am Puls Biologie 6, Schulbuch

Mit Online-Codes im Buch am Puls Biologie Barbara Fischer | Michel Fleck | Uwe K. Simon mit erweitertem Aufgabenbereich

1. Auflage (Druck 0001) © Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart, Bundesrepublik Deutschland, 2010 © der Lizenzausgabe: Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2023 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Mag. Johanna Kramer-Gerstacker, Iwona Dullinger, PhD, Dr. Stefan Kapeller Herstellung: Alexandra Brych, Wien Umschlaggestaltung: Jens-Peter Becker, normalsdesign GbR, Schwäbisch Gmünd Layout: Jens-Peter Becker, normaldesignGbR, Schwäbisch Gmünd, Martin Stumpauer, Wien Satz: CMS – Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Druck: Ferdinand Berger & Söhne Ges.m.b.H., Horn ISBN 978-3-209-11668-0 (am Puls Biologie SB 6 + E-Book) ISBN 978-3-209-13392-2 (am Puls Biologie SB 6 E-Book Solo) am Puls Biologie OS SB 6 + E-Book Schulbuchnummer: 210195 am Puls Biologie OS SB 6 E-Book Solo Schulbuchnummer: 211393 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung vom 15. September 2022, 2O21-0.724.449, gemäß § 14 Absatz 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch an allgemein bildenden höheren Schulen für die 6. Klasse im Unterrichtsgegenstand Biologie und Umweltkunde geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, Sie bekommen dieses Schulbuch von der Republik Österreich für Ihre Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist - §42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Bearbeitung auf der Grundlage von Markl Biologie Oberstufe, 1. Auflage, ISBN 978-3-12-150010-9, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2010; Markl Biologie 1, 1. Auflage, ISBN 978-3-12-150020-8, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2014; Markl Biologie 2, 1. Auflage, ISBN 978-3-12-150030-7, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015; (Herausgeber: Jürgen Markl; Autoren: Berthold Brose, Ika Friedrich, Sven Gemballa, Jürgen Heinze, Holger Knerich, Ralf Küttner, Inge Kronberg, Jürgen Markl, Nico K. Michiels, Matthias Nolte, Harald Paulsen, Benjamin Roser, Ulrich Schmid, Walter Stöcker, Roland Strauss), Markl Biologie Arbeitsbuch Oberstufe, 1. Auflage, ISBN 978-3-12-150012-3, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2010; Markl Biologie Experimentebuch Oberstufe, 1. Auflage, ISBN 978-3-12-150014-7, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2011 (Herausgeber: Jürgen Markl; Autoren: Berthold Brose, Ika Friedrich, Sven Gemballa, Tobias Grümme, Jürgen Heinze, Holger Knerich, Hans-Peter Krull, Ralf Küttner, Inge Kronberg, Jürgen Markl, Nico K. Michiels, Matthias Nolte, Harald Paulsen, Benjamin Roser, Ulrich Schmid, Walter Stöcker, Roland Strauss) Umschlagbild: Neukaledonische Krähe – Jean-Paul Ferrero, Mary Evans / picturedesk.com Illustrationen: Christine Pleyl-Horzynek, Wien; vasp datatecture GmbH, Zürich; Nadja Stadelmann und Andrea Ulrich, DESCIENCE, Luzern Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

www.oebv.at Barbara Fischer Michel Fleck Uwe K. Simon am Puls Biologie Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

2 Inhalt So arbeitest du mit „am Puls Biologie“ 4 Basiskonzepte 6 3. Semester 8 1 Nervensystem 10 1.1 Das Nervensystem 11 1.2 Potenziale am Neuron 16 1.3 Die Ausbreitung von Signalen 18 1.4 Störungen des Nervensystems 23 1.5 Wahrnehmung 25 Methoden in der Praxis Messung der Gehirnaktivität 30 Blick in die Forschung Was schmeckt? 31 Kompetenz-Check Nervensystem 32 2 Hormonsystem 34 2.1 Wirkungsweise von Hormonen 35 2.2 Hormone und Hormondrüsen 38 2.3 Vegetatives Nervensystem und Nebennieren 44 Methoden in der Praxis Dopingtests im Sport 46 Blick in die Forschung Unser Tag-Nacht-Rhythmus ist hormonell gesteuert 47 Kompetenz-Check Hormonsystem 48 3 Fortpflanzung und Entwicklung 50 3.1 Asexuelle Fortpflanzung 51 3.2 Sexuelle Fortpflanzung 55 3.3 Embryonalentwicklung bei Tieren 59 Methoden in der Praxis Falsch platzierte Augen 62 Blick in die Forschung Fortpflanzungsstrategien bei Tieren 63 Kompetenz-Check Fortpflanzung und Entwicklung 64 4 Sexualität beim Menschen 66 4.1 Sexualität und Liebe 67 4.2 Sexualität und Gesellschaft 68 4.3 Pubertät: Körper und Gefühle ändern sich 71 4.4 Vom Bub zum Mann 73 4.5 Vom Mädchen zur Frau 75 4.6 Der weibliche Zyklus 77 4.7 Sexualität und Emotionen: Die Rolle der Hormone 80 4.8 Embryonalentwicklung beim Menschen 81 4.9 Reproduktionsmedizin 85 4.10 Empfängnisverhütung 88 Methoden in der Praxis Zukunftsaufzeichnungen helfen, Fruchtbarkeitszeitraum und Stimmungen zu verstehen 92 Blick in die Forschung Hormone im Abwasser machen Amphibienmännchen weiblich 93 Kompetenz-Check Sexualität beim Menschen 94 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

3 5 Ökologie, Ökonomie und Nachhaltigkeit 96 5.1 Treibhausgase und Klimawandel 97 5.2 Korallensterben 100 5.3 Energienutzung 102 Methoden in der Praxis Wie viel Strom verbraucht mein Kühlschrank? 104 Blick in die Forschung LED-Lampen: Stromsparen und Fledermäuse 105 Kompetenz-Check Ökologie, Ökonomie und Nachhaltigkeit 106 Semestercheck (3. Semester) 108 4. Semester 110 6 Ökologie 112 6.1 Umweltfaktoren bestimmen Vorkommen, Häufigkeit und Aussehen einer Art 113 6.2 Lebewesen eines Habitats interagieren 120 6.3 Stoffkreisläufe und Energiefluss 127 6.4 Ökosysteme 130 6.5 Mensch und Umwelt 132 Methoden in der Praxis Bestimmung der Gewässergüte 134 Blick in die Forschung Klimawandel und Artensterben 135 Kompetenz-Check Ökologie 136 7 Immunsystem 138 7.1 Aufbau des Immunsystems 139 7.2 Die unspezifische Immunabwehr 141 7.3 Die adaptive Immunabwehr 143 7.4 Impfungen 145 7.5 Fehlfunktionen des Immunsystems 148 Methoden in der Praxis Ein Impfstoff gegen Zika 152 Blick in die Forschung Wie wichtig sind Impfungen? 153 Kompetenz-Check Immunsystem 154 8 Verhaltensbiologie 156 8.1 Angeborenes und umweltbeeinflusstes Verhalten 157 8.2 Lernen 160 8.3 Kommunikation und Sozialverhalten 163 8.4 Menschliches Verhalten 167 Methoden in der Praxis Wie klug sind Hunde? 168 Blick in die Forschung Werkzeuggebrauch bei Tieren 169 Kompetenz-Check Verhaltensbiologie 170 9 Bioplanet Erde 172 9.1 Die Erde im Sonnensystem 173 9.2 Der Aufbau der Erde 174 9.3 Die Erde verändert sich 179 Methoden in der Praxis Bodenschätze, Prospektion und Zeigerpflanzen 184 Blick in die Forschung Gefahr aus dem All? 185 Kompetenz-Check Bioplanet Erde 186 Semestercheck (4. Semester) 188 Register und Bildnachweis 190 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

4 So arbeitest du mit „am Puls Biologie“ Kapiteleinstieg 138 Immunsystem 7. Du lernst in diesem Kapitel … W Wissen organisieren … Du erfährst, wie das menschliche Immunsystem aufgebaut ist, und welche Aufgaben es hat. … Du lernst die Funktionsweisen der unspezifischen und der adaptiven Immunabwehr kennen. … Du kennst die unterschiedlichen Typen von weißen Blutkörperchen, die in der Immunabwehr eine Rolle spielen. E Erkenntnisse gewinnen … Du kannst analysieren, wie durch Impfungen Infektionskrankheiten stark zurückgedrängt werden können. … Du weißt, was bei einer Allergie im menschlichen Körper passiert und kannst diese Vorgänge mit einer Immunreaktion auf einen Krankheitserreger vergleichen. … Du kannst den zeitlichen Verlauf der Immunschwächekrankheit AIDS und ihrer Symptome beschreiben. S Schlüsse ziehen … Du kennst den Mechanismus von Impfungen sowie den Unterschied zwischen Schutz- und Heilimpfung. … Du kannst die Vorteile und Risiken von Impfungen abschätzen. … Du weißt, wie du dich verhalten musst, um dich vor der Immunschwächekrankheit AIDS zu schützen. Obwohl Schutzimpfungen gegen viele früher lebensbedrohliche Infektionskrankheiten wie Pocken, Tollwut und Cholera existieren gibt es nach wie vor keine Impfung gegen AIDS. Warum kann man sich nicht auch gegen AIDS impfen lassen? Was ist an dieser Krankheit anders? Um diese Fragen geht es in diesem Kapitel. Obwohl es noch keinen Impfstoff gegen AIDS gibt, hat die Erforschung der Immunschwächekrankheit viel zum grundlegenden Verständnis des menschlichen Immunsystems beigetragen. In diesem Kapitel lernst du die Mechanismen kennen, mit denen sich unser Körper gegen Eindringlinge wie Bakterien, Viren und Parasiten verteidigt. « Das HI-Virus (gelb) attackiert ein weißes Blutkörperchen eines Menschen (blau) (gefärbte elektronenmikroskopische Aufnahme, Vergrößerung: etwa 3 000 ×). 40 Jahre nach der Entdeckung des HI-Virus gibt es noch immer keinen Impfstoff gegen AIDS » Bonusmaterial Ó 77eu26 Lerninhalte Hier findest du eine Übersicht über die wichtigsten Lerninhalte des Kapitels. Kapiteleinstieg Ein neues Kapitel beginnt immer mit einer spannenden Einleitung. Mit aktuellen Fragestellungen und Themen des Alltags wirst du auf die kommenden Inhalte eingestimmt. Online-Codes Hier findest du ergänzendes Material. Einfach den Code in das Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zum passenden Bonusmaterial weitergeleitet. Themenseite Aufgaben 119 Ökologie Ökologische Konvergenz: Nicht verwandte Arten können sehr ähnlich aussehen Kolibris sind eine Familie von farbenprächtigen Vogelarten, die aufgrund ihres Flügelbaus und ihres extrem schnellen Flügelschlags auf der Stelle schwebend fliegen können. Sie kommen nur in Amerika vor. Dafür gibt es in Afrika Nektarvögel, die den Kolibris in Körperbau und Flugvermögen sehr ähneln (kAbb. 8). Auch Nektarvögel können beim Fliegen auf der Stelle stehen, und auch sie saugen mit ihren langen Schnäbeln Nektar aus Blüten. Beide Vogelgruppen haben somit sehr ähnliche Nahrungsnischen, sind aber nicht miteinander verwandt. Wie kam es zu dieser verblüffenden Übereinstimmung? In beiden Lebensräumen gedeihen Gefäßpflanzen mit großen Blüten. Deren Nektar erreichen Tiere nur, wenn sie frei schwebend in der Luft mit einem verlängerten Schnabel oder Saugrüssel tief in die Blüte hineingelangen. Daran sind Nektarvögel und Kolibris unabhängig voneinander auf verschiedenen Kontinenten angepasst. In Abbildung 8 findest du weitere Beispiele für derartige Ähnlichkeiten bei nicht näher miteinander verwandten Organismen unterschiedlicher Regionen. Dieses Phänomen wird ökologische Konvergenz genannt. Nicht verwandte Arten besetzen vergleichbare Nischen in unterschiedlichen Regionen Variabilität, Verwandtschaft, Geschichte und Evolution Arten sind an die Umweltbedingungen in ihren Lebensräumen angepasst. Struktur und Funktion Die Form und das Nahrungssuch-Verhalten der Nektarvögel und der Kolibris ähneln einander, weil ihre Nahrungsquelle (Blüten) ähnlich aufgebaut sind. Typ Amerika Eurasien Afrika Australien Nektar saugende Vögel Kolibri Blütenpicker Nektarvogel Honigfresser Saftpflanzen mit wasserspeicherndem Stamm (Stammsukkulenten) Kaktus fehlen Kandelaber- Wolfsmilch fehlen weitestgehend bodenwühlende Säugetiere Taschenratte (Nagetier) Maulwurf (Insektenfresser) Goldmull (Insektenfresser) Beutelmull (Beuteltier) Abb. 8: In der Anpassung an ähnliche ökologische Nischen kommt es selbst bei nicht verwandten Arten zu Ähnlichkeiten in Körperbau und Verhalten. Ökologische Divergenz: Verwandte Arten können sehr unterschiedlich aussehen Genauso faszinierend wie die ökologische Konvergenz ist ihr Gegenteil, die ökologische Divergenz (adaptive Radiation1). Hier hat eine Art freie ökologische Nischen vorgefunden und sich in der Folge in zahlreiche spezialisierte Arten aufgespalten. Berühmte Beispiele sind die Galapagosfinken, die Kleidervögel auf Hawaii und die Buntbarsche der afrikanischen Seen. Adaptive Radiation und Konvergenz zeigen, wie eng Evolution und Ökologie zusammenhängen. Die Ökologie wird letztlich nur im Kontext der Evolution verständlich, also der seit Milliarden von Jahren anhaltenden Entwicklung des Lebens. 1 adaptive Radiation: radiatus (lat.) = ausstrahlend; Ausbreitung bei der in Teilgruppen von Arten im Laufe der Evolution Eigenschaften entstanden sind, die ein Überleben bei anderen als den ursprünglichen Lebensbedingungen ermöglichen; Aus diesen Teilgruppen (= Populationen) können neue Arten entstehen. Eng verwandte Arten können unterschiedliche Nischen besetzen und dabei Aussehen und Verhalten verändern 1 S Begründe, warum für den Wüstenfuchs große Ohren lebensnotwendig sind. 2 W Vögel sind gleichwarme Tiere (homoiotherm). Manche Vogelarten wie der Kolibri senken aber in der Nacht ihre Körpertemperatur drastisch ab: von ca. 40 °C auf bis zu 18 °C. Recherchiere die Gründe dafür. Lege dar, warum dieses Torpor genannte Phänomen v. a. bei kleinen Vögeln vorkommt. 3 S Begründe, warum die Kakteen Amerikas und die Wolfsmilchgewächse Afrikas so ähnlich gebaut sind. Kernaussagen In der Randspalte findest du wichtige Kernaussagen zu einem Thema. Aufgaben Überprüfe dein Wissen! Die Symbole W, E und S weisen darauf hin, welche Handlungskompetenzen (siehe S. 5) bei dieser Aufgabe geübt werden. Basiskonzepte Hier findest du auch Infos zu den Basiskonzepten . Sie stellen einen Zusammenhang mit den farbig hervorgehobenen Passagen im Text her. Fußnoten Wichtige Fachbegriffe werden in den Fußnoten erklärt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentu des Verlags öbv

5  Basiskonzepte 124 Die Umweltkapazität eines Lebensraums begrenzt die Zahl der Individuen einer Art Das Darmbakterium Escherichia coli teilt sich unter idealen Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Nahrung) alle 20 Minuten. Nach zwei Teilungen sind aus einem Bakterium 22 = 4, nach 3 Teilungen 23 = 8 Bakterien geworden. Die Anzahl der Bakterien steigt exponentiell. 24 Stunden später würden alle entstandenen Bakterien zusammen das Volumen eines Mehrfamilienhauses ausfüllen. Nach einem weiteren Tag wäre die Größe der Erde erreicht. Da wäre dein Darm längst geplatzt. Natürlich kommt es nicht soweit, denn die Menge verfügbarer Nährstoffe nimmt mit zunehmender Zahl der Bakterien ab. Ausgeschiedene Stoffwechselprodukte hemmen zudem die Vermehrung. Der Platz wird eng. Daher vermehrt sich kein Lebewesen dauerhaft exponentiell. Biotische und abiotische Faktoren eines Lebensraumes regeln die Anzahl der Mitglieder einer Art. Jeder Lebensraum hat ein bestimmtes Fassungsvermögen für eine Art, die Umweltkapazität (K). Die meisten Arten vermehren sich deswegen eher logistisch: Die Anzahl der Individuen steigt zunächst fast exponentiell, schwächt sich dann ab und pendelt sich schließlich bei dem Kapazitätswert ein, der für diese Art in diesem Lebensraum gilt (kAbb. 14). Allerdings unterscheiden sich einzelne Arten hinsichtlich ihrer Vermehrungsgeschwindigkeit. Bakterien oder Blattläuse können in extrem kurzer Zeit beinahe explosionsartig zunehmen, wenn die Lebensbedingungen günstig sind. Solche Arten werden r-Strategen (r = Reproduktion) genannt. Bäume oder Großsäuger wie der Elefant halten die Zahl ihrer Individuen relativ konstant an der Kapazitätsgrenze ihres Lebensraums und gelten daher als K-Strategen (K = Kapazität). Das gelingt aber nur, wenn die Umweltbedingungen einigermaßen gleichbleiben. r- und K-Strategien sind idealisierte Grenzfälle, zwischen denen es fließende Übergänge gibt. Merkmale von r- und K-Strategen sind in Tabelle 4 gegenübergestellt. r-Strategen investieren viel Energie in die Erzeugung hoher Nachkommenzahlen. Sie bleiben daher meist klein und sind kurzlebig. K-Strategen investieren mehr in die Sicherung der individuellen Existenz, indem sie die Nachkommen oft aufwändig versorgen. Die Einordnung einer Art als r- oder K-Stratege ist relativ. Die Maus ist im Vergleich zum Wasserfloh ein K-, im Vergleich zum Elefant ein r-Stratege. Die meisten Arten wachsen logistisch Steuerung und Regelung Die Umweltbedingungen haben einen entscheidenden Einfluss darauf, wie schnell sich eine Population vermehren kann. Reproduktion Die Anzahl an Nachkommen hängt von Vermehrungsstrategie und Umweltbedingungen ab. Abb.14: a) Erwartete Vermehrung bei exponentiellem, logistischem und linearem Wachstum. b) Die Vermehrung des Getreidekapuzinerkäfers stellt eine logistische Wachstumskurve dar. Zeit (Tage) Anzahl geschlechtsreifer Käfer 200 400 K 200 100 Zeit (Wochen) Anzahl Blattläuse 250 100 120 750 500 0 35 30 25 20 15 10 5 Umweltkapazität Bei exponentiellem Wachstum wird der Zuwachs immer größer (nach 10 Wochen gäbe es 120 Blattläuse). Bei linearem Wachstum gäbe es nach 10 Wochen nur 35 Blattläuse. Das entspricht nicht der Realität. Bei logistischem Wachstum wird der Zuwachs mit der Zeit geringer (ca. 100 Blattläuse nach 10 Wochen). Das ist realistischer. Modellrechnung logistisches Wachstum Messwert Tab. 4: Die Vermehrung von r- und von K-Strategen ist an ihre Umwelt angepasst. Merkmal r-Strategen K-Strategen Umweltpräferenz wechselhafte Umwelt konstante, vorhersagbare Umwelt Körpergröße meist klein oft recht groß Lebensdauer kurz lang Nachkommenzahl sehr hoch gering Vorsorge für die Nachkommen fehlend bis gering hoch (Brutpflege bei Tieren, Reservestoffe bei Pflanzen) Konkurrenzkraft gering hoch Ortstreue gering hoch Populationsgröße stark schwankend relativ konstant Beispiele Bakterien, viele Planktonorganismen Waldbäume, Großsäuger Basiskonzepte sind wichtige Grundprinzipien und Eigenschaften lebendiger Systeme. Du wirst ihnen das ganze Jahr lang bei unterschiedlichen Themen wiederbegegnen. Eine Übersicht über die sieben Basiskonzepte findest du auf den Seiten 6 und 7. So werden die Basiskonzepte im Buch gekennzeichnet: Farbige Markierung im Text Basiskonzept-Symbole und weitere Informationen zum Basiskonzept in der Randspalte 124 Teilungen 23 = 8 Bakterien geworden. Die Anzahl der Bakterien steigt exponentiell. 24 Stunden später würden alle entstandenen Bakterien zusammen das Volumen eines Mehrfamilienhauses ausfüllen. Nach einem weiteren Tag wäre die Größe der Erde erreicht. Da wäre dein Darm längst geplatzt. Natürlich kommt es nicht soweit, denn die Menge verfügbarer Nährstoffe nimmt mit zunehmender Zahl der Bakterien ab. Ausgeschiedene Stoffwechselprodukte hemmen zud m die Vermehrung. Der Platz wird eng. Daher vermehrt sich kein Lebewesen dauerhaft exponentiell. Biotische und abiotische Faktoren eines Lebensraumes regeln die Anzahl der Mitglieder einer Art. Jeder Lebensraum hat ein bestimmtes Fassung vermögen für eine Art, die Umweltkapazität (K). Die meist Arten vermehren sich deswegen eher logistisch: Die Anzahl der Individuen steigt zunächst fast exponentiell, schwächt sich dann ab und p ndelt sich schließlich bei dem Kapazitätswert ei , der für diese Art in diesem L bensraum gilt (kAbb. 14). wenn die Lebensbedingungen günstig sind. Solche Arten werden r-Strategen (r = Reproduktion) genannt. Bäume oder Großsäuger wie der Elefant halten die Zahl ihrer Individuen relativ konstant an der Kapazitätsgrenze ihres Lebensraums und gelten daher als K-Strategen (K = Kapazität). Das gelingt aber nur, wenn die Umweltbedingungen einigermaßen gleichbleiben. r- und K-Strategien sind idealisierte Grenzfälle, zwischen denen es fließende Übergänge gibt. Merkmale von r- und K-Strategen sind in Tabelle 4 gegenübergestellt. r-Strategen investieren viel Energie in die Erzeugung hoher Nachkommenzahlen. Sie bleiben daher meist klein und sind kurzl big. K-Strategen investiere mehr in die Sicherung der individuellen Existenz, indem sie die Nachkommen oft aufwändig versorgen. Die Einordnung einer Art als r- oder K-Stratege ist relativ. Die Maus ist im Vergleich zum Wasserfloh ein K-, im Vergleich zum Elefant ein r-Stratege. Steuerung und Regelung Die Umweltbedingungen haben einen entscheidenden Einfluss darauf, wie schnell sich eine Population vermehren kann. Reproduktion Die Anzahl an Nachkommen hängt von Vermehrungsstrategie und Umweltbedingungen ab. Abb.14: a) Erwartete Vermehrung bei exponentiellem, logistischem und linearem Wachstum. b) Die Vermehrung des Getreidekapuzinerkäfers stellt eine logistische Wachstumskurve dar. Zeit (Tage) Anzahl geschlechtsreifer Käfer 200 400 K 200 100 Zeit (Wochen) Anzahl Blattläuse 250 100 120 750 500 0 35 30 25 20 15 10 5 Umweltkapazität Bei exponentiellem Wac stum wird der Zuwachs immer größer (nach 10 Wochen gäbe es 120 Blattläuse). Bei linearem Wachstum gäbe es nach 10 Wochen nur 35 Blattläuse. Das entspricht nicht der Realität. Bei logistischem Wachstum wird der Zuwachs mit der Zeit geringer (ca. 100 Blattläuse nach 10 Wochen). Das ist realistischer. Modellrechnung logistisches Wachstum Messwert Tab. 4: Die Vermehrung von r- und von K-Strategen ist an ihre Umwelt angepasst. Merkmal r-Strategen K-Strategen Umweltpräferenz wechselhafte Umwelt konstante, vorhersagbare Umwelt Körpergröße meist klein oft recht groß Lebensdauer kurz lang Nachkommenzahl sehr hoch gering Vorsorge für die Nachkommen fehlend bis gering hoch (Brutpflege bei Tieren, Reservestoffe bei Pflanzen) Konkurrenzkraft gering hoch Ortstreue gering hoch Populationsgröße stark schwankend relativ konstant Beispiele Bakterien, viele Planktonorganismen Waldbäume, Großsäuger 124 Das DarmbakteriumEscherichia coli teilt sic unter idealen Be i gungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Nahru g) all 20 Minuten. Nach zwei Teilungen sind aus ein m Bakte ium 22 = 4, nach 3 T ilungen 23 = 8 Bakter en geworden. Die Anzahl der Bakterien steig xponentiell. 24 Stunden später würden alle entstandenen Bakteri n zusammen das Volumen eines Mehrfamilienhauses ausfüllen. Nach ein m weit ren Tag wäre die Größe der Erde erreicht. Da wäre dein Darm längst geplatzt. Natürlich kommt es nicht soweit, denn die Menge verfügbarer Nährstoffe nimmt mit zunehmender Zahl der Bakterien ab. Ausgeschiedene Stoffwechselprodukte hemmen zudem die Vermehrung. Der Platz wird eng. Daher vermehrt ich kei Lebew sen dau rhaft expo ntie l. Bioti e und abiotische Faktore eines Lebe sraumes regeln die Anzahl d r Mitglieder einer Art. Jeder Lebensraum hat bestimmtes Fassungsv rmög n fü eine Art, die Umweltkapazität (K) Die meisten Arten vermehren sich deswegen eher logistisch: Die Anzahl der Individuen steigt zunächst fast exponentiell, schwächt sich dann ab und pend lt sic chließlich bei dem Kapazitätswert ein, der für diese Art in diesem Lebensraum gilt (kAbb. 14). All r i gs unterscheiden sich einzelne Arten hinsichtlich ihre Vermehrungsg schwindigkeit. Bakterien od Blattlä s können in extrem ku zer Ze beinahe xplo ionsartig zunehmen, w n die Lebensbedin u gen günstig sind. So che Art n werd r-Strategen (r = Reproduktio ) genannt. Bäume oder Großsäuger wie der Elefant halten die Zahl ihrer Individuen relativ konstant an der Kapazitätsgrenze ihres Lebensraums und gelten daher als K-Strategen (K = Kapazität). Das gelingt aber nur, wenn die Umweltbedingungen einigermaßen gleichbleiben. r- und K-Strategien s nd idealisierte Grenzfälle, zwische d en es fli ßend Übergänge gibt. Merkmale von r- und K-Strategen sind in Tabelle 4 g genübergestellt. r-Strategen investieren viel E rgie in die Erzeugung hoher Nachkommenzahlen. Sie bleiben daher meist klein und sind kurzlebig. K-Strategen investi ren mehr in die Sicherung der individuellen Existenz, indem sie die Nachkommen oft aufwändig versorgen. Die Einordnung einer Art als r- oder K-Stratege ist relativ. Die Maus ist im Vergleich zum Wasserfloh ein K-, im Vergleich zum Elefant ein r-Stratege. Die meisten Arten wachsen logi tisch Steueru g und Regelung Die Umweltbedingungen haben einen entscheidenden Ei fluss arauf, wie schnell sich eine Population verm h en kann. Reproduktion Die Anzahl an Nachkommen hängt von Vermehrungsstrategie und Umweltbedingungen ab. Abb.14: a) Erwartete Vermehrung bei exponentiellem, logistischem und linearem Wachstum. b) Die Vermehrung des Getreidekapuzinerkäfers stellt eine logistische Wachstumskurve dar. Zeit (Tage) Anzahl geschlechtsreifer Käfer 200 400 K 200 100 Zeit (Wochen) Anzahl Blattläuse 250 100 120 750 500 0 35 30 25 20 15 10 5 Umweltkapazität Bei exponentiellem Wachstum wird der Zuwachs immer größer (nach 10 Wochen gäbe es 120 Blattläuse). Bei linearem Wachstum gäbe es nach 10 Wochen nur 35 Blattläuse. Das entspricht nicht der Realität. Bei logistischem Wachstum wird der Zuwachs mit der Zeit geringer (ca. 100 Blattläuse nach 10 Wochen). Das ist realis ischer. Modellrechnung logistisches Wachstum Messwert Tab. 4: Die Vermehrung von r- und von K-Strategen ist an ihre Umwelt angepasst. Merkmal r-Strategen K-Strategen Umweltpräferenz wechselhafte Umwelt konstante, vorhersagbare Umwelt Körpergröße meist klein oft recht groß Lebensdauer kurz lang Nachkommenzahl sehr hoch gering Vorsorge für die Nachkommen fehlend bis gering hoch (Brutpflege bei Tieren, Reservestoffe bei Pflanzen) Konkurrenzkraft gering hoch Ortstreue gering hoch Populationsgröße stark schwankend relativ konstant Beispiele Bakterien, viele Planktonorganismen Waldbäume, Großsäuger Sonderseiten „Methoden in der Praxis“ Auf dies n Seiten lernst du wichtige Methoden kennen, die in der Wissenschaft oder in der Medizin angewendet werden. Es werden spannende Beispiele vorgestellt, wie die eben gelernte Therorie in der Praxis angewendet werden kann. 30 Methoden in der Praxis Messung der Gehirnaktivität Das EEG – Messung der Gehirnströme Wie dir bekannt ist, läuft die Übertragung der Informationen im Gehirn auf elektrischem Weg, nämlich über Aktionspotenziale. Jedes Aktionspotenzial löst eine Veränderung d s elektrischen Feldes aus, und je mehr Aktionspotenziale in einem Bereich ausgelöst werden, desto stärker die Feldänderungen. Dieses Phänomen lässt sich messen. Die so genannten Gehirnströme, genauer: die Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche, können von Elektroden registriert werd n und grafisch dargestellt werden. Diese Methode heißt Elektroenzephalografie (EEG, encephalon (griech.) = Gehirn). Die Methode wurde in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt und liefert wellenartige Bilder, die sich nach Aktivität verändern. Eine Analyse der Wellen lässt Aussagen über den Bewusstseinszustand zu, auch neurologische Störungen wie zB Epilepsie können damit diagnostiziert werden. Beim Hirntod erlöschen die Gehirnströme vollständig. Abb. 28: Elektroenzephalografie (EEG). Elektroden zeichnen Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche auf. Abb. 29: Elektroenzephalografie (EEG). Oben: Typische Beta-Hirnwellen, die bei erhöhter Aktivität auftreten; Unten: Alpha-Wellen, die bei Entspannung auftreten; (Messdauer 1 Sekunde) Die PET – Messung der Stoffwechselaktivität Eine neuere Untersuchungsmethode ist die Positronen-Emissions-Tomografie (der erste Einsatz erfolgte 1975). Hierbei wird der Versuchsperson eine schwach radioaktive Substanz injiziert (zB radioaktive Glukose). Diese gelangt in die Blutbahnen und ins Gehirn und reichert sich in Regionen hoher Stoffwechselaktivität an. Beim Zerfall der Radioisotope in der Substanz werden Positronen frei, die mit Elektronen im Körper wechselwirken. Dabei werden jeweils zwei hochenergetische Photonen frei, die den Körper in entgegengesetzter Richtung verlassen. Rund um die Person sind ringförmig Detektoren angeordnet, welche die Strahlung messen. Aus den Messungen lässt sich eine Serie von Schnittbildern errechnen (kAbb. 30). Daraus entstehen Bilder, wie zB Abbildung 7 auf S. 15, aus denen man sehr genau die Aktivität bestimmter Gehirnbereiche bestimmen kann. Diese Methode beschränkt sich nicht auf die Untersuchung des Gehirns, vielmehr können alle Körperbereiche (zB auf Tumore) untersucht werden. Tropf mit radioaktiv markierter Glukose ausgesandte Strahlung Detektoren Abb. 30: Positronen-Emissions-Tomografie (PET). Kreisförmig angeordnete Detektoren registrieren die Strahlung, ein Computer errechnet daraus eine Serie von Bildern. „Blick in die Forschung“ Auf diesen Seiten werfen wir einen Blick in die aktuelle Forschung. Welche Fragen stellen sich Wissenschafterinnen und Wissenschafter? Wie versuchen sie Antworten zu finden? Aufgaben 169 Verhaltensbiologie Blick in die Forschung Werkzeuggebrauch bei Tieren Nicht nur Menschenaffen können Werkzeuge verwenden Unte den Primaten ist das Verwenden von v rschi denen W kzeugen recht verbreitet. Schimpansen, Ora g-Utans, Go illas und auch andere Primaten sind imstande, Werkzeug zu be utzen. Die b itisch Forscherin Jane Goodall (gebor n 1934) verbracht viele Jahre damit, das Verhalten der Schimpa sen im Gombe St am Nationalpark in Tanzania in Afrika zu studieren. Sie erforschte das „Termitenfischen“ bei Schimp nsen (kAbb. 22), ein Verhalten bei dem sich die Tier passe de Ästchen und Grashalme zurechtmachen, um damit anschließend Termiten aus dem Bau zu holen. Noch überraschende li gt es, dass auch Delfin Werkzeuge benutzen! In Australien wurden 1997 Delfine entdeckt, die Schwämme dazu nutzen, um besser jagen zu können. Die Tiere lösen dazu erst einen Schwamm vom Meeresgrund und stülpen ihn über ihren Schnabel. Vermutlich schützen die Delfine damit ihre Schnäbel vor Schnitten und Stichen, während sie am Meeresgrund nach Fischen jagen. Forscher haben außerdem herausgefunden, dass diese Verhaltensweise nicht von allen Delfinen beherrscht wird, sondern dass die Tiere das Verhalten von ihren Müttern lernen müssen. Rabenvögel sind besonders intelligente Vögel, die sich ebenfalls Werkzeuge zunutze machen. An der Universität Wien beschäftigen sich Forscher und Forscherinnen damit, wie diese Vögel Probleme lösen und wie sie diese Fähigkeiten erlernen und weitergeben können. Ähnlich wie die Schimpansen, die nach Termiten fischen, sind manche Krähen imstande, Stöckchen zu benutzen, um Insekten aus der Baumrinde zu holen (kAbb. 23). Abb. 22: Links: Jane Goodall erforschte in den 1960er Jahren in Tanzania das Verhalten von Schimpansen. Rechts: Ihre Entdeckung, dass Schimpansen mit kleinen Ästen nach Termiten „fischen“ war bahnbrechend. Bis dahin dachte man, allein der Mensch wäre imstande, Werkzeuge zu benutzen. Abb. 23: Neukaledonische Krähen verwenden Stöckchen zur Nahrungssuche. 1 E/S Krähen in Japan wurden dabei beobachtet, wie sie Nüsse auf der Straße auf Fußgängerübergänge fallen ließen und dann darauf warteten, dass diese von den vorbeifahrenden Autos aufgeknackt wurden. Sobald die Autos anhielten, um Fußgänger vorbei zu lassen, mussten die Vögel die geknackten Nüsse nur mehr einsammeln. Von diesen Krähen gibt es einige Videos im Internet, zB auf youtube von BBC Natural History. Beobachte das Verhalten der Tiere in den Videos. Stelle eine Vermutung an, wie die Krähen dieses Verhalten gelernt haben könnten. Diskutiert eure Ideen anschließend gemeinsam in der Klasse. 2 W Nicht nur Säugetiere und Vögel können Werkzeuge benutzen! Oktopusse benutzen Kokosnussschalen auf eine ganz besondere Art und Weise. Recherchiere, wozu sie sich diese aneignen! 3 W Wie im Text dieses „Blicks in die Forschung“ beschrieben lernen Delfine von ihren Müttern, ihre Schnäbel mit Schwämmen zu schützen. Erläutere, um welche Art des Lernens es sich dabei handelt. Lies dazu auf den vergangenen Seiten nach. Literatur: Rutz, C.; Bluff, L. A.; Reed, N.; Troscianko, J.; Newton, J.; Inger, R.; Kacelnik, A.; Bearhop, S.: The Ecological Significance of Tool Use in New Caledonian Crows. In: Science. 2010, Vol. 329, I. 5998, p. 1523–1526. Kompetenzorientierung Im Biologieunterricht werden drei Kompetenzbereiche unterschieden. Der Erwerb von Kompetenzen hilft dir nicht nur dabei, biologisches Wissen anzueignen, sondern auch Zusammenhänge zu verstehen und dir eine eigene Meinung zu bilden. Mit jeder Aufgabe in diesem Buch werden die Kompetenzen aus diesen Bereichen trainiert. Aus welchem, wird durch die Buchstaben hinter der Aufgabennummer angezeigt. W Fachwissen aneignen und kommunizieren Du trainierst, dir Fachwissen anzueignen. Du lernst biologische Vorgänge zu benennen, zu kommunizieren und in verschiedenen Formen (in Worten, bildlich) zu erklären und darzustellen. E Erkenntnisse gewinnen Du lernst, durch Beobachte s lbst Erk nntnisse zu gewinnen und eigene Fragen und Hypothesen zu formulieren. Du übst, Untersuchungen und Experimente zu planen, durchzuführen und auszuwerten. Du eignest dir das Analysieren und Interpretieren von Daten und Ergebnissen von Untersuchungen an. S Standpunkte begründen und reflektiert handeln Du lernst, fachlich Standpunkte zu begründen und die Bedeutung, Chancen und Risiken der erlernten Inhalte für deinen Alltag und die Gesellschaft abzuschätzen. Du trainierst, Schlüsse zu ziehen, Entscheidungen zu treffen und dementsprechend zu handeln. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

6 Kompartimentierung Lebende Systeme bestehen aus abgegrenzten Reaktionsräumen, aus Kompartimenten. In den verschiedenen Kompartimenten können unterschiedliche Prozesse nebeneinander ablaufen, ohne einander zu beeinflussen. Die räumliche Trennung von Reaktionsräumen wird auch als Bausteinprinzip bezeichnet. Wenn die einzelnen, spezialisierten Kompartimente (Bausteine) zusammenwirken und dadurch komplizierte Prozesse effizienter ablaufen können, spricht man von Arbeitsteilung. In der 5. Klasse haben wir die durch Biomembranen abgegrenzten Zellorganellen als Beispiel für Kompartimente kennengelernt. Auf einer größeren Ebene des Lebens können auch Tiergruppen (Familien, Herden, Rudel, …) als voneinander unabhängige Kompartimente betrachtet werden. Diese soziale Struktur bietet Überlebensvorteile für jedes einzelne Tier (siehe S. 164). Steuerung und Regelung Lebewesen können auf Veränderungen reagieren. Somit ist es möglich, die inneren Zustände in einer Zelle, in einem Organ oder in einem Organismus trotz wechselnder äußerer Umwelt- und Lebensbedingungen in etwa gleich zu halten. Damit zB Körpertemperatur oder Ionenkonzentration in Zellen in einem bestimmten Sollbereich bleiben, sind Regelprozesse notwendig. Wichtige Systeme, die dies ermöglichen, sind das Hormon- und das Nervensystem. Ähnliche Regelprozesse finden wir auch auf einer höheren Größenordnung der Biologie, beispielsweise bei der Regulierung von Populationsgrößen durch Fressfeinde (siehe S. 125) oder bei der Selbstreinigung von Flüssen (siehe S. 131). Basiskonzepte Basiskonzepte sind themenverbindende Grundprinzipien bzw. Phänomene, die quer über verschiedene Bereiche der Biologie wiederkehren. Sie ordnen Fachwissen auf einer übergeordneten Ebene. Basiskonzepte erleichtern die Vernetzung unterschiedlicher Themen und helfen, Rückbezüge zu bereits erlernten Inhalten herzustellen. Du wirst im Laufe des Jahres verschiedenen unterschiedlichen biologischen Mechanismen und Prinzipien begegnen, die sich einem von sieben themenverbindenden Basiskonzepten zuweisen lassen. Nutze die Seiten 109 und 189, um einen Überblick zu gestalten. Struktur und Funktion Bei Lebewesen hängen Bau und Form von Merkmalen (Strukturen) mit deren Eigenschaften und Aufgaben (Funktionen) zusammen. Diesen Zusammenhang findet man bei Zellen und ihren Bestandteilen sowie bei Geweben, Organen oder dem Körperbau ganzer Individuen. Das Prinzip der Oberflächenvergrößerung verdeutlicht dieses Basiskonzept: Wenn bei einem Organ Stoffaustausch stattfindet, ist eine große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen von Vorteil. Das ist zB der Grund für die große Blattoberfläche von Bäumen, für die Darmzotten im Verdauungstrakt oder auch die Zotten der Zottenhaut, die einen Embryo im Mutterleib umschließt, und die der Ernährung des Embryos im Mutterleib dienen (siehe S. 81). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

7  Reproduktion Die Lebensdauer aller Organismen ist begrenzt. Lebewesen müssen sich daher reproduzieren (fortpflanzen), um ein Aussterben ihrer Art zu vermeiden. Dabei wird der genetische Bauplan von einer an die andere Generation weitergegeben. Man unterscheidet asexuelle und sexuelle Vermehrung. Bei letzterer werden die Informationen einer männlichen und weiblichen Geschlechtszelle kombiniert. Aus der Folgezelle kann wieder ein kompletter Organismus heranwachsen, der sich später erneut fortpflanzen kann. Beim Menschen beginnt dieser Prozess mit der Entwicklung der befruchteten Eizelle zum Embryo im Mutterleib bis zur Geburt und umfasst auch die anschließende Kindheit und Pubertät. Variabilität, Verwandtschaft, Geschichte und Evolution Lebewesen sind an die Umweltverhältnisse, in denen sie leben, angepasst. Diese Anpassungen sind das Ergebnis eines Entwicklungsprozesses über viele Generationen. Die Vielfalt der Lebensräume auf der Erde ist die Ursache für die enorme Artenvielfalt. Die sich ständig verändernden Umweltbedingungen bewirken, dass diese Anpassungsprozesse niemals zu Ende sind. Da alles Leben auf der Erde von einer einzigen, ersten Zelle abstammt, sind alle Lebewesen miteinander verwandt. Diese Verwandtschaftsverhältnisse werden zB durch den Vergleich von Organsystemen deutlich: große Ähnlichkeiten deuten auf eine nahe Verwandtschaft hin (siehe zB S. 12, Bau des Nervensystems). Information und Kommunikation Lebewesen – und auch Zellen und Gewebe – haben die Fähigkeit, Informationen aufzunehmen, zu bearbeiten und an andere Organismen weiterzuleiten. Sinneszellen wandeln Informationen aus der Umwelt in elektrische Impulse um, welche mittels eines Nervensystems im Körper verarbeitet werden. Das Hormonsystem ist ein zweiter wichtiger Kommunikationsweg. Es verarbeitet Informationen mittels chemischer Botenstoffe. Bei jeder Kommunikation ist wichtig, dass der Empfänger die Information des Senders richtig entschlüsselt. Das gilt für die Informationsübertragung zwischen Zellen genauso wie für die Kommunikation bei Tieren und Menschen (siehe S. 156). Stoff- und Energieumwandlung Lebewesen sind für alle Abläufe und Vorgänge (Bewegung, Zellstoffwechsel, Wachstum etc.) auf eine Energiezufuhr von außen angewiesen. Ist die Energiezufuhr beschränkt, zB bei Nahrungsmangel im Winter, steht den Lebewesen entsprechend wenig Energie zur Verfügung und sie müssen Stoffwechsel und Verhalten darauf einstellen. Dies wird zB bei Tieren deutlich, die Winterschlaf halten (siehe S. 116). Am Anfang des globalen Energieflusses steht die Sonne, ohne deren beständige Energiezufuhr auf der Erde kein Leben möglich wäre (siehe S. 129). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

8 3. Semester Kapitel 1 Nervensystem Information und Kommunikation im Nervensystem (Reizaufnahme, Erregungsleitung, Verarbeitung, Einfluss von Drogen) 2 Hormonsystem Information und Kommunikation im Hormonsystem Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

9 3 Fortpflanzung und Entwicklung Bedeutung der Meiose für die geschlechtliche Fortpflanzung 4 Sexualität beim Menschen Sexualität als biologisches, soziales und ethisches Phänomen Embryonalentwicklung beim Menschen und mögliche Fortpflanzungsmanipulationen 5 Ökologie, Ökonomie und Nachhaltigkeit Vernetzte Systeme: Ökologie, Ökonomie und Nachhaltigkeit Ein neues, spannendes Halbjahr steht dir bevor – mit vielen interessanten Fragen: Wie verarbeitet unser Körper unterschiedliche Eindrücke aus der Umwelt? Wie wirken Drogen? Wie entwickelt sich ein Kind im Mutterleib? Und: Was ist Liebe? Wir beginnen im ersten Kapitel mit unserem Nervensystem. Wer verstehen will, wie der Mensch mit Hilfe seiner Sinnesorgane seine Umwelt wahrnimmt, muss sich mit der Funktionsweise des Nervensystems beschäftigen. Auch für die Regulierung interner Abläufe und die Kommunikation zwischen verschiedenen Organen in deinem Körper spielt das Nervensystem eine wichtige Rolle. Im nächsten Kapitel vertiefen wir das Thema „Kommunikation im Körper“. Wir lernen ein zweites System kennen, das dazu dient, Informationen zu verarbeiten und weiterzuleiten: das Hormonsystem. Wir spüren es nicht, dennoch steuert das Hormonsystem zu jeder Zeit viele wichtige Abläufe in unserem Körper, beispielsweise auch die so genannte „innere Uhr“. Im Kapitel Fortpflanzung und Entwicklung lernst du die Bedeutung sexueller Fortpflanzung kennen. Bei diesem Vorgang wird nicht nur Erbgut von einer Generation an die nächste weitergegeben, das Erbgut wird auch neu kombiniert. Dieser Umstand ist entscheidend für die Veränderung von Arten über lange Zeit und ihre Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen. In Kapitel 4 steht der menschliche Körper wieder im Mittelpunkt, anhand der Sexualität beim Menschen wird das Thema Fortpflanzung fortgesetzt. In der Unterstufe hast du bereits einiges darüber erfahren, jetzt geht es ins Detail: Welche Veränderungen finden in deinem Körper während der Pubertät statt? Was hat Liebe mit Fortpflanzung zu tun? Wie verhüte ich richtig? Diese und viele weitere Fragen werden beantwortet. Das Semester endet mit dem Kapitel Ökologie, Ökonomie und Nachhaltigkeit. Schlagwörter, die du sicher schon oft gehört hast. Doch was bedeutet „Nachhaltigkeit“ genau? Es geht in diesem Kapitel um unseren Lebensstil und seine Auswirkungen auf die Umwelt. « Was dich in diesem Semester erwartet » Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

10 Nervensystem 1. Du lernst in diesem Kapitel … W Wissen organisieren … Du lernst den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen und Nervensystemen von Tieren und Menschen kennen. … Du lernst, wie das menschliche Gehirn Informationen verarbeitet. Dir wird erklärt, wie Nervenzellen Signale austauschen und warum das bei den Nervenzellen der Wirbeltiere besonders schnell geht. … … Du erhältst einen Überblick über Störungen des Nervensystems und über die neuronalen Grundlagen von Süchten. Außerdem erfährst du, wie Sinneszellen und -organe Reize aus der Außenwelt in Signale im Nervensystem umwandeln. E Erkenntnisse gewinnen … Du lernst den Zusammenhang zwischen Aufbau der Nervenzellmembran und den elektrischen Vorgängen, die zur Reizleitung dienen. … Du wirst verstehen, welcher Zusammenhang zwischen den biologischen Vorgängen an Nervenzellen und -system und Erkrankungen und Süchten besteht, etwa Depressionen oder Nikotinsucht. S Schlüsse ziehen … Du lernst, dein erworbenes Wissen über weiterführende Rechercheaufträge anzuwenden und zu reflektieren. … Du lernst anhand eines bekannten Beispiels, wie sich wissenschaftliche Irrtümer bzw. Missverständnisse verbreiten und wie mit ihnen umzugehen ist. 2004 sorgte Matthew Nagle weltweit für Aufsehen: Dem 24-jährigen, querschnittgelähmten Amerikaner wurde ein kleiner Computerchip in seine Gehirnrinde eingepflanzt. Dadurch konnte er eine Roboterhand steuern, E-Mails öffnen oder Fernsehprogramme umschalten. Der routinemäßige Einsatz solcher Schnittstellen zwischen Elektronik und Nervenzellen ist jedoch nur in wenigen Bereichen möglich. Ein gutes Beispiel sind so genannte Cochlea-Implantate (Hörprothesen an der Cochlea, der Gehörschnecke im Innenohr), wo Metallelektroden die Nervenzellen des Hörnervs stimulieren. So können heute weltweit über 700 000 gehörbeeinträchtigte oder gehörlose Menschen hören. In anderen Bereichen ist die Forschung noch nicht so weit: etwa bei der Steuerung und Bewegung von Hand-Prothesen. Auch die direkte Verschaltung von Computer und Gehirn ist noch im Bereich der Science Fiction anzusiedeln, zumal es noch weitgehend ungeklärt ist, wie Daten in unserem Gehirn gespeichert werden. « Lassen sich Maschinen mit Gedanken steuern? » Bonusmaterial Ó 754fa4 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Aufgaben 11 Nervensystem 1.1 Das Nervensystem Nervenzellen leiten und verarbeiten Informationen Nervensysteme sind hoch spezialisiert: Informationen müssen rasend schnell weitergeleitet und verarbeitet werden. In manchen Fällen erreicht die Information nicht einmal das Gehirn, sondern wird ohne langen Umweg durch das Rückenmark verarbeitet, zB bei vielen Reflexen (kAbb. 1). In anderen Fällen gelangt die Information in unser Gehirn und erreicht unser Bewusstsein, wo sie auf hochkomplizierte Weise verarbeitet werden kann – wie gerade eben, wenn du diese Zeilen liest. Um diese Aufgaben zu erfüllen, sind die Nervenzellen (oder Neuronen3) hochspezialisiert: Ihr Aufbau variiert, je nachdem, welche Funktion sie genau erfüllen, der grundsätzliche Bau ist aber bei allen Neuronen ähnlich (kAbb. 2): Der Zellkörper enthält den Großteil der Organellen für den Zellstoffwechsel und ist recht kompakt, besitzt aber viele Fortsätze: Die kurzen Dendriten4 empfangen Signale von anderen Neuronen, ein langes Axon5 dient zur Weiterleitung des Signals an nachgeschaltete Zellen. Diese Axone können bis zu einem Meter lang sein, für Zellen eine enorme Länge! 1 sensorisch: die Aufnahme von Sinnesreizen betreffend 2 motorisch: die Bewegungen betreffend 3 Neuron: neuron (griech.) = Nerv; Nervenzelle; ist die kleinste Einheit des Nervensystems 4 Dendrit: dendros (griech.) = Baum; kurzer, verzweigter Fortsatz des Neurons 5 Axon: axon (griech.) = Achse; langer Nervenzellenfortsatz Nervenzellen bestehen aus einem Zellkörper (Soma), Zellfortsätzen (Dendriten) und Axonen (Nervenfasern) Information und Kommunikation Das Nervensystem ist das komplexeste und schnellste Steuerungssystem aller Lebewesen. Im Gegensatz zum Hormonsystem, das mittels Molekülen in der Körperflüssigkeit an Regulierungen mitwirkt, läuft die neuronale Steuerung mittels eigener „Kabel“, den Axonen. Struktur und Funktion An den Axonen der Nervenzellen zeigt sich sehr deutlich der Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion: Lange Fasern als Leitungen dienen der Übertragung von Signalen. sensorisches Neuron Interneuron Rückenmark motorisches Neuron Muskel Abb.1: Der Schmerz-Reflexbogen. Drei Neuronen bilden den Reflexbogen: Ein Schmerzsignal wird über ein sensorisches Neuron zum Rückenmark geleitet, ein Interneuron verschaltet die Information zu einem motorisches Neuron, das den Muskel ansteuert. So kommt es in Sekundenbruchteilen zur Reaktion – der Finger krümmt sich und wird von der Nadel wegbewegt. Dendrit Endknöpfchen Synapse Axonhügel Axon Ranvier`scher Schnürring Schwann`sche Zelle Zellkörper Zellkern Am Axonhügel des Zellkörpers werden Aktionspotenziale ausgelöst, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Das Axon leitet Aktionspotenziale in Richtung der Endknöpfchen. An Synapsen werden Informationen auf Zielzellen übertragen. Die Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen. Die Schwann`schen Zellen produzieren Myelin. Die Myelinschichten isolieren das Axon des peripheren Nervensystems bis auf die Ranvier`schen Schnürringe. Abb. 2: Aufbau eines Neurons. Die Weiterleitung der Information erfolgt immer von den Dendriten über das Axon zu den Endknöpfchen. Zur Bedeutung der in der Zeichnung angesprochenen Schwann’schen Zellen siehe S. 13. 1 W Überprüfe dein Wissen über den Bau eines Neurons, indem du aus dem Gedächtnis eine beschriftete Skizze einer typischen Nervenzelle aus dem peripheren Nervensystem erstellst. 2 W Ergänze in deiner Skizze zu den wichtigsten Bestandteilen eines Neurons ihre jeweilige Funktion. 3 E Mit Hilfe eines „Fallstabs“ kannst du die Reaktionszeit eines Menschen experimentell bestimmen. Nimm dazu ein langes Lineal (oder einen Stab mit cm-Skala) und halte es senkrecht. Eine Versuchsperson hält die Hand rund um das Lineal, so dass die Unterkante der Hand und des Lineals auf gleicher Höhe sind (ohne das Lineal zu berühren). Lass dann plötzlich das Lineal fallen, die Versuchsperson fängt es. Berechne die Reaktionszeit t = ​ √ ___ ​ ( ​ 2 s __ g ​ )​​– verwende dazu den Literaturwert für die Erdbeschleunigung g. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

12 Neuronen vereinigen sich zu Nervensystemen Wenn du überlegst, was Tiere von Pflanzen oder Pilzen unterscheidet, denkst du wahrscheinlich an schnelle Bewegungen, Aktion und Reaktion – allesamt Eigenschaften, die ein hocheffektives Steuerungssystem benötigen. Das trifft genau den Punkt: Tiere sind darauf angewiesen, ihre Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren, um zB an ihre Nahrung zu kommen. Dementsprechend haben sich die Nervensysteme bei Tieren entwickelt. Im Lauf der Evolution sind aus den ursprünglich recht gleichmäßig im Körper verteilten Neuronen nach und nach komplexe Nervensysteme entstanden. Die einfachsten Nervensysteme findet man bei Hohltieren (kAbb. 3 a), wo die Neuronen ein einfaches Nervennetz bilden. Ein Zentrum oder gar ein Gehirn fehlt. Mit der Evolution der bilateralen1 Symmetrie (also Körpern mit Vorder- und Hinterende und einer bevorzugten Bewegungsrichtung) kam es zu einer Konzentration von Neuronen am vorderen Ende. Die ersten Ganglien2 entstanden – darunter versteht man Knoten von Nervenzellen (bzw. deren Zellkörpern). Bei Ringelwürmern (kAbb. 3b) gibt es in jedem Segment ein Paar Ganglien, die miteinander und von Segment zu Segment mit Nervensträngen verbunden sind (Strickleiternervensystem); am Vorderende ein besonders großes Kopfganglion. Insbesondere bei Tieren mit schnellen Bewegungen (und hohen Sinnesleistungen) kam es zur Verschmelzung mehrerer Ganglien und damit zur Herausbildung eines Gehirns (zB bei Weichtieren und Gliederfüßern, kAbb. 3 c und 3d). Bei Wirbeltieren befinden sich die meisten Neuronen im Gehirn und Rückenmark. Dieses zentrale Nervensystem (ZNS) kommuniziert mit anderen Organen wie Muskeln, Drüsen, Sinnesorganen durch das periphere Nervensystem (kAbb. 3 e). 1 bilateral: spiegelbild-symmetrisch; ein bilateraler Organismus ist einer, bei dem die rechte und linke Körperhälfte spiegelbildlich aufgebaut sind, zB beim Menschen und bei den meisten Tieren. Bei den inneren Organen gibt es aber dennoch deutliche Abweichungen von der Bilateralsymmetrie. Andere Tiere, wie zB Seesterne, sind radiär-­ symmetrisch. Hier lassen sich mehrere Symmetrieebenen durch den Körper legen. 2 Ganglion (Pl. Ganglien): gagglion (griech.) = Geschwulst; Knoten von Neuron-Zellkörpern, von einer Bindegewebskapsel umgeben Neuronen gibt es nur im Tierreich Variabilität, Verwandtschaft, Geschichte und Evolution Die Evolution der Nervensysteme geht mit der stammesgeschichtlichen Entwicklung der Tiere einher. Verbunden mit der Entwicklung der Sinnesorgane kam es zur Differenzierung der Nervensysteme. Allerdings bedeutet Ähnlichkeit nicht automatisch Verwandtschaft: So wurden die Ringelwürmer und die Gliederfüßer aufgrund ihres Strickleiternervensystems lange Zeit als Gliedertiere (Articulata) zusammengefasst. Neuere molekularbiologische Erkenntnisse zeigen aber, dass die Ringelwürmer näher mit den Weichtieren verwandt sind, und die Gliederfüßer mit Fadenwürmern etc. als Häutungstiere zusammengefasst sind. Einfachste Tiere besitzen ein Nervennetz ohne Gehirn, in komplexeren Nervensystemen gibt es Ganglien Ganglien in jedem Körpersegment koordinieren gezielte Bewegungen. Ganglien sind Konzentrationen von Nervenzellen. Ein Kopfganglion kontrolliert komplexere Verhaltensweisen. Gehirn Gehirn Gehirn Rückenmark peripherer Nerv optisches Ganglion Ganglion Ventralganglion (ein Nesseltier) Seeanemone (ein Ringelwurm) Regenwurm (ein Weichtier) Kalmar (ein Wirbeltier) Mensch (ein Gliederfüßer) Taufliege Einfach gebaute radiärsymmetrische Tiere verarbeiten Informationen mit Hilfe eines Nervennetzes. Spezielle Aufgaben führen zu zunehmender Zentralisierung. Das Nervensystem ist durch fusionierte Ganglien stark zentralisiert. Die weitaus meisten Neuronen sind im Gehirn und Rückenmark (ZNS) zentralisiert. Das periphere Nervensystem (PNS) durchzieht alle Körperteile. Nervennetz Innervierung der Muskulatur Kopfganglion paarige Bauchganglien segmentaler Nervenstrang Abb. 3: Nervensysteme im Tierreich. Im Verlauf der Evolution haben sich mit zunehmender Komplexität der Sinnesleitungen und des Verhaltens hochspezialisierte Nervensysteme entwickelt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Made with FlippingBook

RkJQdWJsaXNoZXIy ODE3MDE=