ZELLBIOLOGIE

1 Die Entwicklung der Zellbiologie 8

2 Untersuchungstechniken der Zellbiologie 9
2.1 Lichtmikroskopie 9
2.2 Elektronenmikroskopie 10
Methode: Rasterelektronenmikroskopie 11

3 Bau- und Inhaltsstoffe der Zelle 14
3.1 Chemische Grundlagen 14
Methode: Trennung von Zellbestandteilen 16
Methode: Trennung von Stoffgemischen 17
3.2 Proteine 18
3.3 Lipide 21
3.4 Kohlenhydrate 22

4 Feinbau und Funktion der Zelle 24
4.1 Prokaryoten und Eukaryoten 24
4.2 Biomembranen 26
4.3 Stofftransport durch Biomembranen 28
4.4 Bau und Funktion von Zellorganellen 33
4.5 Vom Einzeller zum Vielzeller 36
4.6 Differenzierung pflanzlicher und tierischer Zellen 38
Aufgaben: Lichtmikroskopisches (LM) und elektronenmikroskopisches (EM) Bild der Zelle 40
Praktikum: Untersuchungen zur Zellbiologie 42
Biologisches Prinzip: Zelluläre Organisation 44


STOFFWECHSEL

1 Enzyme bewirken Stoffwechsel 46
1.1 Enzyme als Biokatalysatoren
1.2 Enzymhemmung 48
Exkurs: Regulation der Enzymaktivität durch kovalente Modifikation
1.3 Cofaktoren 50

2 Die Zelle als offenes Sytem 52
2.1 Stoff- und Energieaustausch 52
Exkurs: Thermodynamik
2.2 Energieübertragung in der Zelle 54
Praktikum: Energetische Kopplung 55

3 Energiegewinnung bei heterotrophen Organismen 56
3.1 Glykolyse 56
3.2 Citratzyklus 59
3.3 Atmungskette 60
3.4 Gärungen 62
3.5 Fettabbau und Harnstoffzyklus 63
3.6 Verknüpfungen im Zellstoffwechsel 64
Aufgaben: Energiegewinnung bei heterotrophen Organismen 65

4. Energiegewinnung bei autrophen Organismen 66
4.1 Bedeutung der Fotosynthese 66
4.2 Abhängigkeit der Fotosynthese von Umweltfaktoren 68
4.3 Blattfarbstoffe: Absorptionsspektren und Wirkungsspektrum 69
Exkurs: Blattfarbstoffe - chemisch-physikalisch betrachtet 70
4.4 Feinbau der Chloroplasten 71
Exkurs: Fotosynthese - lichtabhängige Reaktionen 72
Exkurs: Fotosynthese - lichtunabhängige Reaktionen 74
4.5 Die Weiterverarbeitung der Fotosyntheseprodukte 76
4.6 Energiebindung bei Prokaryoten 77
Aufgaben: Stoffwechsel 78
Praktikum: Stoffwechsel 80
Biologisches Prinzip: Energieumwandlung 82


ORGANSYSTEME

1 Aufnahme und Ausscheidung von Stoffen bei Mensch und Tier
1.1 Ernährung 84
1.2 Verdauung 85
1.3 Resorption der Nährstoffe 86
Exkurs: Leber und Bauchspeicheldrüse 87
1.4 Ausscheidung 88

2 Aufnahme und Transport von Stoffen bei Pflanzen 91
2.1 Wasserhaushalt einer Pflanze 91
2.2 Blatt, Sprossachse und Wurzel 92
2.3 Leitbündel 94
2.4 Der Spaltöffnungsapparat 96
2.5 Die Wurzeln 97
Aufgaben: Organsysteme 98
Praktikum: Organsysteme 99
Biologisches Prinzip: Struktur und Funktion 100


GENETIK

1 Grundlagen der Genetik 102

2 Zellteilungen 103
2.1 Mitotische Zellteilung 103
2.2 Meiotische Zellteilung 105
Praktikum: Chromosomen, DNA-Isolierung und Nachweis 107

3 Klassische Genetik 108
3.1 Die MENDELschen Regeln 108
Aufgaben: Gregor MENDEL - Versuche über Pflanzen-Hybriden 110
Exkurs: Chromosomentheorie der Vererbung 111
Exkurs: Drosophila - "Haustier" der Genetiker 112
3.2 X-Chromosom gebundene Vererbung 113
3.3 Genkopplung 114
3.4 Kopplungsabbruch 115
3.5 Genkartierung bei Drosophila 116
Praktikum: Experimente zur Vererbung mit Drosophila 117
3.6 Polygene Vererbung 118
Exkurs: Modifikation 119
3.7 Mutationen 120
3.8 Extranucleäre Vererbung 122
Aufgaben: Gesetzmäßigkeiten der Vererbung 123

4 Molekulargenetik 124
4.1 DNA als Informationsträger 124
4.2 Molekularer Aufbau von DNA und RNA 125
4.3 Replikation der DNA 126
4.4 DNA-Replikation auf molekularer Ebene 127
4.5 DNA-Schäden und DNA-Reparatur 128
4.6 Der genetische Code 129
4.7 Transkription der DNA 130
4.8 Translation der mRNA 131
Exkurs: Der Genbegriff in der Molekularbiologie 132
Exkurs: Die Struktur von Genen bei Eukaryoten 133
4.9 Genregulation bei Prokaryoten 134
4.10 Genregulation bei Eukaryoten 136

5 Entwicklungsgenetik 138
5.1 Determinierende Faktoren 138
5.2 Induktionsvorgänge 139
5.3 Musterbildung bei Drosophila 141
Exkurs: Gene für den Zelltod 143
5.4 Altern 144
Exkurs: Krebs - Gene außer Kontrolle 145
Aufgaben: Entwicklungsfaktoren 146
Praktikum: Regulation durch exogene und endogene Faktoren 147

6 Bakterien- und Virengenetik 148
6.1 Bau der Bakterienzelle Escherichia coli 148
6.2 Mutationen bei Bakterien 149
6.3 Genetische Rekombination bei Bakterien 150
6.4 Bau der Viren 151
Exkurs: Das HERSHEY-CHASE-Experiment 151
6.5 Vermehrung der Viren 152
Exkurs: HIV - ein Retrovirus 153
Genübertragung durch Viren 154
Aufgaben: Molekulare Genetik 155
Praktikum: Arbeiten mit Bakterien 156
Biologisches Prinzip: Regulation 158


ANGEWANDTE BIOLOGIE

1 Anwedungsbereiche der Biologie 160
Exkurs: Nutzung von Hefe - noch immer eine Herausforderung 161

2 Biotechnik 162
2.1 Grundlagen der Biotechnik 162
2.2 Herstellung von Hochleistungsstämmen 164
2.3 Biotechnische Produktionsverfahren 165
2.4 Anwendungsverfahren der Biotechnik 166
2.5 Bierbrauen - ein klassisches biotechnisches Verfahren 168
2.6 Nachwachsende Rohstoffe 169
Praktikum: Experimente zur Biotechnik 170

3 Gentechnik 172
3.1 Methoden der Gentechnik 173
Methode: PCR - in drei Stunden zum Millionär 174
Exkurs: Der genetische Fingerabdruck 175
Methode: Sequenzierung - Lesen mit dem Alphabet des Lebens 176
Aufgaben: Methoden der Gentechnik
3.2 Transgene Pflanzen 178
3.3 Transgene Tiere 179
Methode: Gentransfer 180
3.4 Gendiagnose und Gentherapie beim Menschen 181
3.5 Ethische Fragen der Gentechnik 182
Praktikum: Protein Fingerprinting 183

4 Reproduktionsbiologie 184
4.1 Asexuelle und sexuelle Fortpflanzung 184
4.2 Fortpflanzung beim Menschen 185
4.3 Embryonalentwicklung beim Menschen 186
4.4 Künstliche Befruchtung beim Menschen 188
4.5 Stammzellentechnik 189
4.6 Reproduktionstechniken bei Tieren 190
Exkurs: Problematik der Reproduktionstechnik beim Menschen 191
4.7 Methoden der Tier- und Pflanzenzüchtung 192
Exkurs: Genverarmung 195

5 Humangenetik und Erbkrankheiten 196
5.1 Ziele und Methoden 196
5.2 Chromosomen des Menschen 197
5.3 Untersuchung von Erbanlagen beim Menschen 198
5.4 X-Chromosomen-gebundene Vererbung 200
5.5 Strukturelle Chromosomenmutationen 201
5.6 Numerische Chromosomenmutationen 202
5.7 Genetische Beratung 204
Exkurs: Kaspar Hauser - Rätsel gelöst 206
Aufgaben: Humangenetik und Erbkrankheiten 207

6 Bionik 208

Biologisches Prinzip: Reproduktion 210


INFORMATIONSVERARBEITUNG

1 Reizaufnahme und Erregungsleitung 212
1.1 Nervenzellen 212
1.2 Vorgänge an Nervenzellen 214
1.3 Erregungsübertragung an Nervenzellen 218
Exkurs: Synapsengifte 220
1.4 Bewegungen 221
Praktikum: Untersuchungen zur Nervenphysiologie 224

2 Nervensysteme 225
2.1 Nervensysteme im Tierreich 225
2.2 Das Rückenmark 226
2.3 Das vegetative Nervensystem 227
2.4 Bau des Gehirns 228

3 Informationsverarbeitung im Nervensystem 230
3.1 Zusammenarbeit zwischen den Gehirnregionen 230
3.2 Lernen und Gedächtnis 234
Aufgaben: Bau und Funktion von Nervensystemen 236

4 Sinnessysteme 239
4.1 Bau und Funktion des Auges 239
4.2 Weitere Sinnessysteme 242
Praktikum: Sinnessysteme 244

5 Hormonale und neuronale Steuerung 246
5.1 Regulation von Lebensvorgängen durch Hormone 246
5.2 Regelkreis der Schilddrüsenhormone 248
5.3 Hormonelle Regulation des weiblichen Zyklus 249
5.3 Hormonale Steuerung der Entwicklung 250
5.5 Zusammenarbeit von Hormonsystem und Nervensystem 252
Exkurs: Stress 253
5.6 Drogen 254
Aufgaben: Sinnesorgane und Hormone 256

6 Grundlagen der Verhaltensbiologie 258
6.1 Fragen, Ziele und Methoden 258
6.2 Geschichte der Verhaltensforschung 260

7 Verhaltensentwicklung und Lernmechanismen 262
7.1 Genetische Einflüsse auf Verhalten 262
7.2 Angeborene Lerndispositionen 264
7.3 Prägung 265
7.4 Konditionierung 266
7.5 Individuelles, soziales und kognitives Lernen 268
Exkurs: Instinkt - ein überholtes Konzept? 269

8 Verhaltensökologie 270
8.1 Verhalten als Umweltangepasstheit 270
8.2 Kommunikation, Kooperation und Konkurrenz in sozialen Gruppen 272
8.3 Rangordnungen 275
8.4 Altruistisches Verhalten 276
Praktikum: Verhaltensbiologie 277

Biologisches Prinzip: Information und Kommunikation 278


EVOLUTIONSBIOLOGIE

1 Entwicklung des Evolutionsgedankens 304

2 Belege für die Evolutionstheorie 306
2.1 Belege aus der Paläontologie 306
Exkurs: Altersbestimmung von Fossilien 308
Exkurs: Brückenformen 309
Exkurs: "Lebende Fossilien" 309
2.2 Belege aus der Morphologie und Anatomie 311
2.3 Belege aus der Zellbiologie 314
2.4 Belege aus der Molekularbiologie 315
2.5 Belege aus der Biogeographie 318
Exkurs: Kontinentalverschiebung 319

3 Evolutionsfaktoren 320
3.1 Genetische Variation - Grundlage evolutiven Wandels 320
3.2 Natürliche Selektion - Grunldage biologische Angepasstheit 322
Exkurs: LAMARCK 324
Exkurs: DARWIN 325
3.3 Populationsgenetik 326
Exkurs: Kreationismus 326
3.4 Artbildung 330
Exkurs: Isolationsmechanismen, Hybridisierung und horizontaler Gentransfer 332
Exkurs: Die synthetische Theorie der Evolution 333
3.5 Adaptive Radiation 334
3.6 Verwandtenselektion 336
3.7 Koevolution 338
Exkurs: Die Evolution der Pferde
3.8 Aussterben 341

4 Der Verlauf der Evolution
4.1 Chemische Evolution 342
4.2 Die Evolution der Zelle 344
4.3 Stammesgeschichte der Lebewesen 346

5 Die Evolution des Menschen 350
5.1 Belege für die Herkunft des Menschen 350
5.2 Die Stammesgeschichte des Menschen 352
5.3 Geistige und kulturelle Evolution 356
Exkurs: Die Evolution der Kultur 357
Aufgaben: Evolutionsbiologie 360
Praktikum: Abwandlungen des Bauplans von Blüten 363

Biologisches Prinzip: Angepassheit und Variabilität 364


ÖKOLOGIE

1 Lebewesen und ihre Umwelt 366
1.1 Lebensräume 366
1.2 Ökologische Potenz 367
1.3 Umweltfaktor Temperatur 368
1.4 Umweltfaktor Wasser 370
1.5 Umweltfaktor Licht 372

2 Beziehungen zwischen den Lebewesen 374
2.1 Konkurrenz 374
2.2 Räuber-Beute-Beziehungen 376
2.3 Kooperation zwischen den Arten 377
2.4 Parasitismus 378

3 Populationsökologie 379
3.1 Wachstum von Populationen 379
3.2 Regulation der Populationsdichte 380
Exkurs: K-Selektion und r-Selektion 382
Exkurs: Wachstum der Erdbevölkerung 382

4 Ökosysteme 383
4.1 Nahrungsbeziehungen in einem Ökosystem 383
4.2 Stoffkreisläufe und Energiefluss 384
4.3 Ökosystem See 386
4.4 Veränderungen von Ökosystemen 390
Exkurs: Treibhauseffekt und Ozonloch 392
Exkurs: Rückgang der Biodiversität 393
Aufgaben: Ökologie 394
Praktikum: Untersuchung von Ökosystemen 395

Biologisches Prinzip: Wechselwirkungen zwischen Lebewesen 396


Glossar 398

Hinweise zum sicheren Experimentieren 405

Stoffliste 406

Gefahrenhinweise und Sicherheitsratschläge für die in den Praktika dieses Werkes aufgeführten gefährlichen Stoffe 407

Register 408

Bildquellen 416