Die roten Fäden durch die Biologie

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1 Die roten Fäden durch die Biologie Grundwissen: Klasse Version Information Energie Evolution Fortpflanzung Stoffe und Teilchen Stoffwechsel Information Energie Evolution Fortpflanzung Stoffe und Teilchen Stoffwechsel Information Energie Information Information Energie Energie Evolution... Evolution Evolution Fortpflanzung Oberfläche Oberfläche Stoffe und Teilchen Fortpflanzung Fortpflanzung Stoffwechsel Stoffe und Teilchen Stoffe und Teilchen Stoffwechsel Stoffwechsel

2 Stoffe und Teilchen Teilchenmodell Alle Stoffe bestehen aus kleinen Teilchen, die sich in Größe und Masse unterscheiden. Teilchen ist ein Sammelbegriff für Atome, Moleküle,.... Zwischen den Teilchen ist nichts. Die drei Aggregatzustände: fest flüssig gasförmig (Beispiel Wasser : Eis flüssiges Wasser Wasserdampf ) Stoffebene Wärme Teilchenebene Jeder Körper besitzt eine Masse (Einheit: [g], [kg]) ein Volumen (Einheit: [cm 3 ], [l]) Reinstoffe erkennt man an ihren Eigenschaften (z.b. Siedetemperatur, Löslichkeit,...). bestehen aus untereinander gleichen Teilchen. Stoffgemische bestehen aus unterschiedlichen Reinstoffen (Beispiel: Zuckerwasser ist ein Gemisch aus dem Reinstoff Zucker und dem Reinstoff Wasser) und damit aus verschiedenen Teilchen. lassen sich aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Reinstoffe wieder voneinander trennen (Beispiel: Filtration, Salzgewinnung durch Abdampfen). Luft ist ein Gasgemisch und besteht aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Edelgasen Gasnachweise Glimmspanprobe: Glimmender Holzspan + Sauerstoff Holzspan entzündet sich Kalkwasserprobe: klares Kalkwasser + Kohlenstoffdioxid milchige Trübung Naturwissenschaftliches Arbeiten Naturbeobachtung Problem / Frage Vermutung / Hypothese neue Vermutung? Versuch Durchführung:... Beobachtung:... Erklärung:... Bestätigung Vermutung war falsch Vermutung war richtig GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 2

3 Evolution (Geschichte des Lebens) Entwicklung von den ersten einzelligen Lebewesen vor knapp 4 Milliarden Jahren bis zur Vielfalt der heute lebenden Arten. Evolutionstheorie nach Darwin Evolution verschiedene Nachkommen (durch Mutationen und geschlechtl. Fortpflanzung) Überproduktion an Nachkommen natürliche Selektion: wegen der Konkurrenz überleben nur die an die jeweiligen Umweltbedingungen am besten Angepassten einer Art Mutation Art Zufällige Veränderung der Erbinformation (z.b. durch Röntgen- oder UV- Strahlung), die bei einem Lebewesen zu veränderten Eigenschaften führen kann. Alle Lebewesen, die sich miteinander fortpflanzen und dabei fruchtbare Nachkommen hervorbringen, gehören zu einer Art. Systematische Begriffe Verwandtschaftsgrad nimmt mit abgestufter Ähnlichkeit zu: Klasse Ordnung Familie Art Beispiel: Säugetiere Raubtiere Katzen Löwe Homologe Organe sind bauplangleiche, teilw. funktionsverschiedene Organe. Verwandtschaft! Beispiel: Vogelflügel und Menschenarm Analoge Organe sind bauplanverschiedene, aber funktionsgleiche Organe. keine Verwandtschaft Ursache: Angepasstheit an gleiche Umweltbedingungen Beispiel: Vogelflügel und Insektenflügel Prokaryoten und Eukaryoten Änderung der Umweltbedingungen Abänderung der Art bzw. Entstehung neuer Arten Fortpflanzung Tierzelle (nur Mitochondrien) Pflanzenzelle (Chloroplasten und Mitochondrien) Pilzzelle (nur Mitochondrien) eukaryotische Einzeller (Mitochondrien, teilw. zusätzlich Chloroplasten) z.b. Euglena prokaryotische Einzeller (Bakterien) (weder Mitochondrien noch Chloroplasten) Eukaryoten mit Zellkern Prokaryoten ohne Zellkern GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 3

4 motorische Nervenbahn sensorische Nervenbahn Information Information ist immer an einen Informationsträger (z.b. elektrisches Signal, Hormon, DNA) gebunden. Nervensystem Gehirn + Rückenmark + Nervenfasern Reiz-Reaktions-Schema Fang! Reiz: Schallwellen Umwandlung in elektr. Signale Sinneszelle Reize Rezeptoren (Sinneszellen) elektrische Weiterleitung Sinnesnerv Peripheres Nervensystem animalisch vegetativ (willkürlich) (unwillkürlich) Verarbeitung im ZNS elektrische Weiterleitung Bewegungsnerv ZNS (Gehirn + Rückenmark) Muskel Skelettmuskeln Effektoren innere Organe, Muskeln, Drüsen Reaktion Reaktion Hormonsystem Informationsweitergabe Hormonsystem Hormone (chemische Botenstoffe) über die Blutbahn Wirkungsdauer länger anhaltend kurz Wirkungsort Technischer Vergleich Zielzellen mit Rezeptoren (z.b. Herzmuskelzellen mit Adrenalinrezeptor) Radio Meldung an alle, die auf Empfang eingerichtet sind Nervensystem elektrische Impulse über Nervenzellen und Synapsen angeschlossene Zielzellen (z.b. Muskel- oder Drüsenzellen) Telefon direkte aber energieaufwändige Verbindung zwischen Sender und Empfänger Genetische Information Der Informationsträger ist die DNA. Sie enthält die Anweisung für den Bau eines Lebewesens und für die Steuerung seiner Lebensvorgänge. Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA. Ein bzw. mehrere Gene tragen die Information für den Bau eines Proteins. GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 4

5 Immunsystem Antigen Abgeschwächte Krankheitserreger Krankheitserreger 1. Verteidigungslinie (unspezifisch): Haut, Schleimhäute, Sekrete fressen fressen 2. Verteidigungslinie (unspezifisch): Riesenfresszellen fressen Riesenfresszellen aktivieren fressen keine Vermehrung verklumpen Unterschiedliche Abwehrzellen verklumpen Vermehrung 3. Verteidigungslinie (spezifisch): Abwehrzellen (B- /T-Zellen), Abwehrstoffe (Antikörper) spezifische Antikörper Gedächtniszellen Killerzellen: töten infizierte Zellen spezifische Antikörper Resistenz Unempfindlichkeit von Bakterien gegen bestimmte Stoffe (oft Antibiotika) Struktur und Funktion Oberflächenvergrößerung Viele Vorgänge in Natur und Technik werden durch Vergrößerung der Oberfläche verbessert. Beispiele: - Darmzotten: Aufnahme der Nährstoffteilchen ins Blut - Lungenbläschen: Gasaustausch Schlüssel-Schloss-Prinzip Beispiele: - Hormonsystem: Hormon / Rezeptor an der Zielzelle - Synapse: Transmitter / Rezeptor an der Zielzelle - Immunabwehr: Antigen-Antikörper-Reaktion ( Immunsystem) - Verdauung: Enzym-Substrat-Komplex Gegenspieler-Prinzip: Beispiele: - Muskel: Beuger-Strecker - vegetatives (=autonomes) Nervensystem: Sympathicus - Parasympathicus GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 5

6 Stoffwechsel Nahrungsbestandteile Nahrung Nährstoffe weitere Nahrungsbestandteile Kohlenhydrate z.b. Stärke, Traubenzucker Fette Eiweiß/Proteine Ballaststoffe Vitamine Mineralsalze Wasser Nährstoffnachweise: Stoffe zeigen typische Reaktionen Stärke: Iod (braun) + Stärke Blaufärbung Eiweiß: Hitze oder Säurezugabe Gerinnung Fett: Fettfleckprobe Enzyme Proteinmoleküle die den Auf-, Um- und Abbau aller von der Zelle benötigten Moleküle durchführen. Chemisch betrachtet funktionieren Enzyme als substrat- und wirkspezifische Bio-Katalysatoren. Verdauung Zerlegung der Nährstoffteilchen in kleinere Bestandteile, um die Aufnahme ins Blut zu ermöglichen: Mundraum Vorbereitung und Vorverdauung Stärke-Molekül (Ausschnitt) Protein-Molekül (Ausschnitt) Fett-Molekül Einfachzucker-Molekül (z.b. Glucose) Aminosäure Fettsäure Glycerin Magen Vorverdauung Bauchspeicheldrüse Wasser-Molekül Dünndarm Verdauung und Resorption Dickdarm Wasserentzug und Ausscheidung Blutgefäß Lymphgefäß GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 6

7 Stoffwechsel Aufnahme von Stoffen z.b. von Nährstoffe, Umwandlung von Stoffen zum Aufbau und für die Energieversorgung des Körpers und Ausscheidung von Abfallstoffen energiereiche Stoffe Traubenzucker Lichtenergie Abbau mit Sauerstoff (aerob) Abbau ohne Sauerstoff (anaerob) Fotosynthese Zellatmung Wärme, ATP Gärung Alkohol oder Milchsäure weitere Abbauprozesse energiearme Stoffe Wasser, Kohlenstoffdioxid Lichtenergie Fotosynthese ( Chloroplasten) Wasser + Kohlenstoffdioxid Sauerstoff + Traubenzucker Zellatmung ( Mitochondrien) Traubenzucker + Sauerstoff Kohlenstoffdioxid + Wasser Wärme, Bewegung Energie Es gibt verschiedene Formen von Energie, die sich ineinander umwandeln lassen. Z.B.: Energie in Nährstoffen Bewegungsenergie, Wärme Lageenergie des Wassers elektrische Energie GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 7

8 Fortpflanzung Ungeschlechtliche Fortpflanzung ( Klone ) ( Mitose) Ein Lebewesen erzeugt Nachkommen, die untereinander identisch sind (z.b. Kartoffelknolle). Geschlechtliche Fortpflanzung ( Evolution) ( Meiose) Zwei Lebewesen erzeugen Nachkommen, die untereinander etwas verschieden sind. Bedeutung Ergebnis Mitose in Körperzellen ungeschlechtliche Fortpflanzung und Wachstum Zwei identische / erbgleiche (Tochter)zellen mit doppeltem Chromosomensatz (2n) Verdopplung der Einchromatid-Chromosomen Körperzelle 2n Meiose in Urgeschlechtszellen geschlechtliche Fortpflanzung Halbierung des Chromosomensatzes zur Erhaltung der arttypischen Chromosomenzahl Schaffung genetischer Vielfalt Vier erbungleiche Zellen (Spermien bzw. Pollen) mit einfachem Chromosomensatz (1n) Verdopplung der Einchromatid-Chromosomen Urspermienzelle 2n 2n 2n Trennung der Zweichromatid-Chromosomen in Einchromatid-Chromosomen Trennung der homologen Zweichromatid-Chromosomen 2n 1n Trennung der Zweichromatid-Chromosomen 1n Geschlechtszellen (=Keimzellen): Eizelle: unbewegliche, weibl. Geschlechtszelle Spermium: bewegliche, männl. Geschlechtszelle Pollen: unbewegliche, männl. Geschlechtszelle Begattung Übertragung der Spermien in den weiblichen Körper Befruchtung Verschmelzung des Kerns des Spermiums / des Pollens mit dem Kern der Eizelle 1n Befruchtung einer Eizelle 1n GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 8

9 Embryo Organismus, der sich aus der befruchteten Eizelle entwickelt Larve Jugendform mit besonderen Organen, die dem erwachsenen Tier fehlen Metamorphose Verwandlung der Larve zum erwachsenen Tier, wobei eine Gestaltänderung durch Rückbildung, Umwandlung und Neubildung von Organen erfolgt. Unvollkommene Verwandlung (z.b. Heuschrecken) Die Insektenlarve entwickelt sich durch mehrere Wachstumshäutungen allmählich zu einem geschlechtsreifes Tier (Imago). Vorteil: alle Stadien können vor Feinden flüchten Vollkommene Verwandlung (z.b. Schmetterlinge, Käfer, Fliegen) Mit der vorletzten Wachstumshäutung der Insektenlarve wird eine Puppe (keine Nahrungsaufnahme) gebildet, in der die Verwandlung der Larve zu einem geschlechtsreifen Tier (Imago) stattfindet. Vorteil: keine Nahrungskonkurrenz zwischen Larve und Imago Blüte Blüte Staubgefäß Stempel Kelchblatt Blütenblatt Staubbeutel mit Pollen Staubfaden Fruchtknoten Griffel Narbe Samenanlage mit Eizelle Blütenboden Bestäubung Übertragung von Pollen auf die Narbe Samen Embryo im Ruhezustand, der von Vorratsstoffen umgeben ist ( Keimung junge Pflanze) Frucht Die Frucht entsteht nach der Befruchtung meistens aus dem Fruchtknoten und enthält die Samen bis zur Reife. GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 9

10 Organisationsebene Makroskopische Ebene Mikroskopische Ebene CO 2 Submikroskopische Ebene Biosphäre Gesamtheit der Ökosysteme unserer Erde Ökosystem Biotop (Lebensraum) + Biozönose (Lebensgemeinschaft) Population Lebewesen einer Art, die im gleichen Gebiet leben und und eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden Organismus besteht aus verschiedenen Organen (z. B. Muskeln, Herz, Auge,..) Organe bestehen aus verschiedenen Geweben (z.b. Muskel aus Muskelgewebe, Nervengewebe,..) Gewebe bestehen aus vielen gleichen Zelltypen (z.b. Muskelgewebe aus vielen Muskelzellen) Zellen sind die kleinsten, lebensfähigen Einheit der Lebewesen z.b: Muskelzellen, ) Zellorganellen sind membranumschlossene Untereinheiten einer Zelle, die bestimmte Aufgaben erfüllen. Zellkern (enthält die Chromosomen) Chloroplasten (Ort der Fotosynthese) Mitochondrien (Ort der Zellatmung) Teilchen z.b. DNA-Molekül Kennzeichen des Lebens Bewegung Stoffwechsel Aufbau aus Zellen Wachstum Fortpflanzung Information (Aufnahme, Verarbeitung, Weitergabe) Zelle kleinste, lebensfähige Einheit der Lebewesen. Vakuole Zellwand Chloroplasten pflanzliche Zelle Zellmembran Zellkern mit DNA Cytoplasma tierische Zelle Bakterium Zellwand Zellmembran ringförmige DNA Skelett ( Organismus) ein Kompromiss aus Stützfunktion, Schutz wichtiger Organe und Beweglichkeit: Schädel und Wirbelsäule Schultergürtel (Schlüsselbein und Schulterblatt) Brustkorb (Brustbein und Rippen) Beckengürtel Armskelett (Oberarm-, Elle/Speiche, Handwurzel-, Mittelhand-, Fingerknochen) Beinskelett (Oberschenkel-, Schien-/Wadenbein, Fußwurzel-, Mittelfuß-, Zehenknochen) Gelenke: bewegliche Verbindungsstellen zwischen Knochen; Muskeln ( Organ) bewegen die Knochen. können sich nur zusammenziehen, aber nicht aktiv dehnen (Gegenspielerprinzip von Beuger und Strecker). GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 10

11 Offener Blutkreislauf ( Organ) Das Blut fließt nicht wie beim geschlossenen Blutkreislauf in Gefäßen (Adern) zu den Organen, sondern umspült diese frei. Doppelter geschlossener Blutkreislauf ( Organ) Lungenbläschen Lungenkreislauf Herz Körperkreislauf Kapillaren (Haargefäße): feinste Blutgefäße zwischen Arterien und Venen für den Stoffaustausch Venen: Blutgefäße, die das Blut zum Herzen hintransportieren Arterien (Schlagadern): Blutgefäße, die das Blut vom Herzen wegtransportieren Kennzeichen der 5 Wirbeltierklassen ( Organismus) Fische Amphibien Reptilien Körperbedeckung bzw. -temperatur Fortpflanzung Atmung Haut mit Knochenschuppen Haut mit Schleimschicht; stark durchblutet Haut mit Hornschuppen oder -platten wechselwarm wechselwarm wechselwarm Vögel Federn aus Horn gleichwarm Säugetiere Haare (Fell) aus Horn gleichwarm Kennzeichen der Gliederfüßer ( Organismus) Gliederfüßer Larven mit Dottersack (Nährstoffspeicher) meist Eiablage und Larvenentwicklung im Wasser; Metamorphose nährstoffreiche Eier meist mit weicher Schale nährstoffreiche Eier mit harter Kalkschale Weibchen mit Milchdrüsen zum Säugen der Jungen Wirbeltiere zum Vergleich Kiemen Kiemen (Larve); Lunge Lunge Lunge Lunge Skelett Außenskelett aus Chitin Innenskelett und Wirbelsäule aus Kalk Nervensystem Bauchmark Rückenmark Blutkreislauf offener Blutkreislauf und Röhrenherz geschlossenen Blutkreislauf Augen meist Facettenaugen Linsenaugen Körpergliederung Körperzelle Körper aus Segmenten mit sechs (Insekten), acht (Spinnen) oder zahlreichen Gliedmaßen (Krebse) Pflanzenkörper ( Organismus) Spross Blüte Fortpflanzung Blätter Ernährung (Fotosynthese) Stängel / Stamm Transport Wurzel Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen Speicherung von Nährstoffen Verankerung im Boden Kopf, Rumpf, meist vier fünfgliedrige Gliedmaßen GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 11

12 Protein- Molekül (Ausschnitt) Ökologie Ökologie = Wechselwirkungen der Lebewesen untereinander und zu ihrer Umwelt Ökosystem Biotop + Biozönose Population Umwelt Art Umweltfaktoren ökologische Nische Umweltansprüche Organismus Umweltfaktor abiotischer Faktor: z.b. Licht, Temperatur, Wasser, Boden biotischer Faktor: z.b. Artgenossen, Nahrungspflanze, Feinde, Krankheitserreger, Parasiten, artfremde Nahrungskonkurrenten ökologische Potenz (=Toleranzbereich) Fähigkeit eines Organismus, Schwankungen eines Umweltfaktors bei natürlicher Konkurrenz zu ertragen Räuber-Beute-Beziehungen Population Beute Konkurrenzausschlussprinzip ( Evolutionstheorie nach Darwin) Arten, die um die selben Ressourcen konkurrieren, können auf Dauer nicht im gleichen Lebensraum existieren. Bioindikatoren (= Zeigerorganismen) Lebewesen, die bestimmte Umweltbedingungen anzeigen z.b.: Brennnessel zeigt mineralstoffreiche Böden an Population Fressfeind Symbiose Beziehung zwischen artverschiedenen Lebewesen zum gegenseitigen Nutzen Parasitismus Beziehung zwischen artverschiedenen Lebewesen zum Nutzen der einen Art und zu Lasten der anderen + - GW Bio 5-10 SINUS Bayern Lauf / Hersbruck 12