Zelldifferenzierung Struktur und Funktion von Pflanzenzellen (A)

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1 Struktur und Funktion von Pflanzenzellen (A) Abb. 1: Querschnitt durch ein Laubblatt (Rasterelektronenmikroskop) Betrachtet man den Querschnitt eines Laubblattes unter dem Mikroskop (Abb. 1), so sieht man verschiedene Schichten mit Zellen, die innerhalb einer Schicht ähnlich, beim Vergleich zweier Schichten jedoch unterschiedlich aussehen. Den Verband von Zellen mit ähnlicher Größe, Form und Funktion nenn man Gewebe. Die verschiedenen Zellen erfüllen die komplexen Aufgaben des Blattes, indem sie Fotosynthese betreiben und den Gasaustausch mit der Atmosphäre regeln. Entsprechend ihrer Aufgabe zeigen die Zelltypen Spezialisierungen, das heißt die Gestalt einer Zelle ist an ihre spezifische Funktion angepasst. Die Zellen der oberen Schicht (Abb. 1) verhindern z.b. unkontrollierte Abgabe von Wasser und schützen das Blatt somit vor dem Austrocknen. Diese Epidermiszellen bewahren das Blatt zusätzlich vor mechanischen Beschädigungen. Man erkennt sie an ihren dicken Zellwänden, die an der Oberseite von einer wasser-undurchlässigen Schicht (Cuticula) bedeckt sind. Die darunter liegenden Palisadenzellen erreicht viel Licht. Sie enthalten besonders viele Chloroplasten und erbringen die größte Fotosyntheseleistung. So kann man bei Zellen häufig schon anhand ihrer Struktur auf ihre Funktion schließen. Dies ist ein wichtiges Prinzip in der Biologie, dass man immer wieder antrifft. Zellen, die in einem mehrzelligen Organismus eine bestimmte Funktion ausüben, bezeichnet man als differenziert. Sie sind in der Regel nicht 1

2 mehr teilungsfähig und verfügen über alle Angepasstheiten, um ihre jeweilige Funktion im Körper zu erfüllen. Dagegen sind undifferenzierte Zellen teilungsfähig und zeigen noch keine besonderen Strukturen. Schon in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung werden gebildete Zellen auf ihre zukünftige Aufgabe festgelegt. Zu Beginn liegen totipotente Zellen vor. Der Begriff totipotent verweist darauf, dass die Zahl der Entwicklungsmöglichkeiten bei diesen Zellen sehr groß ist. Durch viele Faktoren, z.b. durch die Lage der Zellen im Organismus, Signalstoffe, Hormone und so weiter wird vorgegeben, zu welchem Zelltyp sich die totipotente Zelle entwickelt (z.b. Palisadenzelle im Blatt). Anschließend folgt die. Hierbei wird die Zelle mit allen erforderlichen Strukturen ausgestattet und angepasst, sodass sie ihre spätere Aufgabe gut bewältigen kann. Die Zellgestalt entwickelt sich so, dass sie der späteren Funktion der Zelle entspricht. Der Grundbauplan der Zelle bleibt dabei aber meistens erhalten. Spezialisierung und Arbeitsteilung Die Ausbildung verschiedener Zell- und Gewebeformen ermöglicht dem Organismus eine effektive Arbeitsteilung. Die Verschiedenartigkeit der Zellen kommt dadurch zustande, dass immer andere Abschnitte der DNA aktiv sind, obwohl selbstverständlich in jeder Zelle die vollständige, identische Erbinformation vorliegt. Lediglich die Gene, die abgelesen werden bzw. passiv sind, variieren. Abb. 2: Beispiele für die Differenzierung pflanzlicher Zellen 2

3 Arbeitsauftrag zu (A) think pair share 1. Lies den Text und markiere alle zur Erarbeitung der relevanten Fachbegriffe rot, die jeweilige Erläuterung grün. 2. Erklärt euch gegenseitig anhand von Abb. 2 den Unterschied zwischen einer differenzierten und einer undifferenzierte Zelle. Benutzt dazu die FACHBEGRIFFE und korrigiert euch gegenseitig bei deren Verwendung. 3. Der Prozess der besitzt einige Vorteile, aber auch Ansatzpunkte für Probleme und Nachteile. Stellt Vor- und Nachteile gegenüber. 4. Präsentation der erarbeiteten Kenntnisse anhand der Beispiele in Abb Erstelle ein Glossar zu den Fachbegriffen aus Aufgabe Beschreibe den Prozess der, indem du zu Abb. 3 ein Fließschema erstellst. 3. Recherchiere, a. wo sich bei adulten (erwachsenen) Menschen Stammzellen befinden und skizziere ihre Lage. a. Fertige zum Zelltyp Eizelle oder Spermium eine Skizze an. Beschreibe die besonderen Eigenschaften dieses Zelltyps unter Anwendung des Basiskonzepts Struktur und Funktion, indem du die Infos mit Stichworten und Pfeilen in deiner Skizze ergänzt. Abbildung 3: Differenzierung von Epidermiszellen beim Menschen 3

4 Struktur und Funktion von tierischen Zellen (B) Abb. 1: Gewebeanordnung in der Luftröhre (Links: Lichtmikroskop, rechts: Rasterelektronenmikroskop) Schaut man sich einen Querschnitt durch die Luftröhre (Abb. 1) mikroskopisch an, so sieht man Bereiche, in denen die Zellen ähnlich aussehen. Vergleicht man allerdings mehrere Bereiche untereinander, erkennt man auch voneinander abweichende Zellgestalten. Warum haben verschiedene Zellen eine unterschiedliche Größe oder Gestalt? Tiere besitzen entsprechend den vielfältigen Leistungen ihrer Organe eine größere Anzahl unterschiedlicher Zelltypen als Pflanzen. Den Verband von Zellen mit ähnlicher Größe, Form und Funktion nenn man Gewebe. Die verschiedenen Zellen erfüllen die komplexen Aufgaben des Körpers, z.b. die Atemluft von Staub zu reinigen. Entsprechend ihrer Aufgabe zeigen die Zelltypen Spezialisierungen, das heißt die Gestalt einer Zelle ist an ihre spezifische Funktion angepasst. Im menschlichen Körper gibt es nahezu 200 Zelltypen. Beispielsweise besitzen Nervenzellen viele, zum Teil sehr lange Fortsätze, die der Informationsübertragung dienen. Drüsenzellen bilden Stoffe, die sie abgeben, Knorpel- und Knochenzellen scheiden Substanzen ab, die dem Stützgewebe die Festigkeit verleihen. In der Haut des Menschen liegen die Zellen des Deckgewebes mehrschichtig übereinander. Die äußeren Hautzellen sind stark verhornt und schützen so tieferes Gewebe. Das Epithel der Luftröhre dagegen besitzt Fortsätze in Form von Flimmerhärchen (Abb. 1), die die Luftwege von Verunreinigungen säubern. So kann man bei Zellen häufig schon anhand ihrer Struktur auf ihre Funktion schließen. Dies ist ein wichtiges Prinzip in der Biologie, dass man immer wieder antrifft. Zellen, die in einem mehrzelligen Organismus eine bestimmte Funktion ausüben, bezeichnet man als differenziert. Sie sind in der Regel nicht mehr teilungsfähig und verfügen über alle Angepasstheiten, um ihre jeweilige Funktion im Körper zu erfüllen. Dagegen sind 4

5 undifferenzierte Zellen (Stammzellen) teilungsfähig und zeigen noch keine besonderen Strukturen. Sterben differenzierte Zellen ab, so entstehen in den Bildungsgeweben (z.b. im Knochenmark) durch Teilung neue Zellen. Aus Stammzellen des roten Knochenmarks können sich beispielsweise zeitlebens alle Blutzelltypen entwickeln. Die kurzlebigen Zellen des Blutes werden auf diese Weise ständig nachgeliefert. Schon in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung werden gebildete Zellen auf ihre zukünftige Aufgabe festgelegt. Zu Beginn liegen totipotente Zellen vor. Der Begriff totipotent verweist darauf, dass die Zahl der Entwicklungsmöglichkeiten bei diesen Zellen sehr groß ist. Durch viele Faktoren, z.b. durch die Lage der Zellen im Organismus, Signalstoffe, Hormone und so weiter wird vorgegeben, zu welchem Zelltyp sich die totipotente Zelle entwickelt (z.b. Blutzelle). Anschließend folgt die. Hierbei wird die Zelle mit allen erforderlichen Strukturen ausgestattet und angepasst, sodass sie ihre spätere Aufgabe gut bewältigen kann. Der Grundbauplan der Zelle bleibt dabei aber meistens erhalten. Spezialisierung und Arbeitsteilung Die Ausbildung verschiedener Zell- und Gewebeformen ermöglicht dem Organismus eine effektive Arbeitsteilung. Die Verschiedenartigkeit der Zellen kommt dadurch zustande, dass immer andere Abschnitte der DNA aktiv sind, obwohl selbstverständlich in jeder Zelle die vollständige, identische Erbinformation vorliegt. Lediglich die Gene, die abgelesen werden bzw. passiv sind, variieren. Abb. 2: Beispiele für die Differenzierung tierischer Zellen 5

6 Arbeitsauftrag zu (B) think pair share 1. Lies den Text und markiere alle zur Erarbeitung der relevanten Fachbegriffe rot, die jeweilige Erläuterung grün. 2. Erklärt euch gegenseitig anhand von Abb. 2 den Unterschied zwischen einer differenzierten und einer undifferenzierte Zelle. Benutzt dazu die FACHBEGRIFFE und korrigiert euch gegenseitig bei deren Verwendung. 3. Der Prozess der besitzt einige Vorteile, aber auch Ansatzpunkte für Probleme und Nachteile. Stellt Vor- und Nachteile gegenüber. 4. Präsentation der erarbeiteten Kenntnisse anhand der Beispiele in Abb Erstelle ein Glossar zu den Fachbegriffen aus Aufgabe Beschreibe den Prozess der, indem du zu Abb. 3 ein Fließschema erstellst. 3. Recherchiere, a. wo sich bei adulten (erwachsenen) Pflanzen merismatische Gewebe befinden und skizziere ihre Lage am Beispiel der Maispflanze. b. Fertige zum Zelltyp Schließzelle beim Mais eine Skizze an. Beschreibe die besonderen Eigenschaften dieses Zelltyps unter Anwendung des Basiskonzepts Struktur und Funktion, indem du die Infos mit Stichworten und Pfeilen in deiner Skizze ergänzt. Abbildung 3: Differenzierung von Epidermiszellen beim Menschen 6

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