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1.3: Die Wissenschaft der Mikrobiologie - Biologie

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1.3: Die Wissenschaft der Mikrobiologie

Mikrobiologie | SIU

Mikrobiologie ist das Studium von Mikroorganismen, einer großen und vielfältigen Gruppe von Organismen, die als Einzelzellen oder Zellcluster existieren. Die Wissenschaft der Mikrobiologie umfasst das Studium des mikrobiellen Wachstums, der Biochemie, der Genetik und der Ökologie sowie der Beziehung von Mikroorganismen zu anderen Organismen. Die Mikrobiologie umfasst auch die Untersuchung von Viren und Immunreaktionen.

Als grundlegende biologische Wissenschaft bietet die Mikrobiologie einige der am leichtesten zugänglichen Forschungsinstrumente zur Erforschung der Natur von Lebensprozessen. Unser ausgeklügeltes Verständnis der chemischen und physikalischen Prinzipien des Lebens hat sich aus dem Studium von Mikroorganismen entwickelt.

Als angewandte biologische Wissenschaft beschäftigt sich die Mikrobiologie mit vielen wichtigen praktischen Problemen in Medizin, Landwirtschaft, Bioremediation und Lebensmittelindustrie und ist das Herzstück der Biotechnologie und Molekularbiologie.

Der Studiengang Mikrobiologie bietet ein grundständiges Studium zum Bachelor of Science und ein weiterführendes Studium zum Master of Science und Ph.D. Grad. Auf der Bachelor-Ebene stehen Kurse in allgemeiner Mikrobiologie, Molekularbiologie, medizinischer Mikrobiologie, Immunologie, prokaryontischer Diversität, bakterieller und viraler Genetik, bakterieller Physiologie und Biochemie, Biotechnologie und Virologie zur Verfügung, um Sie bei Ihrer Karriere und berufsorientierten Zielen zu unterstützen. In unseren Lehrlaboren können Sie die Verfahren und Techniken der modernen mikrobiologischen Forschung hautnah erleben. Darüber hinaus gibt es viele Möglichkeiten für grundständige Forschung. Zu diesen Möglichkeiten, mit forschungsaktiven Dozenten zusammenzuarbeiten, gehören Studienanrechnungen für die Forschung sowie eine bezahlte Anstellung als studentische Hilfskraft oder studentische Hilfskraft. Wir bieten auch verschiedene Stipendien an, um Studenten zu helfen, ihre Ausbildung zu bezahlen.

Was kann man mit einem Abschluss in Mikrobiologie machen?

Für Studierende mit einem Bachelor-Abschluss in Mikrobiologie gibt es zahlreiche Jobs im akademischen, industriellen, pharmazeutischen und öffentlichen Sektor. Wenn es Ihr Ziel ist, Ihre Ausbildung zu erweitern, ist unser Bachelor-Programm eine hervorragende Vorbereitung auf medizinische, zahnmedizinische oder andere medizinisch bezogene Bereiche. Vielleicht möchten Sie auch einen Master- oder Doktortitel anstreben, um Ihre Karriereziele zu erreichen. Wir bieten Doktorandenstellen sowie die Möglichkeit, mit Fakultäten zusammenzuarbeiten, die sich mit der Forschung in den Bereichen Bioabbau, Bakterienökologie und -diversität, Immunologie, molekulare Mutagenese, medizinische Mikrobiologie und Bakterienphysiologie befassen.

Absolventenpraktikum für unseren B.S. Programm ist extrem hoch!  Tatsächlich wurden㻋% unserer Hauptfächer in MINT-Fächern platziert, die  Graduiertenschule, Medizin/Forschung, Biotechnologie/Qualitätskontrolle und medizinische oder Arzthelferschule umfassen. 

Wir hoffen, dass Sie sich auf unserer Website von den zahlreichen Möglichkeiten überzeugen, die Sie im Mikrobiologie-Programm der Southern Illinois University Carbondale erwarten. Bitte kontaktieren Sie uns, wenn Sie Fragen haben.


Inhalt

"Biologie" leitet sich von den altgriechischen Wörtern βίος romanized bíos ab, was "Leben" bedeutet, und -λογία romanized logía (-logy), was "Studienzweig" oder "sprechen" bedeutet. [11] [12] Diese kombiniert bilden das griechische Wort βιολογία romanized biología, was Biologie bedeutet. 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", in der Lebenskunde wird er heute nur noch selten verwendet.

Die lateinische Form des Begriffs tauchte erstmals 1736 auf, als der schwedische Wissenschaftler Carl Linné (Carl von Linné) verwendete biologisch in seinem Bibliotheca Botanica. Es wurde 1766 in einem Werk mit dem Titel . wieder verwendet Philosophiae naturalis sive physicae: Tomus III, Kontinentalgeologe, Biologe, Phytologe generalis, von Michael Christoph Hanov, einem Schüler von Christian Wolff. Die erste deutsche Verwendung, Biologie, war in einer Übersetzung von Linné aus dem Jahr 1771 enthalten. 1797 verwendete Theodor Georg August Roose den Begriff im Vorwort eines Buches, Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. Karl Friedrich Burdach verwendete den Begriff 1800 im engeren Sinne der Erforschung des Menschen aus morphologischer, physiologischer und psychologischer Perspektive (Propädeutik zum Studien der gemeinsamen Heilkunst). Der Begriff kam mit der sechsbändigen Abhandlung in seinen modernen Gebrauch Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802–22) von Gottfried Reinhold Treviranus, der verkündete: [13]

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, die sich mit diesen Gegenständen beschäftigt, bezeichnen wir mit dem Namen Biologie oder Lebenslehre.

Die frühesten Wurzeln der Wissenschaft, zu denen auch die Medizin gehörte, können um 3000 bis 1200 v. Chr. Auf das alte Ägypten und Mesopotamien zurückgeführt werden. [14] [15] Ihre Beiträge gingen später in die griechische Naturphilosophie der klassischen Antike ein und prägten sie. [14] [15] [16] [17] Antike griechische Philosophen wie Aristoteles (384–322 v. Chr.) trugen umfassend zur Entwicklung des biologischen Wissens bei. Seine Werke wie Geschichte der Tiere waren besonders wichtig, weil sie seine naturalistischen Neigungen und später mehr empirische Arbeiten offenbarten, die sich auf die biologische Verursachung und die Vielfalt des Lebens konzentrierten. Der Nachfolger des Aristoteles am Lyzeum, Theophrastus, schrieb eine Reihe von Büchern über die Botanik, die als wichtigster Beitrag der Antike zu den Pflanzenwissenschaften bis ins Mittelalter hinein überlebten. [18]

Zu den Gelehrten der mittelalterlichen islamischen Welt, die über Biologie schrieben, gehörten al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), der über Botanik schrieb, [19] 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, die grundlegenden Techniken der mikroskopischen Präparation und Färbung zu entwickeln. [20]

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 fördern, 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. [21] [22]

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. [23] 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. [24]

Ernsthaftes evolutionäres Denken hat seinen Ursprung in den Werken von Jean-Baptiste Lamarck, der als erster eine kohärente Evolutionstheorie präsentierte. [26] 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. [27] 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 evolutionstheoriebasierte über die natürliche Auslese führten ähnliche Argumente und Beweise dazu, dass Alfred Russel Wallace unabhängig zu den gleichen Schlussfolgerungen gelangte. [28] [29] 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 seine Arbeit vorstellte.Versuche über Pflanzenhybriden" ("Experiments on Plant Hybridization"), 1865, [30], das die Prinzipien der biologischen Vererbung skizzierte und als Grundlage für die moderne Genetik diente. [31] Die Bedeutung seiner Arbeit wurde jedoch erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannt als die Evolution zu einer vereinheitlichten Theorie wurde, da die moderne Synthese die Darwinsche Evolution mit der klassischen Genetik in Einklang brachte.[32] In den 1940er und frühen 1950er Jahren wies eine Reihe von Experimenten von Alfred Hershey und Martha Chase auf die DNA als die Komponente der Chromosomen hin, die das Merkmal enthielten. Der Fokus auf neuartige Modellorganismen wie Viren und Bakterien sowie die Entdeckung der Doppelhelixstruktur 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 af . geknackt ter DNA wurde angenommen, dass sie Codons enthält. Schließlich wurde 1990 das Human Genome Project mit dem Ziel ins Leben gerufen, das allgemeine menschliche Genom zu kartieren. Dieses Projekt wurde im Wesentlichen 2003 abgeschlossen, [33] wobei weitere Analysen noch veröffentlicht werden. 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.

Chemische Basis

Atome und Moleküle

Alle lebenden Organismen bestehen aus Materie und alle Materie besteht aus Elementen. [34] Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff sind die vier Elemente, die 96% aller lebenden Organismen ausmachen, während Calcium, Phosphor, Schwefel, Natrium, Chlor und Magnesium die restlichen 3,7% ausmachen. [34] Verschiedene Elemente können sich zu Verbindungen wie Wasser verbinden, das für das Leben von grundlegender Bedeutung ist. [34] Das Leben auf der Erde begann mit Wasser und blieb dort für etwa drei Milliarden Jahre, bevor es an Land wanderte. [35] Materie kann in verschiedenen Zuständen als fest, flüssig oder gasförmig vorliegen.

Die kleinste Einheit eines Elements ist ein Atom, das aus einem Kern und einem oder mehreren an den Kern gebundenen Elektronen besteht. Der Kern besteht aus einem oder mehreren Protonen und mehreren Neutronen. Einzelne Atome können durch chemische Bindungen zu Molekülen und ionischen Verbindungen zusammengehalten werden. [34] Gängige Typen chemischer Bindungen sind ionische Bindungen, kovalente Bindungen und Wasserstoffbrücken. Die ionische Bindung beinhaltet die elektrostatische Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen oder zwischen zwei Atomen mit stark unterschiedlichen Elektronegativitäten [36] und ist die primäre Wechselwirkung, die in ionischen Verbindungen auftritt. Ionen sind Atome (oder Atomgruppen) mit elektrostatischer Ladung. Atome, die Elektronen aufnehmen, erzeugen negativ geladene Ionen (so genannte Anionen), während diejenigen, die Elektronen verlieren, positiv geladene Ionen (so genannte Kationen) erzeugen.

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, werden als kovalente Bindung bezeichnet. [37]

Eine Wasserstoffbrücke ist in erster Linie eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen einem Wasserstoffatom, das kovalent an ein elektronegativeres Atom oder eine elektronegativere Gruppe wie Sauerstoff gebunden ist. Ein allgegenwärtiges Beispiel für eine Wasserstoffbrücke findet sich zwischen Wassermolekülen. In einem diskreten Wassermolekül befinden sich zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Zwei Wassermoleküle können zwischen ihnen eine Wasserstoffbrücke 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.

Organische Verbindungen

Mit Ausnahme von Wasser enthalten fast alle Moleküle, aus denen jeder lebende Organismus besteht, Kohlenstoff. [38] [39] Kohlenstoff kann sehr lange Ketten von miteinander verbundenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bilden, die stark und stabil sind. 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 Kohlenwasserstoffgerüst kann durch andere Atome ersetzt werden. In Kombination mit anderen Elementen wie Sauerstoff, Wasserstoff, Phosphor und Schwefel kann Kohlenstoff viele Gruppen wichtiger biologischer Verbindungen wie Zucker, Fette, Aminosäuren und Nukleotide bilden.

Makromoleküle

Moleküle wie Zucker, Aminosäuren und Nukleotide können als einzelne sich wiederholende Einheiten, sogenannte Monomere, fungieren, um über einen chemischen Prozess, der als Kondensation bezeichnet wird, kettenartige Moleküle zu bilden, die Polymere genannt werden. [40] Zum Beispiel können Aminosäuren Polypeptide bilden, während Nukleotide Stränge von Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Ribonukleinsäure (RNA) bilden können. Polymere bilden drei der vier Makromoleküle (Polysaccharide, Lipide, Proteine ​​und Nukleinsäuren), die in allen lebenden Organismen vorkommen. Jedes Makromolekül spielt innerhalb einer bestimmten Zelle eine spezielle Rolle. Einige Polysaccharide können beispielsweise als Speichermaterial fungieren, das hydrolysiert werden kann, um Zellen mit Zucker zu versorgen. Lipide sind die einzige Klasse von Makromolekülen, die nicht aus Polymeren bestehen, und die biologisch wichtigsten Lipide sind Fette, Phospholipide und Steroide. [40] Proteine ​​sind die vielfältigsten Makromoleküle, zu denen Enzyme, Transportproteine, große Signalmoleküle, Antikörper und Strukturproteine ​​gehören. Schließlich speichern, übertragen und exprimieren Nukleinsäuren Erbinformationen. [40]

Zellen

Die Zelltheorie besagt, dass Zellen die grundlegenden Einheiten des Lebens sind, dass alle Lebewesen aus einer oder mehreren Zellen bestehen und dass alle Zellen durch Zellteilung aus bereits bestehenden Zellen entstehen. [41] Die meisten Zellen sind mit Durchmessern von 1 bis 100 Mikrometer sehr klein und daher nur unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop sichtbar. [42] Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Zellen: eukaryotische Zellen, die einen Kern enthalten, und prokaryotische Zellen, die keinen Kern enthalten. Prokaryoten sind einzellige Organismen wie Bakterien, während Eukaryoten einzellig oder vielzellig sein können. In vielzelligen Organismen wird jede Zelle im Körper des Organismus letztendlich von einer einzigen Zelle in einer befruchteten Eizelle abgeleitet.

Zellstruktur

Jede Zelle ist von einer Zellmembran umgeben, die ihr Zytoplasma vom extrazellulären Raum trennt. [43] Eine Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht, einschließlich Cholesterinen, die zwischen Phospholipiden sitzen, um ihre Fluidität 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. [44] 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. [45] Zellmembranen sind an verschiedenen zellulären Prozessen wie Zelladhäsion, Speicherung elektrischer Energie und Zellsignalisierung beteiligt und dienen als Anheftungsfläche für verschiedene extrazelluläre Strukturen wie Zellwand, Glykokalyx und Zytoskelett.

Im Zytoplasma einer Zelle gibt es viele Biomoleküle wie Proteine ​​und Nukleinsäuren. [46] Außer Biomolekülen besitzen eukaryotische Zellen spezialisierte Strukturen, sogenannte Organellen, die ihre eigenen Lipiddoppelschichten besitzen oder räumliche Einheiten sind. Zu diesen Organellen gehören der Zellkern, der die genetische Information einer 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, Chloroplasten und Vakuole.

Stoffwechsel

Alle Zellen benötigen Energie, um zelluläre Prozesse aufrechtzuerhalten. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, die in der Thermodynamik mit der freien Gibbs-Energie berechnet werden kann. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist Energie erhalten, d. h. sie kann nicht erzeugt oder zerstört werden. Chemische Reaktionen in einer Zelle erzeugen daher keine neue Energie, sondern sind an der Umwandlung und Übertragung von Energie beteiligt. [47] Nichtsdestotrotz führen alle Energietransfers zu einem gewissen Verlust an nutzbarer Energie, was die Entropie (oder den Unordnungszustand) erhöht, wie im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik angegeben. Als Ergebnis benötigen lebende Organismen wie Zellen eine kontinuierliche Zufuhr von Energie, um einen niedrigen Entropiezustand aufrechtzuerhalten. In Zellen kann Energie während Redoxreaktionen (Reduktions-Oxidation) 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 lebenserhaltender chemischer Reaktionen in Organismen. Die drei Hauptzwecke des Stoffwechsels sind: die Umwandlung von Nahrung in Energie, um zelluläre Prozesse durchzuführen, die Umwandlung von Nahrung/Treibstoff 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 katabolisch – der Abbau von Verbindungen (z Säuren).Normalerweise setzt der Katabolismus Energie frei und der 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 für den Stoffwechsel von entscheidender Bedeutung, da sie es Organismen ermöglichen, wünschenswerte Reaktionen anzustoßen, die Energie benötigen, die von selbst nicht ablaufen, indem sie sie an spontane Reaktionen koppeln, die Energie freisetzen. 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

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. [48] ​​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, weil schwache hochenergetische Bindungen, insbesondere im molekularen Sauerstoff, [49] 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 lebenden Zelle stattfindet.

Zucker in Form von Glukose ist der Hauptnährstoff, der von tierischen und pflanzlichen Zellen bei der Atmung verwendet wird. Die mit Sauerstoff verbundene Zellatmung wird als aerobe Atmung bezeichnet und besteht aus vier Stufen: Glykolyse, Zitronensäurezyklus (oder Krebszyklus), Elektronentransportkette und oxidative Phosphorylierung. [50] Die Glykolyse ist ein im Zytoplasma ablaufender Stoffwechselprozess, bei dem Glucose in zwei Pyruvate umgewandelt wird, wobei gleichzeitig zwei Nettomoleküle ATP produziert werden. [50] Jedes Pyruvat wird dann durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetyl-CoA oxidiert, der auch NADH und Kohlendioxid erzeugt. Acetyl-Coa tritt in den Zitronensäurezyklus ein, der innerhalb der mitochondrialen Matrix stattfindet. Am Ende des Zyklus beträgt die Gesamtausbeute von 1 Glucose (oder 2 Pyruvaten) 6 NADH, 2 FADH2, und 2 ATP-Moleküle. Die nächste Stufe schließlich ist die oxidative Phosphorylierung, die bei Eukaryoten in den mitochondrialen Cristae auftritt. Die oxidative Phosphorylierung umfasst die Elektronentransportkette, die aus einer Reihe von vier Proteinkomplexen besteht, die Elektronen von einem Komplex auf einen anderen übertragen und dabei Energie aus NADH und FADH . freisetzen2 das ist mit dem Pumpen von Protonen (Wasserstoffionen) durch die innere Mitochondrienmembran (Chemiosmose) gekoppelt, was eine Protonen-Antriebskraft erzeugt. [50] Energie aus der protonenmotorischen Kraft treibt das Enzym ATP-Synthase an, durch Phosphorylierung von ADPs mehr ATPs zu synthetisieren. Der Elektronentransfer endet damit, dass molekularer Sauerstoff der letzte Elektronenakzeptor ist.

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. Wenn der Energiebedarf bei anstrengendem Training 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

Photosynthese ist ein Prozess, der von Pflanzen und anderen Organismen verwendet wird, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln, die später freigesetzt werden kann, um die Stoffwechselaktivitäten des Organismus über die Zellatmung anzutreiben. Diese chemische Energie wird in Kohlenhydratmolekülen wie Zucker gespeichert, die aus Kohlendioxid und Wasser synthetisiert werden. [51] [52] [53] In den meisten Fällen wird auch Sauerstoff als Abfallprodukt freigesetzt. Die meisten Pflanzen, Algen und Cyanobakterien betreiben Photosynthese, die maßgeblich für die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Sauerstoffgehalts der Erdatmosphäre verantwortlich ist und den Großteil der für das Leben auf der Erde notwendigen Energie liefert. [54]

Die Photosynthese hat vier Stufen: Lichtabsorption, Elektronentransport, ATP-Synthese und Kohlenstofffixierung. [50] Die Lichtabsorption ist der erste Schritt der Photosynthese, bei dem Lichtenergie von Chlorophyllpigmenten absorbiert wird, die an Proteine ​​in den Thylakoidmembranen gebunden sind. Die absorbierte Lichtenergie wird verwendet, um Elektronen von einem Donor (Wasser) zu einem primären Elektronenakzeptor, einem als Q bezeichneten Chinon, zu entfernen. In der zweiten Stufe bewegen sich Elektronen vom primären Elektronenakzeptor des Chinons durch eine Reihe von Elektronenträgern, bis sie a . erreichen letzten Elektronenakzeptor, normalerweise die oxidierte Form von NADP + , das zu NADPH reduziert wird, ein Prozess, der in einem Proteinkomplex namens Photosystem I (PSI) stattfindet. Der Elektronentransport 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. [50]

Während der dritten Stufe der Photosynthese wird 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. [50] Das NADPH und die ATPs, die durch die lichtabhängigen Reaktionen in der zweiten bzw. dritten Stufe erzeugt werden, liefern die Energie und die Elektronen, um die Synthese von Glukose voranzutreiben, indem sie atmosphärisches Kohlendioxid in vorhandene organische Kohlenstoffverbindungen wie Ribulosebisphosphat ( RuBP) in einer Folge von lichtunabhängigen (oder dunklen) Reaktionen, die als Calvin-Zyklus bezeichnet werden. [55]

Zellsignalisierung

Zellkommunikation (oder Signalisierung) ist die Fähigkeit von Zellen, Signale mit ihrer Umgebung und mit sich selbst zu empfangen, zu verarbeiten und zu übertragen. [56] [57] Signale können nicht-chemische sein, wie Licht, elektrische Impulse und Wärme, oder chemische Signale (oder Liganden), die mit Rezeptoren interagieren, die in der Zellmembran einer anderen Zelle eingebettet oder tief im Inneren liegen eine Zelle. [58] [57] Es gibt im Allgemeinen vier Arten von chemischen Signalen: autokrine, parakrine, juxtakrine und Hormone. [58] Bei der autokrinen Signalübertragung beeinflusst der Ligand dieselbe Zelle, die ihn freisetzt. Tumorzellen zum Beispiel können sich unkontrolliert vermehren, weil sie Signale aussenden, die ihre eigene Selbstteilung einleiten. Bei der parakrinen Signalübertragung diffundiert der Ligand zu nahegelegenen Zellen und beeinflusst diese. Zum Beispiel setzen Gehirnzellen, die Neuronen genannt werden, Liganden frei, die Neurotransmitter genannt werden, die über einen synaptischen Spalt diffundieren, um an einen Rezeptor auf einer benachbarten Zelle wie einem anderen Neuron oder einer Muskelzelle zu binden. Bei der juxtakrinen Signalübertragung besteht ein direkter Kontakt zwischen den signalgebenden und reagierenden Zellen. Schließlich sind Hormone Liganden, die durch das Kreislaufsystem von Tieren oder das Gefäßsystem von Pflanzen wandern, um ihre Zielzellen zu erreichen. Sobald ein Ligand an einen Rezeptor bindet, kann er je nach Art des Rezeptors das Verhalten einer anderen Zelle beeinflussen. Beispielsweise können Neurotransmitter, die an einen inotropen Rezeptor binden, die Erregbarkeit einer Zielzelle verändern. Andere Arten von Rezeptoren umfassen Proteinkinase-Rezeptoren (z. B. Rezeptor für das Hormon Insulin) und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Die Aktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren kann Second-Messenger-Kaskaden initiieren. Der Prozess, bei dem ein chemisches oder physikalisches Signal als eine Reihe von molekularen Ereignissen durch eine Zelle übertragen wird, wird als Signaltransduktion bezeichnet

Zellzyklus

Der Zellzyklus ist eine Reihe von Ereignissen, die in einer Zelle stattfinden, die dazu führt, dass sie sich in zwei Tochterzellen teilt. Zu diesen Ereignissen gehören die Verdoppelung seiner DNA und einiger seiner Organellen und die anschließende Aufteilung seines Zytoplasmas in zwei Tochterzellen in einem Prozess, der Zellteilung genannt wird. [59] In Eukaryoten (d. h. Tier-, Pflanzen-, Pilz- und Protistenzellen) gibt es zwei verschiedene Arten der Zellteilung: Mitose und Meiose. [60] Die Mitose ist ein Teil des Zellzyklus, in dem replizierte Chromosomen in zwei neue Kerne getrennt werden. Durch Zellteilung entstehen genetisch identische Zellen, in denen die Gesamtzahl der Chromosomen erhalten bleibt. Im Allgemeinen geht der Mitose (Teilung des Zellkerns) das S-Stadium der Interphase (während der die DNA repliziert wird) voraus und wird oft von der Telophase und Zytokinese gefolgt, die das Zytoplasma, die Organellen und die Zellmembran einer Zelle in zwei neue Zellen teilt mit ungefähr gleichen Anteilen dieser zellulären Komponenten. Die verschiedenen Stadien der Mitose zusammen definieren die mitotische Phase eines tierischen Zellzyklus – die Teilung der Mutterzelle in zwei genetisch identische Tochterzellen. [61] Der Zellzyklus ist ein lebenswichtiger Prozess, bei dem sich eine einzellige befruchtete Eizelle zu einem reifen Organismus entwickelt, sowie der Prozess, bei dem Haare, Haut, Blutzellen und einige innere Organe erneuert werden. Nach der Zellteilung beginnt jede der Tochterzellen die Interphase eines neuen Zyklus. Im Gegensatz zur Mitose führt die Meiose zu vier haploiden Tochterzellen, indem sie eine DNA-Replikationsrunde gefolgt von zwei Teilungen durchlaufen. [62] Homologe Chromosomen werden in der ersten Teilung (Meiose I) und Schwesterchromatiden in der zweiten Teilung (Meiose II) 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 (d. h. 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) [63] 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

Genetik ist die wissenschaftliche Erforschung der Vererbung. [64] [65] [66] Mendelsche Vererbung ist insbesondere der Prozess, bei dem Gene und Merkmale von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden. [31] Es wurde von Gregor Mendel formuliert, basierend auf seiner Arbeit mit Erbsenpflanzen in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Mendel hat mehrere Vererbungsprinzipien aufgestellt. Die erste ist, dass genetische Merkmale, die jetzt Allele genannt werden, diskret sind und alternative Formen haben (z. B. lila vs. weiß oder groß vs. Zwerg), die jeweils von einem von zwei Elternteilen geerbt werden. Basierend auf seinem Gesetz der Dominanz und Uniformität, das besagt, dass einige Allele dominant sind, während andere rezessiv sind, zeigt ein Organismus mit mindestens einem dominanten Allel den Phänotyp dieses dominanten Allels. [67] Ausnahmen von dieser Regel sind Penetranz und Expressivität. [31] Mendel stellte fest, dass sich während der Gametenbildung die Allele für jedes Gen voneinander segregieren, so dass jeder Gamet nur ein Allel für jedes Gen trägt, was durch sein Segregationsgesetz festgelegt wird. Heterozygote Individuen produzieren Gameten mit einer gleichen Häufigkeit von zwei Allelen. Schließlich formulierte Mendel das Gesetz der unabhängigen Sortierung, das besagt, dass sich Gene verschiedener Merkmale bei der Bildung von Gameten unabhängig voneinander segregieren können, d.h. Gene sind nicht miteinander verbunden. Eine Ausnahme von dieser Regel wären geschlechtsspezifische Merkmale. Testkreuzungen können durchgeführt werden, um experimentell den zugrunde liegenden Genotyp eines Organismus mit einem dominanten Phänotyp zu bestimmen. [68] Ein Punnett-Quadrat kann verwendet werden, um die Ergebnisse eines Testkreuzes vorherzusagen. Die Chromosomentheorie der Vererbung, die besagt, dass Gene auf Chromosomen zu finden sind, wurde durch Thomas Morgans Experimente mit Fruchtfliegen gestützt, die die geschlechtliche Verbindung zwischen Augenfarbe und Geschlecht bei diesen Insekten aufzeigten. [69] Beim Menschen und anderen Säugetieren (z. B. Hunden) ist es nicht durchführbar oder praktisch, Testkreuzexperimente durchzuführen. Stattdessen werden Stammbäume, die genetische Darstellungen von Stammbäumen sind, [70] verwendet, um die Vererbung eines bestimmten Merkmals oder einer bestimmten Krankheit über mehrere Generationen hinweg zu verfolgen. [71]

Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist ein Molekül, das aus zwei Polynukleotidketten besteht, die sich umeinander winden, um eine Doppelhelix zu bilden, die genetische Erbinformationen trägt. Die beiden DNA-Stränge werden als Polynukleotide bezeichnet, da sie aus Monomeren bestehen, die Nukleotide genannt werden. [72] [73] Jedes Nukleotid besteht aus einer von vier stickstoffhaltigen Basen (Cytosin [C], Guanin [G], Adenin [A] oder Thymin [T]), einem Zucker namens Desoxyribose und einer Phosphatgruppe. Die Nukleotide sind durch kovalente Bindungen zwischen dem Zucker des einen Nukleotids und dem Phosphat des nächsten in einer Kette miteinander verbunden, wodurch ein alternierendes Zucker-Phosphat-Rückgrat entsteht. Es ist die Sequenz dieser vier Basen entlang des Rückgrats, die die genetische Information kodiert. Die Basen der beiden Polynukleotidstränge werden durch Wasserstoffbrücken gemäß den Regeln für die Basenpaarung (A mit T und C mit G) miteinander verbunden, um doppelsträngige DNA herzustellen. Die Basen werden in zwei Gruppen unterteilt: Pyrimidine und Purine. In der DNA sind die Pyrimidine Thymin und Cytosin, während die Purine Adenin und Guanin sind. Die beiden DNA-Stränge verlaufen gegenläufig und sind somit antiparallel. Die DNA wird repliziert, sobald sich die beiden Stränge trennen.

Ein Gen ist eine Erbeinheit, die einer DNA-Region entspricht, die die Form oder Funktion eines Organismus auf bestimmte Weise beeinflusst. DNA wird in Eukaryoten als lineare Chromosomen und in Prokaryoten als zirkuläre Chromosomen gefunden. Ein Chromosom ist eine organisierte Struktur, die aus DNA und Histonen besteht. Der Chromosomensatz in einer Zelle und alle anderen erblichen Informationen, die in den Mitochondrien, Chloroplasten oder anderen Orten gefunden werden, werden gemeinsam als Genom einer Zelle bezeichnet. Bei Eukaryoten ist genomische DNA im Zellkern oder in geringen Mengen in Mitochondrien und Chloroplasten lokalisiert. [74] In Prokaryoten befindet sich die DNA in einem unregelmäßig geformten Körper im Zytoplasma, dem Nukleoid. [75] Die genetische Information in einem Genom wird innerhalb von Genen gespeichert, und die vollständige Ansammlung dieser Information in einem Organismus wird als Genotyp bezeichnet. [76] Gene kodieren die Informationen, die Zellen für die Synthese von Proteinen benötigen, die wiederum eine zentrale Rolle bei der Beeinflussung des endgültigen Phänotyps des Organismus spielen.

Genexpression

Genexpression ist der Prozess, bei dem Informationen von einem Gen bei der Synthese eines funktionellen Genprodukts verwendet werden, das es ihm ermöglicht, Endprodukte, Protein oder nicht-kodierende RNA zu produzieren und schließlich als Endeffekt einen Phänotyp zu beeinflussen. Der Prozess ist in dem zentralen Dogma der Molekularbiologie zusammengefasst, das erstmals 1958 von Francis Crick formuliert wurde. [77] [78] [79] Die Genexpression ist die grundlegendste Ebene, auf der ein Genotyp zu einem Phänotyp, d. h. 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. Ein großer Teil der DNA (z. B. >98% beim Menschen) ist nicht kodierend, was bedeutet, dass diese Abschnitte nicht als Muster für Proteinsequenzen dienen. Messenger-RNA (mRNA)-Stränge werden unter Verwendung von DNA-Strängen als Vorlage in einem Prozess namens Transkription erzeugt, bei dem DNA-Basen gegen ihre entsprechenden Basen ausgetauscht werden, außer im Fall von Thymin (T), für das RNA Uracil (U) ersetzt. [80] Unter dem genetischen Code spezifizieren diese mRNA-Stränge die Sequenz von Aminosäuren innerhalb von Proteinen in einem als Translation bezeichneten Prozess, der in Ribosomen abläuft. Dieser Prozess wird von allem Leben – Eukaryonten (einschließlich vielzelliger Organismen), Prokaryonten (Bakterien und Archaeen) und von Viren – genutzt, um die makromolekulare Maschinerie für das Leben zu erzeugen. Genprodukte sind oft Proteine, aber in nicht-proteinkodierenden Genen wie Transfer-RNA (tRNA) und kleiner nukleärer RNA (snRNA) ist das Produkt eine funktionelle nicht-kodierende RNA. [81] [82] Alle Schritte des Genexpressionsprozesses können reguliert werden, einschließlich der Transkription, des RNA-Spleißens, der Translation und der posttranslationalen Modifikation eines Proteins. Die Regulierung der Genexpression gibt Kontrolle über den Zeitpunkt, Ort und Menge eines bestimmten Genprodukts (Protein oder ncRNA), das in einer Zelle vorhanden ist, und kann einen tiefgreifenden Einfluss auf die Zellstruktur und -funktion haben.

Genome

Ein Genom ist die vollständige DNA eines Organismus, einschließlich aller seiner Gene. [83] Die Sequenzierung und Analyse von Genomen kann mit Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung und Bioinformatik erfolgen, um die Funktion und Struktur ganzer Genome zusammenzusetzen und zu analysieren. [84] [85] [86] Viele Gene kodieren mehr als ein Protein, wobei posttranslationale Modifikationen die Proteinvielfalt innerhalb einer Zelle erhöhen. Das Proteom einer Zelle ist der gesamte Satz von Proteinen, der von ihrem Genom exprimiert wird. [87] Die Genome von Prokaryoten sind klein, kompakt und vielfältig. Im Gegensatz dazu sind die Genome von Eukaryoten größer und komplexer, beispielsweise mit mehr regulatorischen Sequenzen, und ein Großteil ihres Genoms besteht aus nicht-kodierenden DNA-Sequenzen für funktionelle RNA (rRNA, tRNA und mRNA) oder regulatorischen Sequenzen.Die Genome verschiedener Modellorganismen wie Arabidopsis, Fruchtfliege, Maus, Nematoden und Hefe wurden sequenziert. Aus der Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms ergeben sich praktische Anwendungen wie das DNA-Fingerprinting, das für Vaterschaftstests und Forensik verwendet werden kann. In der Medizin hat die Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms die Identifizierung von Mutationen, die Tumore verursachen, sowie von Genen, die eine bestimmte genetische Störung verursachen, ermöglicht. [87]

Biotechnologie

Biotechnologie ist die Verwendung von Zellen oder lebenden Organismen, um Produkte für den Menschen zu entwickeln. [88] Es umfasst Werkzeuge wie rekombinante DNA, bei der es sich um DNA-Moleküle handelt, die durch Labormethoden der genetischen Rekombination wie molekulares Klonen gebildet werden, die genetisches Material aus mehreren Quellen zusammenführen und so Sequenzen erzeugen, die sonst in einem Genom nicht zu finden wären. Andere Werkzeuge umfassen die Verwendung von Genombibliotheken, DNA-Mikroarrays, Expressionsvektoren, synthetische Genomik und CRISPR-Genbearbeitung. [88] [89] Viele dieser Werkzeuge haben breite Anwendungsmöglichkeiten, wie die Herstellung medizinisch nützlicher Proteine ​​oder die Verbesserung der Pflanzenzucht und Tierhaltung. [88] Humaninsulin war beispielsweise das erste Medikament, das mit rekombinanter DNA-Technologie hergestellt wurde. Andere Ansätze wie das Pharming können durch den Einsatz gentechnisch veränderter Organismen große Mengen medizinisch nutzbarer Produkte herstellen. [88]

Gene, Entwicklung und Evolution

Entwicklung ist der Prozess, bei dem ein vielzelliger Organismus (Pflanze oder Tier) eine Reihe von Veränderungen durchläuft, angefangen bei einer einzelnen Zelle bis hin zu verschiedenen Formen, die für seinen Lebenszyklus charakteristisch sind. [90] Es gibt vier Schlüsselprozesse, die der Entwicklung zugrunde liegen: Determination, Differenzierung, Morphogenese und Wachstum. Die Bestimmung legt das Entwicklungsschicksal einer Zelle fest, das während der Entwicklung restriktiver wird. Differenzierung ist der Prozess, bei dem spezialisierte Zellen von weniger spezialisierten Zellen wie Stammzellen unterschieden werden. [91] [92] Stammzellen sind undifferenzierte oder teilweise differenzierte Zellen, die sich in verschiedene Zelltypen differenzieren und sich unbegrenzt vermehren können, um mehr von derselben Stammzelle zu produzieren. [93] Die zelluläre Differenzierung verändert die Größe, Form, das Membranpotenzial, die metabolische Aktivität und die Reaktionsfähigkeit einer Zelle auf Signale dramatisch, was größtenteils auf hochgradig kontrollierte Modifikationen in der Genexpression und Epigenetik zurückzuführen ist. Mit wenigen Ausnahmen beinhaltet die zelluläre Differenzierung fast nie eine Veränderung der DNA-Sequenz selbst. [94] So können verschiedene Zellen trotz des gleichen Genoms sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Morphogenese oder Entwicklung der Körperform ist das Ergebnis räumlicher Unterschiede in der Genexpression. [90] Insbesondere die Organisation von differenzierten Geweben in spezifische Strukturen wie Arme oder Flügel, die als Musterbildung bekannt ist, wird durch Morphogene gesteuert, die Moleküle signalisieren, die sich von einer Zellgruppe zu umgebenden Zellen bewegen und einen Morphogengradienten erzeugen, wie beschrieben nach dem französischen Flaggenmodell. Apoptose oder programmierter Zelltod tritt auch während der Morphogenese auf, wie dem Absterben von Zellen zwischen den Fingern in der menschlichen Embryonalentwicklung, wodurch einzelne Finger und Zehen freigesetzt werden. Die Expression von Transkriptionsfaktor-Genen kann die Organplatzierung in einer Pflanze bestimmen und eine Kaskade von Transkriptionsfaktoren selbst kann die Körpersegmentierung in einer Fruchtfliege etablieren. [90]

Ein kleiner Bruchteil der Gene im Genom eines Organismus, der als entwicklungsgenetisches Toolkit bezeichnet wird, steuert die Entwicklung dieses Organismus. Diese Toolkit-Gene sind in Stämmen hoch konserviert, was bedeutet, dass sie uralt und in weit getrennten Tiergruppen sehr ähnlich sind. Unterschiede beim Einsatz von Toolkit-Genen wirken sich auf den Körperplan und die Anzahl, Identität und Muster von Körperteilen aus. Zu den wichtigsten Toolkit-Genen gehören die Hox Gene. Hox-Gene bestimmen, wo sich wiederholende Teile, wie die vielen Wirbel von Schlangen, in einem sich entwickelnden Embryo oder einer Larve wachsen. [95] Variationen im Werkzeugkasten könnten einen großen Teil der morphologischen Evolution der Tiere beeinflusst haben. Das Toolkit kann die Evolution auf zwei Arten vorantreiben. Ein Toolkit-Gen kann in einem anderen Muster exprimiert werden, als wenn der Schnabel von Darwins großem Grundfinken um die BMP Gen, [96] oder wenn Schlangen ihre Beine verloren haben, Distal-less (Dlx) Gene wurden an den Stellen, an denen andere Reptilien weiterhin ihre Gliedmaßen bildeten, unterexprimiert oder überhaupt nicht exprimiert. [97] Oder ein Toolkit-Gen kann eine neue Funktion erhalten, wie man an den vielen Funktionen desselben Gens sieht, distal-weniger, das so unterschiedliche Strukturen wie den Unterkiefer bei Wirbeltieren, [98] [99] Beine und Fühler bei der Fruchtfliege [100] und das Augenfleckmuster bei Schmetterlingsflügeln kontrolliert. [101] Angesichts der Tatsache, dass kleine Veränderungen in Toolbox-Genen signifikante Veränderungen in Körperstrukturen verursachen können, haben sie oft eine konvergente oder parallele Evolution ermöglicht.

Evolution

Evolutionäre Prozesse

Ein zentrales Organisationskonzept in der Biologie ist, dass sich das Leben durch Evolution verändert und entwickelt, d. h. die Veränderung der erblichen Merkmale von Populationen über aufeinanderfolgende Generationen. [102] [103] Evolution wird heute verwendet, um die großen Variationen des Lebens auf der Erde zu erklären. Der Begriff Evolution wurde 1809 von Jean-Baptiste de Lamarck in das wissenschaftliche Lexikon aufgenommen [104] und fünfzig Jahre später formulierten Charles Darwin und Alfred Russel Wallace die Evolutionstheorie durch natürliche Auslese. [105] [106] [107] [108] Nach dieser Theorie unterscheiden sich Individuen hinsichtlich ihrer erblichen Merkmale, was zu unterschiedlichen Überlebens- und Reproduktionsraten führt. Dadurch werden Merkmale, die besser an ihre Umgebung angepasst sind, eher an nachfolgende Generationen weitergegeben. [109] [110] Darwin war sich der Vererbungsarbeit von Mendel nicht bewusst, und so war der genaue Vererbungsmechanismus, der der natürlichen Selektion zugrunde liegt, nicht gut verstanden [111] bis Anfang des 20. Jahrhunderts, als die moderne Synthese die Darwinsche Evolution mit der klassischen Genetik in Einklang brachte. die eine neodarwinistische Perspektive der Evolution durch natürliche Selektion begründete. [112] 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. [113]

Ein weiterer Prozess, der die Evolution antreibt, ist die genetische Drift, die zufällige Fluktuationen der Allelfrequenzen innerhalb einer Population von einer Generation zur nächsten. [114] Wenn selektive Kräfte fehlen oder relativ schwach sind, sind die Allelfrequenzen mit gleicher Wahrscheinlichkeit Drift nach oben oder unten bei jeder nachfolgenden Generation, da die Allele einem Stichprobenfehler unterliegen. [115] 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

Speziation ist der Prozess der Aufspaltung einer Linie in zwei Linien, die sich unabhängig voneinander entwickeln. [116] Damit eine Artbildung stattfinden kann, ist eine reproduktive Isolation erforderlich. [116] Eine reproduktive Isolation kann aus Inkompatibilitäten zwischen Genen resultieren, wie durch das Bateson-Dobzhansky-Muller-Modell beschrieben. Auch die reproduktive Isolation nimmt mit der genetischen Divergenz zu. Artbildung kann auftreten, wenn physische Barrieren vorhanden sind, die eine angestammte Art teilen, ein Prozess, der als allopatrische Artbildung bekannt ist. [116] 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. [116] In ähnlicher Weise können postzygotische Isolierungen dazu führen, dass die Hybridisierung aufgrund der geringeren Lebensfähigkeit von Hybriden oder Hybrid-Unfruchtbarkeit (z. B. Maultier) selektiert wird. Hybridzonen können entstehen, wenn es zu einer unvollständigen reproduktiven Isolation zwischen zwei eng verwandten Arten kommt.

Phylogenien

Eine Phylogenie ist eine Evolutionsgeschichte einer bestimmten Gruppe von Organismen oder ihrer Gene. [117] Eine Phylogenie kann durch einen 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 es am Baum geben, 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 (z. B. Insekten) oder einer noch kleineren Gruppe eng verwandter Arten darstellen. Innerhalb eines Baumes ist jede mit einem Namen bezeichnete Artengruppe ein Taxon (z. B. Menschen, Primaten, Säugetiere oder Wirbeltiere) und ein Taxon, das aus allen seinen evolutionären Nachkommen besteht, ist eine Klade. Eng verwandte Arten werden als Schwesterarten bezeichnet und eng verwandte Kladen werden als Schwesterkladen bezeichnet.

Stammbäume sind die Grundlage für den Vergleich und die Gruppierung verschiedener Arten. [117] Verschiedene Arten, die ein von einem gemeinsamen Vorfahren geerbtes Merkmal teilen, werden als homologe Merkmale 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. [117] Wenn phylogenetische Bäume rekonstruiert werden, können mehrere Bäume mit unterschiedlicher Evolutionsgeschichte 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. [117]

Die Phylogenie liefert die Grundlage der biologischen Klassifikation, die auf der Linné-Taxonomie basiert, die im 18. Jahrhundert von Carl von Linné entwickelt wurde. [117] Dieses Klassifizierungssystem ist rangbasiert, wobei der höchste Rang die Domäne ist, gefolgt von Königreich, Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art. [117] Alle lebenden Organismen können in eine von drei Domänen eingeordnet werden: Archaea (ursprünglich Archaebakterien) Bakterien (ursprünglich Eubakterien) oder Eukarya (beinhaltet das Protisten-, Pilz-, Pflanzen- und Tierreich). [118] 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. [117] Zum Beispiel sind Menschen Homo sapiens, mit Homo die Gattung sein und sapiens die Art sein. Konventionell werden die wissenschaftlichen Namen von Organismen kursiv gedruckt, wobei nur der erste Buchstabe der Gattung großgeschrieben wird. [119] [120]

Geschichte des Lebens

Die Geschichte des Lebens auf der Erde zeichnet die Prozesse nach, durch die sich Organismen von der frühesten Entstehung des Lebens bis heute entwickelt haben. Die Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren und alles Leben auf der Erde, sowohl lebend als auch ausgestorben, stammte von einem letzten universellen gemeinsamen Vorfahren ab, der vor etwa 3,5 Milliarden Jahren lebte. [121] [122] Die Ähnlichkeiten aller heute bekannten Arten weisen darauf hin, dass sie sich im Laufe der Evolution von ihrem gemeinsamen Vorfahren abgewichen haben. [123] Biologen betrachten die Allgegenwart des genetischen Codes als Beweis für eine universelle gemeinsame Abstammung aller Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. [124] [10] [125] [126]

Mikrobielle Matten koexistierender Bakterien und Archaeen waren die vorherrschende Lebensform in der frühen Archäischen Epoche und viele der wichtigsten Schritte in der frühen Evolution sollen in dieser Umgebung stattgefunden haben. [127] Der früheste Nachweis von Eukaryoten stammt aus der Zeit vor 1,85 Milliarden Jahren, [128] [129] und obwohl sie möglicherweise früher vorhanden waren, beschleunigte sich ihre Diversifizierung, als sie begannen, Sauerstoff in ihrem Stoffwechsel zu verwenden. Später, vor etwa 1,7 Milliarden Jahren, tauchten mehrzellige Organismen auf, bei denen differenzierte Zellen spezialisierte Funktionen ausführten. [130]

Algenähnliche vielzellige Landpflanzen werden sogar bis vor etwa 1 Milliarde Jahren datiert, [131] obwohl Hinweise darauf hindeuten, dass Mikroorganismen vor mindestens 2,7 Milliarden Jahren die frühesten terrestrischen Ökosysteme bildeten. [132] Es wird angenommen, dass Mikroorganismen im Ordovizium den Weg für die Entstehung von Landpflanzen geebnet haben. Landpflanzen waren so erfolgreich, dass sie vermutlich zum Aussterben des späten Devon beigetragen haben. [133]

Ediacara-Biota erscheinen während der Ediacara-Periode, [134] während Wirbeltiere zusammen mit den meisten anderen modernen Stämmen vor etwa 525 Millionen Jahren während der kambrischen Explosion entstanden sind. [135] Während des Perms dominierten Synapsiden, einschließlich der Vorfahren der Säugetiere, das Land, [136] aber die meisten dieser Gruppe starben im Perm-Trias-Aussterbeereignis vor 252 Millionen Jahren aus. [137] Während der Erholung von dieser Katastrophe wurden Archosaurier zu den am häufigsten vorkommenden Landwirbeltieren. [138] Eine Archosauriergruppe, die Dinosaurier, dominierte die Jura- und Kreidezeit. [139] Nachdem das kreidezeitlich-paläogene Aussterben vor 66 Millionen Jahren die Nicht-Vogel-Dinosaurier getötet hatte, [140] nahmen Säugetiere schnell an Größe und Vielfalt zu. [141] Solche Massensterben könnten die Evolution beschleunigt haben, indem sie neuen Gruppen von Organismen Möglichkeiten zur Diversifizierung eröffnet haben. [142]

Diversität

Bakterien und Archaeen

Bakterien sind ein Zelltyp, der eine große Domäne prokaryontischer Mikroorganismen darstellt. Bakterien sind in der Regel nur wenige Mikrometer lang und haben eine Reihe von Formen, die von Kugeln über Stäbchen bis hin zu Spiralen reichen. Bakterien gehörten zu den ersten Lebensformen, die auf der Erde erschienen, und sind in den meisten ihrer Lebensräume vorhanden. Bakterien bewohnen Böden, Wasser, saure heiße Quellen, radioaktiven Abfall [143] und die tiefe Biosphäre der Erdkruste. Bakterien leben auch in symbiotischen und parasitären Beziehungen mit Pflanzen und Tieren. Die meisten Bakterien wurden nicht charakterisiert, und nur etwa 27 Prozent der Bakterienstämme haben Arten, die im Labor gezüchtet werden können. [144]

Archaeen bilden die andere Domäne prokaryotischer Zellen und wurden ursprünglich als Bakterien klassifiziert und erhielten den Namen Archaebacteria (im Reich der Archaebacteria), ein Begriff, der nicht mehr verwendet wird. [145] Archaeenzellen haben einzigartige Eigenschaften, die sie von den anderen beiden Domänen, Bakterien und Eukaryota, unterscheiden. Archaea werden weiter in mehrere anerkannte Stämme unterteilt. Archaeen und Bakterien sind im Allgemeinen in Größe und Form ähnlich, obwohl einige Archaeen sehr unterschiedliche Formen haben, wie die flachen und quadratischen Zellen von Haloquadratum walsbyi. [146] Trotz dieser morphologischen Ähnlichkeit mit Bakterien besitzen Archaeen Gene und mehrere Stoffwechselwege, die denen von Eukaryoten näher verwandt sind, insbesondere für die an der Transkription und Translation beteiligten Enzyme. Andere Aspekte der Archaeenbiochemie sind einzigartig, wie ihre Abhängigkeit von Etherlipiden in ihren Zellmembranen, [147] einschließlich Archaeolen. Archaeen verbrauchen mehr Energiequellen als Eukaryoten: Diese reichen von organischen Verbindungen wie Zucker über Ammoniak, Metallionen bis hin zu Wasserstoffgas. Salztolerante Archaeen (die Haloarchaea) verwenden Sonnenlicht als Energiequelle, und andere Archaeenarten fixieren Kohlenstoff, aber im Gegensatz zu Pflanzen und Cyanobakterien tut keine bekannte Archaeenart beides. Archaea vermehren sich ungeschlechtlich durch binäre Spaltung, Fragmentierung oder Knospung. Im Gegensatz zu Bakterien bilden keine bekannten Arten von Archaea Endosporen.

Die ersten beobachteten Archaeen waren Extremophile, die in extremen Umgebungen wie heißen Quellen und Salzseen ohne andere Organismen lebten. Verbesserte molekulare Erkennungswerkzeuge führten zur Entdeckung von Archaeen in fast jedem Lebensraum, einschließlich Boden, Ozeanen und Marschland. Archaeen sind in den Ozeanen besonders zahlreich, und die Archaeen im Plankton könnten eine der am häufigsten vorkommenden Organismengruppen auf dem Planeten sein.

Archaeen sind ein wichtiger Bestandteil des Lebens auf der Erde. Sie sind Teil der Mikrobiota aller Organismen. Im menschlichen Mikrobiom sind sie im Darm, im Mund und auf der Haut wichtig. [148] Ihre morphologische, metabolische und geografische Diversität ermöglicht es ihnen, mehrere ökologische Rollen zu übernehmen: Kohlenstofffixierung Stickstoffkreislauf, Umsatz organischer Verbindungen und Aufrechterhaltung mikrobieller symbiotischer und syntrophischer Gemeinschaften. [149]

Protisten

Protisten sind eukaryotische Organismen, die kein Tier, keine Pflanze oder kein Pilz sind. Während es wahrscheinlich ist, dass Protisten einen gemeinsamen Vorfahren haben (den letzten gemeinsamen Vorfahren von Eukaryoten), [150] bedeutet der Ausschluss anderer Eukaryoten, dass Protisten keine natürliche Gruppe oder Klade bilden. [a] Einige Protisten sind möglicherweise enger mit Tieren, Pflanzen oder Pilzen verwandt als mit anderen Protisten, jedoch wie Algen, Wirbellosen oder Protozoen, die Gruppierung wird der Einfachheit halber verwendet. [151]

Die Taxonomie der Protisten ändert sich noch. Neuere Klassifikationen versuchen, monophyletische Gruppen basierend auf morphologischen (insbesondere ultrastrukturellen), [152] [153] [154] biochemischen (Chemotaxonomie) [155] [156] und DNA-Sequenzinformationen (Molekularforschung) darzustellen. [157] [158] Da Protisten als Ganzes paraphyletisch sind, teilen sich neue Systeme oft auf oder verlassen das Königreich und behandeln die Protistengruppen stattdessen als separate Linien von Eukaryoten.

Pflanzenvielfalt

Pflanzen sind hauptsächlich vielzellige Organismen, überwiegend photosynthetische Eukaryoten des Königreichs Plantae. Botanik ist das Studium des Pflanzenlebens, das Pilze und einige Algen ausschließt. Botaniker haben ungefähr 410.000 Arten von Landpflanzen untersucht, von denen ungefähr 391.000 Arten Gefäßpflanzen sind (einschließlich ungefähr 369.000 Arten von Blütenpflanzen) [159] und ungefähr 20.000 Moosenpflanzen sind. [160]

Algen sind eine große und vielfältige Gruppe von photosynthetischen eukaryotischen Organismen. Die enthaltenen Organismen reichen von einzelligen Mikroalgen, wie z Chlorella, Prototheca und den Diatomeen, bis hin zu vielzelligen Formen, wie dem Riesentang, einer großen Braunalge. Die meisten sind aquatisch und autotroph und es fehlen viele der verschiedenen Zell- und Gewebetypen, wie Spaltöffnungen, Xylem und Phloem, die in Landpflanzen vorkommen.Die größten und komplexesten Meeresalgen werden Algen genannt, während die komplexesten Süßwasserformen die Charophyta sind.

Nichtvaskuläre Pflanzen sind Pflanzen ohne ein aus Xylem und Phloem bestehendes Gefäßsystem. Stattdessen können sie einfachere Gewebe besitzen, die spezielle Funktionen für den internen Wassertransport haben. Gefäßpflanzen hingegen sind eine große Gruppe von Pflanzen (ca. 300.000 anerkannte bekannte Arten) [161], die als Landpflanzen mit verholztem Gewebe (dem Xylem) definiert sind, um Wasser und Mineralien durch die Pflanze zu leiten. [162] Sie haben auch ein spezialisiertes nicht verholztes Gewebe (das Phloem), um Produkte der Photosynthese durchzuführen. Zu den Gefäßpflanzen gehören die Bärlappen, Schachtelhalme, Farne, Gymnospermen (einschließlich Koniferen) und Angiospermen (Blütenpflanzen).

Samenpflanzen (oder Spermatophyten) umfassen fünf Abteilungen, von denen vier als Gymnospermen und eine als Angiospermen gruppiert werden. Gymnospermen umfassen Koniferen, Palmfarne, Ginkgo, und Gnetophyten. Gymnospermensamen entwickeln sich entweder auf der Oberfläche von Schuppen oder Blättern, die oft zu Zapfen modifiziert sind, oder einzeln wie bei Eiben, Torreya, Ginkgo. [163] Angiospermen sind die vielfältigste Gruppe von Landpflanzen mit 64 Ordnungen, 416 Familien, ungefähr 13.000 bekannten Gattungen und 300.000 bekannten Arten. [161] Wie Gymnospermen sind Angiospermen Samen produzierende Pflanzen. Sie unterscheiden sich von Gymnospermen durch Merkmale wie Blüten, Endosperm in ihren Samen und die Produktion von Früchten, die die Samen enthalten.

Pilze

Pilze sind eukaryotische Organismen, die Mikroorganismen wie Hefen und Schimmelpilze sowie die bekannteren Pilze umfassen. Eine Eigenschaft, die Pilze in ein anderes Reich als Pflanzen, Bakterien und einige Protisten einordnet, ist das Chitin in ihren Zellwänden. Pilze sind wie Tiere Heterotrophe, die ihre Nahrung aufnehmen, indem sie gelöste Moleküle absorbieren, typischerweise indem sie Verdauungsenzyme in ihre Umgebung absondern. Pilze betreiben keine Photosynthese. Wachstum ist ihr Fortbewegungsmittel, mit Ausnahme von Sporen (von denen einige begeißelt sind), die durch die Luft oder das Wasser reisen können. Pilze sind die wichtigsten Zersetzer in Ökosystemen. Diese und andere Unterschiede ordnen Pilze einer einzigen Gruppe verwandter Organismen zu, die als bezeichnet wird Eumycota (echte Pilze oder Eumyceten), die einen gemeinsamen Vorfahren haben (von a monophyletische Gruppe). Diese Pilzgruppe unterscheidet sich von den strukturell ähnlichen Myxomyceten (Schleimpilzen) und Oomyceten (Wasserpilzen).

Die meisten Pilze sind wegen der geringen Größe ihrer Strukturen und ihrer kryptischen Lebensweise im Boden oder auf toter Materie unauffällig. Pilze umfassen Symbionten von Pflanzen, Tieren oder anderen Pilzen sowie Parasiten. Sie können sich bei der Fruchtbildung bemerkbar machen, entweder als Pilze oder als Schimmelpilze. Pilze spielen eine wesentliche Rolle bei der Zersetzung organischer Stoffe und spielen eine grundlegende Rolle beim Nährstoffkreislauf und -austausch in der Umwelt.

Das Pilzreich umfasst eine enorme Vielfalt an Taxa mit unterschiedlichen Ökologien, Lebenszyklusstrategien und Morphologien, die von einzelligen aquatischen Chytriden bis hin zu großen Pilzen reichen. Über die wahre Artenvielfalt von Kingdom Fungi, die auf 2,2 bis 3,8 Millionen Arten geschätzt wird, ist jedoch wenig bekannt. [164] Von diesen sind nur etwa 148.000 beschrieben, [165] wobei über 8.000 Arten als pflanzenschädigend und mindestens 300 als humanpathogen bekannt sind. [166]

Tiervielfalt

Tiere sind vielzellige eukaryotische Organismen, die das Königreich Animalia bilden. Bis auf wenige Ausnahmen verbrauchen Tiere organisches Material, atmen Sauerstoff, können sich bewegen, können sich sexuell fortpflanzen und wachsen während der Embryonalentwicklung aus einer hohlen Zellkugel, der Blastula. Über 1,5 Millionen lebende Tierarten wurden beschrieben – davon etwa 1 Million Insekten –, aber es wird geschätzt, dass es insgesamt über 7 Millionen Tierarten gibt. Sie haben komplexe Interaktionen untereinander und mit ihrer Umgebung und bilden komplizierte Nahrungsnetze.

Schwämme, die Mitglieder des Stammes Porifera, sind eine basale Klade der Metazoa (Tier) als Schwester der Diploblasten. [167] [168] [169] [170] [171] Sie sind vielzellige Organismen, deren Körper voller Poren und Kanäle sind, durch die Wasser zirkulieren kann, bestehend aus geleeartigem Mesohyl, das zwischen zwei dünnen Zellschichten eingebettet ist.

97%) der Tierarten sind Wirbellose, [172] das sind Tiere, die weder eine Wirbelsäule besitzen noch entwickeln (allgemein bekannt als a Rückgrat oder Wirbelsäule), abgeleitet von der Notochord. Dazu gehören alle Tiere außer dem Unterstamm Wirbeltiere. Bekannte Beispiele für Wirbellose sind Gliederfüßer (Insekten, Spinnentiere, Krebstiere und Myriapoden), Weichtiere (Chitonen, Schnecken, Muscheln, Tintenfische und Kraken), Anneliden (Regenwürmer und Blutegel) und Nesseltiere (Hydras, Quallen, ). Viele wirbellose Taxa haben eine größere Anzahl und Vielfalt an Arten als der gesamte Unterstamm der Wirbeltiere. [173]

Im Gegensatz dazu umfassen Wirbeltiere alle Tierarten innerhalb des Unterstamms Vertebrata (Chordaten mit Rückgrat). Wirbeltiere stellen die überwältigende Mehrheit des Stammes der Chordata dar, mit derzeit etwa 69.963 beschriebenen Arten. [174] Wirbeltiere umfassen solche Gruppen wie kieferlose Fische, kieferlose Wirbeltiere wie Knorpelfische (Haie, Rochen und Rattenfisch), Knochenfische, Tetrapoden wie Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere.

Viren

Viren sind submikroskopische Infektionserreger, die sich in lebenden Zellen von Organismen vermehren. [175] Viren infizieren alle Arten von Lebensformen, von Tieren und Pflanzen bis hin zu Mikroorganismen, einschließlich Bakterien und Archaeen. [176] [177] Mehr als 6.000 Virusspezies wurden im Detail beschrieben. [178] Viren kommen in fast jedem Ökosystem der Erde vor und sind die zahlreichste Art biologischer Einheiten. [179] [180]

Bei einer Infektion ist eine Wirtszelle gezwungen, schnell Tausende von identischen Kopien des ursprünglichen Virus zu produzieren. Wenn sie sich nicht in einer infizierten Zelle befinden oder gerade eine Zelle infizieren, existieren Viren in Form unabhängiger Partikel oder Virionen, bestehend aus dem genetischen Material (DNA oder RNA), einer Proteinhülle namens Kapsid, und in einigen Fällen eine äußere Hülle von Lipiden. Die Formen dieser Viruspartikel reichen von einfachen helikalen und ikosaedrischen Formen bis hin zu komplexeren Strukturen. Die meisten Virusarten haben Virionen, die zu klein sind, um mit einem optischen Mikroskop gesehen zu werden, da sie ein Hundertstel der Größe der meisten Bakterien haben.

Die Ursprünge von Viren in der Evolutionsgeschichte des Lebens sind unklar: Einige haben sich möglicherweise aus Plasmiden entwickelt – DNA-Stücken, die sich zwischen Zellen bewegen können – während andere sich aus Bakterien entwickelt haben. Viren sind in der Evolution ein wichtiges Mittel des horizontalen Gentransfers, der die genetische Vielfalt analog zur sexuellen Fortpflanzung erhöht. [181] Da Viren einige, aber nicht alle Merkmale des Lebens besitzen, wurden sie als „Organismen am Rande des Lebens“ [182] und als Selbstreplikatoren beschrieben. [183]

Viren können sich auf viele Arten verbreiten. Ein Übertragungsweg führt über krankheitserregende Organismen, sogenannte Vektoren: So werden Viren häufig von Pflanzen zu Pflanzen von Insekten übertragen, die sich von Pflanzensaft ernähren, wie zum Beispiel Blattläuse, und Viren in Tieren können von blutsaugenden Insekten übertragen werden. Grippeviren werden durch Husten und Niesen übertragen. Norovirus und Rotavirus, häufige Ursachen einer viralen Gastroenteritis, werden fäkal-oral, durch Hand-zu-Mund-Kontakt oder durch Nahrung oder Wasser übertragen. Virusinfektionen bei Tieren lösen eine Immunantwort aus, die normalerweise das infizierende Virus eliminiert. Immunantworten können auch durch Impfstoffe erzeugt werden, die eine künstlich erworbene Immunität gegen die spezifische Virusinfektion verleihen.

Pflanzenform und Funktion

Pflanzenkörper

Der Pflanzenkörper besteht aus Organen, die in zwei Hauptorgansysteme organisiert werden können: ein Wurzelsystem und ein Sprosssystem. [184] Das Wurzelsystem verankert die Pflanzen an Ort und Stelle. Die Wurzeln selbst nehmen Wasser und Mineralien auf und speichern Photosyntheseprodukte. Das Triebsystem besteht aus Stängel, Blättern und Blüten. Die Stängel halten die Blätter und richten sie zur Sonne aus, wodurch die Blätter Photosynthese betreiben können. Die Blüten sind Triebe, die für die Fortpflanzung modifiziert wurden. Triebe bestehen aus Phytomeren, die funktionelle Einheiten sind, die aus einem Knoten bestehen, der ein oder mehrere Blätter, Internodien und eine oder mehrere Knospen trägt.

Ein Pflanzenkörper hat zwei Grundmuster (apikale-basale und radiale Achsen), die während der Embryogenese etabliert wurden. [184] Zellen und Gewebe sind entlang der apikal-basalen Achse von der Wurzel bis zum Spross angeordnet, während die drei Gewebesysteme (dermal, gemahlen und vaskulär), die den Körper einer Pflanze bilden, konzentrisch um ihre radiale Achse angeordnet sind. [184] Das dermale Gewebesystem bildet die Epidermis (oder äußere Hülle) einer Pflanze, die normalerweise eine einzelne Zellschicht ist, die aus Zellen besteht, die sich in drei spezialisierte Strukturen differenziert haben: Spaltöffnungen für den Gasaustausch in Blättern, Trichome (oder Blatthaare) ) zum Schutz vor Insekten und Sonneneinstrahlung und Wurzelhaare zur Vergrößerung der Oberfläche und Aufnahme von Wasser und Nährstoffen. Das Grundgewebe macht praktisch das gesamte Gewebe aus, das zwischen den Haut- und Gefäßgeweben in den Trieben und Wurzeln liegt. Es besteht aus drei Zelltypen: Parenchym-, Kollenchym- und Sklerenchymzellen. Schließlich besteht das Gefäßgewebe aus zwei Gewebebestandteilen: Xylem und Phloem. Das Xylem besteht aus zwei leitenden Zellen, den Tracheiden und Gefäßelementen, während das Phloem durch das Vorhandensein von Siebrohrelementen und Begleitzellen gekennzeichnet ist. [184]

Pflanzenernährung und Transport

Wie alle anderen Organismen bestehen Pflanzen hauptsächlich aus Wasser und anderen Molekülen, die lebenswichtige Elemente enthalten. [185] Das Fehlen spezifischer Nährstoffe (oder essentieller Elemente), von denen viele in Hydrokulturexperimenten identifiziert wurden, kann das Pflanzenwachstum und die Reproduktion stören. Die meisten Pflanzen können diese Nährstoffe aus Lösungen gewinnen, die ihre Wurzeln im Boden umgeben. [185] Ständiges Auslaugen und Ernten von Feldfrüchten kann dem Boden seine Nährstoffe entziehen, die durch den Einsatz von Düngemitteln wiederhergestellt werden können. Fleischfressende Pflanzen wie Venusfliegenfallen können Nährstoffe durch die Verdauung anderer Arthropoden aufnehmen, während parasitische Pflanzen wie Mistel andere Pflanzen für Wasser und Nährstoffe parasitieren können.

Pflanzen brauchen Wasser, um Photosynthese durchzuführen, gelöste Stoffe zwischen Organen zu transportieren, ihre Blätter durch Verdunstung zu kühlen und den inneren Druck aufrechtzuerhalten, der ihren Körper unterstützt. [185] Wasser kann durch Osmose in Pflanzenzellen hinein und aus diesen heraus diffundieren. Die Richtung der Wasserbewegung durch eine semipermeable Membran wird durch das Wasserpotential durch diese Membran bestimmt. [185] Wasser kann durch Aquaporine durch die Membran einer Wurzelzelle diffundieren, während gelöste Stoffe durch Ionenkanäle und Pumpen durch die Membran transportiert werden. In Gefäßpflanzen können Wasser und gelöste Stoffe über einen Apoplasten und Symplasten in das Xylem, ein Gefäßgewebe, gelangen. Im Xylem angekommen, werden das Wasser und die Mineralien durch Transpiration vom Boden auf die oberirdischen Teile der Pflanze verteilt. [162] [185] Im Gegensatz dazu verteilt das Phloem, ein anderes Gefäßgewebe, Kohlenhydrate (zB Saccharose) und andere gelöste Stoffe wie Hormone durch Translokation von einer Quelle (zB reifes Blatt oder Wurzel), in der sie produziert wurden, zu einer Senke (zB Wurzel, Blüte oder sich entwickelnde Frucht), in der sie verwendet und gelagert werden. [185] Quellen und Senken können ihre Rollen wechseln, abhängig von der Menge an Kohlenhydraten, die für die Ernährung anderer Organe angesammelt oder mobilisiert werden.

Pflanzenentwicklung

Die Pflanzenentwicklung wird durch Umweltreize und die pflanzeneigenen Rezeptoren, Hormone und das Genom reguliert. [186] Darüber hinaus haben sie mehrere Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, Ressourcen für Wachstum und Reproduktion zu erhalten, wie Meristeme, postembryonale Organbildung und differentielles Wachstum.

Die Entwicklung beginnt mit einem Samen, der eine embryonale Pflanze ist, die von einer schützenden äußeren Hülle umgeben ist. Die meisten Pflanzensamen sind normalerweise ruhend, ein Zustand, in dem die normale Aktivität der Samen ausgesetzt ist. [186] Die Samenruhe kann Wochen, Monate, Jahre und sogar Jahrhunderte dauern. Die Keimruhe wird unterbrochen, sobald die Bedingungen für das Wachstum günstig sind, und der Samen beginnt zu sprießen, ein Vorgang, der als Keimung bezeichnet wird. Imbibition ist der erste Schritt bei der Keimung, wobei Wasser vom Samen aufgenommen wird. Sobald Wasser absorbiert wird, unterliegt der Samen metabolischen Veränderungen, wodurch Enzyme aktiviert und RNA und Proteine ​​​​synthetisiert werden. Sobald der Samen keimt, erhält er Kohlenhydrate, Aminosäuren und kleine Lipide, die als Bausteine ​​für seine Entwicklung dienen. Diese Monomere werden aus der Hydrolyse von Stärke, Proteinen und Lipiden gewonnen, die entweder in den Keimblättern oder im Endosperm gespeichert sind. Die Keimung ist abgeschlossen, sobald embryonale Wurzeln, die Keimwurzeln genannt werden, aus der Samenschale hervorgegangen sind. Zu diesem Zeitpunkt wird die sich entwickelnde Pflanze als Sämling bezeichnet und ihr Wachstum wird durch ihre eigenen Photorezeptorproteine ​​und Hormone reguliert. [186]

Im Gegensatz zu Tieren, bei denen das Wachstum determiniert ist, d. h. aufhört, wenn der erwachsene Zustand erreicht ist, ist das Pflanzenwachstum unbestimmt, da es ein Prozess mit offenem Ende ist, der möglicherweise lebenslang dauern kann. [184] Pflanzen wachsen auf zwei Arten: primär und sekundär. Beim Primärwachstum werden die Triebe und Wurzeln gebildet und verlängert. Das Apikalmeristem produziert den primären Pflanzenkörper, der in allen Samenpflanzen zu finden ist. Während des sekundären Wachstums nimmt die Dicke der Pflanze zu, da das seitliche Meristem den sekundären Pflanzenkörper produziert, der in verholzenden Eudikotylen wie Bäumen und Sträuchern zu finden ist. Monokotyledonen durchlaufen kein Sekundärwachstum. [184] Der Pflanzenkörper wird durch eine Hierarchie von Meristemen erzeugt. Aus den apikalen Meristemen im Wurzel- und Sprosssystem entstehen primäre Meristeme (Protoderm, Grundmeristem und Prokambium), aus denen wiederum die drei Gewebesysteme (dermal, gemahlen und vaskulär) entstehen.

Pflanzenvermehrung

Die meisten Angiospermen (oder Blütenpflanzen) betreiben sexuelle Fortpflanzung. [187] Ihre Blüten sind Organe, die die Fortpflanzung erleichtern, normalerweise indem sie einen Mechanismus für die Vereinigung von Spermien mit Eiern bereitstellen. Blumen können zwei Arten der Bestäubung erleichtern: Selbstbestäubung und Fremdbestäubung. Selbstbestäubung tritt auf, wenn der Pollen aus der Anthere auf der Narbe derselben Blüte oder einer anderen Blüte derselben Pflanze abgelagert wird. Fremdbestäubung ist die Übertragung von Pollen von der Anthere einer Blüte auf die Narbe einer anderen Blüte bei einem anderen Individuum derselben Art. Selbstbestäubung findet bei Blüten statt, bei denen Staubblatt und Fruchtblatt gleichzeitig reifen und so positioniert sind, dass der Pollen auf der Narbe der Blüte landen kann. Diese Bestäubung erfordert keine Investition der Pflanze, um Nektar und Pollen als Nahrung für Bestäuber bereitzustellen. [188]

Pflanzenreaktionen

Wie Tiere produzieren Pflanzen Hormone in einem Teil ihres Körpers, um Zellen in einem anderen Teil zu signalisieren, zu reagieren. Die Fruchtreife und der Blattverlust im Winter werden teilweise durch die Produktion des Gases Ethylen durch die Pflanze gesteuert. Stress durch Wasserverlust, Veränderungen der Luftchemie oder Verdrängung durch andere Pflanzen kann zu Veränderungen in der Funktionsweise einer Pflanze führen. Diese Veränderungen können durch genetische, chemische und physikalische Faktoren beeinflusst werden.

Um zu funktionieren und zu überleben, produzieren Pflanzen eine Vielzahl chemischer Verbindungen, die in anderen Organismen nicht vorkommen. Da sie sich nicht bewegen können, müssen sich Pflanzen auch chemisch gegen Pflanzenfresser, Krankheitserreger und Konkurrenz durch andere Pflanzen wehren. Sie tun dies, indem sie Giftstoffe und übel schmeckende oder riechende Chemikalien produzieren. Andere Verbindungen schützen Pflanzen gegen Krankheiten, ermöglichen das Überleben bei Dürre und bereiten Pflanzen auf die Ruhe vor, während andere Verbindungen verwendet werden, um Bestäuber oder Pflanzenfresser anzulocken, um reife Samen zu verbreiten.

Viele Pflanzenorgane enthalten verschiedene Arten von Photorezeptorproteinen, die jeweils sehr spezifisch auf bestimmte Lichtwellenlängen reagieren. [189] Die Photorezeptorproteine ​​übermitteln Informationen wie Tag oder Nacht, Tagesdauer, verfügbare Lichtintensität und Lichtquelle. Triebe wachsen im Allgemeinen in Richtung Licht, während Wurzeln davon weg wachsen, Reaktionen, die als Phototropismus bzw. Skototropismus bekannt sind. Sie werden durch lichtempfindliche Pigmente wie Phototropine und Phytochrome und das Pflanzenhormon Auxin hervorgerufen. [190] Viele Blütenpflanzen blühen aufgrund lichtempfindlicher Verbindungen, die auf die Länge der Nacht reagieren, zur richtigen Zeit, ein Phänomen, das als Photoperiodismus bekannt ist.

Neben Licht können Pflanzen auf andere Arten von Reizen reagieren. Pflanzen können zum Beispiel die Richtung der Schwerkraft wahrnehmen, um sich richtig zu orientieren. Sie können auf mechanische Stimulation reagieren. [191]

Tierform und Funktion

Grundsätze

Die Zellen in jedem Tierkörper werden in interstitielle Flüssigkeit gebadet, die die Umgebung der Zelle ausmacht. Diese Flüssigkeit und alle ihre Eigenschaften (z. B. Temperatur, Ionenzusammensetzung) können als die innere Umgebung des Tieres beschrieben werden, die im Gegensatz zu der äußeren Umgebung steht, die die äußere Welt des Tieres umfasst. [192] Tiere können entweder als Regulatoren oder als Konformere klassifiziert werden. Tiere wie Säugetiere und Vögel sind Regulatoren, da sie in der Lage sind, eine konstante innere Umgebung wie die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, obwohl sich ihre Umgebung ändert. Diese Tiere werden auch als Homöotherme bezeichnet, da sie eine Thermoregulation zeigen, indem sie ihre innere Körpertemperatur konstant halten. Im Gegensatz dazu sind Tiere wie Fische und Frösche Konformer, da sie ihre innere Umgebung (z. B. Körpertemperatur) an ihre äußere Umgebung anpassen. Diese Tiere werden auch als Poikilothermen oder Ektothermen bezeichnet, da sie ihre Körpertemperatur an ihre äußere Umgebung anpassen lassen. In Bezug auf Energie ist Regulierung teurer als Konformität, da ein Tier mehr Energie aufwendet, um eine konstante innere Umgebung aufrechtzuerhalten, wie zum Beispiel seinen Grundumsatz, die Rate des Energieverbrauchs, zu erhöhen. [192] In ähnlicher Weise ist die Homöothermie teurer als die Poikilothermie. Homöostase ist die Stabilität der inneren Umgebung eines Tieres, die durch negative Rückkopplungsschleifen aufrechterhalten wird. [192] [193]

Die Körpergröße von Landtieren variiert zwischen verschiedenen Arten, aber ihr Energieverbrauch skaliert nicht linear entsprechend ihrer Größe. [192] Mäuse beispielsweise können im Verhältnis zu ihrem Gewicht dreimal mehr Nahrung aufnehmen als Kaninchen, da der Grundumsatz pro Gewichtseinheit bei Mäusen höher ist als bei Kaninchen. [192] Körperliche Aktivität kann auch die Stoffwechselrate eines Tieres erhöhen. Wenn ein Tier rennt, erhöht sich seine Stoffwechselrate linear mit der Geschwindigkeit.[192] Bei schwimmenden oder fliegenden Tieren ist die Beziehung jedoch nicht linear. Wenn ein Fisch schneller schwimmt, stößt er auf einen größeren Wasserwiderstand und so steigt seine Stoffwechselrate exponentiell. [192] Alternativ ist das Verhältnis von Fluggeschwindigkeit und Stoffwechselrate bei Vögeln U-förmig. [192] Bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten muss ein Vogel eine hohe Stoffwechselrate aufrechterhalten, um in der Luft zu bleiben. Wenn es seinen Flug beschleunigt, verringert sich sein Stoffwechsel mit Hilfe von Luft, die schnell über seine Flügel strömt. Mit weiter steigender Geschwindigkeit steigen jedoch seine hohen Stoffwechselraten aufgrund der erhöhten Anstrengung, die mit hohen Fluggeschwindigkeiten verbunden ist, wieder an. Der Grundumsatz kann basierend auf der Wärmeproduktionsrate eines Tieres gemessen werden.

Wasser- und Salzhaushalt

Die Körperflüssigkeiten eines Tieres haben drei Eigenschaften: osmotischer Druck, Ionenzusammensetzung und Volumen. [194] Osmotische Drücke bestimmen die Richtung der Diffusion von Wasser (oder Osmose), die sich von einem Bereich mit niedrigem osmotischen Druck (Gesamtkonzentration des gelösten Stoffes) zu einem Bereich mit hohem osmotischen Druck (Gesamtkonzentration des gelösten Stoffes) bewegt. Wassertiere sind in Bezug auf ihre Körperflüssigkeitszusammensetzung und ihre Umgebung vielfältig. Zum Beispiel haben die meisten wirbellosen Tiere im Ozean Körperflüssigkeiten, die mit Meerwasser isosmotisch sind. Im Gegensatz dazu haben Meeresknochenfische Körperflüssigkeiten, die für Meerwasser hyposmotisch sind. Schließlich haben Süßwassertiere Körperflüssigkeiten, die gegenüber Süßwasser hyperosmotisch sind. Typische Ionen, die in den Körperflüssigkeiten eines Tieres gefunden werden können, sind Natrium, Kalium, Kalzium und Chlorid. Das Volumen der Körperflüssigkeiten kann durch Ausscheidung reguliert werden. Wirbeltiere haben Nieren, die Ausscheidungsorgane sind, die aus winzigen röhrenförmigen Strukturen, den sogenannten Nephronen, bestehen, die Urin aus Blutplasma herstellen. Die Hauptfunktion der Nieren besteht darin, die Zusammensetzung und das Volumen des Blutplasmas zu regulieren, indem sie selektiv Material aus dem Blutplasma selbst entfernen. Die Fähigkeit von xerischen Tieren wie Känguru-Ratten, den Wasserverlust zu minimieren, indem sie Urin produzieren, der 10-20 mal konzentrierter ist als ihr Blutplasma, ermöglicht es ihnen, sich an Wüstenumgebungen anzupassen, die sehr wenig Niederschlag erhalten. [194]

Ernährung und Verdauung

Tiere sind heterotroph, da sie sich von anderen lebenden Organismen ernähren, um Energie und organische Verbindungen zu gewinnen. [195] Sie sind in der Lage, Nahrung auf drei Arten zu beschaffen, z. B. durch gezieltes Anvisieren von sichtbaren Nahrungsgegenständen, Sammeln winziger Nahrungspartikel oder abhängig von Mikroben für den kritischen Nahrungsbedarf. Die in Lebensmitteln gespeicherte Energiemenge kann anhand der Wärmemenge (gemessen in Kalorien oder Kilojoule) quantifiziert werden, wenn die Lebensmittel in Gegenwart von Sauerstoff verbrannt werden. Wenn ein Tier Nahrung zu sich nimmt, die eine übermäßige Menge an chemischer Energie enthält, speichert es den größten Teil dieser Energie in Form von Lipiden für den zukünftigen Gebrauch und einen Teil dieser Energie als Glykogen für den unmittelbaren Gebrauch (z. B. um den Energiebedarf des Gehirns zu decken) ). [195] Die Moleküle in Lebensmitteln sind chemische Bausteine, die für Wachstum und Entwicklung benötigt werden. Zu diesen Molekülen gehören Nährstoffe wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Vitamine und Mineralstoffe (z. B. Kalzium, Magnesium, Natrium und Phosphor) sind ebenfalls wichtig. Das Verdauungssystem, das typischerweise aus einem röhrenförmigen Trakt besteht, der sich vom Mund bis zum Anus erstreckt, ist an der Aufspaltung (oder Verdauung) der Nahrung in kleine Moleküle beteiligt, während sie kurz nach der Einnahme peristaltisch durch das Darmlumen wandert. Diese kleinen Nahrungsmoleküle werden dann aus dem Lumen in das Blut aufgenommen, wo sie dann als Bausteine ​​(z. B. Aminosäuren) oder Energiequellen (z. B. Glukose) an den Rest des Körpers verteilt werden. [195]

Neben ihrem Verdauungstrakt haben Wirbeltiere akzessorische Drüsen wie Leber und Bauchspeicheldrüse als Teil ihres Verdauungssystems. [195] Die Verarbeitung der Nahrung bei diesen Tieren beginnt im Vorderdarm, der Mund, Speiseröhre und Magen umfasst. Die mechanische Verdauung der Nahrung beginnt im Mund, wobei die Speiseröhre als Durchgang für die Nahrung in den Magen dient, wo sie gespeichert und (durch die Magensäure) für die weitere Verarbeitung aufgeschlossen wird. Beim Verlassen des Magens gelangt die Nahrung in den Mitteldarm, den ersten Teil des Darms (oder Dünndarm bei Säugetieren) und der Hauptort der Verdauung und Absorption. Nahrung, die nicht resorbiert wird, wird als unverdaulicher Abfall (oder Kot) im Enddarm gespeichert, dem zweiten Teil des Darms (oder Dickdarm bei Säugetieren). Der Hinterdarm vervollständigt dann die Rückresorption von benötigtem Wasser und Salz, bevor der Kot aus dem Rektum entfernt wird. [195]

Atmung

Das Atmungssystem besteht aus bestimmten Organen und Strukturen, die dem Gasaustausch bei Tieren und Pflanzen dienen. Die Anatomie und Physiologie, die dies ermöglicht, variiert stark, abhängig von der Größe des Organismus, der Umgebung, in der er lebt, und seiner Evolutionsgeschichte. Bei Landtieren ist die Atmungsoberfläche als Auskleidung der Lunge verinnerlicht. [196] Der Gasaustausch in der Lunge findet in Millionen kleiner Luftsäcke statt, bei Säugetieren und Reptilien werden diese Alveolen genannt, bei Vögeln werden sie als Vorhöfe bezeichnet. Diese mikroskopisch kleinen Luftsäcke haben eine sehr reichhaltige Blutversorgung und bringen die Luft so in engen Kontakt mit dem Blut. [197] Diese Luftsäcke kommunizieren mit der äußeren Umgebung über ein System von Atemwegen oder hohlen Röhren, von denen der größte die Trachea ist, die sich in der Mitte des Brustkorbs in die beiden Hauptbronchien verzweigt. Diese gelangen in die Lunge, wo sie sich in immer enger werdende Sekundär- und Tertiärbronchien verzweigen, die sich in zahlreiche kleinere Röhren, die Bronchiolen, verzweigen. Bei Vögeln werden die Bronchiolen als Parabronchien bezeichnet. Es sind die Bronchiolen oder Parabronchien, die bei Säugetieren im Allgemeinen in die mikroskopischen Alveolen und bei Vögeln in die Vorhöfe münden. Durch den Vorgang der Atmung, an dem die Atemmuskulatur beteiligt ist, muss Luft aus der Umgebung in die Alveolen oder Vorhöfe gepumpt werden.

Verkehr

Ein Kreislaufsystem besteht normalerweise aus einer Muskelpumpe wie einem Herzen, einer Flüssigkeit (Blut) und einem System von Blutgefäßen, die es liefern. [198] [199] Seine Hauptfunktion besteht darin, Blut und andere Substanzen zu und von Zellen (Biologie) und Geweben zu transportieren. Es gibt zwei Arten von Kreislaufsystemen: offene und geschlossene. In offenen Kreislaufsystemen verlässt Blut die Blutgefäße, während es durch den Körper zirkuliert, während in einem geschlossenen Kreislaufsystem Blut in den Blutgefäßen enthalten ist, während es zirkuliert. Offene Kreislaufsysteme können bei wirbellosen Tieren wie Arthropoden (z. B. Insekten, Spinnen und Hummer) beobachtet werden, während geschlossene Kreislaufsysteme bei Wirbeltieren wie Fischen, Amphibien und Säugetieren zu finden sind. Die Zirkulation bei Tieren findet zwischen zwei Arten von Geweben statt: systemischen Geweben und Atmungs- (oder Lungen-) Organen. [198] Systemische Gewebe sind alle Gewebe und Organe, aus denen der Körper eines Tieres besteht, außer den Atmungsorganen. Systemisches Gewebe nimmt Sauerstoff auf, fügt dem Blut jedoch Kohlendioxid zu, während ein Atmungsorgan Kohlendioxid aufnimmt, aber dem Blut Sauerstoff zuführt. [200] Bei Vögeln und Säugetieren sind das systemische und das pulmonale System in Reihe geschaltet.

Im Kreislaufsystem ist Blut wichtig, weil es das Mittel ist, durch das Sauerstoff, Kohlendioxid, Nährstoffe, Hormone, Mittel des Immunsystems, Wärme, Abfall und andere Güter transportiert werden. [198] Bei Ringelwürmern wie Regenwürmern und Blutegeln wird das Blut durch peristaltische Kontraktionswellen der Herzmuskeln, aus denen die Blutgefäße bestehen, gefördert. Andere Tiere wie Krebstiere (z. B. Krebse und Hummer) haben mehr als ein Herz, um Blut durch ihren Körper zu treiben. Wirbelherzen sind mehrkammerig und können Blut pumpen, wenn sich ihre Ventrikel bei jedem Herzzyklus zusammenziehen, wodurch das Blut durch die Blutgefäße gefördert wird. [198] Obwohl Wirbeltierherzen myogen sind, kann ihre Kontraktionsrate (oder Herzfrequenz) durch neuralen Input vom autonomen Nervensystem des Körpers moduliert werden.

Muskel und Bewegung

Bei Wirbeltieren besteht die Muskulatur aus Skelett-, glatter und Herzmuskulatur. Es ermöglicht die Bewegung des Körpers, hält die Körperhaltung aufrecht und lässt das Blut durch den Körper zirkulieren. [201] Zusammen mit dem Skelettsystem bildet es den Bewegungsapparat, der für die Bewegung von Wirbeltieren verantwortlich ist. [202] Skelettmuskelkontraktionen sind neurogen, da sie synaptischen Input von Motoneuronen erfordern. Ein einzelnes Motoneuron ist in der Lage, mehrere Muskelfasern zu innervieren, wodurch sich die Fasern gleichzeitig zusammenziehen. Sobald sie innerviert sind, gleiten die Proteinfilamente innerhalb jeder Skelettmuskelfaser aneinander vorbei, um eine Kontraktion zu erzeugen, die durch die Theorie der gleitenden Filamente erklärt wird. Die erzeugte Kontraktion kann je nach Häufigkeit der Aktionspotentiale als Zucken, Summation oder Tetanus beschrieben werden. Im Gegensatz zu Skelettmuskeln sind Kontraktionen der glatten und Herzmuskeln myogen, da sie von den glatten oder Herzmuskelzellen selbst statt von einem Motoneuron initiiert werden. Dennoch kann die Stärke ihrer Kontraktionen durch Eingaben des autonomen Nervensystems moduliert werden. Die Kontraktionsmechanismen sind in allen drei Muskelgeweben ähnlich.

Bei Wirbellosen wie Regenwürmern und Blutegeln bilden Ring- und Längsmuskelzellen die Körperwand dieser Tiere und sind für deren Bewegung verantwortlich. [203] Bei einem Regenwurm, der sich beispielsweise durch einen Boden bewegt, treten wechselseitig Kontraktionen von Ring- und Längsmuskeln auf, während die Zölomflüssigkeit als Hydroskelett dient, indem es die Turgidität des Regenwurms aufrechterhält. [204] Andere Tiere wie Mollusken und Nematoden besitzen schräg gestreifte Muskeln, die Bänder aus dicken und dünnen Filamenten enthalten, die eher schraubenförmig als quer angeordnet sind, wie in der Skelett- oder Herzmuskulatur von Wirbeltieren. [205] Fortgeschrittene Insekten wie Wespen, Fliegen, Bienen und Käfer besitzen asynchrone Muskeln, die die Flugmuskeln dieser Tiere bilden. [205] Diese Flugmuskeln werden oft als fibrilläre Muskeln weil sie Myofibrillen enthalten, die dick und auffällig sind. [206]

Nervöses System

Das Nervensystem ist ein Netzwerk von Zellen, das sensorische Informationen verarbeitet und Verhaltensweisen erzeugt. Auf zellulärer Ebene wird das Nervensystem durch das Vorhandensein von Neuronen definiert, das sind Zellen, die darauf spezialisiert sind, Informationen zu verarbeiten. [208] Sie können Informationen an Kontaktstellen, den sogenannten Synapsen, übertragen oder empfangen. [208] Genauer gesagt können Neuronen Nervenimpulse (oder Aktionspotentiale) leiten, die entlang ihrer dünnen Fasern, den sogenannten Axonen, wandern, die dann über elektrische Synapsen direkt an eine benachbarte Zelle übertragen werden können oder Chemikalien, die Neurotransmitter genannt werden, an chemischen Synapsen freisetzen. Nach der Natriumtheorie können diese Aktionspotentiale durch die erhöhte Durchlässigkeit der Zellmembran des Neurons für Natriumionen erzeugt werden. [209] Zellen wie Neuronen oder Muskelzellen können beim Empfang eines Signals von einem anderen Neuron erregt oder gehemmt werden. Die Verbindungen zwischen Neuronen können neuronale Pfade, neuronale Schaltkreise und größere Netzwerke bilden, die die Wahrnehmung der Welt durch einen Organismus erzeugen und sein Verhalten bestimmen. Zusammen mit Neuronen enthält das Nervensystem andere spezialisierte Zellen, die Glia- oder Gliazellen genannt werden, die strukturelle und metabolische Unterstützung bieten.

Nervensysteme kommen bei den meisten vielzelligen Tieren vor, variieren jedoch stark in ihrer Komplexität. [210] Bei Wirbeltieren besteht das Nervensystem aus dem Zentralnervensystem (ZNS), das Gehirn und Rückenmark umfasst, und dem peripheren Nervensystem (PNS), das aus Nerven besteht, die das ZNS mit jedem anderen Teil des Gehirns verbinden Karosserie. Nerven, die Signale vom ZNS übertragen, werden als motorische Nerven oder efferente Nerven bezeichnet, während diejenigen Nerven, die Informationen vom Körper an das ZNS übermitteln, als sensorische Nerven oder afferente Nerven bezeichnet werden. Spinalnerven sind gemischte Nerven, die beide Funktionen erfüllen. Das PNS ist in drei separate Subsysteme unterteilt, das somatische, das autonome und das enterische Nervensystem. Somatische Nerven vermitteln willkürliche Bewegungen. Das autonome Nervensystem wird weiter in das sympathische und das parasympathische Nervensystem unterteilt. Der Sympathikus wird in Notfällen aktiviert, um Energie zu mobilisieren, während der Parasympathikus aktiviert wird, wenn sich Organismen in einem entspannten Zustand befinden. Das enterische Nervensystem dient der Kontrolle des Magen-Darm-Systems. Sowohl das autonome als auch das enterische Nervensystem funktionieren unwillkürlich. Nerven, die direkt aus dem Gehirn austreten, werden als Hirnnerven bezeichnet, während diejenigen, die aus dem Rückenmark austreten, als Spinalnerven bezeichnet werden.

Viele Tiere haben Sinnesorgane, die ihre Umgebung wahrnehmen können. Diese Sinnesorgane enthalten sensorische Rezeptoren, bei denen es sich um sensorische Neuronen handelt, die Reize in elektrische Signale umwandeln. [211] Mechanorezeptoren zum Beispiel, die in Haut, Muskeln und Hörorganen zu finden sind, erzeugen als Reaktion auf Druckänderungen Aktionspotentiale. [211] [212] Photorezeptorzellen wie Stäbchen und Zapfen, die Teil der Netzhaut von Wirbeltieren sind, können auf bestimmte Lichtwellenlängen reagieren. [211] [212] Chemorezeptoren erkennen Chemikalien im Mund (Geschmack) oder in der Luft (Geruch). [212]

Hormonelle Kontrolle

Hormone sind Signalmoleküle, die im Blut zu entfernten Organen transportiert werden, um deren Funktion zu regulieren. [213] [214] Hormone werden von inneren Drüsen sezerniert, die Teil des endokrinen Systems eines Tieres sind. Bei Wirbeltieren ist der Hypothalamus das neurale Kontrollzentrum für alle endokrinen Systeme. Insbesondere beim Menschen sind die wichtigsten endokrinen Drüsen die Schilddrüse und die Nebennieren. Viele andere Organe, die Teil anderer Körpersysteme sind, haben sekundäre endokrine Funktionen, einschließlich Knochen, Nieren, Leber, Herz und Gonaden. Zum Beispiel sezernieren die Nieren das endokrine Hormon Erythropoietin. Hormone können Aminosäurekomplexe, Steroide, Eicosanoide, Leukotriene oder Prostaglandine sein. [215] Das endokrine System kann sowohl exokrinen Drüsen, die Hormone nach außen sezernieren, als auch der parakrinen Signalübertragung zwischen Zellen über eine relativ kurze Distanz gegenübergestellt werden. Endokrine Drüsen haben keine Kanäle, sind vaskulär und haben gewöhnlich intrazelluläre Vakuolen oder Granula, die ihre Hormone speichern. Im Gegensatz dazu neigen exokrine Drüsen, wie Speicheldrüsen, Schweißdrüsen und Drüsen im Magen-Darm-Trakt, dazu, viel weniger vaskulär zu sein und Gänge oder ein hohles Lumen zu haben.

Tierreproduktion

Tiere können sich auf zwei Arten fortpflanzen: asexuell und sexuell. Fast alle Tiere betreiben eine Form der sexuellen Fortpflanzung. [216] Sie produzieren durch Meiose haploide Gameten. Die kleineren, beweglichen Gameten sind Spermatozoen und die größeren, nicht beweglichen Gameten sind Eizellen. [217] Diese verschmelzen zu Zygoten, [218] die sich durch Mitose zu einer Hohlkugel entwickeln, die als Blastula bezeichnet wird. In Schwämmen schwimmen Blastula-Larven an einen neuen Ort, heften sich an den Meeresboden und entwickeln sich zu einem neuen Schwamm. [219] In den meisten anderen Gruppen erfährt die Blastula eine kompliziertere Umordnung. [220] Es stülpt sich zunächst ein und bildet eine Gastrula mit einer Verdauungskammer und zwei getrennten Keimblättern, einem äußeren Ektoderm und einem inneren Endoderm. [221] Dazwischen entwickelt sich meist auch eine dritte Keimschicht, das Mesoderm. [222] Diese Keimblätter differenzieren sich dann zu Geweben und Organen. [223] Einige Tiere sind zur asexuellen Fortpflanzung fähig, was oft zu einem genetischen Klon des Elternteils führt. Dies kann durch Fragmentierungsknospen geschehen, wie z Hydra und andere Nesseltiere oder Parthenogenese, bei denen befruchtete Eier ohne Paarung produziert werden, wie bei Blattläusen. [224] [225]

Tierentwicklung

Die Entwicklung der Tiere beginnt mit der Bildung einer Zygote, die aus der Verschmelzung eines Spermiums und einer Eizelle während der Befruchtung resultiert. [226] Die Zygote durchläuft eine schnelle, mehrfache mitotische Zellteilung, die als Spaltung bezeichnet wird, die eine Kugel ähnlicher Zellen bildet, die als Blastula bezeichnet wird. Gastrulation tritt auf, wobei morphogenetische Bewegungen die Zellmasse in drei Keimblätter umwandeln, die aus Ektoderm, Mesoderm und Endoderm bestehen.

Das Ende der Gastrulation signalisiert den Beginn der Organogenese, wobei die drei Keimblätter die inneren Organe des Organismus bilden. [227] Die Zellen jeder der drei Keimblätter durchlaufen eine Differenzierung, ein Prozess, bei dem weniger spezialisierte Zellen durch die Expression eines bestimmten Satzes von Genen stärker spezialisiert werden. Die zelluläre Differenzierung wird durch extrazelluläre Signale wie Wachstumsfaktoren beeinflusst, die an benachbarte Zellen, die als juxtracrine Signaling bezeichnet werden, oder über kurze Distanzen an benachbarte Zellen, die als parakrine Signaling bezeichnet werden, ausgetauscht werden. [228] [229] Intrazelluläre Signale bestehen aus einer Zellsignalisierung selbst (autokrine Signalisierung), spielen auch eine Rolle bei der Organbildung. Diese Signalwege ermöglichen die Neuordnung der Zellen und sorgen dafür, dass sich Organe an bestimmten Stellen im Organismus bilden. [227] [230]

Immunsystem

Das Immunsystem ist ein Netzwerk biologischer Prozesse, das eine Vielzahl von Krankheitserregern erkennt und darauf reagiert. Viele Arten haben zwei Hauptsubsysteme des Immunsystems. Das angeborene Immunsystem bietet eine vorkonfigurierte Reaktion auf breite Gruppen von Situationen und Reizen. Das adaptive Immunsystem bietet eine maßgeschneiderte Reaktion auf jeden Reiz, indem es lernt, Moleküle zu erkennen, denen es zuvor begegnet ist. Beide verwenden Moleküle und Zellen, um ihre Funktionen zu erfüllen.

Fast alle Organismen haben eine Art Immunsystem. Bakterien haben ein rudimentäres Immunsystem in Form von Enzymen, die vor Virusinfektionen schützen. Andere grundlegende Immunmechanismen haben sich in alten Pflanzen und Tieren entwickelt und bleiben bei ihren modernen Nachkommen. Zu diesen Mechanismen gehören die Phagozytose, antimikrobielle Peptide, die Defensine genannt werden, und das Komplementsystem. Kieferwirbeltiere, einschließlich des Menschen, verfügen über noch ausgeklügeltere Abwehrmechanismen, einschließlich der Fähigkeit, sich anzupassen, um Krankheitserreger effizienter zu erkennen. Adaptive (oder erworbene) Immunität erzeugt ein immunologisches Gedächtnis, das zu einer verstärkten Reaktion auf nachfolgende Begegnungen mit demselben Pathogen führt. Dieser Prozess der erworbenen Immunität ist die Grundlage der Impfung.

Tierverhalten

Verhaltensweisen spielen eine zentrale Rolle in der Interaktion der Tiere untereinander und mit ihrer Umwelt. [231] Sie sind in der Lage, ihre Muskeln zu benutzen, um sich einander zu nähern, zu vokalisieren, Schutz zu suchen und zu wandern. Das Nervensystem eines Tieres aktiviert und koordiniert seine Verhaltensweisen. Feste Handlungsmuster sind beispielsweise genetisch bedingte und stereotype Verhaltensweisen, die ohne Lernen auftreten.[231] [232] Diese Verhaltensweisen unterliegen der Kontrolle des Nervensystems und können sehr aufwendig sein. [231] Beispiele sind das Picken von Seetangmöwenküken am roten Punkt am Schnabel ihrer Mutter. Andere Verhaltensweisen, die als Ergebnis der natürlichen Selektion entstanden sind, sind Nahrungssuche, Paarung und Altruismus. [233] Zusätzlich zu weiterentwickeltem Verhalten haben Tiere die Fähigkeit zum Lernen entwickelt, indem sie ihr Verhalten als Ergebnis früher individueller Erfahrungen ändern. [231]

Ökologie

Ökosysteme

Ökologie ist das Studium der Verbreitung und Fülle lebender Organismen, der Interaktion zwischen ihnen und ihrer Umwelt. [234] Die Gemeinschaft lebender (biotischer) Organismen in Verbindung mit den nicht lebenden (abiotischen) Komponenten (z. B. Wasser, Licht, Strahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Atmosphäre, Säure und Boden) ihrer Umgebung wird als Ökosystem bezeichnet. [235] [236] [237] Diese biotischen und abiotischen Komponenten sind durch Nährstoffkreisläufe und Energieflüsse miteinander verbunden. [238] Sonnenenergie gelangt durch Photosynthese in das System und wird in Pflanzengewebe eingebaut. Indem sie sich von Pflanzen und einander ernähren, spielen Tiere eine wichtige Rolle bei der Bewegung von Materie und Energie durch das System. Sie beeinflussen auch die Menge der vorhandenen pflanzlichen und mikrobiellen Biomasse. Durch den Abbau von toter organischer Substanz geben Zersetzer Kohlenstoff zurück an die Atmosphäre und erleichtern den Nährstoffkreislauf, indem sie in toter Biomasse gespeicherte Nährstoffe wieder in eine Form umwandeln, die von Pflanzen und anderen Mikroben leicht verwendet werden kann. [239]

Die physische Umwelt der Erde wird durch Sonnenenergie und Topographie geprägt. [237] Die Menge der zugeführten Sonnenenergie variiert in Raum und Zeit aufgrund der Kugelform der Erde und ihrer axialen Neigung. Die Variation des Solarenergieeintrags beeinflusst Wetter- und Klimamuster. Wetter ist die tägliche Temperatur- und Niederschlagsaktivität, während das Klima der langfristige Durchschnitt des Wetters ist, der typischerweise über einen Zeitraum von 30 Jahren gemittelt wird. [240] [241] Variationen in der Topographie erzeugen auch Umweltheterogenität. Auf der Luvseite eines Berges beispielsweise steigt Luft auf und kühlt sich ab, wobei Wasser von gasförmig in flüssig oder fest übergeht, was zu Niederschlag wie Regen oder Schnee führt. [237] Infolgedessen ermöglichen feuchte Umgebungen das Wachstum einer üppigen Vegetation. Im Gegensatz dazu sind die Bedingungen auf der Leeseite eines Berges aufgrund des Mangels an Niederschlag, wenn die Luft absinkt und sich erwärmt, tendenziell trocken und Feuchtigkeit bleibt als Wasserdampf in der Atmosphäre. Temperatur und Niederschlag sind die Hauptfaktoren, die terrestrische Biome prägen.

Bevölkerungen

Eine Population ist die Anzahl von Organismen derselben Art, die ein Gebiet besetzen und sich von Generation zu Generation vermehren. [242] [243] [244] [245] [246] Seine Häufigkeit kann anhand der Populationsdichte gemessen werden, d. h. der Anzahl der Individuen pro Flächeneinheit (z. B. Land oder Baum) oder Volumen (z. B. Meer oder Luft). [242] Da es normalerweise unpraktisch ist, jedes Individuum innerhalb einer großen Population zu zählen, um ihre Größe zu bestimmen, kann die Populationsgröße durch Multiplizieren der Populationsdichte mit der Fläche oder dem Volumen geschätzt werden. Das Bevölkerungswachstum in kurzfristigen Intervallen kann mithilfe der Gleichung für die Bevölkerungswachstumsrate bestimmt werden, die Geburten-, Sterbe- und Einwanderungsraten berücksichtigt. Längerfristig verlangsamt sich das exponentielle Wachstum einer Bevölkerung tendenziell, wenn sie ihre Tragfähigkeit erreicht, die mit der logistischen Gleichung modelliert werden kann. [243] Die Tragfähigkeit einer Umgebung ist die maximale Populationsgröße einer Art, die von dieser spezifischen Umgebung erhalten werden kann, angesichts der verfügbaren Nahrung, des Lebensraums, des Wassers und anderer Ressourcen. [247] Die Tragfähigkeit einer Population kann durch sich ändernde Umweltbedingungen, wie z. B. Änderungen der Verfügbarkeit von Ressourcen und der Kosten für deren Erhaltung, beeinflusst werden. In der menschlichen Bevölkerung haben neue Technologien wie die Grüne Revolution dazu beigetragen, die Tragfähigkeit der Erde für den Menschen im Laufe der Zeit zu erhöhen, was die versuchten Vorhersagen eines bevorstehenden Bevölkerungsrückgangs verhindert hat, die von Thomas Malthus im 18. Jahrhundert berühmt wurden. [242]

Gemeinschaften

Eine Gemeinschaft ist eine Gruppe von Populationen von zwei oder mehr verschiedenen Arten, die gleichzeitig dasselbe geografische Gebiet bewohnen. Eine biologische Interaktion ist die Wirkung, die ein Paar von Organismen, die in einer Gemeinschaft zusammenleben, aufeinander ausübt. Sie können entweder derselben Spezies angehören (intraspezifische Interaktionen) oder unterschiedlichen Spezies (interspezifische Interaktionen) angehören. Diese Effekte können kurzfristig sein, wie Bestäubung und Prädation, oder langfristig, beide beeinflussen oft stark die Evolution der beteiligten Arten. Eine langfristige Interaktion wird als Symbiose bezeichnet. Symbiosen reichen von Gegenseitigkeit, die für beide Partner von Vorteil ist, bis hin zu Konkurrenz, die für beide Partner schädlich ist. [249]

Jede Art nimmt als Konsument, Ressource oder beides an Konsum-Ressourcen-Interaktionen teil, die den Kern von Nahrungsketten oder Nahrungsnetzen bilden. [250] Es gibt verschiedene trophische Ebenen innerhalb jedes Nahrungsnetzes, wobei die niedrigste Ebene die Primärproduzenten (oder Autotrophen) wie Pflanzen und Algen sind, die Energie und anorganisches Material in organische Verbindungen umwandeln, die dann vom Rest der Gemeinschaft. [54] [251] [252] Auf der nächsten Ebene sind die Heterotrophen, das sind die Arten, die Energie gewinnen, indem sie organische Verbindungen von anderen Organismen abspalten. [250] Heterotrophe, die Pflanzen konsumieren, sind Primärkonsumenten (oder Pflanzenfresser), während Heterotrophe, die Pflanzenfresser konsumieren, Sekundärkonsumenten (oder Fleischfresser) sind. Und diejenigen, die Sekundärkonsumenten essen, sind Tertiärkonsumenten und so weiter. Omnivore Heterotrophe können auf mehreren Ebenen konsumieren. Schließlich gibt es Zersetzer, die sich von den Abfallprodukten oder toten Körpern von Organismen ernähren. [250]

Im Durchschnitt beträgt die Gesamtenergiemenge, die pro Zeiteinheit in die Biomasse einer trophischen Ebene eingebaut wird, etwa ein Zehntel der Energie der trophischen Ebene, die sie verbraucht. Abfall und totes Material, das von Zersetzern verwendet wird, sowie Wärme, die durch den Stoffwechsel verloren geht, machen die anderen neunzig Prozent der Energie aus, die nicht von der nächsten trophischen Ebene verbraucht wird. [253]

Biosphäre

Im globalen Ökosystem (oder Biosphäre) existiert Materie als verschiedene interagierende Kompartimente, die je nach Form und Lage biotisch oder abiotisch sowie zugänglich oder unzugänglich sein können. [255] Zum Beispiel ist Materie aus terrestrischen Autotrophen sowohl biotisch als auch für andere lebende Organismen zugänglich, während die Materie in Gesteinen und Mineralien abiotisch und für lebende Organismen unzugänglich ist. Ein biogeochemischer Kreislauf ist ein Weg, auf dem bestimmte Elemente der Materie umgedreht oder durch die biotischen (Biosphäre) und die abiotischen (Lithosphäre, Atmosphäre und Hydrosphäre) Kompartimente der Erde bewegt werden. Es gibt biogeochemische Kreisläufe für Stickstoff, Kohlenstoff und Wasser. In einigen Zyklen gibt es Stauseen wo ein Stoff über einen längeren Zeitraum zurückbleibt oder sequestriert wird.

Der Klimawandel umfasst sowohl die globale Erwärmung, die durch den vom Menschen verursachten Ausstoß von Treibhausgasen verursacht wird, als auch die daraus resultierenden großräumigen Verschiebungen der Wettermuster. Obwohl es frühere Perioden des Klimawandels gegeben hat, hat der Mensch seit Mitte des 20. Jahrhunderts einen beispiellosen Einfluss auf das Klimasystem der Erde und Veränderungen auf globaler Ebene verursacht. [256] Der größte Treiber der Erwärmung ist die Emission von Treibhausgasen, von denen mehr als 90 % Kohlendioxid und Methan sind. [257] Die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl und Erdgas) für den Energieverbrauch ist die Hauptquelle dieser Emissionen, mit zusätzlichen Beiträgen aus Landwirtschaft, Entwaldung und Produktion. [258] Der Temperaturanstieg wird durch Klimarückkopplungen beschleunigt oder gemildert, wie beispielsweise der Verlust von Sonnenlicht reflektierender Schnee- und Eisbedeckung, erhöhter Wasserdampf (selbst ein Treibhausgas) und Veränderungen der Kohlenstoffsenken an Land und in den Ozeanen.

Erhaltung

Naturschutzbiologie ist das Studium der Erhaltung der Biodiversität der Erde mit dem Ziel, Arten, ihre Lebensräume und Ökosysteme vor übermäßigen Aussterberaten und der Erosion biotischer Wechselwirkungen zu schützen. [259] [260] [261] Es befasst sich mit Faktoren, die die Erhaltung, den Verlust und die Wiederherstellung der Biodiversität beeinflussen, und die Wissenschaft der Aufrechterhaltung evolutionärer Prozesse, die genetische, Populations-, Arten- und Ökosystemvielfalt erzeugen. [262] [263] [264] [265] Die Besorgnis rührt von Schätzungen her, die darauf hindeuten, dass bis zu 50 % aller Arten auf dem Planeten innerhalb der nächsten 50 Jahre verschwinden werden, [266] was zu Armut, Hunger und Willensbildung beigetragen hat den Lauf der Evolution auf diesem Planeten zurücksetzen. [267] [268] Biodiversität beeinflusst das Funktionieren von Ökosystemen, die eine Vielzahl von Dienstleistungen erbringen, von denen die Menschen abhängig sind.

Naturschutzbiologen forschen und informieren über die Trends des Verlusts der biologischen Vielfalt, des Artensterbens und die negativen Auswirkungen, die diese auf unsere Fähigkeiten haben, das Wohlergehen der menschlichen Gesellschaft zu erhalten. Organisationen und Bürger reagieren auf die aktuelle Biodiversitätskrise mit Aktionsplänen für den Naturschutz, die Forschungs-, Überwachungs- und Bildungsprogramme lenken, die Bedenken auf lokaler bis globaler Ebene berücksichtigen. [269] [262] [263] [264]


1.3: Die Wissenschaft der Mikrobiologie - Biologie

Alle von MDPI veröffentlichten Artikel werden sofort weltweit unter einer Open-Access-Lizenz verfügbar gemacht. Für die Wiederverwendung des gesamten oder eines Teils des von MDPI veröffentlichten Artikels, einschließlich Abbildungen und Tabellen, ist keine besondere Genehmigung erforderlich. Bei Artikeln, die unter einer Open-Access-Creative Common CC BY-Lizenz veröffentlicht wurden, darf jeder Teil des Artikels ohne Genehmigung wiederverwendet werden, sofern der Originalartikel eindeutig zitiert wird.

Feature Papers stellen die fortschrittlichste Forschung mit erheblichem Potenzial für eine große Wirkung auf diesem Gebiet dar. Feature Papers werden auf individuelle Einladung oder Empfehlung der wissenschaftlichen Herausgeber eingereicht und vor der Veröffentlichung einem Peer Review unterzogen.

Das Feature Paper kann entweder ein origineller Forschungsartikel, eine umfangreiche neue Forschungsstudie sein, die oft mehrere Techniken oder Ansätze umfasst, oder ein umfassendes Übersichtspapier mit prägnanten und präzisen Updates zu den neuesten Fortschritten auf diesem Gebiet, das die aufregendsten Fortschritte in der Wissenschaft systematisch überprüft Literatur. Diese Art von Papier gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen oder mögliche Anwendungen.

Editor’s Choice-Artikel basieren auf Empfehlungen der wissenschaftlichen Herausgeber von MDPI-Zeitschriften aus der ganzen Welt. Die Herausgeber wählen eine kleine Anzahl von kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikeln aus, die ihrer Meinung nach für Autoren besonders interessant oder in diesem Bereich wichtig sind. Ziel ist es, eine Momentaufnahme einiger der spannendsten Arbeiten zu geben, die in den verschiedenen Forschungsbereichen der Zeitschrift veröffentlicht wurden.


METHODEN DER MIKROBIOLOGIE UND MOLEKULARBIOLOGIE

Methods of Microbiology and Molecular Biology (MMMB) ist ein Open-Access-Peer-Review-Journal, das Original-Forschungsartikel, Übersichtsartikel und klinische Studien zu Mikroorganismen und deren Interaktion mit Wirten und der Umwelt veröffentlicht. Die Zeitschrift deckt alle Mikroben ab, einschließlich Bakterien, Pilze, Viren, Archaeen und Protozoen oder eukaryotischer Natur. Mikroorganismen beeinflussen die Dynamik und Funktion jeder Nische, in der sie leben, sowohl wirtsbezogen als auch umweltbedingt.

Ziele und Umfang

Das MMMB lädt Wissenschaftler und Forscher ein, ihre Ergebnisse zur Veröffentlichung einzureichen, indem sie den neuesten Stand des Wissens darstellen. Das MMMB interessiert sich für alle Aspekte von Mikroorganismen und ihre Evolution, Physiologie und Zellbiologie, ihre Interaktionen untereinander, mit einem Wirt oder mit einer Umwelt oder ihre gesellschaftliche Bedeutung, Immunologie, Zell- und Computerbiologie einschließlich struktureller und funktioneller Genomik und Proteomik, Transkriptomik, Bioinformatik, Molekulare Enzymologie, Virologie und Molekulare Entwicklungsbiologie, Molekulare Evolution, Theoretische Grundlagen der Biotechnologie, Physik und Physikalische Chemie von Proteinen und Nukleinsäuren.

Der Umfang der Zeitschrift stellt sicher, dass die Forschungen, Übersichten, Mini-Reviews, Fallberichte, experimentellen und theoretischen Arbeiten und Computeranalysen in der Molekular- und Zellbiologie ein möglichst breites Publikum von Mikrobiologen und Molekularbiologen veröffentlichen.

Einziehungen

Boffin Access Limited verpflichtet sich, die Integrität der wissenschaftlichen Aufzeichnungen gegenüber Forschern zu wahren. Daher kann ein Verstoß gegen berufsethische Kodizes zum Widerruf von Artikeln führen. Artikel können zurückgezogen werden, wenn festgestellt wird, dass sie schwerwiegende Mängel aufweisen, Fehlverhaltensforschung gemeldet werden, eine Urheberrechtsverletzung oder ein Plagiat darstellen.
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Jährliche Überprüfung der Mikrobiologie

Veröffentlichung von Zeitschriftenzitierungsberichten für 2020

Die Ausgabe 2020 des Journal Citation Reports® (JCR), das von Clarivate Analytics veröffentlicht wurde, bietet eine Kombination aus Wirkungs- und Einflussmetriken aus den Quelldaten des Web of Science 2019. Diese Kennzahl liefert ein Verhältnis der Zitationen einer Zeitschrift in einem bestimmten Jahr zu den zitierbaren Artikeln in den vorangegangenen zwei Jahren.

Laden Sie die JCR-Rankings der Jahresberichte 2020 im Excel-Format herunter.

Jährliche Überprüfung von: Rang Kategoriename Eingeordnete Zeitschriften in Kategorie Auswirkungsfaktor Zitierte Halbwertszeit Unmittelbarkeitsindex
Analytische Chemie 6 Chemie, Analytik 86 7.023 7.1 2.042
Analytische Chemie3Spektroskopie427.0237.12.042
Tierbiowissenschaften2Zoologie1686.0914.13.125
Tierbiowissenschaften17Biotechnologie und Angewandte Mikrobiologie1566.0914.13.125
Tierbiowissenschaften1Landwirtschaft, Milchwirtschaft und Tierwissenschaften636.0914.13.125
Tierbiowissenschaften2Tierheilkunde1426.0914.13.125
Anthropologie6Anthropologie903.17515.60.240
Astronomie und Astrophysik1Astronomie und Astrophysik6832.96310.85.133
Biochemie3Biochemie und Molekularbiologie29725.78712.34.933
Biomedizintechnik2Biomedizintechnik8715.5419.01.524
Biophysik3Biophysik7111.6856.63.130
Krebsbiologie53Onkologie2445.4132.02.826
Zell- und Entwicklungsbiologie13Zellen-Biologie19514.66710.50.552
Zell- und Entwicklungsbiologie1Entwicklungsbiologie4114.66710.50.552
Chemie- und Biomolekulartechnik1Chemie, Angewandte719.5615.60.941
Chemie- und Biomolekulartechnik5Ingenieurwesen, Chemie1439.5615.60.941
Klinische Psychologie1Psychologie, Klinisch (Sozialwissenschaften)13113.6927.93.304
Klinische Psychologie4Psychologie (Wissenschaft)7713.6927.93.304
Physik der kondensierten Materie6Physik, Kondensierte Materie6914.8334.97.273
Kriminologie1Kriminologie und Penologie696.3481.40.955
Erd- und Planetenwissenschaften4Geowissenschaften, multidisziplinär2009.08914.22.727
Erd- und Planetenwissenschaften5Astronomie und Astrophysik689.08914.22.727
Ökologie, Evolution und Systematik2Evolutionsbiologie5014.04117.40.440
Ökologie, Evolution und Systematik2Ökologie16814.04117.40.440
Wirtschaft39Wirtschaft3713.5916.40.686
Entomologie1Entomologie10113.79614.34.762
Umwelt und Ressourcen5Umweltwissenschaften (Sozialwissenschaften)1238.0659.60.563
Umwelt und Ressourcen14Umweltwissenschaften (Wissenschaft)2658.0659.60.563
Finanzwirtschaft36Unternehmensfinanzierung1082.0577.00.167
Finanzwirtschaft107Wirtschaft3712.0577.00.167
Strömungsmechanik1Physik, Flüssigkeiten und Plasmen3416.30615.49.190
Strömungsmechanik1Mechanik13616.30615.49.190
Lebensmittelwissenschaft und -technologie3Lebensmittelwissenschaft und -technologie1398.9605.22.615
Genetik5Genetik und Vererbung17711.14610.80.500
Genomik und Humangenetik15Genetik und Vererbung1777.2439.10.955
Immunologie4Immunologie15819.90010.75.875
Rechts- und Sozialwissenschaften18Gesetz1542.5887.70.233
Rechts- und Sozialwissenschaften20Soziologie1502.5887.70.233
Linguistik23Linguistik1872.0263.31.000
Meereswissenschaften2Geochemie und Geophysik8516.3596.67.050
Meereswissenschaften1Meeres- und Süßwasserbiologie10616.3596.67.050
Meereswissenschaften1Ozeanographie6616.3596.67.050
Materialforschung19Materialwissenschaft, multidisziplinär31412.53110.62.267
Medizin6Medizin, Forschung und Experimentelles1389.7168.63.829
Mikrobiologie9Mikrobiologie13511.00013.70.967
Neurowissenschaften9Neurowissenschaften27112.54713.62.130
Nuklear- und Teilchenwissenschaften2Physik, Nuklear198.7789.81.000
Nuklear- und Teilchenwissenschaften3Physik, Teilchen und Felder298.7789.81.000
Ernährung2Ernährung & Diätetik8910.89714.20.714
Organisationspsychologie und Organisationsverhalten2Psychologie, Angewandte8410.9234.41.222
Organisationspsychologie und Organisationsverhalten2Verwaltung22610.9234.41.222
Pathologie: Krankheitsmechanismen1Pathologie7816.7507.26.500
Pharmakologie und Toxikologie1Toxikologie9211.25011.45.793
Pharmakologie und Toxikologie5Pharmakologie und Pharmazie27011.25011.45.793
Physikalische Chemie19Chemie, Physikalisch15910.63812.13.667
Physiologie2Physiologie8119.55611.14.769
Phytopathologie4Pflanzenwissenschaften23412.62312.70.478
Pflanzenbiologie1Pflanzenwissenschaften23419.54013.04.586
Politikwissenschaft8Politikwissenschaft1804.00011.30.750
Psychologie2Psychologie (Wissenschaft)7718.15612.36.367
Psychologie3Psychologie, multidisziplinär (Sozialwissenschaften)13818.15612.36.367
Gesundheitswesen2Öffentlich, Umwelt & Occup. Gesundheit (Sozialwissenschaften)17016.4639.53.880
Gesundheitswesen3Öffentlich, Umwelt & Occup. Gesundheitswissenschaft)19316.4639.53.880
Ressourcenökonomie70Wirtschaft3712.7455.80.167
Ressourcenökonomie48Umweltwissenschaften (Sozialwissenschaften)1162.7455.80.167
Ressourcenökonomie4Agrarökonomie und -politik (Wissenschaft)212.7455.80.167
Soziologie 1Soziologie1506.40017.70.767
Statistik und ihre Anwendung4Mathematik, Interdisziplinäre Anwendungen1065.0953.21.350
Statistik und ihre Anwendung2Statistik und Wahrscheinlichkeit1245.0953.21.350
Virologie2Virologie378.0213.61.172
Visionswissenschaft34Neurowissenschaften2715.8973.40.391
Visionswissenschaft5Augenheilkunde605.8973.40.391

ZIELE UND UMFANG DES ZEITSCHRIFTS: Die Jährliche Überprüfung der Mikrobiologie, seit 1947 veröffentlicht, behandelt bedeutende Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikrobiologie und umfasst Bakterien, Archaeen, Viren und einzellige Eukaryoten.


Molekulare medizinische Mikrobiologie

Das molekulare Zeitalter hat zu dramatischen Veränderungen in der medizinischen Mikrobiologie und zu großen Sprüngen in unserem Verständnis der Mechanismen von Infektionskrankheiten geführt. Molekulare medizinische Mikrobiologie ist das erste Buch, das die vielen neuen Entwicklungen sowohl in der molekularen als auch in der klinischen Forschung in einer einzigen umfassenden Ressource zusammenfasst.
Dieses aktuelle und maßgebliche dreibändige Werk ist eine unschätzbare Referenzquelle der medizinischen Bakteriologie. Mit mehr als 100 Kapiteln, die in 17 Hauptabschnitte gegliedert sind, ist der Umfang dieses beeindruckenden Werks breit gefächert.
Die von Experten auf diesem Gebiet verfassten Kapitel enthalten neueste Informationen und klinische Übersichten für jede wichtige Bakteriengruppe sowie die neuesten Updates zur Impfstoffentwicklung, Molekulartechnologie und Diagnosetechnologie. Zu den behandelten Themen gehören bakterielle Struktur, Zellfunktion und genetische Mechanismen der Pathogenese und Prävention antibakterieller Wirkstoffe und Infektionen, die vom Magen-Darm-Trakt bis zum Harntrakt, dem zentralen Nervensystem, den Atemwegen und mehr reichen.

Das molekulare Zeitalter hat zu dramatischen Veränderungen in der medizinischen Mikrobiologie und zu großen Sprüngen in unserem Verständnis der Mechanismen von Infektionskrankheiten geführt. Molekulare medizinische Mikrobiologie ist das erste Buch, das die vielen neuen Entwicklungen sowohl in der molekularen als auch in der klinischen Forschung in einer einzigen umfassenden Ressource zusammenfasst.
Dieses aktuelle und maßgebliche dreibändige Werk ist eine unschätzbare Referenzquelle der medizinischen Bakteriologie.Mit mehr als 100 Kapiteln, die in 17 Hauptabschnitte gegliedert sind, ist der Umfang dieses beeindruckenden Werks breit gefächert.
Die von Experten auf diesem Gebiet verfassten Kapitel enthalten neueste Informationen und klinische Übersichten für jede wichtige Bakteriengruppe sowie die neuesten Updates zur Impfstoffentwicklung, Molekulartechnologie und Diagnosetechnologie. Zu den behandelten Themen gehören bakterielle Struktur, Zellfunktion und genetische Mechanismen der Pathogenese und Prävention antibakterieller Wirkstoffe und Infektionen, die vom Magen-Darm-Trakt bis zum Harntrakt, dem zentralen Nervensystem, den Atemwegen und mehr reichen.


1.3: Die Wissenschaft der Mikrobiologie - Biologie

Globale Reichweite, höhere Wirkung

Rezension
Die facettenreiche Rolle der langen nicht-kodierenden RNA bei Magenkrebs: Aktueller Stand und Zukunftsperspektiven
Yifan Li, Lan Lu, Xu Wu, Qianxiu Li, Yueshui Zhao, Fukuan Du, Yu Chen, Jing Shen, Zhangang Xiao, Zhigui Wu, Wei Hu, Chi Hin Cho, Mingxing Li
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(11): 2737-2755. doi:10.7150/ijbs.61410
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Rezension
Die Wechselwirkung zwischen m6A-Modifikation und nicht-kodierender RNA bei der Modulation von Krebserkrankungen: Mechanismen, Signalwege und klinische Implikationen
Sha Qin, Yitao Mao, Haofan Wang, Yingxing Duan, Luqing Zhao
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(11): 2718-2736. doi:10.7150/ijbs.60641
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Tagitinin C induziert Ferroptose über den PERK-Nrf2-HO-1-Signalweg in Darmkrebszellen
Ruiran Wei, Yueqin Zhao, Juan Wang, Xu Yang, Shunlin Li, Yinyuan Wang, Xingzhi Yang, Jimin Fei, Xiaojiang Hao, Yuhan Zhao, Liming Gui, Xiao Ding
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(11): 2703-2717. doi:10.7150/ijbs.59404
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
TNF-α steigert die Aktivität der CXCL10/CXCR3-Achse, um den epithelial-mesenchymalen Übergang in Dickdarmkrebszellen zu induzieren
Zhengcheng Wang, Xiang Ao, Zhilin Shen, Luoquan Ao, Xiaofeng Wu, Chengxiu Pu, Wei Guo, Wei Xing, Min He, Hongfeng Yuan, Jianhua Yu, Ling Li, Xiang Xu
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(11): 2683-2702. doi:10.7150/ijbs.61350
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Rezension
Mikroorganismen in der Chemotherapie bei Bauchspeicheldrüsenkrebs: Ein Überblick über aktuelle Forschung und zukünftige Richtungen
Si-Yuan Lu, Jie Hua, Jin Xu, Miao-Yan Wei, Chen Liang, Qing-Cai Meng, Jiang Liu, Bo Zhang, Wei Wang, Xian-Jun Yu, Si Shi
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2666-2682. doi:10.7150/ijbs.59117
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Der Milz-Tyrosin-Kinase-Inhibitor Entospletinib (GS-9973) stellt die Chemosensitivität in Lungenkrebszellen wieder her, indem er die ABCG2-vermittelte Multidrug-Resistenz moduliert
Silpa Narayanan, Zhuo-Xun Wu, Jing-Quan Wang, Hansu Ma, Nikita Acharekar, Jagadish Koya, Sabesan Yoganathan, Shuo Fang, Zhe-Sheng Chen, Yihang Pan
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2652-2665. doi:10.7150/ijbs.61229
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Herunterregulierung von m 6 A Reader YTHDC2 fördert die Proliferation und Migration von malignen Lungenzellen über den CYLD/NF-κB-Pfad
Jin Wang, Lirong Tan, Beibei Jia, Xiaofan Yu, Ruixin Yao, Nan OUYang, Xueting Yu, Xiyuan Cao, Jian Tong, Tao Chen, Rui Chen, Jianxiang Li
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2633-2651. doi:10.7150/ijbs.58514
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
RHOV fördert das Wachstum und die Metastasierung von Lungenadenokarzinomzellen über den JNK/c-Jun-Weg
Deyu Zhang, Qiwei Jiang, Xiangwei Ge, Yanzhu Shi, Tianxing Ye, Yue Mi, Tian Xie, Qihong Li, Qinong Ye
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2622-2632. doi:10.7150/ijbs.59939
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Cisplatin induziert Pyroptose durch Aktivierung des MEG3/NLRP3/Caspase-1/GSDMD-Wegs bei dreifach negativem Brustkrebs
Honglin Yan, Bin Luo, Xiaoyan Wu, Feng Guan, Xinxin Yu, Lina Zhao, Xiaokang Ke, Juan Wu, Jingping Yuan
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2606-2621. doi:10.7150/ijbs.60292
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Einzelzell-Transkriptomik zeigt heterogene Progression und EGFR-Aktivierung bei adenosquamösem Pankreaskarzinom
Xin Zhao, Han Li, Shaocheng Lyu, Jialei Zhai, Zhiwei Ji, Zhigang Zhang, Xinxue Zhang, Zhe Liu, Huaguang Wang, Junming Xu, Hua Fan, Jiantao Kou, Lixin Li, Ren Lang, Qiang He
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2590-2605. doi:10.7150/ijbs.58886
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Aberrantes FGFR4-Signal verschlechtert die nichtalkoholische Steatohepatitis bei FGF21KO-Mäusen
Youxi Yu, Xiaoju Shi, Qianqian Zheng, Xingtong Wang, Xingkai Liu, Min Tan, Guoyue Lv, Ping Zhang, Robert C. Martin, Yan Li
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2576-2589. doi:10.7150/ijbs.58776
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Celastrol verbessert vaskuläre neointimale Hyperplasie durch Wnt5a-involvierte Autophagie
Ya-Ning Shi, Le-Ping Liu, Chang-Feng Deng, Tan-Jun Zhao, Zhe Shi, Jian-Ye Yan, Yong-Zhen Gong, Duan-Fang Liao, Li Qin
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2561-2575. doi:10.7150/ijbs.58715
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Rezension
Die Rolle von Cyclophilinen bei entzündlichen Darmerkrankungen und Dickdarmkrebs
Lifang Liang, Rongxiao Lin, Ying Xie, Huaqing Lin, Fangyuan Shao, Wen Rui, Hongyuan Chen
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2548-2560. doi:10.7150/ijbs.58671
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Rezension
Neue Erkenntnisse zu den wichtigen Rollen der tumorzellintrinsischen PD-1
Hongmei Zheng, Yue Ning, Yuting Zhan, Sile Liu, Qiuyuan Wen, Songqing Fan
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2537-2547. doi:10.7150/ijbs.60114
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
MUC3A fördert das Fortschreiten von nicht-kleinzelligem Lungenkrebs durch die Aktivierung des NFκB-Signalwegs und dämpft die Strahlenempfindlichkeit
Yingming Sun, Xiaoge Sun, Chengcheng You, Shijing Ma, Yuan Luo, Shan Peng, Fang Tang, Xiaoli Tian, ​​Feng Wang, Zhengrong Huang, Hongnv Yu, Yu Xiao, Xiaoyong Wang, Junhong Zhang, Yan Gong, Conghua Xie
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2523-2536. doi:10.7150/ijbs.59430
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Forschungsbericht
Cantharidin hemmt die Proliferation und Metastasierung von Osteosarkomen, indem es direkt auf die miR-214-3p/DKK3-Achse abzielt, um die β-Catenin-Kerntranslokation und die LEF1-Translation zu inaktivieren
Shaopu Hu, Junli Chang, Hongfeng Ruan, Wenlan Zhi, Xiaobo Wang, Fulai Zhao, Xiaoping Ma, Xingyuan Sun, Qianqian Liang, Hao Xu, Yongjun Wang, Yanping Yang
Int. J. Biol. Wissenschaft 2021 17(10): 2504-2522. doi:10.7150/ijbs.51638
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF]

Chefredakteur: Chuxia Deng, PhD, Dekan und Lehrstuhlinhaber, Fakultät für Gesundheitswissenschaften, University of Macau

🆘Der anhaltende globale Kampf gegen SARS-CoV-2 und COVID-19: Sonderausgabe zur Coronavirus-Krankheit https://www.ijbs.com/v17i6

🆘 Der globale Kampf gegen SARS-CoV-2 und COVID-19: Sonderausgabe zur Coronavirus-Krankheit https://www.ijbs.com/v16i10

  • Indiziert/abgedeckt von MEDLINE, PubMed, Science Citation Index (SCI) Expanded, Current Contents®/Life Sciences, EMBASE, CAS, CABI, Scopus (vollständige Indexinformationen)
  • Volltexte von Artikeln in PubMed Central and Europe PMC.

Forschungsbericht
Analyse von Genomsequenzen von koagulase-negativen Staphylokokken-Isolaten aus Südafrika und Nigeria unterstreicht umweltbedingte Heterogenität
Tawanda Elias Maguvu, Adegboyega Oyedele Oladipo, Cornelius Carlos Bezuidenhout
J. Genomik 2021 9: 26-37. doi:10.7150/jgen.53019
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF] [PubMed] [PMC]

Forschungsbericht
Entwurf von Genomsequenzen von drei filamentösen Cyanobakterien, die aus Brackwasserhabitaten isoliert wurden
Joanne Sarah Boden, Michele Grego, Henk Bolhuis, Patricia Sánchez-Baracaldo
J. Genomik 2021 9: 20-25. doi:10.7150/jgen.53678
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF] [PubMed] [PMC]

Rezension
Der genetische Hintergrund der zentralen serösen Chorioretinopathie: Ein Überblick über die Gene der zentralen serösen Chorioretinopathie
Konstantinos Giannopoulos, Maria Gazouli, Klio Chatzistefanou, Anthi Bakouli, Marilita M. Moschos
J. Genomik 2021 9: 10-19. doi:10.7150/jgen.55545
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF] [PubMed] [PMC]

Forschungsbericht
Entwurf der Genomsequenz von Enterobakterien sp. AS-1, ein potenzieller eurytrophischer Rekombinationswirt
Yuki Iwasaki, Yuya Itoiri, Sota Ihara, Hironaga Akita, Mamoru Oshiki, Zen-ichiro Kimura
J. Genomik 2021 9: 6-9. doi:10.7150/jgen.53040
[Zusammenfassung] [Volltext] [PDF] [PubMed] [PMC]


Zulassungsvoraussetzungen

Starten Sie Ihre Bewerbung

Die Saint Louis University akzeptiert auch die gemeinsame Bewerbung.

Student im ersten Jahr

Alle Bewerbungen werden mit größter individueller Sorgfalt und Berücksichtigung aller eingereichten Zeugnisse sorgfältig geprüft. Eine solide akademische Leistung in Vorbereitungskursen für das College ist ein Hauptanliegen bei der Überprüfung der Akte eines Studienanfängers.

Um für die Zulassung zu einem Bachelor-Programm der Saint Louis University in Betracht gezogen zu werden, müssen die Bewerber einen Abschluss einer akkreditierten High School haben, eine akzeptable HiSET-Prüfung aufweisen oder den General Education Development (GED)-Test ablegen.

Überweisen

Bewerber müssen ein Absolvent einer akkreditierten High School sein oder eine akzeptable Punktzahl im GED haben.

Studenten, die weniger als 24 Semester-Credits (oder 30 Quarter-Credits) College-Credits versucht haben, müssen die oben genannten Zulassungsvoraussetzungen für Studienanfänger erfüllen. Studierende, die 24 oder mehr Semester-Credits (oder 30 Quarter-Credits) College-Credits absolviert haben, müssen Transcripts aller zuvor besuchten Colleges einreichen.

Bei der Überprüfung der Akte eines Transferbewerbers untersucht das Office of Admission ganzheitlich die akademische Leistung des Studenten in Studienleistungen auf College-Niveau als Indikator für die Fähigkeit des Studenten, die akademischen Anforderungen der Saint Louis University zu erfüllen. Falls zutreffend, werden Transferstudierende in allen Kursen bewertet, die in den Fortsetzungsstandards ihres bevorzugten Hauptfachs aufgeführt sind.

Internationale Bewerber

Für internationale Studierende gelten alle Zulassungsrichtlinien und -voraussetzungen für inländische Studierende sowie Folgendes:

  • Nachweis von Englischkenntnissen
  • Der Nachweis über die finanzielle Unterstützung muss enthalten:
    • Ein Schreiben zur finanziellen Unterstützung der Person(en) oder der Sponsoring-Agentur, die die Zeit an der Saint Louis University finanziert
    • Ein Schreiben der Bank des Sponsors, in dem bestätigt wird, dass die Mittel für die Dauer des Studiums an der Universität verfügbar sind

    Biologie


    Der Bachelor of Science in Biologie soll Studierende auf eine Karriere in den Lebenswissenschaften vorbereiten. Absolventen des Programms sind wettbewerbsfähig für den Eintritt in Graduiertenprogramme in den biologischen Wissenschaften sowie in Berufsschulen wie Medizin, Zahnmedizin, Osteopathie und Veterinärwissenschaften sowie in Assistenzarztprogrammen (PA) und fortgeschrittenen Krankenpflegeprogrammen.

    Die Abteilung hat zwei Schwerpunkte:


    Das Studienangebot der Biomedizin umfasst:

    • Zellen-Biologie
    • Vergleichende und menschliche Anatomie
    • Entwicklungsbiologie
    • Allgemeine und medizinische Mikrobiologie
    • Genetik
    • Genetik der menschlichen Krankheit
    • Säugetierphysiologie
    • Neurobiologie


    Zu den Studienangeboten der Umwelt-/Ökologie gehören:

    • Gemeinschafts- und Renaturierungsökologie
    • Ökologische Physiologie
    • Ökologie
    • Entomologie
    • Analyse biologischer Daten
    • Umweltbiologie
    • Umweltmikrobiologie
    • Evolutionsbiologie


    Darüber hinaus können sich fortgeschrittene Studierende mit Zustimmung des Departementsvorsitzenden in Graduiertenstudiengänge einschreiben. Entsprechend den beiden Forschungsinteressen ermutigt der Fachbereich die Studierenden (in Absprache mit ihren Betreuern), spätestens zum Ende des zweiten Studienjahres einen der beiden als Studienschwerpunkt zu erklären. Für Studierende, die mehr an einem breiten Ansatz in der Biologie interessiert sind, empfiehlt die Fakultät eine dritte Option, die allgemeine Biologie (jede Kombination von Biologiekursen der Oberstufe, die die Programmanforderungen erfüllt).

    Die Fakultät bietet ein Forschungsmentorship-Programm für Studierende der Oberstufe der Biologie an. Das Programm ermöglicht es einem Studenten, eng mit Fakultäts- und Doktoranden in der Labor- und/oder Feldforschung zusammenzuarbeiten. Die Teilnahme am Programm erfolgt auf Empfehlung eines Fakultätsmitglieds. Das Mentoring-Programm soll Studierenden, die ein Graduiertenprogramm aufnehmen möchten, einen erheblichen Vorteil bieten.

    Der Fachbereich bietet auch einen kombinierten fünfjährigen Bachelor- und Master of Science (5J B.S.-M.S.) in Biologie an. Dieses beschleunigte Programm richtet sich an Studierende, die ein starkes Potenzial für die Forschung in der Biologie aufweisen. Es bietet eine geisteswissenschaftliche Ausbildung, einen breiten Hintergrund in Biologie, die Entwicklung von Fachwissen in einem biologischen Teilgebiet und eine gründliche Einführung in die Forschungsinstrumente und -techniken. Die Absolventinnen und Absolventen des Programms werden entweder auf den direkten Einstieg in den Arbeitsmarkt oder die Fortsetzung auf die Promotion vorbereitet. Eine ausführliche Beschreibung des fünfjährigen B.S.-M.S. Programm kann im Sekretariat des Fachbereichs angefordert werden.

    Das Nebenfach Biologie umfasst 20 Semesterwochenstunden.

    Das Nebenfach Neurowissenschaften umfasst 16 Semesterwochenstunden.

    Fakultät

    Karolyn Hansen, Vorsitzende
    Distinguished Service Professor: Noland
    Emeritierte Professoren: Geiger, Kearns, Ramsey
    Professoren: Burky, Krane, McEwan, Nielsen, Robinson, Singh, P. Williams, S. Wright
    Außerordentliche Professoren: Friese, Hansen, Kango-Singh, Pitychoutis, Prather, Sun, T. Williams, D. Wright
    Assistenzprofessoren: Hellmann, Rajput
    Dozenten: Dillon, Kavanaugh, Regula, Rhoads, Wolters


    Schau das Video: Die PCR-Methode einfach erklärt (Dezember 2022).