Biologische Grundlagen

Question 1

Die Zelle

Answer 1

Alle Lebewesen, Pflanzen, Pilze, Tiere und der Mensch, sind aus Zellen zusammengesetzt. Ihre Zellen werden als eukaryote Zellen bezeichnet; sie verfügen im Gegensatz zu den prokaryoten Zellen zum Beispiel der Bakterien über einen Zellkern

Bei Lebewesen, die wie der Mensch aus einer Vielzahl von Zellen bestehen, spezialisieren sich die Zellen und übernehmen jeweils bestimmte Funktionen. So finden wir beim Menschen mit ungefähr 6*1013 Zellen Muskelzellen, Nervenzellen, Sinneszellen, Kno- chenzellen, usw.

Question 2

Bestandteile der (eukaryoten) Zelle

Answer 2

1. Zellkern
2. Cytoplasma
3. beides umschließendes Plasmamembran

Question 3

Zellkern

Answer 3

• Zellkern enthält die genetischen Informationen
• ist von einer inneren und äußeren Membran mit Poren umschlossen
• durch die Membran werden Stoffe vom Zellkern ins Cytoplasma und zurück transportiert

Question 4

Cytoplasma

Answer 4

• hier befinden sich eine Reihe von Organellen
• Mitochondrien&raquo_space; zuständig für den Energiehaushalt
• das endoplasmatische Retikulum&raquo_space; Proteinsynthese
• den Golgi-Apparat&raquo_space; für die Modifizierung und Reifung der Proteine sowie deren Transport

Question 5

Zellplasma-Membran

Answer 5

• umschließt die ganze Zelle

- enthält zahlreiche, für die Funktion der Zelle wichtige Proteine

Question 6

Proteine

Answer 6

• aus Aminosäuren zusammengesetzte Moleküle

In der Zellplasma-Membran gibt es Proteine, die als

• Transportkanäle dienen
• Strukturproteine, die für Stabilität sorgen
• über Rezeptormoleküle werden Signale aufgenommen oder weitergegeben
• Proteine mit enzymatischer Wirkung sorgen, angeregt durch äußere Reize, als Katalysator für chemische Prozesse im Inneren der Zelle

Question 7

Organismus als offenes System

Answer 7

Ein Organismus ist ein lebendiger Körper, der thermodynamisch gesehen, als ein offenes System zu verstehen ist. Dieses System muss aktiv für eine Ungleichverteilung von Masse und Energie sorgen, damit seine Komponenten sich nicht in kürzester Zeit auflösen und sich gleichmäßig im Raum verteilen (Dissipation).
Dies entspricht der Tendenz zum thermodynamischen Gleichgewicht. Daher muss ein Organismus energiereiche Substrate aus der Umgebung aufnehmen (Fette, Kohlenhydrate, Proteine), um aktiv Energiegradienten gegen die Tendenz zur „Unordnung“ (Entropie) aufzubauen. Beispiele für solche Energiegradienten sind der Blutdruck und die Kaliumanreicherung in der Nervenzelle.

Question 8

Negentropie (vs. Entropie)

Answer 8

Leben ist also, unter anderem, ein Prozess, der ge-
gen die Gleichverteilung von Energie gerichtet ist und damit in aktiver Energiegewinnung zur Herstellung und Aufrechterhaltung von Energiegradienten besteht (Negentropie)

Question 9

Systeme

Kybernetische Systeme

Answer 9

Das Zusammenspiel von Mikro- und Makroebenen im Organismus lässt sich nur im Rahmen einer Systemtheorie und einer Theorie der variablen Regelung begrifflich verständlich machen, z. B. die Regulation des Blutzuckers, des Blutdrucks oder des Gleichgewichts und der Bewegungsregulation.

Ein System ist „ein konkreter Ausschnitt aus der physischen Realität, in dem Interaktionen stattfinden, also Prozesse ablaufen“ (Bischof, 1995, S. 13).

Organismen und damit auch Menschen sind lebendige kybernetische Systeme, die ihr inneres Gleichgewicht (Homöostase) gegenüber zahlreichen Einwirkungen aus der Systemumgebung („Außenwelt“) mit Hilfe von zahlreichen Regelungen („Regelkreise“ aus Soll- und Ist-Werten) aufrecht erhalten müssen. Das Ziel dieser Regelung ist die (Wieder-)Herstellung und Aufrechterhaltung eines stabilen Organismus-Umwelt-Verhältnisses, der Anpassung an die Umwelt (äußeres Gleichgewicht).

Question 10

Gene

Answer 10

• legen fest welche Proteinarten eine Zelle herstellt
• dadurch die Art und Funktion einer Zelle
• eine Zelle kann alle durch den Organismus herstellbaren Proteine produzieren, i.d.R. gibt es Spezialisierungen
• Gene bestimmen (neben Umwelteinflüssen) die Ausbildung bestimmter Struktur- und Funktionseigenschaften

Question 11

Genotyp

Answer 11

Summe der in den Genen angelegten Erbanlagen

• diese bilde den Rahmen in dem, unter den gegebenen Umweltvoraussetzungen, der Phänotyp gebildet wird

Question 12

Phänotyp

Answer 12

Der Phänotyp oder das Erscheinungsbild ist in der Genetik die Menge aller Merkmale eines Organismus.

• morphologische
• physiologische
• psychologische Eigenschaften

Erst durch das Zusammenspiel der Gene und durch die Interaktion des Individuums mit seiner Umwelt entstehen der Phänotyp und dessen erfassbare Merkmale beziehungsweise Eigenschaften.

Im Phänotyp spiegeln sich auch erworbene Eigenschaften wieder, etwa vergrößerte oder verkümmerte Muskelgruppen, je nach häufigerem oder weniger häufigem Gebrauch, Kleinwuchs durch widrige Umweltbedingungen etc.

Solche erworbenen Eigenschaften werden nicht weitervererbt, der Genotyp wird dadurch nicht beeinflusst.

Question 13

Genom

Answer 13

Gesamtheit aller menschlichen Erbinformationen

ca. 30 000 bis 40 000 Gene

Question 14

DNA / Desoxyribonukeinsäure (DNS, meist DNA nach englisch desoxyribonucleic acid)

Answer 14

Träger genetischer Information
- fast ein Meter lang, mehrfach gewunden, damit sie in den Zellkern paßt

Aufbau der DNA.
„Doppelhelix“, in dem zwei aus Nukleotiden (bestimmte Molekülstrukturen) aufgebaute schraubenförmig gedrehte Stränge sich jeweils gegenüberliegen.

Es gibt vier verschiedene Nukleotide, die sich durch an ihnen beteiligte Basen unterscheiden. Durch die Reihenfolge der Nukleotide wird die genetische Information verschlüsselt.

Dabei entspricht ein Gen einem solchen Abschnitt der DNA, die die Sequenz für die Herstellung eines bestimmten Proteins enthält.

Die Doppelhelix der DNA setzt sich aus zwei umei- nander gewobenen Zucker-Phosphat-Strängen zusammen, zwischen denen die Bindung durch Basenpaare hergestellt wird. Es sind die vier wichtigsten Basen als Nukleotid-Bestandteile mit A (Adenin), C (Cytosin), G (Guanin) und T (Thymin) eingezeichnet (aus: Schandry, 2006, S. 12; vgl. Schandry, 2011, S. 30)

Question 15

Genexpression

Answer 15

Synthese von Proteinen auf der Basis der genetischen Informationen

Question 16

Schritte der Genexpression/Proteinsynthese

Answer 16

1. Trennung der beiden DNA-Stränge über eine bestimmte Strecke auf, die der Ausdehnung eines Gens entspricht
2. 1. Transkription: Kopie des betreffenden DNA-Abschnitts auf einen Stoff, die Ribonukleinsäure (RNA) angefertigt
3. Ein Strang Messenger-RNA (mRNA) wird entlang des freien DNA- Strangs synthetisiert und übernimmt dabei den genetischen Code
4. 1. Translation: Die RNA fungiert als Botenstoff und überträgt die Information aus dem Zellkern ins Cytoplasma, wo sie als Vorlage für die Synthese des Proteins im Ribosom wirkt
5. Die mRNA wandert aus dem Kern heraus in die Zellflüssigkeit. Hier lagert sich ein Ribosom an den mRNA-Strang an und bewegt sich entlang des Strangs.
6. Jedes Kodon wird jetzt in eine Aminosäure übersetzt. Schließlich entsteht eine fertige Aminosäurekette, das Protein
   (aus: Schandry, 2006, S. 17; vgl. Schandry, 2011, S. 33). (Translation

Question 17

Chromoson

Answer 17

(von griechisch χρῶμα chrōma ‚Farbe‘ und σῶμα sōma ‚Körper‘,[1] also wörtlich „Farbkörper“)

Strukturen, die Gene und somit auch Erbinformationen enthalten

bestehen aus
- DNA (mit vielen Proteinen verpackt)
- Mischung aus DNA und Proteinen =Chromatin
Chromosomen kommen in den Zellkernen der Zellen von Eukaryoten (Lebewesen mit Zellkern) vor, zu denen alle Tiere, Pflanzen und Pilze gehören

• während der Zellteilung im Lichtmikroskop zu erkennen
• in fast jeder Körperzelle liegt ein Satz von 23 Chromosomen paarig vor (diploider Chromoso- mensatz)

Question 18

diploider Chromosomensatz

Answer 18

Satz von 23 paarigen Chromosomen

liegt in fast jeder Körperzelle vor

Question 19

Zellteilung

Answer 19

Zellen werden durch Zellteilung vermehrt

Die Zelle teilt sich in zwei Tochterzellen, die zur Ausgangsgröße der Mutterzelle heranwachsen.

Der Teilung des Zellplasmas geht die Kernteilung (Mitose) voraus.

Vor jeder Zellteilung wird die Erbinformation verdoppelt, denn sonst würde diese durch fortwährende Teilung verschwinden.

Der Zellzyklus umfasst also die Verdopplung der Erbinformation und die Zellteilung

Question 20

Zellzyklus

Answer 20

Verdopplung der Erbinformation und die Zellteilung

1. Prophase
2. Metaphase
3. Anaphase
4. Telophase
5. Interphase

Question 21

Zellzyklus

1. Prophase

Answer 21

In der Prophase verkürzen sich die Chromosomen durch Schraubung und Faltung und werden lichtmikroskopisch erkennbar. Jedes der 46 Chromosomen ist jetzt in zwei identische Hälften aus jeweils einer DNS-Doppelkette gespalten, in die Chromatiden, die nur noch vom Zentromer zusammengehalten werden. Zwischen den Polen der Zelle bildet sich eine Kernteilungsspindel, die an den Zentriolen ansetzen. Kernmembran und Nukleolus lösen sich auf.

Question 22

Zellzyklus

2. Metaphase

Answer 22

In der Metaphase ordnen sich in der Äquatorialebene die Chromosomen an. Die Spindelfasern heften sich an das Zentromer der Chromosomen.

Question 23

Zellzyklus

3. Anaphase

Answer 23

In der Anaphase werden die Chromatiden jedes Chromosoms getrennt und zu den gegenüber- liegenden Zellpolen gezogen. Jeder Zellpol bekommt nun einen vollständigen Chromati- densatz (= 46 Chromatiden, alle Chromosomen sind also paarweise geteilt worden; man spricht nun wieder von Chromosomen, die aber nun aus einer DNS-Doppelkette bestehen).

Question 24

Zellzyklus

4. Telophase

Answer 24

In der Telophase löst sich der Spindelapparat auf. Die Chromosomen gehen wieder in die langgestreckte Form über. Nukleolus und Kernhülle werden neu gebildet. Zwei Zellkerne sind entstanden. An diese Kernteilung schließt nun die eigentliche Zellteilung an. Zwischen den neu entstandenen Zellkernen bilden sich zwei neue Zellmembranen aus. Die so entstanden Zellen sind erbgleich mit der Ausgangszelle.

Question 25

Zellzyklus

5. Interphase

Answer 25

In der Interphase findet das Zellwachstum statt. In dieser Phase findet die identische Replikation der DNA statt, sie wird identisch kopiert. Dazu werden die Wasserstoffbrücken der beiden Stränge der DNA-Doppelhelix enzymatisch getrennt. An jedem Strang lagern sich einzelne Nukleotide mit den jeweils komplementären Basen an. So entstehen zwei identische DNA- Doppelketten, wobei jeweils eine von der alten DNA stammt und eine neu gebildet wird. Diese beiden Doppelstränge werden räumlich getrennt voneinander mit Proteinen ver- packt. So wird in der Interphase der Mitose aus einem Ein-Chromatid-Chromosom ein Zwei-Chromatid-Chromosom. Diese Erbinformationsverdopplung ist die Voraussetzung dafür, dass die identischen Hälften an die nächsten beiden Zellkerne weitergegeben wer- den können und der Zellzyklus weitergehen kann.

Question 26

Mitose

Answer 26

Kernteilung

Die Zelle teilt sich in zwei Tochterzellen, die zur Ausgangsgröße der Mutterzelle heranwachsen. Der Teilung des Zellplasmas geht die Kernteilung (Mitose) voraus. Vor jeder Zellteilung wird die Erbinformation verdoppelt, denn sonst würde diese durch fortwährende Teilung verschwinden

Question 27

Meiose

Answer 27

Reduktionsteilung

Bei der Entstehung von Keimzellen (also der Eizelle beziehungsweise der Samenzelle) wird der Chromosomensatz von 2n auf n geteilt (Meiose) (Reduktionsteilung), man nennt diesen haploiden Chromosomensatz. Erst bei der Verschmelzung einer Ei- mit einer Samenzelle entsteht wieder ein vollständiger, also diploider Chromosomensatz.

Question 28

Crossing-Over

Answer 28

Während der Meiose können die beteiligten DNA- Stränge Gene austauschen, die die gleiche Stelle in einem Chromosom einnehmen (Allele). Durch dieses Crossing-Over wird der DNA-Doppelstrang neu zusammengesetzt und es entsteht ein neuer Genotyp, ein neues Individuum.

Beim Crossing-over kommt es zu einer Wechselwirkung zweier homologer Chromosomen, wobei Abschnitte der Chromosomen ausgetauscht werden. Dadurch wird der DNA-Doppelstrang neu zusammengesetzt (aus: Schandry, 2006, S. 21; vgl. auch Schandry, 2011, S. 36).

Question 29

Mutation

Answer 29

Kopierfehler

Können bei der Zellteilung als auch bei der Entstehung von Keimzellen entstehen, mit positiven oder negativen Folgen

Verschiedene Reparaturmechnismen verhindern Mutationen möglichst

Eine Mutation kann jedoch auch einen Vorteil hinsichtlich der Überlebens- und Reproduktions-fähigkeit bieten. Ist dies der Fall wird sich dieses Merkmal auf Dauer durchsetzen, die dadurch besser an ihre Umwelt angepassten Individuen werden diese Merkmale an ihre dann auch zahlreichere Nachkommenschaft weitergeben.

Question 30

Rezessive vs. dominate Vererbung

Answer 30

Bei Keimzellen werden Mutationen in der Regel rezessiv vererbt werden, d.h. beim Crossing-Over wird sich zunächst nicht das rezessive, sondern das dominante Allel durchsetzen und im Phänotyp sichtbar werden.

Question 31

Evolution

Answer 31

Das Merkmal, das hinsichtlich der Überlebens- und Reproduktionsfähigkeit die meisten Vorteile für die Individuen in der Anpassung an die Umwelt hat wird sich auf Dauer durchsetzen.

Optimale Anpassung an die Umwelt. „Optimal“ ist stets als relativ zu einem Raumzeitbereich zu sehen, in dem Organismen und deren Umgebung in bestimmter Weise wechselseitig aufeinander einwirken. Durch diesen langsamen Anpas- sungsprozess wird die Evolution erklärt, also die Entwicklung und Diversifizierung der verschiedenen Lebewesen auf der Erde. Evolution ist, so verstanden, keine auf ein endgültiges Ziel hin ausgerichtete Entwicklung. Eine sich verändernde Umwelt erfordert andere Merkmale, ein früherer Vorteil kann zum Nachteil werden und zum Aussterben von Arten führen. „Optimale Anpassung“ ist daher stets relativ zu einer bestimmten naturhistorischen Phase zu sehen.

Mit diesem Mechanismus wird die Evolution erklärt, er bildet aber auch die Grundlage für Tier- und Pflanzenzucht.

• vor ca. 3.5 Milliarden Jahren Enstehung der ersten zellkernlosen Einzeller (Prokaryoten, Eubacteria)
• vor ungefähr 850 Millionen Jahren Entstehung der ersten Einzeller mit Zellkern (Eukaryoten, Archaebacteria)
• vor sechs oder sieben Millionen Jahren lebte ein gemeinsamer Vorfahr von Mensch und Schimpanse
• heute: homo sapiens

Der gegenwärtig im Aufbau befindliche Genatlas der Menschheit zeigt auf, dass die genetische Vielfalt der Menschen in Afrika am größten ist. Das bestätigt die These, dass die Menschheit aus Afrika stammt.

Question 32

Zuchtwahl

Answer 32

Georg Mendel

Seine formulierten Grundsätze zur Vererbung dominanter beziehungsweise nicht-dominanter Merkmale wurden zur Grundlage der Genetik, auch wenn die biochemischen Grundlagen noch unbekannt waren.

Mendel-Erbgang. Im Beispiel ist die Vererbung im dominanten Erbgang eines Merkmals (Blütenfarbe beim Löwenmäulchen) wiedergegeben, das in der Parentalgeneration unterschiedlich ausgeprägt ist. Es sind die Merkmalsausprägungen in der ersten und zweiten Filialgeneration gezeigt. »R« steht für »Rot dominant«, »r« für »Rot rezessiv« (aus: Schandry, 2006, S. 22; vgl. Schandry, 2011, S. 37).

(An die Stelle der menschlichen Zuchtwahl setzte Darwin einen impersonalen Selektions-mechanismus. Die Umgebung wählt nicht Organismen aus, sondern die Kopplung aus Organismusstrukturen und Umgebungsstrukturen erhöht entweder die Reproduktions-wahrscheinlichkeit der Organismen oder sie erniedrigt diese.)

Question 33

Natüriche Auslese /Selektion

Answer 33

ist im Vergleich zur Zuchtwahl langsamer und nicht auf die Erzielung eines oder mehrerer gewünschter Merkmale gerichtet, sondern auf die optimale Anpassung an die Umwelt.

„Optimal“ ist stets als relativ zu einem Raumzeitbereich zu sehen, in dem Organismen und deren Umgebung in bestimmter Weise wechselseitig aufeinander einwirken. Durch diesen langsamen Anpassungsprozess wird die Evolution erklärt, also die Entwicklung und Diversifizierung der verschiedenen Lebewesen auf der Erde.

Question 34

Verhaltensforschung

Answer 34

Ethologie

Durch systematische Beobachtung werden Prinzipien des Verhaltens von Tieren erforscht. Verhaltensweisen, die so erforscht werden, sind Fortpflanzungs- und Brutpflegeverhalten, aber auch aggressives Verhalten oder die Reaktion auf Belastungen.
Eine der Fragen, die dabei beantwortet werden soll, ist die, inwieweit ein Verhalten angeboren, also genetisch determiniert, oder erlernt ist.

Question 35

Vererbung und genetisch determiniert

Answer 35

Sehr häufig findet sich in der Literatur die Gleichsetzung von „Vererbung“ oder „ererbt“ mit „genetisch determiniert“. Das ist aber falsch. Phänomenologisch heißt Vererbung, dass Eigenschaften der Elterngeneration - wie auch immer - an die Filialgeneration weiter gegeben werden. “Vererbung” ist der Oberbegriff zu “genetisch determiniert”, denn “Vererbung” ist als Varianzverhältnis definiert (sog. Heritabilitätsquotient):
Es ist das Verhältnis aus genetisch determinierter Varianz zur Summe aus genetisch determinierter Varianz und umweltbedingter Varianz.

„Vererbung“ ist dann vollständig genetisch determiniert, wenn die umweltbedingte Varianz Null ist. Wichtig und fast immer von Laien übersehen ist hier der Gesichtspunkt der Varianz von Eigenschaften: Es ist die Unterschiedlichkeit von Eigenschaften gemeint und es wird nach den Ursachen der Variabilität, der Unterschiedlichkeit von Eigenschaften, gefragt. Übersehen wird auch häufig, dass Vererbung immer von der betrachteten Population abhängig ist, in der das interessierende Merkmal variieren muss. Es macht keinen Sinn, dass sich eine Person P1 nach der Erblichkeit ihres IQ fragt.

Genetisch determiniert meint dagegen, dass es z. B. für die Augenfarbe eine Kombination von Genen gibt, die die Ausprägung der Eigenschaft kausal beeinflusst, es ist also nicht die Variabilität von Eigenschaften gemeint, sondern die Eigenschaft selber. Es handelt sich nicht um einen statistisch quantifizierten Begriff und nicht um einen Populationsparameter.

Question 36

Reflex

Answer 36

• angeboren
• schnelles, meist unbewusst ablaufende Ver- haltensweisen oder Reaktionen
• z.B. Atemholen nach dem Ausatmen, das schnelle Schließen des Lides

Question 37

Sensible Phase

Answer 37

Viele Verhaltensweisen bestehen aus einem definierten Wechselspiel zwischen Angeborenem und Erlerntem, so zum Beispiel das Jagdverhalten von Katzen. Dabei spielt häufig das Alter eine Rolle;
In sensiblen Phasen werden Dinge relativ einfach erlernt, deren Erlernen zu einem späteren Zeitpunkt im Lebenslauf nicht mehr oder nur noch schwer möglich ist.

Question 38

Soziobiologischer Ansatz

Answer 38

Im soziobiologischen Ansatz wird versucht, evolutionstheoretische Prinzipien auf soziales Verhalten zu übertragen. Dieser Ansatz geht davon aus, dass das Ziel eines jeden Individuums die Replikation seiner Gene ist. Soziales Verhalten wird dann dadurch erklärt, dass innerhalb einer verwandten (d.h. genetisch ähnlichen) Gruppe höhere Replikationschancen entstehen, auch wenn sich das einzelne Individuum nicht fortpflanzt. Es wird bisweilen versucht, diesen Ansatz auch auf menschliches Verhalten mit hohen ethischen Ansprüchen (altruistisches Verhalten) zu übertragen.
Gegenwärtig wird kaum mehr von Soziobiologie gesprochen, vermutlich wegen des implizierten Reduktionismus, menschliches Sozialverhalten rein biologisch erklären zu können.

Question 39

Evolutionäre Psychologie

Answer 39

Die Fragestellungen, Methoden und Ansätze der Soziobiologie finden sich in mehr oder weniger modifizierter Form in der Evolutionären Psychologie wieder.
Die Evolutionstheorie ist die zentrale Theorie, um Stabilität und Wandel von Organismen zu erklären, wozu auch das Verhalten derselben gehört. Dazu gehört logischerweise auch das Sozialverhalten, das Verhalten vor allem gegenüber Mitgliedern der eigenen Art. Überlegungen und Beispiele zu Fragestellungen der evolutionären Psychologie im Zusammenhang mit komplexem menschlichen Verhalten sowie weiterführende Literatur finden sich in Hoffrage und Vitouch (2008).