Kapitel 1 - Einführung, Leitthemen in der Erforschung des Lebens

Kapitel 1 – Einführung: Leitthemen in der Erforschung des Lebens
1. Organisationsebenen mit emergenten Eigenschaften
Hierarchische Organisation:
Atome – Moleküle – Organellen – Zelle – Gewebe* – Organe* – Organsystem* – Organismen – Leben
Art – Population – biologische Gemeinschaft – Ökosystem
* Vielzellige Organismen
Emergente Eigenschaften: Mit jeder Stufe in der Hierarchie treten neue (emergente) Eigenschaften
auf, die auf den einfacheren Ebenen noch nicht vorhanden waren (neu auftauchende Qualitäten).
Bsp.: Proteinmolekül besitzt Merkmale, die keines seiner Atome aufweist. Diese neuen Qualitäten
hängen von der neuen strukturellen Ordnung und den Wechselbeziehungen ab.
Reduktionismus: Steht im Konflikt mit dem Untersuchen der emergenten Eigenschaften, die den
ganzen komplexen Organismus betrachten, um neu auftauchende Qualifikationen zu erkennen. Der
Reduktionismus zerlegt komplexe Systeme in einfachere Komponenten, die leichter zu untersuchen
sind.
Einige Eigenschaften des Lebens (alle Eigenschaften ergeben sich aus der geordneten Organisation):
- Fortpflanzung
- Wachstum und Entwicklung
- Energienutzung
- Reaktion auf Umwelt
- Evolutionäre Anpassung
- Homöostase (Regulationsmechanismen; halten inneres Milieu eines Organismus konstant)
2. Zellen als Basiseinheiten der Struktur und Funktion
Die Zelle ist die unterste Strukturebene, die sämtliche Eigenschaften des Lebens besitzt. Die
Zelltheorie besagt, dass alle Lebewesen aus Zellen bestehen und dass Zellen immer von anderen
Zellen abstammen. Man unterscheidet zwei Haupttypen, die prokaryotischen und eukaryotischen. Alle
Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben, welche den Transport von Stoffen zwischen der
Zelle und ihrer Umgebung regelt. Zudem enthält jede Zelle, zumindest eine zeitlang, DNA.
Die prokaryotische Zelle kennzeichnet sich durch Zellwände (fast bei allen vorhanden), nicht vom
Cytoplasma abgetrennte DNA und fehlende Organellen. Solche Zelltypen kommen bei den Bakterien
vor (Archae- und Eubakterien).
Eukaryotische Zellen besitzen alle anderen Organismen. Sie sind viel komplexer und in verschiedene
Reaktionsräume (Kompartimente) aufgeteilt, die Organellen heissen. Die DNA und Proteine bilden
Strukturen, die Chromosomen heissen und im Zellkern liegen. Der Zellkern ist vom Cytoplasma
umgeben. Pflanzenzellen haben im Gegensatz zu den tierischen Zellen noch eine Zellwand
ausserhalb ihrer Plasmamembran.
3. Kontinuität des Lebens beruht auf vererbarer Information (DNA)
Biologische Information wird durch die DNA codiert. DNA ist der Stoff, aus dem die Gene bestehen,
die Vererbungseinheiten, welche Information von den Eltern auf ihre Kinder übertragen. Das DNAMolekül besteht aus zwei langen Ketten, die zu einer Doppelhelix angeordnet sind. Jede kette besteht
aus 4 Nucleotiden (G,C,A,T) in einer spezifischen Abfolge. Diese Reihenfolge codiert die genaue
Information eines Genes. Alle Lebewesen benutzen das gleiche System -> Unterschiede der
Organismen beruhen auf den unterschiedlichen Nucleotiden-Sequenzen. Während sich eine Zelle auf
ihre Teilung vorbereitet, kopiert sie ihre DNA. Ein mechanisches System verteilt die Chromosomen
gleichmässig auf die verschiedenen Zellen. Bei Arten, die sich sexuell fortpflanzen, erben die
Nachkommen DNA-Kopien, die in der Spermazelle und der Eizelle der Eltern enthalten sind. Die
gesamte Bibliothek der genetischen Anweisungen, die ein Organismus erbt, nennt man sein Genom.
4. Struktur und Funktion hängen zusammen
Die biologische Struktur gibt uns Hinweise auf ihre Aufgabe und Funktionsweise. Umgekehrt gibt uns
die Kenntnis der Funktion einer Struktur Einsicht über ihre Konstruktion.
5. Wechselbeziehungen mit der Umwelt
Organismen sind offene Systeme, sie stehen mit ihrer Umwelt in Wechselwirkungen (Ökosysteme).
Die Dynamik eines Ökosystems wird von zwei Prozessen bestimmt: Nährstoffkreislauf und
Energiefluss (Umwandlung von Energie).
6. Regulationsmechanismen -> Dynamisches Gleichgewicht
Die Regulation geschieht durch Enzyme (Proteinmoleküle), welche von denjenigen Zellen produziert
werden, in denen sie ihre Funktion erfüllen. Sie wirken als Katalysatoren auf Reaktionen. Viele
biologische Prozesse regulieren sich selbst durch ihr Produkt (Rückkopplungs- oder FeedbackMechanismen).
Feedback-Hemmung (negative Rückkopplung) verlangsamt Prozesse oder bringt sie zum Stillstand.
Positive Rückkopplungen beschleunigen einen Prozess.
7. Vielfalt
Taxonomie: Benennung und Klassifizierung der Organismen. Einordnung in ein formales
hierarchisches Schema. Ist umstritten. Viele Änderungen.
3 Domänen: Bacteria (Eubakterien), Archaea (Archaeabakterien) und Eukarya (Protisten, Pflanzen,
Tiere, Pilze)
Prokaryoten
Eukaryoten
Art – Gattung – Familie – Ordnung – Klasse – Stamm – Reich – Domäne
Evolution: Darwin: Gemeinsame Vorfahren
Selektion:
1. Variabilität: Individuen einer Population jeder Art unterscheiden sich in vielen erblichen Merkmalen.
2. Überbevölkerung: Mehr Nachwuchs wird produziert, als Platz/Nahrung vorhanden ist.
-> Unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg.
Individuen mit den am besten an die lokale Umwelt angepassten Merkmalen hinterlassen viele
überlebende Nachkommen -> erbliche Merkmale sind mit grösserer Wahrscheinlichkeit auch in der
nächsten Generation vorhanden (natürliche Selektion)
Evolutionsprozesse (über lange Zeit hinweg) sind verantwortlich für Gemeinsamkeiten und Vielfalt. In
vielen Fällen gehen Merkmale die zwei Arten teilen auf Abstammung von gemeinsamen Vorfahren
zurück. Unterschiede beruhen auf natürlicher Selektion (-> Abwandlungen)