InhaltsverzeichnisEvolution..................................................................................................
Stoffwechsel .................................................................................................10  Atmung ....
Kohlenstoffkreislauf ........................................................................................................
EvolutionArtbegriffMorphologischGruppe von Lebewesen, die in wesentlichen Merkmalen untereinander und mit ihren Nachkommen...
 Adaptive Radiation   Aufspaltung einer Stammart   Anpassung an verschiedene ökologische Bedingungen   Vielfalt an Leb...
Prüfen der VerwandtschaftEntwicklungs- und Stammesgeschichte „Die Keimesentwicklung (Ontogenese) ist eine kurze, unvollst...
Evolution und Verhalten Proximate Fragestellung: Frage nach der Ursache Ultimate Fragestellung: Frage nach der biologisc...
Stammbaum der HominidenVor 3,8 Mio. Jahren                                           Australopithecus                     ...
ErdzeitalterPräkambrium     Vor 1 Mrd. – vor 600 Mio. Jahren     Entstehung des LebensKambrium        Vor 600 Mio. – vor 5...
 Die „harten“ Bakterien werden von den „weichen“ aufgenommen   Spätere Mitochondrien   Synergismus Beide Bakterientype...
 Folgende Reaktionen laufen doppelt ab:   Das C3-Atom (Glycerinaldehyd-3-phosphat) gibt zwei Wasserstoffatome (H2) an NA...
Gärung Anaerober Prozess   Kein Sauerstoff für die Endoxidation vorhanden   NADH+H+ und FADH2 können nicht zu NAD+ und ...
PflanzenEigenschaften und Bedeutung der Pflanze Fotoautotroph   Nutzen Energie des Sonnenlichts Abhängig von mineralisc...
Sonnen- und Schattenblatt Ziel: positive Stoffbilanz Schattenblatt:   wenig Licht  wenig Produkte  möglichst wenig Ve...
 Bei Lichteinfall wird P700 auf ein höheres Energieniveau gebracht      Elektronenweitergabe vom P700* an Ferredoxin    ...
 Sauerstoffgehalt von Gewässern   Kaltes Wasser speichert mehr Sauerstoff als wärmeres Wasser   Bei höheren Temperature...
KonkurrenzInnerartliche Konkurrenz Knappe Ressourcen  Revierbildung Verteidigung bedeutet Energieaufwand   Revier mögl...
 Lotka-Volterra 1: periodische, phasenverschobene Schwankungen, Räuber folgt dabei der Beute Lotka-Volterra 2: Mittelwer...
 Wirtswechsel zur neuen Endwirtbesiedelung   In den Zwischenwirten: ungeschlechtliche Vermehrung      Klone, möglichst ...
 Förderung der Raubinsekten (Räuberpopulation generell)   Hecken als Nistmöglichkeiten   Brachland als Rückzugs- und En...
Stickstoffkreislauf Wesentliches Bauelement biologischer Moleküle   Aminosäuren und Nucleotide N2 aufgrund der N-N-Drei...
Diversität und Stabilität Biodiversität bezieht Artenvielfalt, genetische Vielfalt und Vielfalt der Lebensräume mit ein  ...
Ökosystem See Zirkulation und Stagnation (temperaturabhängig)   Frühjahr + Herbst: Winde führen zur Zirkulation       G...
 BSB5-Wert misst den Sauerstoffverbrauch mikrobieller Atmungsprozesse Biologische Wasserbeurteilung anhand vom Saprobien...
 Konzentrationsgradient der K+-Ionen führt zu ständigem K+-Ionen-Ausstrom   Ladungsgradient entsteht und K+-Ionen wander...
 In der postsynaptischen Zelle entsteht nur ein erregendes / hemmendes Potential, kein  Aktionspotential   Kann bis zum ...
Reizverarbeitung Verschiedene Rezeptorzellen nehmen die Reize auf   Chemo-, Mechano-, Foto-, Thermo- und Elektrorezeptor...
 Riechsinneszellen     Tragen verschiedene Duftrezeptormoleküle     Anlagerung von bestimmten Stoffen führt zu charakte...
Autonomes Nervensystem Vegetative Wirkung auf innere Organe   Kontrolle des inneren Milieus Enge Zusammenarbeit mit som...
Homöostase Gleichgewichtszustand, der durch einen Regelmechanismus auch bei wechselnden inneren /  äußeren Faktoren konst...
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Bio komplette Zusammenfassung

  1. 1. InhaltsverzeichnisEvolution........................................................................................................ 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 1
  2. 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 ....................................................................................................... 15Ökologie........................................................................................................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 2
  3. 3. Kohlenstoffkreislauf ...................................................................................................................... 20 Stickstoffkreislauf .......................................................................................................................... 21 Diversität und Stabilität ........................................................................................................ 22 Ökosysteme .......................................................................................................................... 22 Ökosystem Wald............................................................................................................................ 22 Ökosystem See .............................................................................................................................. 23 Ökosystem Fließgewässer ............................................................................................................. 23 Weltbevölkerung .................................................................................................................. 24 Regenerative Energiequellen ............................................................................................... 24Neurobiologie ...............................................................................................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 3
  4. 4. EvolutionArtbegriffMorphologischGruppe von Lebewesen, die in wesentlichen Merkmalen untereinander und mit ihren Nachkommenübereinstimmen.GenetischGruppe von Lebewesen, die eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden und genetisch von anderenisoliert 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 VariabilitätenSelektion 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 bringtPopulation 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-AnalyseArtbildung 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 4
  5. 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 BeuteIsolationsmechanismenPräzygotisch Geografisch: Begegnung wird verhindert Zeitlich: Fortpflanzungszeit unterscheidet sich Mechanisch: spezifische Geschlechtsorgane Gametisch: spezifische Spermien Ethologisch: Ablehnung des Partners Reproduktiv: Bsp. BlütentreuePostzygotisch Anomalie der Hybridzygoten: Genome stark unterschiedlich Bastardsterilität: Unfruchtbarkeit der Hybriden Bastardsterblichkeit: verringerte LebensfähigkeitEvolutionstheorienDarwin Variation innerhalb von Arten  Diese muss vererbbar sein Selektionstheorie: nicht zufälliges Überleben und FortpflanzenLamarck Veränderungen von Umwelt und Bedürfnissen  Häufiger Gebrauch von Organen  Anstrengung des inneren Gefühls  Vermehrte Ausbildung des Organs (erblich)Ähnlichkeit und VerwandtschaftDivergenz 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 5
  6. 6. Prüfen der VerwandtschaftEntwicklungs- und Stammesgeschichte „Die Keimesentwicklung (Ontogenese) ist eine kurze, unvollständige und schnelle Rekapitulation der Stammesentwicklung (Phylogenese)“ Überprüfen des Kriteriums zur StetigkeitMolekulare 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 auszuschließenPaläontologie Relative Datierung anhand von Leitfossilien Absolute Datierung anhand von radioaktiven Stoffen und ihren HalbwertszeitenGelelektrophorese 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-StückePolymerasekettenreaktion (= 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 6
  7. 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 MännchenKosten-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) gebundenEvolution 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 möglichKulturelle 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 7
  8. 8. Stammbaum der HominidenVor 3,8 Mio. Jahren Australopithecus afarensis Australopithecus africanus AustralopithecusVor 2,2 Mio. Jahren boisei + robustus Aufrechter Gang, steiler werdendes Gesicht, Homo Kiefermuskeln Homo habilis rudolfensis Hüttenbau, einfache Sprache, erste Werkzeuge Verstand, Homo erectus FeuerVor 400.000 Jahren Homo sapiens archaisch Schamgefühl, Homo sapiens Ich-Bewusstsein, Eine Art? neandertalensis Religion?Vor 100.000 Jahren Homo sapiens sapiens 8
  9. 9. ErdzeitalterPräkambrium Vor 1 Mrd. – vor 600 Mio. Jahren Entstehung des LebensKambrium Vor 600 Mio. – vor 500 Mio. Jahren Erste AlgenSilur Vor 500 Mio. – vor 400 Mio. Jahren Erste Landpflanzen / erste FischeDevon Vor 400 Mio. – vor 350 Mio. Jahren Erste AmphibienKarbon Vor 350 Mio. – vor 280 Mio. Jahren Erste ReptilienPerm Vor 280 Mio. – vor 230 Mio. Jahren Erste DinosaurierTrias Vor 230 Mio. – vor 180 Mio. Jahren Erste SäugerJura Vor 180 Mio. – vor 130 Mio. Jahren Hauptzeit der Saurier, erste VögelKreide Vor 130 Mio. – vor 65 Mio. Jahren Erste BlütenpflanzenTertiär Vor 65 Mio. – vor 2 Mio. Jahren Urmensch (Hominide)Quartär Vor 2 Mio. Jahren - heute Erste Menschen (Homo sapiens)Entstehung von LebenChemische EvolutionMillers 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 MembranFrühe 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 9
  10. 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 StoffwechselAtmungHämoglobin 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 gebundenVerschiedene 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 StoffenMolekularbiologischer AblaufGlykolyse 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 10
  11. 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 11
  12. 12. Gärung Anaerober Prozess  Kein Sauerstoff für die Endoxidation vorhanden  NADH+H+ und FADH2 können nicht zu NAD+ und FAD zurückoxidiert werdenMilchsäuregärung 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 C3H6O3Alkoholische Gärung Hefepilze entziehen Brenztraubensäure Kohlenstoffdioxid und reduzieren sie dann mit NADH+H+ zu Ethanol  NAD+ wieder verfügbar Brenztraubensäure + NADH+H+  Ethanol + CO2 + NAD+ C3H4O3 C2H5OHMuskeln 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 12
  13. 13. PflanzenEigenschaften 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 verfügbarenFunktion 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 13
  14. 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  ÄpfelsäureFotosyntheseEinflüsse 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 ausMolekularbiologische VorgängeLichtabhängige 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 14
  15. 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-MolekülVergleich 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 ÖkologiePhysiologische 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 BereichAbiotische 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 15
  16. 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 UmgebungBioindikatoren 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 BodenÖkologische 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. 17. KonkurrenzInnerartliche Konkurrenz Knappe Ressourcen  Revierbildung Verteidigung bedeutet Energieaufwand  Revier möglichst klein, nur zur BedarfssicherungZwischenartliche 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 unterscheidenRäuber 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 RäuberpopulationZur Vereinfachung wird das Modell auf die Beziehung von nur zwei Populationen beschränkt. 17
  18. 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 = SterberatePopulationsgrößen/-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 ZeitverzögerungenParasiten und SymbioseParasitismus 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 18
  19. 19.  Wirtswechsel zur neuen Endwirtbesiedelung  In den Zwischenwirten: ungeschlechtliche Vermehrung  Klone, möglichst viele eigene Gene  Im Endwirt: geschlechtliche Vermehrung  Variabilität durch RekombinationSymbiosen 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 abhängigStrategienK- 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 abhängigSpezialisten 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 19
  20. 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 ResistenzbildungNahrungsnetz 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 begrenztStoffkreisläufeKohlenstoffkreislauf 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 20
  21. 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+ 21
  22. 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 möglichÖkosystemeÖkosystem 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 22
  23. 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 SauerstoffverbrauchÖkosystem 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 23
  24. 24.  BSB5-Wert misst den Sauerstoffverbrauch mikrobieller Atmungsprozesse Biologische Wasserbeurteilung anhand vom Saprobiensytem  GewässergüterklasseWeltbevölkerung 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 nötigRegenerative 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 NeurobiologieAufbau 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 = NervDas 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 24
  25. 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 ATPDas 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 AktionspotentialeSynapsenAufbau und Funktion 25
  26. 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 NeuronsHemmende 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 AktionspotentialSummation 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 EPSPSynapsengifte 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. 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 InterpretationSinne des MenschenMechanorezeptoren der Haut Merkel-Zellen: Eindrucktiefe und Dauer des Druckreizes Meissner-Körperchen: Geschwindigkeit des Reizes Haarfollikel-Rezeptoren: reagiert auf Haarverbiegungen Pacini-Körperchen: Wahrnehmung von VibrationenSinnesorgane 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. 28.  Riechsinneszellen  Tragen verschiedene Duftrezeptormoleküle  Anlagerung von bestimmten Stoffen führt zu charakteristischen Polarisationen  Primäre Rezeptoren  bilden Aktionspotentiale ausNetzhaut 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 wegNervensystem des Menschen Enthält schätzungsweise 1011 NeuronenZentralnervensystem 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. 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  VerdauungRegulation 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 gebildetStress 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. 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

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