Genetische Mechanismen und Stoffkreisläufe in der Biologie

Genetische Mechanismen bei Prokaryoten

Die Reproduktion bei Prokaryoten erfolgt asexuell. Sie sind haploid und besitzen Mechanismen zur parasexuellen genetischen Übertragung:

• Transformation: Eine Zelle nimmt freie DNA aus der Umgebung über einen komplexen Protein-Komplex in der Zellwand auf. Die Zellen, die dazu in der Lage sind, werden als kompetent bezeichnet. Dies findet man unter anderem bei Archaeen.
• Konjugation: Dies umfasst den physischen Kontakt zwischen einer Spender- und einer Empfängerzelle. Der Kontakt erfolgt über Pili (Sexualpili), durch die unabhängige DNA übertragen wird. Für die DNA-Synthese während der Konjugation ist eine Replikation erforderlich.
• Transduktion: Die genetische Übertragung erfolgt durch einen Bakteriophagen (Virus). Während des lytischen Zyklus wird zufällig bakterielle DNA in das Virus verpackt und bei der nächsten Infektion auf eine andere Zelle übertragen.

Diese drei Mechanismen ermöglichen den horizontalen Gentransfer, im Gegensatz zum vertikalen Gentransfer von Eltern auf Nachkommen.

Reaktionen auf Umweltreize

Bakterien reagieren auf Umweltreize durch metabolische Änderungen oder durch die Nutzung von Geißeln zur Fortbewegung.

Biologische Klassifizierung

• Prokaryoten: Bakterien und Archaeen.
• Eukaryoten: Sporozoa, Amöben, Flagellaten und Ciliaten (heterotroph).
• Symbionten: Pilze, Algen, photosynthetische Bakterien (Flechten) und Mykorrhiza.
• Heterotrophe Organismen: Parasiten, saprophytische Pilze, Schleimpilze, Hefen und Dinoflagellaten.

Stoffkreisläufe in der Biosphäre

Der Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf ist eng mit CO2 verknüpft. CO2 wird durch Photosynthese in Kohlenhydrate umgewandelt und durch die aerobe Atmung wieder freigesetzt. Kohlenstoff wird in organischer Form weitergegeben oder in Gesteinsschichten (Karbonate) sowie fossilen Brennstoffen gespeichert.

Der Stickstoffkreislauf

Stickstoff (N2) ist in der Atmosphäre reichlich vorhanden, aber für die meisten Organismen nicht direkt nutzbar. Nur bestimmte Bakterien und Cyanobakterien können Stickstoff fixieren. Pflanzen nehmen Stickstoff meist als gelöstes Nitrat auf. Der Großteil des Stickstoffs im Boden stammt aus der Zersetzung organischer Materie. Wichtige Prozesse sind hierbei die Nitrifikation und Denitrifikation.

Der Phosphorkreislauf

Phosphor liegt meist in mineralischer Form als Phosphat vor. Es ist ein limitierender Faktor für das Pflanzenwachstum. In Organismen ist Phosphat ein wesentlicher Bestandteil von Skeletten (bei Wirbeltieren), dient der pH-Stabilität in Körperflüssigkeiten und ist essenziell für organische Moleküle wie ATP und Nukleinsäuren.