Biologie -
Biology

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Biologie beschäftigt sich mit dem Studium des Lebens.

Biologie ist das wissenschaftliche Studium des Lebens . Es ist eine Naturwissenschaft mit einem breiten Anwendungsbereich, hat jedoch mehrere vereinende Themen, die sie zu einem einzigen, kohärenten Gebiet verbinden. Alle Organismen bestehen beispielsweise aus Zellen , die in Genen kodierte Erbinformationen verarbeiten , die an zukünftige Generationen weitergegeben werden können. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Evolution , die die Einheit und Vielfalt des Lebens erklärt. Die Energieverarbeitung ist auch für das Leben wichtig, da sie es Organismen ermöglicht, sich zu bewegen, zu wachsen und sich zu vermehren. Schließlich sind alle Organismen in der Lage, ihre eigene innere Umgebung zu regulieren .

Biologen sind in der Lage, das Leben auf mehreren Organisationsebenen zu studieren . Von der Molekularbiologie einer Zelle über die Anatomie und Physiologie von Pflanzen und Tieren bis hin zur Evolution von Populationen . Daher gibt es innerhalb der Biologie mehrere Teildisziplinen, die jeweils durch die Art ihrer Forschungsfragen und die von ihnen verwendeten Werkzeuge definiert werden . Wie andere Wissenschaftler nutzen auch Biologen die wissenschaftliche Methode , um Beobachtungen zu machen , Fragen zu stellen , Hypothesen aufzustellen, Experimente durchzuführen und Rückschlüsse auf die Welt um sie herum zu ziehen.

Das Leben auf der Erde , das vor mehr als 3,7 Milliarden Jahren entstand, ist immens vielfältig. Biologen haben versucht, die verschiedenen Lebensformen zu untersuchen und zu klassifizieren, von prokaryotischen Organismen wie Archaeen und Bakterien bis hin zu eukaryotischen Organismen wie Protisten , Pilzen , Pflanzen und Tieren . Diese verschiedenen Organismen tragen zur Artenvielfalt eines Ökosystem , wo sie spezialisierte Rollen in dem spielen Radfahren von Nährstoffen und Energie durch ihre biophysikalische Umwelt .

Etymologie

Biologie leitet sich von den altgriechischen Wörtern von

βίος
romanized bíos ab, was 'Leben' und -
λογία bedeutet
; romanisiert - logía bedeutet "Studienzweig" oder "sprechen". Diejenigen , kombiniert macht das griechische Wort
βιολογία
romanized BIOLOGÍA Bedeutung ‚Biologie‘. Trotzdem existierte der Begriff
βιολογία
als Ganzes im Altgriechischen nicht. Die ersten, die es entlehnten, waren die Engländer und Franzosen ( biologie ). Historisch gesehen gab es im Englischen einen anderen Begriff für Biologie , Lebenskunde ; es wird heute selten verwendet.

, der verkündete:
Gegenstand unserer Forschung sind die verschiedenen Formen und Erscheinungsformen des Lebens, die Bedingungen und Gesetze, unter denen diese Phänomene auftreten, und die Ursachen, durch die sie beeinflusst wurden. Die Wissenschaft , dass beschäftigt sich mit diesen Objekten , die wir mit dem Namen Biologie [anzeigt Biologie ] oder die Lehre des Lebens [ Lebenslehre ].

Viele andere Begriffe, die in der Biologie verwendet werden, um Pflanzen, Tiere, Krankheiten und Medikamente zu beschreiben, wurden aufgrund der historischen Beiträge der antiken griechischen und römischen Zivilisation sowie der fortgesetzten Verwendung dieser beiden Sprachen an europäischen Universitäten während der Zeit aus dem Griechischen und Lateinischen abgeleitet Mittelalter und zu Beginn der Renaissance .

Geschichte

Eine Zeichnung einer Fliege von oben nach oben, mit Flügeldetail
Schema einer Fliege aus Robert Hookes innovativer Micrographie , 1665
überlebten .

Zu den Gelehrten der mittelalterlichen islamischen Welt , die über Biologie schrieben, gehörten al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), der über Botanik schrieb, und Rhazes (865–925), der über Anatomie und Physiologie schrieb . Medizin wurde besonders gut von islamischen Gelehrten studiert, die in griechischen Philosophentraditionen arbeiteten, während sich die Naturgeschichte stark auf das aristotelische Denken stützte, insbesondere bei der Aufrechterhaltung einer festen Hierarchie des Lebens.

Die Biologie begann sich schnell zu entwickeln und zu wachsen mit Anton van Leeuwenhoeks dramatischer Verbesserung des Mikroskops . Damals entdeckten Gelehrte Spermatozoen , Bakterien , Infusorien und die Vielfalt des mikroskopischen Lebens. Untersuchungen von Jan Swammerdam führten zu neuem Interesse an der Entomologie und halfen bei der Entwicklung der grundlegenden Techniken der mikroskopischen Präparation und Färbung .

Fortschritte in der Mikroskopie hatten auch einen tiefgreifenden Einfluss auf das biologische Denken. Anfang des 19. Jahrhunderts wiesen eine Reihe von Biologen auf die zentrale Bedeutung der Zelle hin . Dann, im Jahr 1838, begannen Schleiden und Schwann , die heute universellen Ideen zu verbreiten, dass (1) die Grundeinheit der Organismen die Zelle ist und (2) dass einzelne Zellen alle Merkmale des Lebens haben , obwohl sie die Idee ablehnten, dass (3) alle Zellen stammen aus der Teilung anderer Zellen. Dank der Arbeit von Robert Remak und Rudolf Virchow akzeptierten die meisten Biologen jedoch in den 1860er Jahren alle drei Grundsätze der sogenannten Zelltheorie .

Taxonomie und Klassifikation rückten inzwischen in den Fokus der Naturhistoriker. Carl Linnaeus veröffentlichte 1735 eine grundlegende Taxonomie für die natürliche Welt (von der seither Variationen verwendet wurden) und führte in den 1750er Jahren wissenschaftliche Namen für alle seine Arten ein. Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon , behandelte Arten als künstliche Kategorien und lebende Formen als formbar – und deutete sogar auf die Möglichkeit einer gemeinsamen Abstammung hin . Obwohl er gegen die Evolution war, ist Buffon eine Schlüsselfigur in der Geschichte des evolutionären Denkens ; seine Arbeit beeinflusste die Evolutionstheorien von Lamarck und Darwin .

1842 verfasste Charles Darwin seine erste Skizze von On the Origin of Species .

Ernsthaftes evolutionäres Denken hat seinen Ursprung in den Werken von Jean-Baptiste Lamarck , der als erster eine kohärente Evolutionstheorie präsentierte. Er postulierte, dass die Evolution das Ergebnis von Umweltbelastungen auf die Eigenschaften von Tieren ist, was bedeutet, dass ein Organ umso komplexer und effizienter wird, je häufiger und rigoroser es verwendet wird, und so das Tier an seine Umgebung anpassen. Lamarck glaubte, dass diese erworbenen Eigenschaften dann an die Nachkommen des Tieres weitergegeben werden könnten, die sie weiterentwickeln und perfektionieren würden. Es war jedoch der britische Naturforscher Charles Darwin , der den biogeographischen Ansatz von Humboldt , die uniformitäre Geologie von Lyell , Malthus' Schriften über das Bevölkerungswachstum und seine eigene morphologische Expertise und umfangreiche Naturbeobachtungen kombinierte , der eine erfolgreichere Evolutionstheorie basierend auf natürlicher Selektion schmiedete ; ähnliche Argumente und Beweise führten dazu, dass Alfred Russel Wallace unabhängig zu den gleichen Schlussfolgerungen gelangte. Darwins Theorie der Evolution durch natürliche Auslese verbreitete sich schnell in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und wurde bald zu einem zentralen Axiom der sich schnell entwickelnden Wissenschaft der Biologie.

Die Grundlage für die moderne Genetik begann mit der Arbeit von Gregor Mendel , der sein Papier präsentiert, „ Versuche über Pflanzenhybriden “ ( „ Versuche über Pflanzenhybriden “), im Jahr 1865, die die Prinzipien der biologischen Vererbung skizzierten, für die moderne Genetik als Grundlage dienen , . Die Bedeutung seiner Arbeit wurde jedoch erst Anfang des 20. Jahrhunderts erkannt, als die Evolution zu einer einheitlichen Theorie wurde, als die moderne Synthese die Darwinsche Evolution mit der klassischen Genetik in Einklang brachte . In den 1940er und frühen 1950er Jahren wies eine Reihe von Experimenten von Alfred Hershey und Martha Chase auf die DNA als Bestandteil der Chromosomen hin , die die merkmalstragenden Einheiten enthielten, die als Gene bekannt wurden . Ein Fokus auf neuartige Modellorganismen wie Viren und Bakterien sowie die Entdeckung der doppelhelikalen Struktur der DNA durch James Watson und Francis Crick im Jahr 1953 markierten den Übergang in die Ära der Molekulargenetik . Von den 1950er Jahren bis heute hat sich die Biologie im molekularen Bereich stark ausgeweitet . Der genetische Code wurde von Har Gobind Khorana , Robert W. Holley und Marshall Warren Nirenberg geknackt , nachdem erkannt wurde, dass die DNA Codons enthält . Schließlich wurde 1990 das Human Genome Project mit dem Ziel ins Leben gerufen, das allgemeine menschliche Genom zu kartieren . Dieses Projekt wurde 2003 im Wesentlichen abgeschlossen, weitere Analysen werden noch veröffentlicht. Das Human Genome Project war der erste Schritt in einer globalisierten Anstrengung, das gesammelte Wissen der Biologie in eine funktionelle, molekulare Definition des menschlichen Körpers und der Körper anderer Organismen einfließen zu lassen.

Grundlagen

Chemische Basis

Atome und Moleküle

Im Bohrschen Atommodell kreisen Elektronen (blauer Punkt) in bestimmten Atomorbitalen (graue leere Kreise) um einen Atomkern (rot ausgefüllter Kreis ).

Alle Organismen bestehen aus Materie und alle Materie besteht aus Elementen . Sauerstoff , Kohlenstoff , Wasserstoff und Stickstoff sind die vier Elemente, die 96% aller Organismen ausmachen, wobei Calcium , Phosphor , Schwefel , Natrium , Chlor und Magnesium die restlichen 3,7% ausmachen. Verschiedene Elemente können sich zu Verbindungen wie Wasser verbinden, das für das Leben von grundlegender Bedeutung ist. Das Leben auf der Erde begann mit Wasser und blieb dort etwa drei Milliarden Jahre lang, bevor es an Land wanderte. Materie kann in verschiedenen existiert Staaten als Feststoff , Flüssigkeit oder Gas .

Die kleinste Einheit eines Elements ist ein Atom , das aus einem Atomkern und einem oder mehreren Elektronen besteht, die sich um den Kern bewegen, wie durch das Bohr-Modell beschrieben . Der Kern besteht aus einem oder mehreren Protonen und mehreren Neutronen . Protonen haben eine positive elektrische Ladung , Neutronen sind elektrisch neutral und Elektronen haben eine negative elektrische Ladung. Atome mit gleicher Anzahl von Protonen und Elektronen sind elektrisch neutral. Das Atom jedes spezifischen Elements enthält eine einzigartige Anzahl von Protonen, die als Ordnungszahl bekannt ist , und die Summe seiner Protonen und Neutronen ist die Massenzahl eines Atoms . Die Massen einzelner Protonen, Neutronen und Elektronen können in Gramm oder Dalton (Da) gemessen werden , wobei die Masse jedes Protons oder Neutrons auf 1 Da gerundet wird. Obwohl alle Atome eines bestimmten Elements die gleiche Anzahl an Protonen haben, können sie sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden und somit als Isotope vorliegen . Kohlenstoff kann beispielsweise als stabiles Isotop ( Kohlenstoff-12 oder Kohlenstoff-13 ) oder als radioaktives Isotop ( Kohlenstoff-14 ) vorliegen , wobei letzteres bei der radiometrischen Datierung (insbesondere der Radiokohlenstoff-Datierung ) zur Altersbestimmung verwendet werden kann von organischen Materialien .

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Im Gegensatz zu ionischen Bindungen beinhaltet eine kovalente Bindung die gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren zwischen Atomen. Diese Elektronenpaare und das stabile Gleichgewicht von anziehenden und abstoßenden Kräften zwischen Atomen, wenn sie Elektronen teilen , wird als kovalente Bindung bezeichnet.

kann eine Wasserstoffbindung zwischen ihnen bilden. Wenn mehr Moleküle vorhanden sind, wie es bei flüssigem Wasser der Fall ist, sind mehr Bindungen möglich, weil der Sauerstoff eines Wassermoleküls zwei einsame Elektronenpaare hat, von denen jedes mit einem Wasserstoff an einem anderen Wassermolekül eine Wasserstoffbrücke bilden kann.

Wasser

Modell von Wasserstoffbrücken (1) zwischen den Molekülen von Wasser
, die das Leben erhalten.

Wasser ist in seiner molekularen Struktur ein kleines polares Molekül mit gebogener Form, das durch die polaren kovalenten Bindungen zweier Wasserstoffatome (H) an ein Sauerstoffatom (O) (H 2 O) gebildet wird. Da die OH-Bindungen polar sind, ist das Sauerstoffatom leicht negativ und die beiden Wasserstoffatome leicht positiv geladen. Diese polare Eigenschaft von Wasser ermöglicht es, andere Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken anzuziehen, wodurch Wasser kohäsiv wird . Die Oberflächenspannung resultiert aus der Kohäsionskraft aufgrund der Anziehung zwischen Molekülen an der Oberfläche der Flüssigkeit. Wasser ist auch klebend, da es an der Oberfläche von polaren oder geladenen Nicht-Wasser-Molekülen haften kann.

des Eises bilden, die einen großen Raum zwischen den Wassermolekülen lässt. Im Gegensatz dazu gibt es in flüssigem Wasser keine Kristallgitterstruktur, wodurch mehr Wassermoleküle das gleiche Volumen einnehmen können.

Wasser hat auch die Fähigkeit, Energie zu absorbieren, was ihm eine höhere spezifische Wärmekapazität verleiht als andere Lösungsmittel wie Ethanol . Daher wird eine große Energiemenge benötigt, um die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen aufzubrechen, um flüssiges Wasser in Gas (oder Wasserdampf ) umzuwandeln .

Als Molekül ist Wasser nicht vollständig stabil, da jedes Wassermolekül kontinuierlich in Wasserstoff- und Hydroxylionen dissoziiert, bevor es sich wieder in ein Wassermolekül umwandelt. In reinem Wasser gleicht die Anzahl der Wasserstoffionen der Anzahl der Hydroxylionen aus (oder ist gleich), was zu einem neutralen pH-Wert führt. Wenn die Wasserstoffionen die Hydroxylionen übersteigen würden, wäre der pH-Wert der Lösung sauer . Umgekehrt würde der pH-Wert einer Lösung basisch werden, wenn die Hydroxylionen die Wasserstoffionen übersteigen.

Organische Verbindungen

Organische Verbindungen wie Glukose sind für Organismen lebenswichtig
.

Die einfachste Form eines organischen Moleküls ist der Kohlenwasserstoff , eine große Familie organischer Verbindungen, die aus Wasserstoffatomen bestehen, die an eine Kette von Kohlenstoffatomen gebunden sind. Ein Kohlenwasserstoff-Rückgrat kann durch andere Elemente wie Sauerstoff (O), Wasserstoff (H), Phosphor (P) und Schwefel (S) ersetzt werden, die das chemische Verhalten dieser Verbindung verändern können. Atomgruppen, die diese Elemente (O-, H-, P- und S-) enthalten und an ein zentrales Kohlenstoffatom oder Skelett gebunden sind, werden als funktionelle Gruppen bezeichnet . Es gibt sechs wichtige funktionelle Gruppen, die in Organismen gefunden werden können: Aminogruppe , Carboxylgruppe , Carbonylgruppe , Hydroxylgruppe , Phosphatgruppe und Sulfhydrylgruppe .

1953 Stanley Miller und Harold Urey führte ein klassisches Experiment (sonst bekannt als das Experiment Miller-Urey ), die zeigten , dass organische Verbindungen abiotisch in einem geschlossenen System synthetisiert werden könnten, die die Bedingungen von nachgeahmt frühen Erde , was ihnen das komplexe abschließen organische Moleküle könnten spontan in der frühen Erde entstanden sein, höchstwahrscheinlich in der Nähe von Vulkanen, und könnten einen Teil der frühen Stadien der Abiogenese (oder des Ursprungs des Lebens) haben.

Makromoleküle

Eine Phospholipid-Doppelschicht besteht aus zwei benachbarten Phospholipidschichten, wobei die hydrophilen Schwänze nach innen und die hydrophoben Köpfe nach außen zeigen.
), die in allen Organismen vorkommen. Jedes dieser Makromoleküle spielt innerhalb einer bestimmten Zelle eine spezielle Rolle.

, um Zellen mit Zucker zu versorgen.

Lipide sind die einzige Klasse von Makromolekülen, die nicht aus Polymeren bestehen. Die biologisch wichtigsten Lipide sind Steroide , Phospholipide und Fette . Diese Lipide sind organische Verbindungen, die weitgehend unpolar und hydrophob sind. Steroide sind organische Verbindungen, die aus vier verschmolzenen Ringen bestehen. Phospholipide bestehen aus Glycerin, das an eine Phosphatgruppe und zwei Kohlenwasserstoffketten (oder Fettsäuren ) gebunden ist . Die Glycerin- und Phosphatgruppe bilden zusammen die polare und hydrophile (oder Kopf-) Region des Moleküls, während die Fettsäuren die unpolare und hydrophobe (oder Schwanz-) Region bilden. Daher neigen Phospholipide in Wasser dazu, eine Phospholipid-Doppelschicht zu bilden, wobei die hydrophoben Köpfe nach außen zeigen, um mit Wassermolekülen zu interagieren. Umgekehrt zeigen die hydrophoben Schwänze nach innen zu anderen hydrophoben Schwänzen, um den Kontakt mit Wasser zu vermeiden.

Die (a) primären, (b) sekundären, (c) tertiären und (d) quaternären Strukturen eines Hämoglobinproteins .
verleiht einem Protein seine dreidimensionale oder tertiäre Struktur. Schließlich können mehrere Tertiärstrukturen kombiniert werden, um die Quartärstruktur eines Proteins zu bilden.

Nukleinsäuren sind Polymere, die aus Monomeren bestehen, die Nukleotide genannt werden. Ihre Funktion besteht darin, Erbinformationen zu speichern, zu übermitteln und auszudrücken. Nukleotide bestehen aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einer stickstoffhaltigen Base. Ribonukleotide, die als Zucker Ribose enthalten, sind die Monomere der Ribonukleinsäure (RNA) . Im Gegensatz dazu enthalten Desoxyribonukleotide Desoxyribose als Zucker und sind die Monomere der Desoxyribonukleinsäure (DNA) . RNA und DNA unterscheiden sich auch hinsichtlich einer ihrer Basen. Es gibt zwei Arten von Basen: Purine und Pyrimidine . Zu den Purinen gehören Guanin (G) und Adenin (A), während die Pyrimidine aus Cytosin (T), Uracil (U) und Thymin (T) bestehen. Uracil wird in RNA verwendet, während Thymin in DNA verwendet wird. Zusammengenommen, wenn man die verschiedenen Zucker und Basen berücksichtigt, gibt es acht verschiedene Nukleotide, die zwei Arten von Nukleinsäuren bilden können: DNA (A, G, C und T) und RNA (A, G, C und U .). ).

Zellen

.

Zellstruktur

Struktur einer tierischen Zelle mit verschiedenen Organellen

Jede Zelle ist von einer Zellmembran umgeben , die ihr Zytoplasma vom extrazellulären Raum trennt . Eine Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht , einschließlich Cholesterinen , die zwischen Phospholipiden sitzen , um ihre Fließfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Zellmembranen sind semipermeabel und lassen kleine Moleküle wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser durch, während die Bewegung größerer Moleküle und geladener Teilchen wie Ionen eingeschränkt wird . Zellmembranen enthalten auch Membranproteine , einschließlich integraler Membranproteine , die als Membrantransporter durch die Membran gehen , und periphere Proteine , die lose an der Außenseite der Zellmembran anhaften und als Enzyme fungieren , die die Zelle formen. Zellmembranen sind an verschiedenen zellulären Prozessen wie Zelladhäsion , Speicherung elektrischer Energie und Zellsignalisierung beteiligt und dienen als Anheftungsfläche für mehrere extrazelluläre Strukturen wie Zellwand , Glykokalyx und Zytoskelett .

Aufbau einer Pflanzenzelle

Im Zytoplasma einer Zelle gibt es viele Biomoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren . Neben Biomolekülen besitzen eukaryotische Zellen spezialisierte Strukturen, sogenannte Organellen , die ihre eigenen Lipiddoppelschichten besitzen oder räumliche Einheiten sind. Zu diesen Organellen gehören der Zellkern , der den größten Teil der DNA der Zelle enthält, oder Mitochondrien , die Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen, um zelluläre Prozesse anzutreiben. Andere Organellen wie das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat spielen eine Rolle bei der Synthese bzw. Verpackung von Proteinen. Biomoleküle wie Proteine ​​können von Lysosomen , einer anderen spezialisierten Organelle , verschlungen werden . Pflanzenzellen haben zusätzliche Organellen, die sie von tierischen Zellen unterscheiden, wie eine Zellwand , die die Pflanzenzelle unterstützt, Chloroplasten , die Sonnenlichtenergie zur Zuckerproduktion gewinnen, und Vakuolen , die Speicher und strukturelle Unterstützung bieten sowie an Reproduktion und Abbau beteiligt sind von Pflanzensamen. Eukaryotische Zellen haben auch ein Zytoskelett, das aus Mikrotubuli , Zwischenfilamenten und Mikrofilamenten besteht , die alle die Zelle unterstützen und an der Bewegung der Zelle und ihrer Organellen beteiligt sind. Hinsichtlich ihrer strukturellen Zusammensetzung bestehen die Mikrotubuli aus Tubulin (z. B. α-Tubulin und β-Tubulin, während Intermediärfilamente aus faserigen Proteinen bestehen. Mikrofilamente bestehen aus Aktinmolekülen , die mit anderen Proteinsträngen interagieren.

Stoffwechsel

Beispiel einer enzymkatalysierten exothermen Reaktion
als Elektronen übertragen , in kovalenten Bindungen gespeichert und durch die Bewegung von Ionen (z. B. Wasserstoff, Natrium, Kalium) durch eine Membran erzeugt werden.

Der Stoffwechsel ist die Menge des Lebens -sustaining chemische Reaktionen in Organismen . Die drei Hauptzwecke des Stoffwechsels sind: die Umwandlung von Nahrung in Energie , um zelluläre Prozesse durchzuführen; die Umwandlung von Nahrung/Kraftstoff in Bausteine ​​für Proteine , Lipide , Nukleinsäuren und einige Kohlenhydrate ; und die Beseitigung von Stoffwechselabfällen . Diese enzymkatalysierten Reaktionen ermöglichen es Organismen zu wachsen und sich zu vermehren, ihre Strukturen zu erhalten und auf ihre Umgebung zu reagieren. Metabolische Reaktionen können als katabole kategorisiert werden – der Abbau von Verbindungen (zum Beispiel der Abbau von Glukose zu Pyruvat durch Zellatmung ); oder anabol – der Aufbau ( Synthese ) von Verbindungen (wie Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Nukleinsäuren). Normalerweise setzt Katabolismus Energie frei und Anabolismus verbraucht Energie.

Die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels sind in Stoffwechselwege organisiert , in denen eine Chemikalie durch eine Reihe von Schritten in eine andere Chemikalie umgewandelt wird, wobei jeder Schritt durch ein bestimmtes Enzym erleichtert wird . Enzyme sind von entscheidender Bedeutung für den Stoffwechsel , weil sie Organismen wünschenswert Reaktionen fahren , die erfordern Energie , die nicht von selbst, durch auftreten Kopplung sie zu spontanen Reaktionen , dass die Freisetzung Energie. Enzyme wirken als Katalysatoren – sie lassen eine Reaktion schneller ablaufen, ohne von ihr verbraucht zu werden – indem sie die Menge an Aktivierungsenergie reduzieren, die benötigt wird, um Reaktanten in Produkte umzuwandeln . Enzyme ermöglichen auch die Regulierung der Geschwindigkeit einer Stoffwechselreaktion, beispielsweise als Reaktion auf Veränderungen in der Zellumgebung oder auf Signale anderer Zellen.

Zellatmung

Atmung in einer eukaryontischen Zelle

Die Zellatmung ist eine Reihe von Stoffwechselreaktionen und -prozessen, die in den Zellen von Organismen stattfinden , um chemische Energie aus Nährstoffen in Adenosintriphosphat (ATP) umzuwandeln und dann Abfallprodukte freizusetzen. Bei den an der Atmung beteiligten Reaktionen handelt es sich um katabole Reaktionen , bei denen große Moleküle in kleinere zerlegt werden, wobei Energie freigesetzt wird, da schwache hochenergetische Bindungen, insbesondere im molekularen Sauerstoff , in den Produkten durch stärkere Bindungen ersetzt werden. Die Atmung ist eine der wichtigsten Methoden, mit denen eine Zelle chemische Energie freisetzt, um die Zellaktivität anzukurbeln. Die Gesamtreaktion erfolgt in einer Reihe biochemischer Schritte, von denen einige Redoxreaktionen sind . Obwohl die Zellatmung technisch gesehen eine Verbrennungsreaktion ist , ähnelt sie aufgrund der langsamen, kontrollierten Freisetzung von Energie aus der Reihe von Reaktionen eindeutig keiner, wenn sie in einer Zelle stattfindet.

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Wenn kein Sauerstoff vorhanden wäre, würde Pyruvat nicht durch die Zellatmung metabolisiert, sondern einem Fermentationsprozess unterzogen . Das Pyruvat wird nicht in das Mitochondrium transportiert, sondern verbleibt im Zytoplasma, wo es in Abfallprodukte umgewandelt wird , die aus der Zelle entfernt werden können. Dies dient dazu, die Elektronenüberträger zu oxidieren, damit sie wieder eine Glykolyse durchführen und das überschüssige Pyruvat entfernen können. Durch die Fermentation wird NADH zu NAD + oxidiert, sodass es in der Glykolyse wiederverwendet werden kann. In Abwesenheit von Sauerstoff verhindert die Fermentation die Ansammlung von NADH im Zytoplasma und liefert NAD + für die Glykolyse. Dieses Abfallprodukt variiert je nach Organismus. In der Skelettmuskulatur ist das Abfallprodukt Milchsäure . Diese Art der Gärung wird Milchsäuregärung genannt . Bei anstrengendem Training, wenn der Energiebedarf die Energiezufuhr übersteigt, kann die Atmungskette nicht alle Wasserstoffatome verarbeiten, die durch NADH verbunden sind. Während der anaeroben Glykolyse regeneriert sich NAD +, wenn sich Wasserstoffpaare mit Pyruvat zu Laktat verbinden. Die Lactatbildung wird in einer reversiblen Reaktion durch die Lactatdehydrogenase katalysiert. Laktat kann auch als indirekte Vorstufe für Leberglykogen verwendet werden. Während der Erholung, wenn Sauerstoff verfügbar wird, bindet NAD + an Wasserstoff aus Laktat, um ATP zu bilden. Bei Hefe sind die Abfallprodukte Ethanol und Kohlendioxid . Diese Art der Gärung wird als alkoholische oder ethanolische Gärung bezeichnet . Das in diesem Prozess erzeugte ATP wird durch Phosphorylierung auf Substratebene hergestellt , die keinen Sauerstoff benötigt.

Photosynthese

Die Photosynthese wandelt Sonnenlicht in chemische Energie um, spaltet Wasser unter Freisetzung von O 2 und fixiert CO 2 in Zucker.
auf der Erde notwendigen Energie liefert .

(PSI) stattfindet. Der Transport von Elektronen ist an die Bewegung von Protonen (oder Wasserstoff) vom Stroma zur Thylakoidmembran gekoppelt, die einen pH-Gradienten durch die Membran bildet, da sich Wasserstoff im Lumen stärker konzentriert als im Stroma. Dies ist analog zu der protonenmotorischen Kraft, die bei der aeroben Atmung über die innere Mitochondrienmembran erzeugt wird.

Während der dritten Stufe der Photosynthese ist die Bewegung der Protonen entlang ihres Konzentrationsgradienten vom Thylakoidlumen zum Stroma durch die ATP-Synthase an die Synthese von ATP durch dieselbe ATP-Synthase gekoppelt. Die durch die lichtabhängigen Reaktionen in der zweiten bzw. dritten Stufe erzeugten NADPH und ATPs liefern die Energie und die Elektronen, um die Glucosesynthese voranzutreiben, indem atmosphärisches Kohlendioxid in vorhandene organische Kohlenstoffverbindungen wie Ribulosebisphosphat (RuBP) fixiert wird eine Folge von lichtunabhängigen (oder dunklen) Reaktionen, die als Calvin-Zyklus bezeichnet werden .

Zellsignalisierung

Zellzyklus

Bei der Meiose duplizieren sich die Chromosomen und die homologen Chromosomen tauschen während der Meiose I genetische Informationen aus. Die Tochterzellen teilen sich in der Meiose II erneut zu haploiden Gameten .
) getrennt. Beide Zellteilungszyklen werden irgendwann in ihrem Lebenszyklus im Prozess der sexuellen Fortpflanzung verwendet. Es wird angenommen, dass beide im letzten eukaryotischen gemeinsamen Vorfahren vorhanden sind.

Prokaryoten (dh Archaeen und Bakterien ) können auch eine Zellteilung (oder binäre Spaltung ) durchlaufen . Im Gegensatz zu den Prozessen der Mitose und Meiose bei Eukaryoten findet die binäre Spaltung bei Prokaryoten ohne Bildung eines Spindelapparates auf der Zelle statt. Vor der binären Spaltung ist die DNA im Bakterium eng gewickelt. Nachdem es abgewickelt und dupliziert wurde, wird es zu den separaten Polen des Bakteriums gezogen, während es sich vergrößert, um sich auf die Spaltung vorzubereiten. Das Wachstum einer neuen Zellwand beginnt, das Bakterium zu trennen (ausgelöst durch FtsZ- Polymerisation und "Z-Ring"-Bildung) Die neue Zellwand ( Septum ) entwickelt sich vollständig, was zur vollständigen Spaltung des Bakteriums führt. Die neuen Tochterzellen haben eng gewundene DNA-Stäbchen, Ribosomen und Plasmide .

Genetik

Nachlass

Punnett-Quadrat, das eine Kreuzung zwischen zwei Erbsenpflanzen darstellt, die für violette (B) und weiße (b) Blüten heterozygot sind.
, die genetische Darstellungen von Stammbäumen sind, stattdessen verwendet, um die Vererbung eines bestimmten Merkmals oder einer bestimmten Krankheit über mehrere Generationen hinweg zu verfolgen.

DNA

Basen liegen zwischen zwei spiralförmigen DNA-Strängen.
des Organismus spielen. . In der DNA sind die Pyrimidine Thymin und Cytosin, während die Purine Adenin und Guanin sind.

Aufgrund des ungleichmäßigen Abstands der DNA-Stränge zueinander gibt es Rillen , die über die gesamte Länge der Doppelhelix verlaufen. Beide Furchen unterscheiden sich in der Größe, wobei die große Furche größer und daher für die Bindung von Proteinen zugänglicher ist als die kleine Furche. Die Außenkanten der Basen liegen diesen Rillen ausgesetzt und sind daher für zusätzliche Wasserstoffbrückenbindungen zugänglich. Da jede Furche zwei mögliche Basenpaarkonfigurationen (GC und AT) haben kann, gibt es innerhalb der gesamten Doppelhelix vier mögliche Basenpaarkonfigurationen, die sich chemisch voneinander unterscheiden. Dadurch sind Proteinmoleküle in der Lage, spezifische Basenpaarsequenzen zu erkennen und daran zu binden, was die Grundlage für spezifische DNA-Protein-Wechselwirkungen ist.

Die DNA-Replikation ist ein semikonservativer Prozess, bei dem jeder Strang als Matrize für einen neuen DNA-Strang dient. Der Prozess beginnt mit dem Abwickeln der Doppelhelix an einem Replikationsursprung , der die beiden Stränge trennt und sie dadurch als zwei Matrizen zur Verfügung stellt. Darauf folgt die Bindung des Enzyms Primase an die Matrize, um einen Starter-RNA- (oder DNA in einigen Viren) Strang, der als Primer bezeichnet wird, von der 5'- zur 3'-Position zu synthetisieren . Sobald der Primer fertiggestellt ist, wird die Primase von der Matrize freigesetzt, gefolgt von der Bindung des Enzyms DNA-Polymerase an dieselbe Matrize, um neue DNA zu synthetisieren.

reduziert wird , insbesondere vor und nach einem Zellzyklus.

Mutationen sind erbliche Veränderungen der DNA. Sie können entstehen spontan als Ergebnis Replikationsfehler, der nicht korrigiert wurden durch Korrektur oder werden induziert durch einen Umwelt Mutagen wie beispielsweise eine chemische (beispielsweise salpetrige Säure , Benzpyren ) oder Strahlung (zB Röntgenstrahlen , Gammastrahlen , UV - Strahlung , Partikel, die von instabilen Isotopen emittiert werden). Mutationen können als Veränderung einer einzelnen Base oder in größerem Maßstab auftreten, die chromosomale Mutationen wie Deletionen , Inversionen oder Translokationen beinhalten .

Bei mehrzelligen Organismen können Mutationen in Körper- oder Keimbahnzellen auftreten . In Körperzellen werden die Mutationen während der Mitose an Tochterzellen weitergegeben. In einer Keimbahnzelle wie einem Spermium oder einer Eizelle tritt die Mutation bei der Befruchtung in einem Organismus auf. Mutationen können zu verschiedenen Arten von phänotypischen Effekten wie stillen, Funktionsverlust, Funktionsgewinn und bedingten Mutationen führen.

zu reduzieren .

Genexpression

Das erweiterte zentrale Dogma der Molekularbiologie umfasst alle Prozesse, die am Fluss der genetischen Information beteiligt sind.

Genexpression ist der molekulare Prozess, durch den ein Genotyp zu einem Phänotyp , dh einem beobachtbaren Merkmal, führt. Die in der DNA gespeicherte genetische Information stellt den Genotyp dar, während der Phänotyp aus der Synthese von Proteinen resultiert, die die Struktur und Entwicklung eines Organismus steuern oder als Enzyme fungieren , die bestimmte Stoffwechselwege katalysieren. Dieser Vorgang wird im zentralen Dogma der Molekularbiologie zusammengefasst , das 1958 von Francis Crick formuliert wurde . Nach dem Central Dogma fließt genetische Information von DNA über RNA bis hin zu Proteinen. Daher gibt es zwei Genexpressionsprozesse: Transkription (DNA zu RNA) und Translation (RNA zu Protein). Diese Prozesse werden von allem Leben genutzt – Eukaryoten (einschließlich vielzelliger Organismen ), Prokaryoten ( Bakterien und Archaeen ) und werden von Viren genutzt – um die makromolekulare Maschinerie für das Leben zu erzeugen .

Während der Transkription werden Messenger-RNA (mRNA)-Stränge unter Verwendung von DNA-Strängen als Matrize erzeugt, die initiiert wird, wenn die RNA-Polymerase an eine DNA-Sequenz namens Promotor bindet , die die RNA anweist, mit der Transkription eines der beiden DNA-Stränge zu beginnen. Die DNA-Basen werden gegen ihre entsprechenden Basen ausgetauscht, außer im Fall von Thymin (T), für das RNA Uracil (U) ersetzt. In Eukaryoten enthält ein großer Teil der DNA (z. B. >98% beim Menschen) nicht kodierende sogenannte Introns , die nicht als Muster für Proteinsequenzen dienen . Die kodierenden Regionen oder Exons sind zusammen mit den Introns in das primäre Transkript (oder prä-mRNA) eingestreut . Vor der Translation durchläuft die prä-mRNA eine weitere Verarbeitung, wobei die Introns entfernt (oder herausgespleißt) werden und nur die gespleißten Exons im reifen mRNA-Strang zurückbleiben.

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Genregulation

Regulation verschiedener Stadien der Genexpression

Die Regulierung der Genexpression (oder Genregulation) durch Umweltfaktoren und während verschiedener Entwicklungsstadien kann in jedem Schritt des Prozesses wie Transkription , RNA-Spleißen , Translation und posttranslationale Modifikation eines Proteins erfolgen.

für Proteine, die nicht an der Genregulation beteiligt sind.

In prokaryotischen Zellen wird die Transkription durch Proteine, die als Sigma-Faktoren bezeichnet werden , reguliert , die an die RNA-Polymerase binden und diese an spezifische Promotoren lenken. In ähnlicher Weise können auch Transkriptionsfaktoren in eukaryontischen Zellen die Expression einer Gruppe von Genen koordinieren, selbst wenn die Gene selbst auf verschiedenen Chromosomen liegen. Die Koordination dieser Gene kann stattfinden, solange sie dieselbe regulatorische DNA-Sequenz teilen, die an dieselben Transkriptionsfaktoren binden. Promotoren in eukaryotischen Zellen sind vielfältiger, enthalten jedoch tendenziell eine Kernsequenz, an die RNA-Polymerase binden kann, wobei die häufigste Sequenz die TATA-Box ist , die mehrere sich wiederholende A- und T-Basen enthält. Insbesondere ist RNA-Polymerase II die RNA-Polymerase, die an einen Promotor bindet, um die Transkription von Protein-kodierenden Genen in Eukaryoten zu initiieren, jedoch nur in Gegenwart mehrerer allgemeiner Transkriptionsfaktoren , die sich von den Transkriptionsfaktoren unterscheiden, die regulatorische Wirkungen haben, d. Aktivatoren und Repressoren. In eukaryotischen Zellen werden DNA-Sequenzen, die an Aktivatoren binden, Enhances genannt, während diejenigen Sequenzen, die an Repressoren binden, Silencer genannt werden. Transkriptionsfaktoren wie der Nuklearfaktor aktivierter T-Zellen (NFAT) sind in der Lage, anhand der Basensequenz (z. B. CGAGGAAAATTG für NFAT) der Bindungsstelle eine spezifische Nukleotidsequenz zu identifizieren, die die Anordnung der chemischen Gruppen innerhalb dieser Sequenz bestimmt ermöglicht spezifische DNA-Protein-Wechselwirkungen. Die Expression von Transkriptionsfaktoren ist die Grundlage der Zelldifferenzierung in einem sich entwickelnden Embryo .

Zusätzlich zu regulatorischen Ereignissen, an denen der Promotor beteiligt ist, kann die Genexpression auch durch epigenetische Veränderungen des Chromatins reguliert werden , das ein Komplex aus DNA und Protein ist, der in eukaryontischen Zellen vorkommt.

Die posttranskriptionelle Kontrolle von mRNA kann das alternative Spleißen von primären mRNA-Transkripten beinhalten , was dazu führt, dass ein einzelnes Gen zu unterschiedlichen reifen mRNAs führt, die für eine Familie unterschiedlicher Proteine ​​kodieren. Ein gut untersuchtes Beispiel ist das Sxl- Gen in Drosophila , das bei diesen Tieren das Geschlecht bestimmt . Das Gen selbst enthält vier Exons und alternatives Spleißen seines prä-mRNA-Transkripts kann bei weiblichen Fliegen zwei aktive Formen des Sxl-Proteins und bei männlichen Fliegen eine inaktiver Form des Proteins erzeugen. Ein weiteres Beispiel ist das Humane Immunschwächevirus (HIV), das über ein einzelnes Prä-mRNA-Transkript verfügt, das durch alternatives Spleißen bis zu neun Proteine ​​erzeugen kann. Beim Menschen werden 80 Prozent aller 21.000 Gene alternativ gespleißt. Angesichts der Tatsache, dass sowohl Schimpansen als auch Menschen über eine ähnliche Anzahl von Genen verfügen, wird angenommen, dass alternatives Spleißen aufgrund der größeren Anzahl alternativer Spleiße im menschlichen Gehirn als im Gehirn von Schimpansen zu deren Komplexität beigetragen haben könnte.

Die Translation kann auf drei bekannte Arten reguliert werden, von denen eine die Bindung winziger RNA-Moleküle namens microRNA (miRNA) an ein Ziel-mRNA-Transkript beinhaltet, die ihre Translation hemmt und ihren Abbau verursacht. Die Translation kann auch durch die Modifikation der 5'-Kappe gehemmt werden, indem das modifizierte Guanosintriphosphat (GTP) am 5'-Ende einer mRNA durch ein unmodifiziertes GTP-Molekül ersetzt wird. Schließlich können translationale Repressorproteine ​​an mRNAs binden und sie daran hindern, sich an ein Ribosom anzuheften, wodurch die Translation blockiert wird.

hydrolysiert werden kann .

Genome

Zusammensetzung des menschlichen Genoms
, die darauf abzielt, Vergleiche von Genen aus den Genomen dieser verschiedenen Organismen zu ziehen.

Viele Gene kodieren für mehr als ein Protein, wobei posttranslationale Modifikationen die Proteinvielfalt innerhalb einer Zelle erhöhen. Das Proteom eines Organismus ist der gesamte Satz von Proteinen, der von seinem Genom exprimiert wird, und die Proteomik versucht, den vollständigen Satz von Proteinen zu untersuchen, die von einem Organismus produziert werden. Da viele Proteine ​​Enzyme sind, neigen ihre Aktivitäten dazu, die Konzentrationen von Substraten und Produkten zu beeinflussen. Wenn sich also das Proteom ändert, ändert sich auch die Menge an kleinen Molekülen oder Metaboliten . Der vollständige Satz kleiner Moleküle in einer Zelle oder einem Organismus wird als Metabolom bezeichnet und Metabolomik ist die Untersuchung des Metaboloms in Bezug auf die physiologische Aktivität einer Zelle oder eines Organismus.

Biotechnologie

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Eine rekombinante DNA kann auf zwei Arten eingefügt werden. Ein übliches Verfahren besteht darin, die DNA einfach in ein Wirtschromosom einzufügen, wobei die Insertionsstelle zufällig ist. Ein anderer Ansatz wäre, die rekombinante DNA als Teil einer anderen DNA-Sequenz, die als Vektor bezeichnet wird , einzufügen , die dann in das Wirtschromosom integriert wird oder einen eigenen DNA-Replikationsursprung hat, wodurch eine Replikation unabhängig vom Wirtschromosom ermöglicht wird. Plasmide aus Bakterienzellen wie E. coli werden aufgrund ihrer relativ geringen Größe (zB 2000-6000 Basenpaare in E. coli ), der Anwesenheit von Restriktionsenzymen, antibiotikaresistenten Genen und der Anwesenheit von an . typischerweise als Vektoren verwendet Ursprung der Replikation. In den Vektor wird auch ein Gen eingebaut, das für einen selektierbaren Marker wie Antibiotikaresistenz kodiert . Die Einbeziehung dieses Marktes ermöglicht die Auswahl nur derjenigen Wirtszellen, die die rekombinante DNA enthielten, während diejenigen verworfen werden, die dies nicht tun. Darüber hinaus dient der Marker auch als Reportergen , das nach seiner Expression leicht nachgewiesen und gemessen werden kann.

, das als erstes Medikament mit rekombinanter DNA-Technologie hergestellt wurde.

DNA-Fragmente, die in molekularen Klonierungsverfahren verwendet werden, können auch verwendet werden, um eine genomische Bibliothek zu erstellen .

Andere biotechnologische Werkzeuge umfassen DNA-Mikroarrays , Expressionsvektoren , synthetische Genomik und CRISPR-Gen-Editierung . Andere Ansätze wie das Pharming können durch den Einsatz gentechnisch veränderter Organismen große Mengen medizinisch nutzbarer Produkte herstellen . Viele dieser anderen Werkzeuge haben auch breite Anwendungsmöglichkeiten, wie die Herstellung medizinisch nützlicher Proteine ​​oder die Verbesserung der Pflanzenzucht und Tierhaltung .

Gene, Entwicklung und Evolution

Modell des Konzentrationsgradientenaufbaus; feine gelb-orange Umrisse sind Zellgrenzen.
Genen kann die Organplatzierung in einer Pflanze bestimmen, und eine Kaskade von Transkriptionsfaktoren selbst kann die Körpersegmentierung in einer Fruchtfliege etablieren.

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Evolution

Evolutionäre Prozesse

Natürliche Selektion für dunklere Merkmale.
im Jahr 1859, das detailliert erklärte, wie der Prozess der Evolution durch natürliche Selektion funktioniert.

Um die natürliche Selektion zu erklären, zog Darwin eine Analogie zu Menschen, die Tiere durch künstliche Selektion modifizierten , wobei Tiere selektiv nach bestimmten Merkmalen gezüchtet wurden , was zu Individuen geführt hat, die ihren wilden Vorfahren nicht mehr ähneln. Darwin argumentierte, dass in der natürlichen Welt die Natur die Rolle des Menschen bei der Auswahl bestimmter Merkmale spielte. Zu diesem Schluss kam er auf der Grundlage zweier Beobachtungen und zweier Schlussfolgerungen. Erstens neigen Mitglieder einer Population dazu, sich in Bezug auf ihre erblichen Merkmale zu unterscheiden. Zweitens neigen alle Arten dazu, mehr Nachkommen zu produzieren, als von ihrer jeweiligen Umgebung unterstützt werden können, was dazu führt, dass viele Individuen nicht überleben und sich nicht fortpflanzen. Basierend auf diesen Beobachtungen schloss Darwin, dass diejenigen Individuen, die vererbbare Merkmale besaßen, die besser an ihre Umgebung angepasst sind, mit größerer Wahrscheinlichkeit überleben und mehr Nachkommen zeugen als andere Individuen. Er folgerte weiter, dass das ungleiche oder unterschiedliche Überleben und die Fortpflanzung bestimmter Individuen gegenüber anderen zur Anhäufung von günstigen Merkmalen über aufeinanderfolgende Generationen führen, wodurch die Übereinstimmung zwischen den Organismen und ihrer Umwelt erhöht wird. Zusammengenommen ist die natürliche Selektion also das unterschiedliche Überleben und die Fortpflanzung von Individuen in nachfolgenden Generationen aufgrund von Unterschieden oder mehr erblichen Merkmalen.

Darwin war der Mendelschen Arbeit der Vererbung nicht bewusst und so der genaue Mechanismus der Vererbung , die natürliche Selektion zugrunde liegen , wurde nicht bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts gut verständlich , wenn die moderne Synthese versöhnt Darwinsche Evolution mit der klassischen Genetik , die eine etablierte neodarwinistischen Perspektive der Evolution durch natürliche Selektion. Diese Perspektive besagt, dass Evolution stattfindet, wenn sich die Allelfrequenzen innerhalb einer Population von sich kreuzenden Organismen ändern . In Abwesenheit eines evolutionären Prozesses, der auf eine große zufällige Paarungspopulation einwirkt, bleiben die Allelfrequenzen über Generationen hinweg konstant, wie durch das Hardy-Weinberg-Prinzip beschrieben .

Ein weiterer Prozess, der die Evolution antreibt, ist die genetische Drift , also die zufälligen Schwankungen der Allelfrequenzen innerhalb einer Population von einer Generation zur nächsten. Wenn selektive Kräfte fehlen oder relativ schwach sind, driften die Allelfrequenzen bei jeder nachfolgenden Generation mit gleicher Wahrscheinlichkeit nach oben oder nach unten, da die Allele einem Stichprobenfehler unterliegen . Diese Drift stoppt, wenn ein Allel schließlich fixiert wird, entweder indem es aus der Population verschwindet oder die anderen Allele vollständig ersetzt. Genetische Drift kann daher allein aufgrund des Zufalls einige Allele aus einer Population eliminieren.

Spezies

Eine Art ist eine Gruppe von Organismen, die sich miteinander paaren, und Artbildung ist der Prozess, bei dem sich eine Linie in zwei Linien aufspaltet, weil sie sich unabhängig voneinander entwickelt haben. Voraussetzung für die Artbildung ist eine reproduktive Isolation . Eine reproduktive Isolation kann aus Inkompatibilitäten zwischen Genen resultieren, wie durch das Bateson-Dobzhansky-Muller-Modell beschrieben . Auch die reproduktive Isolation nimmt mit genetischer Divergenz zu . Artbildung kann auftreten, wenn physische Barrieren vorhanden sind, die eine angestammte Art teilen, ein Prozess, der als allopatrische Artbildung bekannt ist . Im Gegensatz dazu tritt sympatrische Artbildung ohne physische Barrieren auf.

Präzygote Isolation wie mechanische , zeitliche , Verhaltens- , Habitat- und Gameten-Isolationen können die Hybridisierung verschiedener Arten verhindern . In ähnlicher Weise können postzygotische Isolierungen dazu führen, dass die Hybridisierung aufgrund der geringeren Lebensfähigkeit von Hybriden oder Hybrid-Unfruchtbarkeit (zB Maultier ) selektiert wird . Hybridzonen können entstehen, wenn es zu einer unvollständigen reproduktiven Isolation zwischen zwei eng verwandten Arten kommt.

Phylogenie

Bacteria Archaea Eucaryota Aquifex Thermotoga Cytophaga Bacteroides Bacteroides-Cytophaga Planctomyces Cyanobacteria Proteobacteria Spirochetes Gram-positive bacteria Green filantous bacteria Pyrodicticum Thermoproteus Thermococcus celer Methanococcus Methanobacterium Methanosarcina Halophiles Entamoebae Slime mold Animal Fungus Plant Ciliate Flagellate Trichomonad Microsporidia Diplomonad
Phylogenetischer Baum mit den Domänen von Bakterien , Archaeen und Eukaryoten

Eine Phylogenie ist eine Evolutionsgeschichte einer bestimmten Gruppe von Organismen oder ihrer Gene. Es kann mit einem phylogenetischen Baum dargestellt werden , der ein Diagramm ist, das Abstammungslinien zwischen Organismen oder ihren Genen zeigt. Jede auf der Zeitachse eines Baumes gezeichnete Linie repräsentiert eine Abstammungslinie von Nachkommen einer bestimmten Art oder Population. Wenn sich eine Abstammungslinie in zwei Teile teilt, wird sie als Knoten (oder Aufspaltung) im phylogenetischen Baum dargestellt. Je mehr Spaltungen es im Laufe der Zeit gibt, desto mehr Äste wird der Baum haben, wobei der gemeinsame Vorfahre aller Organismen in diesem Baum durch die Wurzel dieses Baumes repräsentiert wird. Phylogenetische Bäume können die Evolutionsgeschichte aller Lebensformen, einer großen evolutionären Gruppe (zB Insekten ) oder einer noch kleineren Gruppe eng verwandter Arten darstellen . Innerhalb eines Baumes ist jede Gruppe von Arten, die durch einen Namen bezeichnet wird, ein Taxon (z. B. Menschen, Primaten, Säugetiere oder Wirbeltiere) und ein Taxon, das aus allen seinen evolutionären Nachkommen besteht, ist eine Klade , auch als monophyletisches Taxon bekannt. Eng verwandte Arten werden als Schwesterarten bezeichnet und eng verwandte Kladen werden als Schwesterkladen bezeichnet. Im Gegensatz zu einer monophyletischen Gruppe umfasst eine polyphyletische Gruppe nicht ihren gemeinsamen Vorfahren, während eine paraphyletische Gruppe nicht alle Nachkommen eines gemeinsamen Vorfahren umfasst.

Stammbäume sind die Grundlage für den Vergleich und die Gruppierung verschiedener Arten. Verschiedene Arten, die ein von einem gemeinsamen Vorfahren geerbtes Merkmal teilen, werden als homologe Merkmale (oder Synapomorphie ) beschrieben. Homologe Merkmale können alle erblichen Merkmale sein, wie DNA-Sequenz , Proteinstrukturen, anatomische Merkmale und Verhaltensmuster. Eine Wirbelsäule ist ein Beispiel für ein homologes Merkmal, das alle Wirbeltiere teilen. Merkmale, die eine ähnliche Form oder Funktion haben, aber nicht von einem gemeinsamen Vorfahren abgeleitet wurden, werden als analoge Merkmale bezeichnet . Phylogenien können für eine Gruppe von Organismen von primärem Interesse rekonstruiert werden, die als Eigengruppe bezeichnet werden. Eine Art oder Gruppe, die eng mit der Eigengruppe verwandt ist, aber phylogenetisch außerhalb davon steht, wird als Fremdgruppe bezeichnet , die als Bezugspunkt im Baum dient. Die Wurzel des Baums befindet sich zwischen der Ingroup und der Outgroup. Wenn phylogenetische Bäume rekonstruiert werden, können mehrere Bäume mit unterschiedlichen Entwicklungsgeschichten erzeugt werden. Basierend auf dem Prinzip der Parsimony (oder Occams Rasiermesser) ist der Baum, der bevorzugt wird, derjenige mit den wenigsten evolutionären Veränderungen, die über alle Merkmale in allen Gruppen angenommen werden müssen. Rechenalgorithmen können verwendet werden, um zu bestimmen, wie sich ein Baum angesichts der Beweise entwickelt haben könnte.

Die Phylogenie liefert die Grundlage der biologischen Klassifikation, die auf der Linné-Taxonomie basiert, die im 18. Jahrhundert von Carl von Linné entwickelt wurde . Dieses Klassifizierungssystem ist rangbasiert, wobei der höchste Rang die Domäne ist, gefolgt von Königreich , Stamm , Klasse , Ordnung , Familie , Gattung und Art . Alle Organismen können als einer von drei Domänen zugehörig klassifiziert werden : Archaea (ursprünglich Archaebacteria); Bakterien (ursprünglich Eubakterien) oder Eukarya (beinhaltet das Protisten- , Pilz- , Pflanzen- und Tierreich ). Eine binomiale Nomenklatur wird verwendet, um verschiedene Arten zu klassifizieren. Basierend auf diesem System erhält jede Art zwei Namen, einen für ihre Gattung und einen anderen für ihre Art. Menschen sind zum Beispiel Homo sapiens , wobei Homo die Gattung und Sapiens die Spezies ist. Konventionell werden die wissenschaftlichen Namen von Organismen kursiv gedruckt, wobei nur der erste Buchstabe der Gattung großgeschrieben wird.

Geschichte des Lebens

Gliederfüßer Weichtiere
Pongola-Vereisung *
Huronische Vereisung *
Kryogene Eiszeit *