1 Die Biologie - Wissenschaft von den Lebewesen 11

1.1 Das "biologische Zeitalter" 12
1.1.1 Die Biologie bestimmt unser Leben 12
1.1.2 Kennzeichen des Lebendigen 13
1.1.3 Organisation des Lebendigen 14

1.2 Die Entwicklung der Biologie als Wissenschaft 16
1.2.1 Die Anfänge in der Antike 16
1.2.2 Ein neuer Anfang in der Renaissance 17
1.2.3 Die Aufklärung 18
1.2.4 Die Erfassung der Vielfalt 19
1.2.5 Vitalismus und Mechanismus 20
1.2.6 Die Evolutionslehre und ihre Folgen 21
1.2.7 Molekulare Grundlagen 23
1.2.8 Globale Zusammenhänge 25

1.3 Biowissenschaften 26
1.3.1 Teildisziplinen der Biowissenschaften 26
1.3.2 Denk- und Arbeitsweisen der Biologie 27
1.3.3 Beziehungen zu anderen Naturwissenschaften 33
1.3.4 Beziehungen zu den Geisteswissenschaften 34
1.3.5 Brückendisziplinen 35


2 Grundbausteine des Lebens 37

2.1 Kohlenstoff - das Element des Lebens 38
2.1.1 Chemische Grundlagen 38
2.1.2 Kohlenstoff als Element 40
2.1.3 Kohlenstoffverbindungen 42

2.2 Wasser - das Medium des Lebens 46
2.2.1 Eigenschaften des Wassers 46
2.2.2 Autoprotolyse des Wassers 50

2.3 Makromoleküle - der Anfang der Vielfalt 52
2.3.1 Proteine 52
2.3.2 Kohlenhydrate 57
2.3.3 Lipide 61
2.3.4 Nucleinsäuren 66
2.3.5 Andere bedeutende Biomoleküle 68

2.4 Zellen und Zellbestandteile 72
2.4.1 Die Zelle als Grundbaustein der Lebewesen 72
2.4.2 Grundstrukturen: Membran, Fibrille, Granum 76
2.4.3 Der Procyt - die Zelle der Prokaryoten 79
2.4.4 Der Eucyt - die Zelle der Eukaryoten 82
2.4.5 Viren, Viroide und Prionen 90

2.5 Von Zellen zu Geweben und Organen 94
2.5.1 Kern- und Zellteilung 94
2.5.2 Einzeller und Vielzeller 97
2.5.3 Zelldifferenzierung 97

Ergänzungen und Vertiefungen:
Nanotubes - Miniröhrchen aus Kohlenstoff 41, Gibt es Wasser auf dem Mars? 49, Lipoproteine und ihre Bedeutung für den Fettstoffwechsel im Körper 65, Elektronenmikroskopische Präparationsmethoden 92, Die Entwicklung von Sinneshaaren bei Fruchtfliegen 102

Das Wichtigste im Überblick:
Kohlenstoff und Wasser 51, Makromoleküle 71, Zellen und Zellbestandteile 93, Von Zellen zu Geweben und Organen 103

Aufgaben zu Grundbausteine des Lebens: 104


3 Stoffwechsel und Energieumsatz 107

3.1 Energieumsatz bei Stoffwechselvorgängen 108
3.1.1 Stoffwechselwege 108
3.1.2 Organismen leben von freier Energie 109
3.1.3 ATP - Energieüberträger in Zellen oder in Lebewesen 112
3.1.4 Ermittlung des Energieumsatzes 113

3.2 Enzyme - die Katalysatoren im Organismus 116
3.2.1 Verlauf enzymatischer Reaktionen 116
3.2.2 Bau und Wirkung der Enzyme 117
3.2.3 Enzymaktivität 118

3.3 Aufbauender Stoffwechsel 123
3.3.1 Fotosynthese 123
3.3.2 Chemolithoautotrophie (Chemosynthese) 130
3.3.3 Speicherung von chemischer Energie 131

3.4 Abbauender Stoffwechsel 133
3.4.1 Zellatmung 133
3.4.2 Gärung - Energiefreisetzung ohne Sauerstoff 139

3.5 Stofftransport bei Pflanzen 141
3.5.1 Überblick 141
3.5.2 Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen 143
3.5.3 Wasser- und Ionentransport in der Sprossachse 145
3.5.4 Regulation der Transpiration 146
3.5.5 Transport organischer Substanzen 148

3.6 Verdauung, Atmung und Stofftransport bei Tieren 150
3.6.1 Verdauung und Resorption 150
3.6.2 Atmung und Atmungsorgane 153
3.6.3 Herz und Blutkreislauf 154
3.6.4 Ausscheidungsorgane und Ausscheidung 158

Ergänzungen und Vertiefungen:
Chemisches Gleichgewicht und freie Energie 111, Enzyme in der Biotechnik 121, "Lichtatmung" (Glykolatzyklus) 129, Anaerobe Atmung 138, Spaltöffnungen regulieren die Transpiration 147, Herz- und Kreislauferkrankungen 155

Das Wichtigste im Überblick:
Energieumsatz bei Stoffwechselvorgängen 115, Enzyme - die Katalysatoren im Organismus 122, Aufbauender Stoffwechsel 132, Abbauender Stoffwechsel 140, Stofftransport bei Pflanzen 149, Verdauung, Atmung und Stofftransport bei Tieren 160

Aufgaben zu Stoffwechsel und Energieumsatz: 161


4 Steuerung, Regelung, Informationsverarbeitung 165

4.1 Erregung und Erregungsleitung 166
4.1.1 Biologische Grundlagen 166
4.1.2 Erregbarkeit und Reaktion bei Algen und Pflanzen 167
4.1.3 Erregbarkeit tierischer Zellen 169
4.1.4 Erregungsleitung 173
4.1.5 Erregungsübertragung zwischen den erregbaren Zellen 174
4.1.6 Von der Reizaufnahme bis zur Reaktion 177

4.2 Sinnesorgane 179
4.2.1 Vermittler zwischen Organismus und Umwelt 179
4.2.2 Lichtsinn 181
4.2.3 Schallsinn 183
4.2.4 Gleichgewichtssinn 184
4.2.5 Hautsinne 185
4.2.6 Chemischer Sinn 186
4.2.7 Elektrischer Sinn und Magnetsinn 186

4.3 Informationsverarbeitung und -speicherung 189
4.3.1 Nervensysteme von Wirbellosen (Invertebraten) 189
4.3.2 Nervensystem der Wirbeltiere (Vertebraten) 190
4.3.3 Gedächtnis, Sprache, Bewusstsein 194
4.3.4 Schlaf 197
4.3.5 Psychoaktive Stoffe und Nervengifte 198

4.4 Muskel und Bewegung 201
4.4.1 Funktion der Muskelzellen 202
4.4.2 Bewegung der Muskeln 204

4.5 Hormone 207
4.5.1 Das endokrine System der Wirbeltiere und des Menschen 207
4.5.2 Kopplung von Nervensystem und Hormonsystem 208
4.5.3 Das endokrine System der Wirbellosen 211
4.5.4 Phytohormone 211
4.5.5 Pheromone 212

Ergänzungen und Vertiefungen:
Neurotransmitter 175, Elektrische Fische 187, Ohne Gedächtnis sind wir nichts 195, Erregungsleitung im Herzmuskel 205, Pflanzen, die um Hilfe rufen 213

Das Wichtigste im Überblick:
Erregung und Erregungsleitung 178, Sinnesorgane 188, Informationsverarbeitung und -speicherung 200, Muskel und Bewegung 206, Hormone 214

Aufgaben zu Steuerung, Regelung, Informationsverarbeitung: 215


5 Fortpflanzung, Wachstum, Entwicklung 217

5.1 Fortpflanzung 218
5.1.1 Fortpflanzung und Vermehrung 218
5.1.2 Ungeschlechtliche Fortpflanzung 218
5.1.3 Geschlechtliche Fortpflanzung 219

5.2 Niedere Organismen 223
5.2.1 Prokaryota 223
5.2.2 Protista (Einzeller, Algen und Niedere Pilze) 224
5.2.3 Pilze 227

5.3 Pflanzen 231
5.3.1 Fortpflanzung 231
5.3.2 Wachstum und Differenzierung 232
5.3.3 Reproduktionstechniken 234

5.4 Tiere und Mensch 238
5.4.1 Embryonalentwicklung bei Tieren 238
5.4.2 Embryonalentwicklung des Menschen 243
5.4.3 Entwicklungsstörungen und Reproduktionstechniken 245

Ergänzungen und Vertiefungen:
Generationswechsel 221, Birnen-Gitterrost 229, Entstehung von Samenpflanzen aus Sporenpflanzen 236, Reproduktionsmethoden bei Kinderlosigkeit 246

Das Wichtigste im Überblick:
Fortpflanzung 222, Niedere Organismen 230, Pflanzen 237, Tiere und Mensch 249

Aufgaben zu Fortpflanzung, Wachstum, Entwicklung: 250


6 Genetik 251

6.1 Molekulare Grundlagen der Vererbung 252
6.1.1 Nucleinsäuren als Träger der genetischen Information 252
6.1.2 Identische Replikation 256
6.1.3 Vom Gen zum Protein 259
6.1.4 Regulation der Genaktivität 263
6.1.5 Modifikation 266
6.1.6 Mutation 268

6.2 Vererbungsregeln und ihre Anwendung 275
6.2.1 Die mendelschen Vererbungsregeln 275
6.2.2 Chromosomentheorie der Vererbung 278
6.2.3 Vererbung beim Menschen 281
6.2.4 Genmutationen beim Menschen 285
6.2.5 Chromosomenaberrationen beim Menschen 287

6.3 Gentechnik 291
6.3.1 Grundlagen der Gentechnik 291
6.3.2 Untersuchungsmethoden 298
6.3.3 Anwendungen der Gentechnik 304
6.3.4 Genkartierung 306
6.3.5 Gentherapie 308

Ergänzungen und Vertiefungen:
Transposons - "Springende Gene" 273, Artbildung durch
Allopolyploidie 279, Der genetische Fingerabdruck 309

Das Wichtigste im Überblick:
Molekulare Grundlagen der Vererbung 274,
Vererbungsregeln und ihre Anwendung 290, Gentechnik 310

Aufgaben zur Genetik: 311


7 Krankheit und Gesundheit 317

7.1 Begriffe und Definitionen 318
7.1.1 Gesundheit 318
7.1.2 Krankheit 319

7.2 Infektionskrankheiten des Menschen 320
7.2.1 Übertragung und Verlauf von Infektionskrankheiten 320
7.2.2 Subvirale Strukturen als Krankheitserreger 322
7.2.3 Viren als Krankheitserreger 323
7.2.4 Bakterien als Krankheitserreger 326
7.2.5 Protisten als Krankheitserreger 328
7.2.6 Pilze als Krankheitserreger 330
7.2.7 Tiere als Krankheitserreger 331

7.3 Immunbiologie 333
7.3.1 Unspezifische Immunreaktion 333
7.3.2 Spezifische Immunreaktion 336
7.3.3 Aktive und passive Immunisierung 341
7.3.4 Autoimmunerkrankungen 343
7.3.5 Allergien 345

7.4 Pflanzliche Abwehrsysteme 349
7.4.1 Schutzmechanismen der Pflanzen 349
7.4.2 Wirtschaftliche Anwendungen 350

Ergänzungen und Vertiefungen:
Alte Viren - Neue Viren 325, Rheumatismus 344, Schutzmechanismen der ältesten Bäume der Welt 351

Das Wichtigste im Überblick:
Infektionskrankheiten des Menschen 332, Immunbiologie 348, Pflanzliche Abwehrsysteme 352

Aufgaben zu Krankheit und Gesundheit: 353


8 Evolution und biologische Vielfalt 357

8.1 Zur Geschichte des Evolutionsgedankens 358
8.1.1 Evolutionstheorien im Wandel der Zeiten 358
8.1.2 Vorstellungen zur Entstehung des Lebens 363

8.2 Indizien für die Evolution der Organismen 369
8.2.1 Der gemeinsame Ursprung aller Lebewesen 369
8.2.2 Fossilien als Belege für die Evolution 370
8.2.3 Übergangsformen und lebende Fossilien 374
8.2.4 Hinweise aus der Ontogenie 375
8.2.5 Homologie und Analogie 376
8.2.6 Rudimentäre Organe und Atavismen 378

8.3 Evolutionsfaktoren und ihre Wirkung 381
8.3.1 Die synthetische Theorie der Evolution 381
8.3.2 Weiterentwicklung der synthetischen Theorie und alternative Theorien 385

8.4 Symbiogenese 389
8.4.1 Leben heißt zusammenleben 389
8.4.2 Konkurrenz - Symbiose - Karpose - Antibiose 390
8.4.3 Entstehung der Eukaryoten aus Prokaryoten (Endosymbiontentheorie) 398

8.5 Stammesgeschichte und die Vielfalt der Lebewesen 401
8.5.1 Ablaufformen der Evolution 401
8.5.2 Stammbaumforschung 404

8.6 Evolution des Menschen 409
8.6.1 Verwandtschaft der Primaten 409
8.6.2 Fossilgeschichte des Menschen 413
8.6.3 Gibt es Menschenrassen? 419
8.6.4 Geistige und kulturelle Evolution des Menschen 422

8.7 Gliederung der Vielfalt (Systematik) 424
8.7.1 Begriffe und Definitionen 424
8.7.2 Domäne Archaea (Urbakterien) 429
8.7.3 Domäne Bacteria (Bakterien) 430
8.7.4 Domäne Eukarya ("Kernhaltige") 432

Ergänzungen und Vertiefungen:
Wie kam es zur Höherentwicklung der Lebewesen? 367, Gefiederte Dinosaurier aus China 373, Veränderungen von Genhäufigkeiten in Populationen 384, Das komplizierte Zusammenleben im Termitendarm 392, Phylogenetische Systematik 407, Die Zwergenfrau von Flores (Homo floresiensis) 418, Rassenfrage in der Humanbiologie 420, Die Verwandtschaft der Säugetiere 455

Das Wichtigste im Überblick:
Zur Geschichte des Evolutionsgedankens 368, Indizien für die Evolution der Organismen 380,
Evolutionsfaktoren und ihre Wirkung 388, Symbiogenese 400, Stammesgeschichte und die Vielfalt der Lebewesen 408, Evolution des Menschen 423, Gliederung der Vielfalt 456

Aufgaben zur Evolution und biologischen Vielfalt: 457


9 Verhaltensbiologie 463

9.1 Ziele und Methoden der Verhaltensbiologie 464
9.1.1 Teilgebiete der Verhaltensbiologie 464
9.1.2 Ziele der Verhaltensbiologie 467
9.1.3 Methoden der Verhaltenserfassung und -auswertung 470
9.1.4 Angewandte Verhaltensforschung 473

9.2 Verhaltensentwicklung 476
9.2.1 Ontogenese und Individualentwicklung des Verhaltens 476
9.2.2 Verhalten der Jungtiere 477

9.3 Mechanismen des Verhaltens 480
9.3.1 Koordination der Bewegungen 480
9.3.2 Angeborenes Verhalten 480
9.3.3 Erlerntes Verhalten 483

9.4 Angepasstheit des Verhaltens 489
9.4.1 Anpassungsstrategien 489
9.4.2 Kommunikation 492
9.4.3 Soziale Strukturen und Organisationsformen 493
9.4.4 Konfliktverhalten 495
9.4.5 Fortpflanzungsverhalten und Brutpflege 498
9.4.6 Die Sonderstellung des Menschen - eine überholte Vorstellung? 501

Ergänzungen und Vertiefungen:
Egoismus der Gene 466, "Focal-animal-sampling"-Methode 472, Der klassische Instinktbegriff - ein überhohltes Konzept? 478, Kreativitätstechniken beim Menschen 484, Kooperation und Altruismus 491, Aggression 496

Das Wichtigste im Überblick:
Ziele und Methoden der Verhaltensbiologie 475, Verhaltensentwicklung 479, Mechanismen des Verhaltens 488, Angepasstheit des Verhaltens 502

Auftgaben zum Verhalten: 503


10 Ökologie 507

10.1 Lebewesen in ihrer Umwelt 508
10.1.1 Toleranzbereich und ökologische Potenz 508
10.1.2 Abiotische Umweltfaktoren 509
10.1.3 Biotische Umweltfaktoren 514

10.2 Aufbau der Biosphäre 519
10.2.1 Energiefluss und Stoffkreislauf 519
10.2.2 Ökosysteme 527
10.2.3 Gliederung der Biosphäre 530
10.2.4 Ökosysteme entwickeln und verändern sich 535
10.2.5 Ökosystem Wald 537
10.2.6 Ökosystem See 539

10.3 Populationsökologie 545
10.3.1 Wachstum und Entwicklung einer Population 545
10.3.2 Altersstruktur von Populationen 547
10.3.3 Regulation der Populationsdichte 549

10.4 Mensch und Biosphäre 553
10.4.1 Entwicklung der Weltbevölkerung 553
10.4.2 Rohstoffe und Bewirtschaftung von Land und Meeren 555
10.4.3 Belastungen von Luft, Wasser und Boden 557
10.4.4 Abfall und Recycling 562

10.5 Natur- und Umweltschutz 566
10.5.1 Warum Natur- und Umweltschutz? 566
10.5.2 Rückgang der biologischen Vielfalt 567
10.5.3 Gesetze und Maßnahmen 569

Ergänzungen und Vertiefungen:
Zeigerarten 513, Mimikry 517, Gewässergüte von Fließgewässern 543, Entwicklung der Weltbevölkerung 548, "Top-down" und "Bottom-up" 551, Treibhausgase und Klimaentwicklung 558,
Pflanzenkläranlagen 560, Naturschutzmaßnahme "Rote Liste" 570

Das Wichtigste im Überblick:
Lebewesen in ihrer Umwelt 518, Aufbau der Biosphäre 544, Populationsökologie 552, Mensch und Biosphäre 565, Natur- und Umweltschutz 576

Aufgaben zur Ökologie: 577


11 Anhang 583
Sach- und Personenregister 584

Bildquellenverzeichnis 10