Biologie: Ernährung und Transport bei Pflanzen und Tieren

Teil 1: Grundlagen und pflanzliche Ernährung

Die Ernährung ist die Gesamtheit aller Prozesse, durch die ein Organismus Energie und Nährstoffe mit seiner Umwelt austauscht.

Ernährungstypen

• Autotrophe Organismen: Nutzen anorganische Stoffe aus der Umwelt, um organische Materie aufzubauen.
  • Fotosynthetisch: Gewinnen Energie aus dem Licht (Algen, grüne Pflanzen).
  • Chemosynthetisch: Gewinnen Energie durch chemische Oxidation anorganischer Stoffe (bestimmte Bakterien).
• Heterotrophe Organismen: Ihre Energie- und Kohlenstoffquellen sind organische Verbindungen, die von anderen Organismen synthetisiert wurden. Die Energie wird durch den Abbau dieser Verbindungen gewonnen (Tiere, Pilze, viele Bakterien).

Grundlegende Prozesse der Ernährung

• Nahrungsaufnahme (Ingestion): Tiere nehmen organische Stoffe auf, aus denen sie Nährstoffe gewinnen. Pflanzen nehmen anorganische Stoffe über Zellmembranen durch Absorption auf.
• Verdauung: Abbau komplexer organischer Moleküle in kleinere Bausteine, damit sie die Zellmembranen passieren können (Verdauungstrakt).
• Gasaustausch: Aufnahme von Sauerstoff ($O_2$) und Abgabe von Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) über Atmungsorgane.
• Transport: Verteilung von Nährstoffen und Gasen im Körper über das Kreislaufsystem.
• Stoffwechsel (Metabolismus): Chemische Reaktionen in Zellen zur Energiegewinnung und Synthese körpereigener Substanzen.
• Exkretion: Ausscheidung von toxischen oder überflüssigen Stoffwechselendprodukten über das Exkretionssystem.

Nährstoffaufnahme bei Thallophyten und Kormophyten

• Thallophytische Organisation (z. B. Algen): Nährstoffe diffundieren direkt über die Zellmembran; es sind keine spezialisierten Leitgewebe erforderlich.
• Kormophytische Organisation (höhere Pflanzen): Besitzen spezialisierte Organe für das Landleben:
  • Wurzel: Verankerung sowie Absorption von Wasser und Mineralstoffen.
  • Blätter: Orte der Fotosynthese (Umwandlung anorganischer Stoffe in organische).
  • Stängel: Transportiert Rohsaft von den Wurzeln zu den Blättern und Assimilate von den Blättern zur gesamten Pflanze.

Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen

Erfolgt über die Wurzelhaare, welche die Kontaktoberfläche zum Boden drastisch vergrößern.

• Wasseraufnahme: Passiver Einstrom durch Osmose.
• Mineralsalzaufnahme: Erfolgt vorwiegend über aktiven Transport unter ATP-Verbrauch mittels spezifischer Transportproteine.

Innerer Aufbau der Wurzel

• Rhizodermis (Epidermis): Äußerste Schicht junger Wurzeln; bildet Wurzelhaare aus und schützt die inneren Gewebe.
• Cortex (Wurzelrinde):
  • Rindenparenchym: Speicher- und Grundgewebe mit zahlreichen Interzellularräumen.
  • Endodermis: Innerste Schicht ohne Interzellularräume; enthält den wasserundurchlässigen Caspary-Streifen (Suberineinlagerung), der den apoplastischen Wassertransport selektiv kontrolliert.
• Perizykel: Zellschicht innerhalb der Endodermis, aus der Seitenwurzeln entspringen.
• Zentralzylinder: Beinhaltet die Leitbündel aus Phloem (Bastteil/Siebröhren) und Xylem (Holzteil/Gefäße) zur Leitung und mechanischen Festigung.

Transport des Rohsafts (Xylemsaft)

Der Rohsaft steigt durch die Gefäße des Xylems (Tracheen und Tracheiden aus langgestreckten, abgestorbenen Zellen) von den Wurzeln bis in die Blätter auf.

Mechanismen des Saftaufstiegs

• Wurzeldruck: Aktive Ionenakkumulation in der Wurzel erzeugt osmotischen Druck, der das Wasser in den Stängel presst.
• Transpirationssog: Verdunstung von Wasser an den Blättern erzeugt eine kontinuierliche Saugspannung in den Leitungsbahnen.
• Kohäsion und Adhäsion: Wassermoleküle bilden über Wasserstoffbrücken starke Kohäsionskräfte untereinander sowie Adhäsionskräfte an den Xylemwänden aus.

Gasaustausch bei Pflanzen

Pflanzen benötigen $O_2$ für die Zellatmung und $CO_2$ für die Fotosynthese. Der Austausch erfolgt über:

• Stomata (Spaltöffnungen): Bedeutendster Weg an den Blattunterseiten.
• Wurzelhaare: Aufnahme von im Bodenwasser gelösten Gasen.
• Lentizellen: Korkwarzen an verholzten Trieben und Baumstämmen.

Mechanismus der Spaltöffnungsbewegung

Gesteuert durch Turgoränderungen der Schließzellen unter dem Einfluss von:

• Kalium-Ionen ($K^+$): Aktiver Einstrom erhöht den osmotischen Wert, Wasser strömt nach, die Stomata öffnen sich.
• Licht: Öffnung am Tag zur Fotosynthese, Schließung bei Dunkelheit zur Minimierung von Transpirationsverlusten.
• Temperatur: Schließen sich bei extrem hohen Temperaturen (> 35 °C) zum Schutz vor Austrocknung.

Blattstruktur und Fotosynthese

• Parenchymgewebe: Palisaden- und Schwammparenchym mit hoher Dichte an Chloroplasten.
• Leitbündel: Blattnerven aus Xylem und Phloem zur Nährstoff- und Wasserversorgung.

Bedeutung der Fotosynthese: In den Chloroplasten absorbieren Blattpigmente Sonnenlicht. Dieser anabole Prozess verwandelt anorganische Stoffe ($CO_2$, $H_2O$) in energiereiche organische Verbindungen (Glukose), wandelt Strahlungsenergie in chemische Bindungsenergie um und setzt molekularen Sauerstoff frei.

Elaborierter Saft (Phloemsaft): Reich an Saccharose und Aminosäuren; wird im Prozess der Translokation von Bildungsorten (Sources, z. B. Blätter) zu Verbrauchsorten oder Speichern (Sinks, z. B. Wurzeln, Knollen) transportiert.

Sonderformen der pflanzlichen Ernährung

• Symbiosen: Knöllchenbakterien (Rhizobien zur Stickstofffixierung) und Mykorrhiza (Pilzhyphen zur Nährstoffaufnahme).
• Parasitismus: Halbparasiten (betreiben eigene Fotosynthese) und Vollparasiten (Zapfen Nährstoffe über Haustorien vollständig vom Wirt ab).
• Karnivorie: Fleischfressende Pflanzen decken ihren Stickstoffbedarf auf nährstoffarmen Böden durch Fang tierischer Beute.

Metabolismus: Anabolismus und Katabolismus

• Anabolismus (Aufbaustoffwechsel): Synthese komplexer Moleküle (Stärke als Reservestoff, Cellulose für Zellwände, Proteine, Lipide). Beispiele für Speicherorgane in der menschlichen Ernährung: Kartoffelknolle (unterirdischer Spross), Zuckerrohr (Sprossachse), Zuckerrübe (Wurzel), Reis und Weizen (Samen).
• Katabolismus (Abbaustoffwechsel): Abbau komplexer Moleküle zur Energiefreisetzung (Zellatmung bei Tag und Nacht). Pflanzen können Fette bei Bedarf in Kohlenhydrate umwandeln (z. B. bei Ölsaaten wie Sonnenblume und Olive).

Teil 2: Verdauung und Kreislauf bei Tieren

Der Verdauungsprozess umfasst die Phasen Ingestion, Verdauung, Absorption und Egestion. Zusammen mit Kreislauf-, Atmungs- und Exkretionsorganen bildet er die Grundlage der tierischen Ernährung.

Bautypen von Verdauungssystemen

• Gastrovaskuläre Höhle: Zentraler Hohlraum mit nur einer Öffnung, die sowohl als Mund als auch als After dient (Nesseltiere, Plattwürmer).
• Durchlaufender Verdauungstrakt: Röhre mit zwei getrennten Öffnungen (Mund und After) und spezialisierten Abschnitten (meiste Wirbellose und alle Wirbeltiere).

Verdauungsorgane im Tierreich

• Wirbellose: Besitzen oft Kropf und Muskelmagen (Anneliden), Mitteldarmdrüse/Hepatopankreas (Mollusken), Laterne des Aristoteles (Seeigel) oder spezialisierte Speicheldrüsen (Arthropoden).
• Wirbeltiere: Ausdifferenzierter Verdauungstrakt mit muskulösen Wänden und Anhangsdrüsen (Speicheldrüsen, Bauchspeicheldrüse, Leber).

Formen der Nahrungsaufnahme

• Passive Ingestion: Bei sessilen Filtrierern durch Zilien- und Geißelströme (Choanozyten der Schwämme, Kiemenfiltration bei Muscheln).
• Aktive Ingestion: Fortbewegung und gezielter Beutefang über Greif- und Kauwerkzeuge: Radula (Mollusken), Fangtentakel (Kopffüßer), Mundwerkzeuge (Arthropoden), Zähne (Wirbeltiere), Schnabel (Vögel).

Verdauungstypen

• Intrazelluläre Verdauung: Nahrungspartikel werden per Endozytose in Nahrungsvakuolen aufgenommen und durch lysosomale Enzyme zersetzt (Schwämme).
• Gemischte Verdauung: Erste extrazelluläre Vorverdauung im Hohlraum, anschließende Phagozytose und intrazelluläre Endverdauung (Cnidaria, Plathelminthes).
• Extrazelluläre Verdauung: Vollständige Zerlegung im Darmlumen durch mechanische Zerkleinerung und Verdauungsenzyme.

Verdauung beim Menschen

• Mundhöhle: Mechanische Zerkleinerung durch Zähne; Speichelbildung (Parotis, Submandibularis, Sublingualis) mit Muzin und Amylase (Stärkeabbau); Schluckakt befördert den Bolus per Peristaltik in den Magen.
• Magen: Mechanische Durchmischung; chemische Spaltung durch Magensaft (Salzsäure $HCl$, Schleim, Pepsinogen/Pepsin); Umwandlung der Nahrung in Chymus.
• Dünndarm:
  • Duodenum (Zwölffingerdarm): Einmündung von Bauchspeichel (Amylasen, Proteasen, Lipasen) und Galle aus der Leber (Emulgierung von Fetten); darmeigene Enzyme (Maltase, Saccharase, Laktase, Peptidasen) schließen den Speisebrei zu Chylus auf.
  • Jejunum und Ileum: Nährstoffresorption; Monosaccharide und Aminosäuren gelangen ins Blut, Fettsäuren und Glycerin vorwiegend in die Lymphkapillaren.
• Dickdarm: Wasser- und Elektrolytresorption; Eindickung und Formung des Kots, der über das Rektum zum Anus transportiert wird.

Kreislaufsysteme der Tiere

Transportiert Nährstoffe und Sauerstoff zu den Zellen und leitet Stoffwechselendprodukte ab.

Komponenten

• Transportflüssigkeit: Hydrolymphe (Stachelhäuter), Hämolymphe (Mollusken, Arthropoden), Blut (mit Hämoglobin) und Lymphe (Wirbeltiere).
• Blutgefäße: Arterien (führen vom Herzen weg), Venen (führen zum Herzen), Kapillaren (Ort des Stoffaustauschs).
• Herz: Röhrenförmig oder mehrkammrig (Vorhöfe und Ventrikel).

Gefäßsysteme

• Offener Kreislauf: Flüssigkeit tritt aus Gefäßen in Gewebslakunen (Sinus) über (Bivalven, Gastropoden, Arthropoden).
• Geschlossener Kreislauf: Blut zirkuliert ausschließlich in Gefäßen (Anneliden, Cephalopoden, Vertebraten).
  • Einfacher Kreislauf: Ein Herz-Kreislauf-Weg (Fische).
  • Doppelter unvollständiger Kreislauf: Vermischung von arteriellem und venösem Blut im Ventrikel (Amphibien, Reptilien).
  • Doppelter vollständiger Kreislauf: Getrennte Lungen- und Körperkreisläufe ohne Blutmischung (Krokodile, Vögel, Säugetiere).

Der menschliche Herzzyklus

Besteht aus zyklischer Kontraktion (Systole) und Erschlaffung (Diastole):

1. Vorhofsystole: Kontraktion der Vorhöfe presst Blut über die Segelklappen (Mitralklappe und Trikuspidalklappe) in die entspannten Ventrikel.
2. Kammersystole: Kontraktion der Ventrikel schließt die Segelklappen, öffnet die Taschenklappen und treibt das Blut in Aorta und Lungenarterie.
3. Allgemeine Diastole: Entspannungsphase des gesamten Herzens; passive Füllung der Vorhöfe.

Klinische Parameter des Herz-Kreislauf-Systems

• Herztöne: 1. Herzton durch Schluss der Segelklappen (AV-Klappen); 2. Herzton durch Schluss der Taschenklappen (Aorten- und Pulmonalklappe).
• Herzspitzenstoß: Mechanisches Anstoßen der Herzwand an den Brustkorb während der Kammersystole.
• Puls: Durch die Herzkontraktion hervorgerufene rhythmische Druckwelle an den Arterienwänden (Ruhewert ca. 70 Schläge/min).
• Blutdruck: Arterieller Druck aus systolischem Maximalwert (Kontraktion) und diastolischem Minimalwert (Erschlaffung), physiologisch bei ca. 120/80 mmHg.