Vom Molekül zum Ökosystem – Organisationsstufen der belebten Materie

Ziele Ziel dieser Unterrichtseinheit ist, Ihnen den modularen Aufbau biologischer Systeme vorzustellen, 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.

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Biologische Organisationsstufen Moleküle Viren Bakterien (Prokaryonten) Zellen (Eukaryonten) Gewebe Organe Organsysteme Organismen Ökosystem Planetares System

Biomoleküle Nukleinsäuren Proteine RNA DNA Gemeinsamkeiten: Heteropolymer mit einheitlichem Backbone und variablen Seitenketten

Moleküle in der Biologie Proteine Strukturproteine Enzyme Funktionsproteine Nukleinsäuren DNA RNA Kohlenhydrate Einzelzucker Polymere Zucker Lipide 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 10-fache Vergrößerung Die Untersuchung biologischer Systeme erstreckt sich über mehrere Größenordnungen (vom Planeten Erde bis auf die Ebene einzelner Atome). Dabei muss man die Größenverhältnisse – insbesondere im mikroskopischen Bereich – im Gedächtnis behalten. 10-fache Vergrößerung 100-fache Vergrößerung 10-fache Vergrößerung

Viren Biologische Strukturen, die nur 1 Nukleinsäurenart (DNA oder RNA) enthalten 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 Adsorption Penetration Replikation Anheften an die Zellmembran einer Immunzelle Aufnahme ("coated vesicle") Injektion von RNA und reverser Transkriptase Produktion von DNA Integration der DNA in das Erbgut der Zelle Synthese von RNA, reverser Transkriptase und Kapsidproteinen Zusammenbau der Tochterviren Freisetzung der Tochterviren Adsorption Penetration Replikation Maturation und Liberation

Viren – Folgen der Virusinfektion Zelltod durch Blockade der Synthesevorgänge der Zelle Integration des Genoms führt zu ungehemmter Zellteilung 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

Antibiotika – Medikamente gegen bakterielle Infektionen Bakt. Erkrankungen Entzündungsreaktion des Körpers Abgabe von Giften 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 Zellwandsyn-these {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 Muskelproteine (Actin + Myosin) Endothelzelle 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 Haut Stützsystem Skelett Muskeln Atemorgane Kreislaufsystem Verdauungsorgane Exkretionssystem Genitalsystem 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 Atmung Gärung 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 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 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. Organismen-kollektiv und Umwelt Wiese Wald See 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) Vereinigung von Industriellen und Wissen-schaftlern 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 Beschränkt-heit 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.