Biologie für Einsteiger

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Biologie für Einsteiger - Prinzipien des Lebens verstehen

ISBN: 
978-3-662-46277-5

Leben ist ein äußerst komplexes Phänomen und läuft doch vom winzigen Bakterium bis zum studierenden Menschen stets nach den gleichen Prinzipien ab. Die Einführung in die Biologie erschließt Kapitel für Kapitel diese grundlegenden Mechanismen und Strukturen. Mit ihrem modernen didaktischen Konzept legt die Einführung in die Biologie dabei auf völlig neue Weise den Schwerpunkt auf die Vermittlung eines wirklichen Verständnisses für die Abläufe in Zellen und Organismen. Selbst schwierige Themen wie Stoffwechsel, Immunsystem und Genetik entwickeln sich so nahezu von selbst und sind für Lernende leichter in den Gesamtkomplex des Lebens einzuordnen. Dadurch entsteht ein neuer Blick auf das Leben, der motiviert und befähigt, noch tiefer einzusteigen in die bestimmende Wissenschaft des 21. Jahrhunderts.

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Die zweite, aktualisierte Auflage der Einführung in die Biologie bietet einen umfassenden Überblick über:

  • die Strukturen und Abläufe des Lebens
  • entwickelt schrittweise die notwendigen Mechanismen für Leben, als konstruiere der Leser selbst von Grund auf ein Lebewesen
  • verschafft über das Verständnis der Prinzipien einen leichteren Zugang zum umfangreichen Faktenwissen der Biologie
  • zeigt die Gemeinsamkeiten aller Lebensformen über die systematischen Grenzen hinweg auf
  • vermittelt eine Sichtweise, mit welcher sich auch komplizierteste Zusammenhänge durchschauen lassen
  • didaktische Elemente wie vertiefende Boxen, Fragen und Spickzettel am Kapitelende spielen eine herausragende Rolle
  • von Olaf Fritsche aus einer Hand gut verständlich verfasst, unterhaltsam geschrieben und mit Cartoons angereichert
  • es lässt es auch Biologen an Universität und in der Industrie zu Wort kommen und erzählt so von den persönlichen Facetten in der Biologie

 

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BegriffErklärung
System (system)Eine gedachte Gesamtheit aus mehreren Einzelelementen, die miteinander in einer bestimmten Beziehung stehen. Ein System wird je nach Fragestellung festgelegt und als Einheit betrachtet. In der Biologie untersuchen wir beispielsweise Systeme auf den Ebenen von Molekülen, Molekülkomplexen, Zellbestandteilen, Zellen, Zellverbänden, Geweben, Organen, Lebewesen, Gemeinschaften und Ökosystemen.
Entropie (entropy)Maß für die Beliebigkeit eines Zustands. Die Entropie nimmt bei spontan ablaufenden realen Prozessen stets zu. Lebewesen können aber ihre eigene Entropie senken, indem sie die Entropie ihrer Umgebung erhöhen.
Metabolismus (metabolism)Stoffwechsel, bei dem Substanzen als Bausteine für eigenes Material und zur Energiegewinnung aufgenommen, umgewandelt und ausgeschieden werden.
Kryptobiose (cryptobiosis)Lebenszustand mit gestopptem Stoffwechsel. Die Kryptobiose wird durch ungünstige Lebensbedingungen ausgelöst wie extreme Trockenheit, Kälte oder Sauerstoffmangel.
vegetative Zelle (vegetative cell)Lebende Zelle, die sich nicht teilt und bei Vielzellern nicht der Fortpflanzung dient.
Weitere Begriffe
  • Kapitel 1: Leben – was ist das? (3)
  • Kapitel 2: Leben ist konzentriert und verpackt (4)
  • Kapitel 3: Leben ist geformt und geschützt (5)
  • Kapitel 4: Leben tauscht aus (3)
  • Kapitel 5: Leben transportiert (3)
  • Kapitel 6: Leben wandelt um (4)
  • Kapitel 7: Leben ist energiegeladen (3)
  • Kapitel 8: Leben sammelt Informationen (3)
  • Kapitel 9: Leben schreitet voran (2)
  • Kapitel 10: Leben greift an und verteidigt sich (6)
  • Kapitel 11: Leben speichert Wissen (5)
  • Kapitel 12: Leben pflanzt sich fort (3)
  • Kapitel 13: Leben entwickelt sich (2)
  • Kapitel 14: Leben breitet sich aus (4)
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Frage 1 von 50
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  • In Science-Fiction-Abenteuern kommen häufig Lebensformen aus reiner Energie vor. Vor welchen Problemen stünde ein derartiges „Wesen aus Licht“?

    Lösung

    Ein Lebewesen aus Licht hätte große Schwierigkeiten, sich nicht augenblicklich in alle Richtungen zu verteilen und auszudünnen, denn Licht breitet sich ständig aus. Es kann nicht gespeichert werden, allenfalls seine Energie lässt sich absorbieren und anschließend gleich wieder emittieren. Dafür muss sie allerdings mit Materie wechselwirken, was der Vorgabe einer „reinen“ Lichtgestalt widerspricht. Ähnliche Argumente treffen auch auf andere Energieformen zu, sodass Leben ohne Materie kaum vorstellbar ist.
  • Vermischen wir Wasser und Öl miteinander, trennen sich die beiden Stoffe mit der Zeit von selbst. Wie lässt sich dies mit steigender Entropie vereinbaren?

    Lösung

    Wenn Öl und Wasser miteinander vermischt sind, gibt es für die Moleküle eine gewaltige Vielfalt von Anordnungsmöglichkeiten. Dennoch schränken die großen Ölteilchen die kleineren Wasserpartikel in ihrer Freiheit ein. In einer reinen Wasserumgebung haben sie noch weit mehr Auswahl, wo sie sich aufhalten können und wohin sie sich bewegen. Darum ist es viel wahrscheinlicher, dass ein Wassermolekül aus dem öligen Bereich hinaus wandert als in ihn hinein. Die Entropie des Wassers nimmt deshalb zu, wenn die Phasen sich trennen, und bestimmt die zeitliche Entwicklung des Gemischs.
  • Wann ist Leben erfolgreich? Was ist sozusagen der ultimative Maßstab?

    Lösung

    Wir können eine Lebensform einfach dann als erfolgreich ansehen, wenn sie noch vorhanden ist. Dann hat sie sich über eine Milliarden Jahre andauernde Evolution immer wieder an veränderte Umweltbedingungen angepasst. Andere Kriterien sind mit Blick auf lange Zeiträume weniger überzeugend. Etwa die Größe. Zwar beherrschten Dinosaurier, von denen es riesige Formen gab, die Erde über viele Millionen Jahre, doch überforderte eine dramatische Veränderung der Lebensbedingungen vor etwa 65 Millionen Jahren ihre Flexibilität. Und ob die Intelligenz des Menschen ausreicht, um noch lange als Art zu bestehen, wird erst die Zukunft zeigen.
  • Wie entsteht die Oberflächenspannung des Wassers?

    Lösung

    Die Teilladungen der Wassermoleküle wirken anziehend auf entgegengesetzte Ladungen. Die Moleküle der Luft sind aber elektrisch neutral und unpolar, weshalb es an einer Wasseroberfläche kaum Bindungskräfte zwischen Wasser und Luft gibt. An einem Wassermolekül im Randbereich wirken darum nur Kräfte, die in den Wasserkörper hinein und zur Seite gerichtet sind. Es entsteht ein fester Zusammenhalt, der als Oberflächenspannung bezeichnet wird. Gelangt ein leichter unpolarer Körper – eine Nadel oder der Fuß eines Wasserläufers – auf die Oberfläche, stellen auch seine Moleküle keine Konkurrenz zu den Wasserteilchen dar und brechen deren Bindungsnetz darum nicht auf. Der Körper dringt nicht in das Wasser ein, er liegt einfach auf dem Molekülnetz auf. Polare oder geladene Körper ziehen die Wassermoleküle hingegen an, die sich mit ihren Dipolen neu ausrichten und das Objekt umschließen. Sie gehen infolgedessen ebenso unter wie ein schwerer Körper, der aller Oberflächenspannung zum Trotz durch die Gravitationskraft in Richtung Erdmittelpunkt gezogen wird.
  • Warum bildet Wasser auf vielen Untergründen Tropfen, statt wie Öle zu verlaufen?

    Lösung

    Die größte Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb einer kleinen Wassermenge ließe sich erreichen, wenn das Wasser eine perfekte Kugel bilden könnte. In der Schwerelosigkeit schwebend nimmt es wegen der Oberflächenspannung tatsächlich diese Form an. Auf einer hydrophoben Unterlage entstehen kaum Bindungen zwischen Wasser und Untergrund, sodass die anziehenden Kräfte weit schwächer sind als die Oberflächenspannung. Die Kugelform wird hauptsächlich durch die Schwerkraft gestört, die sie ein wenig abplättet. Die van-der-Waals-Bindungen innerhalb von Öltröpfchen sind hingegen zu schwach, um die Moleküle gegen die Schwerkraft zusammenzuhalten. Deshalb fließt Öl auf nahezu allen Untergründen auseinander und bildet eine flache Pfütze.
  • Welche Vorteile hat ein modularer Aufbau von Membranen gegenüber einem einzelnen Riesenmolekül als Hülle?

    Lösung

    Modular aufgebaute Membranen aus kleinen Einheiten sind flexibler als es Strukturen aus Makromolekülen wären. Sie reagieren wegen der relativ schwachen Einzelbindungen bei mechanischer Beanspruchung elastisch und zerbrechen nicht irreversibel. Dennoch sorgt die Vielzahl der Bindungen dafür, dass sie schnell wieder ihre energetisch günstige geschlossene Form einnehmen. Soll die Membran vergrößert oder verkleinert werden, brauchen keine kovalenten Bindungen aufgebrochen zu werden, sondern es lassen sich einfach neue Bausteine einfügen bzw. entfernen. Auch zusätzliche andere Moleküle sind leichter einzubauen, da die Membranbausteine ohne großen Aufwand Platz machen und sich entsprechend der Polarität von selbst dicht schließend anlagern.
  • Wie viele Membranen muss ein Molekül passieren, das von außen bis in das Innere eines Mitochondriums vordringen soll (unter der Annahme, dass es keine Aufnahmesysteme oder Poren gibt)?

    Lösung

    Es sind drei Membranen zu überwinden: die Plasmamembran sowie die innere und die äußere Membran des Mitochondriums.
  • Warum wird die Aminosäure Prolin als „Helixbrecher“ bezeichnet?

    Lösung

    Durch seinen Ring, der die Atome des Rückgrats mit einschließt, verliert Prolin die freie Drehbarkeit einer Einfachbindung am a-Kohlenstoffatom. Die Polypeptidkette kann deshalb nicht mehr vollständig die Winkel einer korrekten Helix einhalten. Es entsteht mindestens ein Knick in der Sekundärstruktur, häufig bricht die Helix auch am Prolin ab. Ähnliche Probleme bereitet die Aminosäure in b-Faltblättern. Die meisten Proline sind dementsprechend in Schleifen, Kehren und ungeordneteren Bereichen von Proteinen zu finden.
  • In welcher Umgebung dürfte ein Proteinabschnitt mit der Aminosäuresequenz ALGVAAMI vermutlich anzutreffen sein?

    Lösung

    Alle Aminosäuren der Sequenz haben unpolare Seitenketten. Darum sind sie vom Wasser abgekehrt im Inneren des Proteins verborgen oder ragen bei einem transmembranen Protein in den hydrophoben Bereich der Lipidschwänze hinein.
  • Warum können Insekten auf Intermediärfilamente verzichten?

    Lösung

    Intermediärfilamente sorgen dafür, dass Zellen bei Zugbelastung nicht zerreißen. Durch den Chitinpanzer der Insekten sind Insektenzellen aber weitgehend gegen derartige Kräfte geschützt. Sie benötigen deshalb keine ausgesprochene Stabilität gegenüber mechanischer Beanspruchung.
  • Über welche Mechanismen könnten sich Zellen ohne feste Hülle gegen die zerstörerische Wirkung hypotoner Medien schützen?

    Lösung

    Außer einer druckfesten Hülle sind verschiedene weitere Methoden denkbar – und meist auch in der Natur realisiert –, um in hypotonen Umgebungen zu überleben.
    • Zellen und Organismen können ihre innere Osmolarität an den Wert der Umgebung anpassen. Solche Osmokonformer, wie beispielsweise der Wattwurm, nehmen mit der veränderten Osmolarität an Volumen zu oder ab.
    • Lebewesen können selbst durch Abgabe und Aufnahme von Molekülen die Osmolarität der Umgebung regulieren. Bei den Wirbeltieren übernehmen die Nieren diese Aufgabe, indem sie die Zusammensetzung der interstitiellen Flüssigkeit, welche die Zellen umgibt, stets gleich halten.
    • Manche Zellen können ihre Plasmamembran möglichst undurchlässig für Wasser machen. Das Pantoffeltierchen Paramecium vermindert so den Einstrom von Wasser.
    • Einige Zellen können eingedrungenes Wasser aktiv wieder aus der Zelle herauspumpen. Auch diese Technik verfolgt Paramecium. Es besitzt kontraktile Vakuolen, die im Cytoplasma Wasser aufnehmen und es stoßweise hinausbefördern.
  • Im Gegensatz zu Pflanzen gehen Tiere großzügig mit Stickstoff um, indem sie beispielsweise Haare und Federn aus Proteinen konstruieren und Harnstoff bzw.
    Harnsäure ausscheiden. Warum können Tiere sich diese „Verschwendung“ leisten?

    Lösung

    Tiere decken ihren Energiebedarf, indem sie andere Organismen fressen und die Energie in deren chemischen Verbindungen nutzen. Dabei nehmen sie gewissermaßen „nebenbei“ ständig Stickstoff auf, den diese Organismen gesammelt und in ihrem Zellmaterial aufkonzentriert haben. Da die Tiere mehr Energie benötigen als Stickstoff, reichert sich das Element leicht im Übermaß an. Pflanzen gewinnen ihre Energie hingegen aus Sonnenlicht und verfügen (mit wenigen Ausnahmen wie fleischfressende Pflanzen) nicht über die Mechanismen, um Stickstoff aus biologischen Quellen zu extrahieren.
  • Wie wirkt sich eine elektrische Spannung auf die Wanderung eines Zwitterions aus, das genau eine positive und eine negative Ladung trägt?

    Lösung

    Bei einem Zwitterion mit einer positiven und einer negativen Ladung heben sich die Wirkungen des elektrischen Felds auf die beiden Ladungen auf. Die Spannung lässt das Ion darum überhaupt nicht wandern. Sie richtet es allenfalls aus, sodass die positive Ladung zum negativeren Potenzial weist und die negative Ladung zum positiveren Potenzial.
  • Was hindert Chloridionen daran, durch Kaliumkanäle zu strömen?

    Lösung

    Ionenkanäle erzeugen mit den Ladungen ihrer Aminosäurereste elektrische Felder, die passend zu der jeweiligen Ladung ihres Transportguts sind. Positiv geladene Kaliumionen werden dementsprechend mit einem negativen Feld angezogen, das Anionen wie das Chloridion schon mit seiner Fernwirkung abstößt.
  • Ein altes Hausmittel gegen Durchfall bei Kindern sind Salzstangen und abgestandene Cola. Wie könnte diese Kombination wirken?

    Lösung

    Bei Durchfall ist es wichtig zu verhindern, dass der Körper zu viel Flüssigkeit verliert. Dabei helfen die Glucose aus der Cola und das Natrium von den Salzstangen. Beide zusammen werden im Darm aufgenommen und von den Epithelzellen in den interzellulären Raum weitergeleitet. Dessen osmotischer Wert steigt dadurch an, und Wasser aus dem Darm fließt passiv nach.
  • Warum kann Kinesin auf den Mikrotubuli nur in eine Richtung wandern?

    Lösung

    Die Kopfteile des Kinesin können aufgrund ihrer Form und der elektrostatischen Eigenheiten ihrer Oberfläche nur in einer Orientierung an das Tubulin binden. Daher weisen sie immer in die gleiche Richtung. Und weil die Konformationsänderungen stets das hintere Kopfteil nach vorne bringen, ist damit der Weg vorgegeben.
  • Aus der Beschreibung der Myosinwanderung lässt sich schließen, welche Gruppe für den Wechsel zwischen den beiden Konformationen des Proteins verantwortlich ist.

    Lösung

    Es ist die Phosphatgruppe. Bei der Bindung von ATP an das Myosin gelangt es als drittes Phosphat des Moleküls in die Bindungstasche. Dadurch löst es beim Protein die erste Konformationsänderung aus. Bei der späteren erneuten Anlagerung an das Filament wird das Phosphat abgegeben, und der Kraftschlag setzt ein.
  • Warum ist ein linearer Transport, wie ihn Pflanzen betreiben, für höhere Tiere nicht praktikabel?

    Lösung

    Der lineare Transport ist bei einem gestreckten polaren System von Quelle und Verbraucher sinnvoll. Bei Tieren liegt der Magen als Quelle für Nährstoffe aber zentral. Darum wäre allenfalls eine strahlenartige Verteilung denkbar. Gleichzeitig müsste ein zweites System den Sauerstoff befördern und ein drittes für den Rückfluss der großen Mengen Transportwassers sorgen. Ein Kreislaufsystem ist dagegen einfacher und effizienter.
  • Warum atmen wir Kohlendioxid (CO2) aus und nicht Methan (CH4)?

    Lösung

    Der Kohlenstoff im Methan ist vollständig reduziert, womit das Molekül reich an potenzieller Energie ist, die bei einer Oxidation freigesetzt werden könnte. Um Methan zu produzieren, muss ein Organismus also Energie investieren. Der Zweck des Glucoseabbaus liegt jedoch darin, Energie zu gewinnen. Also ist es sinnvoller, den Kohlenstoff zu oxidieren und Kohlendioxid herzustellen, das anschließend ausgeatmet wird.
    Dennoch gibt es zu den Archaea zählende Bakterien, die Methan produzieren. Sie leben allerdings in strikt anaeroben Umgebungen wie Moorböden, Fäulnisbehältern oder dem Verdauungstrakt von Wiederkäuern. Ihre Energie gewinnen die Methanbildner beispielsweise, indem sie molekularen Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus Kohlendioxid oxidieren. Die Elektronen gehen dabei auf den Kohlenstoff über. Eine andere Möglichkeit ist die Umwandlung von Essigsäure (CH3COOH) in Methan und Kohlendioxid. Ein Kohlenstoffatom des Essigs wird dabei oxidiert und das andere reduziert.
  • Menschen haben kein Enzym, um aus Acetyl-CoA Pyruvat zu machen. Was bedeutet das für den Versuch, sich ganz ohne Kohlenhydrate als Kohlenstofflieferanten
    ernähren zu wollen?

    Lösung

    Fettsäuren und viele Aminosäuren werden erst auf der Stufe des Acetyl-CoA oder später im Citratzyklus eingebunden. Aus ihnen kann also keine Glucose mehr synthetisiert werden, weil der Sprung zum Pyruvat wegen des fehlenden Enzyms beim Menschen nicht möglich ist. Überschüssiges Acetyl-CoA aus der Nahrung wird darum in die Fettsynthese gegeben und als Energiespeicher aufbewahrt. Schlimmer ist jedoch, dass der Mangel an Glucose im Blut eine Unterversorgung des
    Gehirns verursacht. Auch Muskeln sind auf den Zucker angewiesen, und Erythrocyten akzeptieren gar keinen anderen Energielieferanten. Während der Körper einerseits Reserven anlegt, hungern gleichzeitig wichtige Organe.
  • Welche groben Trends für die Regulation eines katabolen Stoffwechselwegs verrät die Abbildung 6.23 bezogen auf den gesamten Reaktionsweg und auf einzelne
    Prozesse?

    Lösung

    Bezogen auf den gesamten Stoffwechselweg erkennen wir, dass die wichtigsten Endprodukte eines Abbauwegs (beim Glucoseabbau ist dies ATP) sich hemmend auf die Aktivität der Enzyme auswirken. Förderlich sind dagegen die Antagonisten (beispielsweise ADP). Der Katabolismus bremst sich damit selbst und verhindert den Verlust von wichtigen Zwischenprodukten des Metabolismus.
    Auf der Ebene einzelner Reaktionen ist zu beobachten, dass viele Zwischenprodukte ihre eigene Synthese unterdrücken, aber jene Enzyme aktivieren, die noch vor ihnen liegende Reaktionen katalysieren. Auf diese Weise werden alle Substanzen in einer angemessenen Geschwindigkeit weiter verarbeitet und sammeln sich nicht an.
  • Welche Regulationspunkte könnte es für die Gluconeogenese geben? Wie könnte die Zelle einen Kurzschluss mit der Glykolyse verhindern?

    Lösung

    Glykolyse und Gluconeogenese dürfen als entgegengesetzte Stoffwechselwege nicht gleichzeitig ablaufen. Sie werden darum reziprok reguliert, d. h. Effektoren, die den einen Weg hemmen, aktivieren die Enzyme des anderen Wegs und umgekehrt. Mangelt es der Zelle an Energie, hat die Glykolyse Vorrang, bei einem Überschuss an Energie die Gluconeogenese. Kontrollpunkte sind die jeweiligen Schlüsselenzyme. Bei der Gluconeogenese sind dies die Fructose-1,6-bisphosphatase und die Pyruvat-Carboxylase. Anzeichen für Energiemangel wie ADP, AMP hemmen diese Enzyme. Hohe Konzentrationen von Citrat bzw. Acetyl-CoA weisen dagegen auf einen gut gefüllten Citratzyklus hin und aktivieren die Gluconeogenese.
  • Warum werden Blätter im Herbst gelb?

    Lösung

    Im Herbst baut die Pflanze das stickstoffhaltige Chlorophyll ab und zieht die Bruchstücke aus den Blättern. Dadurch verschwindet der grüne Farbanteil. Die gelb-orangenen Carotinoide, die ebenfalls den ganzen Sommer über vorhanden, aber wegen der starken Grünfärbung nicht sichtbar waren, werden nicht abgebaut und treten deshalb farblich in den Vordergrund.
  • Was passiert, wenn wir mit einem Giftstoff die Elektronentransportkette irgendwo blockieren?

    Lösung

    Hemmstoffe können die Komponenten der Elektronentrans portkette vorübergehend oder dauerhaft außer Betrieb setzen. Die Kette ist dann an dieser Stelle unterbrochen. Alle Trägermoleküle nach dem Bruch werden in der Folge weitgehend oxidiert, können aber nicht reduziert werden, da keine Elektronen nachfließen. Vor der Hemmstelle tritt das umgekehrte Problem auf – die Trägermoleküle sind schnell reduziert, werden ihre Elektronen aber nicht mehr los. Der Rückstau geht so weit, dass das Reaktionszentrum zwar angeregt wird, aber keine Ladungstrennung durchführen kann, weil der primäre Akzeptor nicht aufnahmebereit ist. Die gesamte Elektronentransportkette kommt somit zum Stillstand, und die weiter absorbierte Energie muss auf anderen Wegen wieder abgegeben werden, bevor sie ungewollte Reaktionen auslöst. Möglich sind beispielsweise eine verstärkte Fluoreszenz und die Abstrahlung von Wärme.
  • Was geschieht, wenn wir den F1-Teil der ATP-Synthase vom F0-Teil trennen?

    Lösung

    Ohne den angeschlossenen F1-Teil gibt es keine hemmende Komponente mehr, die den Protonenfluss durch den F0-Teil bremst. Die Protonen würden daher zurückfließen, ohne eine nutzbringende Arbeit zu verrichten. Der isolierte F1-Teil arbeitet ohne gekoppelten Protonenfluss in Anwesenheit von ATP in Richtung der Hydrolyse statt der Synthese. Er würde also das vorhandene ATP in ADP und Phosphat spalten.
  • Warum verändert sich die Aktivität eines Enzyms, wenn es phosphoryliert wird?

    Lösung

    Durch die Phosphorylierung eines Enzyms gelangen zusätzliche negative Ladungen in das Protein. Es kommt zu Abstoßungskräften zwischen dem Phosphat und den ebenfalls ganz oder partiell negativ geladenen Aminosäureseitenketten sowie zu Anziehungskräften mit den positiven Resten. Das Protein passt sich an, indem es seine Konformation ändert. Dadurch werden enzymatisch aktive Bereiche zugänglich (oder verborgen), und das Enzym wird aktiv (oder inaktiv).
  • Welchen Typ von Photorezeptorzellen können wir vorwiegend bei nachtaktiven Tieren erwarten?

    Lösung

    Nachtaktive Tiere haben in ihrer Retina vor allem lichtempfindliche Stäbchen. Vermutlich können sie darum Farben kaum unterscheiden.
  • Wenn wir eine Minute lang konzentriert auf einen roten Kreis sehen und danach auf ein weißes Blatt Papier, erscheint dort ein grüner Kreis. Wie ist diese optische Täuschung zu erklären?

    Lösung

    Während wir den roten Kreis betrachten, geht in den Rotrezeptoren der Vorrat an Photopsin zur Neige. Beim Wechsel auf die weiße Fläche reagieren die beiden anderen Zäpfchentypen darum viel stärker. Weißes Licht, dem physiologisch die rote Komponente entzogen wurde, erscheint uns jedoch grün.
  • Wieso verfallen Wirbeltiere kurz nach ihrem Tod in eine Totenstarre?

    Lösung

    Nach dem Tod eines Tieres kommen die Prozesse zum Erliegen, mit denen die Zellen ihren ATP-Bedarf decken, sodass der Vorrat schnell zu Ende geht. ATP ist aber notwendig, um die Myosinköpfchen wieder vom Actin zu lösen. Ohne ATP bleiben Myosin und Actin darum fest miteinander verbunden, und der Muskel erstarrt, bis die Zerfallsprozesse anfangen, die Proteine zu zersetzen.
  • Warum gibt es keine Wirbeltiere, die sich auf Rädern statt auf Beinen fortbewegen?

    Lösung

    Mehrere Gründe sind denkbar, weshalb Wirbeltiere sich nicht auf Rädern rollend fortbewegen. Aus mechanischer Sicht ist der Widerstand eines rauen oder gar unebenen Untergrunds sehr groß. Effizient arbeiten Räder nur auf glatten Straßen. Hindernisse können sie gar nur überwinden, wenn sie deutlich niedriger als die Räder sind. Physiologisch wäre es schwierig, radartige Organe zu versorgen, da Blutgefäße sich nach wenigen Umdrehungen verdrillen und reißen würden. Räder aus totem Material würden sich aber zu schnell abnutzen und müssten ständig ausgetauscht werden.
  • Es gibt etwa 200 Arten von Plasmodien. Sie befallen als Parasiten verschiedene Säugetiere, Vögel und Reptilien. Dabei beschränkt sich jede Plasmodienart auf ein enges Wirtsspektrum. Was ist der Grund für diese Spezifität?

    Lösung

    Plasmodien im Merozoitenstadium erkennen die roten Blutkörperchen, die sie befallen wollen, an deren Oberflächenmolekülen. Die parasiteneigenen Proteine passen nur zu bestimmten Proteinen und Glykoproteinen, es kommt auf die Reihenfolge der Bausteine und deren räumliche Anordnung an. Da jede Plasmodienart nur eine begrenzte Zahl an Erkennungsproteinen mitbringt, findet sie nur in ihren spezifischen Wirten die Blutkörperchen für das nächste Entwicklungsstadium.
  • Wie kommt es zum roten Strich, der sich bei einer „Blutvergiftung“ von der verletzten Stelle in Richtung Rumpf ausbreiten? Und warum steht das Wort „Blutvergiftung“ in Anführungszeichen?

    Lösung

    Die vermeintliche „Blutvergiftung“ ist in Wirklichkeit eine Entzündung der Lymphgefäße, die dicht unter der Hautoberfläche verlaufen (Lymphangitis). Sie entsteht, wenn Streptokokken oder in seltenen Fällen Staphylokokken (beides Bakteriengruppen) durch eine kleine Wunde eindringen und in die Lymphbahn geraten. Der Körper reagiert mit einer Entzündung, wie sie im Text beschrieben ist. Durch die Erweiterung der Blutgefäße erscheint die befallene Region rötlich, und weil die Erreger sich mit dem Fluss der Lymphe ausbreiten, entsteht eine strichförmige Spur entlang der Lymphbahn. Erreicht die Infektion einen Lymphknoten, schwillt dieser an. Zu einer echten Blutvergiftung (Sepsis) kommt es, wenn die Pathogene mit der Lymphe den Blutkreislauf erreichen und sich über diesen Weg im gesamten Körper ausbreiten. Darum sollte eine Lymphangitis möglichst schnell von einem Arzt mit Antibiotika behandelt werden.
  • Wie lässt sich die Jagd eines Makrophagen auf einen Erreger in die drei Phasen „Erkennung“, „Überwältigung“ und „Ausbeutung“ unterteilen?

    Lösung

    Die Makrophagen besitzen als Bestandteil des angeborenen Immunsystems Rezeptoren für typische Pathogenstrukturen. Die Bindung stellt den Erkennungsschritt dar und löst die Phase der Überwältigung aus, in der die Pseudopodien der Immunzelle den Erreger einfangen und in das Phagosom zwingen. Mit dem Abbau und der Präsentation der Bruchstücke ist schließlich die Ausbeutung erreicht.
  • Wie wirkt eine Impfung?

    Lösung

    Bei einer Impfung wird die natürliche Immunität, die der Körper erwirbt, wenn er eine Infektionskrankheit übersteht, durch die Gabe eines Impfstoffs künstlich hervorgerufen. Als Impfstoff eignen sich inaktivierte Pathogene, die nicht mehr krankheitsauslösend wirken, abgetötete oder abgeschwächte Bakterienzellen, isolierte Oberflächenstrukturen oder Bruchstücke von diesen. Das Immunsystem reagiert auf diese Antigene wie bei einer primären Immunantwort und bildet Gedächtniszellen. Bei einer tatsächlichen Attacke durch das voll funktionstüchtige Pathogen startet der Körper schnell die sekundäre Immunantwort und bekämpft die Erreger mit Antikörpern und Lymphocyten.
  • Welche Teile der pflanzlichen Abwehrreaktion gegen Pathogene sind spezifisch und welche unspezifisch?

    Lösung

    Unspezifische Vorgänge sind:
    – Die mechanischen Barrieren gegen eine Infektion.
    – Die Wirkung konstitutiver Abwehrstoffe.
    – Die Abwehr durch Phytoalexine und PR-Proteine.
    – Die Stärkung der Zellwand.
    – Der oxidative Burst.
    – Die Entstehung von Nekrosen.
    – Die hypersensitive Reaktion.
    – Die systemische Resistenz.
    Spezifische Vorgänge sind:
    – Die Erkennung des Pathogens und der Oligosaccharine durch Rezeptoren.
    – Das Gen-Silencing gegen virale RNA.
  • Manche der Toxine, die Pflanzen produzieren, sind für diese selbst giftig. Wie können Pflanzen vermeiden, sich selbst zu schädigen?

    Lösung

    Pflanzen haben verschiedene Wege gefunden, sicher mit ihren Giftstoffen umzugehen. Eine Methode besteht darin, die Toxine getrennt von empfindlichen Strukturen und Verbindungen zu lagern. Dies geschieht etwa in den Milchröhren der Wolfsmilchgewächse und der Mohngewächse. Es ist auch möglich, die eigenen Enzyme und Rezeptoren so zu modifizieren, dass sie nicht auf das Gift reagieren. Pflanzen, die Canavanin bilden, besitzen beispielsweise spezielle Synthetasen, die den Einbau der Aminosäure in Proteine verhindern. Auch die Produktion von Toxinvorstufen, die erst dann zum akuten Gift werden, wenn die Zellstrukturen durch Fraß verletzt werden, ist ein Schutzmechanismus vor den eigenen Abwehrmaßnahmen.
  • Welche Faktoren bestimmen, wo und wann die Transkription gestartet wird? Welche Komponente gibt vor, in welche Richtung die Transkription verläuft und welcher Strang abgelesen wird?

    Lösung

    Das Wo? bestimmt der Promotor, der festlegt, an welcher Stelle die RNA-Polymerase fester an die DNA bindet und deren Stränge auftrennt. Wann eine Transkription beginnt, hängt in vielen Fällen davon ab, wann die Transkriptionsfaktoren vorhanden sind und mit der DNA und der Polymerase einen Komplex bilden. Die RNA-Polymerase bestimmt, welcher Strang abgelesen wird und in welche Richtung sie arbeitet.
  • Warum werden zur Elongation Nucleotide als Triphosphate verwendet, wenn nur eine Phosphatgruppe Teil der RNA-Kette wird?

    Lösung

    Die Verknüpfung der Nucleotide zu einer Kette kostet Energie. Die RNA-Polymerase koppelt die Reaktion darum mit der Abspaltung des Pyrophosphats vom Nucleotidtriphosphatbaustein und nutzt die dabei frei werdende Energie, um die neue Bindung auszubilden.
  • Auf einem Gen ist die Sequenz 3’–ATGGAACGTGGGTATAGC–5’ zu finden. Wie lautet die Reihenfolge der zugehörigen mRNA-Nucleotide? Welche Anticodons binden an diese mRNA? Wie sieht die zugehörige Aminosäurefolge aus?

    Lösung

    Folgende Sequenzen ergeben sich:
    DNA: 3’–ATGGAACGTGGGTATAGC–5’
    mRNA: 5’–UACCUUGCACCCAUAUCG–3’
    tRNA: 3’–AUGGAACGUGGGUAUAGC–5’
    Aminosäuren: Tyr – Leu – Ala – Pro – Ile – Ser
  • Welche Vorteile hat es, wenn die Translation nicht direkt an der DNA abläuft?

    Lösung

    Der Umweg über die Transkription bietet der Zelle eine weitere Gelegenheit, die Genexpression zu regulieren. Außerdem wird die wertvolle DNA mit den Originalen der Gene geschont, wenn sie nur einmal abgelesen werden muss und trotzdem eine größere Anzahl von Proteinen synthetisiert werden kann, weil die Translation an der mRNA stattfindet. Die Proteinproduktion verläuft auch schneller, wenn einmal mehrere mRNAs transkribiert werden, die dann noch Kernmolekül von Polysomen werden. Schließlich ist fraglich, ob der riesige Translationsapparat überhaupt räumlich an die dicht gepackte DNA heranreichen würde.
  • Wir kreuzen eine Wunderblume, die homozygot für weiße Blüten ist (WW), und eine mit zwei Alleleln für rote Blüten (RR). Die Nachkommen erben von den Eltern
    jeweils eines der beiden Allele. Wie sehen die Blüten der ersten Tochtergeneration (F1) aus? Welche Blütenfarbe haben die Nachkommen der zweiten Generation (F2), wenn wir zwei Pflanzen der F1-Gruppe kreuzen?

    Lösung

    Die Blütenfarbe der Wunderblume folgt einem intermediären Erbgang, in dem die Allele für beide Farben kodominant sind. Die Pflanzen der F1-Generation haben alle ein R- und ein W-Allel und somit rosa Blüten. Die Kreuzung zweier RW-tragenden Blumen ergibt zur Hälfte wieder rosa Blüten (RW), zu einem Viertel weiße Blüten (WW), und das restliche Viertel hat rote Blüten (RR).
  • Die Mitose verteilt die Chromatiden der Chromosomen auf zwei Tochterzellen. Wie müsste der Vorgang organisiert sein, um eine hypothetische Dreiteilung vorzunehmen?

    Lösung

    Für eine gerechte Dreiteilung des Erbmaterials müssten die Chromosomen aus drei Chromatiden bestehen. Die DNA müsste daher zweimal repliziert werden, und alle drei entstehenden Chromatiden müssten am Centromer miteinander verbunden bleiben. Für die Mitose selbst sind mindestens zwei Varianten denkbar:
    1. Statt zwei Pole könnte der Spindelapparat drei Pole aufweisen, die in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks sitzen. Die Chromosomen würden sich in der Metaphase in eine Linie senkrecht zur Dreiecksebene anordnen. Dann könnten die Mikrotubuli wie gewohnt an den Kinetochoren ansetzen und die Chromatiden auseinanderziehen.
    2. Alternativ dazu könnten weiterhin zwei Pole bestehen und die Chromosomen in der Äquatorialebene in Stellung gehen. Die Chromatiden müssten dann so an den Centromeren verknüpft sein, dass sie in Reihe liegen und nur die beiden äußeren jeweils ein Kinetochor haben, an das Mikrotubuli binden können. Nach der Auflösung der verbindenden Proteine würden die äußeren Chromatiden zu den Polen gezogen, die inneren blieben in der Zellmitte zurück.
  • Manche artverschiedenen Tierarten können Hybride zeugen, die lebensfähig, aber selbst unfruchtbar sind. Was könnten die Gründe dafür sein?

    Lösung

    Viele Gründe sind denkbar, weshalb manche Arthybride nicht zeugungsfähig sind. So gibt es womöglich keine homologen Chromosomen, weil die Gene bei den Ursprungsarten unterschiedlich aufgeteilt sind. In den Hybridzellen sind alle Gene zusammen, sodass alle notwendigen Proteine gebildet werden. Die Tochterzellen erhalten aber in der Meiose ein Chromosomengemisch, dem lebenswichtige Gene fehlen. Oder die Meiose bricht ab, weil es bei einer ungeraden Anzahl von Chromosomen zu keinen Paaren kommt.
  • Entenmuscheln sind eigentlich sesshafte Rankenfußkrebse. Sie tragen die Gene für beide Geschlechter in sich und können wählen, ob sie weiblich oder männlich
    werden wollen. Nach welchen Kriterien könnte sich ein Tier dabei entscheiden?

    Lösung

    Die Entenmuschel macht ihr Geschlecht von der artgleichen Nachbarschaft abhängig. Da die Tiere am Untergrund festsitzen, sind sie bei der Partnersuche nicht beweglich. Die Männchen verfügen aber über einen Penis, der fünfmal so lang wie der übrige Körper ist. Eine Entenmuschel prüft darum zunächst, ob sich in ihrer Nähe weibliche oder männliche Artgenossen befinden, und wählt dann das entgegengesetzte Geschlecht.
  • Manche tierische Zellen, denen durch Determination eine Aufgabe zugeteilt wurde, reagieren danach nicht mehr auf neue Signale von außen. Welche Veränderungen könnten dafür verantwortlich sein?

    Lösung

    Es sind verschiedene Ereignisse denkbar, die bewirken könnten, dass determinierte Zellen keine äußeren Signale mehr beachten. Beispielsweise könnten die Rezeptoren auf der Zelloberfläche verschwunden sein. Da die Zelle sie unter natürlichen Bedingungen nur benötigt, bis sie ihren Auftrag erhalten hat, könnte sie die Proteine danach abbauen und die Bausteine anderweitig verwerten. Die Signalkette im Cytoplasma könnte auch so verändert sein, dass sie nicht mehr zu den Genschaltern führt, die vor der Determination angesprochen wurden. Für eine fortgeschrittene Zelle mag das gleiche Signal eine andere Bedeutung haben, weshalb die Kaskade im Inneren einen neuen Weg einschlägt. Die Veränderung könnte ebenso auf der DNA zu finden sein. Durch chemische Modifikationen wie angelagerte Methylgruppen können Gene dauerhaft inaktiviert werden. Besonders Abschnitte, die nach der Determination nicht mehr gebraucht werden, können so schonend stillgelegt werden.
  • Welchen Vorteil bietet die Apikaldominanz einer Pflanze?

    Lösung

    Junge Pflanzen konkurrieren untereinander und mit der umgebenden Vegetation um ausreichend Licht für die Photosynthese. Da das Licht im Wesentlichen von oben kommt, ist es von Vorteil, möglichst hoch liegende Blätter zu besitzen. Durch die Apikaldominanz stellt die Pflanze sicher, dass ihre Energie und Baustoffe zunächst diesem Ziel zugute kommen. Das Breiten- und Dickenwachstum muss dagegen zurückstehen, bis die Pflanze eine hinreichende Höhe erreicht hat.
  • Wie könnte sich ein Organismus an besonders niedrige Temperaturen anpassen?

    Lösung

    Die Anpassungen an Kälte können auf mehreren Ebenen stattfinden. Homoiotherme Organismen müssen versuchen, möglichst wenig Körperwärme an die Umgebung zu verlieren. Sie vermindern dazu ihre Oberfläche, indem sie eher kleine Ohren und kurze Extremitäten entwickeln. Allerdings dürfen wir nicht vergessen, dass die Temperatur nicht der einzige Umweltfaktor ist, der Forderungen stellt. Schneehasen habendeshalb trotzdem relativ große Ohren, um ihre Fressfeinde rechtzeitig aufzuspüren. Die weniger gefährdeten Moschusochsen sind dagegen wirklich kompakt gebaut. Eine weniger kritische Anpassung sind ein isolierendes Fell und eine wenig durchblutete Fettschicht. Poikilotherme Arten müssen darauf achten, dass ihre Zellen nicht einfrieren. Sie besitzen dafür sogenannte chaotrope Substanzen in ihrem Cytoplasma – chemische Frostschutzmittel. Der Zucker Fructose gehört zu diesen Substanzen, die Wasser daran hindern, Kristalle zu bilden und dadurch die zelleigenen Strukturen zu zerstören.
  • Moderne Zoos versuchen häufig, gefährdete Arten durch Zuchtprogramme zu erhalten. Vor welchem Problem stehen derartige Projekte?

    Lösung

    Bei gefährdeten Arten ist häufig die Gesamtzahl der Tiere in den Zoos relativ niedrig und damit die genetische Variabilität gering. Bei neu auftretenden Herausforderungen, wie etwa einer Krankheit oder einem Parasiten, von der die betreffende Art bislang nicht befallen worden ist, fehlt häufig ein Allel für eine geeignete Immunabwehr. Außerdem können in der Zoopopulation durch Zufall gehäuft Allele mit negativen Auswirkungen auftreten. Um den genetischen Flaschenhals möglichst weit zu halten, tauschen die Tiergärten für die Zucht paarungsbereite Tiere untereinander aus. Zuchtbücher sollen dabei helfen, eine Inzucht zu vermeiden.
  • Welche Evolutionsfaktoren wirken zufällig auf die Gestaltung eines Genpools und welche geben eine Richtung vor?

    Lösung

    Zufällig wirkende Evolutionsfaktoren sind: Mutation, Rekombination, Genfluss und Gendrift. Als Richtungsgeber fungiert die Selektion.
  • Warum sind die Nachkommen von diploiden und tetraploiden Eltern in der Regel steril?

    Lösung

    Die Keimzellen eines diploiden Individuums enthalten einen einfachen Chromosomensatz, bei tetraploiden Eltern einen doppelten Chromosomensatz. Nach der Verschmelzung zur Zygote verfügt die Zelle somit über drei Sätze und ist triploid. Ist die Tochterpflanze ausgewachsen, kann sie nur wenige lebensfähige Keimzellen bilden, da sich bei der Meiose einander entsprechende Chromosomen zur ersten meiotischen Teilung paarweise aneinander lagern. In triploiden Zellen liegen aber von jedem Chromosom drei Exemplare vor, sodass deren Aufteilung gestört ist und nur selten Tochterzellen mit der korrekten Chromosomenzahl entstehen, aus denen gesunde Keimzellen hervorgehen.
  • Fertig!

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