Biologie und Umwelt: Grundlagen der Genetik und des Klimawandels

DNA: Aufbau und Funktion

Nukleotide sind die Bausteine der DNA. Jedes DNA-Molekül besteht aus einer spezifischen Abfolge von vier verschiedenen Nukleotidbasen: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Diese Basen paaren sich auf eine bestimmte Weise: Adenin immer mit Thymin (A-T) und Cytosin immer mit Guanin (C-G). Die beiden DNA-Stränge sind komplementär zueinander.

Gentechnik: Grundlagen und Anwendungen

Gentechnik ist eine Technologie, die es ermöglicht, DNA von einem Organismus zu bearbeiten und auf einen anderen zu übertragen. Dies kann zur Schaffung neuer Eigenschaften, zur Korrektur genetischer Defekte oder zur Herstellung von Substanzen genutzt werden.

Transgene Pflanzen: Beispiele und Nutzen

Ein Beispiel ist transgener Mais, der in Spanien angebaut wird und resistent gegen Bohrlaupen ist. Hierbei wurde ein Gen aus einem Bakterium in das Maisgenom eingefügt, das eine für die Schädlinge giftige Substanz produziert.

Transgene Tiere: Innovationen und Anwendungen

Der erste für den menschlichen Verzehr patentierte transgene Lachs kann bis zu achtmal schneller wachsen. Hierfür wurden zwei Gene eingeführt: eines, das das Wachstum im Winter nicht unterbricht, und ein weiteres, das die Produktion von Wachstumshormonen fördert.

Ein weiteres Beispiel für transgene Organismen ist die Produktion von Insulin: Hierbei wird das menschliche Insulin-Gen in die DNA von Bakterien eingefügt, sodass diese das Hormon produzieren können.

Enzyme: Biokatalysatoren des Lebens

Enzyme sind Biokatalysatoren, also Moleküle, die chemische Umwandlungen in Zellen beschleunigen. Sie binden an die zu transformierende Substanz und erleichtern so den Prozess.

Definition: Was ist ein transgener Organismus?

Ein transgener Organismus ist ein Lebewesen, dessen Genom (also sein genetisches Material) durch die künstliche Einführung eines exogenen Gens mittels Gentechnik verändert wurde.

Der Zyklus der Herstellung transgener Organismen

1. Das gewünschte DNA-Gen wird aus einer Zelle extrahiert.
2. Das Gen wird an präzisen Stellen geschnitten und isoliert.
3. Das Gen wird geklont (vervielfältigt).
4. Das Gen wird gegebenenfalls durch exogene Fragmente modifiziert, um die Expression zu erleichtern.
5. Das Transgen wird in den Zellkern der Empfängerzelle eingeführt.
6. Es wird geprüft, ob das Transgen die gewünschten Informationen ausdrücken kann.

Was sind Transgene?

Transgene sind Gene, die mittels Gentechnik in das Genom eines Organismus eingeführt wurden.

Biotechnologie: Anwendungsbereiche

Biotechnologie ist eine Technologie, die auf biologischen Systemen basiert. Sie findet Anwendung in verschiedenen Bereichen, insbesondere in der Landwirtschaft, Pharmazie, Ernährungswissenschaft, im Umweltschutz und in der Medizin.

Risiken der Biotechnologie

Zu den potenziellen Risiken gehören der Verlust genetischer Vielfalt und mögliche schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit.

Das Humangenomprojekt (HGP)

Das Humangenomprojekt (HGP) war ein internationales wissenschaftliches Forschungsprojekt mit dem primären Ziel, die Abfolge der chemischen Basenpaare der menschlichen DNA zu bestimmen sowie etwa 20.000 bis 25.000 Gene im menschlichen Genom physikalisch und funktional zu identifizieren und zu kartieren.

Merkmale des menschlichen Genoms

• Es enthält 3,2 Milliarden Basenpaare.
• Nur etwa 2% des Genoms enthalten Gene.
• Ein signifikanter Prozentsatz wird als 'Junk-DNA' bezeichnet.
• Das Genom ist bei fast allen Menschen identisch.

DNA-Profiling: Identifizierung durch DNA

DNA-Profiling ist eine Technik, die verwendet wird, um Individuen derselben Art anhand von DNA-Proben zu unterscheiden.

Erbkrankheiten: Ursachen und Diagnose

Eine Erbkrankheit ist ein pathologischer Zustand, der durch eine Veränderung im Genom hervorgerufen wird. Eine genetische Krankheit kann vererbt sein oder nicht.

Ursachen genetischer Krankheiten

Chromosomale Ursachen

Betreffen ganze Chromosomen oder Chromosomenfragmente, z.B. das Down-Syndrom.

Monogene Ursachen

Sind auf Veränderungen in einem einzigen Gen zurückzuführen und werden wie andere Merkmale vererbt, z.B. Mukoviszidose.

Pränatale Diagnose

Die pränatale Diagnose dient dazu, Krankheiten oder genetische Erkrankungen beim Fötus während der Entwicklung zu erkennen.

Gentherapie: Ein Behandlungsansatz

Die Gentherapie zielt darauf ab, Erbkrankheiten zu heilen (die in den meisten Fällen durch defekte Gene verursacht werden), indem gesunde Gene eingeführt werden.

Ablauf der Gentherapie

1. Zellen werden dem Patienten entnommen.
2. Ein Virus wird modifiziert.
3. Ein gesundes Gen wird in das Virus eingefügt.
4. Das Virus wird geschlossen.
5. Die Zellen werden genetisch verändert.
6. Die modifizierten Zellen werden dem Patienten injiziert.

Klimawandel: Auswirkungen und Folgen

1. Rückzug der Berggletscher: Im Sommer ziehen sich Berggletscher zurück. Die von Eis bedeckte Fläche des Arktischen Meeres ist um 14% zurückgegangen, die Eismasse jedoch um 40%.
2. Anstieg des Meeresspiegels: Im 20. Jahrhundert stieg er zwischen 1 und 2 mm/Jahr; von 1993 bis 2003 betrug der Anstieg 3 mm/Jahr.
3. Globaler Temperaturanstieg: Die Oberfläche der Kontinente verzeichnet einen globalen Temperaturanstieg.
4. Zunehmende Extremwetterereignisse: Dürreperioden, Überschwemmungen, Hitzewellen und Wirbelstürme treten zunehmend häufiger auf.
5. Veränderung des Verhaltens von Lebewesen: Ökosysteme und Arten reagieren auf die klimatischen Veränderungen.

Die Temperatur der Erde

Die Temperatur der Erde hängt von der Entfernung zur Sonne ab, welche die empfangene Sonnenenergie bestimmt, sowie von der Beschaffenheit und den Eigenschaften der Atmosphäre.

Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Die Luft besteht zu 78% aus Stickstoff und zu 21% aus Sauerstoff. Der restliche 1% setzt sich aus anderen Gasen wie Argon und 0,036% CO2 zusammen. Die Atmosphäre ist jedoch nicht vollständig rein; sie enthält auch Wasserdampf und Feuchtigkeit. Die Atmosphäre bildet eine schützende Hülle, die den Wärmeverlust durch Strahlung erschwert.

Wichtige Treibhausgase

Wasserdampf (H2O)

Ist der wichtigste Faktor für den natürlichen Treibhauseffekt.

Kohlendioxid (CO2)

Wird von Vulkanen und durch die Atmung von Organismen emittiert.

Methan (CH4)

Entsteht bei der Verdauung von Wiederkäuern, auf Deponien und in Sümpfen.

Der Treibhauseffekt: Funktionsweise

1. 100% der Sonnenstrahlung erreichen die Erde.
2. Etwa 30% werden von der Atmosphäre und der Landoberfläche reflektiert.
3. 19% werden von Wolken absorbiert.
4. 51% werden vom Land absorbiert.
5. Die erwärmte Oberfläche strahlt Infrarotstrahlung ab.
6. Ein Teil der Infrarotstrahlung wird von Treibhausgasen absorbiert und wieder zur Oberfläche emittiert.
7. Ein weiterer Teil der Strahlung entweicht durch die Atmosphäre in den Weltraum.

Wetter und Klima: Ein Vergleich

Wetter

Beschreibt den Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit, bestimmt durch Temperatur, Feuchtigkeit und Niederschlag. Es kann sich innerhalb von Sekunden ändern.

Klima

Ist stabiler und basiert auf statistischen Daten, die über Hunderte von Jahren gesammelt wurden.

Veränderungen des Meeresspiegels

Veränderungen im Wasserkreislauf

Veränderungen im Wasserkreislauf, wie die Verdunstung aus den Ozeanen und die Wolkenbildung, beeinflussen den Meeresspiegel. Der Rückzug von Meerwasser und die Ansammlung von Eis in Form von Gletschern können den Meeresspiegel senken.

Thermische Ausdehnung des Wassers

Der Meeresspiegel steigt nicht nur durch schmelzendes Eis, sondern auch, weil sich Wasser bei höheren Temperaturen ausdehnt.

Ursachen des Klimawandels

Äußere Ursachen

Veränderungen der Sonnenfleckenaktivität

Beeinflussen die Energiequelle der Sonne und die Menge der auf die Erde gelangenden Strahlung.

Veränderungen der Erdumlaufbahn

Die Erdumlaufbahn ändert allmählich ihre Form von fast kreisförmig zu elliptisch, ein Zyklus, der etwa 100.000 Jahre dauert.

Meteoriteneinschläge

Können Staubwolken erzeugen, die lange in der Atmosphäre verbleiben und das Klima beeinflussen.

Innere Ursachen

Veränderungen der Albedo

Schnee hat eine hohe Albedo (Reflexionsvermögen). Eine Veränderung der Erdoberflächenbedeckung (z.B. durch schmelzendes Eis) kann die globale Temperatur beeinflussen.

Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre

Der CO2-Gehalt kann durch die Aktivität von Organismen, vulkanische Aktivität oder menschliche Aktivitäten erhöht werden, was die globale Temperatur beeinflusst.

Menschliche Aktivitäten und der Treibhauseffekt

Hauptursachen für erhöhte Treibhausgasemissionen

• Verbrennung fossiler Brennstoffe: Wie Öl, Kohle und Gas.
• Entwaldung: Die Abholzung von Wäldern reduziert die CO2-Aufnahme.
• Landwirtschaft und Viehzucht: Die Tierhaltung emittiert große Mengen Methan durch Gärung im Darm. Auch bestimmte Nutzpflanzen wie Reis tragen zur CO2-Emission bei. Diese Aktivitäten haben einen erheblichen Einfluss auf die globale Erwärmung.

Maßnahmen gegen den Klimawandel

• Förderung erneuerbarer Energien.
• Verbesserung der Emissionen von Fahrzeugen.
• Einsatz energieeffizienterer Geräte.
• Schutz und Verbesserung natürlicher Kohlenstoffsenken (z.B. Wälder, Ozeane).
• Recycling.
• Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel oder Gehen.
• Ausschalten von Lichtern und Reduzierung der Heizung im Winter.