P11 Klassenforum

[christian]

Bio Campbell, S. 1212-1220. Die Ernährung der Tiere

Es gibt, von der Ernährungsseite her betrachtet, drei Arten verschiedener Tiere:

• Herbivoren --> Pflanzenfresser
• Carnivoren --> Fleischfresser
• Omnivoren --> Allesfresser

In Notsituationen kann es aber durchaus mal vorkommen dass ein Tier seine Essgewohnheit ändert um über die Runden zu kommen. Und selbstverständlich isst auch ein Pflanzenfresser Mikroorganismen, das lässt sich ja gar nicht verhindern.
Tiere nehmen insbesondere Kohlenhydrate, Proteine und Lipide auf. Diese brauchen sie um zur Herstellung von Energie, in Form von ATP.
Gewisse Stoffe können Tiere nicht selber herstellen und müssen deshalb von ihnen aufgenommen werden. Solche Stoffe nennt man essentielle Stoffe. Es gibt vier Gruppen essentieller Nährstoffe:

--> Essentielle Aminosäuren, essentielle Fettsäuren, Vitamine und Mineralstoffe.

Tiere benötigen 20 verschiedene Aminosäuren um ihre Proteine aufbauen zu können. Die meisten Tiere können etwa die Hälfte davon selber synthetisieren, wir Menschen müssen 8 essentielle Aminosäuren aufnehmen (Kleinkinder 9).
In Produkten wie Fleisch, Käse oder Eiern sind sämtliche Proteine vorhanden, aber Pflanzen sind meistens „unvollständig“, daher braucht man verschiedene Gemüse / Früchte wenn man sich vegetarisch ernährt.

Fettsäuren können fast alle von Tieren selber hergestellt werden, nur ungesättigte Fettsäuren (mit Doppelbindungen) müssen aufgenommen werden. Da Gemüse, Getreide und Samen genug davon enthalten ist ein Mangel bei Menschen selten.

Vitamine sind organische Moleküle die in sehr geringer Menge aufgenommen werden müssen. Sie wirken als Coenzyme oder hilft dem Körper Gifte zu verdrängen oder bestimmte Stoffe leichter aufzunehmen. Einige wenige Vitamine wie zum Beispiel Vitamin D (Knochenaufbau) können wir selber herstellen wenn wir genug Sonnenlicht abkriegen. Was man bis heute nicht weiss ist ob ein Überschuss an Vitaminen gesund oder doch schädlich sein kann.

Mineralstoffe werden ebenfalls nur in sehr geringen Mengen benötigt, der Mensch braucht vor allem Calcium und Phosphor (Knochenaufbau / ATP-Synthese). Mineralstoffe sind oft Co-Faktoren von enzymatischen Reaktionen oder halten das osmotische Gleichgewicht aufrecht. Zu grosse Aufnahmen von Mineralstoffen (z.B. Eisen) kann zu toxischen Nebenwirkungen führen.


Unterernährung: Ist ein Tier unterernährt baut es das im Körper gespeicherte Fett und die Kohlenhydrate auf. Danach beginnt es seine eigenen Proteine abzubauen wodurch unter anderem die Muskelmasse und die Gehirnmasse abnehmen kann. Selbst wenn das Tier dann überlebt sind manche Schäden bereits irreversibel.
Fehlernährung: Isst ein Tier Pflanzen die auf einem phosphorarmen Boden wachsen, kann dies schon zu Fehlernährung führen. Auch Menschen die sich vorwiegend von Reis ernähren haben schnell einen Vitamin-A Mangel. Dies kann zu Krankheit, Fehlbildung oder sogar Tod führen.

Für die Wissenschaftler ist es ziemlich schwierig den Nährstoffbedarf des Menschen herauszufinden, da Menschen als Versuchsobjekte problematisch sind. Die Entdecker der Vitamine machten vor über 100 Jahren Selbstversuche um andere nicht zu schädigen.

[christian]

Bio Campbell, S. 1153-1163. Form und Funktion von Tieren

Tiere haben alle eine äussere Form, die sie in irgendeiner Art begünstigt zu überleben. Durch die natürliche Selektion und die Evolution hat sich diese äussere Form über Jahrtausende hinweg angepasst. Diese äussere Form liefert Hinweise auf die Physiologie, die biologische Funktion.
Je grösser ein Tier, desto kleiner seine äussere Oberfläche im Vergleich zu der Masse. Trotzdem muss jede Zelle an Sauerstoff etc kommen. Dazu sind im Körper Hohlräume, die normalerweise mit Flüssigkeiten (interstitielle Flüssigkeit) gefüllt sind. So ist die „Innenoberfläche“ eines Tieres oft viel grösser als die „Aussenoberfläche“. Solche Tiere haben oft einen komplexeren Körperbau, der aber oft von Vorteil ist, weil das Tier zB mehr Sinnesorgane hat oder einen besseren Schutz.

Gewebearten:
--> Epithelgewebe besteht aus dicht gepackten Lagen von Zellen und bedeckt den Körper von aussen und bekleidet körpereigene Organe. Es kann als Schutzbarriere dienen. Die Zellen eines Ephitels haben eine Ober- und eine Unterseite und bilden dadurch aktive Schnittpunkte zur Umgebung, wodurch sie z.B. als Riechorgan in der Nase wirken können.

--> Bindegewebe verbindet und stützt andere Körpergewebe. Es kann weich bis ganz hart sein und je nach Faser-Art auch elastisch, biegbar oder reissfest.

--> Muskelgewebe ist für ziemlich alle Bewegungen des Körpers verantwortlich. Es besteht aus Filamenten die hauptsächlich Proteine enthalten. Bei vielen Tieren ist das Muskelgewebe der häufigsten Gewebetyp und verbraucht meistens auch einen Grossteil der Energie des Körpers.

--> Nervengewebe nimmt Reize wahr und leitet diese als elektrische Impulse an andere Körperteile weiter. Die kleinste funktionelle Einheit des Nervensystems ist die Nervenzelle, das Neuron.

Gewebe, Organe und Organsystem müssen extrem gut zusammenarbeiten. Die Nerven kommunizieren mithilfe von Neurone die sie umherschicken. Um Informationen zwischen Zellen zu vermitteln werden Signalmoleküle (Hormone, das endokrine System) im ganzen Körper herumgeschickt. Je nachdem welche Zellen Rezeptoren für ein bestimmtes Hormon aufweisen kann dieses nur an einem Ort oder im ganzen Körper wirken. In den Nervenbahnen dagegen ist das Ziel und die Laufbahn genau festgelegt und anders als Hormone wirkt so ein Signal auch nicht so lange, zumindest wenn es nicht immer wieder geschickt wird, auch werden die Informationen in einem Sekundenbruchteil durch den ganzen Körper gesendet. Hormone hingegen können sich stundenlange im Körper halten.

[christian]

Bio Campbell, S. 1163-1166. Regulation des inneren Milieus

Wie funktioniert die Regelung des inneren Milieus?

Ein Tier kann entweder ein Regulierer (Körperzustand ist unabhängig von Umgebung) oder ein Konformer (passt sich der Umgebung an) sein. Die meisten Tiere sind aber von beidem etwas, zum Beispiel passt sich der Barsch der Wassertemperatur an, sein Salzgehalt im Blut und den Zellen ist aber völlig anders. Das Konstanthalten eines Körperinneren Faktors nennt man Homöostase.
Wenn sich ein Wert im Körper ändert wird dies durch einen Rezeptor oder einen Sensor aufgefasst als Reiz, woraufhin dem sofort entgegengewirkt wird. Dabei wird der Effekt aber nicht aus der Welt geschafft, sondern nur gedämpft, was man negative Rückkopplung nennt.


Bio Campbell, S. 1166-1179. Einfluss von Form, Funktion und Verhalten auf die Homöostase

Was sind die Zusammenhänge von Form, Funktion und Verhalten bei gleich- oder Wechselwarmen Tieren, was haben sie für unterschiedliche Strategien?

Jedes Tier verfügt über einen optimalen Temperaturbereich. Wenn sich der Körper versucht dieser Temperatur anzupassen nennt man das Thermoregulation. Die meisten Säuger und Vögel sind endotherm, das heisst ihre Körperwärme geht grösstenteils auf den Körperstoffwechsel zurück.
Dagegen sind Amphibien, Schlangen, die meisten Fische etc. (alle wirbellosen Tiere) ektotherm, das heisst sie gewinnen den grössten Teil ihrer Körperwärme aus der Umgebung. Aus diesem Grund brauchen sie auch viel weniger Nahrung. Viele Tiere nutzen aber beide Effekte etwas, z.B. Vögel wärmen sich am Morgen oft auch in der Sonne auf.
Auch wenn man es nicht denken könnte, einige ektotherme Tiere haben eine konstantere Körpertemperatur als endotherme Tiere. Dieses Konstant halten der Körpertemperatur nennt man homoiotherm, wenn die Körpertemperatur veränderlich ist nennt man das poikolotherm.
Tiere nehmen Wärme auf durch Konvektion, Konduktion (Wärmeleitung), Radiation und Evaporation. Ausserdem können einige Säuger die Mitochondrien stimulieren dass sie Wärme statt ATP herstellen. Auch Muskelzuckungen oder andere Bewegungen führen zu Wärme.
Durch Isolierungen wie Fellen, Federn oder Fettschichten wird die Wärme im Körper gehalten. Durch das Kreislaufsystem wird die Wärme im Körper verteilt, wobei Nerven bei zu grosser Kälte die Muskeln an den Gefässrändern reizen damit diese sich ausdehnen, wodurch mehr Blut durchfliessen kann. Andererseits kann Körperwärme „konserviert“ werden indem die Gefässe nahe der Oberfläche verengt werden. Oberflächennahe Gefässe können auch warm gehalten werden indem eine andere Blutbahn weiter innen durchfliesst (z.B. Enten), das nennt man Gegenstromaustausch.
Eine wichtige Strategie um die Körpertemperatur zu senken ist die Evaporation, indem ein Tier Hechelt oder im Wasser badet, wobei dann Wasser verdunstet und Wärme entzieht.


Wozu benötigt ein Tier organische Stoffe?

Tiere ziehen ihre Energie aus organischen Stoffen wie Fleisch oder Pflanzen, indem sie die chemische Energie gewinnen welche darin gespeichert ist. Mithilfe der Nahrung wird grösstenteils ATP hergestellt (Zellatmung), aber auch Kohlenstoffgerüste für die Biosynthese, das Wachstum, die Speicherung oder die Fortpflanzung. Jeweils bei der Verdauung, Zellatmung, Biosynthese und der Zellarbeit (ATP-Nutzung) entsteht Wärme. Wegen dem Kot und dem Harn geht ebenfalls Wärme verloren.

Zusammenhänge des Energiebedarfs eines Tieres in Abhängigkeit von Grösse, Aktivität und Umwelt.Wie steht die Stoffwechselrate im Verhältniss zur Körpergrösse?

Physiologen versuchen herauszufinden, wie viel Energie ein Tier für eine bestimmte Aktion benötigt. Energie wird in Joule (= 0.24 cal --> Kalorien) angegeben, und die Energie, welche ein Tier pro Zeiteinheit braucht, wird als Stoffwechselrate angegeben.
Ein Tier braucht eine gewisse Menge Energie zum reinen Überleben, die wird bei Endothermen als Grundumsatz bezeichnet, bei Ektothermen als Standartstoffwechselrate. Dieser muss bei einer bestimmten Temperatur bestimmt werden da der Energieverbraucht je nach Körpertemperatur unterschiedlich ist.
Für jede weitere Aktion, Stress, Futter im Magen oder keine Nüchternheit führen zu einem grösseren Energiebedarf. Der Unterschied von Ektothermen zu Endothermen ist bisweilen auch extrem, eine Krokodilart verbraucht bei gewissen Umständen, trotz der gleichen Masse, 200 mal weniger Energie als ein Mensch.
Kleinere Tiere verbrauchen pro Körperzelle extrem viel mehr Energie als ein grösseres Tier und müssen deshalb auch viel mehr Nahrung aufnehmen pro Einheit Körpergewicht. Dies hängt einerseits mit der grösseren Oberfläche des kleinen Tieres zusammen (proportional zur Masse) was zu Wärmeverlust führt. Ausserdem hat es eine viel höhere Stoffwechselrate, dadurch braucht es auch mehr Sauerstoff was zu schnellerem Atmen, höherer Herzfrequenz und zu höherem Blutvolumen führt.
Selbst geringe Aktivitäten brauchen sofort Energie, so verbrauchen die meisten Tiere zwei bis viermal so viel Energie des Grundumsatzes bzw. des Standartstoffwechsels.

Wie kann die Stoffwechselrate ermittelt werden?

Da fast die gesamte freiwerdende chemische Energie Wärme ist, lässt sich bei kleinen Tieren mithilfe eines Kalorimeters der Energieverbrauch messen. Bei Grosstieren oder ektothermen Tieren mit ihren niedrigeren Stoffwechselraten lässt sich diese Methode kaum einsetzen. Man kann den Energieverbrauch aber auch anhand des Sauerstoffverbraucht / des abgegeben CO2 messen.
Bei Messungen über längere Zeit wird der Energiegehalt der Nahrung berechnet was dann wiederum auf den Energieverbrauch schliessen lässt indem man beachtet, wie viel wieder verloren geht durch Kot oder Urin.
Wie verhält sich die Stoffwechselrate zwischen wechselwarmen und gleichwarmen Tieren?
Wechselwarme Tiere benötigen weniger Energie, da sie keine Energie zur Körpertemperaturregulation brauchen.

[christian]

Bio Campbell, S. 1220-1224. Die Nährstoffverarbeitung von Tieren

Was gibt es für Ernährungskategorien?

???

Die vier Hauptgruppen und Mechanismen der Nahrungsaufnahme.

• Die Filtrierer
Viele Wassertiere (z.B. Buckelwal) filtrieren mithilfe von Härchen / Barten Nahrungsteilchen aus dem Wasser.

• Die Substratesser
Tiere wie Raupen, leben in ihrer Nahrung, z.B. in Blättern oder toten Tieren.

• Die Sauger
Diese Tiere (Mücken, Bienen, Kolibris, Läuse etc.) saugen aus einem lebenden Wesen ihre Nahrung, z.B. aus Tieren, Blättern oder Blumen.

• Die Schlinger und Zerkleinerer
Die meisten Tiere, wie auch die Menschen, nehmen grosse Nahrung zu sich, die sie mithilfe von Fangarmen, Klauen, (Gift-)Zähnen etc. töten und essen.
Einige dieser Tiere zerkauen das essen, andere (Schlangen) verschlingen das Opfer als Ganzes.

Warum können Makromoleküle nicht direkt von einem anderen Organismus genutzt werden?

Zum einen können verspeiste Makromoleküle gar nicht durch die Zellmembran hindurch, zum anderen braucht jedes Wesen andere Moleküle, das heisst es muss diese selber aus kleinen Molekülen aufbauen.

Die vier Schritte der Nahrungsverwertung und ihre Bedeutung.

• Nahrungsaufnahme
Flüssig oder Fest, über verschiedene Fressmechanismen (siehe oben)

• Verdauung
Die Nahrung wird mithilfe von Enzymen zu kleinen Molekülen abgebaut welche durch die Membran in die Zelle geschleust werden können. Dort kann die Zelle dann wieder ihre eigenen Makromoleküle aufbauen.
Baut eine Zelle ein Makromolekül auf oder ein Lipid her wird dabei immer Wasser abgespalten (Das nennt man Kondensation). Umgekehrt wird dieses Wasser benötigt dass diese Moleküle gespalten werden können (nennt man enzymatische Hydrolyse).
Damit die Verdauung gut von statten geht ist es teilweise nötig, das nie Nahrung zuvor gut zerkaut wird. Bei der Verdauung sind viele Enzyme tätig. Poly- und Disaccharide werden in Einfachzucker gespalten, Proteine in Aminosäuren und Nucleinsäuren in Nuklide. Aus Fetten und Phospholipiden werden Fettsäuren und andere Bestandteile hergestellt.

• Resorption
Bei der Resorption werden die zerkleinerten Moleküle in die Zelle aufgenommen und dort verarbeitet.

• Ausscheidung
Unverdauliches verlässt den Verdauungstrakt und wird ausgeschieden.

Warum verdauen Tiere ihre Nahrung, aber nicht ihre eigenen Gewebe?

Zellen verdauen das eigene Gewebe nicht, obwohl es aus den gleichen Stoffen wie die Nahrung besteht. Dies hat den Grund, dass die Nahrung in speziell abgeriegelten Bereichen verdaut wird. Diese können sowohl innerhalb als auch ausserhalb der Zelle sein.

• Interzelluläre Verdauung
Durch Phagocytose wird feste Nahrung bzw. durch Pinocytose wird flüssige Nahrung aufgenommen in eine Nahrungsvakuole, welche mit Lysosomen (enthalten hydrolytische Enzyme) verschmilzt. Geschützt durch die Membran der Vakuole wird so die Nahrung verdaut.

• Extrazelluläre Verdauung
Die meisten Tiere haben auch eine extrazelluläre Verdauung, bei welcher in einem Verdauungskompartiment im Körper (Gastralraum) verdaut wird. Dieser Raum steht in ständigen Kontakt mit der ganzen Umgebung.
Bei einigen Tieren ist der Ort der Verdauung aber kein Gastralraum sondern ein Verdauungskanal, welche beim Mund anfängt und beim After aufhört. Bei anderen Tieren kommt die Nahrung über Öffnungen hinein, und das Unverdauliche auch gleich dort wieder heraus.

Welche Tiere verdauen wie, und was sind die Vorteile?

Interzellulär:
Einige Tiere wie z.B. Schwämme verdauen alle Nahrung so.

Extrazellulär:
Ein typisches Beispiel ist die Schlange, viele Tiere nutzen diese Verdauungsmethode aber auch neben der interzellulären. Es kann bedeutend mehr Nahrung aufgenommen und über längere Zeit hinweg verdaut werden.

[christian]

Bio Campbell, S. 304-315. Der Zellzyklus

Wozu ist die Zellteilung nötig?

Eine Zellteilung heisst im Falle eines Einzellers die Entstehung eines neuen Lebewesens, bei Mehrzellern führt die Masse dann dazu. Ausserdem müssen bei letzteren öfters Zellen erneuert werden, und auch dies geschieht durch Zellteilung.
Eine Zelle kann aber nicht einfach abgeschnürt und dadurch geteilt werden, die Gesamtheit der DNA (das Genom, bis 2m lang beim Menschen) muss erhalten bleiben wozu eine Kopie von dieser nötig ist. Diese Replikation ist nur möglich durch die Verpackung in Chromosomen, Somatische Zellen (alle ausser Fortpflanzungszellen, diploid) enthalten beim Menschen 46 davon. Gameten (Fortpflanzungszellen, haploid) enthalten halb so viele. Bei der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle werden aus diesen Gametenzellkernen ein Zygotenkern gebildet.

Was geschieht in den fünf Phasen des Zellzyklus?

Eukaryotische Chromosomen bestehen aus Chromatin (Komplex aus DNA und assoziierenden Proteinmolekülen) und sind, wenn gerade keine Zellteilung ansteht, als Chromatinfasern im Zellkern. Bei Beginn einer Zellteilung werden diese Fäden verkürzt und verdickt zu einem zweichromatidigem Chromosomen. Das heisst es besteht aus zwei einchromatidigen Chromosomen (Schwesterchromatiden) welche an einem Centromer gebunden sind. Chromosom ist nur der Name des Zustandes des Chromatin.
Ein Zellzyklus läuft in 5 Phasen ab. Bei der Mitose wird die DNA verdoppelt, bei der Cytokinese die Zelle geteilt (Diese beiden Phasen werden auch als M-Phase zusammengefasst) und danach folgen drei längere Phasen. Zuerst eine Ruhephase (G1), dann wird eine Zeit lang DNA produziert (S[ynthese]-Phase), dann folgt wieder eine Pause (G2). Diese drei Phasen bilden die Interphase, welche oft bis zu 90% der Lebensspanne einer Zelle in Anspruch nimmt. Danach fängt das ganze wieder von vorne an.

Was geschieht in den einzelnen Phasen der Mitose?

Prophase: Das in der Interphase verdoppelte Chromatin beginnt sich zu verdicken und bildet ein Chromosomen (im LM sichtbar), wobei beide Schwesterchromatiden an einem Centromer zusammengehalten werden. Der Spindelapparat beginnt sich zu bilden, an jedem Ende werden die Fäden (Mikrotubuli) davon von einem Centrosom gehalten.

Prometaphase: Die Kernhülle zerfällt und der Spindelapparat umschliesst die Chromosomen, welche sich inzwischen noch ganz verdichtet haben.

Metaphase: Das längste Stadium (ca. 20 min), die Chromosomen sammeln sich an der Äquatorialebene (auch: Metaphasenplatte) wobei sie von Mikrotibuli (Teilweise von der Zelle abgebaut) festgehalten werden. Die Centrosomen befinden sich gegenüber auf unterschiedlichen Zellseiten.

Anaphase: Das Cohesine, welches die Chromatiden zusammenhielt, wird abgebaut, je eine Hälfte eines Chromosoms wird von dem Spindelapparat in Richtung Centrosom gezogen. Am Ende befindet sich auf jeder Seite der Zelle ein vollständiger Chromosomensatz. Die Zelle wird durch die nicht verankerten Mikrotubuli in die Länge gezogen.

Telophase: Es bilden sich zwei neue Zellkerne sowie aus den Überresten der alten Zelle neue Kernhüllen. Die Chromosomen entspiralisieren sich wieder zu Chromatinfäden. Die Mitose ist somit abgeschlossen.

Cytokinese: Beginnt während der späten Telophase. Bei Tierzellen wird dabei das Cytoplasma aufgeteilt, durch eine Zellfurche werden dann die neuen Zellen abgeschnürt voneinander. Pflanzenzellen hingegen bilden mit Vesikel vom Golgi-Apparat in der Mitte eine neue Zellwand.

Wie kann Variabilität bei asexueller Fortpflanzung entstehen?

Auch Eukaryoten wie Amöben vermehren sich durch Mitose, man sprich dann allerdings von Zweiteilung.
Prokaryoten wie Bakterien hingegen, welche sich auch per Zweiteilung verdoppeln, machen keine Mitose. Sie enthalten meist nur ein Chromosom welches aus einem Ringförmig geschlossenen DNA-Molekül besteht. Dieser Ring beginnt sich am an einer Stelle zu verdoppeln (Replikationsursprung) wonach je einer dieser Ursprünge auf je eine Zellseite wandert. Je mehr sich die DNA verdoppelt, desto mehr wird die Zelle langezogen bis sie sich schliesslich trennt. Dabei wird allerdings kein Spindelapparat verwendet.

Die Variabilität ist möglich weil :
- Die Zelle macht einen Fehler bei der Verteilung des Erbgutes wodurch es passieren kann, dass eine Zelle zu viele oder zu wenige Chromosomen enthält.


Die Meiose

Die Meiose findet in den Geschlechtsorganen ab wobei Gameten (haploide Zellen) hergestellt werden. Dies geschieht durch zwei Teilungen, wobei die Chromosomen aber meistens verschieden gemischt werden. Aus einer Zelle entstehen somit vier Gameten.
Bei der ersten Teilung kommen je die hälfte der Chromosomen in eine neue Zelle, bei der Zweiten Teilung kommt dann jeweils ein Schwesterchromatid eines (zweichromatidigen) Chromosoms in eine Gamete. Bei den beiden Trennungen gibt es immer Unterschiede, so gibt es vermutlich das Leben lang kaum zwei identische Spermien, obwohl Mann täglich Millionen davon produziert.