Inhalt
Kapitel 1: Biologie ist eine breite und komplexe Naturwissenschaft
Kapitel 2: Stoffliche Grundlagen der Biologie
Kapitel 3: Der Aufbau von Zellen im Überblick
Kapitel 4: Bau und Funktion von Zellorganellen
Kapitel 5: Interaktion von Zellen mit ihrer Umwelt
Kapitel 6: Zellteilung, Zellzyklus und Replikation der DNA
Kapitel 7: Mendels Vererbungsregeln
Kapitel 8: Expression der Erbinformation
Kapitel 9: Mutationen der Chromosomen und Gene
Kapitel 12: Stoffaufnahme und -abgabe
Kapitel 13: Stoffwechselphysiologie
Kapitel 14: Reproduktion und Wachstum
Kapitel 15: Spezielle Physiologie der Tiere: Histologie und Hormone
Kapitel 16: Spezielle Physiologie der Tiere: Nervenzellen, Gliazellen und Nervensysteme
Kapitel 17: Spezielle Physiologie der Tiere: Sinnessysteme
Kapitel 19: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Histologie
Kapitel 20: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Reiz- und Sinnesphysiologie
Kapitel 21: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Entwicklung
Kapitel 22: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Funktionelle Stoffwechselphysiologie
Kapitel 23: Spezielle Physiologie der Pilze
Kapitel 24: Spezielle Physiologie der Protisten
Kapitel 25: Spezielle Physiologie der Prokaryoten
Abschnitt V - Evolution und Systematik
Kapitel 26: Grundlagen der evolutionären und systematischen Biologie
Kapitel 27: Mechanismen der Evolution
Kapitel 28: Molekulare Evolution
Kapitel 30: Evolution und Systematik der Tiere
Kapitel 31: Evolution und Systematik der Pflanzen
Kapitel 32: Evolution und Systematik der Pilze
Kapitel 33: Evolution und Systematik der Protisten
Kapitel 34: Evolution und Systematik der Prokaryoten
Kapitel 35: Interaktionen von Individuen und Arten als Grundlage der Biodiversität
Kapitel 36: Stoffkreisläufe und Nahrungsnetze
Kapitel 37: Globale Muster des Artenreichtums
Kapitel 38: Angewandte Ökologie
Abschnitt I - Grundlagen
Kapitel 1: Biologie ist eine breite und komplexe Naturwissenschaft
Die Biologie ist eine Naturwissenschaft und beschäftigt sich folglich mit einem Phänomen, das es auch ohne das Wirken des Menschen gäbe. Sie versucht, durch Beobachtungen, Messungen und Experimente möglichst grundlegende Gesetzmäßigkeiten zu finden und ihre Ergebnisse mit möglichst allgemeingültigen Theorien zu erklären.
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Kapitel 2: Stoffliche Grundlagen der Biologie
Die Eigenschaften des Elements Kohlenstoff und des Lösungsmittels Wasser sind die Voraussetzung für Leben. Kohlenstoffatome können mit bis zu vier Liganden Bindungen eingehen und dabei Einfach- und Mehrfachbindungen ausbilden. Kohlenstoffverbindungen können ketten-, ring- oder gitterförmig sein. Die Vielfältigkeit der Bindungsmöglichkeiten spiegelt sich in einer enormen Zahl von Molekülen auf Kohlenstoffbasis wider. Es sind über 12 Mio. organische Stoffe bekannt und die Zahl der bekannten Substanzen wächst ständig – theoretisch ist die Zahl organischer Verbindungen nahezu unbegrenzt. Bei Molekülen mit konjugierten Doppelbindungen, also jeweils durch eine Einfachbindung getrennten Doppelbindungen, sind Elektronen besonders einfach zu verschieben – solche Moleküle spielen daher eine zentrale Rolle bei der Energieübertragung, insbesondere bei der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Ein Beispiel ist das Chlorophyll in der Photosynthese.
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Abschnitt II - Cytologie
Kapitel 3: Der Aufbau von Zellen im Überblick
Die Zelle ist die grundlegende Einheit des Lebens. Das bedeutet: Jeder bekannte Organismus besteht aus mindestens einer Zelle, und wir wissen von keinem Leben, das ohne Zellen auskommt.
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Kapitel 4: Bau und Funktion von Zellorganellen
Die ältesten Hinweise auf eukaryotische Zellen sind rund 1,5 Mrd. Jahre alt, wohingegen Belege für Prokaryoten etwa 3,8 Mrd. Jahre zurückreichen. Da beide Zelltypen viele fundamentale Gemeinsamkeiten aufweisen (beispielsweise die Speicherung des Erbguts in DNA und den gemeinsamen genetischen Code), ist anzunehmen, dass sich Eukaryoten aus prokaryotischen Vorläuferzellen entwickelt haben.
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Kapitel 5: Interaktion von Zellen mit ihrer Umwelt
Die Zellmembran als äußerste Struktur des eigentlich lebendigen Teils der Zelle (Protoplast) kann nicht alle Ansprüche der Zelle alleine erfüllen. Daher übernehmen zusätzliche extrazelluläre Komponenten verschiedene Aufgaben.
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Abschnitt III - Genetik
Kapitel 6: Zellteilung, Zellzyklus und Replikation der DNA
Das Erbmolekül von fast allen Lebewesen ist Desoxyribonucleinsäure (DNA); Ausnahmen bilden einfache RNA-Viren, deren Erbsubstanz die chemisch ähnliche Ribonucleinsäure (RNA) bildet. Die Entschlüsselung der DNA-Struktur wurde 1953 in einem aufsehenerregenden Artikel von Watson und Crick publiziert und basierte neben den eigenen Forschungsergebnissen auf den Befunden vieler zeitgenössischer hochrangiger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. DNA ist relativ einfach in ihrem Aufbau, was wohl auch der Grund dafür ist, dass sie lange Zeit nicht als der aussichtsreichste Kandidat für die essenzielle Funktion der Informationsspeicherung von Tausenden verschiedener Proteine in einer jeden Zelle eingeschätzt wurde.
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Kapitel 7: Mendels Vererbungsregeln
Mit seinen 1865 veröffentlichten Ergebnissen zu Versuchen an Hybriden der Gartenerbse (Pisum sativum) gilt der Augustinerpater Gregor Mendel als Gründer der modernen Genetik. Selbstverständlich existierte bereits vor Mendel so etwas wie genetisches Wissen. Beispielsweise machten sich die Züchter von Kulturpflanzen und Haustieren die Kenntnis zunutze, dass gewünschte Eigenschaften von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden können. Damit waren aber keine Kenntnisse der Regelmäßigkeit oder ein Verständnis des zugrundeliegenden Mechanismus verbunden.
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Kapitel 8: Expression der Erbinformation
Zum Umsetzen der genetischen Information in ein Protein kommen viele verschiedene Mechanismen zum Tragen. Zunächst wird die genetische Information transkribiert, also anhand der DNA als Vorlage ein mRNA-Strang (Messenger-RNA) synthetisiert. Anschließend wird die mRNA in eine Aminosäureabfolge translatiert. Zusammengefasst werden diese beiden Prozesse unter dem Begriff Genexpression. Zum Verständnis der Gesamtheit der Mechanismen, die zur Genexpression beitragen, müssen auch die Modifizierung und Faltung von Proteinen nach der Translation berücksichtigt werden. Posttranslationale Modifizierung geschieht beispielsweise durch Glykosylierung. Zudem müssen die Proteine noch an ihren Bestimmungsort innerhalb oder außerhalb der Zelle transportiert werden. Daher weisen die komplexen Prozesse der Genexpression bei Pro- und Eukaryoten einige Unterschiede auf.
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Kapitel 9: Mutationen der Chromosomen und Gene
Eine wesentliche Anforderung an das Erbgut ist Stabilität. Nur so ist sichergestellt, dass eine Zelle ihre Funktionsfähigkeit beibehält. Andererseits ist eine gewisse Flexibilität des Genpools einer Population notwendig, um sich an veränderte Umweltbedingungen anpassen zu können und den Evolutionsprozess zuzulassen. Eine dauerhafte, vererbbare und ungerichtete Veränderung der Erbinformation nennt man Mutation, wenn sie nicht mit sexuellen Fortpflanzungsprozessen in Zusammenhang steht, wie das etwa bei der Rekombination oder Genkonversion der Fall ist. Mutationen können im Hinblick auf unterschiedliche Aspekte klassifiziert werden. Beispielsweise wirkt es sich bezüglich der Persistenz in der Population sehr unterschiedlich aus, ob eine somatische oder eine Keimbahnzelle von der Mutation betroffen ist.
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Kapitel 10: Genregulation
Die Regulation der Transkription ist einer der wichtigsten Mechanismen der Genexpression. Die spezifische Genregulation, d.h. die gezielte An- oder Abschaltung der Transkription eines bestimmtes Gens wird zu einem großen Teil über die Interaktion unterschiedlicher Faktoren mit den RNA-Polymerasen vermittelt. Diese sind die Kernenzyme der transkriptionalen Kontrolle. Es handelt sich um prozessive Enzyme, also Enzyme, die über viele Polymerisationsschrittemit dem Substrat, d.h. der DNA und der wachsenden RNA verbunden bleiben. Sie synthetisieren die Basensequenz eines RNA-Stranges anhand einer DNA-Vorlage.
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Kapitel 11: Epigenetik
Histonmodifkationen sind chemische Veränderungen an Histonen und beeinflussen nicht nur den Kondensationsgrad des Chromatins, sondern damit verbunden auch die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren oder den RNA-Polymerase-II-Komplex (Pol II). Auf diese Weise sind die aus Histonen aufgebauten Nucleosomen aktiv in die Regulation der Genexpression involviert. Die jüngsten Kartierungen von Histonmodifkationen im menschlichen Epigenom haben gezeigt, dass dieses Modell zwar grundsätzlich stimmt, sich jedoch gerade in aktiven Genen eine spezielle Verteilung einzelner Histonmodifkationen findet. Diese interagieren direkt mit den Transkriptionsfaktoren und dem Polymerase-II-Komplex (Pol II) und regulieren so Initiation und Elongation der Transkription. Somit sind Histonmodifkationen nicht nur am Ein- und Ausschalten der Gene beteiligt, sondern auch, unter anderem durch die Bindung von Elongationsfaktoren, für die Umwandlung des Pol-II-Komplexes während der Transkription essenziell. Hierdurch werden sowohl die Initiierung als auch die korrekte Fertigstellung der mRNA, also die Qualität des transkribierten mRNA-Strangs, sichergestellt. Stille Genen weisen solche Modifikationen kaum auf sondern besitzen verstärkt repressive Modifikationen, welche sich wiederum in aktiven Genen nicht finden.
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Abschnitt IV - Physiologie
Kapitel 12: Stoffaufnahme und -abgabe
Die Zelle ist der Grundbaustein aller lebenden Organismen. Sie bildet einen eigenen Raum, in dem unter kontrollierten Bedingungen (bio-)chemische Reaktionen ablaufen können. Für die Kontrolle der Reaktionsparameter ist es notwendig, dass die Zelle sich gegenüber ihrer Umgebung abgrenzt. Die universelle Abgrenzung des Cytoplasmas aller Organismen zur Außenwelt wird durch die Zell- oder Plasmamembran), eine Lipidschicht, gewährleistet. Ihr Aufbau ist bei allen Organismen relativ konserviert, wurde jedoch im Laufe der Zeit infolge evolutionärer Anpassungen durch innere und äußere Auflagerungen erweitert.
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Kapitel 13: Stoffwechselphysiologie
Die drei Bausteine 3-Phosphoglycerat (3-PG), Pyruvat (das Salz der Brenztraubensäure) und aktivierte Essigsäure, das Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), nehmen eine zentrale Stellung in den Stoffwechselwegen der Biomoleküle ein. Sie sind Schnittstellen im Metabolismus der vier großen Stoffklassen der Kohlenhydrate, Aminosäuren, Nucleinsäuren und Lipide und verbinden die anabolen (aufbauenden) und katabolen (abbauenden) Stoffwechselwege in einer Zelle.
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Kapitel 14: Reproduktion und Wachstum
Nahezu alle Eukaryoten nutzen die Möglichkeit der geschlechtlichen Fortpflanzung. Entscheidendes Merkmal der sexuellen Vermehrung ist die Rekombination, also der Austausch von Allelen. Die interchromosomale Rekombination geschieht durch die zufällige Verteilung der Chromosomen auf die Keimzellen während der Meiose oder durch die Fusion von Gameten bei der Befruchtung. Die intrachromosomale Rekombination findet als Folge einer Überlagerung von gepaarten Chromatiden während der Meiose statt, wodurch Abschnitte gegeneinander ausgetauscht werden. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung erhalten die Nachkommen mittels dieser Rekombinationsereignisse nach einer Meiose oder einer Befruchtung Gene beider Elternteile.
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Kapitel 15: Spezielle Physiologie der Tiere: Histologie und Hormone
Die Organismengruppe der Metazoa (Vielzeller) zeichnet sich durch einen vielzelligen Körper aus, bei dem sich die einzelnen Zellen spezialisiert und funktionell differenziert haben. Verbände gleichartiger Zellen, die untereinander kommunizieren und zusammenarbeiten, werden als Gewebe bezeichnet. Die Lehre von den Geweben nennt man Histologie.
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Kapitel 16: Spezielle Physiologie der Tiere: Nervenzellen, Gliazellen und Nervensysteme
Nervensysteme aus vernetzten Neuronen erlauben uns, die Umwelt wahrzunehmen, sie sind die Grundlage unserer Handlungen und der Steuerung unserer Aufmerksamkeit, sie sind die Basis unseres Bewusstseins. Zudem sind sie auch ein Ursprung unserer Individualität, denn Neuronen sind lernfähig. Plastizität ist eine Eigenschaft eines Netzwerks aus Nervenzellen, denn gespeicherte Information liegt in der Stärke der Verbindungen zwischen ihnen, den Synapsen. Durchschnittlich 1000 Synapsen hat ein Neuron; für das gesamte Gehirn eines Menschen kommt man auf rund 100 Bio. (1014) solcher Nervenzellkontakte zur Informationsübertragung.
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Kapitel 17: Spezielle Physiologie der Tiere: Sinnessysteme
Wer als Mensch nur seine „fünf Sinne“ beieinander hat, hat ein Problem. Denn die klassisch zugestandenen Sinne Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und mechanisches Fühlen werden nach heutigem Verständnis ergänzt um die dem Menschen zugänglichen Sinne für Wärme und Kälte, Nozizeption (das ist die drohende oder tatsächliche Gewebeverletzung), Gelenkstellung und Lage im Raum. Dazu kommen noch Sinne für körperinnere Milieus und Druckverteilung in den Arterien, die uns gar nicht bewusst werden. Aus den für uns wahrnehmbaren Sinnesmodalitäten konstruiert unser Gehirn die „Realität“, und die fühlt sich richtig vollständig an.
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Kapitel 18: Spezielle Physiologie der Tiere: Das Zentralnervensystem der Säugetiere – Struktur und komplexe Funktionen
Der Körper der Gefäßpflanzen (Tracheophyta), zu denen die Farngewächse (Pteridophyta) und Samenpflanzen (Spermatophyta) als rezente Vertreter gehören, wird Kormus genannt und besteht aus den drei Grundorganen Spross, Wurzel und Blatt. Spross, Blätter und Wurzel können in ihrer Form und Funktionalität variieren und verschiedene Aufgaben übernehmen. Diese Grundorgane wiederum setzen sich aus unterschiedlichen Gewebsschichten zusammen. Im Allgemeinen unterscheidet man bei den Samenpflanzen Grundgewebe, Abschluss-, Festigungs- und Leitgewebe. Daneben treten z. B. sehr spezielle Sekretionsgewebe auf, die der Ausscheidung von Sekreten und Exkreten dienen. Die verschiedenen Dauergewebe gehen aus dem Bildungsgewebe (Meristem) hervor.
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Kapitel 19: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Histologie
Der Körper der Gefäßpflanzen (Tracheophyta), zu denen die Farngewächse (Pteridophyta) und Samenpflanzen (Spermatophyta) als rezente Vertreter gehören, wird Kormus genannt und besteht aus den drei Grundorganen Spross, Wurzel und Blatt. Spross, Blätter und Wurzel können in ihrer Form und Funktionalität variieren und verschiedene Aufgaben übernehmen. Diese Grundorgane wiederum setzen sich aus unterschiedlichen Gewebsschichten zusammen. Im Allgemeinen unterscheidet man bei den Samenpflanzen Grundgewebe, Abschluss-, Festigungs- und Leitgewebe. Daneben treten z. B. sehr spezielle Sekretionsgewebe auf, die der Ausscheidung von Sekreten und Exkreten dienen. Die verschiedenen Dauergewebe gehen aus dem Bildungsgewebe (Meristem) hervor.
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Kapitel 20: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Reiz- und Sinnesphysiologie
Pflanzen können eine Vielzahl chemischer Substanzen und deren Konzentration aus der biotischen und abiotischen Umgebung wahrnehmen und auf die Detektion in Form von Wachstumsänderungen oder durch Abgabe chemischer Stoffe sowie durch die induzierte Expression von Genen reagieren. Beispiele sind die Wahrnehmung von Nährstoffen, CO2 und Wasser.
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Kapitel 21: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Entwicklung
Das kontinuierliche Wachstum von Pflanzen ist verbunden mit einer andauernden Neubildung von Zellen und Organen. Diesen Neubildungen liegen ständige Zellteilungsprozesse zugrunde, welche sich vorwiegend in den Meristemen, den Bildungsgeweben, wachsender Sprosse und Wurzeln abspielen. Die Zellteilung wird auf molekularer Ebene durch den Zellzyklus eingeleitet. Dieser verläuft bei nahezu allen höheren Eukaryoten in ähnlicher Weise. Man unterscheidet eine Synthese-(S-)Phase und eine mitotische (M-) Phase, mit meist ein oder mehreren dazwischen liegenden Gap- (G-)Phasen.
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Kapitel 22: Spezielle Physiologie der Pflanzen: Funktionelle Stoffwechselphysiologie
Für die „Umwandlung“ von Kohlenstoffdioxid in Kohlenhydrate und für den Aufbau von Aminosäuren und Sekundärmetaboliten benötigen grüne Pflanzen neben Licht und Wasser auch Mineralsalze. Diese müssen bei höheren Pflanzen über die Wurzeln und die Sprossachse an die Orte der Assimilation transportiert werden, in der Regel ist dies die Mesophyllschicht der Blätter. Gleichzeitig müssen die Assimilate in Speichergewebe wie Samen, Früchte und Wurzeln abgeleitet werden. Hierzu benötigen Pflanzen effektive Transportmechanismen und effiziente Transportbahnen.
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Kapitel 23: Spezielle Physiologie der Pilze
Pilze wachsen entweder als einzellige Hefen oder mit mehrzelligen Hyphen. Bei Hyphen handelt es sich um lange, häufig septierte Zellschläuche. Um Nährstofftransport und Zellplasmabewegungen zwischen den Zellen zu gewährleiste sind die Septen mit einem Septenporus versehen, dessen Aufbau charakteristisch für bestimmte pilzliche Untergruppen ist. Eine Besonderheit der Hyphen ist, dass sie nur apikal wachsen und unter günstigen Nährstoffbedingungen theoretisch unendlich wachsen können. So stammt zum Beispiel der größte bekannte Organismus (bekannt als humongous fungus) aus der Wurzelfäule erzeugenden Gattung Armillaria (Hallimasch), besiedelt mehrere Hektar Waldboden in Oregon und wiegt mehrere Tonnen. Auch die Bildung von Hexenringen, bei denen die Fruchtkörper einer Art in einem Kreis stehen, basiert auf dieser Form des stetigen apikalen Hyphenwachstums: ausgehend von einer Spore, wachsen und verzweigen sich die Hyphen in alle Richtungen. Da alle Hyphen bei entsprechendem Nahrungsangebot mit derselben Geschwindigkeit wachsen, sind sie an der Spitze gleich alt und bilden die Fruchtkörper auch zum gleichen Zeitpunkt.
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Kapitel 24: Spezielle Physiologie der Protisten
Mitochondrien sind Kompartimente eukaryotischer Zellen, die für die Bildung von ATP von zentraler Bedeutung sind. Nach der Endosymbiontentheorie wanderte der Vorfahre aller Mitochondrien, ein α-Proteobakterium, in ein zu den Taxa der Asgard gehörendes Archaeon ein und integrierte sich im Laufe der Evolution funktionell. Diese Wandlung von einem selbstständigen bakteriellen Organismus hin zu einem permanenten Organell ging mit Veränderungen seines genetischen Materials sowie mit Veränderungen in den Proteinimportsystemen und Membranproteinen einher. Heute besitzen alle Nachfahren dieses ursprünglichen Eukaryoten Mitochondrien. Die Anpassung vieler Protisten an spezielle Lebensräume, besonders unter anaeroben Bedingungen, führte jedoch zu einem weiteren funktionellen Wandel ihrer Mitochondrien.
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Kapitel 25: Spezielle Physiologie der Prokaryoten
Prokaryoten bauen auf unterschiedlichste Weise Biomasse auf und nutzen dazu verschiedene Energiequellen. Grundsätzlich lassen sich Ernährungstypen danach einteilen, woher die Organismen die Energie und die Elektronen für Redoxreaktionen beziehen und welche Kohlenstoffquelle sie nutzen.
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Abschnitt V - Evolution und Systematik
Kapitel 26: Grundlagen der evolutionären und systematischen Biologie
Ziel der biologischen Systematik ist es, die Vielfalt der Organismen zu ordnen und zu benennen. Die Systematik beschäftigt sich mit der Einteilung (Taxonomie), Benennung (Nomenklatur) und Bestimmung von Lebewesen. Die Rekonstruktion der Stammesgeschichte (Phylogenie) und die Aufklärung der Prozesse und Mechanismen, die zur heutigen Vielfalt der Lebewesen führten (Evolutionsbiologie), werden je nach Sichtweise als eigene Disziplinen oder als Teildisziplinen der biologischen Systematik angesehen.
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Kapitel 27: Mechanismen der Evolution
Zu den wichtigsten Voraussetzungen in der Populationsgenetik zählen sogenannte Nullmodelle, die Erwartungswerte unter neutralen Bedingungen, also ohne den Einfluss von Evolutionsfaktoren, formulieren. Mit diesen Erwartungswerten kann man beobachtete Werte vergleichen und die Abweichungen statistisch quantifizieren. Die Hardy-Weinberg-Regel, auch als Hardy-Weinberg-Gesetz bezeichnet, formuliert ein solches Nullmodell für die Beziehung zwischen Allel- und Genotyphäufigkeiten. Es wurde zu der wohl bekanntesten populationsgenetischen Regel.
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Kapitel 28: Molekulare Evolution
Die Gesamtheit des Erbmaterials eines Organismus wird als Genom bezeichnet, die Gesamtheit der transkribierten, also abgelesenen und in RNA übersetzten Sequenzen als Transkriptom. Werden Organismengesellschaften mit vielen Individuen und verschiedenen Arten betrachtet spricht man von Metagenomen und Metatranskriptomen. Die genetische Information in Genomen und Transkriptomen, und erst recht in Metagenomen und Metatranskriptomen, ist enorm hoch. Erst durch Hochdurchsatzsequenziertechnologien kann diese genetische Vielfalt analysiert werden.
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Kapitel 29: Erdgeschichte
Das Universum entstand vor 13,7 Mrd. Jahren. Unser Sonnensystem ist vergleichsweise jung und entstand erst vor 4,7 Mrd. Jahren, die Erde dann kurze Zeit später – vor 4,6 Mrd. Jahren – aus Staub und Gesteinsbrocken, die in elliptischen Bahnen um die Sonne kreisten. Die Geschichte der Erde unterteilt man in das Präkambrium und das Phanerozoikum. Das Präkambrium wird weiter unterteilt in Hadaikum, Archaikum und Proterozoikum. Das Hadaikum umfasst die unbelebte Urgeschichte der Erde. Zum Ende des Hadaikums, vor 4 Mrd. Jahren, kühlte sich die Erde auf unter 100 °C ab. Erstmals trat nun flüssiges Wasser auf und die Ozeane bildeten sich.
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Kapitel 30: Evolution und Systematik der Tiere
Was man unter einem „Tier“ versteht, scheint intuitiv klar – es ist in der Regel eindeutig, welche Organismen als Tiere einzuordnen sind und welche nicht. Allgemein werden Tieren verschiedene Merkmale zugeschrieben. Dazu gehören z. B. Vielzelligkeit, ein heterotropher Stoffwechsel mit innerer Verdauung, Ortsbeweglichkeit und ein Aufbau aus verschiedenen Gewebetypen (Epithelgewebe, Binde- und Stützgewebe, Muskelgewebe und Nervengewebe), die sich aus embryonalen Keimblättern entwickeln. Keines dieser Merkmale allein eignet sich allerdings als diagnostisches Merkmal. Bei vielen „ursprünglichen“ Tierstämmen wie den Schwämmen und den Nesseltieren sind manche der genannten Merkmale nicht oder nur teilweise ausgeprägt.
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Kapitel 31: Evolution und Systematik der Pflanzen
Moose, Bärlappe, Farne und Samenpflanzen werden als Embryophyten (Landpflanzen) zusammengefasst. Bei diesen Pflanzen wird der Sporophyt während der frühen Entwicklung als mehrzelliger Embryo von der gametophytischen Mutterpflanze ernährt.
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Kapitel 32: Evolution und Systematik der Pilze
Pilze vereinen sowohl Merkmale von Tieren, wie die heterotrophe Ernährungsweise oder das Vorhandensein von Chitin, als auch von Pflanzen, wie die Immobilität oder das Vorhandensein von Zellwänden. Nicht nur diese Mischung aus Merkmalen, sondern auch ihre ökologische Bedeutung und ihre große Diversität machen deutlich, dass Pilze eine eigene wichtige Großgruppe der Eukaryoten bilden. Die Kombination verschiedener Merkmale, die auch in anderen Gruppen vorkommen, macht ihre Abgrenzung nicht immer einfach. Früher wurden verschiedene Gruppen als „Pilze“ zusammengefasst. Die Myxomyceten, die Dictyostelida und die Peronosporomycetes (Oomycota/Oophyta) werden hier an anderer Stelle behandelt, da detaillierte morphologische Untersuchungen sowie molekulare Daten gezeigt haben, dass es sich bei der ursprünglichen Zusammenfassung der „Pilze“ um eine künstliche Gruppierung handelte. Die Gruppe der „Fungi“ – auch als „echte Pilze“ oder „Chitinpilze“ bezeichnet – umfasst die Schwestergruppe der Holozoa (Metazoa und Choanoflagellaten) – also pilzliche Gruppen, die Chitin als ein Baustein der Zellwand nutzen und ursprünglich opisthokont begeißelt waren. Im Laufe der Evolution wurden die begeißelten Stadien offensichtlich in Anpassung an das Landleben reduziert. Im Vergleich zu Tieren und Pflanzen haben Pilze keine echten Gewebe entwickelt. Neben einzelligen Formen und Stadien ist die Hyphe das grundlegende Strukturelement, das in Pseudoparenchymen komplexe Strukturen aufbauen kann und die morphologische Differenzierung ermöglichet. Dabei sind sowohl auf zellulärer als auch auf anatomisch-morphologischer Ebene Strukturen entstanden, die nur bei den echten Pilzen zu finden sind. Dabei sind vor allem die Fruchtkörper sehr formenreich.
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Kapitel 33: Evolution und Systematik der Protisten
Die Vielfalt der Eukarya, insbesondere der mikrobiellen Eukarya ist riesig. Bevor man molekulare Daten für die Aufklärung der Großgruppensystematik nutzen konnte, wurden viele dieser Organismen als basale Tiere oder Pflanzen angesehen. In der Benennung einiger Gruppen spiegelt sich dies immer noch wider, denn für viele Organismengruppen ist sowohl ein zoologischer als auch ein botanischer Name in Gebrauch. In verschiedenen biologischen Fachdisziplinen werden diese Organismen nach wie vor auch nach funktionellen Kriterien zu Gruppen zusammengefasst: beispielsweise bezeichnet der Begriff Protist Eukaryoten, die keine echten Gewebe bilden, umfasst also einzellige und koloniale Formen mit Ausnahme der Tiere, Pflanzen und Pilze sowie der gewebebildenden Rotalgen und Braunalgen. Als Algen werden die photosynthetisch aktiven Eukarya mit Ausnahme der Landpflanzen zusammengefasst. Diesen werden die frei lebenden heterotrophen Protisten und die parasitischen Taxa gegenübergestellt. Nach der Fortbewegungsart werden Flagellaten von Ciliaten und von Amöben unterschieden. Sowohl die verschiedenen Ernährungsarten als auch die verschiedenen Fortbewegungsarten haben sich aber in mehreren Linien unabhängig voneinander entwickelt.
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Kapitel 34: Evolution und Systematik der Prokaryoten
Die Grundeinheit der Prokaryotensystematik ist der Stamm (engl. strain; im Gegensatz zum taxonomischen Stamm = Phylum). Unter einem solchen Stamm versteht man eine Reinkultur eines Bakteriums oder Archaeons, also eine klonale Kultur, die auf eine einzelne Zelle zurückgeht. Das Konzept der Reinkultur und die Entwicklung der für die Gewinnung solcher klonaler Kulturen notwendigen Methodik und Technik gehen hauptsächlich auf den deutschen Mikrobiologen Robert Koch und seine Mitarbeiter zurück. Die klassische Methode zur Gewinnung von Reinkulturen ist das Aussähen von Proben auf Nähragarplatten zur Gewinnung von Kolonien.
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Abschnitt VI - Ökologie
Kapitel 35: Interaktionen von Individuen und Arten als Grundlage der Biodiversität
Biodiversität oder biologische Vielfalt – also die Diversität innerhalb von Arten, zwischen Arten und zwischen Habitaten und Ökosystemen – ist die Grundlage für die Funktion, Produktivität und Stabilität von Ökosystemen. Somit bildet sie auch die Grundlage menschlichen Lebens. Auf globaler Ebene beeinflussen vor allem die Energiezufuhr – in der Regel durch die Intensität der Sonneneinstrahlung – sowie die klimatische und tektonische Vergangenheit die Biomasse und die Artenzahl in den verschiedenen Ökoregionen der Erde. Innerhalb eines Ökosystems ist die Artenvielfalt ebenfalls nicht gleichmäßig verteilt, sondern durch das Einwirken abiotischer Faktoren, aber auch biotischer Interaktionen strukturiert.
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Kapitel 36: Stoffkreisläufe und Nahrungsnetze
Energie und verschiedene chemische Elemente sind für alle Lebewesen notwendig. In offenen Systemen wie Lebewesen wird Energie stets von außen bezogen und muss ständig nachgeliefert werden. Photoautotrophe Organismen beziehen sie in Form von Sonnenstrahlung, chemolithoautotrophe Organismen beziehen Energie aus anorganischen Molekülen. Die Energie wird durch die autotrophen Organismen chemisch festgelegt bzw. in Form von ATP für biochemische Reaktionen des Stoffwechsels bereitgestellt. Heterotrophe Lebewesen sind für ihren Energiemetabolismus auf die Aufnahme organischer Moleküle angewiesen. Als Faustregel in einem Ökosystem gilt, dass nur etwa 10 % der Energie von einer trophischen Stufe zur nächsten weitergegeben werden. Ein Großteil der verwertbaren Energie wird beispielsweise bei Atmungs-, Gärungs- oder Verdauungsprozessen in Form v
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Kapitel 37: Globale Muster des Artenreichtums
Rund 2 Mio. Arten wurden bisher beschrieben, der weitaus größte Teil der Biodiversität ist aber bislang noch nicht wissenschaftlich erfasst. Die Artenvielfalt ist auf der Erde nicht gleichmäßig verteilt. In den niedrigen Breiten (Tropen) ist die Artenzahl sehr hoch, in den hohen Breiten (temperate und polare Zonen) dagegen auffällig niedriger. Die Ursache für die auffällige Häufung von Arten in den warmen Klimazonen ist nicht einfach zu erklären, entsprechend existiert eine Vielzahl von ganz unterschiedlichen Hypothesen zur Erklärung dieser Verteilung. Diese kann in zwei Gruppen zusammenfassen: die Gleichgewichtstheorien und die Ungleichgewichtstheorien. Aussagekräftige Daten für die globale Verteilung von Arten gibt es allerdings nur für wenige Organismengruppen, insbesondere für Wirbeltiere und Landpflanzen. Die meisten Organismengruppen werden, vor allem aufgrund einer mangelnden Datengrundlage, gar nicht erst in die Betrachtungen mit einbezogen – so ist unklar, ob die Hotspots der Biodiversität von Pflanzen und Wirbeltieren auch Gebiete hoher Diversität von Pilzen, Protisten und Prokaryoten sind.
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Kapitel 38: Angewandte Ökologie
Die Zahl der Arten in Lebensräumen ist einem ständigen, natürlicherweise auftretenden Wechsel unterworfen. Daneben wird eine qualitative Veränderung von Biozönosen auch durch direkte oder indirekte Mithilfe des Menschen herbeigeführt. Sind menschliche Aktivitäten ursächlich für das Neuauftreten von Organismen in Lebensräumen verantwortlich, reden wir von Neobiota. Unter den Neozoen, Neophyten und Neomyceten gilt ein spezielles Augenmerk den invasiven Arten. Das sind Tiere, Pflanzen und Pilze, die einheimische Arten verdrängen und damit im Extremfall sogar deren Bestand gefährden können.
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