Vom Molekül zum Ökosystem – Organisationsstufen der belebten Materie

Ziele

Ziel dieser Unterrichtseinheit ist,

1. Ihnen den modularen Aufbau biologischer Systeme vorzustellen,

2. den Mensch in das biologische System einzuordnen:Als Teil des stufenförmig aufgebauten biologischen Systems,Als Teil „seiner“ Ökosysteme,Als Teil des weltumspannenden planetaren Biosystems.

Die Einheit wird ergänzt durch die Unterrichtseinheit Biologie IV(Evolution), die den Menschen in die zeitliche Dimension derBiologie einordnet.

Zur Vorlesung finden Sie ein Skript im Internet-Angebot zum Vorkurs, das Sie dort als PDF-Datei herunterladen können.

Außerdem können Sie sich dort die POWERPOINT-Datei der Vorlesung ansehen.

Biologische Organisationsstufen

MoleküleVirenBakterien (Prokaryonten)Zellen (Eukaryonten)GewebeOrganeOrgansystemeOrganismenÖkosystemPlanetares System

Biomoleküle

Nukleinsäuren Proteine

DNA RNA

Gemeinsamkeiten:Heteropolymer mit einheitlichem Backbone und variablen Seitenketten

Moleküle in der Biologie

Proteine

Strukturproteine

Enzyme

Funktionsproteine

NukleinsäurenDNA

RNA

KohlenhydrateEinzelzucker

Polymere Zucker

LipideFettsäuren

Triglyceride

Zusätzlich:VitamineCoenzymeIonen...

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 Vergrößerung100-fache Vergrößerung10-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.

Viren

Biologische Strukturen, die1. nur 1 Nukleinsäurenart (DNA oder RNA) enthalten2. nicht über Stoffwechselenzyme verfügen, sondern zur

Vermehrung Enzyme von Tier-, Pflanzen- oder Bakterienzellen nutzen

Sehr klein, bestehen aus• Nukleinsäure• Proteinmantel (Kapsid)• evtl. lipidhaltige Hülle (Envelope)

HIV - Vermehrung

Anheften an die Zellmembran einer ImmunzelleAufnahme ("coated vesicle")Injektion von RNA und reverser TranskriptaseProduktion von DNAIntegration der DNA in das Erbgut der ZelleSynthese von RNA, reverser Transkriptase und KapsidproteinenZusammenbau der TochtervirenFreisetzung der Tochterviren

1. Adsorption2. Penetration3. Replikation4. Maturation und Liberation

Viren – Folgen der Virusinfektion

1. Zelltod durch Blockade der Synthesevorgänge der Zelle2. Integration des Genoms führt zu ungehemmter

Zellteilung3. Integration des Virusgenoms ohne zunächst feststellbare

Folgen

• Pocken• Hepatitis• Polio• Schnupfen• Influenza• Tollwut• Marburgvirus• Lassa

Virostatika – Medikamente gegen Virusinfektion

Verhinderung von Adsorption und PenetrationVerhinderung der Replikation (von Nukleinsäure oder Capsidprotein)Verhinderung der Virusreifung und Ausschleusung

Marburg-Virus

1967 erkrankten in Marburg und Belgrad 31 Personen an einer bis dahin unbekannten, für einige der Infizierten tödlichen, Viruserkrankung, dessen Erreger seitdem in der Literatur als Marburg-Virus bezeichnet wird.

Aufklärung der Erkrankung am Hygieneinstitut des Marburger Fachbereichs

2005: Ausbruch der Erkrankung in Afrika (Angola)

Bakterien, Definition, Bau

Einzellige Kleinlebewesen ohne echten Zellkern

Bakt. Erkrankungen

BakterienruhrLungenentzündungTuberkuloseSyphilisSalmonellenvergiftungCholera

1. Entzündungsreaktion des Körpers2. Abgabe von Giften3. Freisetzung von Endotoxinen (Zellwandbestandteile beim Zerfall)

Antibiotika – Medikamente gegen bakterielle Infektionen

Antibiotika – Substanzen gegen BakterienBakteriostatisch: Hemmung der Bakt.-vermehrung, bis Bekämpfung durch ImmunsystemBakterizid: 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

Sauerstoff- und Nährstoffversorgung einer Muskelzelle

Muskelproteine (Actin + Myosin)

Mitochondrium

Erythrozyt

Endothelzelle

Zellmembran der Muskelzelle

Gewebe

Zellverband, der aus Zellen mit gemeinsamer Funktion besteht

Deck- oder Epithelgewebe (Epithel- und Drüsenzellen)BindegewebeStützgewebe (Knochen-, Knorpelgewebe)MuskelgewebeNervengewebe

Grundgewebe:

Gewebe, Beispiel: Blutgefäß

Deckgewebe

Muskelgewebe

Blut (Flüssiges Gewebe)

Pathologische Veränderungen

Organ

Aus Zellen u. Geweben zusammengesetzter Teil des Organismus, der eine Einheit mit bestimmten Funktionen bildet.

Niere

Nebenniere

Organ, Beispiel: Nebenniere

Funktion:Hormonproduzierende Drüse

Blutgefäß

Bindegewebe

Drüsenzellenfür verschiedene Hormone

Nerv

Organsystem

Zusammenfassung der Organe, die eine Grundfunktion des Körpers erfüllen

1. Haut2. Stützsystem

• Skelett• Muskeln

3. Atemorgane4. Kreislaufsystem5. Verdauungsorgane6. Exkretionssystem7. Genitalsystem8. Steuerungssystem

• Nervensystem• Endokrines System

Organsystem, Beispiel

Organsystem: Stütz- und Bewegungsorgane

Organe:MuskelnKnochenGelenkeNerven

Oberschenkel, Biomechanik

Organismus

Gesamtheit aufeinander wirkender Organe, einzelnes Lebewesen

Definition der biologischen Art:Gruppe von Populationen biologisch ähnlicher Organismen, die sich frei kreuzen, d.h. fruchtbare Nachkommen haben.

Genbedingte physiologische und morphologische Ursachen verhindern eine Vermischung mit anderen Gruppen.

Die Art ist die niedrigste, nicht weiter zu untergliedernde systematische Einheit.

Organismus: Grundfunktionen eines Lebewesens

• offenes System

• Aufbau von Ordnung

• dynamisches Fließgleichgewicht

• Stoffwechsel (Energie- und Baustoffwechsel)

• Selbstorganisation (Membranbildung, Nucleinsäuren, Proteine)

• Reproduktion (genetischer Code - Enzyme)

• Fähigkeit zur Evolution

• Individualität

Stoffwechsel

Grundtypen:

Photosynthese Wasserspaltung, Festlegung von H in organischen Verbindungen

AtmungÜbertragung von H auf O2 (Knallgasreaktion), katalytisch kontrollierte Übertragung der Energie auf chemische Verbindungen

GärungÜbertragung von H auf organische Verbindungen, Übertragung der Energie auf chemische Verbindungen

Wachstum / Vermehrung / Vererbung

Wachstum: Aufbau neuer Biosubstanz aus anorganisch / organischen GrundstoffenBildung neuer ZellenBildung eines Körpers nach genetischem Bauplan

Vermehrung: sexuell oder asexuell

Vererbung: Herstellung identischer KopienMutationsfehler führen nach Bewertung zu WeiterentwicklungDurchmischung des Erbguts durch sexuelle Vorgänge – Fehlerreparatur, Neukombination

Interaktion mit der Umgebung

Austausch von Substanzen Aufnahme von InformationenReaktion auf die Informationen

Einmalige DNA Strukturell:Abgrenzung durch ZellmembranIndividuelle Zellmembranmoleküle

Individualität

Organismengruppen

Einzeller Übergangsformen Tierreich - Pflanzenreich

Pflanzen Photosynthese, höhere Pflanzen sessil

Pilze Saprophyten,

Tiere

WirbelloseHydro- oder Außenskelett,

Vermehrung häufig über Larvenformen

Wirbeltiere

Säugetiere

Endoskelett

Entwicklung im Muttertier

Ökosystem

Ökologische Partnerschaft zw. Organismus od. Organismen-kollektiv und Umwelt

Wiese

SeeWald

Urwald

Ökosystem eines Sees

Ökosystem, abiotische Faktoren

Lichteinfall und Temperatur führen zu zonierten Ökosystemen

Organisation von Ökosystemen

Mitglieder

Abiotische Faktoren

ProduzentenKonsumenten 1. OrdnungKonsumenten 2. OrdnungDestruenten

BodenLichtTemperatur

bilden ein Nahrungsnetz / eine Nahrungspyramide

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 HasenFuchszahl abhängig von der Zahl der FüchseHasenzahl abhängig von der Zahl der FüchseFuchszahl 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 Systemeund 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

Club of Rome: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.

Bericht des Club of Rome (1972)

„Weltmodell“ zur Selbst-Untersuchung

Treibhauseffekt

Treibhauseffekt, Modelle

Im Internetangebot des Vorkurses finden Sie drei Modelle zur

Simulation des Treihauseffekts, die Sie selbst untersuchen

können.