Grundlagen der Biologie: Merkmale, Stoffwechsel und Ökosysteme

Merkmale der Lebewesen

• Komplexität: Bestehen aus einer großen Zahl von Molekülen.
• Zellen: Können einzellig oder mehrzellig sein.
• Funktionen des Lebens:
  • Ernährung: Aufnahme von Materie und Energie.
  • Beziehung/Interaktion: Reaktion auf die Umwelt.
  • Reproduktion: Erzeugung von Nachkommen.

Chemische Grundlagen des Lebens: Biomoleküle

Das Leben basiert auf chemischen Verbindungen, die aus Bioelementen (z. B. Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff) gebildet werden. Diese Verbindungen werden als Biomoleküle bezeichnet.

Anorganische Biomoleküle

• Wasser
• Mineralien (z. B. Carbonate, Phosphate)

Organische Biomoleküle

Alle organischen Biomoleküle enthalten Kohlenstoff:

• Kohlenhydrate: Hauptenergiequelle (z. B. Zucker, Stärke).
• Lipide: Speichern doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate (z. B. Fette, Wachse).
• Proteine: Bilden die Struktur der Lebewesen (z. B. Fasern).
• Nukleinsäuren: Träger der Erbinformation (DNA und RNA).

Stoffwechsel und Energiehaushalt

Der Stoffwechsel umfasst alle chemischen Reaktionen, die in den Zellen eines Lebewesens ablaufen.

• Anabolismus: Aufbau organischer Moleküle unter Energieverbrauch.
• Katabolismus: Abbau organischer Moleküle zur Freisetzung von Energie.

Ernährung (Nutrition)

Die Ernährung dient der Aufnahme von Materie und Energie, um alle Bedürfnisse des Körpers zu befriedigen.

Autotrophe Ernährung

Autotrophe Organismen nehmen anorganisches Material auf und wandeln es um (z. B. Pflanzen, Algen).

Die Photosynthese

Die Photosynthese ist ein lebenswichtiger Prozess, da sie organische Stoffe für das gesamte Ökosystem produziert und Sauerstoff freisetzt.

Reaktionsgleichung (vereinfacht): Kohlendioxid + Wasser + Licht → Organische Substanz + Sauerstoff

Heterotrophe Ernährung

Heterotrophe Organismen sind nicht in der Lage, anorganische Materie in organische umzuwandeln, und ernähren sich daher von anderen lebenden Organismen (z. B. Tiere, Pilze, Einzeller).

Phasen der heterotrophen Ernährung

1. Einnahme: Einführung der Nahrung in den Körper.
2. Verdauung: Abbau der Moleküle.
3. Absorption: Gewinnung von Energie oder strukturellen Elementen.
4. Ausscheidung: Entfernung nutzloser Stoffe.

Zellatmung und Oxidation

Die Zellatmung ist der Prozess, durch den Zellen organische Substanzen abbauen, um die in der Nahrung enthaltene chemische Energie zu nutzen.

Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der Energie freigesetzt wird:

Reaktionsgleichung (vereinfacht): Organische Substanz + Sauerstoff → Kohlendioxid + Wasser + Chemische Energie

Beziehung zur Umwelt: Reiz und Reaktion

Lebewesen erfassen Veränderungen in ihrer Umwelt (Reize, z. B. physikalische oder chemische) und reagieren darauf (Antworten, z. B. physiologische Reaktionen oder Bewegung).

Reaktion bei Einzellern

Bei einzelligen Organismen (z. B. Protozoen, Bakterien) wird die Bewegung als Reaktion auf einen Reiz als Taxis bezeichnet.

• Positive Taxis: Bewegung hin zum Reiz.
• Negative Taxis: Bewegung weg vom Reiz.

Reaktion bei Pflanzen

• Tropismus: Gerichtete Bewegung von Pflanzenteilen (z. B. Phototropismus [Licht], Geotropismus [Schwerkraft], Hygrotropismus [Wasser]).
• Nastien: Schnelle, reversible und ungerichtete Bewegungen von Blättern oder Blüten (z. B. bei Mimosen).

Reaktion bei Tieren

Tiere besitzen Sinnesorgane und nutzen zwei Hauptsysteme zur Verarbeitung von Informationen und zur Reaktion:

• Nervensystem: Empfängt Informationen von außen und leitet sie an Effektororgane weiter.
• Hormonsystem: Steuerung durch Drüsen und Hormone.

Zelluläre Bewegungsarten

• Amöboide Bewegung
• Bewegung durch Wimpern (Zilien)
• Bewegung durch Geißeln (Flagellen)

Reproduktion (Fortpflanzung)

Die Fortpflanzung ist die Funktion aller Lebewesen, neue Organismen zu erzeugen.

Asexuelle Fortpflanzung

Erfolgt durch ein einzelnes Individuum (z. B. Sporen, Knollen, Stecklinge).

Sexuelle Fortpflanzung

Erfolgt durch zwei Individuen, wobei Keimzellen (Gameten) beteiligt sind. Diese werden durch Meiose gebildet.

• Haploide Zellen: Besitzen den halben Chromosomensatz (Keimzellen).
• Diploide Zellen: Besitzen den vollständigen Chromosomensatz (z. B. die Zygote, die bei der Befruchtung entsteht).

Beispiele für sexuelle Fortpflanzung: Eizellen, Spermien, Befruchtung, Embryonen.

Zelltypen und Fortpflanzung bei Einzellern

• Prokaryoten: Einzeller ohne Zellkern (genetisches Material liegt frei).
• Eukaryoten: Zellen mit einem vom Zytoplasma getrennten Zellkern.

Die asexuelle Fortpflanzung ist bei Einzellern häufig. Nach der Verdopplung kann sich die Zelle teilen durch:

• Zweiteilung (Binäre Spaltung)
• Knospung

Sexuelle Fortpflanzung bei Pflanzen (Angiospermen)

Der Lebenszyklus der Angiospermen (Blütenpflanzen) umfasst Wurzel, Stamm und Blätter. Die Staubblätter produzieren männliche Sporen durch Meiose, die zu den Fruchtblättern transportiert werden.

Fortpflanzung bei Tieren

Tiere besitzen Geschlechtsorgane, in denen durch Meiose haploide Gameten gebildet werden.

Entwicklungsformen (Wirbeltiere)

• Ovipar (Eier legend): Der Embryo entwickelt sich in Eiern außerhalb des Mutterleibs (z. B. Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel).
• Vivipar (Lebendgebärend): Der Embryo entwickelt sich innerhalb des weiblichen Körpers (z. B. Säugetiere).

Befruchtungsarten

• Interne Befruchtung: (z. B. Reptilien, Säugetiere, Vögel).
• Externe Befruchtung: (z. B. Fische, Amphibien).

Lebenszyklus der Tiere

Haploide Gameten (männlich und weiblich) verschmelzen bei der Befruchtung zur diploiden Zygote, die sich zu einem diploiden erwachsenen Individuum entwickelt.

Weitere Konzepte der Embryonalentwicklung

• Ovipar (Eier legend): Entwicklung in Eiern außerhalb des Mutterleibs.
• Vivipar (Lebendgebärend): Entwicklung im Mutterleib.
• Ovovivipar: Eier werden im Mutterleib angelegt, der Embryo schlüpft aber noch im Mutterleib.

Ökosysteme und ihre Komponenten

Ein Ökosystem ist ein Teil der Natur, der von Lebewesen bewohnt wird (z. B. Wald, See, Fluss).

Komponenten eines Ökosystems

• Biotische Faktoren (Biozönose): Die Gemeinschaft der Lebewesen.
• Abiotische Faktoren (Biotop): Die physikalische Umwelt (z. B. Boden, Wasser, Luft).

Klassifizierung von Ökosystemen

• Aquatische Ökosysteme (Wasser)
• Terrestrische Ökosysteme (Land/Luft)

Biotische Beziehungen

Beziehungen zwischen Lebewesen in einem Ökosystem werden unterschieden in:

• Intraspezifische Beziehungen: Zwischen Individuen derselben Art.
• Interspezifische Beziehungen: Zwischen Individuen verschiedener Arten.

Intraspezifische Beziehungen

• Wettbewerb: Wenn Ressourcen knapp sind.
• Zusammenarbeit: Wenn die Interaktion einen Vorteil für die Gruppe bringt.

Formen der Zusammenarbeit

• Familien: Männchen und Weibchen leben zusammen.
• Gregäre Verbände (Herden/Schwärme): Temporäre Zusammenschlüsse zu einem bestimmten Zweck (z. B. Herden von Zebras, Schwärme von Fischen oder Vögeln).
• Staaten/Partnerschaften: Insekten (Ameisen, Bienen), die sich durch differenzierte Kasten auszeichnen (z. B. Königin, Arbeiterinnen, Drohnen).
• Kolonien: Tiere, die ungeschlechtlich entstanden sind und physisch verbunden bleiben (z. B. Korallen).

Interspezifische Beziehungen

• Wettbewerb: Beide Arten erleiden Nachteile.
• Parasitismus: Eine Art lebt auf Kosten der anderen (z. B. Läuse, Zecken, Mücken).
• Prädation (Raub): Ein Tier tötet ein anderes, um es zu fressen (z. B. Spinnen, Insekten).
• Kommensalismus (Tischgemeinschaft): Eine Art profitiert von den Resten der anderen, ohne diese zu schädigen (z. B. Insekten, Milben).
• Mutualismus/Gegenseitigkeit: Beide Arten profitieren voneinander (z. B. Einsiedlerkrebs und Seeanemone).
• Symbiose: Eine enge Form des Mutualismus (z. B. Algen und Pilze bilden eine Flechte).

Nahrungs- und Trophische Beziehungen

Man unterscheidet fünf trophische Ebenen:

1. Produzenten (Autotrophe): Führen Photosynthese durch und produzieren organische Stoffe (z. B. Pflanzen, Algen).
2. Primärkonsumenten (Pflanzenfresser): Ernähren sich von Produzenten.
3. Sekundärkonsumenten (Fleischfresser): Ernähren sich von Primärkonsumenten.
4. Tertiärkonsumenten (Spitzenprädatoren): Ernähren sich von Sekundärkonsumenten.
5. Zersetzer (Destruenten): Ernähren sich von den Resten anderer Lebewesen und Kot (z. B. Pilze, Bakterien).

Hinweis: Heterotrophe Lebewesen sind Konsumenten und Zersetzer.

Strukturen der Nahrungsbeziehungen

• Nahrungskette: Lineare Darstellung der trophischen Beziehungen.
• Nahrungsnetze: Komplexe Verflechtung mehrerer Nahrungsketten.
• Trophische Pyramiden: Grafische Darstellung der trophischen Ebenen eines Ökosystems.

Wichtige Abiotische Faktoren

Abiotische Faktoren sind die physikalisch-chemischen Komponenten eines Ökosystems, die das Leben stark beeinflussen:

• Feuchtigkeit/Wasser: Lebewesen bestehen zu etwa 70 Gew.-% aus Wasser.
• Temperatur: Bestimmt, welche Organismen überleben können (optimale Temperaturbereiche).
• Licht: Essentiell für die Photosynthese der Produzenten und damit für die gesamte Nahrungskette.

Aquatische Ökosysteme

Aquatische Ökosysteme umfassen alle wasserbedeckten Gebiete (z. B. Ozeane, Flüsse, Seen).

Das Leben im Meer

• Litoralzone (Küstenregion): Flaches, beleuchtetes Wasser nahe der Küste mit hoher Artenvielfalt.
  • Produzenten: Phytoplankton, Algen.
  • Primärkonsumenten: Pflanzenfressende Fische.
  • Sekundärkonsumenten: Fleischfressende Fische.
• Ozeanische Region: Tiefere Gewässer, weiter entfernt von der Küste. Organismen sind an Dunkelheit, niedrige Temperaturen und hohen Druck angepasst.

Das Leben in Flüssen

Flüsse werden oft in Abschnitte unterteilt:

• Oberlauf: Wasser fließt schnell. Produzenten: Algen. Tiere: Larven, Forellen.
• Mittellauf: Geringere Strömung, höhere Vielfalt an Pflanzen und Tieren (z. B. Welse, Ufervegetation).
• Unterlauf: Langsam fließendes Wasser mit großer Vielfalt an Lebewesen.

Terrestrische Ökosysteme und Biome

Terrestrische Ökosysteme zeichnen sich durch eine hohe klimatische Vielfalt aus.

Definition Biome

Ein Biom ist ein großer Bereich der Erde, der durch ähnliche klimatische Bedingungen und ähnliche Ökosysteme gekennzeichnet ist.

Wichtige Land-Biome

• Tundra: Niedrige Temperaturen, dauerhaft gefrorener Boden. Vegetation: Moose und Flechten. Tiere: Rentiere.
• Taiga (Borealer Nadelwald): Kaltes Klima mit warmen, feuchten Sommern. Dominierende Bäume: Tannen und Kiefern.
• Gemäßigte Wälder: Milde Temperaturen und reichliche Niederschläge. Dominierende Bäume: Eichen und Buchen.
• Steppe: Geringer Niederschlag verhindert Baumwachstum. Reich an krautigen Pflanzen. Tiere: Insekten, Reptilien, Vögel, Säugetiere.
• Tropischer Regenwald (Selva): Warmes und feuchtes Klima. Große Bäume. Hohe Vielfalt an Amphibien, Reptilien und Primaten (Gorillas, Schimpansen).
• Savanne: Ausgeprägte Trocken- und Regenzeit. Viele Gräser, wenige Bäume. Weidetiere (Zebras, Antilopen).
• Wüsten: Hohe Temperaturen und wenig Regen. Angepasste Pflanzen und Tiere (Kakteen, Reptilien).

Das Leben im Wald

Wälder sind Ökosysteme, die sich in milden Klimazonen entwickeln und reich an Pflanzen und Tieren sind.

• Laubwälder: Bäume verlieren im Winter ihre Blätter.
• Immergrüne Wälder: Bäume behalten das ganze Jahr über ihre Blätter.

Typische Tierwelt: Säugetiere, Amphibien, Reptilien, Arthropoden.