BioE 1 Grundlagen der Biologie I PDF
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Dr. Beatrix Both-Jahns
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This document is a study guide for BioE 1, covering the fundamental concepts of biology, including cells, ecosystems, and diseases. It provides an outline or contents page and details multiple topics.
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BioE 1 Grundlagen der Biologie I 0621K09 Das Studienheft und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen ist nicht erlaubt und bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Rechteinhabers....
BioE 1 Grundlagen der Biologie I 0621K09 Das Studienheft und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen ist nicht erlaubt und bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Rechteinhabers. Dies gilt insbesondere für das öffentliche Zugänglichmachen via Internet, Vervielfältigungen und Weitergabe. Zulässig ist das Speichern (und Ausdrucken) des Studienheftes für persönliche Zwecke. © © Fernstudienzentrum Fernstudienzentrum Hamburg · Alle Rechte vorbehalten Hamburg Alle Rechte vorbehalten. Falls wir in unseren Studienheften auf Seiten im Internet verweisen / verlinken, haben wir diese nach sorgfältigen Erwägungen ausgewählt. Auf Inhalt und Gestaltung haben wir jedoch keinen Einfluss. Wir distanzieren uns daher ausdrücklich von diesen Seiten, soweit darin rechtswidrige, insbesondere jugendgefährdende oder verfassungsfeindliche Inhalte zutage treten sollten. 0621K09 BioE 1 Grundlagen der Biologie I © Fernstudienzentrum Hamburg 0621K09 Dr. Beatrix Both-Jahns © Fernstudienzentrum Hamburg © Die in unseren Studienheften verwendeten Personenbezeichnungen schließen ausdrücklich alle Geschlechtsidentitäten ein. Wir distanzieren uns ausdrücklich von jeglicher Diskriminierung hin- sichtlich der geschlechtlichen Identität. Falls wir in unseren Studienheften auf Seiten im Internet verweisen, haben wir diese nach sorgfältigen Erwägungen ausgewählt. Auf die zukünftige Gestaltung und den Inhalt der Seiten haben wir jedoch keinen Einfluss. Wir distanzieren uns daher ausdrücklich von diesen Seiten, soweit darin rechtswid- rige, insbesondere jugendgefährdende oder verfassungsfeindliche Inhalte zutage treten sollten. Grundlagen der Biologie I BioE 1 0621K09 Inhaltsverzeichnis 0621K09 Einleitung....................................................................................................................... 1 1 Anleitung................................................................................................................... 3 1.1 Das Lehrbuch „Prisma Biologie 2“............................................................ 3 1.2 Die CD-ROM............................................................................................... 3 1.3 Internet......................................................................................................... 3 1.4 Der Umgang mit dem Studienmaterial..................................................... 4 2 Die Zelle und verschiedene Systemebenen........................................................ 8 2.1 Was ist überhaupt eine Zelle?.................................................................... 8 2.2 Pflanzenzelle und Tierzelle........................................................................ 9 2.3 Die Bestandteile von Zellen....................................................................... 10 2.4 Diffusion, Osmose und Turgor.................................................................. 13 © Fernstudienzentrum Hamburg 2.5 Der Weg zu mehrzelligen Lebewesen....................................................... 15 2.6 Die bakterielle Zelle.................................................................................... 17 2.7 Prokaryoten und Eukaryoten..................................................................... 18 Zusammenfassung.................................................................................................... 19 3 Ökologie – Ökosystem Wald.................................................................................. 21 3.1 Wald ist nicht gleich Wald......................................................................... 23 3.2 Assimilation und Dissimilation................................................................. 27 3.2.1 Fotosynthese................................................................................................ 27 3.2.2 Zellatmung................................................................................................... 28 3.3 Nahrungsbeziehungen im Wald................................................................ 31 3.4 Die ökologische Nische............................................................................... 35 3.5 Der Weg der Energie.................................................................................. 37 3.6 Stoffkreisläufe............................................................................................. 39 3.7 Die Nutzung des Waldes............................................................................ 42 3.8 Waldschäden................................................................................................ 42 Zusammenfassung.................................................................................................... 43 4 Ökologie – Ökosystem Gewässer......................................................................... 45 4.1 Lebensraum Gewässer................................................................................ 46 4.2 Pflanzen am und im See............................................................................. 46 4.3 Phytoplankton und Zooplankton.............................................................. 49 4.4 Tiere am und im Gewässer........................................................................ 50 0621K09 4.5 Nahrungsbeziehungen im See.................................................................... 51 4.6 Ökologische Nischen der Wasservögel..................................................... 52 BioE 1 Inhaltsverzeichnis 4.7 Der See im Jahresverlauf............................................................................. 53 4.8 Die Belastung von Gewässern.................................................................... 54 4.9 Der Bach....................................................................................................... 55 4.10 Selbstreinigung und Gewässergüte............................................................ 56 4.11 Kläranlagen.................................................................................................. 57 Zusammenfassung..................................................................................................... 58 5 Gesundheit und Krankheit: Infektionskrankheiten............................................. 61 5.1 Hauptsache gesund!..................................................................................... 61 5.2 Bakterien – Bau und Lebensweise............................................................. 64 5.3 Arzneimittel gegen Bakterien..................................................................... 68 5.4 Viren lassen leben........................................................................................ 71 5.5 Viruserkrankungen...................................................................................... 72 5.6 Epidemien und Pandemien......................................................................... 73 5.7 Gesundheit und Krankheit: Das Abwehrsystem des Körpers................. 74 5.8 Aktive und passive Immunisierung........................................................... 82 5.9 AIDS.............................................................................................................. 84 5.10 Allergien....................................................................................................... 85 © Fernstudienzentrum Hamburg 5.11 Parasiten übertragen Krankheiten............................................................. 86 Zusammenfassung..................................................................................................... 86 Anhang A. Lösungshinweise zu den Übungen............................................................. 88 B. Lösungen der Aufgaben zur Selbstüberprüfung....................................... 97 C. Glossar.......................................................................................................... 101 D. Literaturverzeichnis..................................................................................... 103 E. Abbildungsverzeichnis................................................................................ 104 F. Sachwortverzeichnis.................................................................................... 105 G. Probe-Einsendeaufgabe............................................................................... 107 0621K09 H. Einsendeaufgabe.......................................................................................... 111 0621K09 BioE 1 Einleitung BioE 1Grundlagen der Biologie I0621K09 Liebe Studienteilnehmerinnen und Studienteilnehmer, BIOLOGIE ist ein vielfältiges und interessantes Fach, denn es beschäftigt sich mit allen Aspekten von Lebewesen und deren Entstehung. Es bietet eine Fülle an spannenden Themen mit fachübergreifenden Bereichen in andere Naturwissenschaften oder die Me- dizin. Biologie ist auch eine anschauliche Naturwissenschaft. Sie kommt zwar auch nicht ohne Formeln und Zahlen aus, aber vieles lässt sich auf sprachlicher Ebene erfassen und er- klären. Biologie begegnet Ihnen im täglichen Leben: Knospen, die aufgehen – Bäume, die im Herbst ihr Laub abwerfen – Bienen, die anhand des Sonnenstands navigieren oder Igel, die sich im Winter ein „Schlafplätzchen“ in Ihrem Garten suchen. Alles hat einen biolo- gischen Sinn und es macht Spaß, diese Vielfalt an Lebensformen und Phänomenen für sich zu entdecken und erklären zu können. Viele Teilgebiete erlangen zunehmend gesellschaftsrelevante Bedeutung. Denken Sie da- bei nur an die Gentechnik oder Reproduktionsbiologie und deren Erfolge, Perspektiven, aber auch Gefahren. Kenntnisse von biologischen Gesetzmäßigkeiten sowie Zusammen- © Fernstudienzentrum Hamburg hängen schärfen den Blick für ökologische Probleme und Fehlverhalten. In einer Zeit, in der in den Nachrichten über Themen wie „Gentherapie“ oder „Verlust der Biodiversität“ berichtet wird, ist solides Wissen über Lebewesen und Lebensvorgänge wichtig, um sich eine kompetente Meinung bilden zu können. Die beiden Studienhefte (BioE 1/ 2) sowie das Schulbuch „Prisma Biologie 2“ vom Klett- Verlag begleiten Sie beim (Wieder-)Einstieg in die Teilgebiete Zellbiologie, Ökologie, Gesundheit und Krankheit (Teil 1) sowie Genetik, Angewandte Genetik und Evolution (Teil 2). Die Studienhefte vermitteln Ihnen die notwendigen Grundlagen zu verschiedenen The- mengebieten. Ihr biologisches Gesamtverständnis wird sich dadurch erweitern und sie werden Vorgänge in der Natur von verschiedenen Blickwinkeln aus betrachten können. Wir gehen davon aus, dass Sie in der Schule bereits einige Jahre Biologieunterricht hat- ten. Sollten Sie feststellen, dass Ihnen ab und an etwas Hintergrundwissen fehlt, nutzen Sie das Schulbuch, um diese Lücken zu schließen. Die Zellbiologie befasst sich, wie der Name bereits sagt, mit der Biologie von Zellen. Hier geht es um den Aufbau von Zellen und unterschiedliche Zelltypen. Aber Sie lernen auch biologische Organisations- oder Systemebenen kennen, denn der Zusammen- schluss von Zellen führt zu Geweben, von Geweben zu Organen und Organsystemen bis zur letzten Stufe, dem Organismus. Ökologie beschäftigt sich als“ Lehre vom Haushalt der Natur“ mit allen Wechselwirkun- gen zwischen Lebewesen untereinander sowie zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt. Ökologische Untersuchungen können auf verschiedenen Hierarchiestufen erfolgen. Man kann sich mit einem einzelnen Organismus befassen oder mit einer Population. Po- pulationen verschiedener Arten, die an einem bestimmten Ort vorkommen, ergeben eine Lebensgemeinschaft. Interaktionen zwischen einer Lebensgemeinschaft und ihrer nicht belebten Umwelt, bezeichnet man als Ökosystem. BioE 1 1 Einleitung Im Kapitel Gesundheit und Krankheit ist ein Schwerpunkt das Thema Infektionskrank- heiten und ein weiterer die körpereigene Immunabwehr. Sie lernen verschiedene Erre- gertypen kennen und warum bzw. wie es zu einer Infektion kommt. Im weiteren Verlauf geht es darum, was unser Körper gegen die Eindringlinge tun kann und wie er sich zur Wehr setzt. Im nächsten Studienheft (BioE 2) erwarten Sie die Teilgebiete: Genetik, Angewandte Ge- netik und Evolution. Ich hoffe, Ihr Interesse ist geweckt und so wünsche ich Ihnen viel Freude und Erfolg beim Lernen. © Fernstudienzentrum Hamburg 2 BioE 1 1 1 Anleitung 1.1 Das Lehrbuch „Prisma Biologie 2“ Ein druckfrisches Buch mit vielen farbigen Abbildungen erweckt hoffentlich Ihre Neu- gier und so sollten Sie sich ein paar Minuten Zeit nehmen, um in dem Buch zu blättern. Bitte prüfen Sie dabei auch, ob sich auf der Innenseite des hinteren Buchdeckels die CD- ROM befindet. Gleich, wenn Sie den Buchdeckel aufschlagen, gibt es Hinweise zum Aufbau und zur Vermittlung des Lehrstoffs. Einstiegsseiten Basisseiten (mit Extra- und Abschlussseiten) Sonderseiten (Lexikon-, Werkstatt- und Strategieseiten) Das Buch arbeitet mit verschiedenen Symbolen, die Ihnen helfen, sich durch die Lehr- materialien (Buch, CD-ROM und Internet) zu navigieren. Hinten im Buch befindet sich ein Stichwortverzeichnis, in dem Sie Begriffe schnell © Fernstudienzentrum Hamburg nachschlagen können. Bitte schauen Sie sich alles in Ruhe an. 1.2 Die CD-ROM Den Inhalt der CD-ROM können Sie als zusätzliches Lernangebot nutzen. Die Medienmodule sind nach denselben Kapiteln wie im Lehrbuch sortiert. Es handelt sich um Abbildungen und Übungen, die per Mausklick zu lösen sind. Kleine CD-Sym- bole im Lehrbuch zeigen an, wann Medienmodule verfügbar sind. Allerdings können Sie die CD-ROM nur nutzen, wenn auf Ihrem Computer ein Internet- browser installiert ist. Nur mit der CD-ROM und ohne Internetzugang geht es leider gar nicht! Es empfiehlt sich, den Inhalt der CD herunterzuladen und auf Ihrer Festplatte zu spei- chern. Sie können dadurch schneller auf die Dateien zurückgreifen. Der Programmstart erfolgt durch Doppelklick der Datei "index.html". Mithilfe der Taste [F11] kann zur Vollbildansicht und zurück gewechselt werden. Weitere Hilfe finden Sie, wenn Sie die CD-ROM öffnen. 1.3 Internet Den Inhalt der CD-ROM können Sie auch online abrufen. Wenn Sie den Buchdeckel auf- schlagen, finden Sie auf der rechten Seite unter „Zusatzangebote im Internet“ einen Code, den Sie auf der Seite www.klett.de im Suchfeld eingeben müssen. BioE 1 3 1 Anleitung Auf den auffällig grünen Einstiegsseiten im Buch, die zu Beginn eines jeden Kapitels sind, symbolisiert eine kleine Weltkugel rechts unten weitere Materialien im Internet. Der jeweilige Code muss ins Suchfeld der Seite www.klett.de eingegeben werden. Bitte beachten Sie, dass der Klett-Verlag diese Internetseiten in regelmäßigen Abständen aktualisiert, so dass diese Seiten Änderungen unterliegen und nicht mit den Inhalten der CD-ROM übereinstimmen müssen. 1.4 Der Umgang mit dem Studienmaterial Das Studienmaterial zur „Allgemeinen Biologie“ besteht aus Lehrbuch und Studienheft, die sich ergänzen. Sie müssen mit beiden lernen und arbeiten. Beginnen Sie grundsätzlich mit dem Studienheft. Das Studienheft weist Sie in jedes Thema ein und navigiert Sie mit den folgenden Hin- weisschildern durch das Lehrbuch: Hinweis: Lesen Sie nun im Buch die Basisseiten (Abschnitt) „ …………… “. © Fernstudienzentrum Hamburg Das hat den Vorteil, dass Sie sich nicht durch alle Seiten „kämpfen“ müssen, sondern sich relevante Buchinhalte Schritt für Schritt aneignen können. Wie bereits bemerkt, ist das Lehrbuch konzeptionell in verschiedene Seiten aufgeteilt: Einstiegsseiten, Basisseiten (mit Extra- und Abschlussseiten) und Sonderseiten (Lexi- kon-, Werkstatt- und Strategieseiten). Doch nicht alle Seiten sind für Sie gleichermaßen wichtig oder von Nutzen. Auf den doppelseitigen Basisseiten ist der Lernstoff zu einem Thema übersichtlich dar- gestellt. Die Hinweisschilder im Studienheft fordern Sie zum Lesen bestimmter Basis- seiten auf (Beispiel: Lesen Sie nun im Buch die Basisseiten „Pflanzenzelle und Tierzel- le“). Auf Angaben von Seitenzahlen wurde ganz bewusst verzichtet, denn Lehrbücher wer- den regelmäßig überarbeitet. Auch wenn oft nur kleine Korrekturen vorgenommen wer- den, können Änderungen Einfluss auf die Seitenzahlen haben. Lexikon- und Extraseiten versorgen Sie mit ergänzenden Informationen, die aber nicht immer für das Verständnis des Lernstoffs notwendig sind. Auf wichtige Seiten wird im Studienheft mit einem Hinweis ( ) verwiesen. Auf die „Werkstattseiten“ oder „Strategieseiten“ kann verzichtet werden, denn dort werden Experimente, Methoden oder Arbeitsweisen vorgestellt. Experimente und Ver- suche erfordern oft einfache Laborgerätschaften (z. B. Reagenzgläser), die die meisten von Ihnen nicht im Haushalt haben. Und da Sie im Fernunterricht weder mit dem Licht- mikroskop arbeiten noch Exkursionen unternehmen, können Sie die Seiten überschla- gen. Selbstverständlich können Sie alle Themen auch ohne praktische Einlagen lernen. Im Studienheft wird auf alle notwendigen Buchseiten und -abschnitte verwiesen. Natürlich können Sie, wenn Sie Interesse haben, auch weitere Themen und Aspek- te bearbeiten. 4 BioE 1 Anleitung 1 Die Themen: Das Studienmaterial zur „Allgemeinen Biologie“ behandelt die Themen Die Zelle Ökosystem Wald Ökosystem Gewässer Gesundheit und Krankheit: Infektionskrankheiten Genetik (Heft 2) Angewandte Genetik (Heft 2) Evolution (Heft 2) Vielleicht ist Ihnen noch einiges aus Ihrer Schulzeit bekannt, dann kommen Sie mit der Bearbeitung eines Kapitels zügiger voran. Sie sollten aber alle Seiten lesen und nichts auslassen oder überschlagen, damit Ihnen nicht versehentlich wichtiger Lernstoff ent- geht. Studienheft: Im Studienheft ist jedes Kapitel in verschiedene Abschnitte unterteilt, die sich an der © Fernstudienzentrum Hamburg Konzeption des Lehrbuchs orientieren. Hier sei noch einmal der Hinweis erlaubt, dass Sie grundsätzlich mit dem Studienheft starten sollen. Betrachten Sie die Lernziele zu Beginn jeden Kapitels als „roten Faden“, der Sie durch den Lernstoff leitet. Jeder Abschnitt beginnt mit einer kleinen Einführung, bevor Sie zum Lehrbuch wech- seln. Im Buch wird jedes Thema auf einer Doppelseite übersichtlich abgehandelt. Wich- tige Aspekte werden im Studienheft noch einmal aufgegriffen und durch weitere Aus- führungen ergänzt. Definitionen sind im Studienheft ebenso enthalten wie blau hervorgehobene Merksät- ze. Hinzu kommen Übungen, in denen Sie das frisch Gelernte wiederholen sollen. Alle diese Elemente sollen Sie beim Lernen unterstützen. Am Ende jedes Kapitels gibt es eine Zusammenfassung, damit Sie den Lernstoff noch einmal rekapitulieren können, sowie Aufgaben zur Überprüfung Ihres Wissens. Durch eigenständiges Lösen der Aufgaben können Sie feststellen, ob Sie ein Kapitel gründlich genug bearbeitet haben. Lehrbuch: Auf den Basisseiten wird Ihnen ein Lerninhalt vermittelt. Fundamentale Begriffe sind fettgedruckt, und am Ende werden wesentliche Aussagen noch einmal prägnant zusam- mengefasst (grüner Fettdruck). Die Abbildungen sind ein wichtiges didaktisches Element. Eine gute Grafik vermittelt manchmal mehr als „Tausend Worte“. Zusammenhänge lassen sich als grafische Darstel- lung schnell erfassen und gut einprägen. Beschäftigen Sie sich deswegen ausgiebig mit den Abbildungen! BioE 1 5 1 Anleitung Die Aufgaben am rechten Ende der Basisseiten können Sie übergehen. Das hat verschie- dene Gründe. Zum einen gibt es keine zusätzlichen Lösungen im Buch. Sie können also nicht überprüfen, ob Ihre Antwort korrekt ist. Einige der Aufgaben sind zudem auf einen Präsenzunterricht abgestimmt, in dem ein Lehrer zusätzliche Erklärungen liefern kann, und nicht alle Aufgaben sind für Ihren Lernerfolg sinnvoll. Wichtige Aspekte/Fragen werden jedoch im Studienheft aufgegriffen, entweder im Text oder in den Übungen. Lesen Sie grundsätzlich die Zusammenfassung auf den blauen Abschlussseiten am Ende jedes Kapitels. Beachten Sie jedoch dabei, dass einige Themen im Studienheft aus- gelassen wurden. Bearbeiten Sie die Aufgaben der blauen Abschlussseiten. Die Musterlösungen finden Sie auf den letzten Seiten des Lehrbuchs. Ignorieren Sie einfach die Aufgaben zu The- men, die nicht im Studienheft angesprochen wurden. Lösen Sie im Studienheft alle Übungen und Aufgaben zur Selbstüberprüfung. Nutzen Sie diese Chance zur Selbstüberprüfung! Es ist eine wichtige Rückmeldung, ob Sie sich genügend mit dem Lernstoff auseinandergesetzt haben. Wenn Sie Abläufe oder Vorgänge wiedergeben sollen, versuchen Sie immer, dies mit eigenen Worten zu tun. So merken Sie gleich, ob Sie einen Sachverhalt wirklich verstanden haben. Die Wiedergabe von Definitionen erlaubt da zugegebenermaßen weniger Spielraum. © Fernstudienzentrum Hamburg Machen Sie sich bitte mit den Arbeitsaufträgen vertraut. So können Sie Art und Umfang der erwarteten Lösung einschätzen. angeben, benennen/nennen Informationen aufgrund von gelerntem Wissen oder vorgegebenem Material darstellen anwenden/übertragen bekannte Sachverhalte auf unbekannte Probleme beziehen auswerten Daten oder Einzelergebnisse zu einer abschließen- den Gesamtaussage zusammenführen begründen Beweise, Gesetze oder Ursachen für etwas finden beschreiben Sachverhalte unter Verwendung von Fachsprache in eigenen Worten veranschaulichen beurteilen/bewerten Behauptungen im Zusammenhang prüfen und eine Aussage über deren Richtigkeit machen darstellen Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich einwandfrei wiedergeben entwickeln Hypothese, Skizze oder Theorie schrittweise weiter- führen und ausbauen erläutern/erklären einen Sachverhalt nachvollziehbar und verständlich veranschaulichen erörtern ein Problem erkennen und unterschiedliche Positio- nen darstellen sowie mit einem eigenen Urteil als Ergebnis abschließen 6 BioE 1 Anleitung 1 herausarbeiten wesentliche Merkmale darstellen und auf den Punkt bringen prüfen Aussage oder Sachverhalt nachvollziehen und auf der Grundlage eigener Beobachtungen oder eigenen Wissens beurteilen untersuchen Fakten oder Merkmale herausarbeiten und als Er- gebnis darstellen vergleichen/gegenüberstellen nach vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichts- punkten Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Un- terschiede ermitteln und darstellen wiedergeben Gelerntes mit eigenen Worten darlegen und dabei zusammenfassen zeichnen Anfertigung einer bildhaften Darstellung © Fernstudienzentrum Hamburg BioE 1 7 2 2 Die Zelle und verschiedene Systemebenen In diesem Kapitel befassen Sie sich mit den verschiedenen Stufen biologischer Organisation von Lebewesen. Ihnen ist die Definition einer Zelle bekannt. Sie kennen wichtige Kennzeichen des Lebens. Sie wissen, was pflanzliche und was tierische Zellen auszeichnet, und können diese voneinander unterscheiden. Sie können verschiedene Bestandteile von Zellen aufzählen und ihre Funktion erläutern. Sie können erklären, was ein Zellorganell ist. Sie können Diffusion von Osmose unterscheiden und erklären. Sie wissen, welche Bedeutung der Turgor für Pflanzen hat. Sie können erläutern, was ein Gewebe kennzeichnet. Sie wissen, was Organe ausmacht. Sie können Organsysteme charakterisieren und kennen Beispiele. © Fernstudienzentrum Hamburg Sie kennen die fünf Systemebenen (Zelle, Gewebe, Organ und Organsystem, Organismus). Sie wissen, was Bakterien kennzeichnet. Ihnen sind die Begriffe Prokaryoten und Eukaryoten geläufig. 2.1 Was ist überhaupt eine Zelle? Eine Zelle ist der Grundbaustein aller Organismen und in der Hierarchie der biologi- schen Organisation die kleinste Einheit. Eine Zelle ist in sich abgeschlossen, steht aber mit ihrer Umgebung im Austausch. Man definiert die Zelle als kleinste lebens- und ver- mehrungsfähige Einheit, die alle lebensnotwendigen Aufgaben ausführen kann. Die Zel- le ist somit die kleinste lebende Struktur- und Funktionseinheit. Manche Lebewesen bestehen lediglich aus einer einzigen Zelle (z. B. Pantoffeltierchen oder Bakterien). Man bezeichnet solche Organismen als Einzeller. Zellen sind Lebewesen bzw. Lebewesen bestehen aus Zellen. Die nächste Frage, die gestellt werden muss, ist: „Was ist Leben?“. In der Regel bereitet es uns keine Schwierigkeiten, etwas Lebendes, z. B. ein Tier, von etwas Unbelebtem, z. B. einem Felsblock, zu unterscheiden. Aber natürlich gibt es Beispiele, bei denen sich das nicht auf den ersten Blick erschließt. Biologen haben sich ausgiebig mit der Frage beschäftigt, wann man etwas als „lebend“ bezeichnen kann und wann nicht. Dabei stellte sich heraus, dass sich Leben nicht so ein- fach und schon gar nicht durch eine einzige Eigenschaft definieren lässt. Es sind ver- schiedene Kennzeichen, die vorhanden sein müssen, damit etwas das Attribut „lebend“ bekommt. 8 BioE 1 Die Zelle und verschiedene Systemebenen 2 Wichtige Kennzeichen des Lebens sind: Fortpflanzung Stoff- und Energiewechsel Wachstum und Entwicklung Reizbarkeit Evolutionäre Anpassung Bei einer Zelle lassen sich alle genannten Eigenschaften nachweisen. Definition 2.1: Eine Zelle ist die kleinste lebende Struktur- und Funktionseinheit. Zellen sind offene Systeme, weil sie mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen und ein Stoff- und Energieaustausch stattfindet. Die Stoffwechselaktivitäten erreichen niemals einen Ruhezustand, sondern die Balance wird durch einen ständigen Aus- und Zustrom sowie Auf- und Abbau gehalten. Dieses dynamische Gleichgewicht bezeichnet man auch als Fließgleichgewicht. Es ist ebenfalls ein Kennzeichen des Lebens. 2.2 Pflanzenzelle und Tierzelle © Fernstudienzentrum Hamburg Je nachdem, ob es sich bei dem Lebewesen um eine Pflanze oder ein Tier handelt, sind die Zellen etwas unterschiedlich aufgebaut. Hinweis: Lesen Sie nun im Buch die Basisseiten „Pflanzenzelle und Tierzelle“ und schauen Sie sich ganz genau die Abbildungen dazu an. Bei der grafischen Darstellung von Tier- und Pflanzenzelle helfen Ihnen die Farben die Bestandteile zuzuordnen. Wie Sie an der Abbildung verschiedener Zellen im Vergleich erkennen, können Ausse- hen und Form von Zellen variieren. Zellen können kugelig, kantig, spindelförmig, lang gestreckt oder mit Fortsätzen versehen sein. Und sicher haben Sie festgestellt, dass tierische und pflanzliche Zellen sowohl überein- stimmende als auch unterschiedliche Merkmale haben. Übung 2.1: Bitte listen Sie die Gemeinsamkeiten von Zellen hier noch einmal auf: 1. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 5. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 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_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Übung 2.2: Erklären Sie den Begriff „Zellorganellen“. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ © Fernstudienzentrum Hamburg _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.3 Die Bestandteile von Zellen Sie haben gelernt, dass die Zelle die kleinste selbständige biologische Einheit ist, in der alle Lebenstätigkeiten wie Stoff- und Energiewechsel ablaufen und aus der neue Lebe- wesen entstehen können. Die verschiedenen Zellbestandteile erfüllen unterschiedliche Funktionen, von denen die wichtigsten hier beschrieben werden. Zellmembran: Jede Zelle ist von einer Membran umgeben. Doch nicht nur die Zelle selbst, sondern auch die Zellorganellen sind von Membranen (Biomembranen) umgrenzt. Dadurch entstehen innerhalb der Zelle verschiedene Reaktionsräume (Kompartimente), in de- nen Stoffwechselvorgänge gleichzeitig, aber voneinander räumlich getrennt ablaufen können. Alle Biomembranen haben denselben Grundaufbau. Sie bestehen aus einer zweilagigen Schicht aus Lipiden (das sind Fette), man spricht von Lipiddoppelschicht. Der wasser- abweisende Teil der Fette ist jeweils zueinander gerichtet und bildet das Innere der Li- piddoppelschicht. Die wasserliebenden Anteile der Lipide liegen an der Außenseite, ent- weder zum Zellplasma oder zur Zellumgebung hin. 10 BioE 1 Die Zelle und verschiedene Systemebenen 2 In die Lipiddoppelschicht sind Eiweiße (Proteine) eingelagert. Zusammensetzung und Aufbau dieser Membranproteine variieren zwischen den einzelnen Membranen erheb- lich und werden durch die Funktion der jeweiligen Membran bestimmt. Ein Teil der Membranproteine übernimmt den Transport von größeren Molekülen1 in und aus der Zelle bzw. dem Zellorganell. Andere Membranproteine sind für die Weiterleitung von Signalen verantwortlich. Biomembranen regulieren den Austausch von Stoffen mit der Umgebung (bei Zellen) oder dem Zellplasma (bei Organellen). Biomembranen haben die Kontrolle darüber, was in die Zelle hineinkommt oder was die Zelle verlässt. Man kann sie deshalb als selektive Schranke bezeichnen. Jede Biomembran ist semipermeabel (übersetzt: halbdurchlässig), d. h., reines Wasser kann die Membran passieren, nicht jedoch gelöste Salz- und Zuckermoleküle. Dafür gibt es die Transportproteine, die unter Energieverbrauch größere Moleküle aufnehmen oder abgeben. In der Literatur geht man zunehmend dazu über, den Begriff semipermeabel durch se- lektiv permeabel zu ersetzen. Der Grund ist, dass die Biomembran nicht halbdurchläs- sig, sondern nur für ganz bestimmte Moleküle durchlässig ist, z. B. für Wasser oder Sau- erstoff. © Fernstudienzentrum Hamburg Zellplasma: Chemisch handelt es sich beim Zellplasma um ein gallertartiges Gemisch aus hauptsäch- lich Wasser (ca. 70 %), Salzen und verschiedenen Makromolekülen. Unter Makromo- lekülen versteht man chemische Verbindungen, die aus sehr vielen Bausteinen (gleiche oder unterschiedliche) aufgebaut sind. Zu den biologischen Makromolekülen gehören u. a. Eiweiße (Proteine), Kohlenhydrate und Fette. Im Zellplasma liegen die Zellorganellen und Vesikel. Letztere sind kleine von einer Membran umgebene Bläschen, in denen Stoffwechselprodukte eingelagert oder Nah- rungsreserven gespeichert werden. Zellkern: Der Zellkern ist durch die Kernmembran vom Zellplasma getrennt. Er ist ein besonderes Zellorganell, denn im Zellkern ist die Erbsubstanz enthalten. Träger der Erbanlagen (Ge- ne) sind die Chromosomen. Der Kern ist somit das genetische Steuerungszentrum der Zelle. Jede Tier- und Pflanzenart hat eine bestimmte charakteristische Anzahl Chromosomen, die für jede Art konstant ist. Der Mensch hat z. B. 46 Chromosomen in jeder Körperzelle, ein Karpfen 104 und Tomaten 24. Die Gesamtheit aller Chromosomen in einer Zelle wird als Chromosomensatz oder Ge- nom bezeichnet. 1. Moleküle sind chemische Verbindungen, die aus zwei oder mehreren Atomen aufgebaut sind. Dabei kann es sich um Atome desselben Elements handeln, z. B. beim Sauerstoff O2, oder um verschiedene, wie z. B. beim Wasser H2O. Makromoleküle sind besonders große Verbindungen. BioE 1 11 2 Die Zelle und verschiedene Systemebenen Mitochondrien: Sie sind die Zentren der Energiegewinnung der Zelle („Kraftwerk der Zelle“). In den Mi- tochondrien werden Nährstoffe chemisch abgebaut, dabei wird Energie gewonnen. Be- sonders stoffwechselaktive, also viel Energie verbrauchende Zellen, enthalten deshalb auch besonders viele Mitochondrien. Wir werden später noch einmal im Zusammenhang mit der Zellatmung darauf zurück- kommen. Endoplasmatisches Reticulum (Abk. ER): Der komplizierte Name bedeutet wörtlich übersetzt „im Plasma liegendes Netz“. Diese von einer Membran umhüllten Kanälchen transportieren und speichern Stoffe innerhalb der Zelle. Im ER werden aber auch Membranen für die Zellorganellen aufgebaut. Man kann das ER als „Werksstraße“ umschreiben, in der Stoffe gefertigt und weiterverarbeitet werden. An den äußeren Teilen des ER, aber auch frei im Zellplasma, befinden sich kleine Kü- gelchen, die Ribosomen (sie sind in der Ihnen vorliegenden Abbildung leider nicht be- schriftet). Ribosomen übernehmen die wichtige Aufgabe des Aufbaus von Eiweißen (Proteinen) in der Zelle. Wir werden später im Kapitel Genetik genauer auf die Riboso- © Fernstudienzentrum Hamburg men eingehen. Golgi-Apparat: Unter dem Golgi-Apparat versteht man die Gesamtheit der Dictyosomen einer Zelle. Dictyosomen sind Stapel abgeflachter, durch Membranen begrenzter Hohlräume. Der Golgi-Apparat ist sowohl Syntheseort als auch Teil des zelleigenen Transportsystems. Salopp kann man den Golgi-Apparat als Fertigungs-, Lager-, Sortier- und Versandzent- rale bezeichnen. Das endoplasmatische Reticulum und der Golgi-Apparat stehen mitei- nander in Verbindung. Produkte des ER werden im Golgi-Apparat umgewandelt, gespei- chert oder zu anderen Bestimmungsorten befördert. Für die Beförderung werden Transport-Vesikel benutzt. Zellwand: Pflanzenzellen besitzen neben einer dünnen Zellmembran außen noch eine feste Zell- wand. Ihr Hauptbaustoff ist Cellulose. Die Zellwand verleiht der pflanzlichen Zelle eine gewisse Form und Festigkeit. Anders als die Zellmembran kontrolliert die Zellwand aber nicht den Austausch von Stoffen, sondern lässt durch, was größenmäßig passt. Tüpfel sind Öffnungen in der Zellwand, durch die Stoffe ein- und austreten können. Prägen Sie sich bitte ein, dass tierische Zellen im Gegensatz zur Pflanzenzelle nur von einer Zellmembran umgeben sind. Die Zellwand ist ein Merkmal, das die pflanzliche von der tierischen Zelle unterscheidet. 12 BioE 1 Die Zelle und verschiedene Systemebenen 2 Sicher haben Sie schon einmal von Ballaststoffen in unserer Nahrung gehört. Ballast- stoffe sind unverdauliche Nahrungsbestandteile, die aber für eine gute Verdauung sor- gen. Die aus Cellulose bestehende Zellwand ist ein wichtiger Ballaststoff. Chloroplasten: Typisch für pflanzliche Zellen sind die Plastiden, die allen Tieren fehlen. Man unter- scheidet mehrere Typen, von denen hier nur die Chloroplasten besprochen werden sol- len. Sie sind die Träger der fotosynthetisch aktiven Farbstoffe (Chlorophyll) und damit die Organellen der Fotosynthese. Wir werden später noch einmal auf die Bedeutung der Fotosynthese zurückkommen. Vakuole: In pflanzlichen Zellen findet man Vakuolen (Zellsafträume), die von einer Biomembran umgeben sind. Den Inhalt der Vakuole bezeichnet man als Zellsaft, in dem Salze, orga- nische Moleküle (z. B. Aminosäuren2 und Zucker), Farbstoffe (besonders bei Früchten) und Abfallprodukte gelöst sind. Die Vakuole dient vor allem der Erhaltung eines bestimmten osmotischen Drucks und kann bei älteren Zellen bis zu 90 % des Gesamtvolumens ausmachen. Wie der Zellsaft © Fernstudienzentrum Hamburg der Vakuole Druck auf die Zellwände ausübt, wird später noch einmal aufgegriffen. Zentralkörperchen (nicht in der Abbildung): Typisch für tierische Zellen sind die Zentralkörperchen, deren Aufgabe Ihnen später bei der Zellteilung verständlich werden wird. 2.4 Diffusion, Osmose und Turgor Hinweis: Lesen Sie zunächst bitte den Abschnitt „Diffusion und Osmose“. Zur Vertiefung sollen diese wichtigen Begrifflichkeiten noch einmal wiederholt werden. Bringt man zwei Flüssigkeiten zusammen, in denen unterschiedliche Mengen von Salz oder Zucker gelöst sind, so streben beide Flüssigkeiten nach Ausgleich, d. h., sie vermi- schen sich, so dass schließlich eine ausgeglichene Konzentration vorhanden ist. Man spricht in diesem Zusammenhang von Diffusion. Anders sieht es aus, wenn diese beiden unterschiedlich konzentrierten Lösungen durch eine Biomembran voneinander getrennt sind. Erinnern Sie sich bitte, dass alle Biomem- branen selektiv permeabel sind. Reines Wasser kann durch die Membran diffundieren, nicht jedoch die gelösten Salz- und Zuckermoleküle. Um Ausgleich zu schaffen, strömt das (reine) Wasser durch die Biomembran auf die Seite mit der höheren Konzentration. Dabei nimmt das Volumen der einen Lösung zu. Dieser Vorgang wird als Osmose be- zeichnet. 2. Aminosäuren sind die Bausteine von Eiweißen (Proteinen). BioE 1 13 2 Die Zelle und verschiedene Systemebenen In der Natur haben osmotische Vorgänge eine zentrale Bedeutung, insbesondere für die © Fernstudienzentrum Hamburg Regulation des Wasserhaushalts von Zellen und Organismen. Ein vergleichsweise gerin- ger Wasserverlust kann bei den meisten Lebewesen den Tod herbeiführen, denn Sie müssen sich vergegenwärtigen, dass alle Stoffwechselvorgänge ausschließlich in wäss- riger Lösung ablaufen. Das Prinzip der Osmose findet in gleicher Weise bei tierischen und pflanzlichen Zellen statt. Definition 2.2: Osmose ist die einseitig gerichtete Diffusion durch eine selektiv permeable Membran. Die Richtung wird durch die Konzentration gelöster Moleküle vor- gegeben. Am Beispiel von Pflanzen kann man osmotische Vorgänge besonders gut verdeutlichen. Sie wissen, dass Blumen bald welken, wenn sie nicht gegossen werden. Das Wasser ver- dunstet über die Oberfläche der Blätter und muss durch Aufnahme über die Wurzeln er- setzt werden. Passiert das nicht, vertrocknen die Pflanzen. Da die Konzentration an ge- lösten Stoffen in den Wurzelzellen höher ist als in der Umgebung, wird Wasser in die Pflanze aufgenommen. Durch Osmose gelangt das Wasser in die Zellen, und die Blumen erhalten ihre Festigkeit zurück. Betrachten wir nun noch einmal die Vorgänge auf pflanzlicher Zellebene. Der Zellsaft der Vakuole hat eine höhere Konzentration als die Umgebung. Da weder Zucker- noch Salzmoleküle durch die Membran der Vakuole wandern können, kann dieser Konzent- rationsausgleich nur dadurch erfolgen, dass der Zellsaft durch eintretendes Wasser ver- dünnt wird. Der Eintritt des Wassers durch die Membran hin zu der Flüssigkeit mit hö- herer Konzentration wird durch Osmose bewirkt. 14 BioE 1 Die Zelle und verschiedene Systemebenen 2 Zellen von Pflanzen besitzen eine Zellwand. Die Wasseraufnahme hält so lange an, bis das Zellvolumen sich stark vergrößert hat. Der durch die anschwellende Vakuole er- zeugte Druck im Zellinneren bewirkt einen zunehmenden Gegendruck der Zellwand, der schließlich ein weiteres Eindringen des Wassers verhindert. Eine Zelle ohne starre Zellwand kann eine übermäßige Wasseraufnahme weitaus weniger ertragen – sie platzt irgendwann. Die Wechselwirkung zwischen Zellwand und prall gefüllter Vakuole, also Druck und Gegendruck, stellt für die meisten Pflanzen den Normalzustand dar. Man sagt, die Zelle ist turgeszent. Die Turgeszenz trägt dazu bei, dass kleine Pflanzen auch ohne verholzte Elemente aufrecht stehen. Definition 2.3: Unter Turgor versteht man den Druck, den der Zellsaft auf die Zellwand einer pflanzlichen Zelle ausübt. 2.5 Der Weg zu mehrzelligen Lebewesen Hinweis: Lesen Sie zunächst bitte den Abschnitt „Vom Einzeller zum Mehrzeller“. © Fernstudienzentrum Hamburg Wie Sie erfahren haben, gibt es in einem Heuaufguss bereits nach einigen Tagen vielfäl- tiges Leben, wobei die meisten Bewohner lediglich aus einer einzigen Zelle bestehen. Lassen Sie uns noch einmal zusammenfassen: Auch bei Einzellern kann man bereits zwi- schen Tier und Pflanze unterscheiden. Es gibt einzellige Algen, die Chloroplasten ent- halten und Fotosynthese betreiben können, und es gibt tierische Einzeller, wie z. B. das Pantoffeltierchen, die sich von anderen Einzellern ernähren. Eine Besonderheit ist das Augentierchen Euglena, das sowohl Fotosynthese betreiben als auch – wie ein tierischer Organismus – organische Nährstoffe aufnehmen kann. Ein Weg zu höherer Organisation führt über den Zusammenschluss von mehreren Zel- len zu einem Zellverband. Die abgebildete Wimpernkugel Volvox ist ein gutes Beispiel dafür. Es findet Arbeitsteilung statt, d. h., die Einzelzelle ist nicht mehr für alle Lebens- funktionen zuständig, sondern bestimmte Zellen übernehmen bestimmte Aufgaben. Man sagt, die Zellen fangen an, sich zu differenzieren. Hinweis: Lesen Sie nun bitte den Abschnitt „Zellen, Gewebe und Organe“. Nicht nur im Pflanzenreich gibt es sehr einfache mehrzellige Organismen, sondern auch im Tierreich. Ein Beispiel haben Sie kennengelernt: den Süßwasserpolypen. Er besitzt nur eine Körperöffnung, die gleichzeitig als Mund und After dient. Der Hohlraum wird von einer Außen- und Innenschicht umgeben. In den beiden Schichten findet man un- terschiedlich spezialisierte Zellen. Gruppen gleichartiger Zellen, die dieselbe Aufgabe und Gestalt haben, bezeichnet man als Gewebe – man kann auch sagen, sie weisen dieselbe Differenzierung auf. BioE 1 15 2 Die Zelle und verschiedene Systemebenen Wie kann man sich das vorstellen? Bei Zellen, die sich differenziert haben, sind be- stimmte Zellbestandteile besonders ausgeprägt oder vermehrt vorhanden. So hat eine Muskelzelle, die viel Arbeit leisten muss, besonders viele Mitochondrien („die Kraftwer- ke der Zelle“) und eine Drüsenzelle, die viel Schleim produziert, hat vermehrt Dictyoso- men (Golgi-Apparat). Die Zellen eines Gewebes sind auf ihre jeweilige Aufgabe spezia- lisiert. Exkurs Stammzellforschung: In jedem Lebewesen gibt es Zellen, die gar nicht oder kaum differenziert sind. Beim Menschen (und höheren Tieren) werden diese Zellen als Stammzellen bezeichnet. Man findet sie nur in einem sehr frühen Stadium der Embryonalbildung (embryonale Stammzellen) sowie im Knochenmark und Gehirn von Erwachsenen (adulte Stammzellen). Stammzellen haben zwei wichtige Eigenschaften – sie vermehren sich ständig und sie lassen sich unter bestimmten Bedingungen zur Differenzierung anregen. Gerade für die medizinische Forschung sind Stammzellen von hohem Interesse, weil man sich erhofft, irgendwann in der Lage zu sein, die Neubildung oder Reparatur von Organen und Geweben anzustoßen. © Fernstudienzentrum Hamburg Wegen zahlreicher ungeklärter ethischer, rechtlicher und politischer Fragen ist die Er- forschung embryonaler Stammzellen in Deutschland derzeit nur unter sehr strengen Auflagen zugelassen. Auf der nächsten Stufe in der biologischen Hierarchie stehen die Organe. Übung 2.3: Erklären Sie, was ein Organ ist. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Organe finden sich zu Organsystemen zusammen und auf der höchsten Stufe steht das gesamte Lebewesen. 16 BioE 1 Die Zelle und verschiedene Systemebenen 2 Die fünf Systemebenen sind Zelle Gewebe Organ Organsystem Organismus Hinweis: Bitte lesen Sie die Zusammenfassung im Buch und lösen Sie die Aufgaben. 2.6 Die bakterielle Zelle Nachdem wir uns mit der Hierarchie der biologischen Organisation beschäftigt haben, kehren wir nun noch einmal zu sehr einfachen Lebewesen zurück, den einzelligen Bak- terien. Bei Bakterien denken die meisten Menschen sofort an Krankheiten wie Scharlach oder Keuchhusten. Dabei sind die meisten Bakterien völlig harmlose Vertreter oder sogar © Fernstudienzentrum Hamburg nützlich. Hinweis: Lesen Sie zunächst den Abschnitt „Bakterien – Bau und Lebensweise“ im Kapitel „Gesundheit – Krankheit“. Schauen Sie sich dabei sehr genau die Abbildung zum Aufbau der Bakterienzelle an. Wenn Sie sich nun noch einmal den Aufbau von tierischen und pflanzlichen Zellen ins Gedächtnis rufen, fällt Ihnen sicher auf, dass Bakterien anders und einfacher aufgebaut sind. Haben Sie bemerkt, dass Bakterien keinen Zellkern besitzen? Die Erbsubstanz liegt frei im Zellplasma und ist auch nicht auf Chromosomen aufgeteilt, sondern ein ringförmiges Molekül. Die Zelle ist von einer Zellmembran und einer Zellwand umgeben. Zusätzlich kann bei einigen Bakterien eine Schleimhülle vorkommen. Die Zellmembran ist an manchen Stel- len nach innen aufgefaltet. Die Zellwand der Bakterien besteht aber nicht wie bei Pflan- zen aus Cellulose, sondern aus einer Verbindung, die sich aus Zuckern und Aminosäu- ren zusammensetzt (Mureinschicht). Im Zellplasma findet man keine Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, Golgi- Apparat und auch kein endoplasmatisches Reticulum. Wohl aber sind in Bakterien Ri- bosomen vorhanden (nicht in der Abbildung vorhanden). Die Ribosomen von Bakterien (Typ 70S) sind kleiner als die von Tieren und Pflanzen (Typ 80S), sie übernehmen aber auch in Bakterien die Herstellung von Eiweißen. Geißeln sind die Bewegungsorgane der Bakterien. Manche Bakterien haben nur eine Geißel, andere haben mehrere Geißeln und wieder andere haben überhaupt keine Gei- ßel. BioE 1 17 2 Die Zelle und verschiedene Systemebenen 2.7 Prokaryoten und Eukaryoten Sie haben nun verschiedene Zelltypen kennengelernt: tierische, pflanzliche und bakteri- elle Zellen. Alle Zelltypen haben einige Gemeinsamkeiten: alle sind von einer Zellmembran umge- ben und haben im Zellinneren Zellplasma. Alle Zellen besitzen Erbsubstanz und Ribo- somen. An den Ribosomen werden nach Vorgabe aus den Genen zelleigene Proteine her- gestellt. Der wichtigste Unterschied zwischen Pro- und Eukaryoten ist der Zellkern. Das findet man auch in der Namensgebung wieder, denn das griechische Wort karyon bedeutet „Kern“. Übrigens kann man auch von Prokaryonten und Eukaryonten sprechen, das ist genau- so richtig. In manchen Büchern ist auch von Pro(to)cyte und Eucyte die Rede. Übung 2.4: Listen Sie in der folgenden Tabelle die Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten auf. © Fernstudienzentrum Hamburg Prokaryoten Eukaryoten Zu den Prokaryoten gehören neben den Bakterien auch die Cyanobakterien3. Tierische und pflanzliche Zellen sowie die Zellen von Pilzen4 zählen zu den Eukaryoten. Eukaryotische Zellen sind in der Regel viel größer als Prokaryoten. 3. Cyanobakterien wurden früher als Blaualgen bezeichnet. Man findet sie in Gewässern. Nimmt die Anzahl an Cyanobakterien überhand, ist die Gewässerqualität verschlechtert. 4. Pilze bilden eine eigene Kategorie. Sie haben eine Zellwand aus Chitin, aber keine Chloroplasten. Sie sind weder Tier noch Pflanze. 18 BioE 1 Die Zelle und verschiedene Systemebenen 2 Zusammenfassung Sie haben nun das erste Kapitel geschafft und viele grundlegende Dinge über die Orga- nisationsebenen von Lebewesen erfahren. Bevor Sie sich an die Aufgaben zur Selbst- überprüfung begeben, rufen Sie sich die wichtigen Fakten noch einmal ins Gedächtnis. 1. Zellen sind die kleinsten lebenden Funktions- und Struktureinheiten. Sie weisen alle Kennzeichen des Lebens auf. 2. Zellen können sowohl einzeln vorkommen (Einzeller) als auch Bestandteil von Ge- weben sein. 3. Alle Zellen eines Gewebes weisen dasselbe Aussehen auf und übernehmen diesel- be Funktion. 4. Ein Organ übernimmt innerhalb eines mehrzelligen Lebewesens eine bestimmte Aufgabe und stellt somit eine Funktionseinheit dar. Organe bestehen aus verschie- denen Geweben. 5. Ein Organsystem ist eine funktionell zusammengehörende Gruppe von Organen, die eine wichtige Lebensfunktion übernimmt, z. B. das Organsystem Blüte. 6. Man kann nicht nur Pflanzen- und Tierzellen eindeutig voneinander unterschei- den, sondern diese auch von Bakterienzellen abgrenzen. Tierische und pflanzliche © Fernstudienzentrum Hamburg Zellen gehören zu den Eukaryoten. Bakterien sind Prokaryoten. 7. Prokaryoten sind von geringer Größe und einfacher aufgebaut. Wichtigstes Kenn- zeichen ist der fehlende Zellkern, aber auch die Ribosomen sind kleiner. 8. Eukaryoten sind im Besitz eines Zellkerns sowie von Zellorganellen (Mitochond- rien, Chloroplasten, Endoplasmatisches Reticulum, Golgi-Apparat, Vakuole/n). 9. Pflanzliche Zellen unterscheiden sich von tierischen Zellen durch die Zellwand, Chloroplasten und Vakuole, in der Zellsaft enthalten ist. 10. Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran in Rich- tung der höher konzentrierten Lösung. Osmotische Vorgänge spielen eine wichtige Rolle im Wasserhaushalt von Organismen. BioE 1 19 2 Die Zelle und verschiedene Systemebenen Aufgaben zur Selbstüberprüfung Überprüfen Sie nun bitte Ihr neu erworbenes Wissen. Lösen Sie die Aufgaben zu- nächst selbstständig und vergleichen Sie anschließend Ihre Lösungen mit den Anga- ben im Anhang. 2.1 Stellen Sie sich vor, die Zelle ist eine Fabrik. Ordnen Sie den folgenden Zellbe- standteilen Funktionen zu, die diese in der Fabrik übernehmen würden. Zellkern – Mitochondrium – Endoplasmatisches Reticulum – Golgi-Apparat – Chloroplast – Zellmembran 2.2 Die Aufnahme von Wasser erfolgt bei den meisten Pflanzen über die Wurzel, genauer gesagt an der Wurzelspitze. Zur Vergrößerung der Oberfläche besitzt die Wurzel Wurzelhaare. Begründen Sie, warum Wurzelhaarzellen hyperto- nisch sind. 2.3 Geben Sie ein Organsystem beim Menschen an. © Fernstudienzentrum Hamburg 20 BioE 1 3 3 Ökologie – Ökosystem Wald In diesem Kapitel lernen Sie anhand zweier Ökosysteme – Wald und Gewässer – wichtige Grundlagen, ökologische Fachbegriffe und Zusammenhänge kennen. Sie können die Fachbegriffe Biotop, Biozönose und Ökosystem erklären. Sie wissen, was abiotische Faktoren von biotischen Faktoren unterscheidet. Sie kennen abiotische und biotische Faktoren im Ökosystem Wald. Sie kennen Beispiele für artenreich und artenarm. Sie können die verschiedenen „Stockwerke“ in einem Wald beschreiben. Sie wissen, wie der Wassertransport in Bäumen funktioniert. Sie kennen Ablauf und Bedeutung der Fotosynthese. Sie kennen Ablauf und Bedeutung der Zellatmung. Sie können den Zusammenhang zwischen Fotosynthese und Zellatmung er- klären und kennen die Bedeutung von ATP. Sie kennen die nachfolgenden Fachbegriffe und können diese anwenden: au- totroph, heterotroph, Produzenten, Konsumenten, Destruenten, Nahrungs- © Fernstudienzentrum Hamburg stufen oder Trophieebenen. Sie können beschreiben, was eine ökologische Nische kennzeichnet. Sie kennen die Bedeutung von Stoffkreisläufen und können den Kreislauf des Kohlenstoffs wiedergeben. Sie kennen den Unterschied zwischen Nahrungskette, Nahrungsnetz und Nahrungspyramide und können damit Nahrungsbeziehungen darstellen. Sie können erklären, warum von Nahrungsstufe zu Nahrungsstufe Energie verloren geht. Sie wissen um die ökologische Bedeutung von Wäldern und können Beispiele geben. Sie kennen verschiedene Ursachen von Waldschäden. Der Begriff „ökologisch“ ist mittlerweile allgegenwärtig. Man spricht von „ökologischen Lebensmitteln“, „ökologischer Landwirtschaft“, „ökologischer Fahrweise“, „ökologi- schen Farben“ und vielem mehr. Gemeint ist damit immer ein umweltbewusstes Vorge- hen, so dass unserer Umwelt möglichst wenig Schaden zugefügt wird. In der Biologie versteht man unter Ökologie die Lehre vom Haushalt der Natur. Es geht dabei um die Wechselwirkungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt. Ein wichtiger Begriff in diesem Zusammenhang ist das Ökosystem. Darunter versteht man das Bezie- hungsgefüge aller Organismen, die in einem bestimmten Lebensraum leben und unter- einander sowie mit den nicht-lebenden Faktoren dieses Lebensraums in Beziehung ste- hen. BioE 1 21 3 Ökologie – Ökosystem Wald Ungefähr ein Drittel der Gesamtfläche Deutschlands wird von Wäldern bedeckt. Wälder spielen eine wichtige Rolle als Lieferant von Sauerstoff, aber auch als Wasserspeicher, Bodenschützer, Klimaregulatoren, Schalldämpfer, Staubfilter, Erholungsgebiet und sind Lebensraum für viele Tier- und Pflanzenarten. Hinweis: Lesen Sie nun bitte im Kapitel „Ökosystem Wald“ den Abschnitt „Ein Land – viele Lebensräume“. Alle Individuen einer Art, die in einem Ökosystem leben, bezeichnet man als Population. So gibt es im Wald zum Beispiel eine Population an Füchsen, eine Population von Eich- hörnchen oder eine Population von Rehen. Ebenso wie Zellen sind auch Ökosysteme offene Systeme, da sie mit ihrer Umgebung im Stoff- und Energieaustausch stehen. Zwar befinden sich viele Stoffe in mehr oder weni- ger geschlossenen Kreisläufen, denn Pilze und Bakterien zersetzen im Wald abgestorbe- ne Tier- und Pflanzenreste und geben damit organisch gebundene Stoffe zum erneuten Einbau in andere Lebewesen wieder frei. Aber die Sonnenenergie kommt von außen und wird in andere Energieformen, nämlich in Biomasse5 und Wärmeenergie, umgewan- delt. © Fernstudienzentrum Hamburg Auch können Sie am Beispiel des Rehs sehen, dass nicht alle Lebewesen an ein bestimm- tes Ökosystem gebunden sind. So wechselt das Reh vom „Ökosystem Wald“ in das „Öko- system Wiese“. Lassen Sie uns nun noch einmal wiederholen. Ihnen wurden in diesem Abschnitt wich- tige Fachbegriffe vorgestellt. Bitte erklären Sie die Fachbegriffe allgemein (nicht am Bei- spiel) und mit eigenen Worten. Übung 3.1: Bitte erklären Sie die folgenden Begriffe. Biotop: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Biozönose: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Ökosystem: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 5. Masse aller lebenden Organismen eines Ökosystems 22 BioE 1 Ökologie – Ökosystem Wald 3 Abiotische Faktoren: ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Biotische Faktoren: ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Sie haben erfahren, dass die Lebewesen eines Ökosystems nicht nur mit ihrer Umwelt, sondern auch untereinander in Wechselwirkung stehen. Teilweise sind sie dabei direkt voneinander abhängig. So ernähren sich Tiere nicht nur von den Pflanzen, sondern fördern durch den Fraß auch teilweise die Verbreitung dieser Pflanzen. Die unverdaulichen Samen von Beeren wer- den über den Kot der Tiere an anderer Stelle wieder ausgeschieden. Dort keimen die Sa- men und wachsen zu neuen Pflanzen heran. Klettfrüchte bleiben im Fell von Tieren hän- gen und werden auf diese Weise über weite Strecken fortgetragen. Insekten bestäuben beim Nektarsammeln die Blüten. Eicheln, Bucheckern, Nüsse werden als Nahrungsde- © Fernstudienzentrum Hamburg pot für den Winter beispielsweise von Eichhörnchen vergraben und manchmal auch vergessen. So können neue Pflanzen keimen. Auch die Fleischfresser sind den Pflanzen förderlich, denn Vögel, Reptilien, Amphibien und Spinnentiere halten die Anzahl der Pflanzenfresser in einer verträglichen Größen- ordnung. Biozönosen setzen sich nicht aus zufällig zusammengewürfelten Arten zusammen, sondern sind ein aufeinander abgestimmtes Beziehungsgefüge. 3.1 Wald ist nicht gleich Wald. Hinweis: Lesen Sie nun bitte im Kapitel „Ökosystem Wald“ die Abschnitte „Wälder sind verschieden“ und „Artenreiche und artenarme Wälder“. Die Artenzusammensetzung eines Waldes hängt von der Bodenbeschaffenheit, der Was- serversorgung, von Licht und Temperatur ab. In unserer gemäßigten Zone überwiegen die laubwechselnden Bäume. So gibt es Laubmischwälder (z. B. Eichen-/Buchenwald oder Eichen-/Hainbuchenwald), Rotbuchenwälder und gemischte Auenwälder. Auf sandigem Untergrund und mit sparsamer Wasserversorgung gedeihen dagegen besser Nadelwälder. Und natürlich gibt es Wälder mit Laub- und Nadelbäumen: Laub-Nadel- wälder. Laubmischwälder, die aus verschiedenen Laubbäumen bestehen, erlauben das Wachs- tum niedrigerer Pflanzen, weil durch die unterschiedliche Höhe der Bäume Sonnenlicht auch Richtung Waldboden vordringen kann. In Analogie zu einem Haus kann man die Schichtung in einem Wald in verschiedene Stockwerke unterteilen. Die Kronen der höchsten Bäume bilden das Dachgeschoss. Nach unten folgen die Etagen der kleineren Bäume, dann der Sträucher und der Kräuter. Das Erdgeschoss bildet die Moosschicht. BioE 1 23 3 Ökologie – Ökosystem Wald Im Sommer wird das meiste Sonnenlicht durch die Kronen der hohen Bäume abgefan- gen. In die tieferen Stockwerke dringt zunehmend weniger Licht vor. Abhilfe wird durch das Ausnutzen verschiedener Jahreszeiten und spezielle Anpassungen geschaffen. Die Pflanzen der unteren Schichten kommen in der Zeit des Jahres zum Zuge, in der der Wald noch nicht voll belaubt ist. Die immergrünen Moose und Farne betreiben vor allem
