Biologie: 10. Klasse

Stoffwechsel

Unter Stoffwechsel versteht man die Aufnahme, den Transport und die chemische Umwandlung von Stoffen in einem Organismus, sowie die Abgabe von Stoffwechselprodukten an die Umgebung.

Der Stoffwechsel gliedert sich in zwei Teile: Der Baustoffwechsel dient dem Aufbau und Erhalt der Körpersubstanz. Beim Energiestoffwechsel wird Energie freigesetzt, die ein Organismus nutzt. Dadurch werden die Körperfunktionen aufrechterhalten sowie Wachstum und Bewegung ermöglicht.

Um Energie zu erhalten, wird Glucose (Traubenzucker) im Körper abgebaut. Die darin enthaltene chemische Energie wird dabei frei und die entstehende Wärme an die Umgebung abgegeben. Pflanzen gewinnen Glucose mittels der Photosynthese, bei der Kohlenstoffdioxid mit Wasser zu Traubenzucker, Wasser und Sauerstoff umgewandelt wird. Die Glucose wird anschließend zur Speicherung in Stärke umgewandelt.

Bestandteile der Nahrung

Als Nahrung nehmen wir organische, energiereiche und hochmolekulare Stoffe auf. Diese nutzt unser Körper zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge, indem er sie zu anorganischen, energiearmen und niedermolekularen Stoffen abbaut.

In der Nahrung sind die Nährstoffe Kohlenhydrate, Fette und Proteine vorhanden und zusätzlich nehmen wir noch Mineralstoffe, Vitamine und Wasser auf.

Kohlenhydrate

Bei den Kohlenhydraten unterscheidet man zwischen drei Arten:

• Einfachzucker (Monosaccharide)
• Zweifachzucker (Disaccharide)
• Vielfachzucker (Polysaccharide)

Traubenzucker (Glucose) und Fruchtzucker (Fructose) sind zwei Beispiele für Monosaccharide. Aus ihnen können Disaccharide entstehen, indem sich zwei einfache Zuckermoleküle verbinden, z.B. Malzzucker (Maltose; bestehend aus zwei Glucosemolekülen), Rübenzucker (Saccharose; ein Glucose- und ein Fructosemolekül) und Milchzucker (Lactose).

Verbinden sich mehrere Tausend Monosaccharide und bilden eine Kette, spricht man von einem Polysaccharid. Wichtige Polysaccharide sind in Pflanzen Stärke sowie bei Tieren und bei Menschen Glykogen. Diese sind Reservestoffe. Ein weiteres pflanzliches Polysaccharid ist die Cellulose, ein Gerüststoff. Es kann vom Menschen nicht verdaut werden, ist aber ein wichtiger Ballaststoff.

Proteine

Es sind in der Regel große Moleküle (Makromoleküle). Bausteine der Proteine sind die Aminosäuren (auch Aminocarbonsäuren).

Es gibt insgesamt 20 Aminosäuren, von denen acht essentiell sind, d.h. sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, da sie nicht durch Umbau anderer organischer Verbindungen hergestellt werden.

Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein (Aminosäuresequenz) entscheidet über die Art und die Eigenschaften des Proteins. Die Sequenz ist genetisch weitgehend festgelegt.

Fette

Ein Fettmolekül besteht aus einem Alkoholanteil (Glycerin) und aus bis zu drei Fettsäuren. Man unterscheidet gesättigte Fettsäuren (ohne Doppelbindungen) und ungesättigte Fettsäuren (enthalten eine oder mehrere Doppelbindungen).

Tierische Fette

Bei tierischen Fetten ist der Anteil gesättigter Fettsäuren hoch; Meeresfische enthalten allerdings besonders langkettige mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Bekannt sind die Omega-Fettsäuren, die vorbeugend gegen Herz- und Kreislauferkrankungen wirken.

Pflanzenöl (z.B. Oliven-, Sonnenblumen-, Rapsöl)

Der Anteil der einfach-mehrfach ungesättigten Fettsäuren ist hoch.

Bedeutung der Nährstoffe

Durch die Nährstoffe können der Grundumsatz gewährleistet werden. Dieser Umsatz ist der Energiebedarf, den der menschliche Körper bei völliger Ruhe zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen und der Körpertemperatur benötigt. Zudem kann der Leistungsumsatz, der Energiebedarf körperlicher Arbeit, erreicht werden.

Kohlenhydrate

Sie sind Energielieferanten und die überschüssigen Kohlenhydrate werden als Glykogen in der Leber und im Muskelgewebe als Reservestoff oder als Fett mit Einlagerung im Unterhautsgewebe gespeichert.

Fette

Sie sind die wichtigsten Rohstoffe und sind Bestandteile der Zellmembranen und von Hormonen.

Proteine

Die Proteine sind die Baustoffe der Lebewesen.

Vitamine

Sie wurden um 1900 von einem Arzt auf Java (Indonesien) entdeckt, der Strafgefangene beobachtete. Gefangene und Hühner erhielten als Nahrung geschälten Reis und beide erkrankten an Beriberi. Symptome sind Lähmung, Muskelschwund und führt letztlich zum Tod. Bei ungeschältem Reis trat diese Krankheit nicht auf. Daraus folgerte er, dass in der Schale Stoffe enthalten sein müssen, die für die Gesunderhaltung des Körpers wichtig sind. Man nennt diese Vitamine.

Es gibt ca. 20 verschiedene Vitamine, die mit Buchstaben benannt werden. Sie wirken schon in kleinsten Mengen. Vitaminmangelkrankheiten nennt man Avitaminosen.

Mineralsalze

Häufigste Ionen sind im Körper Ca²⁺- und PO₄^3--Ionen, da sie Hauptbestandteile der Knochen sind. Die Calciumionen werden zur Muskelkontraktion benötigt und Na⁺- und K⁺-Ionen zur Reizumwandlung. Elemente, die nur in kleinsten Mengen gebraucht werden, nennt man Spurenelementen, wozu Eisen- und Iodverbindungen zählen. Liegt ein Iodmangel vor, bildet sich ein Kropf, d.h. die Schilddrüse vergrößert sich.

Ballaststoffe

Sie sind unverdauliche Nahrungsmittelbestandteile, wie bei pflanzlichen Lebensmitteln. Vielfach quellen sie im Magen auf, was das Sättigungsgefühl auslöst. Außerdem wird die Darmtätigkeit angeregt und dadurch werden Verstopfungen vermieden.

Wasser

Es ist der zentrale Bestandteil der Zellen und somit besteht der Mensch zu circa 70% daraus. Verliert der Mensch 2% Wasser, löst dies ein Durstgefühl aus und die Ausdauer und das Denkvermögen nimmt ab. Bei 10% Wasserverlust gibt es schwere Stoffwechselstörungen und ein 20%iger Wasserverlust kann tödlich verlaufen.

Enzyme als Biokatalysatoren

Biokatalysatoren sind organische Moleküle, die biochemische Reaktionen in Organismen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie der Reaktionen herabsetzen.

Enzyme bestehen entweder nur aus einem Protein oder aus einem Protein- und einem Nichtproteinanteil.

Substrat ist der Stoff, auf den ein Enzym einwirkt.

Benennung der Enzyme:

Die Mehrzahl der Enzyme werden so benannt, dass sie einen Teil des Substratnamens tragen und die Endung „-ase“.

Beispiele:

• Malzzucker (Disaccharid) trägt den Namen Maltose. Das Enzym, das dieses Disaccharid in zwei mal Glucose spaltet, nennt man Maltase.
• Stärke besteht aus Amylose und Amylopektin. Das Stärke spaltende Enzym heißt Amylase.
• Fette nennt man auch Lipide. Allgemein werden Fettmoleküle durch Lipasen gespalten.
• Proteine werden durch Proteasen (oder Proteinasen oder Peptidasen) gespalten.

Ablauf einer enzymatisch katalysierten Reaktion:

Vorgang der Enzymspaltung

Jedes Enzym setzt ein bestimmtes Substrat um, z.B. Amylase nur Amylose; man spricht von einer Substratspezifität. Das Enzym bindet sich mit seinem aktiven Zentrum an das Substratmolekül, dadurch entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex (ES). Das Produkt bzw. die Produkte löst/lösen sich vom Enzym.

Verdauungsvorgang

Definition: Unter Verdauung versteht man die Zerlegung der in der Nahrung enthaltenen Nährstoffe in kleinere wasserlösliche Bausteine.

Verdauung im Überblick

Mund

Im Mund wird die Nahrung zerkleinert und eingespeichelt. Amylase spaltet die Stärke zum Teil in kleinere Bruchstücke.

Schluckvorgang

Beim Schlucken verschließt der Kehldeckel die Luftröhre. Der Nahrungsbrei wird in der Speiseröhre peristaltisch nach unten in den Magen gedrückt, d.h. der Brei wird mit einer regelmäßigen Folge von zusammenziehenden und entspannenden, sich in eine Richtung wellenförmige Muskelbewegung bewegt.

Magen

Der Magen ist ein Hohlmuskel und ein Speicherort. Die Zellen der Magenschleimhaut bilden Salzsäure und Enzyme.

Die Salzsäure sorgt dafür, dass Mikroorganismen (z.B. Hefe, Bakterien) abgetötet werden und dass Proteine gerinnen. Das Enzym Pepsin spaltet noch die Proteine. Die Magenschleimhaut schützt vor der Selbstverdauung.

Schließmuskel Magen-Dünndarm: Pförtner

Der erste Abschnitt des Dünndarms ist der Zwölffingerdarm. Hier münden die Ausführgänge von der Gallenblase und der Bauchspeicheldrüse ein.

Leber

Sie bildet circa 0,5 Liter Gallenflüssigkeit pro Tag. Diese enthält Gallensäuren, die Fette in kleine Tröpfchen emulgieren.

Bauchspeicheldrüse

In ihr sind viele Enzyme, wie Amylase, Lipasen und Proteasen. Sie hat eine alkalische Umgebung, d.h. die im Sauren arbeitenden Enzyme werden hier inaktiv.

Dünndarm

Die Oberfläche ist stark gefaltet, d.h. auf den Falten bilden sich wiederum Falten und auf den Zellen Zotten mit Ausstülpungen. Dadurch hat der Darm bei einer ungefähren Länge von drei Metern eine Oberfläche von 220 m². In der Dünndarmwand sind Enzyme.

Dickdarm

Am Übergang vom Dünndarm und Dickdarm ist der Blinddarm mit dem Wurmfortsatz. Im Dickdarm wird Wasser aufgenommen und ihn besiedeln Bakterien, die die Nahrung zersetzen, welche für das menschliche Verdauungssystem unverdaulich sind. Sie produzieren auch Vitamine.

Resorption von Außen nach Innen

Die Bausteine der Nährstoffe Kohlenhydrate (Saccharide), Proteine (Aminosäuren), Fette (Glycerin und Fettsäuren) und die Mineralstoffe bzw. Spurenelemente in Ionenform müssen aus dem Darm (=außen) über die Zellen (=innen) der Darmwand in die Blutgefäße aufgenommen werden. Dies bedeutet, dass die Zellmembran bzw. Zellmembranhülle von diesen Stoffen überwunden werden muss.

Phospholipide sind fettähnliche Moleküle, die als Grundbaustein dienen. Die Enden sind hydrophil und hydrophob.

Proteine sind aufgelagert oder gehen durch die Membran hindurch und transportieren die Stoffe durch eine Biomembran.

Blutkreislauf und Atmung

Gliederung des Blutkreislaufsystems

Man unterscheidet zwischen Lungen- und Körperkreislauf. Der Blutkreislauf ist geschlossen. Von der rechten Herzhälfte (-kammer) wird das Blut über die Lungenarterie in die Lunge gepumpt. In der Lunge verzweigen sich die Blutgefäße zu Kapillaren, die dem Gasaustausch dienen. Das sauerstoffreiche Blut fließt durch die Lungenvene zurück zum Herzen in den linken Vorhof.

Von der linken Herzkammer aus wird das Blut über die Aorta in den Körper gepumpt. Die Arterien verzweigen sich zu Kapillaren, wo der Stoffaustausch stattfindet. Das sauerstoffarme Blut fließt über die Venen zum rechten Vorhof des Herzens zurück.

Blutbestandteile

Der Mensch hat circa 5-6 Liter Blut, welches ein flüssiges Organ ist und 8% des Körpergewichts ausmacht. Es besteht aus Zellen und Flüssigkeit:

• Flüssigkeit: Sie ist das Blutplasma, das aus dem Serum (Wasser, gelöste Salze, Plasmaproteine und transportierte Stoffe) und aus dem Gerinnungsstoff Fibrinogen besteht.
• Zelluläre Bestandteile: Dazu gehören die Erythrocyten (rote Blutkörperchen), die Leukocyten (weiße Blutkörperchen) und die Thrombocyten (Blutplättchen).
  • Thrombocyten dienen der Blutgerinnung
  • Leukocyten sind für die Immunabwehr zuständig
  • Erythrocyten transportieren die Gase

Der Bildungsort der kernlosen Erythrocyten ist das rote Mark von hohlen Knochen. Sie „leben“ über 100 Tage und werden über die Leber entsorgt.

Atmung

Weg der Atemluft

Die über die Nase oder den Mund eingeatmete Luft wird über die Luftröhre in zwei Bronchien transportiert. Diese verzweigen sich in viele Bronchiolen und enden in den Lungenbläschen, den Aveolen.

Die Luftröhre und die Bronchien sind durch Knorpelringe verstärkt; so werden diese Röhren offen gehalten. Die Innenwände sind mit einer Schicht feiner Flimmerhärchen überzogen. Sie transportieren mit Schleim kleine Partikel, die mit eingeatmet werden, in den Rachen, um sich so selbst zu reinigen.

Der Gasaustausch findet in den Aveolen statt. Sie sind traubenförmig angeordnet und von einem Netz Kapillaren umgeben. Durch die Ausbildung der Lungenbläschen wird die Oberfläche vergrößert und der Mensch kann mehr Luft einatmen.

Sauerstofftransport im Blut

Die Erythrocyten besitzen den roten Blutfarbstoff, das Hämoglobin; an diesem wird wird gebundener Sauerstoff transportiert. Ein Hämoglobinmolekül besteht aus vier sogenannten Untereinheiten, den Hämgruppen. Diese besitzen Eisengruppen, an die ein Sauerstoffmolekül locker gebunden werden kann.

Das mit Sauerstoff beladene Hämoglobin wird Oxyhämoglobin Hb(O₂) genannt. Das Hämoglobin gibt den Sauerstoff im Muskel an das Myoglobin ab. Das Myoglobin hat eine größere Affinität zum Sauerstoff als das Hämoglobin, d.h. es übernimmt den Sauerstoff.

Das Herz-Kreislaufsystem

Aufbau und Funktionsweise des Herzens

Das Herz ist eine Saug-Druck-Pumpe und ist hinter dem Brustbein im Brustkorb gelegen. Es ist ein faustgroßer Hohlmuskel, der im Ruhezustand circa 70 mal pro Minute schlägt. Die Pumpleistung beträgt um die fünf Liter pro Minute, was 70-80 ml pro Schlag bedeutet.

Das Herz ist durch eine Scheidewand in zwei Hälften unterteilt und Ventile regulieren den Blutstrom. Zwischen den Vorhöfen und den Herzkammern liegen Segelklappen und an den Ausgängen der Kammern befinden sich Taschenklappen.

Arbeitsweise des Herzens

Beim Erschlaffen des Herzmuskels füllen sich die Vorhöfe mit Blut aus der Körper- und Lungenvene. Die Vorhöfe ziehen sich zusammen, die Segelklappen öffnen sich und das Blut fließt in beide Herzkammern. Dieses Erschlaffen wird als Diastole (=Ansaugvorgang) bezeichnet.

Beim Zusammenziehen des Herzmuskels wird das Blut durch die sich öffnenden Taschenklappen aus den Herzkammern hinausgepresst. Das Blut der rechten Herzkammer fließt in die Lungenarterie, das Blut der linken Herzkammer in die Körperarterie. Das Zusammenziehen wird als Systole (=Anpressvorgang).

Der Pulsschlag ist eine systolische Druckwelle in den Blutgefäßen. Die Herztöne werden durch die Segelklappen (dumpfer Ton) und durch die Taschenklappen (heller, kurzer Ton) verursacht. Dadurch entsteht folgender Rhythmus: Dumpf, hell - Pause - dumpf, hell etc.

Regulation des Herzrhythmus

„Normale“ Muskeltätigkeiten werden durch Nervensignale gesteuert, bei denen die Synapsen als Übertragungsstellen dienen.

Beim Herzen ist der Sinusknoten der „Schrittmacher“. Dieser ist eine Ansammlung besonderer Nervenzellen, die elektrische Signale aussenden, die sogenannten Aktionspotenziale. Diese Erregungswelle läuft über die Vorhofmuskeln, die sich dadurch zusammenziehen. Erreicht diese Welle einen weiteren Nervenzellknoten, den Vorhofkammerknoten, dann werden wiederum elektrische Signale in die Kammermuskulatur ausgesendet und diese kontrahiert sich.

EKG: Das Elektrokardiogramm kann die Aktionspotenziale und deren Auswirkungen auf benachbarte Körperzellen festhalten. Dadurch kann man Herzrhythmusstörungen und Herzerkrankungen erkennbar machen.

Herzerkrankungen

Herzklappenfehler

Die Herzklappen lassen sich nicht richtig schließen. Dies nennt man Insuffizienz. Entzündungen können zu Narben auf den Herzklappen führen und dadurch ein ungenügendes Öffnen verursachen; dies nennt man Stenosen.

Arteriosklerose in den Herzkranzgefäßen

Durch Ablagerungen werden Arterien verengt. Dies kann alle Arterien betreffen. Dadurch können Herzinfarkte und Schlaganfälle ausgelöst werden. Gefährlich sind auch instabile Plaques: An ihnen bleiben Thrombocyten hängen und verschließen die Arterie ganz (Embolie) oder werden an eine andere Stelle geschwemmt.

Herzkranzgefäße (=Koronargefäße) versorgen das Herz mit Nährstoffen, z.B. Sauerstoff. Eine Mangeldurchblutung bedeutet eine schlechten Ver- und Entsorgung, die zu einer Angina pectoris führt., d.h. man hat auf der linken Körperseite Schmerzen.

Bei einem Herzinfarkt ist ein Blutgefäß vollständig verstopft und dies lässt wegen dem Sauerstoffmangel an der betroffenen Stelle Herzmuskelgewebe absterben. Dabei besteht Lebensgefahr, weswegen schnelle Hilfe erforderlich ist.

Hilfen

• Ballonkatheter: In die Beinarterie wird ein Schlauch mit einer Sonde bis zu den Herzkranzgefäßen eingeführt. Wenn möglich wird mit einem Ballon die Arterie geweitet.
• Stent: Droht die Verengung eines Blutgefäßes, setzt man dieses Gitter ein, wodurch eine ausreichende Durchblutung ermöglicht wird.
• Bypass: Es werden (meist) Beinarterien als „Umleitung“ für verengte Gefäße verwendet.

Blutstrom in Arterien und Venen

Arterien

Arterien haben eine dicke elastische Muskelschicht aus glatten Muskelzellen zwischen zwei Bindegewebsschichten. Es herrscht ein hoher Druck, werden gedehnt, kontrahieren sich anschließend und pumpen so das Blut weiter (Puls).

Die Arterien verzweigen sich weiter in Arteriolen (kleine Arterien) und Kapillaren, d.h. der Gesamtdurchmesser nimmt zu und der Druck ab, wodurch die Fließgeschwindigkeit abnimmt. Die Gefäßwände der Kapillaren sind eine Zellschicht dick, was den Stoffaustausch mit der Zwischenzellflüssigkeit ermöglicht.

Venen

Die Venen haben eine dünne Muskelschicht zwischen zwei Bindegewebsschichten und ein Klappsystem im Innern (Ventile). Das Blut strömt in eine Richtung und es wird durch Muskelkontraktionen oder Druckwellen der enganliegenden Arterien bewegt.

Blut – Aufgaben und Erkrankungen

Erkrankungen

• Thrombus: Blutgerinnsel
• Embolie: abgelöster Thrombus bleibt an einer anderen Stelle hängen
• Anämie: Mangel an Erythrocyten wegen zu geringer Anzahl von Stammzellen im roten Knochenmark
• Blutvergiftung: Entzündung der Lymphbahnen. Dadurch entsteht ein roter Streifen; den bakteriellen Infekt muss man mit Antibiotika behandeln.
• Bluterkrankheit (Hämophilie): meist bei Männern auftretende Erbkrankheit (wird X-chromosomal vererbt); Ursache dafür sind fehlende Faktoren, wodurch sich Wunden nicht schließen und Lebensrisiko schon bei relativ kleinen Wunden besteht.
• Leukämie: Krebserkrankung der Thrombocyten, die verschiedene Ursachen haben kann. Sie wird durch Chemotherapien und durch Knochenmarktransplantationen behandelt.

Blutgerinnung

Blutgerinnungskaskade

Die Hämophilie wird als rezessive Erbkrankheit bezeichnet. Die Erbanlage/das Gen liegt auf dem X-Chromosom (Gonosom). Das Gen ist dominant, d.h. diese Erbanlage wird immer ausgebildet.

Ein rezessives Gen kann nur als Merkmal vorliegen, wenn beide Chromosomen eines Chromosomenpaares das rezessive Gen besitzen: Genotyp aa.

Übersicht der Genotypen

Nieren – Entsorgungsorgane

Aufbau

Eine Niere besteht aus der dicken Haut, der Rinde, dem Mark, dem Nierenbecken und der Nierenvene sowie -artiere. Die Funktionseinheit bilden die Nierenkörperchen. Diese bestehen aus ein- und austretenden Arteriolen. Sie liegen in der Nierenkapsel und lagern sich an den Tubulus an, der von Kapillaren eng umgeben ist.

Harnbildung: Filtration und Rückresorption

Filtration

Die Filtration erfolgt in den Nierenkörperchen. Dort befindet sich eine Kapillarschlinge mit feinen Poren. Durch den Blutdruck werden Wasser, Moleküle und Ionen durch die Kapillarwand gepresst; das Filtrat tritt in die Kapsel über, während größere Bestandteile in den Kapillaren bleiben.

Rückresorption

Die Tubuli werden von einem Kapillarnetz umsponnen, wodurch der osmotische Übertritt von Wasser mit Na⁺ und Cl^- ins Blut ermöglicht wird. Dabei wird Glucose aktiv aufgenommen und K⁺ aktiv ausgeschieden.

Umwelt eines Lebewesens

Umweltfaktor Licht

Bei der Betrachtung der Auswirkung von Licht muss man sowohl auf die Qualität als auch auf die Quantität achten. Die Qualität beschreibt die Wellenlänge des sichtbaren Lichts und die Quantität die Beleuchtungsstärke.

Fotosynthese

Für die Fotosynthese ist die Wasser- und Kohlenstoffdioxidversorgung wichtig. Auf Pflanzen wirken aber noch andere abiotische und biotische Faktoren ein.

Übersicht einiger abiotischer und biotischer Faktoren

Ernst Haeckel prägte den Begriff Ökologie: „ Die Lehre vom Haushalt der Natur.“

Ein Teil der Glucose, die bei der Fotosynthese gebildet wird, verbraucht die Pflanze bei der Zellatmung:

Damit die Pflanze aber wachsen kann, muss sie am Tag durch Fotosynthese mehr Glucose bilden, als sie durch die Zellatmung verbraucht. Wenn dies der Fall ist, liegt eine positive Nettofotosyntheserate vor (=positive Energiebilanz).

Die Fotosyntheserate wird an der CO₂-Aufnahme oder an der O₂-Abgabe gemessen.

Beim Schnittpunkt mit der x-Achse (0-Linie) liefert die Zellatmung so viel Kohlenstoffdioxid, wie gerade bei der Fotosynthese verarbeitet werden kann oder die Sauerstoffproduktion ist gleich der Sauerstoffverbrauch bei der Zellatmung. In beiden Fällen kann keines von beiden gemessen werden.

Schattenpflanzen erreichen schon bei geringer Beleuchtungsstärke ihre maximale Fotosyntheseleistung. Dies ist eine Anpassung an ihren Standort.

Ein Sonnenblatt hat eine doppelte Palisadenzellschicht mit vielen Chloroplasten, wodurch eine hohe Fotosyntheserate erreicht werden kann. Schattenblätter haben diese Zellschicht nicht, wodurch sie nur zu einer niedrigen Fotosyntheserate fähig sind.

Bei sehr hohen Beleuchtungsstärken sinkt die Fotosyntheseleistung wieder.

Streben nach Licht

Im Laufe der Evolution haben sich bei den Pflanzen unterschiedliche Strategien entwickelt, um an Licht zu gelangen, damit sie die optimale Fotosyntheserate erreichen können:

• Stammbildung: Die Blätter werden weit nach oben zum Licht gebracht
• Kletterpflanzen: Sie gelangen schnell an Licht und sparen Ressourcen, da sie keinen Stamm ausbilden. Manche Arten keimen im Kronenbereich und bilden ihre Wurzeln nach unten aus.
• Aufsitzerpflanzen (Epiphyten) wachsen auf anderen Pflanzen, haben aber Probleme mit der Nährstoffversorgung.

Licht steuert auch viele Lebensvorgänge bei Tieren und Pflanzen:

• Licht- und Dunkelkeimer
• Zugvögel (fliegen ab einer bestimmten Tageslänge nach Süden)
• Kurz- oder Langtagespflanzen (Blühen ist von der Tageslänge abhängig)

Umweltfaktor Temperatur

Die Fotosynthese und Atmung ist abhängig von der Temperatur. Bei chemischen Reaktionen steigt die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung von 10°C um das Doppelte. Der Rückgang der Fotosyntheserate erklärt sich dadurch, dass Enzyme (Biokatalysatoren) wirksam sind. Diese Enzyme (=Proteine) denaturieren bei höheren Temperaturen, d.h. sie werden zerstört.

Beziehungen in den Biozönosen

Pflanzen und Tiere haben unterschiedliche Fressfeinde. Tiere und Menschen leben heterotroph, d.h. sie nehmen energiereiche organische Stoffe auf, während grüne Pflanzen autotroph leben und die energiereichen organischen Stoffe selbst herstellen. Dadurch sind sie Produzenten und Tiere sowie Menschen Konsumenten.

Pflanzen können sich vor Fressfeinden schützen, indem sie z.B. giftige Drüsen ausbilden. Tiere fressen auch andere Tiere; dabei gibt es unterschiedliche Methoden der Nahrungsbeschaffung:

• Filtrierer (Wal)
• Strudler (Muscheln)
• Fallensteller (Spinnen)
• Jäger (Katze)

Population

Eine Population umfasst alle in einem relativ abgeschlossenem Gebiet vorkommenden Lebewesen einer Tier- oder Pflanzenart. Die Lebewesen dieser Art können sich uneingeschränkt untereinander fortpflanzen, d.h. sie besitzen einen gemeinsamen Genpool.

Die Populationskurven der Räuber und der Beute schwanken mit jeweils konstanter Zykluslänge und -amplitude um einen Mittelwert; dies geschieht allerdings phasenverschoben. In beiden Populationen treten periodische Bevölkerungszyklen auf.

Pflanzen an besonderen Standorten – „Fleischfressende Pflanzen“

Fleischfressende Pflanzen sind konkurrenzschwach. Sie wachsen an Standorten, an denen andere Pflanzen wegen dem Mangel an Stickstoffverbindungen kaum vorkommen. Diese holen sich die fleischfressenden Pflanzen aus den Proteinen ihrer Beute. Dabei erfolgen das Fangen und „Verdauen“ auf sehr unterschiedliche Art und Weise.

Symbiose

Die Symbiose ist ein Zusammenleben zweier Organismen verschiedener Arten, wo die beiden Partner aus dieser Gemeinschaft einen Nutzen ziehen können.

Beispiel: Flechten (Pilz – Algen)

Der Pilz ist ein heterotrophes und die Algen ein autotrophes Lebewesen. Der Pilz bietet den Algen Schutz, Mineralstoffen und Kohlenstoffdioxid, während diese Fotosyntheseprodukte und Sauerstoff liefern.

Beispiel: Algen und Polypen der Korallen

Die Alge liefert energiereiche Stoffe sowie Sauerstoff und der Polyp bietet einen „Wohnort“ sowie Kohlenstoffdioxid.

Beispiel: Mykorrhiza („Pilzwurzel“) – Symbiose zwischen Pilz und Baum

Der Pilz versorgt den Baum mit Mineralstoffen und Wasser. Dieser liefert energiereiche organische Stoffe aus der Fotosynthese und Schutz.

Parasitismus

Unter Parasitismus versteht man, dass ein Lebewesen sich auf Kosten eines anderen Organismus ernährt bzw. lebt. Dadurch wird ein Teilnehmer in dieser Beziehung nachhaltig geschädigt.

Ein „guter Parasit“ schädigt den Wirt nicht so stark, dass dieser stirbt. Parasiten können auch Krankheitserreger übertragen wie z.B. die Zecke.

Beispiele

Beim Menschen gibt es unter anderem: Fußpilz und andere Pilzkrankheiten, die Zecke und den Bandwurm. Bei Pflanzen kommt zum Beispiel Mehltau (Pilz) vor.

Stoffkreislauf

Konkurrenz und Koexistenz – ökologische Nische

Die ökologische Nische ist die „Berufs-/Planstelle“ eines Lebewesens. Bei einem Baum gibt es für unterschiedliche Tiere unterschiedliche Nahrungsnischen:

• An Spitze eines Zweiges: kleine Vögel suchen z.B. Insekten
• Samenfresser nehmen aus Früchten Samen auf
• Am Stamm suchen Vögel mit entsprechenden Schnäbeln Nahrung
• Am Boden unter dem Baum: Sammeln von Insekten u.ä.

Je ähnlicher die Umweltansprüche zweier konkurrierender Arten sind, desto geringer ist die Möglichkeit, dass beide dauerhaft im gleichen Biotop nebeneinander existieren. Die konkurrenzstärkere Art wird die andere verdrängen. Dies nennt man Konkurrenzausschluss-Prinzip.

Wälder – typisches Ökosystem Mitteleuropas

In Mitteleuropa waren sommergrüne Laubwälder der ursprüngliche Wald. In den deutschen Mittelgebirgen sind dies vor allem Buchen- und Eichenwälder.

Stockwerke eines Waldes

Ein Wald besteht aus verschiedenen Stockwerken:

• Waldboden: Laubstreu
• Moosschicht
• Krautschicht
• Strauch- und Kronenschicht

Quellen

0. Enzyme als Biokatalysatoren
1. ↑http://www.chemgapedia.de, ?
0. Umwelt eines Lebewesens
1. ↑https://commons.wikimedia.org, Yikrazuul (978-3-527-31179-8, S. 466; P. alternifolium ist eine C3-Pflanze)
2. ↑https://commons.wikimedia.org, Curtis Newton/Lämpel