Grundlagen der Biologie: Photosynthese, Zellteilung und die Fünf Reiche
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Photosynthese: Der Lebensprozess der Pflanzen
Die Photosynthese ist der Prozess, der Pflanzen die Grundlage gibt, ihre eigenen Nährstoffe herzustellen. Er basiert auf der Fähigkeit von Pflanzen, Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln, die in den Bindungen bestimmter Moleküle gespeichert wird. Durch diesen Prozess wird die Vielfalt des Lebens, die wir auf der Erde sehen, erst möglich.
Dieser Prozess findet in Lebewesen statt, die das Pigment Chlorophyll besitzen. Die Zellorganellen, welche das Chlorophyll beherbergen, sind bei grünen Pflanzen und einigen Bakterien vorhanden. Bei grünen Pflanzen sind die Chlorophyll-tragenden Organellen die Chloroplasten, lamellare Strukturen, die in vielen Pflanzenzellen vorhanden sind. Bei Bakterien, die Chlorophyll besitzen, befindet es sich in sehr kleinen Körnchen, den sogenannten Chromatophoren.
Chemische Vorgänge der Photosynthese
Die Lichtenergie wird von einem Chlorophyllmolekül erfasst, das dadurch energiereich wird. Dieses "angeregte" Molekül befindet sich in einem instabilen Zustand. Um in seinen stabilen, energieärmeren Zustand zurückzukehren, muss es die Energie freisetzen, die es durch das Licht aufgenommen hat. Diese Energie ist nun keine Lichtenergie mehr, sondern chemische Energie.
Die chemische Reaktion, die in der Pflanze abläuft, ist die Bildung einer energiereichen Substanz, die für das Überleben sehr wichtig ist (dieser Stoff enthält in seinen Molekülen Phosphorsäure).
Wichtige Folgen der Photosynthese
- Nutzung der Lichtenergie durch Pflanzen.
- Herstellung von Glucose (Zucker).
- Abbau von atmosphärischem CO2.
- Anreicherung der Atmosphäre mit O2 (Sauerstoff).
Meiose: Reduktionsteilung zur Keimzellenbildung
Die Meiose ist ein Prozess der Kernteilung, der darauf abzielt, Tochterkerne mit der Hälfte der Chromosomenzahl der Mutterzelle zu bilden. Die Chromosomenzahl der Stammzellen vor der Meiose wird als diploid bezeichnet, während die Chromosomenzahl in den Tochterzellen als haploid bezeichnet wird.
Phasen der Meiose I (Reduktionsteilung)
Prophase I
Die Chromosomen spiralisieren sich und werden sichtbar. Anschließend verschwindet die Kernmembran, und die Spindel organisiert sich.
Metaphase I
Die Chromosomenpaare (homologe Chromosomen) legen sich in der Äquatorialebene der Spindel an. Sie sind eng miteinander verbunden.
Anaphase I
Die gepaarten Chromosomen trennen sich und wandern zu den entgegengesetzten Polen der Zelle. Jeder Pol erhält einen haploiden Satz von Chromosomen, wobei jedes dieser Chromosomen noch aus zwei verbundenen Chromatiden besteht.
Telophase I
Um jeden Satz von Chromosomen bildet sich eine Kernmembran, wodurch die beiden Tochterkerne entstehen.
Phasen der Meiose II (Äquationsteilung)
Die zweite Teilung folgt oft unmittelbar auf die erste. Die Chromosomen sind meist bereits spiralisiert.
Prophase II
Sie ist meist sehr kurz. Zwei chromatische Spindeln organisieren sich senkrecht zu denen der ersten Teilung. Die Kernmembran verschwindet (falls sie sich in der Telophase I gebildet hatte).
Metaphase II
Die Chromosomen beider Kerne ordnen sich in der Äquatorialebene ihrer jeweiligen Spindeln an.
Anaphase II
Die beiden Chromatiden jedes Chromosoms trennen sich und wandern zu den entgegengesetzten Polen der Spindeln. Das Ergebnis ist die Bildung von vier Gruppen von Chromatiden, jede mit einer haploiden Anzahl.
Telophase II
Es bildet sich eine Membran um jeden Satz von Chromatiden, sodass vier Tochterkerne entstehen. Das Endergebnis der Meiose ist die Bildung von vier haploiden Zellen aus einer diploiden Stammzelle.
Die Reiche des Lebens
Reich Monera (Bakterien und Cyanobakterien)
Das Reich Monera umfasst alle Lebewesen mit prokaryotischer Organisation. Das bedeutet, sie haben eine sehr einfache Zytoplasmastruktur, es fehlen alle Organellen außer Ribosomen, und vor allem fehlt eine Zellkernmembran, die das Erbmaterial umschließt. Ihre Zellteilung ist daher nicht mitotisch. Es handelt sich um sehr primitive, mikroskopisch kleine und sehr häufig vorkommende Lebewesen. Zu diesem Reich gehören Bakterien und Cyanobakterien (Blaualgen).
Reich Protista (Protozoen und Algen)
Dieses Reich umfasst eine Vielzahl von Organismen, die tier- oder pflanzenähnlich sein können, entweder einzellig oder mehrzellig, jedoch ohne echte Gewebe- oder Zelldifferenzierung. Die Protoctisten sind Eukaryoten und aerob. Zu diesem Reich gehören Algen und Protozoen.
Reich Fungi (Pilze)
Dieses Reich umfasst einzellige und mehrzellige eukaryotische Organismen, die zwar pflanzenähnlich aussehen, aber eine heterotrophe Ernährung aufweisen. Sie nehmen zuvor außerhalb der Zellen verdaute Nahrung auf, indem sie starke Enzyme absondern.
Reich Plantae (Pflanzen)
Die Pflanzen (Metaphyta) sind Eukaryoten und Mehrzeller, die Photosynthese betreiben und primär terrestrisch leben. Sie weisen unterschiedliche Grade der Zelldifferenzierung auf, von der Existenz einer äußeren Zellschicht (Epidermis) bis hin zur Diversifizierung der Gewebe, die bei den höheren Pflanzen auftritt.
Reich Animalia (Tiere oder Metazoa)
Es umfasst alle mehrzelligen Organismen mit typischen tierischen Merkmalen. Sie sind Eukaryoten und führen keine Photosynthese durch, sind also heterotroph. Ihre spezialisierten Zellen sind zu Geweben gruppiert, die wiederum Organe bilden, deren Zusammenspiel in den am weitesten entwickelten Tieren zu Organsystemen führt.
Mitose: Zellvermehrung und identische Reproduktion
Die Mitose ist ein Zellteilungsverfahren, das der Reproduktion von Organismen dient. Es ist ein Prozess, der es einer Stammzelle ermöglicht, zwei oder mehr Tochterzellen zu bilden, die mit der Erzeugerzelle identisch sind.
Phasen der Mitose
Interphase
Sie liegt vor und nach der eigentlichen Mitose (Prophase und Telophase), da der gesamte Prozess kontinuierlich ist. Hier bereitet sich die Zelle auf die Teilung vor.
Prophase
Dies ist die wichtigste und längste Phase der Mitose. Die beiden Zentriolen trennen sich und bilden die mitotische Spindel. Der Nukleolus und die Kernmembran beginnen sich aufzulösen und verschwinden am Ende dieser Phase. Das Chromatin im Interphasekern, das klumpig erscheint, verändert sich, verkürzt sich und verdichtet sich zu immer deutlicheren Doppel-Filamenten.
Metaphase
Die spiralisierten Filamente sind sehr kurz und dick und bilden die Chromosomen. Diese sind in zwei gleiche Teile gegliedert, die als Chromatiden bezeichnet werden und in Form und Information identisch sind. Die Chromosomen werden in die Äquatorialebene der Zelle gebracht und bilden dort die sogenannte Äquatorialplatte.
Anaphase
In dieser Phase trennen sich die Chromatiden und wandern zu den entgegengesetzten Polen der Zelle. Schließlich gelangt ein Chromatid jedes Chromosoms zu jedem Pol.
Telophase
Die Chromatiden erreichen die Pole der Zelle. Um jede Gruppe von Chromatiden bildet sich eine Kernmembran, und die Nukleoli erscheinen wieder. Die Teilungsspindel beginnt zu schwinden, und jedes Zentriol dupliziert sich.