Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Das Leben

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Die Merkmale des Lebens[Bearbeiten]

Die Kunst einer Definition liegt darin, die Sache mit so wenig Worten aber doch so genau wie möglich zu beschreiben. Eine Definition soll das beinhalten, was notwendig aber hinreichend ist, wie es in Mathematik ausgedrückt wird. Wir haben bisher oft über Organismen gesprochen, noch aber nicht erklärt, was das Leben ausmacht. Die Merkmale des Lebens sind

Wechselwirkung mit der Umwelt (Energie-, Stoff- und Informationsaustausch).
Wachstum und Zerfall, Organisiertheit und Selbstregulation.
Fortpflanzung und Vererbung.

Die Wechselwirkung mit der Umwelt (Energie-, Stoff- und Informationsaustausch) findet fast ständig statt. Energie- und Stoffwechsel findet statt, beispielsweise wenn ein Tier frisst und die Überreste wieder in seiner Umwelt ausscheidet. Informationswechsel bedeutet, dass ein lebendiges Wesen auf Reize der Umwelt reagiert und selber die Umwelt beeinflusst. Das ist Kommunikation. Diese Merkmale betreffen die Beziehung des Organismus zu seiner Umwelt.

Wachstum und Zerfall bedeutet, dass der Organismus selber immer größer wird und dann, in der Regel nachdem er stirbt, wieder zu den Grundelementen zerfällt. Allerdings findet innerhalb eines Organismus ständig Wachstum und Zerfall statt. Die Zellen vermehren sich und sterben aus die ganze Zeit. Organisiertheit bedeutet, dass jeder Organismus aus mehreren Organen besteht. Jedes Organ ist für eine Funktion zuständig, die für das Überleben des Organismus notwendig ist. Selbstregulation bedeutet, dass der Organismus so reagiert, damit er weiter im Leben bleibt. Wenn es kalt ist, fängt ein Tier beispielsweise zu zittern an und sucht nach einem warmen Platz. Diese Merkmale betreffen den Organismus selber und wie er sich entwickelt.

Fortpflanzung und Vererbung: Ein lebendiges Wesen kann sich reproduzieren und seine Grundmerkmale den Nachfahren durch DNA weitergeben. Ein Esel kann keine Pflanze gebären, der Storch zeugt keine Babys und eine Pflanze bringt keine Bakterien und keine Tiere hervor. Diese Merkmale betreffen den Organismus als Kontinuität über mehreren Generationen.

Jedes von diesen Merkmalen ist für die Definition des Lebens notwendig aber nicht ausreichend. Wechselwirkung von Energie und Stoffen macht auch ein Auto, ohne lebendig zu sein. Fortpflanzung im weiteren Sinn macht auch ein Kopiergerät oder ein Computervirus wieder ohne lebendig zu sein. Wachstum und Zerfall wird bei jedem Gebäude beobachtet, Selbstregulation kann man bei der Regulierung der Temperatur in einem Haus feststellen. Alle diese Sachen sind aber doch nicht lebendig. Die vollständige Definition des Lebens ergibt sich daher nur, wenn alle diese Merkmale einbezogen werden und keines ausgelassen wird.

Typische Zellkerne

Evolution[Bearbeiten]

Die Evolutionstheorie basiert auf die Annahme, dass die verschiedenen Arten sich an ihrer Umwelt anpassen und dadurch sich ändern. Eine weitere Kernhypothese ist, dass das Leben sich von nicht lebendigen Stoffen unter bestimmten Bedingungen entwickelt hat. Nach dieser Theorie sind am Anfang ganz einfache einzellige bakterienartige Organismen entstanden, die sich reproduzieren könnten. Über Millionen von Jahren haben sich diese Organismen durch die konstante Änderungen der Konditionen auf der Erdoberfläche zu den heutigen Organismen entwickelt. Wichtige Begriffe in der Evolutionstheorie, sind u. A. die ökologische Nische, der Konkurrenzausschlussprinzip und die Konkurrenzvermeidung.

Ökologische Nische[Bearbeiten]

Ökologische Nische ist alles, was das Überleben einer Art beeinflusst. In der Umwelt einer Art gibt es biotische und abiotische Faktoren, die das Leben dieser Art beeinflussen. Das Wort Bios ( βιος) bedeutet auf Griechisch „Leben“. Biotische Faktoren sind die lebendigen Organismen, die das leben einer Art beeinflussen. Ein Vogel beispielsweise braucht Insekten und Früchte als Ernährung. Diese sind biotische Faktoren. Allerdings braucht er auch Wasser, Sonne usw., also nicht lebende, sogenannte abiotische Faktoren.

Konkurrenzausschlussprinzip[Bearbeiten]

Das Konkurrenzausschlussprinzip ist ein Begriff der Theoretischen Biologie, der in der Ökologie und Evolutionsbiologie Anwendung findet. Die Idee findet man schon im Begriff der Selektion in Charles Darwins Theorie der Evolution. Der Begriff besagt, dass zwei Arten nicht gleichzeitig die identische ökologische Nische besetzen können, ohne in eine Konkurrenz einzutreten. Durch diese Konkurenz wird sich schließlich nur die konkurrenzstärkere Arte behaupten.

Einfacher: Wenn zwei (oder mehrere) Arten die gleichen Sachen zu überleben (z. B. das gleiche Fressen) brauchen, dann treten sie in Konkurrenz. Nur die stärkste Art überlebt am Ende. Wenn z. B. Wölfe und Füchse in einem Ort beide nur Schafe fressen und die Wölfe stärker und klüger sind, dann werden die Füchse nicht Schafe fressen können (die Wölfe werden die Füchse verhindern). Daher werden die Füchse aussterben.

Eine Übertragung des Konkurrenzausschlussprinzips auf die Gesellschaft kann wesentliche Konsequenzen haben. Es wird dann oft behauptet, dass die Unterdrückung durch den Mächtigsten notwendig und unvermeidlich sei, quasi von Gott oder von Natur durchgesetzt. Solche ideologische Übertragungen führen möglicherweise zu Akzeptanz seitens der Unterdrückten. Die menschliche Gesellschaft ist aber doch etwas einzigartiges. Die in der Natur beobachteten Phänomene können auf keinen Fall auf die Gesellschaft problemlos transferiert werden. Außerdem sind die Beobachtungen oft selber von der Ideologie der Gesellschaft beeinflusst. Daher kann man nicht sicher sein, ob die Deutung der Phänomene der Wirklichkeit entspricht.

Konkurrenzvermeidung[Bearbeiten]

Die positive Umkehrung des Konkurrenzausschlussprinzips ist die Konkurrenzvermeidung. Die konkurrenzschwächere Art (im vorherigen Beispiel die Füchse) hat doch die folgenden Alternativen, die das Überleben der Art ermöglichen. Sie kann einen anderen Ort um zu leben finden (umziehen, räumliche Trennung), sich in einer anderen Zeit als die konkurrenzstärkere Art ernähren (wenn die Wölfe tagsüber fressen, dann können die Füchse in der Nacht fressen, zeitliche Trennung), eine andere Nahrung wählen (die Füchse können Hasen statt Schafe fressen) oder auch andere Stärken entwickeln und ihre Fähigkeiten anpassen (die Füchse können schneller und stärker werden, evolutionäre Anpassung).

Der Kreislauf des Wassers[Bearbeiten]

Ein Kreislauf ist ein Prozess, mit mehreren wiederkehrenden Phasen. Das bedeutet: Etwas passiert, dann passiert was anderes, dann noch was anderes und irgendwann passiert wieder das, was am Anfang passiert war. Das ganze wiederholt sich in einem Kreis. Daher nennt man den Prozess "Kreislauf". In der Natur gibt es viele Kreisläufe, hier werden wir den Kreislauf des Wassers erkunden. Das Bild mit den Stichwörtern daneben kann uns dabei helfen.

Das Wasser im Meer und in den Seen verdunstet. Dadurch entsteht Wasserdampf, der aufsteigt, weil seiner Dichte kleiner als die Dichte der Luft ist. Hoch in der Atmosphäre hört er irgendwann auf zu steigen. Dann entstehen Wolken. Wenn die Temperatur in den Wolken niedrig genug ist, kondensiert der Wasserdampf wieder und wird zum Regen. Der Regen fällt entweder wieder auf die Seen und das Meer oder auf den Boden. Im letzteren Fall formt das Wasser Flüsse und gelangt dann doch wieder in die Seen oder ins Meer. Manchmal fließt das Wasser sogar unterirdisch.

Wenn die Temperatur sehr niedrig ist, entsteht Schnee anstatt Regen. Unter besonderen Bedingungen kann sogar Hagel entstehen.

Das unterirdische Wasser (Grundwasser genannt) kann auch Quellen formen, wie man im Bild unten sehen kann. Im Bild werden die zwei wichtigsten Formen einer Quelle abgebildet, die Schichtquelle und die artesische Quelle. Der Boden besteht aus unterschiedlichen Schichten. Manche sind Wasserdicht, andere wieder Wasserdurchlässig. Das Wasser versickert in einem durchlässigen Schicht und wird dadurch gereinigt. Wenn es eine Wasserdichte Schicht trifft, formt es einen unterirdischen Fluss. Wenn dieser Fluss die Erdoberfläche erreicht, entsteht eine Schichtquelle. Wenn das Wasser zwischen zwei wasserdichten Schichten fließt und die Erdoberfläche an einer Stelle erreicht, die niedriger liegt, dann entsteht eine artesische Quelle. Bei einer solchen Quelle springt das Wasser nach oben wegen des Druckunterschieds.

Ökologie[Bearbeiten]

Ökologie ist ein Teilgebiet der Biologie. Sie erforscht die Beziehungen der verschiedenen Organismen (Lebewesen) zueinander und zu ihrer Umwelt (beispielsweise warum die Wasserorganismen im Winter nicht im Wasser erfrieren). Im Alltag wird das Wort für eine nachhaltige Weltanschauung benutzt, die der Umwelt schonend ist (Umweltschutz). In Ökologie (als Teilgebiet der Biologie) sind die Evolution und die Nahrungsketten wichtige Begriffe. Die Bedeutung der Ökologie weitet sich allerdings über das wissenschaftliche Feld hinaus.

Stoffkreislauf[Bearbeiten]

Dem Begriff des Kreislaufs sind wir schon begegnet(z. B. Kreislauf des Wassers. Kreislauf bedeutet allgemein eine regelmäßig wiederkehrende Abfolge von Ereignissen. Mit einfacheren Worten beschreiben: Wir haben etwas am Anfang. Dieses „Etwas“ ändert sich. Nach einer Reihe von Änderungen, haben wir am Ende das Gleiche wie am Anfang. Wenn sich diese Reihe von Änderungen sich wiederholt, dann haben wir einen Kreislauf.

Als Stoffkreislauf bezeichnet man in der Ökologie eine periodische Umwandlung von chemischen Verbindungen, in deren Verlauf – nach einer Reihe von chemischen Reaktionen – erneut die Ausgangsstoffe entstehen. Das „Etwas“, das sich in diesem Kreislauf ändert, ist hier eine chemische Verbindung (ein „Stoff“). Diese ändert sich. Nach eine Reihe von Änderungen haben wir die gleiche Verbindung wie am Anfang. Wenn sich diese Reihe von Änderungen der chemischen Verbindung sich wiederholt, dann haben wir einen Stoffkreislauf.

Beispielsweise wird Kohlendioxid und Wasser von Pflanzen aufgenommen, in Zucker oder ähnliche Moleküle umgewandelt und dann von Tieren oder Bakterien wieder in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Wir haben daher am Anfang zwei Stoffe (Kohlendioxid und Wasser). Diese werden durch chemische Reaktionen in den Pflanzen zu zwei anderen Stoffen (Zucker und Sauerstoff) umgewandelt. Die neuen Stoffen (Zucker und Sauerstoff) werden dann von Tieren als Ernährung benutzt. Sie werden dann durch chemische Reaktionen wieder zu den Anfangsstoffe (Kohlendioxid und Wasser) umgewandelt. Dieser Prozess wiederholt sich ständig, daher haben wir einen Kreislauf.

Lebewesen, die aus anorganischen Stoffen organische Masse aufbauen werden als Produzenten bezeichnet. Das sind fast ausschließlich die Pflanzen. Die Pflanzen sind also Lebewesen. Sie nehmen anorganische Stoffe, Stoffe die man auch in nicht lebendigen Organismen finden kann. Genauer benutzen die Pflanzen vor allem Wasser und Mineralien aus der Erde und Kohlendioxid aus der Luft. Dadurch bauen sie organische Masse auf, also sie bauen etwas lebendiges auf. Was die Pflanzen aus Wasser, Mineralien und Kohlendioxid machen, ist sich selbst. Sie wandeln diese Substanzen zu Teilen der Pflanzen um!

Die von den Produzenten gebildete Biomasse wird von Destruenten („Zersetzern“) wieder in anorganische Stoffe mineralisiert. Destruenten sind weit überwiegend Bakterien und Pilze. Die Bakterien und die Pilze nutzen die Pflanzen als Energiequelle. Sie bauen die Pflanzen ab. Die Biomasse (lebendiger Stoff) sind die Pflanzen. Die Bakterien und die Pilze wandeln die lebendigen Stoffe, die Biomasse (also die Pflanzen), zu nicht lebendigen, sogenannten anorganischen, Stoffen (also Wasser, Mineralien und Kohlendioxid) wieder um.

Das einfachste denkbare Ökosystem besteht also aus einem Produzenten und einem Destruenten. Fast alle Ökosysteme weisen neben diesen Gruppen noch Konsumenten auf. Konsumente sind vor allem die Tiere. Diese bauen organische Masse (also den Körper des Tiers) aus anorganischen (z. B. Wasser und Sauerstoff) und organischen (was die Tiere fressen, z. B. Pflanzen oder andere Tiere) Stoffen auf. Tiere verbrauchen organische Stoffe (z. B. Zucker) zur Energiegewinnung (im Gegensatz zu den Pflanzen, die ihre Energie von der Sonne gewinnen). Allerdings bauen Tiere (und Konsumente allgemeiner) die Biomasse nicht vollständig zu anorganischen Stoffen ab.

Produzent
Destruent
Konsument

Regelung der Populationsdichte[Bearbeiten]

Die Populationsdichte, also wie viele Tiere oder Pflanzen usw. einer Art in einem gewissen Ort leben, wird von mehreren Faktoren beeinflusst.

Die Menge der Nahrung ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Größe einer Population bestimmen. Wenn es viel Nahrung gibt und die Population relativ gering ist, kann das zu einem Wachstum der Population führen. Wenn die Nahrung knapp ist, führt das zu einer Verminderung der Population. Allerdings ist die Menge der Nahrung selber von der Populationsdichte abhängig. Wenn die Population zu groß ist, wird die Nahrung knapper.

Das Angebot geeigneter geschützte Räume für das Aufbringen von Neugeborenen kann genauso wirken. Ein Brutplatz ist ein geschützter Ort, wo ein Vogel seine Eier legt, brütet und die Neugeborene aufbringen kann. Bei Meisen (eine Art Vogel) lässt sich die Anzahl von Brutplätzen durch Anbringen von Nistkästen erheblich erhöhen. Da Meisen als Insektenfresser die Anzahl von Schadinsekten reduzieren können, haben derartige Maßnahmen große wirtschaftliche Bedeutung.

Die Populationsdichte hängt auch mit der Anzahl natürlicher Feinde zusammen. In manchen Fällen wurden beispielsweise Goldfische in Seen freigelassen, wo sie keinen Feind hatten. Bald waren diese Seen voll mit Goldfischen. Für Pflanzenfresser (wie z. B. Hasen) sind Fleischfresser (z. B. Füchse) ein natürlicher „Feind“. Füchse fressen ja Hasen und beschränken dadurch deren Populationsdichte. Allerdings hat dieser Prozess auch seinen Grenzen. Wenn die Hasen zu wenig werden, kann es sein, dass Füchsen nicht mehr so viel zu fressen haben. Dann sterben die Füchsen aus, was zu einer Erhöhung der Populationsdichte der Hasen wieder führen kann.

Natürliche Feinde können nicht nur Tiere, sondern auch Pflanzen, Bakterien usw. sein. Bakterien führen beispielsweise manchmal zu Erkrankungen, die die Populationsdichte stark vermindern können. Der Mensch ist allerdings der größte Feind für die meisten Arten. Durch seine Aktivitäten, besonders im letzten Jahrhundert, sind schon mehrere Arten ausgestorben.

Die Populationsdichte selber spielt auch eine Rolle. Eine hohe Populationsdichte kann auch zu Änderungen des Verhaltens führen und dadurch die Vermehrung einschränken. Manche Nagetiere fressen beispielsweise in solchen Fällen einen Teil ihrer Jungen auf. Die hohe Populationsdichte kann auch Änderungen des Hormonhaushalts verursachen. Das kann dann zu Schwangerschaftsabbruch führen.

Weitere Faktoren haben mit der Umwelt zu tun. Die Temperatur des Ortes, die Feuchtigkeit und andere Merkmale können eine entscheidende Rolle spielen. Nacktschnecken wachsen z. B. in trockenen Regionen Südeuropas kaum. Als sie in Nordeuropa angesiedelt sind, waren (und sind) sie für die Landwirtschaft ein großes Problem.

Bedeutung der Ökologie[Bearbeiten]

Die Ökologie (griechisch οἶκος oikos ‚Haus‘, ‚Haushalt‘ und λόγος logos ‚Lehre‘; also ‚Lehre vom Haushalt‘) ist ursprünglich die Teildisziplin der Biologie, welche die Beziehungen der Lebewesen untereinander und mit ihrer unbelebten Umwelt erforscht. Mit einem wachsenden Umweltbewusstsein in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich der Begriff weit über den engen naturwissenschaftlichen Rahmen der Biologie hinaus und wird seitdem häufig synonym mit Begriffen wie Umweltschutz bzw. Umwelt verwendet und mit diesen verwechselt.

Ökologie im alltäglichen Sinn des Umweltbewusstseins ist vor allem für den Menschen wichtig, da die Zerstörung der Ökosysteme durch die menschlichen Aktivitäten mit großer Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung des Menschen selbst führen wird.

Dementsprechend hat Ökologie weitgehende Konsequenzen im Alltag. Der technologische Fortschritt strebt das Überleben und eine höhere Lebensqualität des Menschen an. So gesehen darf er auf keinen Fall die ökologische Nische des Menschen zerstören. Daher sollte der Mensch seinen Alltag an die Möglichkeiten dieser Erde und ihrer Ressourcen anpassen: weniger und bewusster konsumieren, die Überbevölkerung vermeiden, Kriegen stoppen, die Energiewende fortsetzen, Ungleichheiten in der Gesellschaft vermeiden usw. usf..

Die Zelle[Bearbeiten]

Definition und Teile einer Zelle[Bearbeiten]

Wenn wir Blut spenden, erfahren wir oft, dass das Blut aus weißen und roten Blutkörperchen als auch aus Blutplättchen besteht. Die Blutkörperchen sind sogenannten "Zellen", die Blutplättchen hingegen Zellenteile. Was ist aber eine Zelle und woraus besteht sie?

Eine Zelle ist die kleinste lebende Einheit aller Organismen. Ein Organismus in der Biologie ist alles, was lebendig ist. Was lebendig ist, also die Merkmale des Lebens, werden wir in einem anderen Kapitel erfahren. Ein Organismus kann ein- oder mehrzellig sein. Der menschliche Körper besteht aus viele viele Zellen, die sich in Verbindung befinden und miteinander Kommunizieren. Er ist mehrzellig. Ein Bakterium hingegen hat nur eine Zelle (Einzeller) und ist daher sehr klein (man kann es nur mit einem Mikroskop sehen).

Das Wort Organismus kommt aus dem griechischen Wort Organ („Werkzeug“). Jeder Organismus (auch ein Bakterium) besteht aus mehreren Teilen. Jeder davon hat eine gewisse Funktion, die für den ganzen Organismus notwendig ist. Die Teile eines Mehrzellers nennt man Organen (sie bestehen aus mehreren Zellen), die Teile einer Zelle Zellorganelle. Eine Zelle kann verschiedene Zellorganelle beinhalten, je nach Funktion und Zugehörigkeit (z.B. ob die Zelle einer Pflanze oder einem Tier gehört).

Eine tierische Zelle (Bild) besteht aus einer äußeren Membran (8) (sie ist die „Haut“ der Zelle), das endoplasmatische Retikulum (2) (etwas wie Rohre, die die verschiedenen Teile der Zelle verbinden und als Basis für die Produktion und Transport von Proteinen funktionieren) und der Golgi Apparat (etwas wie kleine Zysten, die vor allem dem Transport der Proteinen dienen) (3), einen in einer Doppelmembran eingehüllten Zellkern (1) (wo das DNA ist, also die Information für die Funktion und die Vermehrung der Zelle), Mitochondrien (5) (wo die Energie produziert wird) und Ribosomen (die sich an der Wand des endoplasmatischen Retikulums befinden und wo die Proteinen produziert werden, die für die Funktion und Aufbau der Zelle notwendig sind).

Im Bild sieht man dazu Lysosomen und Peroxisomen (6), die die Verdauungs- und Entgiftungsorganellen der Zelle darstellen, als auch eine geißelförmige und eine Haarförmige Struktur der Membran (10), die bei manchen Zellen zur Fortbewegung dienen.

Pflanzenzellen haben dazu eine Zellwand (eine weitere „Haut“ außerhalb der Membran) und Chloroplasten (wo die Energie der Sonne aufgefangen und in Molekülen gespeichert wird) (beides nicht im Bild).

Die Evolution der Zelle[Bearbeiten]

Laut der Evolutionstheorie gab es am Anfang kein Leben auf der Erde. Wie man im Bild über die Evolution sehen kann, sind die ersten Zellen vor ca. 4 Milliarden Jahren erschienen. Diese hatten eine ganz einfache Struktur. Sie hatten keine Zellorganellen außer einer Membran. Sie konnten sich reproduzieren, also sie hatten auch DNA.

Ungefähr vor 2,4 Milliarden Jahren ist eine Atmosphäre mit Sauerstoff entstanden. Der Theorie nach wurde dieser Sauerstoff von Einzellern ohne Zellkern produziert, die Cyanobakterien ähnelten. Ca. 400 Millionen Jahre später sind die erste Zellen mit Kern erschienen. Die ersten Mehrzeller sind vor 800 Millionen Jahren erschienen. Die Zellen der Mehrzeller haben einen Kern. Mehrere Zellen formen in größeren Organismen sogenannte Organe. Jedes Organ erfüllt eine gewisse Funktion. Die Zellen jedes Organs haben sich an diese Funktion angepasst. Nach der Entwicklung der Mehrzeller werden keine großen Änderungen in der Zellstruktur beobachtet. Die ersten Fische und Meerespflanzen kamen vor 500 Millionen Jahren auf, der Mensch erst vor 315000 Jahren.

Woher wissen wir, z.B. dass es Fische erst vor 500 Millionen Jahren gab? Beweise dafür liefert uns die Paläontologie. In dieser Wissenschaft spielen Fossilien eine entscheidende Rolle. Fossilien sind Überreste von Lebewesen, die mehr als 10000 Jahre alt sind. Ihr Alter wird mit Methoden der Physik bestimmt (z.B. mit Hilfe von radioaktivem Kohlenstoff). Wird einmal das Alter bestimmt, können WissenschaftlerInnen verstehen, in welcher Reihenfolge die verschiedenen Organismen erschienen sind und wie die Evolution stattgefunden hat. Die Wissenschaft, die sich mit der Theorie der Evolution beschäftigt wird Evolutionsbiologie genannt.

Zelle: Wissenschaft und Gesellschaft[Bearbeiten]

Die Beschreibung der Zelle widerspiegelt oft eine gewisse Ideologie. Manche haben den Kern als den wichtigsten Teil der Zelle beschrieben, der die Zelle organisiert und die Befehle für ihre Funktion gibt. Das entspricht dem Bild einer von einer zentrale Staatsgewalt oder sogar von einem König regierte Gesellschaft. Im Nachhinein hat man festgestellt, dass der Kern sehr stark von äußeren Faktoren beeinflusst wird, was vielmehr dem Bild einer direkten Demokratie entspricht! In diesen Beispielen kann die Wechselwirkung zwischen Wissenschaft und Ideologie festgestellt werden