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
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