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AUTHOR
David Sadava
Nervenzellen, Gliazellen und Nervensysteme
Faszination Forschung: Das Gehirn im Gleichgewicht halten Ihr Gehirn versetzt Sie in die Lage, den Stoff dieses Kapitels zu lernen – die Worter zu lesen, die Illustrationen zu verstehen und Informationen zu speichern, die es Ihnen erlauben, die anschliesenden Fragen zu beantworten. Es erfordert Anstrengung, den Stoff dieses Kapitels zu bewaltigen, aber wenn Sie diese Muhe aufbringen, werden Sie erfahren, wie das Gehirn Informationen empfangt und verarbeitet. Stellen Sie sich vor, wie es ware, wenn Sie wenig von diesem Stoff lernen konnten – ganz gleich, wie sehr Sie sich in dieses Buch vertieften. In dieser Lage befinden sich Menschen mit dem Down-Syndrom, einer Erkrankung, die eines von 70…
Ernährung, Verdauung und Resorption
Faszination Forschung: Effiziente Verwertung der Nahrung Jahrtausende lang waren die Pima im Sudwesten von Nordamerika Jager und Sammler, die ihre Ernahrung durch Ackerbau erganzten. Das Klima, in dem sie lebten, war arid, daher entwickelten sie raffinierte Bewasserungssysteme; dennoch erlebten sie immer wieder Durreperioden und darauf folgend Hungersnote. Heute sind die meisten Menschen, die ethnisch zur Pimapopulation in den Vereinigten Staaten gehoren, im klinischen Sinne fettleibig (adipos). Das Durchschnittsgewicht ihrer Population ist tatsachlich eines der hochsten der Welt. Die Pima leiden unter gesundheitlichen Problemen, die mit starkem Ubergewicht einhergehen konnen, wie Diabetes,…
Vererbung, Gene und Chromosomen
Faszination Forschung: Wie lauten die Regeln der Vererbung? Rot ist mit nur etwa 1 % beim Menschen die seltenste naturliche Haarfarbe. Sie ist im Norden Europas am haufigsten, wobei Schottland mit etwa 15 % rothaariger Bevolkerung den ersten Platz belegt. Im Lauf der Geschichte hat man immer wieder versucht, zwischen der roten Haarfarbe und anderen Eigenschaften einen Zusammenhang herzustellen. So werden beispielsweise rote Haare haufig mit einem leidenschaftlichen Temperament assoziiert. Eine vor Kurzem durchgefuhrte Studie eines Hamburger Forschungsinstituts uber die sexuelle Aktivitat Hunderter von Frauen hat ergeben, dass Rothaarige haufiger Sex haben als alle anderen Frauen. Es wurde s…
Fortpflanzung der Tiere
Faszination Forschung: Keine Zeit zu verlieren Weibliche Derbywallabys (auch Tammar-Wallabys genannt) werden kurz nach der Geburt eines Jungtiers wieder empfangnisbereit und paaren sich. Der resultierende Embryo kann jederzeit zwischen einem Monat und einem Jahr spater geboren werden. Menschen haben eine neunmonatige Schwangerschaft, daher erscheint uns diese hochst variable Trachtigkeitsdauer ungewohnlich und fuhrt zu Fragen nach dem „Warum“ und dem „Wie“. Um das zu beantworten, muss man Folgendes wissen: Ein Wallaby ist bei seiner Geburt noch sehr unreif. Es kriecht in den Beutel (das Marsupium) seiner Mutter; dort saugt es sich an einer Zitze fest und wachst zehn Monate lang heran, bis e…
Nucleinsäuren und die Entstehung des Lebens
Faszination Forschung: Die Suche nach Leben Auf der Erde existieren Lebewesen, oder zumindest ihre chemischen Spuren, an allen erdenklichen Orten – selbst in den tiefsten Zonen der Meere, in Gesteinen, im Inneren von Vulkanen, im Polareis und in hoheren Luftschichten. Den Ursprung des Lebens zu finden ist allerdings keine leichte Aufgabe, da einfach gebaute und bereits fruh in der Erdgeschichte existierende Organismen (bis auf wenige Ausnahmen) keine Fossilien hinterliesen. Auf dem Mars, so hoffen Wissenschaftler, konnte das anders sein. Seit Jahrtausenden fasziniert der Rote Planet die Menschen, seit Erfindung des Teleskops insbesondere Wissenschaftler und Science-Fiction-Autoren. Der Mars…
DNA und ihre Funktion bei der Vererbung
Faszination Forschung: Die Replikation der DNA als Ziel fur eine Krebstherapie Hodenkrebs geht mit schnellen Teilungen der Keimzellen einher und breitet sich haufig auch uber Metastasen auf andere Organe aus. Dies ist die haufigste Krebsform bei jungen Mannern und einer der wenigen Tumoren bei Erwachsenen, der mithilfe des Wirkstoffs Cisplatin mit guten Erfolgschancen heilbar ist. Der Wissenschaftler Barnett Rosenberg wollte herausfinden, wie sich elektrische Felder auf Zellen auswirken. Er gab Bakterien in ein Kulturmedium mit Platinelektroden, die mit einer Batterie verbunden waren. Das Ergebnis war uberraschend: Die Bakterien horten auf, sich zu teilen. Um zu zeigen, dass diese Wirkung v…
Prozesse der Evolution
Faszination Forschung: Ein evolutionares Wettrusten zwischen Fledermausen und Nachtfaltern Viele Arten von Fledermausen ziehen sich tagsuber irgendwohin zum Schlafen zuruck und fliegen erst bei Anbruch der Dunkelheit los. Der massenhafte Abflug von Tausenden oder gar Millionen Fledermausen von einem solchen Schlafplatz ist ein beeindruckender Anblick und lockt oft zahlreiche Menschen an. In Stadten konnen die Hohlraume unter Brucken ein Treffpunkt fur gewaltige Fledermauskolonien sein. Einst jagten diese urbanen Fledermauskolonien den Menschen Angst ein. Inzwischen ist aber weithin bekannt, dass zahlreiche Fledermausarten nachtaktive Insekten erbeuten, darunter Stechmucken und Landwirtschaf…
Wechselbeziehungen zwischen Arten
Faszination Forschung: Der brandgefahrliche Rotfeuerfisch Den Auswirkungen menschlicher Aktivitaten haben die Korallenriffe im Bereich der Bahamas jahrhundertelang standgehalten. In den letzten beiden Jahrzehnten kam aber eine bislang unvergleichliche Bedrohung hinzu: das Vordringen zweier prachtiger, aber sehr invasiver Fischarten – der Pazifische Rotfeuerfisch (Pterois volitans) und der Indische Rotfeuerfisch (P. miles). Rotfeuerfische stammen aus dem Indopazifik; Mitte der 1980er-Jahre tauchten diese beliebten Aquarienfische erstmals vor der Kuste Floridas auf. Wie sie in ihren neuen Lebensraum gelangten, ist unklar. Nach DNA-Proben zu schliesen, wurden sie von arglosen Aquarianern im At…
Die Erforschung des Lebens
Faszination Forschung: Korallen bei erhohten Wassertemperaturen Korallenriffe beherbergen in den Meeren die groste biologische Vielfalt. Sie beeindrucken durch ihre naturliche Schonheit und dienen fur rund 1 Mrd. Menschen als Fischgrunde und Kustenschutz. Im Laufe der letzten 20 Jahre ist weltweit etwa die Halfte aller riffbildenden Korallen durch den Anstieg der Wassertemperatur und andere Faktoren abgestorben. Die erhohten Temperaturen wirken sich verheerend auf einen faszinierenden Aspekt der Biologie von Korallen aus. Korallen sind Tiere. Die meisten von ihnen beherbergen in ihren Zellen aber sogenannte Zooxanthellen. Das sind einzellige Algen, zumeist Dinoflagellaten. Diese produzieren…
Bakterien, Archaeen und Viren
Faszination Forschung: Bakterien bringen das Meer zum Leuchten Eines Nachts im Januar 1995 fuhr das britische Handelsschiff Lima vor der Kuste Somalias am Horn von Afrika entlang. Da diese Gegend beruchtigt fur Piratenbanden ist, hielt die Mannschaft aufmerksam Ausschau auf das Meer und entdeckte plotzlich am Horizont ein gespenstisches weisliches Leuchten – direkt und unvermeidbar in ihrer Fahrtrichtung. War dieser seltsame Anblick ein Trick der Piraten? Nur 15 min. nach der Entdeckung des Leuchtens war die Lima umgeben von leuchtendem Wasser, soweit das Auge der Crew reichte. Im Logbuch des Schiffes war festgehalten: „Es schien, als fahre das Schiff uber eine Schneefeld oder gleite uber e…
Die Evolution und Vielfalt der Pilze
Faszination Forschung: Die zufallige Entdeckung der Antibiotika Alexander Fleming war im Jahr 1928 bereits ein bekannter Wissenschaftler, aber in seinem Labor herrschte haufig ein groses Durcheinander. In jenem Jahr erforschte er die Eigenschaften von Bakterien der Gattung Staphylococcus, Erreger der gefahrlichen Staphylokokkeninfektionen. Im August begab er sich mit seiner Familie auf eine langere Reise. Bei seiner Ruckkehr im September stellte er fest, dass einige seiner Petrischalen mit Staphylokokken von einem Pilz infiziert waren, der zahlreiche Bakterien abgetotet hatte. Viele Wissenschaftler hatten den Verlust bedauert, die Petrischalen weggeworfen und neue Bakterienkulturen angesetz…
Zellen: die kleinsten Einheiten des Lebens
Faszination Forschung: Naturlicher Sonnenschutz Sonnenlicht spielt fur das Leben eine zentrale Rolle, denn es liefert die Energie, die von den Pflanzen im Zuge der Photosynthese in chemische Energie umgewandelt wird. Die in unserer Nahrung in Form von chemischen Bindungen gespeicherte Energie stammt letztlich von der Sonne. Doch das Sonnenlicht hat auch weniger positive, wenn nicht gar verheerende Nebenwirkungen: Ein gewisser Anteil der elektromagnetischen Strahlung, das energiereiche ultraviolette (UV-)Licht, schadigt das genetische Material in den Zellen, die DNA. Auch ohne genaue Kenntnisse dieser Prozesse achten wir meist darauf, uns keiner ubermasigen Dosis Sonnenlicht auszusetzen, ent…
Genmutationen und molekulare Medizin
Faszination Forschung: Der Angelina-Jolie-Effekt Die Schauspielerin Angelina Jolie erstaunte viele Menschen mit der Bekanntgabe, dass sie sich das Drusengewebe beider Bruste hat entfernen lassen, nachdem sie erfahren hatte, dass sie eine Mutation im „Brustkrebsgen“ tragt. Angelina Jolie war durchaus mit Recht besorgt, denn selbst ohne einen genetischen Test deutete ihre Familiengeschichte darauf hin, dass sie unter einem hohen Krebsrisiko stand. Ihre Mutter hatte Brustkrebs gehabt und war im Alter von 56 Jahren gestorben. Auch ihre Tante war an Brustkrebs gestorben, ihre Grosmutter an Eierstockkrebs. Angelina Jolie erfuhr, dass eine Mutation im BRCA1-Gen fur eine vererbbare Form von Eiersto…
Verhalten von Tieren
Faszination Forschung: Ein angeborenes Lernverhalten In jedem Fruhjahr kann man die herrlichen Gesange der Vogel horen. Weshalb singen Vogel? Singvogelmannchen lassen ihre artspezifischen Gesange erklingen, weil sie mit anderen Mannchen um ein Revier konkurrieren, und sie singen auch, um Partnerinnen anzulocken. Viele Weibchen singen zwar nicht, aber sie erkennen die Gesange ihrer eigenen Art. Die Mannchen der meisten Arten, wie der Dachsammer (Zonotrichia leucophrys), mussen ihre Gesange erlernen. Was sie lernen konnen, wird von ihren Genen beeinflusst, und wann sie lernen konnen, hangt von ihrer Physiologie ab. Ein mannliches Junges im Nest hort seinen Vater und andere Dachsammern singen.…
Die Entstehung der Tiere und die Evolution ihrer Körperbaupläne
Faszination Forschung: Die Entdeckung eines mysteriosen Tieres in einem Aquarium Im Jahr 1883 machte der Zoologe Franz Schulze in seinem Labor in Graz, Osterreich, eine bemerkenswerte Entdeckung: An den Scheiben seines Meerwasseraquariums krochen plotzlich abgeflachte, transparente Organismen. Offenbar waren diese nur millimetergrosen Lebewesen zufallig zusammen mit den Schwammen, an denen Schulze primar interessiert war, in sein Aquarium gelangt, und es handelte sich wohl um Tiere. Sie sahen jedoch vollig anders aus als jegliche zuvor beschriebenen Tiere – vor allem, weil sie wahrend der Fortbewegung standig ihre Gestalt anderten. Wie eine nahere Untersuchung dieser neuartigen Organismen e…
Fortpflanzung bei Blütenpflanzen
Faszination Forschung: Welche Signale losen das Bluhen aus? Die rot-grunen Straucher, die im ganzen Suden von Kalifornien wuchsen und aus denen Mexikaner einen roten Farbstoff gewannen, ubten auf den Milchbauer Albert Ecke eine grose Faszination aus. Dieser Strauch mit dem wissenschaftlichen Namen Euphorbia pulcherrima erhielt seinen Trivialnamen Poinsettie nach jenem Mann, der ihn erstmals in die Vereinigten Staaten brachte: Joel Roberts Poinsett, erster US-Botschafter in Mexiko. Anfang des 20. Jahrhunderts begann Ecke, die Pflanzen auf seiner Farm in Hollywood zu verkaufen. Bevor sich ein kommerzieller Erfolg einstellen konnte, mussten jedoch erst zwei Hindernisse uberwunden werden.
Das Nervensystem von Säugern: Struktur und höhere Funktionen
Faszination Forschung: Fahren Sie Taxi, das trainiert Ihr Gehirn Gehen Sie doch einmal auf einen Kartendienst im Internet und vergleichen Sie London mit New York City, wobei Sie denselben Masstab wahlen. In welcher Stadt ist es wohl einfacher, als Taxifahrer zu arbeiten? Eleanor Maguire war von den navigatorischen Fahigkeiten der Londoner Taxifahrer so beeindruckt, dass sie sich entschloss zu uberprufen, ob deren Gehirne irgendwelche besonderen Merkmale aufweisen. Mit einem computergestutzten, bildgebenden Verfahren, der Magnetresonanztomographie, untersuchten Maguire und ihre Kollegen die Gehirne von Taxifahrern mit unterschiedlich langer Berufserfahrung und verglichen sie sowohl untereina…
Samenlose Pflanzen: Übergang vom Wasser ans Land
Faszination Forschung: Giftverschmutzung durch fossile Algen aus der Urzeit Es geschah am 20. April 2010: Wahrend einer Erkundungsbohrung der Olplattform Deepwater Horizon im Golf von Mexiko, etwa 60 km sudlich der Kuste der USA, kam es in 1500 m Tiefe zu einem explosionsartigen Blowout, der nicht unter Kontrolle gebracht werden konnte. Im Laufe der nachsten drei Monate traten aus der Bohrung fast 5 Mio. Barrel Erdol in den Golf von Mexiko aus und machten dieses Ereignis zur schlimmsten marinen Olkatastrophe der Geschichte. Dieser Olpest fielen unzahlige Meereslebewesen zum Opfer, und auch an der Kuste verursachte sie erhebliche Schaden, weil das an der Oberflache treibende Ol an die Strand…
Die Evolution der Samenpflanzen
Faszination Forschung: Von den Toten wieder zum Leben erweckt – durch Samen Die Fruchte der Judaischen Dattelpalme waren einst sehr begehrt, geschatzt wegen ihres Nahrwerts und ihrer medizinischen Eigenschaften. Im biblischen „Land, wo Milch und Honig fliesen“ bildete sie die Quelle fur den Honig. Heute ist diese uralte Dattelpalmensorte verschwunden. Oder vielleicht doch nicht? Vor etwa 2000 Jahren entwickelte sich in der Frucht einer Judaischen Dattelpalme ein Samen. Die Frucht mit diesem Samen gelangte in einen Lagerraum in der Festung Masada in Judaa. Im Jahr 73 n. Chr. suchte ein Trupp judischer Zeloten, die an einem Aufstand gegen Rom beteiligt waren, hier mit ihren Familien und ihrem…
Physiologie, Homöostase und Temperaturregulation
Faszination Forschung: Warme setzt der korperlichen Leistungsfahigkeit Grenzen Der New-York-City-Marathon 2008 fand an einem kalten, klaren, windigen Tag im November statt. Zum dritten Mal war die Erstplatzierte in diesem Rennen uber 41 km die Weltrekordhalterin Paula Radcliffe. Auch 2004, bei den Olympischen Spielen, war Radcliffe hohe Favoritin des Frauenmarathons gewesen. Aber dieser Lauf fand an einem heisen (34 \({}^{\circ}\)C), feuchten Tag in Athen statt, und Radcliffe kollabierte 6 km vor der Ziellinie aufgrund von Hitzestress. Spitzendauerlaufer kommen in der Regel dann am besten zurecht, wenn die Umgebungstemperatur unter 10 \({}^{\circ}\)C liegt. Der Boston-Marathon 2012 fiel mit…
Evolution von Genen und Genomen
Faszination Forschung: Die Evolutionstheorie tragt zur Entwicklung besserer Grippeimpfstoffe bei Der Erste Weltkrieg endete im November 1918. Die Zahl der Todesfalle in den vier Kriegsjahren wurde jedoch schon bald ubertroffen von den Opfern einer massiven Grippeepidemie, an der weltweit uber 50 Mio. Menschen starben – und damit mehr als doppelt so viele wie in den Schlachten des Ersten Weltkriegs. Die Pandemie von 1918/1919 war insofern bemerkenswert, als die Sterberate unter jungen Erwachsenen, die einer Grippe gewohnlich mit viel geringerer Wahrscheinlichkeit zum Opfer fallen als Kinder und Greise, um das 20-Fache hoher lag als bei den vorherigen und spater folgenden Grippeepidemien. War…
Signalübertragung und Kommunikation zwischen Zellen
Faszination Forschung: Ein Signal fur die Partnerbindung Prariewuhlmause (Microtus ochrogaster) sind kleine Nagetiere, die in den gemasigten Klimazonen der Vereinigten Staaten leben, wo sie Getreidefelder untertunneln. Trifft ein mannliches Tier auf ein Weibchen, wird die Paarungsbereitschaft des Weibchens initiiert und es kommt zum Geschlechtsakt, der haufig Stunden dauert. Nach der Paarung bleiben die beiden Tiere zusammen, bauen ein Nest und sorgen gemeinsam fur den Nachwuchs. Die beiden Wuhlmause sind so eng miteinander verbunden, dass sie ab jetzt zeitlebens zusammenbleiben. Vollkommen anders verhalt sich dagegen die Rocky-Mountains-Wuhlmaus (Microtus montanus), eine eng verwandte Art,…
Die Rekonstruktion der Phylogenie und ihre Anwendungen
Faszination Forschung: Verbesserung eines genetischen Werkzeugs mittels der Phylogenie Das grun fluoreszierende Protein (GFP) wurde im Jahr 1962 entdeckt. Damals gelang es einem japanischen Forscherteam unter der Leitung von Osamu Shimomura, dieses Protein aus den Geweben der biolumineszenten Qualle Aequorea victoria zu isolieren. Das Erstaunliche war, dass dieses Protein, anders als zum Beispiel beim Leuchtsystem der Gluhwurmchen, ohne jeden Cofaktor leuchtete. Rund 30 Jahre nach der Entdeckung von GFP hatte Martin Chalfie die Idee (und die entsprechenden Techniken zur Verfugung), das Gen fur GFP mit anderen proteincodierenden Genen zu verknupfen und damit die Expression bestimmter interes…
Gene, Entwicklung und Evolution
Faszination Forschung: Stammzelltherapie Ruby war in die Jahre gekommen und wie viele in ihrem Alter litt sie unter einer Huftgelenksarthrose. Eine Arthrose ist eine degenerative Gelenkerkrankung, die durch eine Veranderung und den Abbau der schutzenden Knorpelschicht auf der Knochenoberflache im Bereich der Gelenke hervorgerufen wird, welche Entzundungsprozesse auslost und Schmerzen verursachen. So konnten dann auch die Menschen, die sich um Ruby kummerten, die Knochen in ihren Huftgelenken mahlen horen, wenn sie versuchte sich fortzubewegen. Der Arzt empfahl eine Huftoperation, bei der ein kunstliches Huftgelenk eingesetzt werden sollte, doch Karen und Dave hatten fur ihren geliebten Coll…
Stoffwechselwege zur Gewinnung chemischer Energie
Faszination Forschung: Ein gewichtiges Problem In Deutschland sind, wie aktuelle Erhebungen belegen, 7 % der Kinder und 24 % der Erwachsenen als fettleibig (adipos) einzustufen. Die Zahlen sind so alarmierend, dass Mediziner mittlerweile von einer Adipositasepidemie sprechen. Und auch Erkrankungen, die mit Adipositas (Fettleibigkeit) assoziiert sind, darunter Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs, haben in den vergangenen Jahren dramatisch zugenommen und Gesundheitsbehorden wie Mediziner auf den Plan gerufen. Obwohl ernahrungswissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass nicht alle Menschen auf alle Lebensmittel gleich reagieren, lasst sich fur die meisten Betroffenen doch eine al…
Abiotische Umwelt und Biogeographie der Organismen
Faszination Forschung: Das groste Experiment der Welt Auf der Erde leben sehr viele verschiedene Arten, und fast taglich werden neue Spezies entdeckt – das ist den meisten Menschen bewusst. Weniger bekannt ist jedoch, dass ungefahr die Halfte aller bekannten Arten der Erde in einer einzigen Region vorkommt: in den tropischen Regenwaldern des Amazonasbeckens. Die statistischen Daten sind uberwaltigend: In Amazonien wachsen rund 390 Mrd. Baume aus 16.000 Arten, hier leben 20 % aller Vogelarten der Erde, und auf die Hange und Taler ergiest sich ein Funftel der gesamten globalen Niederschlage. Das macht das Amazonasbecken zum weltweit mit Abstand grosten Wassereinzugsgebiet: Tausende Nebenfluss…
Die Biosphäre im Wandel
Faszination Forschung: Besiegelt ein todlicher Pilz das Schicksal der Frosche? Sicher sind Sie schon einmal an einem Teich oder Tumpel auf einen Frosch gestosen. Auf Amphibien zu treffen, ist eigentlich nichts Ausergewohnliches. Seit Ende der 1980er-Jahre verzeichnen Okologen allerdings weltweit einen drastischen Ruckgang der Amphibienarten; bei ihnen ist dieser Ruckgang viel ausgepragter als bei anderen taxonomischen Gruppen, und in manchen Regionen macht er sich besonders stark bemerkbar. Seit 1980 sind 33 Amphibienarten ganz ausgestorben, weitere 115 Spezies gelten als unauffindbar (sie wurden seitdem nicht mehr beobachtet) und 848 Arten sind vom Aussterben bedroht. Einer Studie der Welt…
Transport in Pflanzen
Faszination Forschung: Durstiger Reis Pflanzen benotigen reichlich Wasser zum Wachsen. Beim Anbau von Kulturpflanzen wird mehr Wasser verbraucht als bei allen anderen menschlichen Aktivitaten zusammengenommen. Besonders problematisch ist es, in von Durren bedrohten Regionen den Wasserbedarf zu decken. Daher ist es unabdingbar, den Wasserhaushalt der Pflanzen zu verstehen, damit Pflanzen ausgelesen und gezuchtet werden konnen, die Wasser auf effizientere Weise nutzen. Ein groser Teil der beim Wachstum hinzugewonnenen Pflanzenmasse geht auf die Nettofixierung von \(\mathrm{CO_{2}}\) aus der Luft zuruck, das durch die Photosynthese in Form von Kohlenhydraten gebunden wird. Das Verhaltnis der N…
Von der DNA zum Protein: die Genexpression
Faszination Forschung: Bekampfung von Superkeimen mithilfe des genetischen Codes Staphylococcus aureus gehort zu den Milliarden von Bakterien, die beim Menschen die Haut und die Nase besiedeln, aber grostenteils keine Krankheiten verursachen. Manchmal kann S. aureus jedoch schwere Infektionen der Haut hervorrufen, besonders wenn das Immunsystem durch Alter oder Krankheit geschwacht ist. Das Bakterium kann dann uber die Nase oder eine Hautverletzung in den Korper eindringen und dort schwere und gelegentlich auch lebensbedrohliche Infektionen in Organen hervorrufen, beispielsweise im Herz oder in der Lunge. Bis vor Kurzem wurden Infektionen mit S. aureus erfolgreich mit Penicillin und verwand…
Immunologie: Abwehrsysteme der Tiere
Faszination Forschung: Impfstoffe und Immunitat Funf kleine Ampullen in Gefrierschranken, drei in Bethesda, Maryland, eine in Atlanta, Georgia, und eine in Sibirien: Das ist alles, was heute vom Pockenvirus ubriggeblieben ist. Die Pocken toteten im 20. Jahrhundert mehr als 300 Mio. Menschen, aber dank der Pockenimpfung trat die Krankheit 1978 zum letzten Mal auf. Ein Impfstoff ist meistens eine inaktive Form oder ein Fragment eines Krankheitserregers (Pathogens) oder Toxins. Er regt das Immunsystem dazu an, Antikorper – spezifische Proteine, die gegen den Erreger gerichtet sind – zu bilden. Das Immunsystem zerstort alles, an das die Antikorper binden. Die Ausrottung des Pockenvirus war ein …
Proteine, Kohlenhydrate und Lipide
Faszination Forschung: Ein Netz weben Ein Spinnennetz ist ein faszinierendes Gebilde. Es ist nicht nur wunderschon anzusehen, es ist auch ein architektonisches Wunderwerk, das die Spinne als Wohnraum nutzt, das ihrer Fortpflanzung dient und mit dem sie Beutetiere fangt. Beobachten Sie eine Fliege, die zu ihrem Ungluck mit einem Spinnennetz Bekanntschaft macht. Die Faden des Netzes mussen die Fliege aus vollem Flug abfangen. Die Faden reisen aber nicht, sondern sind elastisch und nehmen die kinetische Energie des fliegenden Insekts auf. Gleichzeitig durfen die Fasern nicht zu sehr nachgeben, sondern mussen fest genug sein, um die Form des Netzes zu bewahren und es an Ort und Stelle zu halten…
Zellzyklus und Zellteilung
Faszination Forschung: Unsterbliche Zellen Am 29. Januar 1951 suchte die 30-jahrige Henrietta Lacks eine Klinik in Baltimore (USA) auf, da sie nach der Geburt ihres jungsten Kindes an anormalen Blutungen litt. Der Arzt entdeckte die Ursache fur diese Blutungen, einen Tumor, der bereits ein Viertel ihres Gebarmutterhalses umfasste. Die Untersuchung eines Tumorstucks durch einen Pathologen ergab, dass der Tumor bosartig war. Eine Woche spater kehrte Frau Lacks in die Klinik zuruck, wo die Mediziner den Tumor bestrahlten, um ihn abzutoten. Bevor sie mit der Behandlung begannen, entnahmen sie eine geringe Menge von Zellen und schickten diese ohne Zustimmung der Patientin – was damals zwar so ub…
Entwicklung der Tiere
Faszination Forschung: Mit dem Strom schwimmen Legen Sie mal Ihre Hand auf Ihr Herz. Nun legen Sie sie auf Ihren Blinddarm. Als Nachstes auf Ihr Pankreas (Bauchspeicheldruse). Sicherlich haben Sie Ihre Hand zuerst auf die linke Seite Ihrer Brust gelegt, dann auf die rechte Seite Ihres Unterbauchs und schlieslich auf die linke Seite Ihres Oberbauchs. Wirbeltiere (einschlieslich des Menschen) sind zwar bilateralsymmetrisch gebaut, aber unsere Bilateralsymmetrie ist offensichtlich nicht durchgehend. Einige unserer inneren Organe sind zur linken Seite hin orientiert, andere zur rechten. Bei rund einem von 7000 Menschen sind die inneren Organe spiegelbildlich angeordnet, ein harmloser Zustand, d…
Muskeln und Skelette
Faszination Forschung: Meister im Springen Der Weltrekord im Dreisprung der Manner liegt bei 18,26 m und wurde 1995 von Jonathan Edwards aufgestellt, durchschnittlich also uber 6 m pro Sprung (wobei diese beim Dreisprung sehr ungleich lang sind). Ein anderer Dreisprungrekord, der noch immer Bestand hat, wurde zwei Jahre fruher von Rosie the Ribeter aufgestellt, die 6,55 m weit sprang, pro Sprung im Durchschnitt also uber 2 m. Rosie war ein Ochsenfrosch (Rana catesbeiana), der 1986 in Kalifornien einen Dreisprungwettkampf fur Frosche gewann. In gewisser Hinsicht ist Rosies Rekord der eindrucksvollere, denn wahrend Jonathans Dreisprung etwa dem Zehnfachen seiner Korpergrose von 1,80 m entspra…
Photosynthese: Energie aus dem Sonnenlicht
Faszination Forschung: Photosynthese und die globale Klimaveranderung Es war im Juli 2014, als die NASA einen Forschungssatelliten ins All schickte, um die Photosynthese auf der Erde zu messen. An Bord des Orbiting Carbon Observatory (OCO), so der Name des Satelliten, befanden sich Gerate, die nicht nur die Konzentration des Kohlenstoffdioxids (\(\mathrm{CO_{2}}\)) kartieren, sondern auch die Menge des auf der Erdoberflache vorhandenen grunen Pflanzenpigments Chlorophyll ermitteln sollten. Aber warum sollten es diese Messungen sein und warum zu diesem Zeitpunkt?
Die Geschichte des Lebens auf der Erde
Faszination Forschung: Als riesige Insekten den Himmel beherrschten Die Flugelspannweite der grosten heute lebenden Libellen gleicht in etwa der Grose einer Hand. Vor 300 Mio. Jahren lebten jedoch Libellen wie Meganeuropsis permiana mit einer Flugelspannweite von uber 70 cm – das ist mehr als viele heute lebende Greifvogel aufweisen. Diese Libellen waren damals die grosten Rauber der Lufte. Heute erreicht kein einziges flugfahiges Insekt auch nur annahernd diese Grose. Doch wahrend des Karbons und des Perms, vor 350–250 Mio. Jahren, gab es in vielen Gruppen flugfahiger Insekten gigantische Arten. Meganeuropsis ernahrte sich wahrscheinlich von riesigen Eintagsfliegen und anderen grosen Flugi…
Mineralstoffversorgung der Pflanzen
Faszination Forschung: Eine verbesserte Mineralstoffversorgung von Pflanzen zur Ernahrung der Weltbevolkerung Nutzpflanzen wie Reis, Weizen und Mais machen mehr als die Halfte der menschlichen Ernahrung aus. Damit solche Pflanzen gut wachsen, mussen sie ausreichend mit bestimmten Mineralstoffen versorgt sein. Oft herrscht in Boden jedoch ein Mangel an diesen Mineralstoffen, das gilt insbesondere fur geeignete Stickstoffverbindungen. Beim biologischen Anbau sorgt traditionell das Ausbringen von tierischen Exkrementen (Dung) auf den Feldern fur eine Stickstoffzufuhr. Die komplexen Makromolekule im Dung werden auf naturliche Weise, das heist von Mikroorganismen, abgebaut, wobei unter anderem A…
Leben und Chemie: kleine Moleküle
Faszination Forschung: Auf den Spuren eines Dinosauriers „Man ist, was man isst – und das gilt auch fur die Zahne“ ist eine Abwandlung einer gelaufigen Redewendung zu den in unserem Korper ablaufenden chemischen Prozessen. Eines der bedeutendsten Elemente in Organismen ist Sauerstoff (O), der unter anderem ein Bestandteil des Wassermolekuls (\(\mathrm{H_{2}O}\)) ist. Sauerstoff kommt in der Natur in zwei naturlichen Varianten vor, die man als Isotope bezeichnet. Isotope besitzen zwar weitgehend dieselben chemischen Eigenschaften, sie unterscheiden sich jedoch in ihrer Masse, da ihre Atomkerne eine unterschiedliche Zahl an Neutronen enthalten. Beide Sauerstoffisotope werden Bestandteile der …
Hormone der Tiere
Faszination Forschung: Das Trainingshormon Manche Menschen essen sehr kalorienreich und nehmen dennoch nicht zu. Bleiben sie nur deshalb schlank, weil ihre korperliche Bewegung uberschussige Kalorien verbraucht, die sonst als Fett gespeichert wurden? Wie Sie in Abschn. 39.5erfahren haben, gibt es zwei Typen von Fettgewebe. Weises Fettgewebe speichert Lipide, und braunes Fettgewebe metabolisiert („verstoffwechselt“) Lipide, um Warme zu erzeugen, ohne ATP zu produzieren. Braunes Fettgewebe findet man bei kalteakklimatisierten Nagern, bei Winterschlafern und bei menschlichen Neugeborenen. Lange Zeit nahm man an, dass es bei erwachsenen Menschen nicht vorkommt. Kurzlich lies sich dank computerg…
Salzhaushalt, Wasserhaushalt und Stickstoffausscheidung
Faszination Forschung: Wie Vampirfledermause Blut als schnelle Mahlzeit verwerten Blut, Schweis und Tranen schmecken salzig, weil sie Ionenkonzentrationen ahnlich der extrazellularen Flussigkeit aufweisen, welche die Korperzellen umgibt. Die Zusammensetzung und das Volumen der extrazellularen Flussigkeit werden vom Exkretionssystem reguliert. Die Herausforderung an das Exkretionssystem hangt von der Umwelt eines Tieres und seiner Lebensweise ab. Manche Wustentiere treffen nur selten, wenn uberhaupt, auf freies Wasser. Deshalb mussen sie Wasser sparen, indem sie uberschussige Ionen und stickstoffhaltige Abfallprodukte mit so wenig Wasserverlust wie moglich ausscheiden. Im Suswasser lebende K…
Die Entstehung und Diversifizierung der Eukaryoten
Faszination Forschung: Zuverlassige Vorhersagen toxischer roter Tiden Im Sommer 2005 legte eine verheerende rote Tide entlang der Atlantikkuste Nordamerikas die Muschelindustrie lahm. Verursacht wurde diese rote Tide durch eine Blute von Dinoflagellaten der Gattung Alexandrium. Diese Einzeller produzieren ein starkes Gift, das sich in Muscheln besonders stark anreichert, weil diese von eingestrudeltem Plankton leben. Beim Verzehr von Schalentieren, die mit diesem Gift kontaminiert sind, kann es zur paralytischen Form einer Muschelvergiftung kommen (im Englischen als paralytic shellfish poisoning, PSP, bezeichnet). Mit Paralyse ist hier die Lahmung der quergestreiften Muskulatur gemeint, ins…
Energie, Enzyme und Stoffwechsel
Faszination Forschung: Wie Aspirin wirkt Trotz seines Schuttelfrostes machte Hochwurden Edward Stone einen Spaziergang. Fiebrig, erschopft und mit Gliederschmerzen kam er zu einem Weidenbaum. Ihm war nicht bekannt, dass zahlreiche Heiler in der Vergangenheit einen Extrakt der Weidenrinde zur Fiebersenkung verwendet hatten, aber ansonsten war er mit Naturheilkunde vertraut, die zahlreiche Erkrankungen lindern oder gar heilen kann. Beim Anblick der Weidenrinde fielen ihm die bitteren, fiebersenkenden und sehr teuren Rindenextrakte einiger sudamerikanischer Baume ein. Stone riss ein paar Rindenstreifen ab, begann darauf herumzukauen und bemerkte ihren ebenfalls bitteren Geschmack; auch entging…
Regulation des Pflanzenwachstums
Faszination Forschung: Nobelpreis fur einen Pflanzenzuchter Biologen sind standig auf der Suche nach Moglichkeiten, um den Landwirten bei der Nahrungsmittelproduktion fur eine wachsende Bevolkerung zu helfen; dabei wurden Getreidepflanzen entwickelt, die aufgrund ihrer physiologischen Eigenschaften mehr Korner pro Pflanze bilden (gleichbedeutend mit einer Ertragssteigerung). Der Nachteil an diesem Ansatz: Allein durch das Gewicht der Samen kann die Sprossachse umknicken. Verstarkt wird dieses Problem noch, wenn dem Boden Dunger zugefugt wird und dadurch hohere Pflanzen wachsen. Die Korner vom Boden zu ernten, ist sehr schwierig; denken Sie nur daran, wie muhselig es ware, die Korner einzeln…
Rekombinante DNA und Gentechnik
Faszination Forschung: Gentechnik und Medizin Als sich Janet ihrem Buro naherte, fuhlte sich ihre linke Gesichtshalfte taub an. Sie war verwirrt und hatte Schwierigkeiten, ihr Buro zu finden. Ein Passant betatigte den Notruf und sie wurde von einer Notfallambulanz zur nahen Klinik gefahren. Janet hatte einen Schlaganfall, konnte aber zwei Tage spater vollstandig erholt an ihren Arbeitsplatz zuruckkehren. Zu einem Schlaganfall (auch Hirnschlag genannt) kann es kommen, wenn ein groses Blutgefas, das das Gehirn mit Sauerstoff und Nahrstoffen versorgt, blockiert wird. Innerhalb weniger Minuten verringert sich die Zellatmung in der betroffenen Hirnregion, und innerhalb von Minuten bis Stunden st…
Reaktionen der Pflanze auf Umweltstress
Faszination Forschung: Gelingt es Wissenschaftlern, krankheitsresistenten Weizen zu zuchten? Im Jahr 1998 stellte der Pflanzengenetiker William Wagoire aus Uganda an den Stangeln der Weizenpflanzen, die er zuchtete, zu seinem grosen Erstaunen rote Pusteln fest. Der Pilz, der die Pusteln verursachte, der Getreideschwarzrost (Puccinia graminis), war 25 Jahre zuvor vermeintlich ausgerottet worden. Damals kreuzte man ein Gen aus Roggen in Weizen ein, das ihn resistent gegen diese Pilzkrankheit machte. Durch diesen bahnbrechenden Erfolg gelang es, eine Nutzpflanze, die ein Drittel der menschlichen Ernahrung liefert, vor dem Befall mit einem verheerenden Pilz zu bewahren. Auch wenn zwei Generatio…