1 Kennzeichen der Lebewesen

2 Zellen sind mikroskopisch klein 2.1 Das Mikroskop macht das Innenle-

ben der Zellen sichtbar

3 Organellen als „Organe“ der Zelle 3.1 Der Zellkern ist die Steuerzentrale

der Zelle

3.2 Zellmembranen – aktive Grenz-schichten

3.3 Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ der Zelle

3.4 Ribosomen dienen dem Aufbau körpereigener Proteine

3.5 Endoplasmatisches Reticulum (ER) – wichtiges „Kanalsystem“

3.6 Der Golgi-Apparat – Ausscheidungs- und Transportsystem

3.7 Peroxisonen

4 Pfl anzenzellen sehen anders aus 4.1 Plastiden – eine Besonderheit der

Pfl anzenzellen

4.2 Vakuolen sind Zellsafträume

4.3 Die Zellwand umgibt die Pfl anzen-zelle

5 Prokaryoten und Eukaryoten

6 Die formenreiche Welt der Einzeller 6.1 Sind Augentierchen tier- oder

pfl anzenähnlich?

6.2 Protozoen – tierähnliche Einzeller mit vielfältigen Lebensweisen

6.3 Peroxisomen

7 Vom Einzeller zum Vielzeller 7.1 Algenkolonien – vom pfl anzlichen

Einzeller zum Vielzeller

7.2 Einfache Vielzeller im Tierreich

Die Mikrowelt der Zelle

30

Die ältesten bekannten Lebensspuren auf unserer Erde sind 3,8 Milliarden Jahre alt. Es ist daher anzunehmen, dass sich nach der Entstehung der Erdkruste vor etwa 4,5 Milliarden Jahren Vorgänge abgespielt haben, die zur Bildung einfachster lebender Strukturen aus leblo-sen Stoffen führten. Als gängige Hypothese gilt heute, dass im Zuge einer chemischen Evolution die ersten organischen Moleküle entstanden sind.

Unter den damals herrschenden Bedingungen (u. a. extrem hohe UV-Strahlung, Hitze und elektrischen-Entladungen) sollen sich im Ozean aus anorgani-schen Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid, Methan und Ammoniak die ersten organischen Moleküle (z. B. Aminosäuren) gebildet haben. Im Rahmen der Miller’schen Versuche, in denen diese Bedingungen nachgebildet wurden, konnten alle wesentlichen Bausteine der Lebewesen erzeugt werden.

Als Entstehungsort werden meist flache, warme Mee-resbuchten vermutet. Die Bildung erster Zellbaustei-ne könnte auch an den so genannten Schwarzen Rauchern – verbreitete vulkanische Quellen in der Tiefsee – stattgefunden haben.

Als erste Vorstufen der Zellen gelten einfache, hohle „Membrankugeln“ – die Protobionten. Sie bestanden vermutlich aus einer Nucleotidmembran, abiotisch gebildeten Proteinen und Nucleinsäuren sowie ei-nem einfachen Apparat zur Energiegewinnung und zur Informationsübertragung. Die Voraussetzung für die Bildung der ersten „echten“ Zellen schufen je-doch die Proteinbiosynthese (� S. 41) und die Me-chanismen der Vererbung. Deren Entstehung ist der-zeit noch ungeklärt, jedoch waren sie wesentlich für den Beginn der biologischen Evolution.

Abb. 27: Protobionten Abb. 28: Schwarze Raucher

1 Kennzeichen der Lebewesen

Abb. 29: Alle Lebewesen verbinden die Kennzeichen des Lebens

Folgende Kennzeichen charakterisieren das Phäno-men Leben:

Aktive Bewegung: Plasmabewegung, Geißelbewe-gung und Flimmerbewegung sind beispielsweise ty-pisch für Einzeller (� S. 48), Muskelbewegung für Wir-bellose und Wirbeltiere, Turgor- und Wachstumsbewe-gung für Pfl anzen.

Fortpfl anzung: Leben geht immer aus anderem Leben hervor – dieses Grundphänomen heißt Biogenese. Da-bei werden die Erbanlagen weitergegeben, die bei allen Lebewesen in der DNA gespeichert sind.

Stoff wechsel: Stoff e werden aus der Umgebung auf-genommen und mit Hilfe von Enzymen um-, auf- und wieder abgebaut und ausgeschieden. Zellen sind of-fene Systeme, weil sie mit ihrer Umgebung Stoff e und Energie austauschen. Ein Strom von Stoff en fl ießt durch den Körper (Fließgleichgewicht). Der Stoff wechsel ist so geregelt, dass die Zelle innerhalb bestimmter Grenzen eine konstante Zusammensetzung hat. Diese Aufrecht-erhaltung des Gleichgewichts nennt man Homöostase.

Energieumsatz: Energie wird aufgenommen, umge-wandelt und wieder abgegeben. Durch den Abbau en-ergiereicher Stoff e wird Energie freigesetzt, die für die Organismen nutzbar ist. Ein Teil dient als chemische En-ergie den Stoff wechselreaktionen, ein anderer Teil wird als Wärme frei.

Wachstum und Entwicklung: Wachstum bedeutet die Vermehrung der Körpermasse durch den Aufbau kör-pereigener Stoff e. Im Zuge der evolutionären Anpas-sung werden neue Formen und Eigenschaften ausge-bildet. Diese Prozesse sind nicht umkehrbar!

Reizbarkeit: Organismen reagieren in bestimmter Wei-se auf Reize ihrer Umwelt. Sie antworten auf Einfl üsse von außen und können sich dadurch auf veränderte Umweltbedingungen einstellen (Selbstregulation).

Systemcharakter: Zellen sind belebte Systeme, d. h. die einzelnen Teile einer Zelle sind isoliert nicht lebensfähig. Erst ihr Zusammenwirken ermöglicht Eigenschaften, die wir als Kennzeichen des Lebendigen bezeichnen können. Alle diese Eigenschaften des Lebens ergeben sich bei Organismen aus dem hochgradig geordneten System der Lebewesen.

Chemische EvolutionEntwicklung einfachster

organischer Moleküle zu

Makromolekülen aus Kom-

ponenten der Uratmosphäre

und der Urmeere der Erde

Stanley Miller (1930 – 2007) = amerik.

Biologe und Chemiker, führte

1953 die ersten Experimente

mit "Ursuppen" durch

Schwarze Raucher heiße vulkanische Quellen

in der Tiefsee mit hohem

Gehalt an Sulfi den und

Schwermetallen

Protobionten

(griech. protos = erster;

griech. bios = Leben) =

die mit der Fähigkeit zur

Selbstvermehrung

System

Einheit aus mehreren

Elementen, die miteinander

in Beziehung stehen; das

System kann belebt oder

unbelebt sein;

Biologische EvolutionEntwicklung der Lebewesen

von den Protobionten über

die Prokaryoten zu den

Eukaryoten

31

2 Zellen sind mikroskopisch klein

Die Zelle ist die Grundeinheit aller Lebewesen. Sie vereinigt alle Merkmale in sich, die wir als ty-pisch für das Lebendige ansehen.

Zellen haben meist eine Größe von 0,001 bis 0,1 mm. Bakterien als kleinste Zellen sind weni-ger als 0,001 mm groß. Man misst sie in Mikro-meter (μm).

Ein effektiver Stoffaustausch begrenzt die Grö-ße einer Zelle entscheidend. Für den Stoffaus-tausch durch die Membranen ist eine große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen wichtig. Wenn eine Zelle zu groß wird, erfolgt der Stoff-austausch von der Außenmembran ins Zellin-nere zu langsam. Dadurch kann die Zelle nicht mehr ausreichend versorgt werden.

ÜBRIGENS… sind weiße Blutkörperchen 7 bis 20 μm

und rote Blutkörperchen etwa 7,5 μm klein. Beide sind unter dem Mikroskop sichtbar.

… messen menschliche Eizellen 200 bis 250 μm, also etwa ¼ mm, und sind daher mit freiem Auge sichtbar!

… werden pflanzliche Faserzellen bis zu 50 cm lang.

… erreichen Nervenzellen mit ihren Fortsät-zen (Neuriten) eine Länge von bis zu 1 m.

… ist das Straußenei mit einem Längsdurch-messer von etwa 15 cm und einem Ge-wicht von an die 2 kg (= ca. 24 Hühnereier) die größte tierische Zelle.

Die Zelle ist ein off enes System Workshop Suche nach Strukturen in deinem Alltag, die man auch als „System“ bezeichnet, und notiere sie. Lies erneut die Defi nition für „System“. Finde Argumente, die beweisen, dass die von dir gefunde-

nen Strukturen tatsächlich off ene oder geschlossene „Systeme“ sind. Diskutiert in der Gruppe und notiert eure Ergebnisse.

MINIMINIAbb. 30: Zellen im Größenvergleich

1 μm = 0,001 mm

32

2.1 Das Mikroskop macht das Innenleben der Zellen sichtbar

Mit Hilfe eines Mikroskops können die Strukturen der Zellbestandteile stark vergrößert werden. Für die Leis-tungsfähigkeit eines Mikroskops ist die Vergrößerung, aber auch das Aufl ösungsvermögen entscheidend. Ein gutes Lichtmikroskop kann Zellen und größere Zellbe-standteile sichtbar machen, die Feinstrukturen können nur im Elektronenmikroskop deutlich aufgelöst werden.

Abb. 31: Pfl anzenzelle (links) und tierische Zelle (rechts) im

Lichtmikroskop schematisch)

Lichtmikroskop (LM) Elektronenmikroskop (EM)

Das Untersuchungsmaterial wird von sichtbarem Licht durchstrahlt.

Das Elektronenmikroskop arbeitet mit Elektronen-strahlen, deren Wellenlänge erheblich kleiner ist als die des sichtbaren Lichtes.

Mehrere Systeme aus Glaslinsen erzeugen durch Lichtbeugung ein vergrößertes Abbild. Der Konden-sor bündelt das Licht der Strahlungsquelle.

Zur Ablenkung und Bündelung der Strahlen werden elektrische oder magnetische Felder verwendet. Die Darstellung des Bildes erfolgt auf Leuchtschirmen oder auf fotografi schen Platten.

Das Aufl ösungsvermögen ist durch die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes begrenzt und liegt bei etwa 200 nm.

Mit der Geschwindigkeit der Elektronen verkürzt sich die Wellenlänge der Strahlen. Das Aufl ösungsvermö-gen eines EM ist mit etwa 0,1 nm begrenzt.

Moderne LM erreichen eine bis zu 1.000-fache Ver-größerung mit ausreichender Aufl ösung.

Mit dem Elektronenmikroskop erreicht man eine bis zu 1.000.000-fache Vergrößerung.

Die Untersuchung von lebenden, präparierten und gefärbten Objekten ist möglich.

Da im Inneren des EM ein Vakuum herrscht, können nur speziell präparierte Objekte und keine lebenden Zellen untersucht werden.

Okular

Objektiv

Objekttisch

Blendenring

Lichtquelle

Objektiv-

revolver

Scharf-

stellrad

Stativ

Objekt

Kondensor

elektronische Linse

(Objektiv)

Elektronenquelle

(Glühkathode)

elektonische Linse

(Projektiv)

elektronische Linse

(Kondensor)

Okular

(Glaslinsen)

Objektschacht + Objekt

Leuchtschirm, Sensor

Vakuum

Abb. 32: Lichtmikroskop (links) und Elektronenmikroskop (rechts)

Aufl ösungsvermögenkleinster Abstand zweier

Punkte, bei der diese noch

getrennt wahrgenommen

werden können

sichtbares Licht Licht, das vom menschlichen

Auge wahrgenommen

werden kann; liegt in einem

Wellenbereich von 380 bis

750 nm

Nanometer (nm)0,001 μm = 106 mm

Kondensor

(lat. condensare = bündeln)

= Linsensystem, welches

das Mikroskoplicht im

Strahlengang bündelt, um

das Präparat möglichst hell

auszuleuchten

Zell-membran

Zellkern

Zell-plasma

Zellsaft-raum

Farbstoff träger(Chloroplast)

Zellwand

33

Größenvergleich

1. Schätze die Größen der folgenden Organismen bzw. Zellen und ordne sie von der größten zur kleinsten. Jede richtige Reihung bringt einen Punkt.

Euglena Amöbe Schmuckalge: Micrasterias die größten Nervenzellen weiße Blutkörperchen Pantoff eltierchen typische Pfl anzenzelle Bakterien menschliche Eizellen Straußenei

2. Ergänze dann mit Hilfe deines Buches die realen Größenwerte in Form einer Tabelle.

QUIZ

Wie sehen die Zellen einer Küchenzwiebel aus? WorkshopMaterial:

Küchenzwiebel, Pinzette, Skalpell (alternativ: Rasierklinge), Objektträger, Deckglas, Pipette oder Glasstab, Methylenblau, Neutralrot, Filterpapier, Mikroskop, Anleitung zum Mikroskopieren unter www.hpt.at/165051.

Aufgaben:

Vergleiche dein Mikroskop mit der Abb. 32 und mache dich mit den einzelnen Teilen vertraut. Studiere die Anleitung zum Mikroskopieren genau, bevor du in deiner Gruppe die weiteren Aufgaben bearbeitest.

Anleitung zur Herstellung eines Präparates:

An der Innenseite einer Zwiebelschuppe schneidet man mit dem Skalpell ein kleines Fenster aus und löst das zarte Häutchen mit der Pinzette ab.

Mit einer Pipette oder einem Glasstab gibt man einen Tropfen Wasser auf den Objektträger und legt das Zwiebelhäutchen hinein.

Nun deckt man das Häutchen vorsichtig mit einem Deckglas ab, sodass keine Luftblase eingeschlossen wird. Anschließend fi xiert man den Objektträger auf dem Objekttisch des Mikroskops.

Stellt ein Präparat nach Anleitung her und beobachtet das Bild im Mikroskop. Wenn ihr ein scharfes Bild eingestellt habt, erkennt ihr die regelmäßigen Zellen des Zwiebelhäutchens.

Setzt mit einer Pipette auf einer Seite des Deckglases einen kleinen Tropfen Neutralrot ab. Saugt nun mit dem Filterpapier, das an der anderen Deckglasseite angedrückt wird, die Farbstoffl ösung durch das Präparat auf. Notiert eure Beobachtungen.

Zeichne möglichst groß auf ein DIN-A4-Blatt, was du im mikroskopischen Bild sehen kannst. Beschrifte die Zellbestandteile.

Das Plasma hebt sich deutlich von der starren Zellwand ab. Es beginnt, sich rot zu färben.

Stellt wie oben beschrieben ein neues Präparat her, färbt es in gleicher Weise mit Methylenblau und beobachtet die Veränderung.

Kleine rundliche Gebilde in der Mitte der Zellen färben sich blau. Die Zellkerne werden sichtbar.

Zeichne möglichst groß auf ein DIN-A4-Blatt, was du im Mikroskop erkennen kannst. Beschrifte die in deiner Zeichnung dargestellten Zellbestandteile (Beachte folgende Kriterien, die eine naturwissenschaftliche Zeichnung kennzeichnen: Zeichne alles, was du bei genauer Betrachtung siehst, mit deutlichen durchgängigen Strichen und so groß wie möglich)

Während Neutralrot vorwiegend das Plasma färbt, wirkt Methylenblau auf den Zellkern.

34

3 Organellen als "Organe" der Zelle

Betrachten wir eine Zelle im Elektronenmikroskop (� Abb. 32), erkennen wir eine Reihe von Strukturen. Man nennt sie Organellen, weil sie wie die Organe eines vielzelligen Körpers bestimmte Aufgaben erfüllen.

Nach außen ist die Zelle von einer Zellmembran um-schlossen. Die meisten Organellen im Plasma sind eben-falls von Membranen umgeben, die den gleichen Aufbau wie die Zellmembran haben. Der organellenfreie Teil des Cytoplasmas wird als Grundplasma bezeichnet. Es be-steht zu 60 bis 90 % aus Wasser und enthält Eiweiße, Koh-lehydrate, Fette, fettähnliche Stoff e (Lipoide) und Salze.

Frischpräparate und Dauerpräparate

Zur mikroskopischen Betrachtung biologischer Objekte werden unterschiedliche Präparate hergestellt. Bei pfl anzlichem Material verwendet man häufi g dünne Schnitte, die man zum Beispiel mit einer Rasierklinge an-fertigen kann. Werden sie direkt untersucht, erlauben sie das Beobachten der Zellen in lebendigem Zustand. Diese sogenannten Frischpräparate sind aber meist wenig kontrastreich und nicht lange haltbar.

Für eine kontrastreichere Darstellung kommen verschiedene Fixierungs- und Färbemethoden zum Einsatz. Durch die Fixierung des Präparats (z. B. mit Alkohol oder Formalin (Formol)) werden allerdings die Zellen ab-getötet. Ein großer Vorteil dieser Dauerpräparate ist deren lange Haltbarkeit. Zusätzlich besteht die Darstel-lungsmöglichkeit bestimmter Strukturen durch vielfältige, spezifi sche Färbungen (z. B. Zellwand durch Gram-Färbung).

EXTRA

Manche Organellen sieht man auch im Lichtmikroskop Workshop Vergleiche die Abb. 31 mit der Abb. 33. Beschreibe den wesentlichen Unterschied. Erinnere dich an die Beobachtungen im Workshop S. 31. Welche Organellen sind im lichtmikros-

kopischen Bild zu erkennen? Notiere.

MINIMINI

Dictyosom

Mitochondrium

Ribosomen

Lipoidtröpchen

Kernplasma

Kernpore

Kernmembran

Kernkörperchen

Zellplasma (= Cytoplasma)

ZellmembranEndoplasmatisches

Reticulum

Zellpore

Organellen

„kleine Organe“ = abge-

grenzte Bereiche in der Zelle,

die wie die Organe eines viel-

zelligen Körpers bestimmte

Funktionen erfüllen

Abb. 33: Tierische Zelle im EM (schematisch)

35

Was kannst du über die Zellorganellen erfahren? WorkshopMaterial:

buntes Papier, Schere, Klebstoff , Watte, Schnüre etc.

Aufgaben:

Betrachte die Abb. 33 genau! Sie zeigt den schematischen Aufbau einer tierischen Zelle mit ihren Organellen.

Stelle nach dem untenstehenden Muster eine Tabelle her und trage Namen und schematische Zeichnungen der Organellen darin ein. Stelle den Zusammenhang zwischen Aufbau und Funktion her. Schreibe das Ergebnis in die entsprechende Spalte.

Suche dann in den folgenden Kapiteln nach genaueren Informationen und ergänze die Tabelle! Hilfe erhältst du auch im Internet unter www.hpt.at/165051 – „Interaktive Übung zur Zelle“.

Name der Organelle

Schematische Zeichnung

Beschreibung (Zahl, Form, Lage, Größe, Sonstiges …)

Funktion(en) begründen

Zellkern

Zahl: 1Form: rund bis oval

Lage: im Plasma meist bei Tieren in Zellmitte, bei Pfl an-zen am Rand

Sonstiges: relativ groß, von Doppelmembran mit Kern-poren umgeben; netzartiges Gerüstwerk im Inneren

Weil der Zellkern DNA enthält, dient er als Informationsspei-cher, der Steuerung des Zell-stoff wechsels, der Weitergabe der Erbinformation

Sucht euch jeweils eine/n Partner/in, vergleicht eure Tabellen und überprüft die Richtigkeit mit Hilfe der Texte im Buch.

Jede Gruppe sucht sich ein Organell aus und bastelt das Modell dazu. Präsentiert euer Modell der Klasse, indem ihr Struktur und Funktionen des Organells anhand eures

Modells erklärt. Vielleicht schaff t ihr es, als gesamte Klasse eine komplette Zelle mit allen wichtigen Organellen zusammen zu stellen – ein lohnendes Objekt für eine kleine Ausstellung! Sprecht euch innerhalb der Klasse untereinander ab!

3.1 Der Zellkern ist die Steuerzentrale der Zelle

Der Zellkern (Nucleus) ist auch im Lichtmikroskop als

rundliches oder ovales Gebilde erkennbar. Er ist durch

eine von Poren durchsetzte doppelte Membran vom

Grundplasma abgegrenzt. Diese Kernmembran steht

mit dem Endoplasmatischen Reticulum (� S. 41) in

Verbindung.

Im Inneren befindet sich das Kernplasma, in dem fa-

denförmige Strukturen eingebettet sind. Sie erschei-

nen im Lichtmikroskop als netzartige Struktur und

werden als Chromatin bezeichnet.

Das Chromatin stellt die Erbsubstanz dar. Es besteht

aus den so genannten Nucleoproteiden, die sich aus

Desoxyribonucleinsäure (DNS oder engl. DNA) und

verschiedenen Eiweißstoffen zusammensetzen.

EndoplasmatischesReticulum Kernmembran

Kernpore

Kernplasma+ DNA (Chromatin)

Kernkörperchen

Abb. 34: Bau des Zellkerns (schematisch)

nucleus

lat. = Kern

Nucleinsäuren Kernsäuren; sind wichtige

Bestandteile des Zellkerns

und für die Speicherung und

die Weitergabe der Erbanla-

gen verantwortlich

Desoxyribo-NucleinSäure (DNS = DNA: A steht für

engl. acid = Säure) =

Bestandteil der Chromo-

somen, fi ndet sich auch

in Chloroplasten und

Mitochondrien (� S. 40).

36

Vor jeder Zellteilung rollen sich die feinen Chromatinfä-den zu kompakten Chromosomen auf. Diese bestehen jeweils aus einem stark spiralig aufgewundenen Faden der DNA, der von Eiweißstrukturen gestützt wird.

Jede Organismenart besitzt eine für sie charakteristische Anzahl von Chromosomen – den Chromosomensatz.

Einzelne Abschnitte auf der DNA werden Gene oder Erbanlagen genannt. Diese Gene legen die Eigenschaf-

ten eines Organismus fest. Durch die Weitergabe der DNA werden diese Eigenschaften auf die nächste Ge-neration weitervererbt.

Im Kernplasma liegen meist zwei Kernkörperchen (Nucleoli), in denen sich eine weitere Nucleinsäure befi ndet, die ribosomale Ribonucleinsäure = r-RNA (r-RNS). Diese r-RNA ist zur Bildung der Ribosomen

(� S. 41) erforderlich.

ÜBRIGENS… besitzen alle Körperzellen des Menschen 46 Chromosomen (Chromosomensatz = 46) – davon stammen 23

vom Vater und 23 von der Mutter.

… haben Geschlechtszellen des Menschen (Ei- und Spermienzelle) jeweils nur 23 Chromosomen. Erst nach ihrer Verschmelzung bei der Befruchtung entsteht wieder eine Zelle (Zygote) mit 46 Chromosomen, aus der sich der Embryo entwickelt.

… besitzt der Chromosomensatz des Haushuhns 78, jener der Hausmaus 40 und der einer Stechmücke 6 Chromosomen. Die Chromosomenzahl ist also kein klarer Hinweis auf die Entwicklungshöhe des Organismus.

3.1.1 Der Zellkern erfüllt lebenswichtige Aufgaben

Als Träger der Erbanlagen (Gene): Die Informa-tionen für die zahlreichen Eigenschaften eines Le-bewesens sind in der DNA gespeichert. Die DNA enthält „Baupläne“ für Eiweißstoffe unterschiedli-cher Funktion (z. B. für Enzyme zur Steuerung des Zellstoffwechsels).

Für die Weitergabe der Erbanlagen an die Tochter-zellen im Zuge der Zellteilung.

3.1.2 Warum die DNA so einzigartig ist

Die Baueinheiten der DNA nennt man Nucleotide. Jedes Nucleotid ist aus einem Zuckermolekül (Des-oxyribose), einem Molekül Phosphorsäure und ei-nem Molekül einer stickstoffhaltigen organischen Base zusammengesetzt. Es gibt vier verschiedene Ba-sen – Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Gua-nin (G) – die vier verschiedene Nucleotide bilden.

Die DNA besteht aus zwei langen Nucleotidketten, in denen immer ein Thymin mit einem Adenin und ein Cytosin mit einem Guanin verbunden sind (Was-serstoffbrücken-Bindung). Dadurch liegen einander zwei komplementäre Ketten gegenüber, die eine so genannte Doppelhelix bilden. Die Ketten umwinden sich in regelmäßigen Schraubengängen, sodass das ganze Molekül mit einer in Längsrichtung gedrehten Strickleiter verglichen werden kann. Die Basenpaare stellen dabei die Sprossen der Leiter dar (� Abb. 35).

Gene sind bestimmte Abschnitte auf der DNA. Sie enthal-ten die Bauanleitung für Proteine. Die Information steckt in der Abfolge der verschiedenen Basen (Basensequenz). Drei Basen (ein Basentriplett) stehen für eine bestimmte Aminosäure. So defi niert etwa das Basentriplett GCU die Aminosäure Alanin, während GGU für Glycin steht. Jedes Triplett ist eindeutig. Eine bestimmte Aminosäure kann durch verschiedene Basentripletts codiert werden. So stehen GCU, GCC, GCA und GCG alle für Alanin.

{

DNA-Doppelhelix

Eiweißgerüst

{Spiralisierung der

DNA Doppelhelix

Chromosom mit

2 Chromatiden

Abb. 35: DNA-Doppelhelix – Aufbau eines Chromosoms im Überblick

Chromosom

(griech. chroma =

Farbe, soma = Körper) =

Transportform der DNA

während der Zellteilung; gut

anfärbbar

Chromosomensatz

Gesamtheit der Chromo-

somen im Zellkern

Nucleolus(lat. = kleiner Kern) =

Kernkörperchen

(Mehrzahl: nucleoli)

RiboNuclein-Säure (RNS = engl. RNA)

Nucleinsäuren; sind im

Zellkern, in den Mitochon-

drien, den Ribosomen und

den Chloroplasten enthalten

komplementär

ergänzend (eine Kette der

DNA ist das ergänzende

Gegenstück zur anderen

Kette)

helix

lat. = Schnecke

Basensequenz

Abfolge der Basen in der DNA

37

Die in der DNA gespeicherte Information wird bei jeder Zellteilung an die Tochterzellen weitergege-ben. Das ist möglich, weil die DNA die einzigartige Fähigkeit besitzt, sich vor jeder Kernteilung identisch zu kopieren (Identische Reduplikation = IR). Dazu

werden die beiden Ketten enzymatisch getrennt, und jeder Einzelstrang dient als komplementäre Vorlage für einen neuen Gegenstrang, der sich aus freien Nu-cleotiden des Kernplasmas neu zusammensetzt.

Abb. 36: Chemische Bausteine der DNA

Nucleotide im

Kernplasma

Enzyme trennen

die Doppelhelix

Komplementäres

Nucleotid lagert

sich an

Abb. 37: Identische Reduplikation der DNA

Multiple Choice: DNA

Finde die richtigen Antworten und kreuze sie an. Achtung, es können auch mehrere Antworten richtig sein! Auswertung: Jede richtige Antwort bringt einen Punkt, jede falsche Antwort einen Punkteabzug. Du hast drei Minuten Zeit – viel Erfolg!

1. Aus welchen chemischen Bausteinen besteht ein Nucleotid?

Zuckermolekül organische Base Eiweißrest Phosphorsäure

2. Welche Substanz ist keine der vier organischen Basen der DNA?

Arginin Thymin Guanin Cytosin

3. Wie kann man den zweifach gewundenen DNA-Faden bezeichnen?

Wasserstoff brücke Basentriplett Doppelhelix komplementäre Nucleotidketten

4. Aus wie vielen Chromosomen besteht der vollstän-dige Chromosomensatz des Menschen?

46 23 13 48

5. Welche Bezeichnung wird durch DNS abgekürzt? Desoxyribonucleinsäure Ribonucleinsäure Desoxyribofl avinsäure Desoxyribose

QUIZ

Identische Reduplikation die Fähigkeit der DNA,

sich selbst identisch (bis

zu jedem Atom exakt) zu

kopieren

38

Hydrophil und hydrophob

Der Grund für die Wasserfreundlichkeit hydrophiler Stoff e liegt in ihrem Molekülbau.

Sie sind polar wie das Wassermolekül, in dem der Sau-erstoff (O) die Elektronen stärker anzieht als die Was-serstoff atome (H). Die sogenannte Elektronegativität ist also bei Sauerstoff größer. Dadurch entsteht am O ein negativer Pol, an den H-Atomen aber jeweils ein positiver Pol. Das Wassermolekül ist demnach ein Di-pol.

Ein anderes polares Molekül entwickelt elektrostati-sche Anziehungskräfte zu den Polen des Wassermole-küls. Es bildet sich eine Wasserstoff brücken-Bindung – eine schwache chemische Bindung.

Hydrophobe Stoff e hingegen sind unpolare Moleküle wie die langen Kohlenwasserstoff ketten (� Abb. 38) in den Fetten, die keine Dipole bilden und daher wasser-abweisend sind.

Phospholipide sind amphiphil, d. h. sie bestehen aus ei-nem hydrophilen und einem hydrophoben Teil.

Auf Grund dieser molekularen Struktur ordnen sich die beiden Anteile innerhalb der Membrandoppelschicht so an, dass die hydrophoben Molekülteile nach innen und die hydrophilen nach außen zeigen.

Ein Teil ist hydrophil, um vom wasserhaltigen Zellplas-ma nicht abgestoßen zu werden.

Ein anderer Teil ist hydrophob und bildet eine Barriere für wasserlösliche Stoff e.

EXTRA

ÜBRIGENS… vermögen in der DNA vier frei kombinierbare Zeichen, nämlich die vier Basen, genetische Information zu spei-

chern. Theoretisch können 64 unterschiedliche Aminosäuren kodiert werden – das sind weit mehr als notwen-dig! Benötigt werden in unserem Körper nur 20 Aminosäuren, und einige Tripletts kodieren dieselbe Amino-säure.

… besitzt die DNA des Menschen über 3 Milliarden Basenpaare, die etwa 23.000 Gene bilden.

… enthält die DNA des Darmbakteriums Escherichia coli nur etwa 4.500 Gene.

… ist die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle aneinandergereiht etwa 1,80 m lang.

… wurde das menschliche Genom im Jahre 2003, nach 15-jähriger Arbeit, erstmals vollständig entschlüsselt.

3.2 Zellmembranen – aktive Grenzschichten

Membranen sind Grenzschichten zwischen Zellen und grenzen die Organellen gegen das Cytoplasma ab.

Sie regulieren den Stoffaustausch innerhalb der Zelle sowie zwischen den Zellen und ihrer Umge-bung.

Zellmembranen sind selektiv permeabel (auswäh-lend durchlässig). Sie können entsprechend ihrer Aktivität die Struktur und die Durchlässigkeit für bestimmte Stoffe verändern. Auf diese Weise kann die Auswahl der Stoffe an den jeweiligen Bedarf an-gepasst werden.

hydrophil

hydrophil

hydrophob

hydrophil

hydrophob

Abb. 38: Polare Moleküle (z. B. Wasser, oben) und unpolare Moleküle (z. B. Hexan, unten)

Abb. 39: Hydrophile und hydrophobe Anteile in einer Membran

hydrophil (griech. hydro = Wasser,

philos = Freund) = wasser-

liebend

hydrophob

(griech. phobos = Angst) =

wasser-feindlich (z. B. Fette).

Sie lösen sich nicht in Wasser.

amphiphil (griech. amphí = beides,

philos = liebend) = zeigt

hydrophile und hydrophobe

Eigenschaften

39

3.2.1 Passive und aktive Transportvorgänge regeln den Stoff austausch

Für den aktiven Transport muss Energie aufgebracht werden. Der passive Transport kann ohne zusätzliche Energiezufuhr erfolgen; er ist aber nur für kleine, mo-lekulare Teilchen (z. B. Wassermoleküle) möglich.

Der passive Stoff transport erfolgt durch die physikalischen Vorgänge Diff usion und OsmoseUnter Diffusion versteht man einen physikalischen Vorgang, der zu einer gleichmäßigen Verteilung unterschiedlicher Teilchen führt. Grundlage dieses Prozesses ist die thermische Eigenbewegung der Teilchen, die so genannte Brown’sche Molekularbe-wegung. Je höher die Temperatur ist, desto stärker bewegen sich die Teilchen.

Schichtet man Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Konzentration vorsichtig übereinander, so bewegen

sich die Moleküle beider Flüssigkeiten so lange vom Ort höherer Konzentration zum Ort niederer Konzen-tration, bis eine gleichmäßige Verteilung der Molekü-le erreicht ist (Konzentrationsausgleich).

Osmose nennt man die Diffusion durch eine selektiv permeable Membran bis zum Konzentrationsaus-gleich. Trennt man zwei verschieden konzentrierte Lösungen durch eine Membran, die zwar das Lö-sungsmittel (z. B. Wasser), nicht aber den gelösten Stoff (z. B. Zucker) durchtreten lässt, so wandern die Wassermoleküle zur Seite der höher konzentrierten Lösung.

Da auf diese Weise das Flüssigkeitsvolumen auf der Seite der ursprünglich höheren Konzentration zunimmt, ent-steht hier ein Überdruck, der osmotische Druck.

Alle Zellmembranen sind selektiv permeabel. Diffu-sion und Osmose ermöglichen den Stoffaustausch und regeln den Wasserhaushalt der Zellen.

Salz

Wasser

Raum 2 Raum 1Zellmembran

Wasser + Salz Wasser

Abb. 40: Diff usion von Salz in Wasser

Abb. 41: Osmose durch eine Membran

Warum platzen Kirschen auf, wenn es regnet? WorkshopMaterial:

Leitungswasser, Becherglas, Waage, stark zuckerhaltige Früchte (Kirschen, Zwetschken, Weintrauben)

Aufgaben:

Entwickelt mit den oben genannten Materialien eine Versuchsanordnung, die es ermöglicht, den Konzentrationsausgleich durch selektiv permeable Membranen zu beobachten.

Führt den Versuch durch und protokolliert ihn. Bedenkt bei der Durchführung, dass der Vorgang ein bis zwei Stunden dauert.

Interpretiert eure Beobachtungen und formuliert eine Erklärung für die Veränderung der Früchte.

Diff usion

Bewegung gelöster

Stoff e aus einem Bereich

von hoher Konzentration in

einen Bereich niedrigerer

Konzentration

Konzentration

Anzahl der Teilchen in einer

bestimmten Flüssigkeits-

menge

selektiv permeabel (lat. selectio = Auswahl,

permeare = durchgehen) =

nur für bestimmte Moleküle

durchlässig

Osmose

Diff usion durch eine selektiv

permeable Membran, die

das Lösungsmittel

(z. B. Wasser), nicht aber

die darin gelösten größeren

Moleküle durchlässt.

Den Workshop

„Wie verhält sich Himbeer-

sirup in Wasser?“ fi ndest du

online auf

www.hpt.at/165051.

40

Abb. 42: Modell einer Zellmembran: (schematisch) Zellmembranen bestehen aus einer Doppelschicht von Phospholipi-den, die nach außen hydrophile und nach innen hydrophobe Anteile aufweisen. Eingelagerte Cholesterinmole-küle verstärken die Schicht. Kugelförmige (globuläre Proteine) und kettenförmige Eiweiße (Helixproteine) sind in der Lipoidschicht eingebaut. An den aus der Membran herausragenden Anteilen tragen die Proteine Zucker-moleküle als Seitenketten.

hydrophiler Anteil

hydrophober Anteil

Helix-Protein

hydrophober

Abschnitt

Zuckermolekül-Seitenkette

Globuläres Protein Cholesterin

Phospholipide

{

Der Transport der größeren Moleküle und Ionen erfolgt mit Hilfe eigener Transportmoleküle der Zellmembra-nen. Als Transportmoleküle fungieren:

Globuläre Proteine, die für den Austausch von Ionen und von verschiedenen Molekülen wie z. B. Amino-säuren verantwortlich sind.

Helix-Proteine, die als Rezeptoren für zellfremde Mo-leküle dienen. Diese Transportproteine binden die-se Moleküle vorübergehend und transportieren sie durch die Membran.

ÜBRIGENS… bilden die Zellmembranen mancher Zellen zusätzlich feine Ausstülpungen, die Mikrovilli genannt werden.

Sie vergrößern die Oberfl äche und verbessern dadurch die Fähigkeit zum Stoff austausch, z. B. die Nährstoff -aufnahme durch die Darmwand.

… sind die Membranen benachbarter Zellen in vielzelligen Organismen durch spezielle Kontaktstellen mit-einander verbunden. Über Plasmafäden innerhalb dieser Verbindungskanäle können Stoffe ausgetauscht werden.

Durch aktiven Stofftransport werden größere Moleküle sowie Ionen transportiert

3.3 Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ der Zelle

Abb. 43 Mitochondrium

Mitochondrien (Einzahl: Mitochondrium) haben stäb-chen- bis kugelförmige Gestalt. Sie sind von einer Dop-pelmembran umgeben. Im Innern befi ndet sich die zen-trale Grundsubstanz (Matrix), die Ribosomen und eine eigene DNA (mitochondriale DNA) enthält. Die innere

Membran bildet zahlreiche Falten und Einstülpungen zur Vergrößerung der Oberfl äche. In der Matrix und der inneren Membran sind die Enzyme (� S. 68) für die Zell-atmung eingebettet, bei der das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat (ATP) gebildet wird.

Für den Aufbau von ATP werden im Zuge der Zellatmung energiereiche Stoff e (z. B. Glucose C

6H

12O

6) enzymatisch

zu CO2 und Wasser abgebaut. Dabei wird schrittweise

Energie freigesetzt, die zum Aufbau des Energieüberträ-gerstoff es ATP genutzt wird. Ein Teil der Energie wird als Wärme abgegeben (Zellatmung � S. 74).

ATP dient als zentraler Energielieferant für fast alle Stoff -wechselvorgänge in der Zelle. Die vereinfachte Sum-mengleichung der Zellatmung lautet:

C6H12O6 + 6 O2 � 6 CO2 + 6 H2O + Energie (ATP und Wärme)

Matrix

Ribosomen

innere Membran

DNA

äußere Membran

Lipoide

(griech. lipos = Fett) =

Sammelbezeichnung für

fettartige, hydrophobe

Substan-zen; z. B. Butter

und Olivenöl (Triglyceride),

Membranfette (Phospholipi-

de) sowie Cholesterin und die

Geschlechtshormone

globuläre Proteine kugelförmige Eiweiße, Be-

standteil der Zellmembranen

Helix-Proteine (lat. helix = Schraube) =

kettenförmige Eiweiße, Be-

standteil der Zellmembranen

Mikrovilli (lat. mikros = klein, villus

= Zotte) = fadenförmige

Zellfortsätze zur Oberfl ächen-

vergrößerung

Mitochondrium (griech. mitos = Faden;

griech. chondros = Korn) =

Organell der Zelle; dient der

Zellatmung

(Mz. Mitochon-drien)

Adenosintriphosphat (ATP)

energiereiche Verbindung,

aufgebaut aus einem Molekül

Zucker und drei Molekülen

Phosphorsäure; Energieüber-

trägerstoff in den Zellen aller

Organismen

41

3.4 Ribosomen dienen dem Aufbau körpereigener Proteine

Ribosomen sind winzige, kugelige Partikel, die aus Ri-bonucleinsäure (� S. 36) und Proteinen bestehen. Mit ihrer Hilfe erfolgt der Aufbau der körpereigenen Eiwei-ße, die so genannte Proteinbiosynthese. Dabei können

mehrere Ribosomen hintereinander perlschnurartig aufgereiht sein. In diesem Fall spricht man von Polyso-men. Dadurch kann die Eiweißproduktion noch effi zi-enter ablaufen.

3.5 Endoplasmatisches Reticulum (ER) – wichtiges „Kanalsystem“

Bei elektronenmikroskopischer Betrachtung einer Zelle zeigt sich, dass das Cytoplasma von verzweigten Kanälen durchzogen ist. Dieses netzartige Kanalsystem bezeich-net man als Endoplasmatisches Reticulum (ER). Es dient vor allem dem Transport von Stoff en in und zwischen den Zellen.

Es steht sowohl mit der Zellmembran als auch mit der Kernmembran in Verbindung. Die Kernmembran ist eine besondere Ausbildung des ER.

Das glatte ER trägt keine Ribosomen. Es wirkt bei vie-len Stoff wechselvorgängen mit und ist u. a. an der Li-pidbiosynthese beteiligt. Hier werden Öle, Phospholi-pide und Steroide produziert. Dazu gehören auch Ge-schlechts- und andere Steroidhormone.

Das raue oder granuläre ER ist an seiner Oberfl äche dicht mit Ribosomen besetzt (� Abb. 44). Hier fi nden zahlreiche Stoff umwandlungen statt. Unter ande-rem werden die an den Ribosomen gebildeten Pro-teine weitertransportiert.

Im Zuge des Stoffwechselgeschehens wird das ER ständig verändert und umgebaut. So werden aus ER-Membranen Bläschen gebildet, die entweder dem Stofftransport oder der Speicherung von Stoffen dienen. Derartige Bläschen heißen Transportvesikel, die z. B. Proteine zum Golgi-Apparat weitertranspor-tieren oder Verdauungsenzyme speichern.

Abb. 44: Endoplasmatisches Reticulum mit Ribosomen

3.6 Der Golgi-Apparat – Ausscheidungs- und Transportsystem

Transportbläschen des ER wandern mit Stoff en zum Golgi-Apparat. Dieser fungiert als Art „Endfertigungs- und Postzentrale“ für diese Substanzen. Hier werden die vom ER übernommenen Stoff e modifi ziert und in Bläschen verpackt, die genau an den gewünschten Zielort in der Zelle transportiert werden.

Dictyosomen sind Stapel aus kleinen Membransäck-chen, die an ihren Enden Bläschen abschnüren. Be-sonders häufi g kommen sie in Drüsenzellen vor und erzeugen dort Sekrete, z. B. die ätherischen Öle der Pfeff erminze. Die Sekrete werden in den Bläschen ge-speichert und an die Zelloberfl äche transportiert, wo sie ausgeschieden werden.

Im Golgi-Apparat werden auch die Lysosomen ge-bildet, die nur in tierischen Zellen vorkommen. Diese Bläschen weisen einen sauren pH-Wert auf und ent-halten Verdauungsenzyme. Ihre Aufgabe besteht in

der intrazellulären Verdauung. In weißen Blutkörper-chen sind sie für die Verdauung von Krankheitserre-gern wichtig.

Der Golgi-Apparat besteht aus der Gesamtheit aller Dictyosomen einer Zelle. Ihr Aufbau ist nur im Elektro-nenmikroskop deutlich erkennbar.

Sekretbläschen(z. B. Lysosomen)

Membransäckchen

Abb. 45: Dictyosomen

3.7 Peroxisomen

Peroxisomen sind kleine kugelförmige Organellen, die von einer Membran umgeben sind. Sie ähneln den Ly-sosomen, werden aber nicht im Golgi-Apparat gebil-det. In den Peroxisomen fi nden wichtige Stoff wechsel-vorgänge statt, die u.a. der Entgiftung der Zelle dienen:

Abbau von Wasserstoff peroxid (H2O

2) durch Enzyme

(Oxidasen und Katalasen). H2O

2 wird dabei zu Wasser

und Sauerstoff zerlegt.

Bindung freier Radikale

Ribosomen

Organellen der Zelle; Orte

der Proteinbiosynthese;

20 – 25 nm groß

Proteinbiosynthese

Aufbau körpereigener

Eiweiße in lebenden Zellen

Polysomen

Aneinanderreihung vieler

Ribosomen im Zuge der

Proteinbiosynthese

Endoplasmatisches Reticulum (ER)(griech. endo = innen; lat.

reticulum = kleines Netz)

= Netz aus Kanälen im

Zellplasma

Golgi-Apparat Zellorganell aus Mem

branräumen; dienen dem

Abtransport von Stoff en;

entdeckt von Camillo Golgi

Camillo Golgi (1844 – 1926); ital. Forscher,

Entdecker des Golgi-

Apparates; erhielt 1906 den

Nobelpreis für Physiologie

oder Medizin

Dictyosomen

(griech. diktyon = Netz;

griech. soma = Körper) =

Stapel aus Membransäck-

chen des Golgi-Apparates

SekretDrüsenabsonderung

ätherisch

leicht fl üchtig; verdunstet

sehr schnell

Lysosomen vom ER gebildete Bläschen;

dienen der Aufl ösung oder

Verdauung von zelleigenen

oder zellfremden Stoff en

Ribosom

EndoplasmatischesRetikulum (ER)

42

4.1 Plastiden – eine Besonderheit der Pfl anzenzellen

Abb. 46: EM-Aufnahme (li.) und Schema (re.) des Chloro-plasten

Die Plastiden der pfl anzlichen Zelle sind auch im Licht-mikroskop sichtbar.

Man unterscheidet:

Chloroplasten (� Abb. 46) sind meist linsenförmig und besitzen eine Doppelmembran. Die Einstülpun-

gen der inneren Membran bilden viele übereinander gestapelte Säckchen (Thylakoide), in welchen sich der grüne Farbstoff , das Chlorophyll, befi ndet. Hier fi ndet die Fotosynthese (� S. 71) statt. Dabei wird aus Wasser und Kohlenstoff dioxid unter Einwirkung von Sonnenlicht und mit Hilfe von Chlorophyll Zuk-ker und Sauerstoff produziert. Die Reaktionsglei-chung der Fotosynthese lautet:

6 CO2 + 6 H2O � C6H12O6 + 6 O2

Die farblosen Leukoplasten beteiligen sich am Auf-bau der Reservestoff e (z. B. Stärke) in den farblosen Teilen der Pfl anze (z. B. den Wurzelstöcken).

Die Chromoplasten färben viele Blüten und Früchte. Sie sind z. B. verantwortlich für das Gelb der Sonnen-blume und das Rot der Tomaten.

Doppelmembran

Grana-Stapel

Stärkekörner

Grana-Stapel

4.2 Vakuolen sind Zellsafträume

Vakuolen sind mit Flüssigkeit gefüllte Hohlräume der Zelle. Sie dienen u. a. der Speicherung von Stoffen oder der intrazellulären Verdauung.

Während sie bei Tierzellen stets klein sind, können die Vakuolen in ausgewachsenen Pflanzenzellen den Großteil der Zelle ausfüllen (Abb. 31). Der darin ent-haltene Zellsaft besteht aus einer wässrigen Lösung von Ionen und organischen Verbindungen. Hier wer-den etwa Kalium- und Chlorid-Ionen, Speicherstoffe wie Proteine oder auch Stoffwechselabfälle eingela-gert.

Auch Farbstoffe sind im Zellsaft gelöst. So verleihen Anthocyane vielen Blütenblättern, dem Blaukraut oder den roten Rüben ihre rote, blaue und violette Farbe.

In der Vakuole lagern ebenso Giftstoffe, wie das Kof-fein der Kaffeebohne oder das Nikotin des Tabaks.

Abb. 47: Blütenfarben des Lungenkrauts – durch den Farb-stoff Anthocyan im Zellsaft

Kampf gegen Radikale!

Viele Pfl anzenfarbstoff e wirken als „Radikalfänger“. Radikale sind Atome oder Atomgruppen mit minde-stens einem freien Elektron. Sie sind sehr reaktionsfähig und daher oft gefährlich für unseren Organis-mus, weil sie zu Zellschäden führen können.

Freie Radikale entstehen im Zuge von Stoff wechselvorgängen in der Zelle (z. B. der Atmung in den Mito-chondrien) oder durch äußere Einfl üsse wie UV-, Röntgen- und radioaktive Strahlung sowie durch Einat-men von Zigarettenrauch. Sie können Zellen schädigen, wenn sie beispielsweise lebenswichtige Mole-küle oxidieren und damit unwirksam machen.

Radikalfänger, die diese reaktiven Moleküle binden, nennt man daher auch Antioxidantien. Dazu gehören viele Vitamine wie Vitamin A, C oder E.

EXTRA

4 Pfl anzenzellen sehen anders aus

Chloroplasten

(griech. chloros = grün, plas-

tos = geformt) = Organellen

mit grünem Farbstoff ; dienen

der Fotosynthese

Chlorophyll (griech. chloros = grün,

phyllon = Blatt) = grüner

Blattfarbstoff

Leukoplasten

(griech. leukos = weiß) =

farblose Plastiden; dienen

dem Aufbau von Speicher-

stoff en

Chromoplasten

(griech. chroma = Farbe) =

farbige Plastiden; enthalten

gelbe bis rote Farbstoff e

�1 Gesund bleiben –

EXTRA: Functional food, S. 19

Radikale

sehr reaktionsfähige Atome

oder Atomgruppen mit

mindestens einem freien

Elektron

Antioxidantien

Radikalfänger; binden

Radikale

43

Radikalfänger-Menü Workshop Informiere dich, welche Nahrungsmittel Antioxidantien enthalten. Benenne die Stoff e, die als

Radikalfänger wirken.

Stelle schriftlich ein fantasievolles Menü zusammen, in welchem du möglichst viele Radikalfänger zu dir nehmen kannst.

Vergleicht eure Menüs. Erklärt einander die wichtigsten Radikalfänger und bereitet zu Hause eines der Menüs zu.

MINIMINI

Steckbriefrätsel: Organellen

Wanted! Um welche Zellorganellen handelt es sich bei den folgenden Steckbriefen? Jeder richtige Begriff bringt einen Punkt.

1. Wanted! runder bis ovaler, gut sichtbarer Teil der Zelle enthält DNA steuert den Zellstoff wechsel speichert Erbanlagen und gibt sie an die

nächste Generation weiter

3. Wanted! mit Zellsaft gefüllt Hohlräume der Zelle Ort intrazellulärer Verdauung oft Speicherung von Farb- und Giftstoff en bei Tieren klein, bei Pfl anzen groß

5. Wanted! Stapel aus kleinen Membransäckchen schnüren an ihren Enden Bläschen ab besonders häufi g in Drüsenzellen bilden z. B. ätherische Öle der Pfeff erminze

2. Wanted! stäbchen- oder kugelförmige Gestalt besitzen eine Doppelmembran weisen eigene DNA auf Aufbau von ATP Ort der Zellatmung

4. Wanted! Aufbau körpereigener Eiweiße (Proteinbio-

synthese) winzige kugelige Partikel bestehen aus RNA und Proteinen oft perlschnurartig hintereinander aufge-

reiht

QUIZ

Lückentext: Osmose

Jeder richtige Begriff bringt einen Punkt. Ergänze: Warum platzen Kirschen am Baum, wenn es lange regnet?

1. Weil die Konzentration des in den Zellen hoch, im Regenwasser dagegen gering ist.2. Weil die Zuckermoleküle zu groß sind, um durch die Membran nach außen zu drin-

gen.3. Weil der Konzentrationsausgleich daher nur erfolgen kann, indem die in die Zelle

hineinwandern.4. Weil diese Wasseraufnahme so lange erfolgen kann, bis die Zelle !

QUIZ

44

4.3 Die Zellwand umgibt die Pfl anzenzelle

Die pfl anzliche Zelle ist neben der elastischen Zellmem-bran (� S. 40) noch von einer festen Zellwand umhüllt. Sie gibt der Zelle Stabilität und Schutz.

Die pfl anzliche Zellwand besteht aus Cellulosefi brillen, die in eine Grundsubstanz aus Pektin, Hemicellulose,

Protein und teilweise auch Lignin eingebettet sind. Die einzelnen Zellen sind durch die Zellwände hindurch mittels Plasmasträngen (Plasmodesmen) verbunden.

ÜBRIGENS… ist Stärke ein typischer Reservestoff in Pflanzenzellen.

… ist Cellulose sehr widerstandsfähig und ein wichtiger Rohstoff in der Papierherstellung und Bekleidungs-industrie (z. B. in Baumwolle und Leinen).

… ist Lignin ein wichtiger Bestandteil des Holzes (z. B. Stützfunktion bei Bäumen). Lignin bewirkt die Verhol-zung (Festigung) der Zelle.

… bilden tierische Zellen das Glycogen als Reservestoff.

… kommt Chitin nicht nur im Panzer von Insekten vor, sondern auch in den Zellwänden der Pilze. Vielleicht ein Hinweis für eine tierische Eigenschaft der Pilze, die ja weder zu den Pflanzen noch zu den Tieren ge-zählt werden.

Tierzelle und Pfl anzenzelle sind unterschiedlich WorkshopUntersuchungen im Elektronenmikroskop zeigen, dass die Zellen der Pfl anzen, Tiere und Menschen im Wesentlichen den gleichen Aufbau haben. Es gibt aber einige wichtige Unterschiede, die mit der grundlegend unterschiedlichen Lebensweise zusammenhängen.

Aufgaben:

Vergleiche Pfl anzen- und Tierzelle. Dokumentiere die Unterschiede im Aufbau, indem du alle Bestandteile der Zellen nach dem untenstehenden Muster in eine Tabelle einträgst:

Pfl anzliche Zelle Tierische Zelle

Bestandteile Funktionen Bestandteile

Zellkern Speicherung und Weitergabe der Erbanlagen, Steuerung des Zellstoff wechsels

Zellkern

Stelle den Zusammenhang zwischen dem Zellaufbau und dem grundlegenden Unterschied der Lebensweise grüner Pfl anzen zur Lebensweise tierischer Organismen her.

Erläutere die Lebensweise grüner Pfl anzen und nenne den Fachbegriff (Hilfe bekommst du aus dem Text des letzten Kapitels, aus deiner Liste aus Workshop S. 35 und im Internet).

Cellulose

Vielfachzucker

(Polysaccharid); aus

hunderten Glucosemolekülen

gebildet; wasserunlöslich

Pektin

Polysaccharid; bildet faden-

förmige Moleküle

Hemicellulose

Polysaccharid aus verschiede-

nen Zuckermolekülen

Lignin

Holzstoff ; langkettiger

Kohlenwasserstoff aus aro-

matischen Makromolekülen

aromatisch

ringförmiger Kohlen-

wasserstoff

45

5 Prokaryoten und Eukaryoten

Pfl anzen, Tiere, Pilze und Protisten werden als Euka-ryoten bezeichnet.Bakterien und Archaeen (früher Archaebakterien) gehö-ren zu den Prokaryoten. Vermutlich waren sie Vorstufen in der Entwicklung der Einzeller. Bei Prokaryoten ist die DNA im Gegensatz zu den Eukaryoten nicht in einem abgegrenzten Zellkern geschützt, sondern liegt frei im Cytoplasma.

Abb. 48: Stammbaum der Lebewesen (stark vereinfacht)

Prokaryotenzelle(Bakterien und Archaeen)

Eukaryotenzelle(tierische und pfl anzliche Einzeller,mehrzellige Pfl anzen, Pilze und Tiere)

Aufbau einfach sehr komplex

Größe meist < 10 μm meist 10 – 100 μm

Zellkern Kernäquivalent ohne Membran echter Zellkern von Kernmembran umgeben

Erbgut ein ringförmiges Chromosom und mehrere klei-ne ringförmige DNA-Stücke (Plasmide); liegen frei im Cytoplasma

mehrere Chromosomen mit komplexer Struk-tur; im Zellkern eingeschlossen

Organellen fehlen meist; organellenähnliche Strukturen; meist nicht von Membran umgrenzt (Ausnah-me z. B. Cyanobakterien)

verschiedene Organellen vorhanden; meist von Membran umgeben

Zellmem-bran

meist einschichtig zweischichtig; komplex gebaut, veränderlich

Zellwand verschiedene Strukturen und Zusammensetzun-gen; z. B. aus vielschichtigen Peptidoglycanen oder Lipopolysacchariden

Algen-, Pfl anzen- (aus Cellulose, s. o.) und Pilz-zellen (aus Chitin) besitzen eine Zellwand, tieri-schen Zellen fehlt eine Zellwand

Schemati-scher

Aufbau Plasmid (DNA-Ring)

Zellwand (mehrschichtig)

Plasmamembran

Ribosom im Plasma

Membrankörper (Mesosom)

LipidtropfenReservestoff : Phosphat

Geißel

Zellsaftraum

Zellwand

Tüpfel

Zellplasma

Kernkörperchen

Zellkern

Mitochondrium

Zellmembran

Chloroplast

Abb. 49: Bakterienzelle (schematisch) Abb. 50: Eukaryotenzelle (halbschematisch)

Prokaryoten

einfache Zellen ohne

geformten Zellkern

(z. B. Bakterien)

Archaeen(griech. archaios = uralt) =

altertümliche bakterienähn-

liche Prokaryoten

Eukaryoten

Organismen mit einem

Zellkern und membran-

umgrenzte Organellen

PeptidoglycaneMurein = Makromoleküle

aus Zuckern und Aminosäu-

ren; bilden eine Schicht der

Bakterienzellwand

Lipopolysaccharide Makromoleküle aus Lipoiden

und Polysacchariden

46

Steckbrief: Virus

sehr klein (20-200nm) bestehen nur aus einer Eiweißhülle und der Erbsubstanz kein eigener Stoff wechsel

Vermehrung nur in lebenden Zellen (Wirtszellen):- Bildung von bis zu 300 neuen Viren in einer Wirtszelle

- Freisetzung und Befall weiterer Zellen- Wirtszelle stirbt

keine echten Lebewesen

extrem hohe Vermehrungs- und Mutationsrate und daher schwer zu bekämpfen (oft neue Impfsubstanz nötig)

können gefährliche Krankheitserreger sein (z. B. Tollwut Hepatitis, AIDS)

EXTRA

Multiple Choice: Zellorganellen

Finde die richtigen Antworten und kreuze sie an. Achtung, es können auch mehrere Antworten richtig sein! Auswertung: Jede richtige Antwort bringt einen Punkt, jede falsche Antwort einen Punkteabzug. Du hast drei Minuten Zeit. Viel Erfolg!

1. Membranen regulieren den Stoff austausch. Ihre Doppelschicht ist aufgebaut aus:

Kochsalz und Proteinen Cholesterin und Phospholipiden Kohlenhydraten und Magnesium

3. An welchen Stellen der Zellen kommt DNA vor? Zellkern und Mitochondrien Zellkern und Ribosomen Mitochondrien und ER

2. Welche Zellorganellen sind für den Transport von Stoff en zuständig?

Mitochondrien und Ribosomen Zellkern und ER ER und Dictyosomen

QUIZ

Eukaryoten – Prokaryoten

Ordne die folgenden Eigenschaften der Prokaryoten- bzw. Eukaryotenzelle zu, indem du P (für Prokaryotenzelle) bzw. E (für Eukaryotenzelle) in das Kästchen neben der Eigenschaft einträgst! Wer hat die richtige Lösung am schnellsten?Würmer Kernäquivalent Zellwand aus Cellulose Chromosomen einfacher Aufbau Bakterien einschichtige Zellmembran Chloroplasten

meist 10 – 100 μm Zellwand aus Murein (Peptidoglycanen) komplexer Aufbau Plasmide Kernmembran meist < 10 μm 2-schichtige Zellmembran Membrankörperchen

Abb. 51: Viren (EM-Aufnahme, gefärbt)

QUIZ

47

6 Die formenreiche Welt der Einzeller

6.1 Sind Augentierchen tier- oder pfl anzenähnlich?

Das Augentierchen (Euglena) ist ein einzelliger, mikrosko-pisch kleiner Organismus, der in Gewässern lebt. Im licht-mikroskopischen Bild fi ndet man neben dem Zellkern noch zahlreiche Chloroplasten (� S. 42). Ist genügend Licht vorhanden, kann das Augentierchen Fotosynthese betreiben. Wenn es dunkel ist, kann es auch organische Stoff e aufnehmen und verdauen.

Euglena lebt daher im Licht autotroph (� S. 67), ohne ausreichend Licht aber heterotroph (� S. 67). Daher handelt es sich beim Augentierchen um einen Organis-mus, der sowohl pfl anzen- als auch tierähnliche Eigen-schaften besitzt.

Am Vorderende der Zelle befi ndet sich ein langer Plas-mafortsatz, welcher der Fortbewegung dient: die lange

Geißel. Die Bewegung wird bei Euglena durch Licht-reize gesteuert, die durch einen Fotorezeptor an der Geißelbasis unterhalb des Augenfl ecks aufgenommen werden. Diese Fähigkeit, die Lichtrichtung erkennen zu können, erklärt den Namen „Augentierchen“. Sie ermög-licht Euglena immer, die hellsten Bereiche des Gewässers (z. B. Tümpels) anzusteuern und für die Fotosynthese zu nützen.

Zur Speicherung der aufgenommenen Energie dient ein stärkeähnlicher Reservestoff – das Paramylon –, der in zahlreichen Körnern im Cytoplasma untergebracht ist. Der Ausscheidung dienen kontraktile Bläschen (Va-kuolen), die sich in regelmäßigen Abständen füllen und durch die Zellmembran entleeren.

Einzeller sind nicht alle miteinander verwandt!

Einzeller bilden keine geschlossene Verwandtschaftsgruppe. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie alle aus nur einer einzelnen Zelle bestehen. Dazu zählen: alle Archaeen (z. B. Methan-, Halobakterien): sehr ursprünglich gebaute Einzeller, die sich häufi g durch

einen anaeroben Stoff wechsel auszeichnen die meisten Bakterien (z. B. Cyanobakterien, Purpurbakterien, viele Krankheitserreger): besitzen wie die

Archaeen keinen Zellkern, entsprechen aber in vielen Zellstrukturen den Eukaryoten (� S. 45) einige Pilze (z. B. Hefe): eukaryotische, heterotrophe Organismen mit Besonderheiten wie z. B. einem chit-

inhaltigen Zellskelett (� S. 157) Protisten (z. B. Protozoen und einzellige Algen): eukaryotische Einzeller mit tierischer und pfl anzlicher

Lebensweise

EXTRA

Geißel

Fotorezeptor

kurze Geißel

Ausscheidungs-

bläschen

ChloroplastParamylonkörnchen

(Stärke ähnlicher

Reservestoff )

Zellkern

Basalkorn

Augenfl eck

Abb. 52: Euglena schematisch Abb. 53: Euglena (Lichtmikroskop-Aufnahme)

Fotorezeptor

Sinneszellen bzw. Sinnes-

organellen, die auf Lichtreize

reagieren

autotroph

(griech. autos = selbst und

trophos = Ernährer) = sich

selbstständig ernährend;

Herstellung von organischen

Substanzen ausschließlich

aus anorganischen Substan-

zen, z. B. durch Fotosynthese

heterotroph

(griech. heteros = fremd)

= in der Ernährung ganz

oder teilweise auf die

Körpersubstanz oder die

Stoff wechselprodukte

anderer Organismen

angewiesen

Paramylon

(griech. para = neben;

lat. amylum = Stärke) =

stärkeähnlicher Reservestoff

von euglenaartigen Algen

und von Kalkalgen

48

6.2 Protozoen – tierähnliche Einzeller mit vielfältigen Lebensweisen

Protozoen sind zumeist nur im Mikroskop sichtbar und leben heterotroph im Wasser oder in vielfältigen anderen feuchten Umgebungen. Sie besiedeln sogar Extremstandorte wie Schnee oder Salzseen. Trocknet ihr Lebensraum, wie etwa ein kleiner Tümpel oder eine feuchte Wiese vorübergehend aus, so bilden manche Protozoen (z. B. Glockentierchen) Dauerformen. Sie um-geben sich mit einer festen Schale und überstehen so als Cysten die Trockenperiode.

Protozoen ernähren sich heterotroph: Die Nahrung wird von einer Membran umhüllt, die ein Verdauungs-bläschen bildet (Nahrungsvakuole). Durch Verdau-ungsenzyme wird die Nahrung in ihre Grundbausteine

zerlegt, die durch die Membran der Nahrungsvakuole in das Plasma transportiert werden. Dort werden sie zu körpereigenen Stoff en aufgebaut oder dienen als Ener-gielieferanten.

Im Zuge der Stoff umsetzungen in der Zelle entstehen unbrauchbare oder sogar schädliche Stoff e. Sie werden mit Hilfe der kontraktilen Vakuole, die sich regelmäßig füllt und entleert, nach außen durch die Zellmembran entfernt.

Zu den wichtigsten Vertretern der Protozoen gehören Geißel-, Wimper- und Sporentierchen sowie Kammer-linge und Wurzelfüßer.

6.2.1 Geißeltierchen (Flagellaten)

Sie bewegen sich mit Hilfe feiner Plasmafortsätze (Geißeln) und besiedeln nahezu alle Lebensräume. Beispiele sind das Augentierchen (� S. 47), das in mi-neralstoffreichen Gewässern vorkommt, und Trypa-nosomen, die als Parasiten in verschiedenen Wirbel-tieren (z. B. auch dem Menschen) leben. Trypanoso-men sind die Erreger der Schlafkrankheit, die in den tropischen Gebieten Afrikas vorkommt.

Bestimmte Geißeltierchen leben in Symbiose mit Ter-miten. In so genannten Gärkammern des Termiten-darmes helfen sie, das gefressene Holz in verwertbare Stoffe abzubauen.

Abb. 54: Augentierchen (Euglena), ca. 0,05 mm lang

6.2.2 Wimpertierchen (Ciliaten)

Wimpertierchen, wie das Pantoff eltierchen und das Glockentierchen, besitzen auf ihrer Oberfl äche viele fei-ne Fortsätze (Wimpern = Cilien), die der Bewegung und der Nahrungsaufnahme dienen. Sie kommen häufi g im Süßwasser und in feuchtem Boden, aber auch im Meer vor. Da sie Bakterien und große Mengen Detritus (orga-nische Abfallstoff e) aufnehmen und verdauen können, spielen sie eine wichtige Rolle bei der Selbstreinigung der Gewässer.

Abb. 55: Pantoff eltierchen, ca. 0,3 mm lang

Abb. 56: Pantoff eltierchen Abb. 57: Glockentierchen

Protozoen

tierische Einzeller = Einzeller

mit heterotropher Ernährung

Geißel (Flagellum) beweglicher Zellfortsatz;

dient der Fortbewegung und

Nahrungsaufnahme

SymbioseZusammenleben

von Individuen, die für beide

Partner vorteilhaft ist

Wimpern (Cilien) bewegliche Zellfortsätze;

dienen der Fortbewegung

und Nahrungsaufnahme;

unterscheiden sich von

den Flagellen durch die

schnellere und koordinierte

Bewegungsweise

49

6.2.3 Sporentierchen (Sporozoen)

Sie leben ausschließlich als Parasiten. Ein Beispiel sind die Plasmodien – die Erreger der Malaria, die in tropischen Gebieten verbreitet ist. Die Übertragung der Parasiten erfolgt durch den Stich infizierter Fie-bermücken (Anophelesmücken). Die Malariaerreger zeigen im Zuge ihrer Entwicklung einen deutlichen Generationswechsel – die verschiedenen Entwick-lungsstadien sehen nicht nur anders aus, sondern zeigen auch eine andere Lebensweise in den unter-schiedlichen Wirtstieren (� Abb. 58). Die Krankheit ist gekennzeichnet durch regelmäßige Fieberanfälle (Wechselfieber), die durch eine periodische Vermeh-rung der Parasiten in den roten Blutkörperchen aus-gelöst werden.

Ein weiterer Parasit unter den Sporentierchen sorgt für die Infektion der Toxoplasmose. Zumeist durch Katzenkot übertragen, verläuft die Erkrankung beim Menschen meist ohne Symptome. Nur eine Infek-tion während der Schwangerschaft kann zu schweren Schädigungen des Embryos führen.

Abb. 58: Lebenszyklus des Malariaerregers Plasmodium (ca. 0,01 – 0,05 mm lang) mit Wirtswechsel. Die infektiösen Stadien der Speicheldrüsen der Mücke treten beim Stich in das Blut des Menschen über. In der Leber vermehren sie sich ungeschlechtlich weiter und befallen rote Blutkörperchen, wo Geschlechtszellen gebildet werden. Wenn bei einem weiteren Mückenstich das infi zierte Blut aufgenommen wird, gelangen diese Zellen in den Mitteldarm. Dort ver-schmelzen sie und bilden wieder infektiöse Stadien, die in die Speicheldrüsen wandern.

6.2.4 Wurzelfüßer (Rhizopoden)

Amöben (Wechseltierchen) ernähren sich von Algen, Bakterien und Detritus, leben vereinzelt aber auch räuberisch von anderen Einzellern. Sie kommen u. a. im Schlamm, in stehenden Gewässern und auf Was-serpflanzen vor. Sie können als Parasiten auch Krank-heiten auslösen (z. B. Amöbenruhr beim Menschen).

Die Fortbewegung erfolgt durch Plasmabewegun-gen und die Bildung von Scheinfüßchen (Pseudo-podien). Dabei heften sich diese Plasmafortsätze am Untergrund fest, verkürzen sich und ziehen den üb-rigen Zellkörper nach. Diese Art der Fortbewegung ist mit einem dauernden Gestaltwechsel verbunden (daher Wechseltierchen) und wird auch als amöboide Bewegung bezeichnet.

Stößt die Amöbe auf ein Nahrungsteilchen, wie etwa eine kleine Alge, umfließt sie diese mit den Schein-füßchen. Die Alge wird von einer Membran umschlos-sen, die eine Nahrungsvakuole bildet, in welcher die Verdauung erfolgt.

Die Grundbausteine der Nahrung gelangen schließ-lich durch die Membran der Nahrungsvakuole in das Plasma und werden dort zu körpereigenen Stoffen aufgebaut.

Im Zuge der Stoffumsetzungen in der Zelle entste-hen unbrauchbare bzw. sogar schädliche Stoffe. Sie werden mit Hilfe der kontraktilen Vakuole, die sich regelmäßig füllt, nach außen durch die Zellmembran entleert.

Abb. 59: Amöbe (Wechseltierchen) im LM (~ 200-fach vergrößert)

Abb. 60: Amöbe (schematisch)

Nahrungs-bläschen

pulsierendes Bläschen

Zellkern

Scheinfüßchen

Scheinfüßchen

Nahrung

50

6.2.5 Kammerlinge (Foraminiferen)

Mit über 10.000 heute lebenden Arten zählen sie zu der formenreichsten Protistengruppe. Der über-wiegende Teil der Foraminiferen (auch Kammerlinge genannt) lebt auf dem Meeresboden, wenige bilden Meeresplankton und selten findet man auch Vertre-ter im Süßwasser. Zu-meist liegt ihre Größe zwischen 0,2 und 0,5 mm. Sie besitzen ein vielkammeriges Gehäu-se mit kleinen Poren, durch die zarte Schein-füßchen austreten.

Abb. 61: Poren im Detail Abb. 62: Unterschiedliche Gehäuseformen von Foraminiferen

ÜBRIGENS… können einige Amöbenarten bis zu 0,5 mm groß werden, sind also mit dem freien Auge bereits sichtbar!

… bewegen sich einige der weißen Blutkörperchen des Menschen ähnlich wie Amöben mit Scheinfüßchen. Diese Blutkörperchen erreichen eine Geschwindigkeit von etwa 5 mm/h.

… bewegen sich die Spermienzellen des Menschen (ca. 0,06 mm Länge) mit Geißeln und erreichen dabei eine Ge-schwindigkeit von etwa 3 bis 4 mm/min! Umgerechnet auf Menschengröße wären das etwa 7 km/h (langsames Joggen).

… waren die Foraminiferen in manchen erdgeschichtlichen Perioden sogar gesteinsbildend. Zum Beispiel beste-hen die Klippen von Dover und das Baumaterial der ägyptischen Pyramiden aus Foraminiferenkalken.

… haben die zahlreichen fossilen Foraminiferen große Bedeutung als Leitfossilien für die Altersbestimmung geo-logischer Schichten und als Hinweise für Erdölvorkommen.

… zählen bestimmte Foraminiferenarten mit über 10 cm Durchmesser zu den größten Einzellern der Erde!

Welche Einzeller leben im Heuaufguss? WorkshopMaterial: Mikroskop, Objektträger, Deckgläser, Teich oder Regenwasser, Heu, BecherglasVorgangsweise:1. Herstellung eines Heuaufgusses: Man gibt eine Handvoll Heu in ein Becherglas und bedeckt es mit Regen- oder Teichwasser (kein

Leitungswasser!). Den Heuaufguss einige Tage stehen lassen.2. Herstellung eines Lebendpräparates:

Mit einer Pipette entnimmt man einen Tropfen von der feinen Haut an der Wasseroberfl äche (Kahmhaut) und gibt ihn auf einen Objektträger. Man bedeckt den Wassertropfen mit einem Deckglas und fi xiert den Objektträger auf dem Objekttisch. Man stellt ein scharfes Bild ein.

Aufgaben: Untersuche einen Tropfen deines Präparates unter dem Mikroskop nach Einzellern und beobachte sie. Beschreibe deine Beobachtungen und interpretiere sie.

Welche Einzeller hast du gesehen? Woran hast du sie erkannt?

Anmerkung: Man kann u. a. Wimpertierchen, Geißeltierchen, Amöben und Kieselalgen sehen. Wimpertierchen und Geißeltierchen erkennt man an ihren typischen fl inken, oft kreisenden Bewegungen mit Hilfe von Fortsätzen an der Zelloberfl äche. Geißeltierchen besitzen einen bis wenige lange Fortsätze – die Geißeln. Wimpertierchen haben viele kleine Wimpern, die sich koordiniert bewegen. (Auch Schleimhautzellen in den Bronchien und in den Eileitern des Menschen haben derartige Wimpern!)

51

Einzeller-Quiz

Wanted! Um welche Einzeller handelt es sich bei den folgenden Steckbriefen:

1. Wanted! roter Pigmentfl eck Chloroplasten eine lange Geißel

3. Wanted! Parasit, verursacht eine Tropenkrankheit von der Anophelesmücke verbreitet Vermehrung in roten Blutkörperchen

5. Wanted! Fortbewegung durch Plasmabewegung heterotroph wohnt im Schlamm und Tümpeln

2. Wanted! oft kreisende Bewegungen Fortbewegung durch Wimpern heterotroph

4. Wanted! Vertreter der Flagellaten Parasit durch Tsetsefl iege übertragen

QUIZ

6.3 Einzellige Algen – Basis vieler Nahrungsketten

Algen gedeihen im Süßwasser, im Meer und an feuch-ten Orten. Ihre Zellen zeigen den typischen Aufbau einer Pflanzenzelle (� S. 42) und besitzen stets Chlo-rophyll. Sie können daher organische Stoffe selbst aufbauen – sie sind autotroph (� S. 67). Man zählt sie zu den pflanzenähnlichen Protisten. Bei guten Bedingungen (genügend Mineralstoffe, Wärme und Licht) können sie sich rasch vermehren. Damit bilden sie eine wichtige Basis der Nahrungskette in einem Ökosystem!

Die Massenentwicklung von Algen ist aber auch oft ein Zeichen von Wasserverschmutzung, z. B. durch Überdüngung (Eutrophierung) des Gewässers (� S. 187), das beispielsweise auf das Einleiten von ungereinigten Abwässern zurückgeführt werden kann.

Einzeller sind ökologisch bedeutend Sie bilden als Primärproduzenten (� S. 70) eine we-sentliche Basis für die Nahrungskette im Meer und damit die Nahrungsgrundlage für die meisten heterotrophen Organismen bis hinauf zu den Fischen und Walen. Frei schwebende Algen (Phytoplankton) produzieren etwa die Hälfte des Sauerstoff s in der Atmosphäre.

Protozoen sind als Bodenorganismen und als Plankton unersetzliche Bestandteile der Nahrungskette. Sie ernäh-ren sich von Bakterien, Pilzen, Algen, pfl anzlichem Ma-terial und organischen Teilchen (= Detritus) und stellen selbst Nahrung für viele größere Organismen dar.

Einzeller spielen in nahezu allen Ökosystemen unserer Erde zur Erhaltung des biologischen Gleichgewichts eine zentrale Rolle!

Abb. 63: Einzellige Algen: (v. l. n. r.) Jochalge, Schmuckalge, Kieselalge

Algen

pfl anzenartige Einzeller und

Vielzeller, die Fotosynthese

betreiben und im Wasser

leben

Eutrophierung

(griech. eu = gut; griech.

trophe = Nahrung) =

Anreicherung von Mineral-

stoff en in einem Ökosystem

(Überdüngung); führt u. a.

durch die übermäßige Zu-

nahme an Mikroorganismen

zu einem Sauerstoff mangel

im Gewässer

Phytoplankton

(griech. phyton = Pfl anze;

griech. plankton = das

Schwebende) = im Wasser

schwebende Algen

Plankton

im Wasser frei schwebende

Kleinstlebewesen (Einzeller,

Algen, Larven, Klein-

krebse,…). Nahrungs-

grundlage für viele

Wassertiere

52

ÜBRIGENS… können sich Algen bei hohem Mineralstoff gehalt und hohen Temperaturen derart stark vermehren, dass sich

das Wasser durch die hohe Algendichte grün färbt und eintrübt. Diesen vorübergehenden Zustand nennt man Algenblüte.

… sind aktuell über 80.000 Algenarten bekannt, nur ca. 160 werden industriell genutzt.

… liefern Algenprodukte Nahrungsmittel mit hohem Eiweißgehalt, die neben Kohlenhydraten auch wertvolle Fette enthalten – vielleicht ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Welternährung?

… werden in Südostasien bereits jährlich etwa 9 Millionen Tonnen Algen (Seetang) als Salat oder Gemüse kon-sumiert.

… entwickeln einige Braunalgen vielzellige Riesenformen von bis zu 50 m Länge (z. B. Riesentang der Kelp-wälder). Der Riesentang wächst bis zu 40 cm täglich.

… binden die Algen jährlich bis zu 50 Milliarden Tonnen CO2 und bremsen dadurch die fortschreitende

Klimaerwärmung.

… wird aus verschiedenen Braunalgenarten Alginsäure gewonnen. Deren Salze (Alginate) besitzen ein hohes Quellvermögen und sind zum Eindicken von u. a. Fruchtsäften oder Marmeladen geeignet.

… fi nden Alginate auch bei der Herstellung von Gummiwaren, Tabletten, Zahnpasten usw. Verwendung.

… liefern bestimmte Rotalgen das Agar-Agar. Es wird wegen seines hohen Wasserbindungsvermögens als Ge-liermittel, zum Klären von Weinen und Obstsäften und als Nährboden zum Anlegen von Bakterienkulturen in der Medizin verwendet.

Zuordnungsrätsel

Ordne die folgenden Eigenschaften der Amöbe bzw. dem Augentierchen zu, indem du Am (für Amöbe) bzw. Au (für Augentierchen) in das Kästchen neben der Eigenschaft einträgst! Wer hat die richtige Lösung am schnellsten?

bildet Scheinfüßchen aus hat keine feste Körperformlebt ausschließlich heterotroph besitzt Chloroplastenbesitzt Chlorophyll lebt autotroph und heterotrophhat einen Fotorezeptor zeigt deutliche Plasmabewegungenumfl ießt Nahrungsteilchen Fortbewegung durch Geißelhat einen roten Pigmentfl eck frisst Algen und Bakterienlebt auch im Schlamm lebt im freien Wasser

QUIZ

Kelp

(engl.) Braunalgen der

Ordnung Laminariales

(z. B. Riesentang); bewohnen

mineralstoff reiche Meere der

gemäßigten Breiten, z. B. an

der Westküste Amerikas

Alginsäure

Polysaccharid, wird von Algen

und Bakterien gebildet

Alginate

Salze der Alginsäuren

Agar-Agar Polysaccharid,

v. a. aus Zellwänden von

Rotalgen gewonnen; dient

u. a. als Bestandteil von

Nährböden zum Züchten von

Mikroorganismen

53

Organelle � Zelle � Gewebe � Organ � Organismus � Ökosystem

7 Vom Einzeller zum Vielzeller

7.1 Algenkolonien – vom pfl anzlichen Einzeller zum Vielzeller

An den Grünalgen kann man die ersten Schritte der Entwicklung zur Vielzelligkeit beobachten.

Die kleine Grünalge Chlamydomonas (� Abb. 65) tritt gewöhnlich als Einzelzelle auf. Sehr ähnliche Formen dieser Geißelalge bilden auch einfache Kolonien wie etwa Pandorina oder Gonium (� Abb. 66). Gonium be-steht aus 16 selbstständig lebensfähigen Einzellern, die lediglich durch eine Gallerthülle zusammengehalten werden. Durch koordinierten Geißelschlag kann sich Gonium sehr gezielt fortbewegen. Vermutlich liegt der Vorteil gegenüber einzeln lebenden Algen darin, dass sie auf Grund des Größenzuwachses weniger leicht von Fressfeinden verschluckt werden können.

Die hochentwickelte Kolonie der Kugelalge (Volvox) (� Abb. 67, 68) stellt einen weiteren wichtigen Entwick-lungsschritt vom Einzeller zum Vielzeller dar.

Die Einzelzellen haben sich hier in ihren Funktionen bereits spezialisiert und stehen miteinander in Verbin-dung. Außerhalb der Volvoxkugel sind sie alleine nicht mehr lebensfähig. In der Kolonie herrscht strenge Ar-beitsteilung. Es gibt Körperzellen, die für die Ernährung, für die Bewegung oder für die Orientierung zuständig sind. Plasmabrücken stellen eine enge Verbindung zwischen den bis zu 20.000 Einzelzellen her, die die Hohlkugel aufbauen. Diese Verbindungen ermöglichen Stoff austausch, Erregungsleitung und ein koordiniertes Schlagen der Geißeln zur gezielten Fortbewegung. Am vorderen Pol sorgen lichtempfi ndliche Zellen für die Orientierung.

Am Anfang der Entwicklung des Lebens standen ein-zellige Organismen, aus denen sich allmählich über den mehr oder weniger lockeren Zellverband der Kolonie die Gewebe und Organe der Vielzeller entwickelten.

Betrachtet man z. B. einen Laubwald etwas genauer, so erkennt man, dass er in mehreren Organisations-stufen (hierarchisch) aufgebaut ist. Als unterste Stufe bilden zahlreiche Organellen (z. B. Chloroplasten) Tei-le einer Zelle (z. B. Zelle eines Blattes). Viele gleichar-tige Zellen bilden ein Gewebe mit bestimmter Funk-tion (z. B. Gewebe für Fotosynthese in einem Blatt; � auch S. 79). Diese sind Bestandteile von Organen (z. B. einem Laubblatt). Aus zahlreichen Organen setzt sich ein Organismus z. B. ein Laubbaum) zusammen. Unterschiedliche Organismen bilden in der obersten

Stufe dieser Hierarchie die Organismengemeinschaft eines Ökosystems (z. B. eines Laubwaldes).

Die Vielzelligkeit dürfte sich im Laufe der Evolution mehrmals unabhängig voneinander entwickelt ha-ben. Auch heute gibt es sowohl bei Blaualgen und Protozoen (z. B. das Strauchglockentierchen) als auch bei Pilzen und Algen Formen, die sowohl einzeln als auch in Kolonien bzw. kolonieartigen Verbänden le-ben können.

Die Entwicklung von echter Vielzelligkeit erfordert die Differenzierung von Zellen und war die Vorausset-zung für die Entstehung aller viel komplexer gebauten Pflanzen, Pilze und Tiere. Sehr eindrucksvoll ist diese Entwicklung bei bestimmten Algenarten nachvoll-ziehbar.

pulsierendes Bläschen

Geißel

becherförmiger

ChloroplastStärkekörner

Pigmentfl eck

Zellkern

Gallerthülle

Abb. 65: Chlamydomonas Abb. 66: Gonium

Abb. 64: Hierarchische Organisationsstufen des Ökosystems Laubwald

Kolonie

Zellverband, dessen Zellen in

der Regel auch alleine leben

können

Gewebe

Zellverband, dessen

Einzelzellen alleine nicht

lebensfähig sind

Organ

Funktionseinheit vielzelliger

Organismen, die aus Gewe-

ben aufgebaut sind

54

Abb. 67: Volvox-Oberfl äche im Detail

Im hinteren Teil der Kugel befi nden sich einige große

Fortpfl anzungszellen. Wenn sich diese teilen, wandern

sie in das Innere der Kugel. Dort wachsen sie zu eige-

nen kugelförmigen Tochterkolonien heran, die dann

durch Platzen der Mutterkugel freigesetzt werden. Die-

ses Platzen hat den Tod der Körperzellen der Mutterko-

lonie zur Folge. Zum ersten Mal in der Entwicklung des

Pfl anzenreiches kann hier ein „natürlicher“ Alterstod

beobachtet werden – dies ist ein wesentlicher Nachteil

der Zelldiff erenzierung im Rahmen der Vielzelligkeit.

Neben der ungeschlechtlichen Vermehrung durch Zell-

teilung ist auch eine geschlechtliche Fortpfl anzung

möglich. Dabei werden Ei- und Spermienzellen gebil-

det, die miteinander verschmelzen und für eine Neu-

kombination der Gene sorgen. Das ermöglicht eine bes-

sere Anpassung an mögliche Umweltänderungen.

Im Unterschied zu „echten“ Vielzellern bildet Volvox kei-ne echten Gewebe aus und verfügt über keinen ge-meinsamen Stoff wechsel.Durch Kernteilungen ohne anschließende Zellteilung

können auch vielkernige Organismen entstehen. Es

handelt sich dabei jedoch nicht um einen vielzelligen

Organismus, sondern um eine einzige, große, vielkernige

Zelle, z. B. die Grünalge Bryopsis.

PlasmastrangGallerthülle

{Oberfl äche der Volvox-Kolonie

Viele Algen bestehen aus mehreren Zellen

Wir fi nden unter den Algen mikrosko-pisch kleine Formen, die gemeinsam mit anderen Lebewesen (z. B. Bakterien, Protozoen, Pilzen) im Wasser schweben und das Plankton bilden. Algenzellen schließen sich jedoch auch häufi g zu Kolonien oder Thalli (Lager) zusammen und bilden dann deutlich größere, scheinbar vielzellige Organis-men. So gehören etwa der Blasentang oder Meersalat zu den Thallophyten. Manche Algen enthalten neben dem grünen Chlorophyll auch andere Farb-stoff e, die das Grün überdecken: Man unterscheidet Grünalgen, Rotalgen und Braunalgen (Tange).

Abb. 69: Häufi ge Meeresalgen; (v. ob. l. n. unt. r.) Braunalgen: Blasenseil, Blasentang; Grünalgen: Meersalat, Schirmchenalge, Kriechsprossalge; Rotalge Gracilaria

EXTRA

Abb. 68: Kugelalge (Volvox) mit Tochterkugeln (LM- Auf-

nahme)

Thallus (Mz. Thalli) vielzelliger Vegetationskörper

niederer Pfl anzen ohne echte

Gewebe und Organe

Thallophyten

Pfl anzen, die einen Thallus

ausbilden

55

7.2 Einfache Vielzeller im Tierreich

Auch bei den Tieren lässt sich eine Entwicklung vom Ein-zeller zum Vielzeller beobachten. Als Übergangs-formen können z. B. Trichoplax und die Schwämme angesehen werden, weil sie trotz Vielzelligkeit und Zellspezialisie-rung noch keine richtigen Gewebe besitzen.

7.2.1 Trichoplax – einfachster tierischer Vielzeller?

Ein eindrucksvolles Beispiel für die Entwicklung zur tierischen Vielzelligkeit stellt der einfachste Vielzeller Trichoplax dar. Er besitzt einen abgeflachten, schei-benförmigen Körper ohne bestimmte Form. Er be-steht aus 2 Zellschichten und erreicht nur etwa eine Größe von 2 bis 3 mm. Trichoplax kriecht auf dem Meeresboden entlang und nimmt durch Endocytose Nahrungsteile in seinen Körper auf. Er besteht nur aus wenigen spezialisierten Zelltypen und besitzt noch kein echtes Gewebe. Die unregelmäßige Fortbewe-gung gleicht der einer Amöbe. Die Fortpflanzung erfolgt ungeschlechtlich durch Zweiteilung und fallweise durch Ausbildung von Geschlechtszellen. Jedoch weisen der gemeinsame Stoffwechsel und

eine deutliche Aufgabenteilung der spezialisierten Zellen ihn als echten Vielzeller aus.

Abb. 70: Trichoplax

7.2.2 Auch Schwämme sind einfach gebaute Vielzeller

Schwämme sind im Wasser lebende, tierische Orga-nismen. Sie besitzen weder Muskulatur noch Nerven-system oder Sinnesorgane. Die Körper der erwach-senen Tiere sind festgewachsen und gleichen einem zweischichtigen Becher, der an seinem oberen Ende eine Ausstromöffnung besitzt.

Die Wand wird innen von der Darmschicht (Choano-derm) und außen von der Hautschicht (Pinacoderm) gebildet. Zwischen Haut- und Darmschicht liegt eine gallertige Stützschicht (Mesohyl), in welcher sich ver-schiedene Zellformen befinden (z. B. Bindegewebszel-len, Ei- und Samenzellen und Skelettbildungszellen). Von den Skelettbildungszellenwerden Skelettnadeln aus Kalk (z. B Kalkschwämme) oder Kieselsäure (Glasschwämme) ausgeschieden, die dem Schwamm eine stabile Form geben. Bei Hornschwämmen sind zusätzlich Sponginfasern vorhanden, welche die Ske-lettelemente auch vollständig ersetzen können (z. B. Badeschwamm).

Die Zellschichten von Schwämmen sind keine echten Gewebe, sondern locker organisierte Zellzusammen-schlüsse, da die Zellen noch relativ unspezialisiert und darüber hinaus im Mesohyl amöboid beweglich sind.

Das Choanoderm kleidet den inneren Zentralraum (Atrium) aus und besteht aus Kragengeißelzellen (Choanocyten), die mit ihren Geißeln einen Wasser-strom erzeugen und dem Wasser Nahrungsteilchen entnehmen. Verbrauchtes Wasser wird durch die Aus-fuhröffnung hinausgespült, frisches Wasser gelangt durch zahlreiche Öffnungen (Poren) in der Wand

des Bechers herein. Schwämme zählen daher zu den Strudlern und haben eine wichtige ökologische Be-deutung bei der Reinhaltung der Gewässer.

Die Fortpflanzung erfolgt geschlechtlich oder unge-schlechtlich. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung bildet das meist zwittrige Muttertier aus manchen Kragengeißelzellen Spermien und aus einzelnen Zel-len des Mesohyls die Eizellen. Aus dem befruchteten Ei entsteht durch Zellteilungen eine Zellkugel. Die-

Abb. 71: Bau des Schwamms (schematisch)

Choanodermmit Choanozyten

Zentralraum(Darmhöhle)

Pore

Pinacoderm

Mesohyl

Ausstromöff nung

Endocytose

Aufnahme von festen

Teilchen durch die Bildung

von Nahrungsbläschen,

z. B. Nahrungsaufnahme

beim Pantoff eltierchen

Spongin

Strukturprotein, bildet

Strukturfasern; kommt nur

bei Schwämmen vor

56

se wird aus dem Muttertier ausgeschieden und lebt zunächst freischwimmend als Flimmerlarve. Nach wenigen Tagen stülpt sich die Larve um, sodass die Geißelzellen innen zu liegen kommen. Dadurch wird die Larve unbeweglich, setzt sich fest und bildet einen neuen sessilen Schwamm.

Die ungeschlechtliche Fortpflanzung erfolgt durch Knospung. Dabei bildet das Muttertier seitliche Aus-wüchse, die zu neuen Schwämmen heranwachsen, welche sich loslösen und selbstständig weiterleben können. Meist bleiben sie aber mit dem Muttertier ver-bunden und bilden ihrerseits wieder Tochtertiere, bis eine ganze Schwammkolonie (Tierstock) entsteht.Besonders ausgeprägt ist bei solch einfach gebauten Organismen die Regenerationsfähigkeit. Aus weni-gen Zellen kann ein vollständig neuer Organismus ge-bildet werden. Man spricht sogar von einer extremen Form der ungeschlechtlichen Fortpflanzung.

Echte Vielzeller unterscheiden sich von Kolonien durch die Ausbildung von echten Zellgeweben, einen gemeinsamen Stoffwechsel des Zellverbandes und eine deutliche Aufgabenteilung der spezialisierten Zellen. Alle Organismen, die höher als die Schwämme organisiert sind, z. B. die Nesseltiere, zählen bereits zu den echten Vielzellern. Abb. 72: Hornskelett eines Badeschwamms

Bio-Jeopardy!

Finde den richtigen Fachbegriff zu den folgenden Umschreibungen bzw. Erklärungen. Jeder richtige Begriff bringt einen Punkt.

1. Linsensystem, welches das Licht auf das Objekt bündelt:

2. sich selbstständig ernährend:

3. Sinneszellen bzw. Sinnesorganellen, die auf Lichtreize reagieren:

4. einfache Zellen ohne abgegrenzten Zellkern (z. B. Bakterien):

5. Gleichgewichtszustand, der für das Funktionieren eines Organismus notwendig ist:

6. Entwicklung, die zur Bildung immer neuer Arten und Organisationstypen führt:

7. für die Leistungsfähigkeit eines Mikroskops entscheidende Eigenschaft:

8. Erbauer des ersten Elektronenmikroskops:

9. Bewegungsform, mit einem dauernden Gestaltwechsel verbunden:

QUIZ

sessil (lat. sessilis) = festsitzend,

nicht frei beweglich

vegetative Fortpfl anzung ungeschlechtliche Fort-

pfl anzung

Knospung

Form der vegeta-tiven

Vermehrung; Abschnü¬rung

von Tochtertieren

Tierstock

dauerhafter Verband von

Tieren, die sich nach vege-

tativer Fortpfl anzung durch

Knospung nicht voneinander

gelöst haben

Zellgewebe

Ansammlung gleichartig

oder unterschiedlich diff e-

renzierter Zellen, die ähnliche

oder gleiche Funktionen

erfüllen und durch eine

Zwischenzellsubstanz

(Interzellularsubstanz)

verbunden sind.

57

Begriff ememory

Finde zu den Begriff en aus Topf A je einen unmittelbar zusammengehörenden Begriff aus Topf B, notiere die Begriff spaare und erkläre, warum sie zusammengehören. (Wenn unpassende Begriff e übrig bleiben, hast du falsch gepaart!) Jedes richtige Begriff spaar bringt einen Punkt, die richtige Erklärung dazu einen Zusatzpunkt.

Topf A Topf B

Hook‘sche Entdeckung 2.000-fache VergrößerungLichtmikroskop ZellatmungAusscheidung schädlicher Stoff e 2 kgPlasmabewegung ScheinfüßchenEuglena ZelleElektronenmikroskop ChloroplastenEnergiebereitstellung bis zu 1 m LängeVerdauung 2 – 3 mmNervenzellen Details bis 0,1 nmschwerste tierische Zelle EnzymeTrichoplax pulsierende Vakuole

QUIZ

Lupenrätsel: Mikroskopie

Du bist Mitarbeiter/in in einem Biolabor für Wasseruntersuchungen und hast einige Proben zu analysieren. Wegen der starken Vergrößerung des Mikroskops siehst du die Details der Organismen sehr gut!1. Welche Arten erkennst du?2. Handelt es sich um tierähnliche oder pfl anzenähnliche Organismen?3. Kreuze jeweils den möglichen Lebensraum an, in dem der Organismus vorkommt (Achtung: manche

Organismen können in mehreren Lebensräumen vorkommen!)

1. Probe 2. Probe 3. Probe 4. Probe 5. Probe 6. Probe

Meeresboden Meeresboden Meeresboden Meeresboden Meeresboden Meeresboden

Wasserpfl anzen Wasserpfl anzen Wasserpfl anzen Wasserpfl anzen Wasserpfl anzen Wasserpfl anzen

Süßwasser Süßwasser Süßwasser Süßwasser Süßwasser Süßwasser

Heuaufguss Heuaufguss Heuaufguss Heuaufguss Heuaufguss Heuaufguss

Gebirgsbach Gebirgsbach Gebirgsbach Gebirgsbach Gebirgsbach Gebirgsbach

1 2 3

4 5 6