Kosmos, Evolution und Infektion: Überblick zu Astronomie, Evolution und Krankheiten

T.1: Anthropozentrische und kosmologische Perspektiven

T.1: Anthropozentrische Perspektive: Die menschliche Sicht des Zentrums des Universums.

Geozentrisches System

Geozentrisches System: Erde als Zentrum des Universums, wie bei Ptolemäus.

Kopernikanische Revolution

Kopernikanische Revolution: Das geozentrische Modell konnte nicht überzeugend die Tage und Nächte sowie die Bewegungen der Planeten und Sterne erklären. Das Modell von Ptolemäus arbeitete mit komplizierten Epizykeln. Später, durch die Arbeit von Kopernikus und anderen, setzte sich die Erkenntnis durch, dass die Sonne im Zentrum des Systems stehen könnte, was zur Geburt des heliozentrischen Systems führte.

Die Unendlichkeit des Universums und unsere Sonne

Die Unendlichkeit des Universums: Die Sonne ist ein Stern innerhalb unserer Galaxie, der Milchstraße (Via Lactea). Unsere Sonne befindet sich am Rand oder in einem der Arme der Milchstraße. Das Sonnensystem dreht sich zusammen mit der Galaxie um deren Achse; eine Umrundung dauert etwa 230 Millionen Jahre. Die Geschwindigkeit beträgt ungefähr 760.000 km/h, und ein solcher Umlauf wird manchmal als galaktisches Jahr bezeichnet.

Die Entdeckung des Alters der Erde und der Zeit

Die Entdeckung der Zeitdimension: Früher nahm man an, die Erde sei nur wenige tausend Jahre alt (z. B. 6000 Jahre). Mit wissenschaftlichen Methoden wurde klar, dass die Erde und das Universum sehr viel älter sind; das Verständnis der Zeit veränderte damit stark die Vorstellungen der Menschheit.

Biologische Evolution

Die biologische Evolution: Bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts galt vielfach, dass jede biologische Art unverändert geschaffen sei. Charles Darwin zeigte, dass Arten sich im Laufe der Zeit verändern können.

Grundlagen zu Planeten

Planeten: Körper, die die Sonne umrunden, haben in der Regel nahezu kugelförmige Gestalt durch ausreichende Masse und räumen ihre Umlaufbahn weitgehend frei. Es gibt verschiedene Kategorien:

• Innerer oder terrestrischer Bereich: Merkur, Venus, Erde und Mars. Diese liegen näher an der Sonne, haben überwiegend feste Oberflächen und oft dünne bis dichte Atmosphären.
• Äußerer Bereich oder Gasriesen: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun. Diese sind groß, besitzen oft keine feste Oberfläche im klassischen Sinne und bestehen überwiegend aus Gasen und/oder flüssigen Schichten.
• Zwergplaneten: Himmelskörper, die die Kriterien für Planeten nur teilweise erfüllen, z. B. Ceres, Pluto, Eris.

Zusammensetzung der Sonne

Zusammensetzung des Sonnensystems / der Sonne: Die Sonne ist überwiegend aus Wasserstoff und Helium aufgebaut. Im Kern finden thermonukleare Reaktionen statt: die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium bei Temperaturen von etwa 15 Millionen °C, die Oberfläche (Photosphäre) hat etwa 6000 °C.

Planetenformen und Klassifikation

Planeten (Definition): Himmelskörper, die die Sonne umkreisen, fast kugelförmig sind und ihre Umlaufbahn geräumt haben; sie können unterschieden werden in:

• Interiore oder terrestrische Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars — felsige Oberflächen, nahe an der Sonne.
• Äußere oder gasförmige Riesen: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun — große Gas-/Flüssigkeitsanteile.

Kleinere Himmelskörper

Kleinere Körper des Sonnensystems: Himmelskörper, die um die Sonne kreisen, darunter:

• Asteroiden: meist unregelmäßig geformte Gesteinskörper. Viele befinden sich im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter; es gibt außerdem Trojaner in Jupiters Umlaufbahn und Zentauren zwischen Jupiter und Neptun.
• Kometen: Kleine Himmelskörper mit stark exzentrischen Bahnen, oft aus Eis und Staub zusammengesetzt; viele stammen aus dem Kuipergürtel oder der Oortschen Wolke.
• Satelliten / Monde: Körper, die Planeten umkreisen; sie können Bruchstücke oder eigenständige Formationen sein.

Planetesimal- und Planetenentstehung

Planetesimal- und Planetenbildungsprozess (Kurzform):

1. Ursprung als Nebel: Vor etwa 4.600 Millionen Jahren: Nebel aus Gas und Staub konzentriert sich.
2. Gravitatorischer Kollaps: Der Nebel kollabiert unter der Gravitation und bildet eine rotierende Scheibe.
3. Bildung der Protosonne: Kollisionen von Partikeln führen zur Erwärmung; die Protosonne beginnt schließlich die Kernfusion.
4. Bildung von Planetesimalen: Teilchen aus Staub und Gas verklumpen.
5. Wachstum zu Protoplaneten: Durch Zusammenstöße formen sich Planetesimale zu Protoplaneten.
6. Reinigung der Bahnen: Jeder Protoplanet räumt die Umgebung seiner Umlaufbahn.

Ursprung des Mondes

Ursprung des Mondes (Hypothesen):

• Schwesterhypothese: Der Mond und die Erde entstanden gleichzeitig aus derselben Region der protoplanetaren Scheibe.
• Tochterhypothese (Kollisionsmodell): Der Mond entstand durch eine Kollision eines großen Körpers mit der frühen Erde; das ausgeworfene Material sammelte sich und bildete den Mond.

Sterne und ihr Lebenszyklus

Sterne: Ein Stern erzeugt Energie durch Kernfusion. Wenn der Wasserstoffvorrat im Kern erschöpft ist, verändern sich die Temperatur und Größe des Sterns: Er kann zu einem Roten Riesen aufblähen; nach dem Verbrauch der Brennstoffe können Überreste als Weißer Zwerg, Neutronenstern oder Schwarzes Loch zurückbleiben, abhängig von der Masse.

Präbiotische Synthese

Präbiotische Synthese (Oparin-Haldane-Hypothese): Oparin und Haldane schlugen unabhängig die Idee vor, dass das Leben auf der Erde durch schrittweise chemische Prozesse aus einer Ursuppe entstanden sein könnte. Wichtige Schritte sind:

1. Bildung einfacher organischer Moleküle: Aus anorganischen Bestandteilen der Atmosphäre und Energiequellen (z. B. UV-Licht, elektrische Entladungen) können einfache organische Moleküle entstehen.
2. Bildung komplexerer organischer Moleküle: Einfache Moleküle reagieren weiter und bilden komplexere organische Verbindungen.
3. Bildung von Koazervaten oder membranähnlichen Strukturen: Einige Verbindungen können zu kugeligen Aggregaten oder „Koazervaten“ zusammenlagern, die als primitive Vorläufer von Zellen gelten.

T.2: Theorien der Evolution und Vorfahren

T.2: Fixismus und alternative Theorien

Fixismus

Fixismus: Der Glaube, dass Arten seit ihrer Entstehung im Wesentlichen unverändert geblieben sind. Merkmale sind anthropozentrische Weltsicht, die Vorstellung einer jungen Erde (z. B. 6000 Jahre) und oft intuitive, aber falsche Schlussfolgerungen.

Lamarckismus

Lamarckismus: Lamarck vertrat die Auffassung, dass Organismen eine natürliche Tendenz zur zunehmenden Komplexität besitzen und dass erworbene Eigenschaften an Nachkommen vererbt werden. Grundideen: Umweltveränderungen verändern die Bedürfnisse und Gewohnheiten von Organismen; diese Gewohnheiten führen zu Veränderungen des Körpers, die dann an Nachkommen weitergegeben werden.

Darwin und natürliche Auslese

Darwin: Legte das Fundament der modernen Evolutionstheorie mit dem Konzept der natürlichen Auslese: Arten verändern sich durch einen langsamen Prozess, bei dem Individuen mit vorteilhaften Variationen eher überleben und sich fortpflanzen. Grundannahmen sind: es werden mehr Individuen geboren, als überleben; innerhalb einer Art gibt es vererbbare Unterschiede; die Umwelt übt einen Selektionsdruck aus; Populationen verändern sich allmählich.

Natürliche Selektion vs. Zielgerichtete Entwicklung

Natürliche Selektion und Anpassung: Während Lamarck eine zielgerichtete, von der Umwelt induzierte Veränderung annahm, beschrieb Darwin die Selektion als unbeabsichtigten Prozess, bei dem nur die vorhandene Variabilität in der Population selektiert wird. Für Darwin gibt es kein vorherbestimmtes Ziel; nur die Umwelt entscheidet, welche Varianten günstiger sind.

Moderne Synthese und Mutation

Moderne Synthese (Synthetische Theorie): Darwins Ideen wurden mit genetischen Erkenntnissen verbunden. Wichtige Beiträge: die Einheit der Evolution ist die Population (nicht das einzelne Individuum) und die Entstehung der Variabilität wird durch Mutationen und Rekombination erklärt. Die schrittweise Entwicklung ist in vielen Fällen zutreffend, aber nicht immer vollständig ausreichend, um alle Befunde zu erklären.

Punktualismus und Evo-Devo

Stephen Jay Gould und Niles Eldredge schlugen die Theorie des punktualistischen Wandels vor (Punctuated Equilibrium): Fossilbefunde zeigen oft lange Phasen für Stabilität und kurze Phasen rascher Veränderung, wodurch das strikt gradualistische Modell ergänzt wird. Evo-Devo (Evolutionsentwicklung) untersucht, wie Entwicklungsgenetik und Genregulation die Formen und das Design von Organismen steuern; Hierarchien von Genen kontrollieren Details bis hin zu großen Körpermerkmalen.

Hominine Vorfahren

Vorfahren (Kurzangaben):

• Homo habilis: etwa 1,2–1,5 m groß, vor ca. 2,5 Mio. Jahren, Gehirnvolumen ~600 cm³.
• Homo ergaster: Körpergröße und Volumen variabel, geschätztes Gehirnvolumen ~800–1000 cm³.
• Homo erectus: bis etwa 1,7 m, lebte bis vor einigen hunderttausend Jahren, Gehirnvolumen ~800–1100 cm³.
• Homo antecessor: geschätzt ~1,2 m (variiert), lebte vor ca. 300.000 Jahren, Gehirnvolumen ~1000–1100 cm³.
• Homo neanderthalensis: lebte etwa 300.000–28.000 Jahre vor heute, Gehirnvolumen ~1500 cm³ (variieren).

T.3: Auftretende und wiederauftauchende Krankheiten

T.3: Auftretende Krankheiten: Diese Krankheiten werden durch bisher unbekannte Erreger verursacht oder sind bekannte Krankheiten, die erneut auftreten. Wiederauftauchende Krankheiten sind wichtige Erkrankungen aus der Vergangenheit, die weiterhin existieren (z. B. Cholera, Tuberkulose, Dengue, Malaria).

Keimtheorie der Krankheit

Keimtheorie: Louis Pasteur begründete den Zusammenhang zwischen bestimmten Krankheiten und der Anwesenheit von Mikroorganismen beim Patienten. Robert Koch prüfte diese Theorie experimentell und zeigte für viele Krankheiten spezifische Erreger nach. Koch beobachtete unter dem Mikroskop Proben von Patientenblut und stellte fest, dass bestimmte Bakterien konsistent mit bestimmten Krankheiten assoziiert waren. Durch Wiederholung der Experimente unter verschiedenen Bedingungen bestätigte Koch, dass jede Krankheit durch spezifische Organismen verursacht werden kann und dass ein Organismus typischerweise eine bestimmte Krankheit hervorruft.

Infektionserreger und Beispiele

Infektionserreger: Einige Mikroorganismen sind pathogen und können Infektionskrankheiten verursachen. Zu den Erregern gehören:

• Viren: Sind zelluläre Parasiten, die in Wirtszellen eindringen und sich dort vermehren. Viele antivirale Maßnahmen sind schwierig, weil Viren sich in Wirtszellen replizieren.
• Bakterien: Einzellige prokaryotische Organismen, die sich selbstständig vermehren können, ohne in eine Wirtszelle einzudringen.
• Protozoen: Einzellige eukaryotische Organismen, die Infektionen verursachen können.
• Pilze: Können einzellig oder mehrzellig sein und ebenfalls Krankheiten hervorrufen.

Quellen und Übertragungswege

Quellen der Infektion / Übertragungswege:

• Direkte Übertragung: Direkter Kontakt zwischen Infizierten und Gesunden.
• Indirekte Übertragung: Übertragung über ein Medium (Wasser, Lebensmittel, Gegenstände) zu gesunden Personen.

Antibiotika und antivirale Mittel

Antibiotika: Chemische Substanzen, die Bakterien töten oder deren Vermehrung hemmen. 1929 beobachtete Alexander Fleming, dass kulturkontaminierender Pilz Bereiche frei von Bakterien ließ; daraus wurde später Penicillin isoliert.

Antivirale Mittel: Die meisten Antibiotika haben keine Wirkung auf Viren. Antivirale Medikamente sind schwieriger zu entwickeln, weil Viren im Inneren von Wirtszellen replizieren.

Resistenz gegen Antibiotika

Entstehung von Resistenz: Resistenz kann durch genetische Mutationen entstehen, die die Wirksamkeit eines Antibiotikums vermindern. Außerdem kann der Austausch von Genen (horizontaler Gentransfer) dazu führen, dass ein Bakterium resistente Informationen an andere weitergibt. Beide Mechanismen sind natürliche Phänomene und schwer vollständig zu vermeiden. Ursachen, die Resistenz fördern, sind unzureichende Behandlung und der Einsatz von Antibiotika in Landwirtschaft und Tierhaltung.

Neue Medikamente: Entwicklungsphasen

Entwicklung neuer Medikamente — zwei Hauptschritte:

1. Präklinische Phase: Forschung und Entwicklung. Auswahl natürlicher Substanzen oder neu entwickelter Moleküle und deren Prüfung in Labor- und Tierversuchen.
2. Klinische Phase: Tests am Menschen in mehreren Stadien:
   • Phase I: Kleine Gruppen gesunder Freiwilliger, Sicherheitsprüfung.
   • Phase II: Kleine Gruppe von kranken Patienten; Überprüfung von Wirksamkeit und Dosis.
   • Phase III: Größere Gruppe von Patienten; Vergleich mit bestehenden Medikamenten und weiterführende Sicherheitstests.

Influenza

Influenza: Dieses Virus ist gekennzeichnet durch:

• a) Die genetische Information ist in 8 kleinen RNA-Segmenten verteilt.
• b) Die Hülle trägt zwei Arten von viralen Molekülen, die verschiedene Virustypen definieren: H (Hämagglutinin) und N (Neuraminidase).