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22.1: Einführung - Biologie

22.1: Einführung - Biologie


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In den letzten Jahren wurden viele subtile und bisher vernachlässigte Mechanismen zur genetischen Feinregulierung entdeckt. Insbesondere werden wir uns auf die Untersuchung von DNA-Regionen konzentrieren, die sich in peripheren Regionen des Kerns befinden (also in engem Kontakt mit der Kernlamina). Schließlich werden wir die computergestützten Methoden diskutieren, die bei der Untersuchung der nuklearen Genomorganisation beteiligt sind.

Was ist schon bekannt

DNA wird lokal in Nukleosomen verdichtet, indem sie sich um Histon-Oktamere wickelt. Jedes Nukleosom umfasst etwa 147 bps, verpackt in 1,67 linkshändigen superhelikalen Windungen. DNA wird global als Chromosomen (während der Zellteilung und Mitose) kompaktiert. Chromosomen wurden mit unterschiedlichen Farben gefärbt, und es hat sich gezeigt, dass einige Chromosomen radiale Präferenzen innerhalb des Zellkerns haben, selbst wenn die Zelle sich nicht aktiv teilt und die Chromosomen nicht kondensiert sind. Das heißt, einige Chromosomen bleiben lieber in der Nähe des Zentrums des Kerns, während andere zur Peripherie tendieren. Diese werden als Chromosomenterritorien (CT) bezeichnet. Die Territorien homologer Chromosomen liegen normalerweise nicht nahe beieinander. Es ist auch bekannt, dass es eine übergreifende nukleare „Architektur“ gibt, die auch zwischen verschiedenen Zelltypen beobachtbar und konserviert ist.

Was wir nicht wissen

Während die lokale Organisation (Nukleosomenverpackung) und die globale Organisation (Chromosomenkondensation) der DNA irgendwie verstanden werden, sind die Zwischenstrukturen der DNA noch nicht gut charakterisiert - viele spekulierte Zustände wurden nur in vitro beobachtet. Auch die Positionierung genomischer Regionen im Zellkern auf subchromosomaler Ebene, beispielsweise die spezifische 3D-Konformation einer bestimmten chromosomalen Region mit mehreren Genen, ist weitgehend unbekannt.

Es ist zwar bekannt, dass Chromosomen während des gesamten Zellzyklus eine gewisse allgemeine Architektur beibehalten, es ist jedoch nicht bekannt, wie diese Position beibehalten wird und wie verschiedene Chromosomen im Verlauf des gesamten Zellzyklus weiter interagieren.

Obwohl wir bestimmte Teile der Funktion von Chromosomen verstehen, haben wir zusammen kein vollständiges mechanistisches Verständnis dieses Prozesses.

Warum studieren wir es?

Im Allgemeinen sind wir daran interessiert, die funktionellen Eigenschaften genomischer Regionen und die darin kodierten molekularen Mechanismen zu verstehen, die Auswirkungen auf menschliche Krankheiten haben könnten. Insbesondere wurde gezeigt, dass Gene, die in räumlich benachbarten Regionen kodiert sind, wahrscheinlich mitreguliert werden. Außerdem entspricht die im Zellkern gepackte DNA der Umhüllung von 20 km 20 µm dickem Faden in etwas von der Größe eines Tennisballs, der vom Kendall Square nach Harvard und zurück über sechseinhalb Mal reichen würde! Ist das nicht erstaunlich??


22.1. Osmoregulation und osmotisches Gleichgewicht

Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine Membran als Reaktion auf osmotischer Druck verursacht durch ein Ungleichgewicht der Moleküle auf beiden Seiten der Membran. Osmoregulation ist der Prozess der Aufrechterhaltung des Salz- und Wasserhaushaltes ( osmotisches Gleichgewicht ) über Membranen innerhalb der Körperflüssigkeiten, die aus Wasser sowie Elektrolyten und Nichtelektrolyten bestehen. Ein Elektrolyt ist ein gelöster Stoff, der beim Auflösen in Wasser in Ionen zerfällt. EIN nicht-elektrolyt , im Gegensatz dazu, dissoziiert während der Wasserauflösung nicht in Ionen. Sowohl Elektrolyte als auch Nichtelektrolyte tragen zum osmotischen Gleichgewicht bei. Zu den Körperflüssigkeiten gehören Blutplasma, das Zytosol in den Zellen, und interstitielle Flüssigkeit, die Flüssigkeit, die in den Räumen zwischen Zellen und Geweben des Körpers vorhanden ist. Die Membranen des Körpers (wie die Pleura-, Serus- und Zellmembranen) sind semipermeable Membranen . Semipermeable Membranen sind für bestimmte Arten von gelösten Stoffen und Wasser durchlässig (oder permissiv). Lösungen auf zwei Seiten einer semipermeablen Membran neigen dazu, die Konzentration gelöster Stoffe durch Bewegung von gelösten Stoffen und/oder Wasser durch die Membran auszugleichen. Wie in Abbildung 22.2 zu sehen ist, neigt eine in Wasser platzierte Zelle dazu, aufgrund der Wasseraufnahme aus der hypotonischen oder „salzarmen“ Umgebung anzuschwellen. Andererseits neigt eine Zelle, die in eine Lösung mit einer höheren Salzkonzentration gegeben wird, dazu, dass die Membran aufgrund von Wasserverlust in die hypertonische oder „salzreiche“ Umgebung zusammenschrumpft. Isotonische Zellen haben eine gleiche Konzentration an gelösten Stoffen innerhalb und außerhalb der Zelle, wodurch der osmotische Druck auf beiden Seiten der Zellmembran, die eine semipermeable Membran ist, ausgeglichen wird.

Abbildung 22.2. Zellen, die sich in einer hypertonischen Umgebung befinden, neigen dazu, aufgrund von Wasserverlust zu schrumpfen. In einer hypotonen Umgebung neigen Zellen dazu, durch die Aufnahme von Wasser anzuschwellen. Das Blut hält eine isotonische Umgebung aufrecht, so dass die Zellen weder schrumpfen noch anschwellen. (Kredit: Mariana Ruiz Villareal)

Der Körper existiert nicht isoliert. Es erfolgt ein ständiger Eintrag von Wasser und Elektrolyten in das System. Während die Osmoregulation über die Membranen im Körper erreicht wird, werden überschüssige Elektrolyte und Abfallstoffe zu den Nieren transportiert und ausgeschieden, was zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts beiträgt.


Beschreibung: Dieser Kurs ist eine Einführung in Zellbiologie, Genetik, Taxonomie, Mikrobiologie, Botanik, Zoologie und Ökologie. Diese Klasse ist 1 High School Credit in Naturwissenschaften wert. Zu den Laborkomponenten dieser Klasse gehören Experimente zu Hause, die gängige Haushaltsgegenstände verwenden, sowie virtuelle Labore und Sektionen. In dieser Klasse werden 11 Experimente verwendet, darunter 4 Sektionen (siehe erforderliche Materialien unten). Weitere Informationen werden den Studierenden zur Verfügung gestellt. Diese Klasse ist 1 High School Credit in Naturwissenschaften wert.

Klassenstufe: 9-12 (Schüler müssen mindestens in der 9. Klasse sein)

Voraussetzungen: Keiner

Benötigtes Material: Text der modernen Biologie. Die folgenden Seziermaterialien werden ebenfalls benötigt, aber bitte erst im März kaufen: Seziertes Einführungsset (Heuschrecke, Regenwurm, Frosch), Barsch-Probenstück und Barsch-Dissektionsleitfaden. Die einzigen weiteren benötigten Labormaterialien sind eine Blume und einige M&Ms. Die Schüler benötigen außerdem ein USB-Headset-Mikrofon (eingebaute Mikrofone funktionieren auch).


22.1: Einführung - Biologie

(Eine Position: Die Hypophyse (Hypophyse) ist etwa so groß wie eine große Erbse und befindet sich unterhalb des Gehirns hinter der Nasenhöhle am Schädelboden. Es ist mit einem Stiel am Hypothalamus des Gehirns an der Unterseite des Großhirns befestigt (Abb. 22.2). Es liegt im Keilbein des Schädels und ist eng von einer Bindegewebskapsel umgeben.

Abbildung 22.2 Position der Hypophyse

Die Hypophyse wurde wegen ihrer Kontrolle über mehrere andere endokrine Drüsen als "endokrine Hauptdrüse" bezeichnet. Die eigentliche Hauptdrüse des Körpers ist jedoch der Hypothalamus des Gehirns, der die Sekretion des Hypophysenvorderlappens steuert (durch Ausschüttung und Hemmung von Hormonen). Auch die Hypophyse selbst wird wiederum durch Feedback von anderen Drüsen gesteuert.

(B) Struktur . Der Sagittalschnitt zeigt, dass die Hypophyse aus zwei Hauptlappen besteht, dem Vorderlappen (Pars distalis) und dem Hinterlappen (Pars nervosa). Der kleine Zwischenlappen ( pars intermedia ) ist durch eine Spalte ( bei Kindern) oder zystische Räume (bei Erwachsenen) gekennzeichnet (Abb. 22.3) Der Teil des Vorderlappens, der als Teil des Hypophysenstiels nach oben ragt, wird als Pars tuberalis bezeichnet. Die Pars anterior, Pars tuberalis und Pars intermedia bilden die Adenohypophyse, während die Pars nervosa und der Hypophysenstiel (Infundibulum) die Neurohypophyse bilden. Der Vorderlappen produziert sechs verschiedene Hormone. Von diesen wirken zwei direkt auf Körpergewebe (somatotroph) und die anderen vier kontrollieren die Wirkung anderer endokriner Organe. Der Mittellappen (Pars intermedia) sondert nur ein Hormon, Intermedin, ab, das bei niederen Wirbeltieren die Hautfarbe kontrolliert, bei Säugetieren jedoch nur ein Überbleibsel ist und beim Menschen keine Funktion hat. Der hintere Lappen dient als Speicher- und Freisetzungspunkt für zwei Hormone, die vom Hypothalamus (neurosekretorische Zellen) sezerniert und durch einen Verbindungsgang (d. h. die Neurohypophyse) zum Lappen transportiert werden.

Abbildung 22.3 Abschnitt der Hypophyse

(C) Histologie. Die histologische Struktur der Hypophyse zeigt verschiedene Zelltypen in drei verschiedenen Teilen der Hypophyse. Die Zellen werden durch die Färbereaktion ihrer zytoplasmatischen Granula als Chromophobe oder Chromphile klassifiziert. (Abbildung 22.4) (Triple-Mellory-Färbemethode)

Im Vorderlappen sind die chromophoben Zellen kleiner, die Kerne sind verklumpt und in der Nähe des Zentrums gruppiert. Chromophobe Zellen färben sich schlecht. Die chromophilen Zellen färben sich rot oder violettblau, enthalten sekretorische Granula und sind an der Peripherie verteilt. Die Kerne unterscheiden sich in Größe und Färbungsintensität. Es gibt zwei Arten, oxyphile Zellen und basophile Zellen. Blutgefäße und Lymphräume sind ebenfalls zu sehen.


Aus dem Weltraum betrachtet bietet die Erde nur wenige Hinweise auf die Vielfalt der dort lebenden Lebensformen. Es wird angenommen, dass die ersten Lebensformen auf der Erde Mikroorganismen waren, die Milliarden von Jahren existierten, bevor Pflanzen und Tiere auftauchten. Die uns so vertrauten Säugetiere, Vögel und Blumen sind alle relativ neu und entstanden vor 130 bis 200 Millionen Jahren. Menschen haben diesen Planeten erst seit 2,5 Millionen Jahren bewohnt, und erst in den letzten 200.000 Jahren haben die Menschen angefangen, so auszusehen, wie wir es heute tun.

Concepts of Biology-1st Canadian Edition von Charles Molnar und Jane Gair ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, sofern nicht anders angegeben.


DIE ZELLBIOLOGIE DER BLUT-HIRN-SCHRANKE

AbstraktDie Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​wird von kapillaren Endothelzellen (ECs) des Gehirns gebildet. In der späten Embryonal- und frühen postnatalen Phase reagieren diese Zellen auf induzierende Faktoren, die in der Gehirnumgebung vorkommen, indem sie eine Reihe definierter Eigenschaften annehmen, einschließlich Tight Junctions mit hohem elektrischen Widerstand. Obwohl die Faktoren nicht endgültig identifiziert wurden, wurden vor allem in letzter Zeit viele Informationen über Gehirn-ECs gewonnen. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf eine zellbiologische Analyse der BHS, wobei der Schwerpunkt auf der Regulierung der spezialisierten interzellulären Verbindungen liegt. Die Entwicklung dieser Junctions scheint von zwei primären Prozessen abzuhängen: dem Auftreten hoher Konzentrationen des Tight-Junction-Proteins Occludin und intrazellulären Signalprozessen, die den Phosphorylierungszustand von Junctional-Proteinen steuern. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die BHS kontinuierlich moduliert werden kann, um auf Umweltreize zu reagieren.


Inhalt

Es gibt verschiedene Ansätze zur Wiederansiedlung von Arten. Die optimale Strategie hängt von der Biologie des Organismus ab. [4] Die erste Frage, die beim Beginn einer Wiederansiedlung von Arten zu klären ist, ist die Beschaffung von Individuen vor Ort, aus wilden Populationen, oder ex situ, zum Beispiel aus Gefangenschaft in einem Zoo oder Botanischen Garten.

Vor Ort Sourcing Bearbeiten

Vor Ort Bei der Beschaffung von Restaurierungen handelt es sich um die Verlegung von Individuen aus einer bestehenden Wildpopulation an einen neuen Standort, an dem die Art früher ausgerottet wurde. Im Idealfall sollten Populationen bezogen werden vor Ort nach Möglichkeit aufgrund der zahlreichen Risiken, die mit der Wiedereinführung von Organismen aus in Gefangenschaft lebenden Populationen in die Wildnis verbunden sind. [5] Um sicherzustellen, dass wiedereingeführte Populationen die besten Überlebens- und Fortpflanzungschancen haben, sollten Individuen aus Populationen stammen, die genetisch und ökologisch der Empfängerpopulation ähneln. [6] Im Allgemeinen maximiert die Beschaffung von Populationen mit ähnlichen Umweltbedingungen wie an der Wiederansiedlungsstelle die Chance, dass wiederangeführte Individuen gut an den Lebensraum der Wiederansiedlungsstelle angepasst sind. [7] [6]

Eine Überlegung für vor Ort Bei der Beschaffung handelt es sich um das Lebensstadium, in dem die Organismen gesammelt, transportiert und wieder eingeführt werden sollten. Bei Pflanzen zum Beispiel ist es oft ideal, sie als Samen zu transportieren, da sie in diesem Stadium die besten Chancen haben, die Translokation zu überleben. Einige Pflanzen sind jedoch schwer als Samen zu etablieren und müssen möglicherweise als Jungtiere oder Erwachsene umgesiedelt werden. [4]

Ex-situ Sourcing Bearbeiten

In Situationen, in denen vor Ort eine Sammlung von Individuen nicht möglich ist, wie z. B. bei seltenen und gefährdeten Arten mit zu wenigen Individuen in freier Wildbahn, ex situ Abholung möglich. Ex-situ Sammelmethoden ermöglichen die Lagerung von Individuen, die ein hohes Potenzial für die Wiederansiedlung haben. Beispiele für die Lagerung umfassen Keimplasma, das in Samenbanken, Samen- und Eizellenbanken gelagert wird, Kryokonservierung und Gewebekultur. [5] Methoden, die die Speicherung einer großen Anzahl von Individuen ermöglichen, zielen auch darauf ab, die genetische Vielfalt zu maximieren. Gelagerte Materialien haben im Allgemeinen eine lange Lebensdauer bei der Lagerung, aber einige Arten verlieren ihre Lebensfähigkeit, wenn sie als Samen gelagert werden. [8] Gewebekultur- und Kryokonservierungstechniken wurden nur für wenige Arten perfektioniert. [9]

Organismen können auch in lebenden Sammlungen in Gefangenschaft gehalten werden. Lebende Sammlungen sind teurer als die Lagerung von Keimplasma und können daher nur einen Bruchteil der Individuen unterstützen, die ex situ Beschaffung kann. [5] Das Risiko steigt bei der Beschaffung von Personen zur Ergänzung lebender Sammlungen. Der Verlust der genetischen Vielfalt ist besorgniserregend, da weniger Individuen gespeichert werden. [10] Individuen können auch genetisch an die Gefangenschaft angepasst werden, was oft die reproduktive Fitness der Individuen beeinträchtigt. Die Anpassung an die Gefangenschaft kann dazu führen, dass Individuen weniger geeignet für die Auswilderung sind. Daher sollten Anstrengungen unternommen werden, um wilde Bedingungen zu replizieren und die in Gefangenschaft verbrachte Zeit nach Möglichkeit zu minimieren. [11] [12]

Die Wiederansiedlungsbiologie ist eine relativ junge Disziplin und noch in Arbeit. Es gibt keine strenge und akzeptierte Definition des Wiederansiedlungserfolgs, aber es wurde vorgeschlagen, dass die Kriterien, die häufig zur Bewertung des Erhaltungszustands gefährdeter Taxa verwendet werden, wie die Kriterien der Roten Liste der IUCN, zur Bewertung des Wiederansiedlungserfolgs verwendet werden sollten. [13] Erfolgreiche Wiederansiedlungsprogramme sollten langfristig lebensfähige und selbsterhaltende Populationen hervorbringen. Die IUCN/SSC Re-introduction Specialist Group & Environment Agency hat in ihren Global Re-introduction Perspectives 2011 Wiedereinführungs-Fallstudien aus der ganzen Welt zusammengestellt. [14] 184 Fallstudien wurden zu einer Reihe von Arten berichtet, darunter Wirbellose, Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere und Pflanzen. Die Bewertungen aus allen Studien umfassten Ziele, Erfolgsindikatoren, Projektzusammenfassung, große Schwierigkeiten, wichtige Erkenntnisse und den Erfolg des Projekts mit Gründen für Erfolg oder Misserfolg. Eine ähnliche Bewertung, die sich ausschließlich auf Pflanzen konzentrierte, ergab hohe Erfolgsraten bei der Wiederansiedlung seltener Arten. [15] Eine Analyse der Daten des Center for Plant Conservation International Reintroduction Registry ergab, dass in den 49 Fällen, in denen Daten verfügbar waren, 92 % der wiedereingeführten Pflanzenpopulationen zwei Jahre überlebten. Die sibirische Tigerpopulation hat sich von 40 Individuen in den 1940er Jahren auf etwa 500 im Jahr 2007 erholt. Die sibirische Tigerpopulation ist heute die größte unfragmentierte Tigerpopulation der Welt. [16] Ein hoher Anteil von Translokationen und Wiederansiedlungen war jedoch nicht erfolgreich bei der Etablierung lebensfähiger Populationen. [17] Zum Beispiel hatte die Wiederansiedlung von in Gefangenschaft gehaltenen Pandas in China gemischte Auswirkungen. Die ersten Pandas, die aus der Gefangenschaft entlassen wurden, starben alle schnell nach der Wiederansiedlung. [18] Selbst jetzt, da sie ihre Fähigkeit zur Wiedereinführung von Pandas verbessert haben, bleibt die Sorge, wie gut die in Gefangenschaft gezüchteten Pandas mit ihren wilden Verwandten zurechtkommen. [19]

Viele Faktoren können auf den Erfolg oder Misserfolg einer Wiedereinführung zurückzuführen sein. Raubtiere, Nahrung, Krankheitserreger, Konkurrenten und Wetter können die Wachstums-, Überlebens- und Fortpflanzungsfähigkeit einer wiedereingeführten Population beeinträchtigen. Die Anzahl der Tiere, die bei einem Versuch wieder eingeführt werden, sollte auch mit Faktoren wie dem Sozialverhalten, der erwarteten Prädationsrate und der Dichte in freier Wildbahn variieren. [20] In Gefangenschaft aufgezogene Tiere können während der Gefangenschaft oder Translokation Stress erfahren, was ihr Immunsystem schwächen kann. [21] Die Wiederansiedlungsleitlinien der IUCN betonen die Notwendigkeit einer Bewertung der Verfügbarkeit geeigneter Lebensräume als Schlüsselkomponente der Wiederansiedlungsplanung. [22] Eine schlechte Bewertung des Freisetzungsortes kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Art den Ort ablehnt und möglicherweise in eine weniger geeignete Umgebung umzieht. Dies kann die Fitness der Spezies und damit die Überlebenschancen verringern. [21] Sie stellen fest, dass die Wiederherstellung des ursprünglichen Lebensraums und die Linderung der Ursachen des Aussterbens erforscht und als wesentliche Bedingungen für diese Projekte betrachtet werden müssen. Leider wird der Beobachtungszeitraum, der auf Wiederansiedlungen folgen sollte, oft vernachlässigt. [23]

Wenn eine Art von einem Ort ausgerottet wurde, an dem sie zuvor existierte, müssen die Individuen, die die wiedereingeführte Population bilden, aus wilden oder in Gefangenschaft lebenden Populationen stammen. Bei der Beschaffung von Personen für die Auswilderung ist es wichtig, die lokale Anpassung, die Anpassung an die Gefangenschaft (z ex situ Naturschutz), die Möglichkeit von Inzuchtdepression und Auszuchtdepression sowie Taxonomie, Ökologie und genetische Vielfalt der Quellpopulation. [2] Wiedereingeführte Populationen sind aufgrund ihrer geringen Größe, klimatischen und ökologischen Unterschiede zwischen Ursprungs- und einheimischen Habitaten und dem Vorhandensein anderer paarungskompatibler Populationen einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Einflüssen von Drift-, Selektions- und Genfluss-Evolutionsprozessen ausgesetzt. [11] [24] [25] [26]

Wenn die zur Wiederansiedlung vorgesehene Art in freier Wildbahn selten ist, ist die Populationszahl wahrscheinlich ungewöhnlich niedrig, und es sollte darauf geachtet werden, Inzucht und Inzuchtdepression zu vermeiden. [2] Inzucht kann die Häufigkeit der Allelverteilung in einer Population verändern und möglicherweise zu einer Veränderung der entscheidenden genetischen Vielfalt führen. [2] Darüber hinaus kann eine Auszuchtdepression auftreten, wenn eine wiedereingeführte Population mit bestehenden Populationen in freier Wildbahn hybridisieren kann, was zu Nachkommen mit reduzierter Fitness und geringerer Anpassung an lokale Bedingungen führen kann. Um beides zu minimieren, sollten Praktiker die Quellen für Einzelpersonen auf eine Weise beschaffen, die so viel genetische Vielfalt wie möglich erfasst, und versuchen, die Bedingungen des Quellenstandorts so weit wie möglich an die lokalen Standortbedingungen anzupassen. [2]

Bei der Wiederansiedlung von Arten wird vorgeschlagen, so viel genetische Vielfalt wie möglich zu erfassen, gemessen als Heterozygotie. [2] Einige Protokolle schlagen vor, dass die Beschaffung von etwa 30 Individuen aus einer Population 95% der genetischen Vielfalt erfasst. [2] Die Erhaltung der genetischen Vielfalt in der Empfängerpopulation ist entscheidend, um den Verlust wesentlicher lokaler Anpassungen zu vermeiden, Inzuchtdepressionen zu minimieren und die Fitness der wiedereingeführten Population zu maximieren.

Ökologische Ähnlichkeit Bearbeiten

Pflanzen oder Tiere, die einer Auswilderung unterzogen werden, können eine verminderte Fitness aufweisen, wenn sie nicht ausreichend an die lokalen Umweltbedingungen angepasst sind. Daher sollten Forscher bei der Auswahl von Populationen für die Wiederansiedlung die ökologische und ökologische Ähnlichkeit von Quell- und Empfängerstandorten berücksichtigen. Zu den zu berücksichtigenden Umweltfaktoren gehören Klima- und Bodenmerkmale (pH, Prozent Ton, Schluff und Sand, Prozent Verbrennungskohlenstoff, Prozent Verbrennungsstickstoff, Konzentration von Ca, Na, Mg, P, K). [6] Historisch gesehen folgte die Beschaffung von Pflanzenmaterial für Wiederansiedlungen der Regel "lokal ist am besten", als der beste Weg, lokale Anpassungen zu erhalten, wobei Individuen für Wiederansiedlungen aus der geografisch am nächsten liegenden Bevölkerung ausgewählt wurden. [27] In einem gemeinsamen Gartenexperiment wurde jedoch gezeigt, dass die geografische Entfernung ein unzureichender Prädiktor für die Fitness ist. [6] Darüber hinaus haben die prognostizierten klimatischen Veränderungen, die durch den Klimawandel verursacht werden, zur Entwicklung neuer Protokolle zur Saatgutbeschaffung geführt, die darauf abzielen, Saatgut zu beschaffen, das am besten an die Klimabedingungen des Projekts angepasst ist. [28] Naturschutzbehörden haben Samentransferzonen entwickelt, die als Richtlinien dafür dienen, wie weit Pflanzenmaterial transportiert werden kann, bevor es schlecht funktioniert. [29] Saattransferzonen berücksichtigen Nähe, ökologische Bedingungen und klimatische Bedingungen, um vorherzusagen, wie sich die Pflanzenleistung von einer Zone zur nächsten ändert. Eine Studie über die Wiedereinführung von Castilleja levisecta fanden heraus, dass die Quellpopulationen, die sich physisch am stärksten in der Nähe des Wiederansiedlungsortes befanden, in einem Feldexperiment am schlechtesten abgeschnitten haben, während diejenigen aus der Quellpopulation, deren ökologische Bedingungen am ehesten mit der Wiederansiedlungsstelle übereinstimmten, am besten abgeschnitten haben, was die Bedeutung der Anpassung der entwickelten Anpassungen einer Population an die Bedingungen an der Wiederansiedlungsstelle. [30]

Anpassung an Gefangenschaft Bearbeiten

Einige Wiederansiedlungsprogramme verwenden Pflanzen oder Tiere aus in Gefangenschaft gehaltenen Populationen, um eine wiederangeführte Population zu bilden. [2] Bei der Wiederauswilderung von Individuen aus einer Population in Gefangenschaft besteht das Risiko, dass sie sich aufgrund der unterschiedlichen Selektion von Genotypen in Gefangenschaft gegenüber der Wildnis an die Gefangenschaft angepasst haben. Die genetische Grundlage dieser Anpassung ist die Selektion seltener, rezessiver Allele, die in freier Wildbahn schädlich sind, aber in Gefangenschaft bevorzugt werden. [11] Folglich zeigen Tiere, die an Gefangenschaft angepasst sind, eine verringerte Stresstoleranz, eine erhöhte Zahmheit und einen Verlust lokaler Anpassungen. [31] Pflanzen können auch Anpassungen an die Gefangenschaft durch Veränderungen der Trockenheitstoleranz, des Nährstoffbedarfs und der Anforderungen an die Samenruhe zeigen. [32] Das Ausmaß der Anpassung hängt direkt mit der Intensität der Selektion, der genetischen Vielfalt, der effektiven Populationsgröße und der Anzahl der Generationen in Gefangenschaft zusammen. In Gefangenschaft ausgewählte Merkmale sind in freier Wildbahn überwiegend nachteilig, so dass solche Anpassungen nach der Auswilderung zu einer verminderten Fitness führen können. Wiederansiedlungsprojekte, die Wildtiere einführen, weisen im Allgemeinen höhere Erfolgsraten auf als solche, die in Gefangenschaft gezüchtete Tiere verwenden. [11] Die genetische Anpassung an die Gefangenschaft kann durch Managementmethoden minimiert werden: durch Maximierung der Generationslänge und Anzahl neuer Individuen, die der Population in Gefangenschaft hinzugefügt werden, Minimierung der effektiven Populationsgröße, Anzahl der in Gefangenschaft verbrachten Generationen und des Selektionsdrucks und Verringerung der genetischen Vielfalt durch Fragmentierung der Population. [2] [11] Bei Pflanzen wird die Anpassung an die Gefangenschaft in der Regel minimiert, indem Pflanzenmaterial aus einer Samenbank bezogen wird, in der Individuen als wild gesammeltes Saatgut aufbewahrt werden und keine Möglichkeit hatten, sich an die Bedingungen in Gefangenschaft anzupassen. Diese Methode ist jedoch nur für Pflanzen mit Samenruhe plausibel. [11]

Genetische Kompromisse Bearbeiten

Bei Wiederansiedlungen aus Gefangenschaft hat die Umsiedlung von Tieren aus der Gefangenschaft in die Wildnis Auswirkungen sowohl auf die Populationen in Gefangenschaft als auch auf die wildlebenden Populationen. Die Wiedereinführung genetisch wertvoller Tiere aus Gefangenschaft verbessert die genetische Vielfalt der wiedereingeführten Populationen, während sie die Populationen in Gefangenschaft dezimiert. Umgekehrt können genetisch wertvolle in Gefangenschaft gezüchtete Tiere eng mit Individuen in freier Wildbahn verwandt sein und somit das Risiko einer Inzuchtdepression erhöhen, wenn sie wiedereingeführt werden. Eine zunehmende genetische Vielfalt wird durch die Entfernung genetisch überrepräsentierter Individuen aus in Gefangenschaft lebenden Populationen und die Aufnahme von Tieren mit geringer genetischer Verwandtschaft zur Wildnis begünstigt. [33] [34] In der Praxis wird jedoch die anfängliche Wiederansiedlung von Individuen mit geringem genetischen Wert in die gefangene Population empfohlen, um eine genetische Bewertung vor der Translokation wertvoller Individuen zu ermöglichen. [34]

Ein kooperativer Ansatz zur Wiederansiedlung durch Ökologen und Biologen könnte die Forschungstechniken verbessern. Sowohl zur Vorbereitung als auch zur Überwachung von Wiederansiedlungen werden innerhalb der Survival Species Commission und der IUCN verstärkt Kontakte zwischen akademischen Populationsbiologen und Wildtiermanagern gefördert. Die IUCN stellt fest, dass eine Wiedereinführung einen multidisziplinären Ansatz erfordert, an dem ein Team von Personen mit unterschiedlichem Hintergrund beteiligt ist. [22] Eine Umfrage von Wolf et al. aus dem Jahr 1998, dass 64 % der Wiederansiedlungsprojekte subjektive Meinungen zur Bewertung der Lebensraumqualität verwendet haben. [21] Dies bedeutet, dass die meisten Wiedereinführungsbewertungen auf anekdotische Beweise beim Menschen beruhten und nicht genug auf statistischen Erkenntnissen. Seddonet al. (2007) schlagen vor, dass Forscher, die über zukünftige Wiederansiedlungen nachdenken, Ziele, den ökologischen Gesamtzweck und die inhärenten technischen und biologischen Grenzen einer gegebenen Wiederansiedlung spezifizieren sollten und dass Planungs- und Bewertungsprozesse sowohl experimentelle als auch modellierende Ansätze einbeziehen sollten. [3]

Die Überwachung der Gesundheit von Individuen sowie des Überlebens ist sowohl vor als auch nach der Wiederansiedlung wichtig. Wenn sich die Situation als ungünstig erweist, kann ein Eingreifen erforderlich sein. [22] Populationsdynamische Modelle, die im Feld aufgezeichnete demografische Parameter und Verhaltensdaten integrieren, können zu Simulationen und Tests von a-priori-Hypothesen führen. Die Nutzung früherer Ergebnisse zur Gestaltung weiterer Entscheidungen und Experimente ist ein zentrales Konzept des adaptiven Managements. Mit anderen Worten, Learning by Doing kann in zukünftigen Projekten helfen. Populationsökologen sollten daher mit Biologen, Ökologen und dem Wildtiermanagement zusammenarbeiten, um Wiederansiedlungsprogramme zu verbessern. [35]

Genetisches Monitoring Bearbeiten

Damit wiedereingeführte Populationen die reproduktive Fitness erfolgreich etablieren und maximieren können, sollten Praktiker genetische Tests durchführen, um auszuwählen, welche Individuen die Begründer der wiedereingeführten Populationen sein werden, und um die Populationen nach der Wiederansiedlung weiter zu überwachen. [4] Es gibt eine Reihe von Methoden, um die genetische Verwandtschaft zwischen und die Variation zwischen Individuen innerhalb von Populationen zu messen. Zu den gängigen Instrumenten zur Bewertung der genetischen Vielfalt gehören Mikrosatellitenmarker, mitochondriale DNA-Analysen, Alloenzyme und amplifizierte Fragmentlängen-Polymorphismusmarker. [36] Nach der Wiederansiedlung können genetische Überwachungsinstrumente verwendet werden, um Daten wie Populationsabundanz, effektive Populationsgröße und Populationsstruktur zu erhalten, und können auch verwendet werden, um Fälle von Inzucht innerhalb wiedereingeführter Populationen oder Hybridisierungen mit bestehenden Populationen zu identifizieren, die genetisch bedingt sind kompatibel. Nach der Wiederansiedlung wird eine langfristige genetische Überwachung empfohlen, um Veränderungen in der genetischen Vielfalt der wiederangeführten Population zu verfolgen und den Erfolg eines Wiederansiedlungsprogramms zu bestimmen. Unerwünschte genetische Veränderungen wie der Verlust der Heterozygotie können darauf hindeuten, dass eine Managementintervention, wie beispielsweise eine Populationsergänzung, für das Überleben der wiedereingeführten Population notwendig ist. [37] [38] [39]

Die RSG ist ein Netzwerk von Spezialisten, das sich zum Ziel gesetzt hat, dem anhaltenden und massiven Verlust der Biodiversität entgegenzuwirken, indem Wiederansiedlungen als verantwortungsvolles Instrument für das Management und die Wiederherstellung der Biodiversität genutzt werden. Dies geschieht durch die aktive Entwicklung und Förderung fundierter interdisziplinärer wissenschaftlicher Informationen, Politik und Praxis, um lebensfähige Wildpopulationen in ihren natürlichen Lebensräumen zu etablieren. Die Rolle der RSG besteht darin, die Wiederherstellung lebensfähiger Populationen in freier Wildbahn von Tieren und Pflanzen zu fördern. Die Notwendigkeit für diese Rolle wurde aufgrund der gestiegenen Nachfrage von Wiederansiedlungspraktikern, der globalen Naturschutzgemeinschaft und der Zunahme von Wiederansiedlungsprojekten weltweit wahrgenommen.

Immer mehr Tier- und Pflanzenarten werden in freier Wildbahn selten oder sogar ausgestorben. In einem Versuch, Populationen wiederherzustellen, können in einigen Fällen Arten wieder in ein Gebiet eingeführt werden, entweder durch Umsiedlung von bestehenden Wildpopulationen oder durch Wiederansiedlung von in Gefangenschaft gezüchteten Tieren oder künstlich vermehrten Pflanzen.


Anatomie des unteren Atmungssystems

​Die unteren Atemwege beginnen unterhalb der Epiglottis im Kehlkopf oder im Kehlkopf (Abbildung 2). Die Luftröhre, oder Luftröhre, ist ein knorpeliger Schlauch, der vom Kehlkopf ausgeht und einen ungehinderten Weg für die Luft bietet, um die Lunge zu erreichen. Die Luftröhre gabelt sich nach links und rechts Bronchien wie es die Lunge erreicht. Diese Pfade verzweigen sich immer wieder zu kleineren und ausgedehnteren Röhrennetzen, die BronchiolenS. Die terminalen Bronchiolen, die in diesem baumartigen Netzwerk gebildet werden, enden in Sackgassen, die als bezeichnet werden Alveolen. Diese Strukturen sind von Kapillarnetzen umgeben und sind der Ort des Gasaustausches im Atmungssystem. Die menschliche Lunge enthält in der Größenordnung von 400.000.000 Alveolen. Die äußere Oberfläche der Lunge ist mit einer doppellagigen Pleuramembran geschützt. Diese Struktur schützt die Lunge und sorgt für Schmierung, damit sich die Lunge während der Atmung leicht bewegen kann.

Figur 2. In dieser Abbildung sind die Strukturen der unteren Atemwege erkennbar. (Kredit: Änderung der Arbeit des National Cancer Institute)​

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Beispielfragen in der 4. Ausgabe von Biologie: Konzepte und Untersuchungen:

Kategorisieren Sie jede Struktur in Abbildung 22.1 als vegetativ oder reproduktiv. Abbildung 22.1 Teile einer blühenden Pflanze. Eine Pflanze besteht aus einem Spross- und einem Wurzelsystem. Stängel, Blätter und Wurzeln sind vegetative Organe, Blüten und Früchte sind Fortpflanzungsorgane.

Eine Art mit einer opportunistischen Lebensgeschichte besetzt einen Lebensraum, in dem die Bedingungen in 2-Jahres-Zyklen schwanken – das heißt, Jahre mit optimalen Bedingungen für das Populationswachstum wechseln sich mit suboptimalen Jahren ab. Stellen Sie die Populationsgröße der Art über 6 Jahre grafisch dar und geben Sie dann in derselben Grafik an, wie sich die Population einer Art mit einer ausgeglichenen Lebensgeschichte im gleichen Zeitraum verändern würde.

Stellen Sie sich vor, Sie könnten ein überdachtes Gehäuse um ein kleines Ökosystem bauen, das alles Licht abblockt und den Gasaustausch mit der Umgebung verhindert. Wie würde sich die Gesamtmenge an organischem Material, verfügbarer Energie und Nährstoffen im Ökosystem im Laufe der Zeit verändern?

Vergleichen Sie die Anzahl der ATP-Moleküle, die erforderlich sind, um ein Glucosemolekül bei der Photosynthese zu produzieren (siehe Abbildung 5.9) mit der Anzahl der ATP-Moleküle, die pro Glucose bei der aeroben Atmung erzeugt werden (siehe Abbildung 6.8). Wie vergleichen sich diese Zahlen mit der ATP-Ausbeute aus der Fermentation? Abbildung 5.9 Die Kohlenstoffreaktionen . ATP and NADPH from the light reactions power the Calvin cycle, which assembles CO 2 molecules into carbohydrates. Figure 6.8 Energy Yield of Respiration . Breaking down glucose to carbon dioxide can theoretically yield as many as 36 ATPs, mostly from the electron transport chain.

Lisa A. Urry, Lisa Urry, Michael Cain, Michael L. Cain, Steven Wasserman, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Peter Minorsky, Jane B. Reece, Jane Reece

Microbiology: An Introduction (13th Edition)

Gerard J. Tortora, Gerard Tortora, Berdell R. Funke, Berdell Funke, Christine L. Case, Christine Case, Derek Weber, Warner Bair, Warner Bair III

Martha Taylor, Martha R. Taylor, Eric J. Simon, Eric Simon, Jean Dickey, Jean L. Dickey, Kelly Hogan, Kelly A. Hogan, Jane B. Reece, Jane Reece

Visualizing Human Biology

Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson

Scott Freeman, Kim Quillin, Lizabeth Allison, Michael Black, Emily Taylor, Greg Podgorski, Jeff Carmichael


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While molecular biology was established as an official branch of science in the 1930s, the term wasn't coined until 1938 by Warren Weaver. At the time, Weaver was the director of Natural Sciences for the Rockefeller Foundation and believed that biology was about to undergo significant change due to recent advancements in technology such as X-ray crystallography. [6] [7]

Molecular biology arose as an attempt to answer the questions regarding the mechanisms of genetic inheritance and the structure of a gene. In 1953, James Watson and Francis Crick published the double helical structure of DNA courtesy of the X-ray crystallography work done by Rosalind Franklin and Maurice Wilkins. Watson and Crick described the structure of DNA and the interactions within the molecule. This publication jump-started research into molecular biology and increased interest in the subject. [8]

The following list describes a viewpoint on the interdisciplinary relationships between molecular biology and other related fields. [9]

  • Molecular biology is the study of the molecular underpinnings of the biological phenomena, focusing on molecular synthesis, modification, mechanisms and interactions.
  • Biochemie is the study of the chemical substances and vital processes occurring in living organisms. Biochemists focus heavily on the role, function, and structure of biomolecules such as proteins, lipids, carbohydrates and nucleic acids. [10]
  • Genetik is the study of how genetic differences affect organisms. Genetics attempts to predict how mutations, individual genes and genetic interactions can affect the expression of a phenotype[11]

While researchers practice techniques specific to molecular biology, it is common to combine these with methods from genetics and biochemistry. Much of molecular biology is quantitative, and recently a significant amount of work has been done using computer science techniques such as bioinformatics and computational biology. Molecular genetics, the study of gene structure and function, has been among the most prominent sub-fields of molecular biology since the early 2000s. Other branches of biology are informed by molecular biology, by either directly studying the interactions of molecules in their own right such as in cell biology and developmental biology, or indirectly, where molecular techniques are used to infer historical attributes of populations or species, as in fields in evolutionary biology such as population genetics and phylogenetics. There is also a long tradition of studying biomolecules "from the ground up", or molecularly, in biophysics. [12]

Molecular cloning Edit

One of the most basic techniques of molecular biology to study protein function is molecular cloning. In this technique, DNA coding for a protein of interest is cloned using polymerase chain reaction (PCR), and/or restriction enzymes into a plasmid (expression vector). A vector has 3 distinctive features: an origin of replication, a multiple cloning site (MCS), and a selective marker usually antibiotic resistance. Located upstream of the multiple cloning site are the promoter regions and the transcription start site which regulate the expression of cloned gene. This plasmid can be inserted into either bacterial or animal cells. Introducing DNA into bacterial cells can be done by transformation via uptake of naked DNA, conjugation via cell-cell contact or by transduction via viral vector. Introducing DNA into eukaryotic cells, such as animal cells, by physical or chemical means is called transfection. Several different transfection techniques are available, such as calcium phosphate transfection, electroporation, microinjection and liposome transfection. The plasmid may be integrated into the genome, resulting in a stable transfection, or may remain independent of the genome, called transient transfection. [13] [14]

DNA coding for a protein of interest is now inside a cell, and the protein can now be expressed. A variety of systems, such as inducible promoters and specific cell-signaling factors, are available to help express the protein of interest at high levels. Large quantities of a protein can then be extracted from the bacterial or eukaryotic cell. The protein can be tested for enzymatic activity under a variety of situations, the protein may be crystallized so its tertiary structure can be studied, or, in the pharmaceutical industry, the activity of new drugs against the protein can be studied. [fünfzehn]

Polymerase-Kettenreaktion Bearbeiten

Polymerase chain reaction (PCR) is an extremely versatile technique for copying DNA. In brief, PCR allows a specific DNA sequence to be copied or modified in predetermined ways. The reaction is extremely powerful and under perfect conditions could amplify one DNA molecule to become 1.07 billion molecules in less than two hours. The PCR technique can be used to introduce restriction enzyme sites to ends of DNA molecules, or to mutate particular bases of DNA, the latter is a method referred to as site-directed mutagenesis. PCR can also be used to determine whether a particular DNA fragment is found in a cDNA library. PCR has many variations, like reverse transcription PCR (RT-PCR) for amplification of RNA, and, more recently, quantitative PCR which allow for quantitative measurement of DNA or RNA molecules. [16] [17]

Gel electrophoresis Edit

Gel electrophoresis is one of the principal tools of molecular biology. The basic principle is that DNA, RNA, and proteins can all be separated by means of an electric field and size. In agarose gel electrophoresis, DNA and RNA can be separated on the basis of size by running the DNA through an electrically charged agarose gel. Proteins can be separated on the basis of size by using an SDS-PAGE gel, or on the basis of size and their electric charge by using what is known as a 2D gel electrophoresis. [18]

Macromolecule blotting and probing Edit

Die Bedingungen nördlich, Western und östlich blotting are derived from what initially was a molecular biology joke that played on the term Southern blotting, after the technique described by Edwin Southern for the hybridisation of blotted DNA. Patricia Thomas, developer of the RNA blot which then became known as the northern blot, actually didn't use the term. [19]

Southern blotting Edit

Named after its inventor, biologist Edwin Southern, the Southern blot is a method for probing for the presence of a specific DNA sequence within a DNA sample. DNA samples before or after restriction enzyme (restriction endonuclease) digestion are separated by gel electrophoresis and then transferred to a membrane by blotting via capillary action. The membrane is then exposed to a labeled DNA probe that has a complement base sequence to the sequence on the DNA of interest. [20] Southern blotting is less commonly used in laboratory science due to the capacity of other techniques, such as PCR, to detect specific DNA sequences from DNA samples. These blots are still used for some applications, however, such as measuring transgene copy number in transgenic mice or in the engineering of gene knockout embryonic stem cell lines. [12]

Northern blotting Edit

The northern blot is used to study the presence of specific RNA molecules as relative comparison among a set of different samples of RNA. It is essentially a combination of denaturing RNA gel electrophoresis, and a blot. In this process RNA is separated based on size and is then transferred to a membrane that is then probed with a labeled complement of a sequence of interest. The results may be visualized through a variety of ways depending on the label used however, most result in the revelation of bands representing the sizes of the RNA detected in sample. The intensity of these bands is related to the amount of the target RNA in the samples analyzed. The procedure is commonly used to study when and how much gene expression is occurring by measuring how much of that RNA is present in different samples, assuming that no post-transcriptional regulation occurs and that the levels of mRNA reflect proportional levels of the corresponding protein being produced. It is one of the most basic tools for determining at what time, and under what conditions, certain genes are expressed in living tissues. [21] [22]

Western blotting Edit

In western blotting, proteins are first separated by size, in a thin gel sandwiched between two glass plates in a technique known as SDS-PAGE. The proteins in the gel are then transferred to a polyvinylidene fluoride (PVDF), nitrocellulose, nylon, or other support membrane. This membrane can then be probed with solutions of antibodies. Antibodies that specifically bind to the protein of interest can then be visualized by a variety of techniques, including colored products, chemiluminescence, or autoradiography. Often, the antibodies are labeled with enzymes. When a chemiluminescent substrate is exposed to the enzyme it allows detection. Using western blotting techniques allows not only detection but also quantitative analysis. Analogous methods to western blotting can be used to directly stain specific proteins in live cells or tissue sections. [23] [24]

Eastern blotting Edit

The eastern blotting technique is used to detect post-translational modification of proteins. Proteins blotted on to the PVDF or nitrocellulose membrane are probed for modifications using specific substrates. [25]

Microarrays Bearbeiten

A DNA microarray is a collection of spots attached to a solid support such as a microscope slide where each spot contains one or more single-stranded DNA oligonucleotide fragments. Arrays make it possible to put down large quantities of very small (100 micrometre diameter) spots on a single slide. Each spot has a DNA fragment molecule that is complementary to a single DNA sequence. A variation of this technique allows the gene expression of an organism at a particular stage in development to be qualified (expression profiling). In this technique the RNA in a tissue is isolated and converted to labeled complementary DNA (cDNA). This cDNA is then hybridized to the fragments on the array and visualization of the hybridization can be done. Since multiple arrays can be made with exactly the same position of fragments, they are particularly useful for comparing the gene expression of two different tissues, such as a healthy and cancerous tissue. Also, one can measure what genes are expressed and how that expression changes with time or with other factors. There are many different ways to fabricate microarrays the most common are silicon chips, microscope slides with spots of

100 micrometre diameter, custom arrays, and arrays with larger spots on porous membranes (macroarrays). There can be anywhere from 100 spots to more than 10,000 on a given array. Arrays can also be made with molecules other than DNA. [26] [27] [28] [29]

Allele-specific oligonucleotide Edit

Allele-specific oligonucleotide (ASO) is a technique that allows detection of single base mutations without the need for PCR or gel electrophoresis. Short (20–25 nucleotides in length), labeled probes are exposed to the non-fragmented target DNA, hybridization occurs with high specificity due to the short length of the probes and even a single base change will hinder hybridization. The target DNA is then washed and the labeled probes that didn't hybridize are removed. The target DNA is then analyzed for the presence of the probe via radioactivity or fluorescence. In this experiment, as in most molecular biology techniques, a control must be used to ensure successful experimentation. [30] [31]

In molecular biology, procedures and technologies are continually being developed and older technologies abandoned. For example, before the advent of DNA gel electrophoresis (agarose or polyacrylamide), the size of DNA molecules was typically determined by rate sedimentation in sucrose gradients, a slow and labor-intensive technique requiring expensive instrumentation prior to sucrose gradients, viscometry was used. Aside from their historical interest, it is often worth knowing about older technology, as it is occasionally useful to solve another new problem for which the newer technique is inappropriate. [32]


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