Inhalt. Biosysteme und ihre Erforschung 13. Biologie der Zelle 23. Vorwort 8 Aufbau und Besonderheiten des Buches 9 Bildergalerie 10

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1 Inhalt Vorwort 8 Aufbau und Besonderheiten des Buches 9 Bildergalerie 10 Einleitung Biosysteme und ihre Erforschung 13 1 Eigenschaften aller Biosysteme - Basiskonzepte der Biologie 14 2 Kennzeichen des Lebendigen 16 3 Erkenntnisgewinnung in der Biologie 19 Wie Wissen entsteht: Experimenteller Nachweis der Erbfaktoren 21 Biologie der Zelle 23 l Struktur und Funktion der Zelle Die Erforschung der Zelle Lichtmikroskopie Elektronenmikroskopie Die mikroskopischen Dimensionen von Zellen Bau-und Inhaltsstoffe von Zellen im Überblick Proteine Nucleinsäuren Kohlenhydrate und Lipide Eucyte und Protocyte im Vergleich Prokaryoten Struktur und Funktionen der Eucyte 41 Wie Wissen entsteht: Methoden der Zellforschung 46 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 47 Aufgaben 48 Praktikum: Gefärbte Zellen 49 2 Bau und Funktion der Biomembran Struktur und Funktion von Membranen 51 Wie Wissen entsteht: Entwicklung von Membranmodellen 52 Wie Wissen entsteht: Endosymbiontentheorie Stofftransport durch Membranen Moleküle der Membranoberfläche 57 Molekulare Sonden 58 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 59 Aufgaben 60 Praktikum: Osmose 62 3 Vermehrung und Differenzierung von Zellen Der Zellkern und seine Bedeutung für die Zelle 65 Wie Wissen entsteht: Schirmalgen als Versuchsobjekte der Zellkernforschung Kernteilung und Zellteilung Replikation der DNA 70 Wie Wissen entsteht: Mechanismus der DNA-Verdopplung Differenzierung von Zellen 72 Zell- und Gewebekulturen 74 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 76 Aufgaben 77

2 Energiestoffwechsel 79 Genetik Enzyme.als Katalysatoren Bau und Funktion von Enzymen Enzymaktivität und Außenfaktoren 83 Wie Wissen entsteht: Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur Hemmung und Regulation der Enzymaktivität Enzymtechnik 88 Zusammenfassung-Wissen vernetzt 90 Aufgaben 91 Praktikum: Aktivität von Enzymen 92 2 Energiehaushalt der Zelle Energieumwandlungen ATP als Energieträger Zellatmung im Überblick Glykolyse Pyruvatabbau und Citratzyklus Atmungskette 100 Tracermethoden in Medizin und Forschung Gärung 104 Gärungstechnik Zellatmung und Gärung im Vergleich 108 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 109 Aufgaben 110 Praktikum: Energetische Kopplung 112 Praktikum: Gärungsprozesse Sport und Stoffwechsel Grundumsatz und Leistungsumsatz Bau und Funktion von Muskeln Herz und Blutkreislauf Äußere Atmung und Gasaustausch Sport und Training Doping 126 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 128 Aufgaben Molekulargenetik Chromosomen als Träger der genetischen Information 133 Wie Wissen entsteht: Transformationsexperimente von GRIFFITH und AVERY Erbsubstanz DNA Der Weg vom Gen zum Merkmal Transkription 140 Wie Wissen entsteht: Das erste Codon des genetischen Codes wird entschlüsselt Translation Vergleich der Proteinsynthese bei Prokaryoten und Eukaryoten Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten Genregulation bei Eukaryoten 148 RNA-Interferenz Krebs - Fehlregulation der Zellvermehrung 151 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 153 Aufgaben Methoden der Molekulargenetik Polymerase-Kettenreaktion Gelelektrophorese DNA-Analyse und Genomforschung 159 Der genetische Fingerabdruck Genom und Proteom 162 Wie Wissen entsteht: Proteomanalysen von Tumorzellen Bedeutungswandel des Genbegriffs 164 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 165 Aufgaben Gentechnik Methoden und Anwendungen der Gentechnik 169 Anwendungsgebiete der Gentechnik Gentechnik: Risiken und ethische Fragen Synthetische Organismen 178 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 179 Aufgaben 180

3 4 Rekombination und Mutation Ungeschlechtliche und geschlechtliche Fortpflanzung Meiose Rekombination und Variabilität Mutationen und Mutagene Genmutationen 190 Wie Wissen entsteht: Bildung von Augenpigment bei Insekten Chromosomenmutationen Genommutationen 194 Nachweis von Mutationen unter dem Lichtmikroskop Geschlechtschromosomen Analyse menschlicher Erbgänge 199 DNA-Chips Genetische Beratung 203 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 205 Aufgaben Entwicklungsgenetik Embryonalentwicklung des Menschen Determination und Differenzierung 210 Wie Wissen entsteht: DifFerentielle Genaktivität in Riesenchromosomen Stammzellen Umprogrammierung von Zellen 214 Ethische Analyse des Einsatzes umprogrammierter Zellen in der Medizin Epigenetik 217 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 219 Aufgaben 220 Neurobiologie Bau und Funktion von Nervenzellen Bau einer Nervenzelle Ionentransport durch die Zellmembran 226 Wie Wissen entsteht: Patch-Clamp-Technik Ruhepotenzial 228 Wie Wissen entsteht: Intrazelluläre Messung des Membranpotenzials Aktionspotenzial Erregungsleitung im Axon 232 Wie Wissen entsteht: Extrazelluläre Ableitung Informationsübertragung an Synapsen Verrechnung postsynaptischer Potenziale 236 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 238 Aufgaben 239 Praktikum: Präparation von Nervenzellen Bau und Funktion des Auges Aufnahme und Verarbeitung von Sinnesreizen Lichtsinnesorgane bei wirbellosen Tieren Das Auge des Menschen Fototransduktion Hell- und Dunkeladaption Informationsverarbeitung in der Netzhaut Farbensehen Verarbeitung visueller Information im Gehirn 256 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 257 Aufgaben Das Gehirn des Menschen Das Zentralnervensystem des Menschen Bau und Funktion des menschlichen Gehirns 262 Bildgebende Verfahren 266 Wichtige Erkrankungen des Zentralnervensystems Lernen 270 Wie Wissen entsteht: Habituation bei Aplysia Konditionierung und einsichtiges Lernen Emotion Lernen und Gedächtnis beim Menschen Neuronale Plastizität und Lernen 278 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 280 Aufgaben 281 Praktikum: Lern- und Merkfähigkeit 283

4 4 Wirkung endogener und exogener Substanzen im Organismus Endogene und exogene Substanzen im Nervensystem Drogen und Sucht Wirkung exogener Substanzen auf den Schlaf 288 Elektroenzephalografie Zusammenspiel von Zentralnervensystem und Hormonsystem Sympathikus und Parasympathikus Stress 294 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 296 Aufgaben 297 Ökologie 299 l Beziehungen der Organismen zur Umwelt Einfluss von abiotischen Faktoren 301 Wie Wissen entsteht: Experimentelle Ermitdung des Toleranzbereichs von Rohrkolben Temperatur als abiotischer Faktor Wasser als abiotischer Faktor Ionengehalt als abiotischer Faktor 310 Synthetisch hergestellte Düngemittel Zeigerarten Einfluss von biotischen Faktoren Symbiotische Beziehungen Parasitismus Die ökologische Nische 318 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 320 Aufgaben 321 Praktikum: Erfassen der Artenvielfalt in einem Bach Populationsökologie Wachstum von Populationen 325 Bevölkerungsprognosen 327 Wie Wissen entsteht: Pantoffeltierchenkulturen Fortpflanzungsstrategien Regulation der Populationsdichte Populationsdynamik 332 Zusammenfassung-Wissen vernetzt 335 Aufgaben Ökosysteme Aufbau und Einteilung von Ökosystemen Produzenten und Fotosynthese 340 Wie Wissen entsteht: Die Entdeckung der Fotosynthese 341. Wie Wissen entsteht: Abhängigkeit der Fotosynthese von äußeren Faktoren Blattfarbstoffe und Lichtabsorption Die Primärvorgänge der Fotosynthese Die Sekundärvorgänge der Fotosynthese 348 Wie Wissen entsteht: Aufklärung der Sekundärvorgänge Nahrungsbeziehungen und Energiefluss in Ökosystemen Stoffkreisläufe Zeitliche Veränderung von Ökosystemen Erfassen der Artenvielfalt in einem Ökosystem 356 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 358 Aufgaben 359 Praktikum: Vegetationsaufnahme im Wald Mensch und Ökosysteme Nutzung der Erde durch den Menschen Belastungen des Wassers Belastung der Luft Globale Klimaveränderungen 368 Verminderung der Kohlenstoffdioxid-Freisetzung Einfluss des Menschen auf die Biodiversität Nachhaltige Entwicklung 375 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 376 Aufgaben 377

5 Evolution Biologische Vielfalt und Evolutionstheorie Biodiversität Systematik und Nomenklatur der Organismen Erforschung von Gemeinsamkeiten und Vielfalt bei Lebewesen vor Darwin Evolutionsforschung von DARWIN bis heute Homologie und Analogie Homologien im Bau der Lebewesen Homologien in der Ontogenese 392 Wie Wissen entsteht: Die biogenetische Regel Molekulare Homologien Fossilien 395 Wie Wissen entsteht: Methoden der Altersbestimmung von Fossilien Fossilien und Evolutionsforschung Molekularbiologische Stammbäume Stammbaum der Wirbeltiere 400 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 402 Aufgaben Evolution des Menschen Der Mensch im System der Organismen Unterschiede zwischen Menschenaffen und Mensch Stammesgeschichte des Menschen Variabilität beim Menschen Kulturelle Evolution Bedeutung der Evolutionstheorie 452 Zusammenfassung-Wissen vernetzt 454 Aufgaben 455 Anhang Glossar 458 Register 476 Bildquellen 492 Hinweise zum sicheren Experimentieren Grundlagen evolutiver Veränderung Artbegriff und Genpool Mutation und Rekombination Natürliche Selektion Selektionsfaktoren und ihre Wirkungen Gendrift Zusammenspiel der Evolutionsfaktoren Populationsgenetik Artbildung und Isolation Transspezifische Evolution Evolution von Verhaltensweisen Evolution von Sozialstrukturen 430 Zusammenfassung - Wissen vernetzt 432 Aufgaben 433