Vom Molekül zum Ökosystem – Organisationsstufen der belebten Materie.
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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.