Referat ABI - Kochbuch Biologie - Der Stoffwechsel und seine Regulation, Informationsverarbeitung in Nervensystemen

ABI - Kochbuch Biologie

1. Semester: Der Stoffwechsel und seine Regulation

Stoffwechselphysiologie: 6 CO₂ + 12 H₂O (als Elektronendonator) ===> [Lichtenergie] [Chlorophyll] C₆H₁₂O₆ (Glukose) + 6 O₂ + 6 H₂O (Gesamtreaktion der Fotosynthese oder Fotosynthesegleichung) Exogene Faktoren der Fotosynthese: Licht, Wasser, CO₂, Temperatur. Nachts findet keine Fotosynthese statt. Am Temperaturkompensationspunkt fällt die Fotosyntheseleistung ins Negative. RGT-Regel: Wird die Temperatur einer chemischen Reaktion um 10°C erhöht, verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Macht sich bei der Stoffwechselaktivität von Pflanzen und bei Wechselwarmen bemerkbar. Die Fotosynthese verläuft in zwei Schritten. Lichtreaktion: Primäre Reaktion; temperaturunabhängig, aber lichtabhängig; Formel: 12 H₂O + 12 NADP⁺ + 18 ADP ===> [Lichtenergie] [Chlorophyll] 6 O₂ + 12 NADPH/H⁺ + 18 ATP. Zweck: Energiegewinn durch gebildetes ATP, das nun für andere Stoffwechselprozesse zur Verfügung steht. Dunkelreaktion: Sekundäre Reaktion; temperaturabhängig, aber lichtunabhängig; Formel: 6 CO₂ + 12 NADPH/H⁺ + 18 ADP ===> [Lichtenergie] [Chlorophyll] 6 H₂O + C₆H₁₂O₆ + 18 ADP + 12 NADP⁺ + 18 P. Zweck: Endgültige Fixierung der Energie in Form von Zuckermolekülen. Fotosynthese ergibt Wachstum, Samen bzw. Früchte und Speicherstoffe. Fructose und Glukose als Endstoffe.

Proteinbiosynthese: Die "ein-Gen-ein-Protein"-Hypothese sagt aus, dass die DNA als Erbsubstanz die Bauanweisungen für Enzyme und andere Proteine enthält. Tatsächlich sind die Ribosomen der Ort der Proteinbiosynthese. In der DNA des Zellkerns ist genetische Information gespeichert. Die Umsetzung der Information, die Synthese von Proteinen, erfolgt an den Ribosomen des Cytoplasmas. Da die DNA den Zellkern nicht verlässt, hat man daraus die Hypothese abgeleitet, dass die genetische Information über Botenmoleküle zu den Ribosomen gelangt. Die Funktion des Boten übernimmt die sogenannte Messenger-RNA (mRNA). Sie liest an der DNA das Programm für die Synthese eines Proteins ab und wandert gewissermaßen als Genkopie zu den Ribosomen. Dort wird die Information der mRNA in ein Protein umgesetzt. Es lässt sich also folgender Fluss der genetischen Information erkennen: DNA mRNA Protein (zentrale Dogma der Molekularbiologie). Genauere Untersuchungen zeigten, dass für die Proteinbiosynthese neben der mRNA noch weitere RNA-Arten erforderlich waren, nämlich die Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA). mRNA und tRNA sind im Cytoplasma enthalten, rRNA ist in die Ribosome eingebaut. Die rRNA dient vermutlich dem Erkennen und Binden der mRNA am Ribosom.

Der Genetische Code: Die Eigenschaften eines Proteins werden durch seine Aminosäuresequenz bestimmt. Beim Überschreiben genetischer Information auf mRNA wird die Basensequenz der DNA abgelesen. In der Basenfolge der mRNA muss die Aminosäuresequenz verschlüsselt sein. Der Genetische Code arbeitet also mit vier der Basen der Nucleinsäure (C, G, A, U). Auf der mRNA wird die Information für eine Aminosäure durch eine Gruppe von drei hintereinander liegenden Basen verschlüsselt. Ein solches mRNA-Basentriplett wird auch Codon genannt. Von den 64 möglichen Kombinationen codieren 61 Codons Aminosäuren, die Kombinationen UAA, UAG und UGA sind Stoppsignale für die Beendigung der Proteinsynthese (siehe Code-Sonne). Durch das Codon AUG wird der Start der Proteinsynthese ausgelöst. Der Genetische Code hat zum größten Teil universelle Gültigkeit, was einen überzeugenden Beleg für den gemeinsamen Ursprung aller heute existierenden Lebewesen liefert.

Zur Struktur der DNA: Sie ist in den Chromosomen des Zellkerns enthalten. In der DNA wechseln sich die Bausteine Zucker und Phosphat regelmäßig ab und bilden so ein regelmäßiges monotones Grundgerüst (Zucker-Phosphat-Band).1953: Das Watson-Crick-Modell. Danach können sich innerhalb der DNA nur Guanin und Cytosin sowie Thymin und Alanin durch drei bzw. zwei Wasserstoffbrücken verbinden.

Struktur und Aufgaben eines bifazialen Laubblatts: Cuticula Begrenzende wasserabweisende Wachsschicht, Schutz vor Verdunstung an der Pflanzenoberfläche. Obere Epidermis Schutz, Stabilität, Festigung. Palisadenparenchym Hauptassimilationsgewebe; Fotosynthese, Speicherfunktion, Sekretion bestimmter Stoffe, Wundheilung. Schwammparenchym mit Interzellularen Fotosynthese (Atmung) und Gasaustausch. Leitbündel Bestehend aus Xylem (mit dem Wasser und gelöste Mineralstoffe, also Assimilate, nach oben - von den Wurzeln in die Triebe und Blätter - transportiert werden) und Phloem (das die in den Blättern produzierten organischen Produkte der Fotosynthese und anderer Stoffwechselvorgänge in diejenigen Pflanzenteile befördert, die sie gerade zur Ernährung benötigen). Untere Epidermis mit Epidermishaaren. Spaltöffnungen regulieren den Gasaustausch; Transpiration. Abschließende Cuticula.

Osmose: Eine einseitig verlaufende Diffusion, die auftritt, wenn zwei gleichartige Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine semipermeable Membran getrennt sind. Dabei wird die höher konzentrierte Lösung so lange verdünnt, bis gleich viele Moleküle in beide Richtungen diffundieren. Osmose bewirkt den Stofftransport, reguliert den Wasserhaushalt und erzeugt einen als Turgor bezeichneten Innendruck, welcher der Pflanze Form und Stabilität verleiht.

Diffusion: Das Fließen von Materie von einem Ort höherer Konzentration zu einem Ort niedrigerer Konzentration. Beispiel: Transpiration von Wasser durch eine Pflanzenoberfläche.

Spaltöffnungen: Ihre Aufgabe ist der Gasaustausch mit der Atmosphäre. Aufnahme von CO₂, Abgabe von O₂ und überschüssigem H₂O. Keine Wasseraufnahme! Bei hohen Temperaturen wird der Wasserverlust der Pflanze durch Verschließung minimiert. Der abgegebene Wasserdampf kühlt den Pflanzenkörper und schützt vor Überhitzung, da der Umgebung Wärme entzogen wird. Die Schließzellen verdicken sich durch Wassereinlass (osmotisch). Transpiration: Wasserabgabe durch die Spaltöffnungen. Außere Faktoren der Transpiration: Sinkt die Luftfeuchtigkeit, steigt die Wasserabgabe durch die Spaltöffnungen an, da sich die Konzentration zwischen Blatt und Umfeld unterscheidet (Dampfdruckgefälle). Bei 100% Luftfeuchtigkeit ist keine Verdunstung mehr möglich (mache Pflanzen: Guttation, d. h. durch Wurzeldruck werden aktiv Wassertropfen abgegeben). Hohe Temperatur bedeutet hohe Luftfeuchtigkeit ( Regenwald), also viel Verdunstung, die Schließzellen sind dicht. Steigt die Windgeschwindigkeit, wird die Luftfeuchtigkeit herabgesetzt, viel Verdunstung, also steigt die Transpiration.

Zellatmung: Mitochondrien dienen der Energieerzeugung. Jede Zelle braucht Energie für Wachstum und Fortpflanzung, und diese Energie stammt zum größten Teil aus den Mitochondrien, in denen die letzten Stadien des Nährstoffabbaus stattfinden. Da bei diesem Vorgang Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid produziert wird, bezeichnet man ihn auch als Zellatmung.

Standorte: In schattig-feuchten Gebieten Angriffsfläche für Luft durch große Blätter, Oberflächenerweiterung durch Papillen sowie vorgewölbten Spaltöffnungen (viele und große), große Interzellularräume (ebenfalls transpirationsfördernd) und schwach ausgebildete Wurzeln. In trocken-heißen Gebieten dicke Außenwand (mehrschichtige Epidermis, mächtige Cuticula), tief eingesenkte (und wenige) Spaltöffnungen (damit das Wasser bei Wind nicht abgetragen wird), wasserspeichernde Blätter (Blattsukkulenz); bei Nadeln: wasserspeichernde Sprossachse (Stammsukkulenz), Wurzeln weit ausladend, flachgründig, manchmal wasserspeichernd (Wurzelsukkulenz), geringst mögliche Oberfläche (keine Blätter Nadeln; Säulenform).

2. Semester: Informationsverarbeitung in Nervensystemen

Drogen: Sie wirken, indem sie biochemische oder physiologische Abläufe im Gehirn beeinflussen. Das Nachrichtensystem der Nervenzellen (Neuronen) arbeitet mit elektrischer und chemischer Übertragung von Reizen. Neuronen berühren einander selten. Der mikroskopisch kleine Spalt zwischen einem Neuron und dem nächsten, die Synapse, wird durch chemische Substanzen überbrückt, die so genannten Neuroregulatoren oder Neurotransmitter. Drogen agieren, indem sie die Funktionsweise der Neurotransmitter verändern. Wirkungen: alkoholisch, einschläfernd, narkotisch (betäubend), anregend, halluzinogen und psychotropisch.

Verhaltensphysiologie: Bedeutendster Forscher war Konrad Lorenz. Er wurde u. a. durch seine Untersuchungen der so genannten Erbkoordination bekannt: genetisch festgelegte Bewegungsabfolgen (etwa beim Balzverhalten von Vogelarten), die von Umweltreizen ausgelöst werden. Derartige Instinkthandlungen - angeborene Verhaltensmechanismen - sind nach Lorenz für das Überleben ebenso wichtig wie physiologische Eigenschaften und unterliegen wie diese der Evolution (die Begriffe Erbkoordination und Instinkthandlung werden heute in der Ethologie aus verschiedenen Gründen nur noch zurückhaltend verwendet). Wohl am bekanntesten wurde Lorenz durch seine Entdeckung der Prägung: Jungvögel, etwa neu geschlüpfte Graugänse, sind auf akustische und optische Reize vonseiten ihrer Eltern angewiesen, um eine Bindung zu diesen entwickeln zu können. Doch kann jedes Lebewesen oder Objekt, das solche Reize aussendet - beispielsweise auch ein Mensch oder ein mit einem Lautsprecher ausgestatteter Ball - eine Prägung hervorrufen: Der Mensch oder der im Versuch eingesetzte Gegenstand wird vom Jungtier als Elter anerkannt.

Lorenz vertrat die Auffassung, menschliche Aggression sei genetisch angelegt und habe ihre Entsprechung in der Revierverteidigung der Tiere. Während bei Tieren jedoch in der Regel eine Tötungshemmung bestehe, die sie daran hindere, Artgenossen zu vernichten, könne die menschliche Aggression Ursache von Kriegen sein. Diese Theorie wurde sehr populär, doch meldeten Wissenschaftler verschiedener Disziplinen Zweifel an (siehe Soziobiologie).

3. Semester: Landökologie

Frühblüher: Ihre große Blüten erscheinen im frühen Frühjahr. Am besten lassen sie sich in gemäßigten Zonen in feuchtem Boden kultivieren, wobei in unseren Breiten die beste Pflanzzeit September ist; die knollig verdickten Wurzeln können so vor der Schlechtwetterperiode noch wachsen und die Pflanze im Erdreich verwurzeln (siehe Pflanzen und Temperatur).

Ökogramme: Im Potenzbereich (weit schraffiert) ist ein Auftreten der jeweiligen Art möglich, im Potenzoptimum (physiologisches Optimum, eng schraffiert) herrschen Optimalbedingungen für die Spezies (Auftreten wahrscheinlich) und im Herrschaftsbereich (ökologisches Optimum, dick umrandet) gelingt es ihr, sich unter Konkurrenzbedingungen (d. h. in Mischkultur)  durchzusetzen. Sehr stark: die Rotbuche.

Vorkommensanpassungen: Die Bergmannsche Regel besagt, dass gleichwarme Tiere der gleichen Art in kälteren Gebieten eine höhere Durchschnittsgröße erreichen als in wärmeren. Die Allensche Regel besagt, dass Körperanhänge wie Ohren, Schwanz oder Gliedmaßen bei gleichwarmen Tieren in kalter Umgebung relativ klein, bei Verwandten aus anderen Gebieten dagegen groß sind. Zusammenhänge: Große Tiere haben auch ein großes Körpervolumen und im Verhältnis dazu eine geringe Oberfläche (Säulenform z. B. bei Pinguinen). Also besitzen sie viel Masse zum Wärmespeichern, kühlen aber weniger aus. Daher benötigen sie auch weniger Nahrung. Kleine Tiere haben im Verhältnis zu ihrer (geringen) Körpermasse eine große Oberfläche. Also wird viel Wärme abgegeben, was eine gute Kühlung bewirkt. Relativ zur Körpermasse einen hohen Energieumsatz viel Nahrungsbedarf!

Gleichwarme Tiere: Homoiotherme. Körpertemperatur bleibt konstant und ist von der Außentemperatur unabhängig (Vögel und Säugetiere). Vorteile: Gleiche Leistungsfähigkeit bei Extremtemperaturen. Nachteile: Hoher Energieumsatz viel Nahrungsbedarf. Geringes Nahrungsangebot und erhöhter "Heizstoffbedarf" im Winter zwingen manche Homoiotherme zum Winterschlaf. Der Stoffwechsel wird dann so weit gedrosselt, dass die Energiedepots (Fett) über die ungünstige Zeit hinweghelfen. Die Körpertemperatur wird auf Umgebungstemperatur herabgeregelt.

Wechselwarme Tiere: Poikilotherme. Ihre Körpertemperatur ändert sich entsprechend der Umgebungstemperatur (Wirbellose sowie Fische, Lurche und Reptilien). Vorteile: Geringer Nahrungsbedarf. Nachteile: Eingeschränkte Leistungsfähigkeit bei ungünstigen Temperaturen ( RGT-Regel). Thermoregulatorische Verhaltensweisen (veränderte Körperhaltungen oder Bewegungen, Rückzug in ein Unterschlupf wie Nest oder Höhle). Temperaturen am Maximum bzw. Minimum zwingen Poikilotherme zum inaktiven Zustand der Wärme- bzw. Kältestarre.

Eigenfeuchte Pflanzen: Wurzeln zur Wasseraufnahme, Leitsystem, Blätter zur Wasserabgabe

Wechselfeuchte Pflanzen: Wurzeln zur Stabilität, Wasserabgabe durch Oberfläche (Moose)

Pflanzen und Temperatur: Pflanzen aus Klimazonen mit stark wechselnder Temperatur werfen meist kälte- oder hitzeempfindliche Teile wie die Blätter ab und überstehen die ungünstige Phase mit widerstandsfähigen Überdauerungsorganen wie Stamm, Knospen, Knollen, Rhizomen (Erdsprosse), Zwiebeln oder auch nur als Samen. Diese Anpassung an ungünstige Temperatur ist fast immer zugleich eine Anpassung an eingeschränkte Wasserversorgung.

Konventionelle Landwirtschaft: Konventioneller Landbau ist eine landwirtschaftliche Produktionsmethode mit dem Ziel, möglichst viel Ertrag und damit Umsatz zu erzielen. Dabei wird der Einsatz von chemischen Düngemitteln, Pestiziden, Wachstumsregulatoren und Viehfutterzusätzen in Kauf genommen. Merkmale:

Fabrikanten stehen in gegenseitiger Konkurrenz (kapitalistische Bedingungen)

Ziel: Optimum an Ertrag und Effektivität

billigst an chemische Hilfsmittel gelangen, um das Wachstum zu maximieren und Schädlinge auszurotten

Boden nicht als Organismus oder Lebensraum angesehen, sondern als betriebliche Produktionsfläche

auf Tiere, die durch den Einsatz chemisch basierter Stoffe verenden, wird wenig Rücksicht genommen

ebenso auf eventuelle Spätfolgen wie die Schädigung der Pflanze oder die Ausrottung anderer Lebewesen

es wird radikal und tief gepflügt, um den Boden aufzulockern und Mineraldünger in die Erde zu bringen

natürliche Vorgänge, wie die Aufbereitung der Mineralien durch Bodenlebewesen, werden so zerstört

Probleme

Erosion: Durch Bearbeitung des Bodens wird dieser freigelegt. Wind und Wasser tragen fruchtbaren Boden ab, Folge → Probleme der Umweltverschmutzung (besonders Luft und Wasser). Abhilfe: Mulchschicht aus Pflanzenresten zum Schutz, Fruchtwechsel und der Einsatz einer Deckfrucht. Viele kleinsamige Pflanzen brauchen aber einen sehr fein bearbeiteten, pulverförmigen Boden, weshalb sich Erosion nie ganz vermeiden lässt.

Mineraldünger: Trägt ebenfalls zur Wasserverschmutzung bei. Lösliche Formen von Stickstoff können ins Grundwasser übergehen, auch organischer Dünger kann durch oberflächlich abfließendes Wasser weggespült werden. Abhilfe: Durch verringertes Abfließen von Wasser den Düngerverlust möglichst gering halten (Umweltschutz, rasch ansteigende Düngerpreise). Einsatz von sowohl organischen als auch künstlichen Düngemitteln zur Anreicherung von stark beanspruchtem Ackerland ist nicht zu vermeiden.

Pestizide (Insektizide, Herbizide und Fungizide): Ackerbauern müssen ständig Insekten und Krankheiten bekämpfen, die ihre Pflanzen befallen. Richtig angewendet, sind Chemikalien ein Hilfsmittel zur Verbesserung der Qualität und Verlässlichkeit der Nahrungsmittelversorgung. Meist jedoch nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt, viele Schädlinge sind inzwischen gegen früher wirksame Pestizide resistent geworden. Abhilfe: Integrierte Programme zur Schädlingsbekämpfung einsetzen (selektiver Einsatz und zeitliche Abstimmung verbessern)

Monokulturen: Großunternehmen konzentrieren sich häufig auf wenige Pflanzen bzw. die Pflanzenart, die den größten Gewinn bringt. Finanziell durchaus lohnenswert, häufig führt es aber dazu, dass Schädlinge und Krankheiten dieser Pflanze gehäuft auftreten. Die daraus entstehenden Probleme können verheerende Ausmaße annehmen und zu großen Verlusten führen (keine Sortenvielfalt!). Abhilfe: Fruchtwechsel und Formenvielfalt. Aufgrund der Bodenverhältnisse, der Niederschläge und der wirtschaftlichen Lage allerdings nur begrenzten Spielraum.

Genbestand: Erblinien, aus denen die Zuchtpflanzen ausgewählt werden, gehen stark zurück. Oft nur die Sorten, deren Produktivität hervorragend ist. Überlegenheit einiger weniger, verbesserter Sorten → Tausende von Erblinien werden aufgegeben. Diese Verringerung des Genbestands erschwert es, zukünftig veränderten Klima- und Bodenverhältnissen und unerwarteten Schädlings- oder Krankheitsentwicklungen zu begegnen. Abhilfe: In internationalen Zentren und Versuchsstationen Sammlungen von Genproben lokaler Erblinien anlegen.

Alternative Landwirtschaft: Alternativer Landbau ist eine landwirtschaftliche Produktionsmethode mit dem Ziel, möglichst gesunde und hochwertige Nahrungsmittel zu produzieren und dabei den Einsatz von Düngemitteln, Pestiziden, Wachstumsregulatoren und Viehfutterzusätzen ganz oder weitgehend zu vermeiden. Merkmale:

angestrebt wird Ackerbau nach dem Vorbild ökologischer Kreisläufe

durch bestimmte Methoden und Prinzipien die Fruchtbarkeit des Bodens erhalten oder steigern

dazu zählen u. a. Fruchtwechsel, Mischkultur und Vermeidung von Monokulturen, Verwendung organischer Düngemittel wie Mist oder Kompost, Ausnutzung natürlicher Gegebenheiten wie Hecken und Waldstücke, Vermeidung von Schwarzbrache (Auflassen unbebauter Ackerflächen nach der Ernte) und stattdessen Einsaat und Unterpflügen von bodenverbesserndem Gründünger (Klee) und konsequente Anwendung der biologischen bzw. integrierten Schädlingsbekämpfung

Nomenklatur: Gattung ===> Art ===> Rasse. Rasse entfällt manchmal. Eine Art besteht aus einer sich kreuzenden Population, die sich mit anderen Arten nicht fortpflanzen kann. Eventuelle Bastarde sind steril. Mitglieder einer Rasse können untereinander Gene austauschen (Fortpflanzung). Rassen schließen sich in ihrer geografischen Verbreitung meist aus.