Genetik und Biotechnologie: Chromosomen, DNA, Gentechnik & Umweltsysteme

1. Die Chromosomen

Die Gene befinden sich auf Parzellen innerhalb des Zellkerns. Alle Zellen besitzen eine charakteristische und konstante Anzahl von Chromosomen für jede Pflanzen- oder Tierart. Menschliche Zellen haben 46 Chromosomen. Die Anzahl der Chromosomen einer Spezies bleibt konstant, da bei der Bildung von Geschlechtszellen die Chromosomenzahl halbiert wird. Sowohl Spermien als auch Eizellen besitzen 23 Chromosomen. Die bei der Befruchtung gebildete Zygote hat jedoch bereits 23 Chromosomenpaare, wie alle Zellen, in denen sie sich vermehrt. Gameten sind haploide Zellen (n = 23). Die übrigen Zellen unseres Körpers sind Körperzellen (somatische Zellen), die diploid sind (2n = 46). Von den 46 Chromosomen sind 44 Autosomen, und das letzte Paar sind die Geschlechtschromosomen X und Y.

Der geordnete Chromosomensatz wird als Karyotyp bezeichnet. Chromosomen können in Größe stark variieren und eine unterschiedliche Anzahl von Genen enthalten. Menschliche Chromosomen werden nach ihrer Länge geordnet. Der Grund für zwei Chromosomen jeder Art ist, dass zum Zeitpunkt der Befruchtung jeweils eine Kopie von der Mutter und eine vom Vater vererbt wurde. Die Hälfte unserer Chromosomen ist mütterlicherseits, die andere Hälfte väterlicherseits. Manchmal kann die Natur Zellen mit einer abnormalen Chromosomenzahl produzieren, was zu Krankheiten oder Missbildungen führen kann. Zellen in einem Teil des Körpers können eine schwere Veränderung der Chromosomenzahl erfahren, die sich in Tumorzellen verwandeln könnte.

2. Die Gene

Gene sind DNA-Fragmente, die Informationen für die Proteinsynthese tragen. Dasselbe Gen kann sich unterschiedlich äußern. Die Beziehung wird oft als Phänotyp = Genotyp + Umwelt beschrieben.

Gene ermöglichen es dem Menschen, sich an die Umwelt anzupassen. Wenn wir beispielsweise der Sonne ausgesetzt sind, synthetisiert die Haut mehr Melanin und dunkelt nach. Umweltbedingungen bestimmen auch, wie ein Gen exprimiert wird. Alle Zellen im Körper haben die gleichen Gene, aber je nachdem, wo sie sich befinden, entwickeln sie sich zu Zellen des Herzens, der Leber oder der Muskeln.

Die Gene, die für die Informationsübertragung verantwortlich sind, sind DNA-Moleküle. Viele Wissenschaftler näherten sich dem Studium des „Schlüssels des Lebens“ aus verschiedenen Perspektiven. Watson und Crick erlangten Ruhm und Ehre, als es ihnen 1953 gelang, die Struktur der DNA zu entschlüsseln. Rosalind Franklin beherrschte die Technik der Röntgenbeugung, um die Struktur von Graphit abzubilden. Sie schrieb in ihr Notizbuch, dass die DNA-Struktur aus zwei Ketten bestand, und maß auch die kleinste Einheit genau. Im Jahr 1953, als Watson und Crick die Struktur des DNA-Moleküls untersuchten, enthüllte ein von ihr aufgenommenes DNA-Bild die bekannte Helixstruktur. Sie starb an Eierstockkrebs, der durch die Strahlung verursacht wurde, der sie ihr ganzes Leben lang ausgesetzt war. Sie wusste nie, dass ihre Arbeit maßgeblich an der Entschlüsselung der DNA-Struktur beteiligt war, noch konnte sie den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhalten, der 1962 an Watson, Crick und Wilkins für die Entdeckung der DNA-Struktur verliehen wurde.

3. DNA: Aufbau und Funktion

Das DNA-Molekül besteht aus zwei langen, parallelen Ketten, die miteinander zu einer Doppelhelix verdrillt sind. Eine menschliche Zelle enthält in ihren 23 Chromosomenpaaren eine DNA-Menge von insgesamt etwa zwei Metern Länge und rund 6 Milliarden Basenpaaren. Jeder DNA-Strang wird durch Phosphatgruppen, Zucker und stickstoffhaltige Basen gebildet. Diese Basen sind: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Die Basen der Stränge binden sich nach einem spezifischen Muster: Adenin (A) paart sich mit Thymin (T), und Cytosin (C) mit Guanin (G).

DNA besteht aus zwei antiparallelen, komplementären Polynukleotidketten (A-T, G-C), die spiralförmig umeinander gewunden sind. Die Sequenz oder Reihenfolge der vier Basen entlang der DNA ist der Schlüssel zur Speicherung biologischer Informationen.

Die DNA-Replikation erklärt die Erhaltung der DNA bei der Zellteilung: Die beiden Stränge der DNA trennen sich, und jeder dient als Vorlage, um eine identische Basensequenz zu synthetisieren. Ein Gen ist ein DNA-Fragment, das die notwendigen Informationen zur Herstellung eines Proteins enthält. Die RNA ist in der Lage, diese Information aus dem Zellkern zu transportieren und in Proteine zu übersetzen.

Der genetische Unterschied ist ein Maß für das Alter der evolutionären Trennung zwischen Arten. Menschen teilen 98,4 % ihrer Gene mit Schimpansen.

4. Der Genetische Code und Mutationen

Der genetische Code übersetzt die Abfolge der stickstoffhaltigen Basen in Aminosäuren. Jede Gruppe von drei aufeinanderfolgenden Basen (ein Codon) codiert für eine bestimmte Aminosäure.

Bekannte Körperproteine:

• Antikörper: Sind Teil der körpereigenen Abwehr.
• Hämoglobin: Transportiert Sauerstoff im Blut.
• Insulin: Reguliert die Glukosekonzentration im Organismus.
• Keratin: Hauptbestandteil von Haaren und Nägeln.

Mutationen sind Veränderungen in der Reihenfolge der stickstoffhaltigen Basen der DNA. Mutationen können von unbemerkt bis hin zur Verursachung von Krebs oder Tod reichen. Sie sind auch der Ursprung neuer biologischer Eigenschaften.

5. Gentechnik: Grundlagen und Anwendungen

Die Gentechnik umfasst eine Reihe von Techniken zum Transfer von Genen zwischen verschiedenen Lebewesen. Bakterien synthetisieren sogenannte Restriktionsenzyme, die DNA immer an spezifischen Stellen schneiden. Mit diesen Restriktionsenzymen kann ein bestimmtes Gen isoliert werden. In den 70er Jahren wurde die erste rekombinante DNA genetisch erzeugt, indem ein Gen aus einem Amphibium in ein Bakterium eingeführt wurde. Damit war die Gentechnik geboren. Aus Sicherheitsgründen wurde ein Moratorium verhängt, bis die Risiken kontrolliert werden konnten.

Plasmide: Dies sind extrachromosomale DNA-Moleküle in Bakterien, die oft Gene für Antibiotikaresistenzen tragen.

Heute wurden bereits ölabbauende Bakterien, insektizidresistente Pflanzen oder Kaninchen, die doppelt so groß sind wie normale, sowie Seidenraupen, die unterschiedliche Farben erzeugen, geschaffen. Es wird bereits die Entwicklung von Pflanzen erforscht, die Biokraftstoffe erzeugen können. Heute strebt man an, ein Bakterium zu schaffen, dessen genetisches Material synthetisch ist, d.h., dessen DNA im Labor hergestellt wurde. Dies sind die ersten Schritte zur Schaffung künstlichen Lebens.

6. Transgene Organismen (GVO)

Lebewesen, die Gene aus einer anderen Spezies erhalten haben, werden als transgene Organismen oder gentechnisch veränderte Organismen (GVO) bezeichnet. Dabei werden oft Plasmide als Vektoren verwendet, die die Gene transportieren. Der Anbau transgener Pflanzen und ihre Verwendung in Lebensmitteln löst eine breite gesellschaftliche Debatte über gesundheitliche Unbedenklichkeit aus. Es ist eine Frage, in die sowohl wissenschaftliche als auch wirtschaftliche, politische und soziale Interessen investiert werden, sodass Entscheidungen von der Gesellschaft als Ganzes betrachtet werden müssen. Was die Entwicklung transgener Tiere vorangetrieben hat, ist die Fähigkeit, Embryonen im dreitägigen Stadium das zu transplantierende Gen zu integrieren. Es gibt bereits genetisch veränderte Schafe, Kühe, Schweine und Hühner. Das Hauptinteresse besteht darin, Substanzen zu produzieren, die für medizinische Behandlungen nützlich sind. Zum Beispiel wurde Ziegen das Gen für Spinnenseide eingesetzt, mit der Absicht, aus der Milch dieser Tiere eine sehr widerstandsfähige Faser zu isolieren.

7. Gentherapie und Genetische Diagnostik

Die Gentherapie wurde mit Retroviren etabliert, da diese die einzigartige Fähigkeit besitzen, Zellen zu infizieren, Kopien ihrer viralen Gene zu erstellen und diese in die Chromosomen der Wirtszelle zu integrieren. Da Gentests zunehmend Erbkrankheiten identifizieren können, werden sie besonders wichtig für die pränatale Diagnostik. Die soziale Besorgnis konzentriert sich auf eine mögliche Diskriminierung aufgrund des genetischen Profils einer Person, beispielsweise bei der Auswahl von Arbeitnehmern, wie bereits von einigen Verbänden berichtet. Krankenversicherungen könnten Menschen mit einer Veranlagung für wirtschaftlich belastende Krankheiten wie Multiple Sklerose, Parkinson oder Alzheimer ausschließen.

Es wird oft gesagt, dass die DNA jedes Menschen gleich ist, aber die Wahrheit ist, dass sie fast gleich ist. Obwohl die Unterschiede zwischen den Menschen gering sind, macht uns die genaue Abfolge einzigartig. Daher werden durch die Analyse dieser Unterschiede Vaterschaftsfälle und Identifizierungen gelöst. Dies ist ein wichtiges Werkzeug für die Kriminalpolizei. Egal wie vorsichtig ein Individuum ist, ein Haar, Spuren von Blut oder Sperma sind ausreichend, um seine DNA zu erhalten. DNA-Analysen werden auch genutzt, um einige historische Fragen zu lösen. Sie wurden verwendet, um die Identität einiger Leichen zu untersuchen, die in einem Salzbergwerk im Ural gefunden worden waren, da man vermutete, dass sie dem letzten Zaren von Russland, der Zarin und drei ihrer fünf Kinder gehörten. Durch DNA-Extraktion und Analyse im Vergleich mit lebenden Verwandten bestätigte sich der Verdacht.

Die Forschung begann mit der Schaffung nicht-pathogener Retroviren, die ein menschliches Gen als Vektor trugen. Ein bekanntes Beispiel ist der „Bubble Boy“, dessen Krankheit durch die Fehlfunktion eines einzigen Gens verursacht wurde. Die Behandlung von Krankheiten, die durch den Ausfall einer Gruppe von Genen verursacht werden, wie Krebs, ist komplexer, auch wenn bereits erste Schritte unternommen wurden. Einige Forscher haben auch vor einer neuen Art von Sportdoping, dem Gendoping, gewarnt, das durch traditionelle Kontrollen nicht nachweisbar ist.

8. Das Humangenomprojekt

8.1. Ziele und Verlauf des Projekts

Das Humangenomprojekt wurde am 26. Juni 2000 von Collins und Venter der wissenschaftlichen Welt vorgestellt. Dieses Projekt wurde 1990 ins Leben gerufen. Die ursprüngliche Prognose sah einen späteren Abschluss vor, doch ein harter Wettbewerb zwischen dem öffentlichen Konsortium (bestehend aus den USA und Großbritannien) und der privaten Firma Celera Genomics beschleunigte den Zeitplan. Es wurden DNA-Sequenzen und Fragmente, dann Gene, Chromosomen und schließlich das gesamte Genom entschlüsselt. Das Genom ist die Gesamtheit aller Gene eines Lebewesens. Venter gründete Celera Genomics, nachdem er zuvor Teil des öffentlichen Konsortiums war.

Unsere Spezies hat nur etwa 30.000 Gene – vergleichsweise wenige, wenn man bedenkt, dass eine Maus, eine Fliege oder ein Wurm ebenfalls viele Gene besitzen und wir dennoch Menschen bleiben. Ein einzelnes Gen kann die Expression mehrerer Proteine regulieren, abhängig von seiner Sequenz. 95 % des menschlichen Genoms enthält nicht nur Gene, sondern auch Sequenzen, die bisher als nutzlos galten. Neueste Erkenntnisse zeigen, dass diese DNA eine wichtige Rolle bei der Regulierung und Effizienz der Genexpression spielt. 99,9 % der Gene aller Menschen sind gleich, aber die restlichen 0,1 % machen uns einzigartig und unterscheiden uns voneinander. Jedes Gen kann viele Versionen haben. Darüber hinaus unterliegt unser Genom, wie das anderer Arten, evolutionären Veränderungen durch Mutationen, die sich im Laufe der Zeit ansammeln. Diese kleinen individuellen genetischen Unterschiede führen dazu, dass viele Medikamente nicht die gleiche Wirkung auf die gesamte Bevölkerung haben. Eine gute genetische Karte ist unerlässlich und wird den Zugang zu personalisierten Therapien erleichtern. Daher arbeiten pharmazeutische Unternehmen an der sogenannten Pharmakogenetik, um Medikamente zu entwickeln, die „maßgeschneidert“ auf das genetische Profil des Patienten sind.

8.2. Genetischer Fingerabdruck

Die DNA eines Individuums ist sehr präzise. 99,9 % der Genomsequenz ist bei allen Menschen gleich. Im Jahr 1985 entdeckte der englische Genetiker Alec Jeffreys eine Methode, um einen genetischen Fingerabdruck zu erstellen, der einzelne Personen leicht voneinander unterscheidet. Es gibt bestimmte Regionen der DNA, kleine Fragmente (Minisatelliten), deren Anzahl der Wiederholungen von Individuum zu Individuum variiert. Jeffreys entwickelte eine Technik, die die Wiederholung solcher Sequenzen analysiert und zu einer Art Barcode führt, der alle Lebewesen identifiziert. Anwendungsbereiche sind:

• Vaterschaftstests
• Strafrechtliche Ermittlungen
• Die Zusammensetzung von Lebensmitteln
• Die Identifizierung von Personen

Die Schritte zur Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks:

1. DNA wird aus menschlichen Flüssigkeiten oder Haaren extrahiert.
2. Die DNA wird in Fragmente zerlegt. Diese Fragmente werden dann nach ihrer Größe in Bänder getrennt.
3. Die DNA-Banden werden auf eine Nylonmembran übertragen.
4. Die Nylonmembran wird in eine Flüssigkeit getaucht, die radioaktive DNA-Sonden enthält, die an die Banden binden.
5. Anschließend wird die Membran mit einer fotografischen Platte abgedeckt.
6. Beim Entwickeln der Platte erscheinen die DNA-Banden als schwarze Streifen unterschiedlicher Dicke. Das Ergebnis ist ein einzigartiger Barcode.

8.3. Stammzellen und Klonierung

Das Ergebnis der Befruchtung, also der Vereinigung einer weiblichen Keimzelle (Eizelle) mit einer männlichen Keimzelle (Spermium), ist eine neue Zelle, die als Zygote bezeichnet wird. Diese beginnt sich zu vermehren und entwickelt sich nach einer Zeit von 4 oder 5 Tagen zu einer Blastozyste (einem Zellhaufen von etwa 150 Zellen), deren Innenraum mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und die embryonalen Stammzellen enthält. Wird die Blastozyste in die Gebärmutter implantiert, entwickeln sich die äußeren Zellen zur Plazenta und die inneren Zellen zum Fötus und später zum Baby.

8.3.1. Stammzellen

Stammzellen: Sie sind nicht auf eine bestimmte Funktion spezialisiert, können sich aktiv vermehren und sind fähig, sich zu einem der über 200 Zelltypen zu entwickeln, die ein erwachsener Organismus besitzt. Stammzellen sind von grundlegender Bedeutung für Wachstumsprozesse und die Reparatur von beschädigtem Gewebe. Alle Tiere und Pflanzen besitzen Stammzellen (diese können aus Geweben wie Knochenmark, Nabelschnurblut oder Leber gewonnen werden). Es gibt drei Haupttypen:

• totipotente und pluripotente (embryonal)
• multipotente (die nur Zellen eines spezifischen Gewebes bilden können)

Mit fortschreitender Entwicklung verringert sich das Potenzial von Stammzellen. Während der ersten zwei Tage nach der Befruchtung sind sie noch totipotent, bis vier oder fünf Tage pluripotent und danach multipotent. Durch das Entfernen oder Hinzufügen von Substanzen zu Zellkulturen konnten Stammzellen differenziert werden, um Herz-, Nerven- und Bauchspeicheldrüsenzellen zu erhalten. Die Herstellung von Stammzellen könnte zur Heilung vieler Krankheiten eingesetzt werden.

8.3.2. Klonierung

Klonierung: Im Jahr 1997 erregte ein Schaf namens Dolly das Interesse der Welt. Es war das erste Säugetier, das im Labor mittels Zell-Engineering-Techniken geklont wurde. Dabei wurde der Zellkern einer Eizelle eines Schafes entfernt und an seiner Stelle der Kern einer Zelle aus einem anderen erwachsenen Mutterschaf eingesetzt. Das Schaf Dolly war genetisch identisch mit dem erwachsenen Schaf, von dem der Zellkern mit seiner gesamten DNA stammte. Es war gelungen, einen Klon zu erhalten, der durch eine Technik namens Kerntransfer geschaffen worden war. Die Klonierung der menschlichen Spezies wurde im Jahr 2001 versucht: 41 Eizellen begannen eine Entwicklung. Klonen kann auch natürlich vorkommen. Dies geschieht beim Menschen im Falle der sogenannten eineiigen Zwillinge. Dies ist ein Prozess, der genetisch identische Individuen (ob Zellen, Embryonen oder ganze Organismen) erzeugt.

8.3.3. Therapeutisches Klonen und ethische Aspekte

Das therapeutische Klonen soll Stammzellen nutzen, um krankes und verletztes Gewebe zu regenerieren, ohne Abstoßungsprobleme zu verursachen. Es wurde bereits erreicht, Herzgewebe, Epithel- und Bauchspeicheldrüsenzellen zu regenerieren. Es wird auch die Regeneration von Organen erforscht. Im Jahr 2002 wurden Stammzellen durch Klonen von Zellen eines erwachsenen Tieres (einer Kuh) transformiert, um ein Organ wie eine Niere zu erzeugen. Obwohl noch nicht erfolgreich, wurde Klonen auch eingesetzt, um zu versuchen, ausgestorbene oder gefährdete Tier- und Pflanzenarten wiederherzustellen. Für einige Forscher liegt der Schlüssel in der Entdifferenzierung, d.h. der Möglichkeit, dass eine vollständig differenzierte Zelle wieder das Potenzial einer Stammzelle erlangen und sich erneut differenzieren kann. Bislang ist die Effizienz des Klonens sehr gering. Andererseits kann eine Transplantation von Stammzellen aufgrund ihrer Tendenz zur Vermehrung eine Krebserkrankung beim Empfänger verursachen. Die wenigen geklonten Tiere, die geboren wurden, zeigten eine Vielzahl von Symptomen wie vorzeitiges Altern, Herz- und Lungenprobleme, Nierenversagen und körperliche Fehlbildungen. Einer der Gründe, warum therapeutisches Klonen aus ethischer Sicht diskutiert wird, ist, dass Zygoten sich zu Blastozysten und deren Stammzellen zu Gewebe entwickeln können. Man bedenke, dass, wenn die Blastozyste in die Gebärmutter einer Frau eingepflanzt würde, ein Mensch entstehen könnte. Die ethische Antwort auf diese Tatsache hängt davon ab, wie man einen menschlichen Embryo beurteilt und definiert. Diejenigen, die die Zygote bereits als Mensch betrachten, lehnen Klonen als inakzeptabel ab. Im Gegensatz dazu sehen diejenigen, die einen Embryo erst nach der Implantation in den Uterus als solchen betrachten, keinen Einwand gegen diese Forschung.

8.4. Assistierte Reproduktion

Assistierte Reproduktion: Wie in anderen Ländern mit ähnlicher wirtschaftlicher Entwicklung hat sich die spanische Geburtenrate in den letzten Jahren halbiert. Immer mehr Paare nehmen wissenschaftliche Hilfe in Anspruch, um Kinder zu bekommen. Viele tun dies, weil das Paar unfruchtbar ist, andere, weil sie ein Problem haben, das ihre Fruchtbarkeit verringert. Der Altersgipfel für die Fruchtbarkeit bei Frauen liegt zwischen 20 und 35 Jahren. Im letzten Jahrzehnt des zwanzigsten Jahrhunderts etablierten sich die Techniken der assistierten Reproduktion. Dabei entstanden viele Situationen, die ethische Grundsätze und gesellschaftliche Gepflogenheiten ins Wanken brachten. Paare mit dem Risiko der Übertragung von Erbkrankheiten möchten die Gesundheit ihres ungeborenen Kindes vor der Implantation der Blastozyste in die Gebärmutter gewährleisten. Die Auswahl zukünftiger Embryonen hat begonnen, praktiziert zu werden. Zum Beispiel können bei vielen geschlechtsgebundenen Krankheiten Embryonen ausgewählt werden, um zukünftige Krankheiten zu verhindern. Es wird vermutet, dass Blastozysten, die Gene für dieselbe Krebsart tragen, die einer der Eltern geerbt hatte, entsorgt werden. Ein Paar, das das Gen für eine genetische Erkrankung trug, die Blindheit und geistige Behinderung verursacht, bat darum, nur Embryonen zu implantieren, die frei von dieser genetischen Belastung waren, und bekam daraufhin ein gesundes Mädchen. Die Gentechnik hat Ratten modifiziert, um Langlebigkeit, Gedächtnis, Aggression und andere Merkmale zu erhöhen. Man kann sich vorstellen, dass dies auch beim Menschen möglich sein könnte. Im Jahr 1960 dachte der Gynäkologe Patrick Steptoe, das Problem könnte gelöst werden, wenn man eine Eizelle entnehmen und sie zusammen mit Spermien in einem Laborgefäß befruchten und die Blastozyste dann in die Gebärmutter einsetzen könnte. Dies war die erste In-vitro-Fertilisation (IVF). Der erste Mensch, der außerhalb der Gebärmutter gezeugt und 1978 per Kaiserschnitt geboren wurde, war Louise Brown. Die menschliche Fortpflanzung begann, sich von Geschlechtsakt und Zufall zu lösen. Heute gibt es eine Proliferation von Kliniken für assistierte Reproduktion. Die Entwicklung von Techniken zur Konservierung menschlicher Blastozysten und Keimzellen bei sehr niedrigen Temperaturen ohne Potenzialverlust ist eine weitere Ressource, die immer mehr Paare nutzen. Heute gibt es Hunderttausende von eingefrorenen Blastozysten in Kliniken für assistierte Reproduktion. Die meisten davon stammen aus der In-vitro-Fertilisation. Laboratorien befruchten mehrere Eizellen, um die Verfügbarkeit von mindestens einer befruchteten Eizelle sicherzustellen, und für eine erfolgreiche Implantation (Einnistung der Blastozyste in die Gebärmutterwand) werden oft zwei oder drei eingesetzt. Die restlichen werden eingefroren und könnten zur Gewinnung von Stammzellen verwendet werden. Das Ziel der assistierten Reproduktion ist es, sicherzustellen, dass sowohl Männer als auch Frauen mit einer reduzierten Fähigkeit zur Produktion von Keimzellen Kinder bekommen können, und sogar die Fortpflanzung zu ermöglichen, wenn dies auf natürliche Weise nicht möglich wäre.

9. Weitere Themen: Systeme und Umwelt

9.1. Wissenschaftliche Darstellung und Systeme

Die Wissenschaft drückt sich oft mit Grafiken aus. Grafiken sind ein Werkzeug, um die Ergebnisse eines Experiments zu beschreiben und zu visualisieren. Viele natürliche Phänomene sind eng mit mathematischen Funktionen verbunden, die grafisch dargestellt werden können. Dies ermöglicht es, fehlende Werte in einem bekannten Bereich zu interpolieren.

Populationen wachsen anfangs exponentiell. Dieses Wachstum stabilisiert sich, wenn sie eine maximale Kapazität erreichen, da Nährstoffe und Raum nicht ausreichen würden, was zu einer massiven Mortalität führt. Die Bevölkerung stößt jedoch auf Hindernisse, die ein geometrisches Wachstum verhindern.

In einem linearen System ist das Ergebnis einer gemeinsamen Anstrengung gleich der Summe der einzelnen Anstrengungen. In einem nichtlinearen System interagieren die Teile miteinander, und das Verhalten eines Teils hängt davon ab, was andere tun.

9.2. Nichtlineare Systeme und Umweltphänomene

9.2.1. Klima

In der Natur gibt es viele nichtlineare, chaotische Systeme. Eines der besten Beispiele für solche Systeme ist das Wetter, da die es definierenden Faktoren miteinander verknüpft sind. Wenn zum Beispiel die CO2-Konzentration in der Atmosphäre steigt, verstärkt dies den Treibhauseffekt und die Temperaturen steigen. Steigen die Temperaturen, verdunstet mehr Wasser aus den Meeren, was den Treibhauseffekt und die globale Erwärmung weiter verstärkt. Wasserdampf neigt jedoch dazu, Wolken zu bilden, die einen Teil der Sonnenstrahlung reflektieren und so zu einer Abkühlung führen können. Wissenschaftler schätzen daher den Gesamtbeitrag der einzelnen Faktoren, die die Energiebilanz der Erde bestimmen. Menschliche Aktivitäten sind für einen Großteil der Netto-Erwärmung verantwortlich, die die Atmosphäre erfährt.

Im Laufe der Zeit ist die durchschnittliche Temperatur auf der Erde im Gleichgewicht konstant. Variationen in der von der Sonne emittierten Strahlungsmenge sowie die Emission von Treibhausgasen und andere menschliche Aktivitäten beeinflussen dieses Gleichgewicht. Die Erde gibt Wärme in den Weltraum ab und empfängt Strahlung von der Sonne. Ein Ungleichgewicht führt zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur.

9.2.2. Die Atmosphäre

Die Atmosphäre: Die gasförmige Hülle der Erde. Die wichtigsten Schichten sind die Troposphäre, Stratosphäre und Ionosphäre:

• Ionosphäre: Erreicht eine Höhe von bis zu 400 km. Enthält kaum Gas. In der Ionosphäre werden Radio- und Fernsehwellen reflektiert.
• Stratosphäre: Erstreckt sich bis zu 50 km Höhe. Besteht aus Gasschichten. Hier befindet sich die Ozonschicht (O3), die Lebewesen vor schädlichen UV-Strahlen der Sonne schützt.
• Troposphäre: In direktem Kontakt mit der Erdoberfläche. Ihre Dicke beträgt etwa 12 km. Hier treten meteorologische Erscheinungen auf und konzentrieren sich die meisten Gase der Atmosphäre.

9.2.3. Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf: Die Gesamtheit der Prozesse, durch die Wasser in Zyklen von der Atmosphäre zur Erdoberfläche und zurück in die Atmosphäre gelangt. Die beteiligten Prozesse sind: Verdunstung, Transpiration, Kondensation und Niederschlag.

1. Niederschlag: Das Wasser kehrt als Regen, Schnee oder Hagel auf die Erdoberfläche zurück.
2. Kondensation: Wasserdampf aus Verdunstung und Transpiration steigt auf, kühlt ab, kondensiert und bildet Wolken.
3. Transpiration: Pflanzen nehmen Wasser aus dem Boden auf und geben es als Dampf an die Atmosphäre ab.
4. Infiltration: Ein Teil des Regenwassers sickert durch durchlässiges Gestein in den Boden und bildet Grundwasser.
5. Oberflächenabfluss: Ein weiterer Teil des Niederschlagswassers fließt über die Erdoberfläche ab und gelangt ins Meer.
6. Verdunstung: Die Sonne verdunstet Wasser von der Erdoberfläche und aus den Ozeanen.

9.2.4. Die Luft und Luftverschmutzung

Luft: Sie besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). Jedes Mal, wenn wir atmen, setzen wir CO2 frei. Dieses Gas ist Teil des Kreislaufs des Lebens. Seine Fähigkeit, Wärme zu speichern, zusammen mit der steigenden Konzentration in den letzten Jahrzehnten, hat es zum Protagonisten der Umweltdebatte (Treibhauseffekt) gemacht. Wir inhalieren viele unerwünschte Substanzen wie Staub, Sand, Sporen, Pollen, toxische Substanzen aus menschlichen Aktivitäten und Produkte des Kraftstoffverbrauchs. Die schrittweise Zunahme des Sauerstoffs ist lebensnotwendig, und seine Umwandlung in die stratosphärische Ozonschicht ermöglicht die Blockierung des Durchgangs ultravioletter Strahlung. Ozon (O3) ist eine reaktive Form des Sauerstoffs und blockiert UV-Strahlen. Ohne Sauerstoff in der Atmosphäre gäbe es kein Ozon, und das Leben wäre auf einzelne Zellen beschränkt. Es kann aber auch als Verunreinigung schädlich für die Gesundheit von Mensch und Umwelt sein, wenn es in der Troposphäre vorkommt.

Im Jahr 1977 wurden Alarme wegen eines Rückgangs der Ozonmenge in der Atmosphäre ausgelöst – des Gases, das uns vor schädlicher Sonnenstrahlung schützt. Im Jahr 2000 erreichte das Ozonloch über der Antarktis seine maximale Größe. In den letzten Jahren ist das Ozonloch rückläufig, und es wird eine langsame Erholung der Ozonschicht erwartet.

Seit der Mensch die Vorteile des Feuers entdeckte, hat er nicht aufgehört, Dinge zu verbrennen: Holz, Kohle, Erdöl und Erdgas. Damit verbunden ist, dass die CO2-Produktion schnell steigt. Dieses Gas trägt zum Treibhauseffekt und zur Zunahme der Erderwärmung bei. Als ob das nicht genug wäre, emittieren Industrie, Kraftwerke, Fahrzeuge und Haushalte beim Verbrennen fossiler Brennstoffe Schwefeloxide und Stickoxide, die in der Atmosphäre zu Säuren reagieren und als saurer Regen auf die Erde zurückkehren. Darüber hinaus werden große Mengen anderer Schadstoffe wie Methan, Kohlenmonoxid und Feinstaub freigesetzt. Auch die Freisetzung von künstlichen Gasen und Aerosolen wird verursacht. Die bekanntesten sind FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) und ihre Auswirkungen auf die Ozonschicht.