. Zusätzlich erzeugt der Wind der "Frühjahresstürme" eine zusätzliche Strömung welche das gesamte Wasser durchmischt. So wird dem Wasser u. A. durch Diffusion Sauerstoff hinzugefügt, welcher so auch ins Tiefenwasser gelangt. Im Sommer stagniert wieder die Schichtung des Wassers. Im Epilimnion erwärmt sich das Wasser auf ungefähr 20 °C. In dieser Schichtung halten sich viele Organismen wie das Phytoplankton auf. Das Phytoplankton trägt durch seine photosyntetischen Aktivitäten maßgeblich zum Sauerstoffgehalt des Wassers bei. Unter dem Epilimnion befindet sich das sog. Metalimnion. Diese Sprungschicht isoliert das warme Obeflächenwasser vom kalten Tiefenwasser. In dieser Schicht fallen Temperatur und Sauerstoffgehalt drastisch ab. Das Tiefenwasser im Hypolimnion hat wiederum eine Temperatur von ca. 4 "Roderich Koerner" <[email protected]> °C. Da das Hypolimnion durch das Metalimnion vom Epilimnion getrennt bleibt und somit auch kein Austausch von Nährsalzen oder Sauerstoff geschehen kann, entsteht im Verlauf eines Sommers Sauerstoffreiches und nährsalzarmes Oberflächenwassers und Sauerstoffarmes, dafür aber nährsalzreiches Tiefenwasser. Im Herbst tritt ein ähnliches Phänomen auf, wie im Frühjahr: Das Oberflächenwasser kühlt ab und sinkt in Schichten des gleichen Drucks. Die dadurch entstehenden Zirkulationen werden durch Wettereinflüsse verstärkt. Þ Nährsalz- und Sauerstoffgehalte im See und ihre Auswirkungen Im mitteleuropäischem Raum kommen drei verschiedene Typen von See vor: Oligotropher See: Er besitzt in der Regel ein tiefes Becken und ein schmales Litoralgebiet. Er besitzt wenig Nährsalze und wenig Biomasse. Eutropher See: Typisch für diesen Seetyp ist ein relativ flaches Becken mit einer breiten Uferregion und einer dicht bewachsenen Verlandungszone. Er ist reich an Nährsalzen und somit auch reich an Biomasse. Hypertropher See: Ein hypertropher See weißt einen sehr hohen Nährsalzgehalt auf und damit automatisch eine sehr große Biomasse. Ein hypertropher See ist kurz vor dem umkippen. Evolution Þ Einführung in die Evolutionsbiologie Die Evolution befasst sich mit der Herkunft und Entstehung des Lebens. In der Geschichte gab es immer wieder Versuche die Herkunft des Lebens zu bestimmen. Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts ging man von der Unveränderlichkeit der Arten aus. Carl von Linné vertrat diese Ansicht und ordnete die Lebewesen aufgrund von Bauähnlichkeiten. Am Ende des 18. Jahrhunderts begründete der Franzose Geoges Cuvier die Paläanthologie. Er verglich die Anatomie der einzelnen Tiere und fand so z.B. heraus dass der Grundbauplan vierfüßiger Lebewesen ungefähr gleich. Er erklärte die Artenvielfalt und die Herkunft der Tiere mit seiner Katastrophentheorie: Sie besagte dass es immer wieder Katastrophen auf der Erde gegeben hatte, die alle Tiere auf der Erde tötete und danach wieder neue Tiere entstanden. Der Engländer Lyell vertrat die Ansicht dass die kontinuierlichen Veränderungen auf der Erde auch die Tierwelt verändert hat. Lamark ging davon aus, dass es am Anfang nur ein Paar Tiere gab, diese alle verschiedene Interessen hatten und durch ihren "inneren Drang nach vervollkomnung" verändert haben (Giraffenhals). Charles Darwin verfasste in Jahr 1859 sein Buch "On the origin of spicies by the means of natural selection". Er war der Ansicht dass die Natur diejenigen Tiere selektiert die nicht fit genug für das Überleben waren. Ihre Fittness äußerte sich in der Zahl der Nachkommen. Þ Darwin&rsquo;s Selektionstheorie Die Lebewesen erzeugen viel mehr Nachkommen als zur Arterhaltung notwendig wären. Die Nachkommen des Elternpaares sind nicht alle gleich, sie variieren in ihren Erbmerkmalen. Die Lebwesen stehen in einem ständigen Konkurenzkampf um günstigt Lebensbedingungen, Nahrung und Geschlechtspartner. Die Synthetische Theorie der Evolution Die (heute gültige) synthetische Theorie der Evolution begründet das Vorkommen der verschiedenen Tierund Pflanzenarten anhand fünf sog. Evolutionsfaktoren: "Roderich Koerner" <[email protected]> Mutationen Selektion Gen - Drift Genetische Rekombination Isolation Þ Mutationen Mutationen sind zufallsbedingte Veränderungen des genetischen Materials, ausgelöst durch Mutagene. S.o. Þ Selektion Selektin ist die natürliche Auslese durch die Umwelt. Sie erfolgt durch zwei verschiedene Selektionsfaktoren: Abiotische Selektionsfaktoren: Dies sind z. B. trockenheit, Luftfeuchte, Wärme, Salzgehalte, Lichtmangel, etc. Biotische Selektionsfaktoren: Dies sind andere Lebewesen in der Umwelt, wie z. B. Parasiten, Feinde, Artgenossen die um Nahrung oder Geschlechtspartner konkurieren. Den Einfluß den die Selektionsfaktoren auf das Lebewesen haben bzw. Ausüben nennt man Selektionsdruck. Þ Selektionsdynamik Die Selektion kann drei verschiedene Auswirkungen auf die Populationen haben. Sie kann stabilisierend wirken: Hierbei werden nachteilige Mutionen ausgemerzt. transformierend wirken: Durch eine Umweltveränderung wird ein anderer Phänotyp von der Selektion bevorzugt, so dass die Population im Mittel einen anderen Phänotypen aufweißt. oder aufspaltend wirken: Greifen z. B. Parasiten das Populationsmittel an, so werden diese eliminiert und die Randgruppen kommen besser zurecht weil sie nicht angegriffen werden. Þ Beispiele der Selektion anhand der Mimirky Mimikry ist Tarnung durch Täuschung: Der Organismus "belügt" andere Organismen durch das Nachahmen von anderen Organismen, die sich durch ihren schlechten Geschmack, Geruch, etc. verteidigen. Diese Nachahmung kann sich sowohl auf das Aussehen (Schwebefliegen - Wespen) als auch auf das Verhalten beziehen (Putzerfische - Schleimfisch). Nachahmung von Körperbau- und Verhaltensmerkmalen einer Spezies durch eine andere zu deren Vorteil oder manchmal auch zum Nutzen beider Arten. Manche Arten wehrloser Fliegen, etwa die Wollschweber, schützen sich beispielsweise vor räuberischen Vögeln, indem sie die gelbschwarze Körperzeichnung stechender Insekten nachahmen. Die Art, deren Eigenschaften nachgeahmt werden, ist meist in großer Individuenzahl vertreten, so dass ihre Wehrhaftigkeit vielen natürlichen Feinden des betreffenden Gebiets bekannt ist. Anstatt sich also vor Fressfeinden zu tarnen, zeigen Lebewesen, die diese Form von Mimikry einsetzen, die gleichen offenkundigen Warnzeichen oder ein ähnliches Verhalten wie gefährliche Arten. Mimikry kommt bei einer sehr großen Zahl verschiedener Tiere und Pflanzen vor. Mimikry wurde 1862 von dem britischen Naturforscher Henry Walter Bates entdeckt. Er fand im brasilianischen Urwald zwei Familien ähnlich gezeichneter, aber nicht verwandter Schmetterlinge. Nachdem er festgestellt hatte, dass eine der beiden Familien für Vögel giftig war, lieferte er eine einleuchtende Erklärung: Die fressbaren Schmetterlinge waren geschützt, weil sie in der Evolution ähnliche Warnzeichen entwickelt hatten. An diesem Mechanismus, Bates&rsquo;sche Mimikry genannt, zeigt sich das Prinzip der "Roderich Koerner" <[email protected]> natürlichen Selektion, das Charles Darwin formulierte. Danach erzeugen die Vögel einen Selektionsdruck, indem sie genießbare Schmetterlinge ausmerzen, die den giftigen Arten weniger ähneln. Eine andere Art der Mimikry, Müller&rsquo;sche Mimikry genannt, findet man vor allem bei Insektenarten, die alle gleichermaßen giftig sind und als Schutz ähnliche Zeichnungen entwickelt haben: So braucht nicht jede Insektenart eigene Warnzeichen zu entwickeln und viele Artgenossen zu opfern, bis die Vögel lernen, sie zu meiden: Mehrere Arten besitzen das gleiche abschreckende Muster, so dass Vögel, die mit diesem Muster einmal negative Erfahrungen gemacht haben, die ganze Gruppe meiden. Müller&rsquo;sche Mimikry gibt es z. B. bei manchen Tagfaltern. Im Gegensatz zur Bates&rsquo;schen Mimikry werden die Nahrungsfeinde in diesem Fall nicht getäuscht. Eine dritte Form der Mimikry, die Peckham&rsquo;sche Mimikry, gibt es beispielsweise bei Orchideen, die Insekten anlocken, indem ihre Blüten die Gestalt von Insektenweibchen nachahmen. Hier soll sich der Empfänger des Signals nicht abwenden, sondern sich dem Sender des Signals zuwenden. Peckham&rsquo;sche Mimikry zeigt sich auch bei Armflossern wie dem Seeteufel, der Beutefische mit einem wurmähnlichen Hautauswuchs anlockt. Þ Mimese Tarnung durch Nachahmung der belebten oder unbelebten Umwelt. Sie verschmelzen mit ihrer Umwelt. Mimese, täuschende Nachahmung (griechisch mimesis) von Gegenständen oder Lebewesen, die für einen Fressfeind oder ein Beutetier (anders als bei Mimikry) uninteressant sind, durch Tiere oder Pflanzen. Die Nachahmung bezieht sich in Form und Farbe auf Tiere (Zoomimese), Pflanzen oder Pflanzenteile (Phytomimese) oder leblose Gegenstände (Allomimese). Þ Somatolyse Wenn eine bestimmte Schattierung sich auf die Gliedmaßen eines Tieres in Ruheposition fortsetzt, sodaß die Umrisse verschwinden, nennt man das Somatolyse. Þ Gen - Drift Gen - Drift ist eine zufällige Veränderung des Gen Pools nach z.B. einer Naturkatastrophe nachder Träger von seltenen Merkmalen überleben oder auswandern. Þ Rekombination Rekombination ist einfach die Vermischung von Erbmaterial bei der geschlechtlichen Fortpflanzung. Þ Isolation Es gibt fünf verschiedene Isolationsmechanismen: Geographische Isolation Fortpflanzungsbiologische Isolation Ökologische Isolation Genetische Isolation Postzygote Isolation Die geographische Isolation tritt ein wenn z. B. sich das Klima ändert und der Lebensraum einer Population sich verändert (z.B. Versteppung) und aufgrund dessen die Population in verschiedene Richtungen abgedrängt wird. Ein weiteres Beispiel ist wenn ein teil einer Population auswandert und schwer zugängliche Gebiete (Inseln) besiedelt. Diese Individuen heißen dann Gründerindividuen. Die fortpflanzungsbiologische Isolation tritt ein wenn durch Mutationen andere Balz- und Paarungsgewohnheiten bei bestimmten Individuen auftreten. Diese Paaren sich dann nicht mehr mit den anderen Individuen. Auch unterschiedliche Paarungszeiten gehören zur fortpflanzungsbiologischen Isolation. "Roderich Koerner" <[email protected]> Die ökologische Isolation wird wirksam wenn in einem Lebensraum andere ökologische Nischen besetzt werden. Die Individuen die eine neue Nische besetzten sind dann z.T. der innerartlichen Konkurrenz entzogen, so wirken sich wieder Mutationen und Selektion anders aus. Bei der genetischen Isolation liegt bei den Individuen oft eine Polyploidie vor. Polyploide können sich nur untereinander Paaren, so findet dann kein Austausch des Gen Pools mehr statt. Es kommt vor dass sich zwei Individuen paaren können, es zu einer Befruchtung kommt und sich daraus ein Lebewesen entwickelt. Diese Bastarde sind aber entweder steril wie das Maultier oder vermindert Lebensfähig. Þ Belege für die Evolution aus der Anatomie Die Anatomie liefert zahlreiche Belege für die Evolution, hier sind einige Beispiele: - Organrudimente: Organrudimente sind Rückbildungen eines einst funktionsfähigen Organs. Beim Menschen sind das Steißbein und die funktionslosen Muskeln in den Ohrmuscheln Organrudimente. - Atavismus: Von Atavismus spricht man wenn zufällig Merkmale bei einem Individuum auftreten die Stammesgeschichtlich bereits verschwunden waren. Das Auftreten dieser Organe beweißt dass die Information dafür noch in unserem Erbgut vorhanden ist. - Homologie: Sind Organe in ihrem Grundbauplan gleich oder ähnlich so sind sie homolog. 1. Homologiekreterium der Lage: Wenn gewisse Organe, z. B. die Knochen o.ä. (in den Extremitäten) in gleicher Anzahl und in relativ gleicher Lage angeordnet sind, sind die Organe als homolog anzusehen 2. Homologiekreterium der spezifischen Qualität von Strukturen: Wenn bestimmte Strukturen in speziellen Merkmalen auffallend übereinstimmen, gelten sie als homolog (Bsp. Haifischschuppen = Zähne der Säugetiere). 3. Homologiekreterium der Stetigkeit: Wenn sich eine Struktur in einer Zwischenform befindet, sich also ein allmählicher Übergang von einer Struktur zur anderen, spricht man von Homologie. Þ Konvergenz Übernehmen verschiedene Organe die gleiche Aufgabe, sind aber nicht gleich aufgebaut, so sind sie konvergent. Þ Analogie Þ Beleg für die Evolution aus der Verhaltensforschung Nach dem Körperbau verwandte Tiere zeichen oft überraschend ähnliche Verhaltensweisen, so dass auch das Verhalten Verwandtschaftsbeziehungen aufdecken kann. Bitte lasst mich hören wenn Ihr es veröffentlicht hat, Danke! Roddy Körner [email protected]
