PowerPoint-Präsentation

Vom Molekül zum Ökosystem –
Organisationsstufen der belebten Materie
Ziele
Ziel dieser Unterrichtseinheit ist,
1. Ihnen den modularen Aufbau biologischer Systeme
vorzustellen,
2. den Mensch in das biologische System einzuordnen:
Als Teil des stufenförmig aufgebauten biologischen Systems,
Als Teil „seiner“ Ökosysteme,
Als Teil des weltumspannenden planetaren Biosystems.
Die Einheit wird ergänzt durch die Unterrichtseinheit Biologie IV
(Evolution), die den Menschen in die zeitliche Dimension der
Biologie einordnet.
Zur Vorlesung finden Sie ein Skript
im Internet-Angebot zum Vorkurs,
das Sie dort als PDF-Datei
herunterladen können.
Außerdem können Sie sich dort
die POWERPOINT-Datei der
Vorlesung ansehen.
Biologische Organisationsstufen
Moleküle
Viren
Bakterien (Prokaryonten)
Zellen (Eukaryonten)
Gewebe
Organe
Organsysteme
Organismen
Ökosystem
Planetares System
Biomoleküle
Nukleinsäuren
DNA
Proteine
RNA
Gemeinsamkeiten:
Heteropolymer mit einheitlichem Backbone und variablen Seitenketten
Moleküle in der Biologie
Strukturproteine
Proteine
Enzyme
Funktionsproteine
Nukleinsäuren
Kohlenhydrate
Lipide
DNA
RNA
Einzelzucker
Polymere Zucker
Fettsäuren
Triglyceride
Zusätzlich:
Vitamine
Coenzyme
Ionen
...
Molekülgrößen
Protein
DNA
Lipide (Zellmembran)
Polysaccharid
Moleküle untersuchen
Molekülbetrachter („Molekülviewer“)
CHIME
RASMOL
Proteinkaskade
Biomoleküle wirken zusammen,
vornehmlich über „schwache“
chemische Wechselwirkungen
Antikörper binden an Bakterienstrukturen,
Proteine des Blutes („Komplementsystem“)
lagern sich an die Antikörper an und lösen
gezielt die Bakterienmembran auf
Größenverhältnisse
Die Untersuchung biologischer Systeme erstreckt sich über
mehrere Größenordnungen (vom Planeten Erde bis auf die Ebene
einzelner Atome). 10-fache
100-fache
10-facheVergrößerung
Vergrößerung
Vergrößerung
Dabei muss man die Größenverhältnisse – insbesondere im
mikroskopischen Bereich – im Gedächtnis behalten.
Viren
Biologische Strukturen, die
1. nur 1 Nukleinsäurenart (DNA oder RNA) enthalten
2. nicht über Stoffwechselenzyme verfügen, sondern zur
Vermehrung Enzyme von Tier-, Pflanzen- oder
Bakterienzellen nutzen
Sehr klein, bestehen aus
• Nukleinsäure
• Proteinmantel (Kapsid)
• evtl. lipidhaltige Hülle (Envelope)
HIV - Vermehrung
Anheften an die Zellmembran einer Immunzelle
Aufnahme ("coated vesicle")
1. Adsorption
Injektion von RNA und reverser Transkriptase
2. Penetration
Produktion von DNA
Integration der DNA in das Erbgut der Zelle3. Replikation
Synthese von RNA, reverser Transkriptase4.undMaturation und Liberation
Kapsidproteinen
Zusammenbau der Tochterviren
Freisetzung der Tochterviren
Viren – Folgen der Virusinfektion
1. Zelltod durch Blockade der Synthesevorgänge der Zelle
2. Integration des Genoms führt zu ungehemmter
Zellteilung
3. Integration des Virusgenoms ohne zunächst feststellbare
Folgen
•
•
•
•
•
•
•
•
Pocken
Hepatitis
Polio
Schnupfen
Influenza
Tollwut
Marburgvirus
Lassa
Virostatika – Medikamente
gegen Virusinfektion
Verhinderung von Adsorption und
Penetration
Verhinderung der Replikation (von
Nukleinsäure oder Capsidprotein)
Verhinderung der Virusreifung und
Ausschleusung
Marburg-Virus
1967 erkrankten in Marburg und Belgrad
31 Personen an einer bis dahin
unbekannten, für einige der Infizierten
tödlichen, Viruserkrankung, dessen
Erreger seitdem in der Literatur als
Marburg-Virus bezeichnet wird.
Aufklärung der Erkrankung am Hygieneinstitut des Marburger Fachbereichs
2005: Ausbruch der Erkrankung in Afrika (Angola)
Bakterien, Definition, Bau
Einzellige Kleinlebewesen ohne echten Zellkern
Bakt. Erkrankungen
1. Entzündungsreaktion des Körpers
2. Abgabe von Giften
3. Freisetzung von Endotoxinen (Zellwandbestandteile beim Zerfall)
Bakterienruhr
Lungenentzündung
Tuberkulose
Syphilis
Salmonellenvergiftung
Cholera
Antibiotika – Medikamente
gegen bakterielle Infektionen
Antibiotika – Substanzen gegen
Bakterien
Bakteriostatisch: Hemmung der Bakt.vermehrung, bis Bekämpfung durch
Immunsystem
Bakterizid: Töten der Bakterien (z.B.
durch Verhinderung der Zellwandsynthese {Penicillin})
Eukaryonte Zellen
Biologische Struktureinheit mit Zellkern und Organellen
Organell:
Membranabgegrenztes
Kompartiment bestimmten Baus
und bestimmter Funktion
ER
Verteilung, Transport zum Golgi-App.
Mitochondrium Energiegewinnung, Atmung
Golgi-Apparat
Ausschleusung von Sekreten
Centriol
Zellteilung
Kern
Trennung Vererbung / Steuerung
Chromosomenbau
Jedes Chromosom enthält 1 DNA-Molekül
DNA bildet mit speziellen Proteinen
(Histonen) eine Nucleosomenstruktur
Beispiel: Spezialisierte Zelle
Endothelzelle
Muskelproteine (Actin + Myosin)
Erythrozyt
Zellmembran
der Muskelzelle
Mitochondrium
Sauerstoff- und Nährstoffversorgung einer Muskelzelle
Gewebe
Zellverband, der aus Zellen mit gemeinsamer Funktion besteht
Grundgewebe:
Deck- oder Epithelgewebe (Epithel- und Drüsenzellen)
Bindegewebe
Stützgewebe (Knochen-, Knorpelgewebe)
Muskelgewebe
Nervengewebe
Gewebe, Beispiel: Blutgefäß
Deckgewebe
Blut (Flüssiges Gewebe)
Muskelgewebe
Pathologische Veränderungen
Organ
Aus Zellen u. Geweben zusammengesetzter Teil des
Organismus, der eine Einheit mit bestimmten Funktionen
bildet.
Nebenniere
Niere
Organ, Beispiel: Nebenniere
Funktion:
Hormonproduzierende Drüse
Drüsenzellen
für verschiedene Hormone
Blutgefäß
Bindegewebe
Nerv
Organsystem
Zusammenfassung der Organe, die eine Grundfunktion des
Körpers erfüllen
1. Haut
2. Stützsystem
• Skelett
• Muskeln
3. Atemorgane
4. Kreislaufsystem
5. Verdauungsorgane
6. Exkretionssystem
7. Genitalsystem
8. Steuerungssystem
• Nervensystem
• Endokrines System
Organsystem, Beispiel
Organsystem:
Stütz- und Bewegungsorgane
Organe:
Muskeln
Knochen
Gelenke
Nerven
Oberschenkel, Biomechanik
Organismus
Gesamtheit aufeinander wirkender Organe, einzelnes Lebewesen
Definition der biologischen Art:
Gruppe von Populationen biologisch ähnlicher Organismen,
die sich frei kreuzen, d.h. fruchtbare Nachkommen haben.
Genbedingte physiologische und morphologische Ursachen
verhindern eine Vermischung mit anderen Gruppen.
Die Art ist die niedrigste, nicht weiter zu untergliedernde
systematische Einheit.
Organismus: Grundfunktionen eines Lebewesens
• offenes System
• Aufbau von Ordnung
• dynamisches Fließgleichgewicht
• Stoffwechsel (Energie- und Baustoffwechsel)
• Selbstorganisation (Membranbildung, Nucleinsäuren, Proteine)
• Reproduktion (genetischer Code - Enzyme)
• Fähigkeit zur Evolution
• Individualität
Stoffwechsel
Grundtypen:
Photosynthese
Wasserspaltung, Festlegung von H in organischen Verbindungen
Atmung
Übertragung von H auf O2 (Knallgasreaktion), katalytisch
kontrollierte Übertragung der Energie auf chemische Verbindungen
Gärung
Übertragung von H auf organische Verbindungen, Übertragung der
Energie auf chemische Verbindungen
Wachstum / Vermehrung / Vererbung
Wachstum:
Aufbau neuer Biosubstanz aus anorganisch / organischen
Grundstoffen
Bildung neuer Zellen
Bildung eines Körpers nach genetischem Bauplan
Vermehrung:
sexuell oder asexuell
Vererbung:
Herstellung identischer Kopien
Mutationsfehler führen nach Bewertung zu Weiterentwicklung
Durchmischung des Erbguts durch sexuelle Vorgänge –
Fehlerreparatur, Neukombination
Interaktion mit der Umgebung
Austausch von Substanzen
Aufnahme von Informationen
Reaktion auf die Informationen
Individualität
Einmalige DNA
Strukturell:
Abgrenzung durch Zellmembran
Individuelle Zellmembranmoleküle
Organismengruppen
Einzeller
Übergangsformen Tierreich - Pflanzenreich
Pflanzen
Photosynthese, höhere Pflanzen sessil
Pilze
Saprophyten,
Tiere
Wirbellose
Hydro- oder Außenskelett,
Vermehrung häufig über Larvenformen
Wirbeltiere
Säugetiere
Endoskelett
Entwicklung im Muttertier
Ökosystem
Ökologische Partnerschaft zw. Organismus od. Organismenkollektiv und Umwelt
Wiese
See
Wald
Urwald
Ökosystem eines Sees
Ökosystem, abiotische Faktoren
Lichteinfall und
Temperatur führen
zu zonierten
Ökosystemen
Organisation von Ökosystemen
Mitglieder
Produzenten
Konsumenten 1. Ordnung
Konsumenten 2. Ordnung
Destruenten
bilden ein Nahrungsnetz /
eine Nahrungspyramide
Abiotische Faktoren
Boden
Licht
Temperatur
Stoff- und Energiefluss in Ökosystemen
Ökosystem, Energiebilanzen
Ökologische Gleichgewichte
Schneehase und Luchs in Nordamerika
Räuber und Beute stehen in mathematisch beschreibbaren
Zusammenhängen (Lottke-Voltera-Gleichungen)
Ökologisches Gleichgewicht, Modell
Rückgekoppelte Systeme
Der Begriff der Rückkopplung (auch: die Rückkoppelung) stammt
ursprünglich aus der elektrischen Schaltungstechnik. Inzwischen wird er
aber, synonym auch das englische Feedback, in einem größeren
Zusammenhang zur Bezeichnung von Vorgängen verwendet, die sich auf
ihre eigenen Ursachen oder Eingangsgrößen auswirken.
Hasenzahl abhängig von der Zahl der Hasen
Fuchszahl abhängig von der Zahl der Füchse
Hasenzahl abhängig von der Zahl der Füchse
Fuchszahl abhängig von der Zahl der Hasen
Nichtlineare Abhängigkeiten
Der indische König Scheram verlangte, dass
Sessa, der Erfinder des Schachspiels, sich eine
Belohnung erwählen solle. Dieser erbat sich die
Summe der Weizenkörner, die sich ergibt, wenn
für das erste Feld des Schachbretts 1 Korn, für
das zweite 2 Körner, für dritte 4 Körner etc.
gerechnet werden.
• Wie viele Körner sind dies im ganzen?
• Wie groß ist das Gewicht der Gesamtmenge,
wenn 20 Körner eine Masse von 1 g haben?
Nichtlineare Abhängigkeiten
entziehen sich häufig der
Vorstellung des Menschen.
Untersuchung von Rückkopplungen
Rückgekoppelte Systeme
und Systeme mit nichtlinearen
Abhängigkeiten sind schwierig
zu untersuchen und zu
analysieren
Zu ihrer Analyse benötigt man
eigene Hilfsmittel:
Simulationsprogramme
Auf der Internetseite des Vorkurses finden Sie ein
kostenloses Programm (VENSIM) und Beispiele, mit
denen Sie
• fertige Modelle selbst untersuchen können;
• selbst Modelle aufstellen und untersuchen können.
Planetares System
Bericht des Club of Rome (1972)
Club of Rome:
Vereinigung von Industriellen und Wissenschaftlern
Gab 1972 eine Studie zur Abschätzung der
Entwicklung der Menschheit in Auftrag.
Dazu wurde eine neue Simulationsmethode
„System Dynamics“ entwickelt.
Die Studie brachte erstmals die Beschränktheit der Ressourcen und die Vernetzung der
Weltsysteme in das öffentliche Bewusstsein.
„Weltmodell“ zur Selbst-Untersuchung
Treibhauseffekt
Treibhauseffekt, Modelle
Im Internetangebot des Vorkurses
finden Sie drei Modelle zur
Simulation des Treihauseffekts,
die Sie selbst untersuchen
können.