Biologie

Biologie befasst sich mit dem Studium des Lebens.

Biologie ist der wissenschaftlich Studium von Leben.[1][2][3] Es ist ein Naturwissenschaft mit einem breiten Zielfernrohr, aber mehrere einheitliche Themen, die es als einzelnes, kohärentes Feld zusammenschließen.[1][2][3] Zum Beispiel alle Organismen sind gemacht aus Zellen Dieser Prozess erbliche Informationen kodiert in Gene, die auf zukünftige Generationen übertragen werden kann. Ein weiteres Hauptthema ist Evolution, was die Einheit und Vielfalt des Lebens erklärt.[1][2][3] Energieverarbeitung ist auch wichtig für das Leben, da es Organismen ermöglicht, sich zu bewegen, zu wachsen und sich zu reproduzieren.[1][2][3] Schließlich können alle Organismen ihre eigenen regulieren interne Umgebungen.[1][2][3][4][5]

Biologen sind in der Lage, das Leben bei mehreren zu studieren Organisationsebenen,[1] von dem Molekularbiologie einer Zelle zur Anatomie und Physiologie von Pflanzen und Tiereund Evolution von Populationen.[1][6] Daher gibt es in der Biologie mehrere Subdisziplinen, die jeweils durch die Natur ihrer definiert sind Forschungsfragen und die Werkzeug dass sie benutzen.[7][8][9] Wie andere WissenschaftlerBiologen verwenden die wissenschaftliche Methode zu machen Beobachtungen, Pose Fragen, generieren Hypothesen, ausführen Experimenteund schließt Schlussfolgerungen über die Welt um sie herum.[1]

Leben auf Erde, was vor mehr als 3,7 Milliarden Jahren entstand,[10] ist immens unterschiedlich. Biologen haben versucht, die verschiedenen Lebensformen zu studieren und zu klassifizieren, von prokaryotisch Organismen wie Archaea und Bakterien zu eukaryotisch Organismen wie Protisten, Pilze, Pflanzen, und Tiere. Diese verschiedenen Organismen tragen zur Biodiversität von einem Ökosystem, wo sie spezielle Rollen in der spielen Radfahren von Nährstoffe und Energie durch ihre Biophysikalische Umgebung.

Etymologie

Biologie leitet sich aus dem ab Altgriechisch Wörter von βίος romanisiert bíos bedeutet 'Leben' und -λογία; romanisiert -logía bedeutet "Zweig der Studie" oder "sprechen".[11][12] Diese kombinierten machen das griechische Wort βιολογία romanisiert biología Bedeutung "Biologie". Trotzdem der Begriff βιολογία Insgesamt gab es im alten Griechischen nicht. Der erste, um es auszuleihen, waren die Engländer und Franzosen (biologie). Historisch gesehen gab es einen weiteren Begriff für Biologie Auf Englisch, Lebenslöser; Es wird heute selten verwendet.

Die lateinsprachige Form des Begriffs erschien erstmals 1736 als schwedischer Wissenschaftler Carl Linnaeus (Carl von Linné) Gebraucht biologi in seinem Bibliotheca botanica. Es wurde 1766 in einer Arbeit mit dem Titel wieder verwendet Philosophiae naturalis sive physicae: tomus III, continens geologian, biologian, phytologian generalis, durch Michael Christoph Hanovein Schüler von Christian Wolff. Die erste deutsche Verwendung, Biologiewar in einer 1771 -Translation von Linnaeus 'Arbeit. 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 in einem eingeschränkteren Sinne der Untersuchung von Menschen aus morphologischer, physiologischer und psychologischer Sicht (Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). Der Begriff kam mit der sechsbändigen Abhandlung in die moderne Verwendung Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802–22) durch Gottfried Reinhold treviranus, wer verkündete:[13]

Die Objekte unserer Forschung werden die verschiedenen Formen und Manifestationen des Lebens, die Bedingungen und Gesetze, unter denen diese Phänomene auftreten, und die Ursachen, durch die sie betroffen sind, sein. Das Wissenschaft Das betrifft sich mit diesen ObjektenBiologie] oder die Lehre des Lebens [Lebenslehre].

Viele andere Begriffe, die in der Biologie verwendet werden, um Pflanzen, Tiere, Krankheiten und Medikamente zu beschreiben römisch Zivilisationen sowie die fortgesetzte Nutzung dieser beiden Sprachen an europäischen Universitäten im Mittelalter und zu Beginn der Renaissance.[14]

Geschichte

A drawing of a fly from facing up, with wing detail
Diagramm einer Fliege von Robert Hooke'S innovativ Mikrographien, 1665

Der früheste von Wurzeln von Wissenschaft, was beinhaltet Medizin, kann auf verfolgt werden antikes Ägypten und Mesopotamien in rund 3000 bis 1200 BCE.[15][16] Ihre Beiträge traten später in Griechisch ein und formten sie Naturwissenschaft von Antike.[15][16][17][18] Altgriechisch Philosophen wie Aristoteles (384–322 v. Chr.) Intensiv zur Entwicklung des biologischen Wissens beigetragen. Seine Werke wie z. Geschichte der Tiere waren besonders wichtig, weil sie seine naturalistischen Neigungen und später empirischer Werke enthüllten, die sich auf die biologische Verursachung und die Vielfalt des Lebens konzentrierten. Aristoteles 'Nachfolger der Lyceum, Theophrastusschrieb eine Reihe von Büchern über Botanik das überlebte als wichtigster Beitrag der Antike zu den Pflanzenwissenschaften, sogar in die Mittelalter.[19]

Gelehrte der Mittelalterliche islamische Welt Wer schrieb über Biologie eingeschlossen Al-Jahiz (781–869), Al-dīnawarī (828–896), der über Botanik schrieb,[20] und Rhazes (865–925) Wer schrieb weiter Anatomie und Physiologie. Medizin wurde besonders gut von islamischen Gelehrten untersucht, die in griechischen Philosophtraditionen arbeiteten, während die Naturgeschichte stark auf das aristotelische Denken stützte, insbesondere bei der Wahrung einer festen Hierarchie des Lebens.

Biologie begann sich schnell zu entwickeln und zu wachsen mit Anton van Leeuwenhoek's dramatische Verbesserung der Mikroskop. Damals entdeckten Gelehrte Spermatozoa, Bakterien, Infusorie und die Vielfalt des mikroskopischen Lebens. Untersuchungen von Jan Swammerdam führte zu einem neuen Interesse an Entomologie und half bei der Entwicklung der grundlegenden Techniken von mikroskopisch Präparation und Färbung.[21]

Fortschritte in der Mikroskopie hatte auch einen tiefgreifenden Einfluss auf das biologische Denken. Im frühen 19. Jahrhundert wies eine Reihe von Biologen auf die zentrale Bedeutung des Zelle. Dann 1838, Schleiden und Schwann begann, die jetzt universellen Ideen zu fördern, dass (1) die Grundeinheit der Organismen die Zelle ist und (2), dass einzelne Zellen alle Eigenschaften von haben LebenObwohl sie sich der Idee widersetzten, dass (3) alle Zellen aus der Teilung anderer Zellen stammen. Jedoch, Robert Remak und Rudolf Virchow waren in der Lage, den dritten Grundsatz neu zu vermitteln, und in den 1860er Jahren akzeptierten die meisten Biologen alle drei Grundsätze, die konsolidierten Zelltheorie.[22][23]

In der Zwischenzeit wurde Taxonomie und Klassifizierung zum Schwerpunkt der Naturhistoriker. Carl Linnaeus veröffentlichte eine grundlegende Taxonomie für die natürliche Welt im Jahr 1735 (deren Variationen seitdem verwendet wurden) und in den 1750er Jahren eingeführt Wissenschaftliche Namen Für alle seine Spezies.[24] Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, behandelte Arten als künstliche Kategorien und lebende Formen als formbar - sogar auf die Möglichkeit der Möglichkeit von gemeinsame Abstammung. Obwohl er gegen die Evolution war, ist Buffon eine Schlüsselfigur in der Geschichte des evolutionären Denkens; Seine Arbeit beeinflusste die evolutionären Theorien beider Lamarck und Darwin.[25]

1842, Charles Darwin schrieb seine erste Skizze von Auf den Ursprung der Arten.[26]

Ernstes evolutionäres Denken entstand mit den Werken von Jean-Baptiste Lamarck, wer war der erste, der eine kohärente Evolutionstheorie präsentierte.[27] Er stellte fest, dass die Evolution das Ergebnis von Umweltbelastungen für die Eigenschaften von Tieren war, was bedeutet, dass desto häufiger und strenger ein Organ verwendet wurde, desto komplexer und effizienter würde es werden, wodurch das Tier an seine Umwelt angepasst wurde. Lamarck glaubte, dass diese erworbenen Eigenschaften dann an die Nachkommen des Tieres weitergegeben werden könnten, die sie weiterentwickeln und perfektionieren würden.[28] Es war jedoch der britische Naturforscher Charles Darwinkombiniert den biogeografischen Ansatz von Humboldt, die uniformitäre Geologie von Lyell, Malthus Schriften zum Bevölkerungswachstum und sein eigenes morphologisches Fachwissen und umfangreiche natürliche Beobachtungen, die eine erfolgreichere Evolutionstheorie aufbauen, die auf natürliche Auslese; Ähnliche Argumentation und Beweise leiteten Alfred Russel Wallace unabhängig die gleichen Schlussfolgerungen zu erreichen.[29][30] Darwins Evolutionstheorie durch natürliche Selektion breitete sich schnell in der wissenschaftlichen Gemeinschaft aus 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 Zeitung präsentierte "Mit reber pflanzenhybriden"("Experimente zur Pflanzenhybridisierung"), im Jahr 1865,[31] die die Prinzipien der biologischen Vererbung umrissen und als Grundlage für die moderne Genetik dienen.[32] Die Bedeutung seiner Arbeit wurde jedoch erst im frühen 20. Jahrhundert realisiert, als die Evolution zu einer einheitlichen Theorie wurde als die Moderne Synthese versöhnte die darwinistische Entwicklung mit Klassische Genetik.[33] In den 1940er und frühen 1950er Jahren, a Reihe von Experimenten durch Alfred Hershey und Martha Chase wies auf DNA als die Komponente von Chromosomen das hielt die merkmalsbeschwerden Einheiten, die als bekannt geworden waren Gene. Ein Fokus auf neue Arten von Modellorganismen wie Viren und Bakterienzusammen mit der Entdeckung der doppelhelikalen Struktur von DNA durch James Watson und Francis Crick 1953 markierte der Übergang zur Ära von Molekulare Genetik. Ab den 1950er Jahren wurde die Biologie stark verlängert in der Molekular Domain. Das genetischer Code wurde von geknackt Har Gobind Khorana, Robert W. Holley und Marshall Warren Nirenberg Nachdem die DNA verstanden wurde, um zu enthalten Codons. Endlich, das Humangenomprojekt wurde 1990 mit dem Ziel gestartet, den allgemeinen Menschen abzubilden Genom. Dieses Projekt wurde im Wesentlichen 2003 abgeschlossen.[34] mit weiterer Analyse noch veröffentlicht. Das menschliche Genomprojekt war der erste Schritt in einem globalisierten Bemühungen, akkumuliertes Wissen über Biologie in eine funktionelle, molekulare Definition des menschlichen Körpers und den Körper anderer Organismen einzubeziehen.

Chemische Basis

Atome und Moleküle

Im Bohr-Modell eines Atom atomare Orbitale (graue leere Kreise).

Alle Organismen bestehen aus Angelegenheit und alle Materie besteht aus Elemente.[35] Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, und Stickstoff- sind die vier Elemente, die 96% aller Organismen ausmachen Kalzium, Phosphor, Schwefel, Natrium, Chlor, und Magnesium die verbleibenden 3,7%.[35] Verschiedene Elemente können sich zu Form kombinieren Verbindungen wie Wasser, was für das Leben von grundlegender Bedeutung ist.[35] Das Leben auf der Erde begann von Wasser und blieb dort ungefähr drei Milliarden Jahre lang, bevor er auf Land migrierte.[36] Materie kann unterschiedlich existieren Zustände Als ein fest, Flüssigkeit, oder Gas.

Die kleinste Einheit eines Elements ist ein Atom, was aus einem besteht Atomkern und eine oder mehrere Elektronen Bewegen Sie sich um den Kern, wie von der beschrieben BOHR -Modell.[37] Der Kern besteht aus einem oder mehreren Protonen und eine Reihe von Neutronen. Protonen haben positiv elektrische LadungNeutronen sind elektrisch neutral und Elektronen haben eine negative elektrische Ladung.[38] Atome mit gleicher Anzahl von Protonen und Elektronen sind elektrisch neutral. Das Atom jedes spezifischen Elements enthält eine eindeutige Anzahl von Protonen, die als es bekannt ist Ordnungszahlund die Summe seiner Protonen und Neutronen ist ein Atom Massenzahl. Das Massen von einzelnen Protonen, Neutronen und Elektronen können in gemessen werden Gramm oder Daltons (DA)mit der Masse jedes Protons oder Neutronens auf 1 da abgerundet.[38] Obwohl alle Atome eines bestimmten Elements die gleiche Anzahl von Protonen haben, können sie sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, wodurch dies vorhanden ist Isotope.[35] Kohlenstoff kann zum Beispiel als stabiles Isotop existieren (Kohlenstoff-12 oder Carbon-13) oder als radioaktives Isotop (Carbon-14), letzteres kann in verwendet werden radiometrische Datierung (speziell Radiokohlenstoffdatierung) um das Alter von zu bestimmen Organisches Material.[35]

Einzelne Atome können von zusammengehalten werden durch chemische Bindungen Formen Moleküle und ionische Verbindungen.[35] Häufige Arten von chemischen Bindungen umfassen ionische Bindungen, kovalente Bindungen, und Wasserstoffbrücken. Ionenbindung betrifft die elektrostatische Anziehung zwischen Gegenständen aufgeladen Ionen, oder zwischen zwei Atomen mit scharf unterschiedlich Elektronegativitäten,[39] und ist die primäre Wechselwirkung, die in auftritt ionische Verbindungen. Ionen sind Atome (oder Gruppen von Atomen) mit elektrostatischer Ladung. Atome, die Elektronen gewinnen, machen negativ geladene Ionen (genannt Anionen) Während diejenigen, die Elektronen verlieren, positiv geladene Ionen machen (genannt Kationen).

Im Gegensatz zu ionischen Bindungen beinhaltet eine kovalente Bindung das Teilen von Elektronenpaare zwischen Atomen. Diese Elektronenpaare und das stabile Gleichgewicht der attraktiven und abstoßenden Kräfte zwischen Atomen, wenn sie teilen Elektronen, ist als kovalente Bindung bekannt.[35]

Eine Wasserstoffbindung ist in erster Linie eine elektrostatisch Anziehungskraft zwischen einem Wasserstoffatom, das kovalent an einen mehr gebunden ist elektronegativ Atom oder Gruppe wie Sauerstoff. Ein allgegenwärtiges Beispiel für eine Wasserstoffbindung wird zwischen gefunden Wasser Moleküle. In einem diskreten Wassermolekül gibt es zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Zwei Wassermoleküle können eine Wasserstoffbrücke zwischen ihnen bilden. Wenn mehr Moleküle vorhanden sind, sind wie bei flüssigem Wasser mehr Bindungen möglich, da der Sauerstoff eines Wassermoleküls zwei einsame Elektronenpaare aufweist, von denen jeweils eine Wasserstoffbrücke mit einem Wasserstoff auf einem anderen Wassermolekül bilden kann.

Wasser

Modell von Wasserstoffbrückenbindungen (1) zwischen Molekülen von Wasser

Das Leben entstand aus der ersten Erde Ozean, das vor ungefähr 3,8 Milliarden Jahren gebildet wurde.[38] Seit damals, Wasser ist weiterhin das am häufigsten vorkommende Molekül in jedem Organismus. Wasser ist wichtig für das Leben, weil es effektiv ist Lösungsmittel, in der Lage, gelöste Stoffe aufzulösen, wie z. Natrium und Chlorid Ionen oder andere kleine Moleküle, um eine zu bilden wässrig Lösung. Sobald diese gelösten gelösten gelösten gelösten gelösten Stoffe sind eher in Kontakt miteinander und nehmen daher teil chemische Reaktionen das bleibt das Leben.[38]

In Bezug auf seine molekulare Struktur, Wasser ist klein polares Molekül mit einer gebogenen Form, die durch die polaren kovalenten Bindungen von zwei Wasserstoff (H) Atomen zu einem Sauerstoff (O) -atom (H) gebildet wird2Ö).[38] Da die O -H -Bindungen polar sind, hat das Sauerstoffatom eine geringfügige negative Ladung und die beiden Wasserstoffatome haben eine geringfügige positive Ladung.[38] Dieser Polar Eigentum von Wasser ermöglicht es, andere Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen anzuziehen, was Wasser macht zusammenhängend.[38] Oberflächenspannung Ergebnisse aus der kohäsiven Kraft aufgrund der Anziehungskraft zwischen Molekülen an der Oberfläche der Flüssigkeit.[38] Wasser ist auch Klebstoff wie es in der Lage ist, an der Oberfläche von polaren oder geladenen Nicht-Wasser-Molekülen zu haften.[38]

Wasser ist dichter Als ein Flüssigkeit als es ist wie ein solider (oder Eis).[38] Diese einzigartige Eigenschaft von Wasser ermöglicht es Eis, über flüssigem Wasser wie Teiche, Seen und Ozeane zu schweben, dadurch isolieren die Flüssigkeit unten von der kalten Luft oben.[38] Die geringere Eisdichte im Vergleich zu flüssigem Wasser ist auf die geringere Anzahl von Wassermolekülen zurückzuführen, die die bilden Kristallgitterstruktur von Eis, das eine große Menge Platz zwischen Wassermolekülen hinterlässt.[38] Im Gegensatz dazu gibt es keine Kristallgitterstruktur in flüssigem Wasser, wodurch mehr Wassermoleküle das gleiche Volumenbetrag einnehmen können.[38]

Wasser hat auch die Fähigkeit, Energie zu absorbieren und es höher zu verleihen spezifische Wärmekapazität als andere Lösungsmittel wie z. Ethanol.[38] Somit wird eine große Menge Energie benötigt, um die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen zu brechen, um flüssiges Wasser in Gas umzuwandeln (oder Wasserdampf).[38]

Als Molekül ist Wasser nicht vollständig stabil, wenn jedes Wassermolekül kontinuierlich in die Wasserstoff und Hydroxyl Ionen, bevor sie erneut in ein Wassermolekül reformiert werden.[38] Im reines Wasser, die Anzahl der Wasserstoffionen Balden (oder gleich) die Anzahl der Hydroxylionen, was zu a führt pH das ist neutral. Wenn Wasserstoffionen Hydroxylionen überschreiten würden, wäre der pH -Wert der Lösung saur. Umgekehrt würde sich der pH -Wert einer Lösung drehen Basic Wenn Hydroxylionen Wasserstoffionen überschreiten sollten.

Organische Verbindungen

Organische Verbindungen wie z. Glucose sind für Organismen von entscheidender Bedeutung.

Organische Verbindungen sind Moleküle, die Kohlenstoff enthalten, die an ein anderes Element wie Wasserstoff gebunden sind.[38] Mit Ausnahme des Wassers enthalten fast alle Moleküle, aus denen jeder Organismus besteht, Kohlenstoff.[38][40] Carbon hat sechs Elektronen, von denen sich zwei in seiner ersten befinden Hülse, vier Elektronen in seiner Valenzschale. Daher kann Kohlenstoff kovalente Bindungen mit bis zu vier anderen Atomen bilden, was es zum vielseitigsten Atom der Erde macht, da es in der Lage ist, verschiedene, große und komplexe Moleküle zu bilden.[38][40] Zum Beispiel kann ein einzelnes Kohlenstoffatom vier einzelne kovalente Bindungen bilden, wie z. Methan, zwei Doppelte kovalente Bindungen wie in Kohlendioxid (Co2), oder ein dreifache kovalente Bindung wie in Kohlenmonoxid (CO). Darüber hinaus kann Kohlenstoff sehr lange Ketten der Vernetzung bilden Kohlenstoff -Kohlenstoff -Bindungen wie zum Beispiel Oktan oder ringartige Strukturen wie z. Glucose.

Die einfachste Form eines organischen Moleküls ist die Kohlenwasserstoff, was eine große Familie von organischen Verbindungen ist, aus denen bestehen aus Wasserstoff Atome an eine Kette von Kohlenstoffatomen gebunden. Ein Kohlenwasserstoff -Rückgrat kann durch andere Elemente wie z. Sauerstoff (Ö), Wasserstoff (H), Phosphor (P) und Schwefel (S), was das chemische Verhalten dieser Verbindung verändern kann.[38] Gruppen von Atomen, die diese Elemente (O-, H-, P- und S-) enthalten und an ein zentrales Kohlenstoffatom oder Skelett gebunden sind funktionelle Gruppen.[38] Es gibt sechs prominente funktionelle Gruppen, die in Organismen zu finden sind: Aminogruppe, Carboxylgruppe, Carbonylgruppe, Hydroxylgruppe, Phosphatgruppe, und Sulfhydrylgruppe.[38]

1953, Stanley Miller und Harold Urey führte ein klassisches Experiment durch (auch bekannt als das Miller-Urey-Experiment), was zeigte, dass organische Verbindungen in einem geschlossenen System abiotisch synthetisiert werden konnten, das die Bedingungen von nachahmt frühe Erdezu dem Schluss führen, dass komplexe organische Moleküle in der frühen Erde spontan entstanden sein könnten, höchstwahrscheinlich in der Nähe von Vulkanen Abiogenese (oder Ursprung des Lebens).[41][38]

Makromoleküle

Eine Phospholipiddoppelschicht besteht aus zwei benachbarten Blättern von Phospholipiden, wobei die hydrophilen Schwänze nach innen gerichtet sind und die hydrophoben Köpfe nach außen gerichtet sind.

Makromoleküle sind große Moleküle aus kleineren molekularen Untereinheiten, die verbunden sind.[42] Kleine Moleküle wie Zucker, Aminosäuren und Nukleotide können als einzelne Wiederholungseinheiten wirken Monomere um kettenähnliche Moleküle zu bilden genannt Polymere über einen chemischen Prozess genannt Kondensation.[43] Zum Beispiel können Aminosäuren bilden Polypeptide Während Nukleotide Stränge von Nukleinsäure bilden können. Polymere bilden drei der vier Makromoleküle (Polysaccharide, Lipide, Proteine, und Nukleinsäuren) die in allen Organismen gefunden werden. Jedes dieser Makromoleküle spielt in einer bestimmten Zelle eine spezielle Rolle.

Kohlenhydrate (oder Zucker) sind Moleküle mit der molekularen Formel (CH2Ö)n, mit n die Anzahl der Kohlenstoffhydratgruppen.[44] Dazu gehören Monosaccharide (Monomer), Oligosaccharide (kleine Polymere) und Polysaccharide (große Polymere). Monosaccharide können durch miteinander verbunden werden Glycosidische Verknüpfungen, eine Art kovalente Bindung.[44] Wenn zwei Monosaccharide wie z. Glucose und Fructose sind miteinander verbunden, sie können a bilden Disaccharid wie zum Beispiel Saccharose.[44] Wenn viele Monosaccharide miteinander verbunden sind, können sie je nach Anzahl der Monosaccharide ein Oligosaccharid oder ein Polysaccharid bilden. Polysaccharide können in der Funktion variieren. Monosaccharide wie Glukose können eine Energiequelle sein, und einige Polysaccharide können als Lagermaterial dienen, das sein kann hydrolysiert Zellen mit Zucker bereitstellen.

Lipide sind die einzige Klasse von Makromolekülen, die nicht aus Polymeren bestehen. Die biologisch wichtigsten Lipide sind Steroide, Phospholipide, und Fette.[43] Diese Lipide sind organische Verbindungen, die größtenteils unpolar und hydrophob sind.[45] Steroide sind organische Verbindungen, die aus vier fusionierten Ringen bestehen.[45] Phospholipide bestehen aus Glycerin, das mit einer Phosphatgruppe und zwei Kohlenwasserstoffketten verbunden ist (oder Fettsäuren).[45] Die Glycerin- und Phosphatgruppe zusammen bilden zusammen die Polar und hydrophil (oder Kopf) Region des Moleküls, während die Fettsäuren die unpolare und hydrophobe (oder Schwanz-) Region ausmachen.[45] So bilden sich Phospholipide in Wasser, um a zu bilden Phospholipid Doppelschicht wobei die hydrophoben Köpfe nach außen stehen, um mit Wassermolekülen zu interagieren. Umgekehrt sind die hydrophoben Schwänze nach innen zu anderen hydrophoben Schwänzen konfrontiert, um den Kontakt mit Wasser zu vermeiden.[45]

Die (a) primären, (b) sekundären, (c) tertiären und (d) quaternären Strukturen von a Hämoglobin Protein

Proteine ​​sind die vielfältigsten der Makromoleküle, einschließlich Enzyme, Transportproteine, groß Signalisierung Moleküle, Antikörper, und Strukturproteine. Die Grundeinheit (oder das Monomer) eines Proteins ist eine Aminosäure, die ein zentrales Kohlenstoffatom aufweist, das kovalent an ein Wasserstoffatom gebunden ist, ein Aminogruppe, a Carboxylgruppe, und ein Seitenkette (oder R-Gruppe, "R" für Rückstände).[42] Es gibt zwanzig Aminosäuren, die die Bausteine ​​von Proteinen bilden, wobei jede Aminosäure eine eigene Seitenkette hat.[42] Die Polarität und Ladung der Seitenketten wirken sich auf die Löslichkeit von Aminosäuren aus. Eine Aminosäure mit einer Seitenkette, die polar und elektrisch geladen ist, ist löslich, da sie hydrophil ist, während eine Aminosäure mit einer Seitenkette, der ein geladenes oder elektronegatives Atom fehlt, hydrophoben ist und daher sich eher in Wasser auflöst.[42] Proteine ​​haben vier unterschiedliche Organisationsebenen (primär, sekundär, Tertiär-, und Quartens). Die Primärstruktur besteht aus einer einzigartigen Sequenz von Aminosäuren, die kovalent miteinander verbunden werden durch Peptidbindungen.[42] Die Seitenketten der einzelnen Aminosäuren können dann miteinander interagieren, was zur sekundären Struktur eines Proteins führt.[42] Die beiden gemeinsamen Arten von Sekundärstrukturen sind Alpha -Helices und Beta -Blätter.[42] Die Faltung von Alpha-Helices und Beta-Blättern ergibt ein Protein seine dreidimensionale oder tertiäre Struktur. Schließlich können mehrere tertiäre Strukturen zu der quaternären Struktur eines Proteins kombinieren.

Nukleinsäuren sind Polymere aus Monomeren, die als Nukleotide bezeichnet werden.[46] Ihre Funktion besteht darin, erbliche Informationen zu speichern, zu übertragen und auszudrücken.[43] Nukleotide bestehen aus einer Phosphatgruppe, einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker und einer stickstoffhaltigen Base. Ribonukleotide, die Ribose als Zucker enthalten, sind die Monomere von Ribonukleinsäure (RNA). Im Gegensatz dazu enthalten Desoxyribonukleotide Desoxyribose als Zucker und sind die Monomere von Desoxyribonukleinsäure (DNA). RNA und DNA unterscheiden sich auch in Bezug auf eine ihrer Basen.[46] Es gibt zwei Arten von Basen: Purines und Pyrimidine.[46] Die Purine umfassen Guanine (G) und Adenin (A) Während die Pyrimidine aus bestehen aus Zytosin (C), Uracil (U) und Thymin (T). Uracil wird in RNA verwendet, während Thymin in DNA verwendet wird. Zusammengenommen gibt es acht unterschiedliche Nukleotide, die zwei Arten von Nukleinsäuren bilden können: DNA (A, G, C und T) und RNA (A, G, C und U ).[46]

Zellen

Zelltheorie besagt, dass Zellen sind die grundlegenden Einheiten des Lebens, dass alle Lebewesen aus einem oder mehreren Zellen bestehen und dass alle Zellen aus bereits vorhandenen Zellen durch entstehen Zellteilung.[47] Die meisten Zellen sind sehr klein, mit Durchmesser im Bereich von 1 bis 100Mikrometer und sind daher nur unter a sichtbar hell oder Elektronenmikroskop.[48] Es gibt im Allgemeinen zwei Arten von Zellen: eukaryotisch Zellen, die a enthalten Kern, und prokaryotisch Zellen, die nicht. Prokaryoten sind Einzelzellorganismen wie zum Beispiel Bakterienwährend Eukaryoten einzelnzellig oder mehrzellig. Im mehrzellige OrganismenJede Zelle im Körper des Organismus wird letztendlich von a abgeleitet Einzelzelle in einem befruchteten Ei.

Zellstruktur

Struktur eines Tieres Zelle verschiedene darstellen Organellen

Jede Zelle ist in a eingeschlossen Zellmembran das trennt seine Zytoplasma von dem extrazellulärer Raum.[49] Eine Zellmembran besteht aus a lipiddoppelschicht, einschließlich Cholesterinspiegel das sitzt dazwischen Phospholipide ihre aufrechterhalten Flüssigkeit bei verschiedenen Temperaturen. Zellmembranen sind semipermeurbarund kleine Moleküle wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser durchlaufen, während die Bewegung größerer Moleküle und geladener Partikel wie z. Ionen.[50] Zellmembranen enthält auch Membranproteine, einschließlich Integrale Membranproteine das geht über die Membran, die als dient als Membrantransporter, und Peripheren Proteinen das lose an der Außenseite der Zellmembran befestigt und wirkt als Enzyme die Zelle formen.[51] Zellmembranen sind an verschiedenen zellulären Prozessen wie z. Zelladhäsion, elektrische Energie speichern, und Zellsignalisierung und dienen als Befestigungsoberfläche für mehrere extrazelluläre Strukturen wie a Zellenwand, Glycocalyx, und Zytoskelett.

Struktur einer Pflanzenzelle

Innerhalb der Zytoplasma einer Zelle gibt es viele Biomoleküle wie zum Beispiel Proteine und Nukleinsäuren.[52] Zusätzlich zu Biomolekülen haben eukaryotische Zellen spezielle Strukturen genannt Organellen die ihre eigenen Lipiddoppelschichten haben oder räumlich Einheiten sind.[53] Diese Organellen umfassen die Zellkern, was den größten Teil der DNA der Zelle enthält, oder Mitochondrien, was erzeugt Adenosintriphosphat (ATP), um zelluläre Prozesse zu betreiben. Andere Organellen wie z. endoplasmatisches Retikulum und Golgi Apparat spielen eine Rolle bei der Synthese und Verpackung von Proteinen. Biomoleküle wie Proteine ​​können von verschlungen werden Lysosomen, eine andere spezialisierte Organelle. Pflanzenzellen haben zusätzliche Organellen, die sie von unterscheiden Tierzellen so wie ein Zellenwand Das bietet Unterstützung für die Pflanzenzelle, Chloroplasten diese Ernte -Sonneneinstrahlung Energie zur Herstellung von Zucker und Vakuolen Dies bietet Speicher und strukturelle Unterstützung sowie an der Fortpflanzung und dem Zusammenbruch von Pflanzensamen.[53] Eukaryotische Zellen haben auch Zytoskelett, aus dem besteht Mikrotubuli, Zwischenfilamente, und Mikrofilamentealle, die alle die Zelle unterstützen und an der Bewegung der Zelle und ihrer Organellen beteiligt sind.[53] In Bezug auf ihre strukturelle Zusammensetzung bestehen die Mikrotubuli aus Tubulin (z.B., α-Tubulin und β-Tubulin Während der Zwischenfilamente aus faserigen Proteinen bestehen.[53] Mikrofilamente bestehen aus Aktin Moleküle, die mit anderen Proteinensträngen interagieren.[53]

Stoffwechsel

Beispiel eines Enzymkatalysen exotherm Reaktion

Alle Zellen benötigen Energie zelluläre Prozesse aufrechtzuerhalten. Energie ist die Fähigkeit zu tun Arbeit, welches in Thermodynamik, kann mit Verwendung berechnet werden Gibbs freie Energie. Laut dem Erstes Gesetz der Thermodynamik, Energie ist konserviert, d.h. kann nicht geschaffen oder zerstört werden. Somit, chemische Reaktionen In einer Zelle erzeugen keine neue Energie, sondern befinden sich stattdessen in die Transformation und Energieübertragung.[54] Trotzdem führen alle Energieübertragungen zu einem gewissen Verlust der nutzbaren Energie, was zunimmt Entropie (oder Zustand der Störung), wie von der angegeben Zweites Gesetz der Thermodynamik. Infolgedessen benötigt ein Organismus einen kontinuierlichen Energieeinsatz, um einen geringen Entropiezustand aufrechtzuerhalten. In den Zellen kann Energie während der Elektronen während der Übertragung während Redox (Reduktionsoxidation) Reaktionen, in kovalenten Bindungen gespeichert und durch die Bewegung von Ionen (z. B. Wasserstoff, Natrium, Kalium) über eine Membran erzeugt.

Stoffwechsel ist der Satz von Leben-Sturant chemische Reaktionen in Organismen. Die drei Hauptzwecke des Stoffwechsels sind: die Umwandlung von Lebensmitteln zu Energie zelluläre Prozesse ausführen; die Umwandlung von Lebensmitteln/Kraftstoff in Bausteine ​​für Proteine, Lipide, Nukleinsäuren, und einige Kohlenhydrate; und die Beseitigung von Stoffwechselabfälle. Diese Enzym-Katalysierte Reaktionen ermöglichen es Organismen, zu wachsen und zu reproduzieren, ihre Strukturen aufrechtzuerhalten und auf ihre Umgebungen zu reagieren. Stoffwechselreaktionen können als kategorisiert werden katabolisch- Das Abbau von Verbindungen (zum Beispiel das Abbau von Glucose zu Pyruvat von durch Zellatmung); oder Anabolisch- Das Gebäude (Synthese) von Verbindungen (wie Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden und Nukleinsäuren). Normalerweise setzt der Katabolismus Energie frei, und der Anabolismus verbraucht Energie.

Die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels sind in organisiert in Stoffwechselwege, in dem eine Chemikalie durch eine Reihe von Schritten in eine andere Chemikalie umgewandelt wird, wobei jeder Schritt durch eine bestimmte Erleichterung erleichtert wird Enzym. Enzyme sind für den Stoffwechsel von entscheidender Energie das wird nicht von selbst vorkommen, von Kupplung Sie zu Spontane Reaktionen Diese Freisetzungsenergie. Enzyme wirken als Katalysatoren- Sie ermöglichen eine Reaktion, schneller vorzugehen, ohne von ihr konsumiert zu werden - durch die Reduzierung der Menge an Aktivierungsenergie mussten konvertieren Reaktanten hinein Produkte. Enzyme erlauben auch das Verordnung der Geschwindigkeit einer Stoffwechselreaktion, zum Beispiel als Reaktion auf Veränderungen in der Zellen Umwelt oder zu Signale aus anderen Zellen.

Zellatmung

Atmung in a Eukaryotische Zelle

Zellatmung ist ein Satz von Stoffwechsel- Reaktionen und Prozesse, die in der stattfinden Zellen von Organismen umwandeln chemische Energie aus Nährstoffe hinein Adenosintriphosphat (ATP) und dann Abfallprodukte freigeben.[55] Die Reaktionen bei der Atmung sind Katabolische Reaktionen, die große Moleküle in kleinere zerlegen und Energie freisetzen. Die Atmung ist eine der wichtigsten Möglichkeiten, wie eine Zelle chemische Energie freigibt, um die zelluläre Aktivität zu befeuern. Die Gesamtreaktion tritt in einer Reihe von biochemischen Schritten auf, von denen einige sind Redox Reaktionen. Obwohl die Zellatmung technisch gesehen a ist VerbrennungsreaktionEs ähnelt eindeutig nicht einem, wenn es in einer Zelle aufgrund der langsamen, kontrollierten Energiefreisetzung aus der Reihe von Reaktionen auftritt.

Zucker in Form von Glucose ist der Hauptnährstoff, der von tierischen und pflanzlichen Zellen bei der Atmung verwendet wird. Die Zellatmung mit Sauerstoff wird als aerobe Atmung bezeichnet, die vier Stufen aufweist: Glykolyse, Zitronensäurezyklus (oder Krebszyklus), Elektronentransportkette, und Oxidative Phosphorylierung.[56] Die Glykolyse ist ein Stoffwechselprozess, der im Zytoplasma auftritt, bei dem Glucose in zwei umgewandelt wird Pyruvatemit zwei Nettomolekülen von ATP werden gleichzeitig erzeugt.[56] Jedes Pyruvat wird dann oxidiert in Acetyl-CoA bis zum pyruvate dehydrogenase complex, was auch erzeugt NADH und Kohlendioxid. Acetyl-CoA tritt in den Zitronensäurezyklus ein, der sich innerhalb der mitochondrialen Matrix befindet. Am Ende des Zyklus beträgt die Gesamtausbeute von 1 Glucose (oder 2 Pyruvaten) 6 NADH, 2 FADH2und 2 ATP -Moleküle. Schließlich ist die nächste Stufe die oxidative Phosphorylierung, die in Eukaryoten in der vorkommt Mitochondrien -Cristae. Die oxidative Phosphorylierung umfasst die Elektronentransportkette, das ist eine Reihe von vier Proteinkomplexe Diese Übertragung von Elektronen von einem Komplex zum anderen, wodurch Energie von Nadh und Fadh veröffentlicht wird2 Das ist mit dem Pumpen von Protonen (Wasserstoffionen) über die innere Mitochondrienmembran (Wasserstoffionen) verbunden (Chemiosmose), was a erzeugt a Protonenbewegungskraft.[56] Energie aus der Protonenmotivkraft treibt das Enzym an ATP -Synthase mehr ATPs von synthetisieren von Phosphorylierung ADPs. Die Übertragung von Elektronen endet, wobei molekularer Sauerstoff der endgültige ist Elektronenakzeptor.

Wenn Sauerstoff nicht vorhanden wäre, würde Pyruvat nicht durch zelluläre Atmung metabolisiert, sondern unterliegt einem Prozess von Fermentation. Das Pyruvat wird nicht in den Mitochondrion transportiert, sondern bleibt im Zytoplasma, wo es umgewandelt wird Abfallprodukte Das kann aus der Zelle entfernt werden. Dies dient dem Zweck der Oxidation der Elektronenträger, damit sie die Glykolyse erneut durchführen und das überschüssige Pyruvat entfernen können. Fermentation oxidiert NADH zu NAD+ Es kann also in der Glykolyse wiederverwendet werden. In Abwesenheit von Sauerstoff verhindert die Fermentation den Aufbau von NADH im Zytoplasma und liefert NAD+ Für die Glykolyse. Dieses Abfallprodukt variiert je nach Organismus. In Skelettmuskeln ist das Abfallprodukt Milchsäure. Diese Art der Fermentation heißt Milchsäurefermentation. Bei anstrengender Bewegung kann die Atemkette nicht alle von NADH verbundenen Wasserstoffatome verarbeiten, wenn die Energieanforderungen die Energieversorgung überschreiten. Während der anaeroben Glykolyse, NAD+ regeneriert, wenn Wasserstoffpaare mit Pyruvat zu Laktat kombinieren. Die Laktatbildung wird durch Laktatdehydrogenase in einer reversiblen Reaktion katalysiert. Laktat kann auch als indirekter Vorläufer für Leberglykogen verwendet werden. Während der Genesung, wenn Sauerstoff verfügbar wird, nad+ Bindung an Wasserstoff von Laktat, um ATP zu bilden. In Hefe sind die Abfallprodukte Ethanol und Kohlendioxid. Diese Art der Fermentation wird als alkoholisch oder bezeichnet Ethanolfermentation. Der in diesem Prozess generierte ATP wird von hergestellt von substrate-level phosphorylation, was keinen Sauerstoff erfordert.

Photosynthese

Photosynthese verändert das Sonnenlicht in chemische Energie, spaltet Wasser auf, um o zu befreien2, und fixiert co2 in Zucker.

Photosynthese ist ein Prozess, der von Pflanzen und anderen Organismen verwendet wird Konvertieren Lichtenergie hinein chemische Energie Dies kann später freigelassen werden, um die Stoffwechselaktivitäten des Organismus durch zu befeuern Zellatmung. Diese chemische Energie wird in gespeichert Kohlenhydrat Moleküle wie z. Zucker, die synthetisiert werden aus Kohlendioxid und Wasser.[57][58][59] In den meisten Fällen, Sauerstoff wird auch als Abfallprodukt freigesetzt. Die meisten Pflanzen, Algen, und Cyanobakterien Führen Sie die Photosynthese durch, die größtenteils für die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre und liefert den größten Teil der Energie, die für notwendig ist Leben auf der Erde.[60]

Die Photosynthese hat vier Stufen: Lichtabsorption, Elektronentransport, ATP -Synthese und Kohlenstoff-Fixierung.[56] Lichtabsorption ist der ursprüngliche Schritt der Photosynthese, bei der Lichtenergie von absorbiert wird Chlorophyll Pigmente, die an Proteinen in der gebunden sind Thylakoid -Membranen. Die absorbierte Lichtergie wird verwendet, um Elektronen von einem Spender (Wasser) zu einem primären Elektronenakzeptor zu entfernen, a Quinon Als Q. In der zweiten Stufe bezeichnen die Elektronen vom Quinon -Primärelektronenakzeptor über eine Reihe von Elektronenträgern, bis sie einen endgültigen Elektronenakzeptor erreichen, der normalerweise die oxidierte Form von NADP ist+, welches ist reduziert An NADPH, ein Prozess, der in einem Proteinkomplex stattfindet, der genannt wird Photosystem i (PSI). Der Transport von Elektronen ist mit der Bewegung von Protonen (oder Wasserstoff) vom Stroma zur Thylakoidmembran gekoppelt, die einen pH -Gradienten über die Membran bildet, wenn Wasserstoff im Lumen stärker konzentriert wird als im Stroma. Dies ist analog zu der Protonenmotivkraft, die bei der aeroben Atmung über die innere mitochondriale Membran erzeugt wird.[56]

Während der dritten Photosynthese befindet sich die Bewegung von Protonen auf ihre Konzentrationsgradienten Von dem Thylakoid -Lumen bis zum Stroma über die ATP -Synthase wird mit derselben ATP -Synthase an die Synthese von ATP gekoppelt.[56] Der NADPH und ATP Lichtabhängige Reaktionen Stellen Sie im zweiten bzw. dritten Stadium die Energie und Elektronen zur Verfügung, um die Synthese von Glucose durch Fixieren von atmosphärischem Kohlendioxid in bestehende organische Kohlenstoffverbindungen wie z. Ribulose -Bisphosphat (Rubp) in einer Folge von hellunabhängigen (oder dunklen) Reaktionen, die als die genannt werden Calvin -Zyklus.[61]

Zellsignalisierung

Zellkommunikation (oder Signalisierung) ist die Fähigkeit von Zellen Signale mit seiner Umgebung und mit sich selbst zu empfangen, zu verarbeiten und zu übertragen.[62][63] Signale können nicht chemisch sein, z. B. Licht, elektrische Impulseund Wärme oder chemische Signale (oder Liganden) das interagieren mit Rezeptoren, was gefunden werden kann eingebettet in dem Zellmembran einer anderen Zelle oder befindet sich tief im Inneren eine Zelle.[64][63] Es gibt im Allgemeinen vier Arten von chemischen Signalen: Autokrine, Parakrin, Juxtacrine, und Hormone.[64] Bei der autokrinen Signalübertragung betrifft der Ligand dieselbe Zelle, die sie freigibt. Tumor Zellen können beispielsweise unkontrolliert reproduzieren, weil sie Signale freisetzen, die ihre eigene Selbstabteilung initiieren. Bei der parakrinen Signalübertragung diffundiert der Liganden in nahegelegenen Zellen und beeinflusst sie. Zum Beispiel Gehirnzellen genannt Neuronen Release -Liganden aufgerufen Neurotransmitter das diffuse über a synaptischer Spalt mit einem Rezeptor an einer benachbarten Zelle wie einem anderen Neuron oder einem Rezeptor zu binden Muskelzelle. Bei der Juxtacrine -Signalübertragung besteht ein direkter Kontakt zwischen den Signal- und reagierenden Zellen. Schließlich sind Hormone Liganden, die durch die reisen Kreislaufsysteme von Tieren oder Gefäßsysteme von Pflanzen, um ihre Zielzellen zu erreichen. Sobald ein Ligand mit einem Rezeptor bindet, kann er je nach Art des Rezeptors das Verhalten einer anderen Zelle beeinflussen. Zum Beispiel Neurotransmitter, die mit einem binden Inotrope Rezeptor kann das ändern Erregbarkeit einer Zielzelle. 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 initiieren second messenger Kaskaden. Der Prozess, durch den ein chemisches oder physikalisches Signal durch eine Zelle als a übertragen wird Reihe von molekularen Ereignissen wird genannt Signaltransduktion

Zellzyklus

In Meiose duplizieren die Chromosomen und die Homologe Chromosomen Austauschen Sie genetische Informationen während der Meiose I. Die Tochterzellen teilen sich wieder in Meiose II, um Haploid zu bilden Gameten.

Das Zellzyklus ist eine Reihe von Veranstaltungen, die in einem stattfinden Zelle Das führt dazu, dass es sich in zwei Tochterzellen unterteilt. Diese Ereignisse umfassen die Duplizierung seiner DNA und einige seiner Organellenund die anschließende Aufteilung seines Zytoplasmas in zwei Tochterzellen in einem Prozess genannt Zellteilung.[65] Im Eukaryoten (d. h., Tier, Pflanze, Pilz-, und Protist Zellen), es gibt zwei verschiedene Arten von Zellteilung: Mitose und Meiose.[66] Mitose ist Teil des Zellzyklus, in dem repliziert wurde Chromosomen werden in zwei neue Kerne getrennt. Die Zellteilung führt zu genetisch identischen Zellen, in denen die Gesamtzahl der Chromosomen beibehalten wird. Im Allgemeinen geht Mitose (Teilung des Kerns) im S -Stadium von voraus Interphase (Während dessen wird die DNA repliziert) und wird häufig gefolgt Telophase und Zytokinese; das teilt die Zytoplasma, Organellen und Zellmembran von einer Zelle in zwei neue Zellen enthält ungefähr gleiche Aktien dieser zellulären Komponenten. Die verschiedenen Mitosestadien definieren die mitotische Phase eines Tierzellzyklus - die Teilung der Mutterzelle in zwei genetisch identische Tochterzellen.[67] Der Zellzyklus ist ein wichtiger Prozess, durch den ein einzelner Zell befruchtetes Ei entwickelt sich zu einem reifen Organismus sowie zu dem Prozess, durch den Haar, Haut, Blutzellen, und einige innere Organe werden erneuert. Nach der Zellteilung beginnt jede der Tochterzellen die Interphase eines neuen Zyklus. Im Gegensatz zur Mitose führt die Meiose zu vier haploiden Tochterzellen, indem es einer Runde der DNA -Replikation unterzogen wird, gefolgt von zwei Abteilungen.[68] Homologe Chromosomen sind in der ersten Division getrennt (Meiose i) und Schwesterchromatiden sind in der zweiten Division getrennt (Meiose II). Beide Zellteilungszyklen werden im Prozess der sexuellen Reproduktion irgendwann in ihrem Lebenszyklus verwendet. Es wird angenommen, dass beide im letzten eukaryotischen gemeinsamen Vorfahren vorhanden sind.

Prokaryoten (d. h., Archaea und Bakterien) kann auch eine Zellteilung unterziehen (oder Zellteilung). Im Gegensatz zu den Prozessen von Mitose und Meiose In Eukaryoten findet eine binäre Spaltung Prokaryoten ohne die Bildung von a statt Spindelapparat in der Zelle. Vor der Binärspaltung ist die DNA im Bakterium eng aufgewickelt. Nachdem es gefüllt und dupliziert hat, wird es an die getrennten Pole des Bakteriums gezogen, da es die Größe für die Vorbereitung auf die Spaltung erhöht. Das Wachstum einer neuen Zellwand beginnt das Bakterium zu trennen (ausgelöst durch Ftsz Polymerisation und "Z-Ring" -Fildung)[69] Die neue Zellwand (Septum) entsteht vollständig, was zu einer vollständigen Spaltung des Bakteriums führt. Die neuen Tochterzellen haben dicht gewickte DNA -Stäbe, Ribosomen, und Plasmide.

Genetik

Nachlass

Punnett Quadrat Darstellung einer Kreuzung zwischen zwei Erbsenpflanzen heterozygot für lila (b) und weiße (b) Blüten

Genetik ist die wissenschaftliche Untersuchung der Erbschaft.[70][71][72] Mendelsche ErbeInsbesondere ist der Prozess, durch den Gene und Merkmale von den Eltern an Nachkommen weitergegeben werden.[32] Es wurde von formuliert von Gregor Mendelbasierend auf seiner Arbeit mit Erbsenpflanzen Mitte des neunzehnten Jahrhunderts. Mendel etablierte mehrere Prinzipien der Vererbung. Das erste ist, dass genetische Eigenschaften, die jetzt genannt werden Allele, sind diskret und haben alternative Formen (z. B. lila gegen weiß oder groß gegen Zwerg), die jeweils von einem von zwei Eltern geerbt wurden. Basierend auf seinem Gesetz der Dominanz und Einheitlichkeit, was besagt, dass einige Allele sind Dominant während andere sind rezessiv; Ein Organismus mit mindestens einem dominanten Allel zeigt das Phänotyp Von diesem dominanten Allel.[73] Ausnahmen zu dieser Regel umfassen Penetranz und Ausdrucksfähigkeit.[32] Mendel bemerkte, dass während der Gamete -Formation die Allele für jedes Gen voneinander getrennt sind, so dass jedes Gamete nur ein Allel für jedes Gen trägt, das von seinem angegeben wird Gesetz der Segregation. Heterozygot Individuen produzieren Gameten mit einer gleichen Häufigkeit von zwei Allelen. Schließlich formulierte Mendel die Gesetz des unabhängigen Sortiments, was besagt, dass Gene unterschiedlicher Merkmale während der Bildung von Gameten unabhängig voneinander getrennt werden können, d. H. Gene sind nicht verknüpft. Eine Ausnahme zu dieser Regel würde Merkmale enthalten, die sind Geschlechtsgebunden. Testkreuze kann durchgeführt werden, um die zugrunde liegenden experimentell zu bestimmen Genotyp eines Organismus mit einem dominanten Phänotyp.[74] A Punnett Quadrat Kann verwendet werden, um die Ergebnisse eines Testkreuzes vorherzusagen. Das Chromosomenentheorie der Vererbung, was besagt, dass Gene auf Chromosomen gefunden werden, wurde von unterstützt von Thomas MorgansExperimente mit Fruchtfliegen, was die festlegte Sexualverknüpfung zwischen Augenfarbe und Sex In diesen Insekten.[75] Bei Menschen und anderen Säugetieren (z. B. Hunde) ist es nicht machbar oder praktisch, Test -Kreuz -Experimente durchzuführen. Stattdessen, Stammbäume, die genetische Darstellungen von Stammbäumen sind,[76] werden stattdessen verwendet, um die Vererbung eines bestimmten Merkmals oder einer bestimmten Krankheit über mehrere Generationen zu verfolgen.[77]

DNA

Basen liegen zwischen zwei spiralförmigen DNA -Strängen.

A Gen ist eine Einheit von Vererbung Das entspricht einer Region von Desoxyribonukleinsäure (DNA) das trägt genetisch Informationen, die die Form oder Funktion eines Organismus auf bestimmte Weise beeinflussen. DNA ist a Molekül bestehend aus zwei Polynukleotid Ketten, die sich um einander umgehen, um a zu bilden Doppelhelix, was zum ersten Mal beschrieben wurde von James Watson und Francis Crick 1953.[78] Es wird als linear gefunden Chromosomen in Eukaryotenund kreisförmige Chromosomen in Prokaryoten. Ein Chromosom ist eine organisierte Struktur, die aus DNA besteht und besteht Histone. Die Reihe von Chromosomen in einer Zelle und alle anderen erblichen Informationen in der Mitochondrien, Chloroplastenoder an andere Orte wird gemeinsam als Zelle bezeichnet Genom. In Eukaryoten ist die genomische DNA in der lokalisiert Zellkern, oder mit kleinen Mengen in Mitochondrien und Chloroplasten.[79] In Prokaryoten wird die DNA innerhalb eines unregelmäßig geformten Körpers im Zytoplasma als das als das genannt gehalten Nukleoid.[80] Die genetischen Informationen in einem Genom werden in Genen gehalten, und die vollständige Anordnung dieser Informationen in einem Organismus wird als ITS bezeichnet Genotyp.[81] Gene codieren die Informationen, die von Zellen für die Synthese von Proteinen benötigt werden, was wiederum eine zentrale Rolle bei der Beeinflussung des Finales spielt Phänotyp des Organismus.

Die beiden Polynukleotidstränge, aus denen DNA in entgegengesetzte Richtungen zueinander läuft und so sind Antiparallel. Jeder Strang besteht aus Nukleotide,[82][83] mit jedem Nukleotid, der eines von vier Stickstoff enthält Basen (Zytosin [C], Guanine [G], Adenin [A] oder Thymin [T]), a Zucker genannt Desoxyribose, und ein Phosphatgruppe. Die Nukleotide werden in einer Kette voneinander miteinander verbunden kovalente Bindungen zwischen dem Zucker eines Nukleotids und dem Phosphat des nächsten, was zu einer abwechselnden Zucker-Phosphat-Rückgrat. Es ist der Reihenfolge Von diesen vier Basen entlang des Rückgrats, das genetische Informationen codiert. Basen der beiden Polynukleotidstränge sind durch zusammengefasst durch Wasserstoffbrücken, entsprechend Basispaarung Regeln (a mit T und C mit G), um doppelsträngige DNA herzustellen. Die Basen sind in zwei Gruppen unterteilt: Pyrimidine und Purines. In DNA sind die Pyrimidine Thymin und Zytosin, während die Purine Adenin und Guanin sind.

Es gibt Rillen Das läuft entlang der gesamten Länge der Doppelhelix aufgrund des ungleichmäßigen Abstands der DNA -Stränge relativ zueinander.[78] Beide Rillen unterscheiden sich in der Größe, wobei die Hauptnut größer ist und daher für die Bindung von Proteinen besser zugänglich ist als die kleine Rille.[78] Die Außenkanten der Basen sind diesen Rillen ausgesetzt und sind daher für eine zusätzliche Wasserstoffbrücke zugänglich.[78] Da jede Rille zwei mögliche Basis-Pair-Konfigurationen (G-C und A-T) haben kann, gibt es vier mögliche Basis-Pair-Konfigurationen innerhalb der gesamten Doppelhelix, von denen jedes chemisch von einem anderen unterscheidet.[78] Infolgedessen können Proteinmoleküle spezifische Basis-Pair-Sequenzen erkennen und an die Grundlage spezifischer DNA-Protein-Wechselwirkungen sind.

DNA Replikation ist ein semikonservativ Prozess, bei dem jeder Strang als Vorlage für einen neuen DNA -Strang dient.[78] Der Prozess beginnt mit dem unwunderlosen Doppelhelix bei einem Ursprung der Replikation, was die beiden Stränge trennt und dadurch sie als zwei Vorlagen zur Verfügung stellt. Darauf folgt die Bindung des Enzyms Primase zur Vorlage, um eine Starter -RNA (oder DNA in einigen Viren) zu synthetisieren, die als a genannt wird Grundierung von der 5 'bis 3' Ort.[78] Sobald der Primer abgeschlossen ist, wird die Primase aus der Vorlage freigesetzt, gefolgt von der Bindung des Enzyms DNA -Polymerase zur gleichen Vorlage, um neue DNA zu synthetisieren. Die Rate der DNA -Replikation in einer lebenden Zelle wurde unter idealen Bedingungen als 749 Nukleotide gemessen.[84]

Die DNA -Replikation ist nicht perfekt, da die DNA -Polymerase manchmal Basen einfügt, die nicht zur Vorlage komplementär sind (z. B. in den Strang gegenüber G im Vorlagestrand eingeben).[78] In Eukaryoten der anfängliche Fehler oder Mutationsrate ist ungefähr 1 von 100.000.[78] Korrekturlesen und Nichtübereinstimmung Reparatur sind die beiden Mechanismen, die diese Fehler reparieren, wodurch die Mutationsrate auf 10 reduziert wird–10, besonders vor und nach einem Zellzyklus.[78]

Mutationen sind vererbbare Veränderungen in der DNA.[78] Sie können entstehen spontan Infolge von Replikationsfehlern, die nicht durch Korrekturlesen korrigiert wurden oder sein können induziert durch eine Umwelt Mutagen wie eine Chemikalie (z. B.,, Salpetersäure, Benzopyren) oder Strahlung (z. B., Röntgen, Gamma Ray, UV-Strahlung, Partikel, die durch instabile Isotope emittiert werden).[78] Mutationen können als Veränderung der einzelnen Basis oder in größerem Maßstab mit chromosomalen Mutationen wie z. Löschungen, Inversionen, oder Translokationen.[78]

In mehrzelligen Organismen können Mutationen in auftreten somatisch oder Keimbahn Zellen.[78] In somatischen Zellen werden die Mutationen während der Mitose an Tochterzellen weitergegeben.[78] In einer Keimbahnzelle wie einem Sperma oder einem Ei tritt die Mutation in einem Organismus bei der Befruchtung auf.[78] Mutationen können zu verschiedenen Arten von phänotypischen Effekten führen, wie z. B. stille Funktionsverlust, Funktionsgewinnund bedingte Mutationen.[78]

Einige Mutationen können von Vorteil sein, da sie eine Quelle von sind genetische Variation für die Evolution.[78] Andere können schädlich sein, wenn sie zu einem Funktionsverlust von Genen führen, die für das Überleben benötigt werden.[78] Mutagene wie Karzinogene werden in der Regel als Frage von vermieden Politik der öffentlichen Gesundheit Tore.[78] Ein Beispiel ist das Verbot von Chlorfluorkohlenwasserstoffe (Vgl.) Von der Montreal-Protokoll, wie CFCs dazu neigen, die zu erschöpfen Ozonschicht, was zu einer mehr ultravioletten Strahlung von der Sonne führt, die durch die obere Atmosphäre der Erde führt, wodurch somatische Mutationen verursacht werden Hautkrebs.[78] Ähnlich, Rauchverbote wurden weltweit durchgesetzt, um die Inzidenz von zu verringern Lungenkrebs.[78]

Genexpression

Das erweiterte zentrales Dogma der molekularen Biologie Enthält alle Prozesse, die am Fluss genetischer Informationen beteiligt sind.

Genexpression ist der molekulare Prozess, durch den a Genotyp führt zu a Phänotyp, d.h., beobachtbares Merkmal. Die genetischen Informationen gespeichert in DNA repräsentiert den Genotyp, während der Phänotyp aus der Synthese von Proteinen resultiert, die die Struktur und Entwicklung eines Organismus steuern oder als Enzyme Katalyse spezifischer Stoffwechselwege. Dieser Prozess wird von der zusammengefasst zentrales Dogma der molekularen Biologie, was formuliert wurde durch Francis Crick 1958.[85][86][87] Laut dem zentralen Dogma fließt genetische Information von DNA zu RNA zu Protein. Daher gibt es zwei Genexpressionsprozesse: Transkription (DNA zu RNA) und Übersetzung (RNA zu Protein).[88] Diese Prozesse werden nach allen Leben verwendet -Eukaryoten (einschließlich mehrzellige Organismen), Prokaryoten (Bakterien und Archaea) und werden von genutzt von Viren- um die zu generieren Makromolekular Maschinen fürs Leben.

Während der Transkription, Messenger -RNA (mRNA) Stränge werden unter Verwendung von DNA -Strängen als Vorlage erstellt, die initiiert wird, wenn RNA -Polymerase bindet an eine DNA -Sequenz namens a Promoter, was die RNA anweist, mit der Transkription eines der beiden DNA -Stränge zu beginnen.[89] Die DNA -Basen werden gegen ihre entsprechenden Basen ausgetauscht, außer im Fall von Thymin (T), für den RNA -Substitute ersetzt Uracil (U).[90] In Eukaryoten enthält ein großer Teil der DNA (z. B.> 98% beim Menschen) Nichtkodierung genannt Introns, die nicht als Muster für dienen Proteinsequenzen. Die Codierungsregionen oder exons werden zusammen mit den Introns in der durchsetzt Primäres Transkript (oder prä-mRNA).[89] Vor der Translation wird die Prä-mRNA weiter verarbeitet, wobei die Introns entfernt (oder gespleißt) werden, wodurch nur die Spleiß-Exons im reifen mRNA-Strang bleiben.[89]

Die Translation von mRNA zu Protein tritt in auf Ribosomenwobei der transkribierte mRNA -Strand die Sequenz von angibt Aminosäuren innerhalb von Proteinen mit dem genetischer Code. Genprodukte sind oft Proteine, aber in nicht proteinkodierenden Genen wie z. RNA (TRNA) übertragen und Kleine nukleare RNA (snRNA), das Produkt ist funktional Nichtkodierende RNA.[91][92]

Genregulation

Regulation verschiedener Stadien der Genexpression

Das Regulation der Genexpression (oder Genregulation) durch Umweltfaktoren und in verschiedenen Stadien von Entwicklung kann bei jedem Schritt des Prozesses auftreten, z. Transkription, RNA -Spleißen, Übersetzung, und posttranslationale Modifikation eines Proteins.[93]

Die Fähigkeit der Gen -Transkription, reguliert zu werden, ermöglicht die Erhaltung von Energie, da Zellen nur bei Bedarf Proteine ​​herstellen.[93] Die Genexpression kann durch eine positive oder negative Regulation beeinflusst werden, abhängig davon, welcher der beiden Arten von regulatorischen Proteinen nannte Transkriptionsfaktoren Binden Sie an die DNA -Sequenz in der Nähe oder bei einem Promotor.[93] Eine Gruppe von Genen, die denselben Promotor teilen Operon, hauptsächlich in Prokaryoten und einigen niedrigeren Eukaryoten (z. B.,,,,, Caenorhabditis elegans).[93][94] Es wurde zuerst in identifiziert in Escherichia coli- eine prokaryotische Zelle, die in der gefunden werden kann Innereien von Menschen und anderen Tieren - in den 1960er Jahren von François Jacob und Jacques Monod.[93] Sie untersuchten die prokaryotischen Zellen lac Operon, was Teil von drei Genen ist (lacz, Spitzen, und laca), die drei laktose-metabolisierende Enzyme codieren (β-Galactosidase, β-Galactosid-Permease, und β-Galactosid-Transacetylase).[93] In der positiven Regulation der Genexpression die Aktivator ist der Transkriptionsfaktor, der die Transkription stimuliert, wenn sie an die Sequenz in der Nähe oder am Promotor bindet. Im Gegensatz dazu tritt eine negative Regulation auf, wenn ein anderer Transkriptionsfaktor a genannt wird Repressor bindet an eine DNA -Sequenz, die als ein bezeichnet wird Operator, die Teil eines Operons ist, um Transkription zu verhindern. Wenn ein Repressor an ein repressibles Operon bindet (z. B.,, Trp Operon), es tut dies nur in Gegenwart von a Corepressor. Repressoren können durch Verbindungen gehemmt werden, die genannt werden Induktoren (z.B., Allolaktose), die ihre Auswirkungen durch Bindung an einen Repressor ausüben, um zu verhindern, dass er an einen Operator binden, wodurch eine Transkription auftritt.[93] Spezifische Gene, die von Induktoren aktiviert werden können induzierbare Gene (z.B., lacz oder laca in E coli), die im Gegensatz zu stehen konstitutive Gene das sind fast immer aktiv.[93] Im Gegensatz zu beiden, Strukturgene codieren Proteine, die nicht an der Genregulation beteiligt sind.[93]

In prokaryotischen Zellen wird die Transkription durch Proteine ​​reguliert, die genannt werden Sigma -Faktoren, die an RNA -Polymerase binden und sie an bestimmte Promotoren lenken.[93] In ähnlicher Weise können Transkriptionsfaktoren in eukaryotischen Zellen auch die Expression einer Gruppe von Genen koordinieren, auch wenn sich die Gene selbst auf verschiedenen Chromosomen befinden.[93] Die Koordination dieser Gene kann auftreten, solange sie dieselbe regulatorische DNA -Sequenz haben, die an die gleichen Transkriptionsfaktoren binden.[93] Promotoren in eukaryotischen Zellen sind vielfältiger, enthält jedoch tendenziell eine Kernsequenz, an die RNA -Polymerase binden kann, wobei die häufigste Sequenz die ist Tata Box, was mehrere wiederholte A- und T -Basen enthält.[93] Speziell, RNA -Polymerase II ist die RNA-Polymerase, die an einen Promotor bindet Allgemeine Transkriptionsfaktoren, die sich von den Transkriptionsfaktoren unterscheiden, die regulatorische Wirkungen haben, d. H. Aktivatoren und Repressoren.[93] In eukaryotischen Zellen werden DNA -Sequenzen, die mit Aktivatoren binden, verstärkt, während jene Sequenzen, die mit Repressoren binden, als Schalldämpfer bezeichnet werden.[93] Transkriptionsfaktoren wie z. Kernfaktor von aktivierten T-Zellen (NFAT) sind in der Lage, eine spezifische Nucleotidsequenz basierend auf der Basissequenz (z. B. cgaggaaaattg für nFAT) der Bindungsstelle zu identifizieren, die die Anordnung der chemischen Gruppen innerhalb dieser Sequenz bestimmt, die spezifische DNA-Protein-Wechselwirkungen ermöglicht.[93] Die Expression von Transkriptionsfaktoren ist das, was zugrunde liegt zelluläre Differenzierung in einer Entwicklung Embryo.[93]

Zusätzlich zu regulatorischen Ereignissen, die den Promotor betreffen, kann die Genexpression auch durch reguliert werden epigenetisch Änderungen zu Chromatin, ein Komplex von DNA und Protein, der in eukaryotischen Zellen gefunden wird.[93]

Post-Transkriptionskontrolle von mRNA kann die betreffen alternatives Spleißen von Primäre mRNA -Transkripte, was zu einem einzigen Gen führt, das zu unterschiedlichen reifen mRNAs führt, die eine Familie verschiedener Proteine ​​kodieren.[93][95] Ein gut untersuchtes Beispiel ist das Sxl Gen in Drosophiladas bestimmt die Sex bei diesen Tieren. Das Gen selbst enthält vier Exons und alternatives Spleißen seines prä-mRNA-Transkripts kann zwei aktive Formen des SXL-Proteins bei weiblichen Fliegen und einer in inaktiven Form des Proteins bei Männern erzeugen.[93] Ein anderes Beispiel ist das menschlicher Immunschwächevirus (HIV), das ein einzelnes prä-mRNA-Transkript hat, das aufgrund alternativer Spleißen bis zu neun Proteine ​​erzeugen kann.[93] Beim Menschen werden achtzig Prozent aller 21.000 Gene alternativ gespleißt.[93] Angesichts der Tatsache, dass sowohl Schimpansen als auch Menschen eine ähnliche Anzahl von Genen haben, wird angenommen, dass ein alternatives Spleißen aufgrund der größeren Anzahl alternativer Spleißen im menschlichen Gehirn als im Gehirn von Schimpansen zur Komplexität des letzteren beigetragen hat.[93]

Die Translation kann auf drei bekannte Arten reguliert werden, von denen eine die Bindung winziger RNA -Moleküle beinhaltet microRNA (miRNA) zu einem Ziel -mRNA -Transkript, das seine Translation hemmt und es abschließt.[93] Die Translation kann auch durch die Modifikation der 5' -Kappe durch Ersetzen des modifizierten Guanosintriphosphat (GTP) am 5' -Ende einer mRNA für ein nicht modifiziertes GTP -Molekül inhibiert werden.[93] Schließlich können translationale Repressor -Proteine ​​an mRNAs binden und verhindern, dass sie an einem Ribosom angeschlossen werden, wodurch die Übersetzung blockiert wird.[93]

Nach der Übersetzung kann die Stabilität von Proteinen durch Abbau reguliert werden.[93] Ein häufiges Beispiel ist, wenn ein Enzym ein regulatorisches Protein nennt Ubiquitin zum Lysin Rückstand eines gezielten Proteins.[93] Andere Ubiquitine, die dann an das primäre Ubiquitin gebunden sind, um ein polyubiquitiniertes Protein zu bilden, das dann in einen viel größeren Proteinkomplex eintritt Proteasom.[93] Sobald das polyubiquitinierte Protein in das Proteasom eintritt Proteasen.[93]

Genome

Zusammensetzung des menschlichen Genoms

A Genom ist ein Organismus vollständiger Satz von DNA, einschließlich aller Gene.[96] Die Sequenzierung und Analyse von Genomen kann unter Verwendung eines hohen Durchsatzes durchgeführt werden DNA-Sequenzierung und Bioinformatik Zusammensetzung und Analyse der Funktion und Struktur ganzer Genome.[97][98][99] Die Genome von Prokaryoten sind klein, kompakt und vielfältig. Im Gegensatz dazu sind die Genome von Eukaryoten größer und komplexer wie mehr regulatorische Sequenzen und ein Großteil seines Genoms besteht aus nichtkodierenden DNA-Sequenzen für funktionelle RNA (rRNA, tRNA, und mRNA) oder regulatorische Sequenzen. Die Genome verschiedener Modellorganismen wie zum Beispiel Arabidopsis, Fruchtfliege, Mäuse, Nematoden, und Hefe wurden sequenziert. Das Humangenomprojekt war ein großes Unterfangen der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft, um das gesamte Sequenzieren Menschliches Genom, was 2003 fertiggestellt wurde.[100] Die Sequenzierung des menschlichen Genoms hat praktische Anwendungen wie z. DNA-Fingerabdruck-Methode, was verwendet werden kann für Vaterschaftstest und Forensik. Im Medizin, die Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms hat die Identifizierung von ermöglicht Mutationen diese Ursache Tumoren sowie Gene, die eine bestimmte verursachen genetische Störung.[100] Die Sequenzierung von Genomen aus verschiedenen Organismen hat zur Entstehung von geführt Vergleichende Genomik, was darauf abzielt, Vergleiche von Genen aus den Genomen dieser verschiedenen Organismen zu ziehen.[100]

Viele Gene codieren mehr als ein Protein mit Posttranslationale Modifikationen Erhöhung der Vielfalt von Proteinen in einer Zelle. Ein Organismus Proteom ist seine gesamte Proteine, die durch sein Genom exprimiert werden und Proteomik versucht, die vollständige Reihe von Proteinen zu untersuchen, die von einem Organismus produziert werden.[100] Da viele Proteine ​​Enzyme sind, beeinflussen ihre Aktivitäten dazu, die Konzentrationen von Substraten und Produkten zu beeinflussen. So wie sich das Proteom ändert, auch die Menge an kleinen Molekülen oder Metaboliten.[100] Der vollständige Satz kleiner Moleküle in einer Zelle oder einem Organismus wird als a genannt Metabolom und Metabolomik ist die Untersuchung des Metaboloms in Bezug auf die physiologische Aktivität einer Zelle oder eines Organismus.[100]

Biotechnologie

Konstruktion einer rekombinanten DNA, in der ein fremdes DNA -Fragment in a eingefügt wird Plasmidvektor

Biotechnologie ist die Verwendung von Zellen oder Organismen zur Entwicklung von Produkten für Menschen.[101] Eine häufig verwendete Technologie mit breiten Anwendungen ist die Schaffung von rekombinante DNA, ein DNA -Molekül, das aus zwei oder mehr Quellen in einem Labor zusammengestellt wurde. Vor dem Aufkommen von Polymerase KettenreaktionBiologen würden DNA manipulieren, indem sie sie in kleinere Fragmente einschneiden Restriktionsenzyme. Sie würden dann die Fragmente reinigen und analysieren Gelelektrophorese und dann später die Fragmente zu einer neuartigen DNA DNA -Ligase.[101] Die rekombinante DNA ist dann geklont Indem Sie es in eine Wirtszelle einfügen, einen Prozess als bekannt als Transformation Wenn die Wirtszellen Bakterien waren, z. E coli, oder Transfektion Wenn die Wirtszellen eukaryotische Zellen waren wie Hefe, Pflanze oder tierische Zellen. Sobald die Wirtszelle oder der Organismus die rekombinante DNA erhalten und integriert haben, wird sie beschrieben als transgen.[101]

Eine rekombinante DNA kann auf zwei Arten eingeführt werden. Eine übliche Methode besteht darin, die DNA einfach in ein Wirt -Chromosom einzufügen, wobei die Insertion zufällig ist.[101] Ein anderer Ansatz wäre, die rekombinante DNA als Teil einer anderen DNA -Sequenz als a einzulegen Vektor, das sich dann in das Wirt -Chromosom integriert oder einen eigenen Ursprung der DNA -Replikation hat, wodurch unabhängig vom Wirtschromosom repliziert wird.[101] Plasmide aus Bakterienzellen wie z. E coli werden typischerweise aufgrund ihrer relativ geringen Größe als Vektoren verwendet (z. B. 2000-6000 Basispaare in E coli), Vorhandensein von Restriktionsenzymen, Gene, die resistent sind Antibiotikaund das Vorhandensein eines Ursprungs der Replikation.[101] Ein Gen, das für a kodiert Selektierbarer Marker wie die Antibiotikaresistenz wird ebenfalls in den Vektor eingebaut.[101] Die Einbeziehung dieses Marktes ermöglicht die Auswahl von nur jenen Wirtszellen, die die rekombinante DNA enthielten und gleichzeitig diejenigen wegwerfen, die dies nicht tun.[101] Darüber hinaus dient der Marker auch als als Reportergen Das einmal ausgedrückt kann leicht erkannt und gemessen werden.[101]

Sobald sich die rekombinante DNA in einzelnen Bakterienzellen befindet, sind diese Zellen dann plattiert und erlaubt zu einem in a Kolonie Das enthält Millionen transgener Zellen, die dieselbe rekombinante DNA tragen.[102] Diese transgenen Zellen produzieren dann große Mengen des Transgen -Produkts wie Menschen InsulinDas war die erste Medizin, die mit rekombinanter DNA -Technologie hergestellt wurde.[101]

Eines der Ziele von molekulares Klonen ist die Funktion der Funktion spezifischer DNA -Sequenzen und der von ihnen codierenden Proteine ​​zu identifizieren.[101] Damit eine spezifische DNA -Sequenz untersucht und manipuliert werden soll, müssen Millionen von Kopien von DNA -Fragmenten, die enthalten, dass eine DNA -Sequenz erfolgen muss.[101] Dies beinhaltet das Aufschlachen eines intakten Genoms, das viel zu groß ist, um in eine Wirtszelle in kleinere DNA -Fragmente eingeführt zu werden. Obwohl nicht mehr intakt, besteht die Sammlung dieser DNA -Fragmente immer noch das Genom eines Organismus, wobei die Sammlung selbst als als bezeichnet wird Genombibliothek, aufgrund der Fähigkeit, spezifische DNA -Fragmente für weitere Untersuchungen zu durchsuchen und abzurufen, analog zum Prozess des Abrufens eines Buches von einem regulären Bibliothek.[101] DNA -Fragmente können mit Verwendung erhalten werden Restriktionsenzyme und andere Prozesse wie z. mechanisches Scheren. Jedes erhaltene Fragment wird dann in einen Vektor eingeführt, der von einer bakteriellen Wirtszelle aufgenommen wird. Die Wirtszelle darf sich dann auf einem selektiven Verbreiten vermehren Mittel (z. B. Antibiotikaresistenz), die eine Kolonie dieser rekombinanten Zellen erzeugt, von denen jeweils viele Kopien desselben DNA -Fragments enthält.[101] Diese Kolonien können gezüchtet werden, indem sie über ein festes Medium in einem festen Medium verbreitet werden Petrischalen, welche sind inkubiert bei einer geeigneten Temperatur. Ein Gericht allein kann Tausende von Bakterienkolonien aufnehmen, die leicht auf eine bestimmte DNA -Sequenz gescreent werden können.[101] Die Sequenz kann identifiziert werden, indem zuerst eine Petrischale mit bakteriellen Kolonien dupliziert und dann die DNA der doppelten Kolonien für den Hybridisierung, bei der sie mit Komplementär kennzeichnet werden radioaktiv oder fluoreszierend Nukleotide.[101]

Kleinere DNA -Bibliotheken, die Gene aus einem bestimmten Gewebe enthalten Komplementäre DNA (cDNA).[101] Die Sammlung dieser cDNAs aus einem bestimmten Gewebe zu einem bestimmten Zeitpunkt wird als a genannt cDNA -Bibliothek, das einen "Schnappschuss" von Transkriptionsmustern von Zellen an einem bestimmten Ort und Zeit liefert.[101]

Andere Biotechnologie -Tools umfassen DNA Microarrays, Ausdrucksvektoren, synthetische Genomik, und CRISPR -Gen -Bearbeitung.[101][103] Andere Ansätze wie z. Pharming kann durch die Verwendung von große Mengen medizinisch nützlicher Produkte produzieren genetisch veränderte Organismen.[101] Viele dieser anderen Tools haben auch breite Anwendungen wie das Erstellen medizinisch nützlicher Proteine ​​oder Verbesserung Pflanzenanbau und Tierhaltung.[101]

Gene, Entwicklung und Evolution

Modell des Konzentrationsgradienten aufgebaut; Fein gelb-orange-Umrisse sind Zellgrenzen.[104]

Entwicklung ist der Prozess, durch den a Mehrzelliger Organismus (Pflanze oder Tier) durchläuft eine Reihe von Veränderungen aus einer einzelnen Zelle und nimmt verschiedene Formen an, die für ihren Lebenszyklus charakteristisch sind.[105] Es gibt vier Schlüsselprozesse, die der Entwicklung zugrunde liegen: Festlegung, Unterscheidung, Morphogeneseund Wachstum. Die Bestimmung setzt das Entwicklungsschicksal einer Zelle fest, das während der Entwicklung restriktiver wird. Differenzierung ist der Prozess, durch den spezialisierte Zellen aus weniger spezialisierten Zellen wie z. Stammzellen.[106][107] Stammzellen sind undifferenziert oder teilweise differenziert Zellen Das kann sich in verschiedene Differenzierung unterscheiden Zellenarten und vermehren auf unbestimmte Zeit mehr von derselben Stammzelle produzieren.[108] Die zelluläre Differenzierung verändert dramatisch die Größe einer Zelle, Form, Form, Membranpotential, Metabolische Aktivitätund Reaktionsfähigkeit auf Signale, die größtenteils auf stark kontrollierte Modifikationen in zurückzuführen sind Genexpression und Epigenetik. Mit wenigen Ausnahmen beinhaltet die zelluläre Differenzierung fast nie eine Veränderung in der DNA Sequenz selbst.[109] Somit können verschiedene Zellen sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben, obwohl sie dasselbe haben Genom. Die Morphogenese oder Entwicklung der Körperform ist das Ergebnis räumlicher Unterschiede in der Genexpression.[105] Insbesondere die Organisation differenzierter Gewebe in bestimmte Strukturen wie Arme oder Flügel, die als bekannt als bekannt sind Musterbildung, wird von geregelt von Morphogene, signalisierte Moleküle, die von einer Gruppe von Zellen zu umgebenden Zellen bewegen und einen Morphogengradienten erzeugen, wie von der beschrieben French flag model. Apoptoseoder programmierter Zelltod tritt auch während der Morphogenese auf, wie der Tod von Zellen zwischen Ziffern in der menschlichen embryonalen Entwicklung, die einzelne Finger und Zehen freisetzen. Ausdruck von Transkriptionsfaktor Gene können die Organplatzierung in einer Pflanze bestimmen und eine Kaskade von Transkriptionsfaktoren selbst können die Körpersegmentierung in einer Fruchtfliege festlegen.[105]

Ein kleiner Teil der Gene in einem Organismusgenom genannt Entwicklungsgenetisches Toolkit Kontrolle der Entwicklung dieses Organismus. Diese Toolkit -Gene sind unter stark konserviert unter PhylaDies bedeutet, dass sie uralt und in weit verbreiteten Tierengruppen sehr ähnlich sind. Unterschiede beim Bereitstellen von Toolkit -Genen beeinflussen den Körperplan und die Anzahl, Identität und das Muster von Körperteilen. Zu den wichtigsten Toolkit -Genen gehören die Hox Gene. Hox -Gene bestimmen, wo sich wiederholende Teile wie die vielen wiederholen, wie die vielen Wirbel von Schlangen, wird in einem sich entwickelnden Embryo oder einer Larve wachsen.[110] Variationen im Toolkit können einen großen Teil der morphologischen Entwicklung von Tieren hervorgebracht haben. Das Toolkit kann die Entwicklung auf zwei Arten vorantreiben. Ein Toolkit -Gen kann in einem anderen Muster ausgedrückt werden, wie wenn der Schnabel von Darwin's Große Bodenfinch wurde von der erweitert Bmp Gen,[111] oder wenn Schlangen ihre Beine verloren haben als Distallos (DLX) Gene wurden an den Orten, an denen andere Reptilien weiterhin ihre Gliedmaßen bildeten, unterexprimiert oder gar nicht exprimiert.[112] Oder ein Toolkit -Gen kann eine neue Funktion erwerben, wie in den vielen Funktionen desselben Gens zu sehen ist. distallos, die so unterschiedliche Strukturen wie das Unterkiefer in Wirbeltieren kontrolliert,[113][114] Beine und Antennen in der Fruchtfliege,[115] und Eyespot -Muster in Schmetterling Flügel.[116] Angesichts der Tatsache, dass kleine Änderungen der Toolbox -Gene signifikante Änderungen der Körperstrukturen verursachen können, haben sie häufig aktiviert konvergent oder Parallele Evolution.

Evolution

Evolutionsprozesse

Natürliche Auslese für dunklere Eigenschaften

Ein zentrales Organisationskonzept in der Biologie ist, dass sich das Leben verändert und entwickelt durch Evolution, was ist die Änderung in vererbbar Eigenschaften von Populationen übereinander Generationen.[117][118] Die Evolution wird jetzt verwendet, um die großen Variationen des Lebens auf der Erde zu erklären. Der Begriff Evolution wurde in das wissenschaftliche Lexikon eingeführt von Jean-Baptiste de Lamarck im Jahr 1809.[119][120] Er schlug vor, dass die Evolution als Ergebnis von auftrat Vererbung erworbener Merkmale, was nicht überzeugend war, aber es gab zu dieser Zeit keine alternativen Erklärungen.[119] Charles Darwin, ein Englisch Naturforscherwar 1836 nach England von seinem zurückgekehrt Fünfjährige Reisen auf den HMS Beagle wo er Steine ​​studierte und Pflanzen und Tiere aus verschiedenen Teilen der Welt sammelte, wie die Galapagos Inseln.[119] Er hatte auch gelesen Prinzipien der Geologie durch Charles Lyell und Ein Aufsatz über das Bevölkerungsprinzip durch Thomas Malthus und wurde von ihnen beeinflusst.[121] Basierend auf seinen Beobachtungen und Lesungen begann Darwin seine zu formulieren Evolutionstheorie durch natürliche Selektion die Vielfalt von Pflanzen und Tieren in verschiedenen Teilen der Welt zu erklären.[119][121] Alfred Russel Wallace, ein anderer englischer Naturforscher, der Pflanzen und Tiere in der studiert hatte Malaiischer Archipel, kam auch zu der gleichen Idee, aber später und unabhängig von Darwin.[119] Sowohl Darwin als auch Wallace präsentierten gemeinsam ihren Aufsatz und ihr Manuskript an der Linnaean Society of London Im Jahr 1858 gab es beide Anerkennung für ihre Entdeckung der Evolution durch natürliche Selektion.[119][122][123][124][125] Darwin würde später sein Buch veröffentlichen Auf den Ursprung der Arten Im Jahr 1859, was im Detail erläutert wurde, wie der Evolutionsprozess durch natürliche Selektion funktioniert.[119]

Um die natürliche Selektion zu erklären, zog Darwin eine Analogie mit Menschen durch, die Tiere durch modifizierten künstliche Auswahlwobei die Tiere selektiv für spezifisch gezüchtet wurden Züge, was zu Individuen geführt hat, die ihren wilden Vorfahren nicht mehr ähneln.[121] Darwin argumentierte, dass es in der natürlichen Welt die Natur war, die die Rolle des Menschen bei der Auswahl spezifischer Merkmale spielte. Er kam zu dieser Schlussfolgerung auf der Grundlage von zwei Beobachtungen und zwei Schlussfolgerungen.[121] Erstens variieren Mitglieder einer Bevölkerung in Bezug auf ihre vererbbar Züge. Zweitens produzieren alle Arten dazu, mehr Nachkommen zu produzieren, als durch ihre jeweiligen Umgebungen unterstützt werden kann, was dazu führt, dass viele Personen nicht überlebt und sich reproduzieren.[121] Basierend auf diesen Beobachtungen bestand Darwin an, dass diejenigen Personen, die vererbbare Eigenschaften besaßen, die besser an ihre Umgebungen angepasst sind, häufiger überleben und mehr Nachkommen hervorbringen als andere Personen.[121] Er bestand ferner, dass das ungleiche oder differentielle Überleben und die Fortpflanzung bestimmter Individuen gegenüber anderen zur Akkumulation günstiger Merkmale über aufeinanderfolgende Generationen führen und damit die Übereinstimmung zwischen den Organismen und ihrer Umwelt erhöhen werden.[121][126][127] Zusammengenommen ist die natürliche Selektion das unterschiedliche Überleben und die Reproduktion von Individuen in nachfolgenden Generationen aufgrund von Unterschieden in oder mehr vererbbarer Merkmale.[128][121][119]

Darwin war sich Mendels Erbschaftsarbeit nicht bewusst, und so war der genaue Vererbungsmechanismus, der der natürlichen Selektion zugrunde liegt[129] bis zum frühen 20. Jahrhundert, als die Moderne Synthese versöhnt Darwinistische Evolution mit Klassische Genetik, was a Neo-Darwinian Perspektive der Evolution durch natürliche Selektion.[128] Diese Perspektive besagt, dass die Evolution auftritt, wenn sich Änderungen in der haben Allelfrequenzen Innerhalb einer Population von Interbrisse -Organismen. In Ermangelung eines Evolutionsprozesses, der auf eine große zufällige Paarungspopulation wirkt, bleiben die Allelfrequenzen über Generationen hinweg konstant, wie von der beschrieben Hardy -Weinberg -Prinzip.[130]

Ein weiterer Prozess, der die Evolution antreibt, ist Genetische Drift, was die zufälligen Schwankungen von Allelfrequenzen innerhalb einer Bevölkerung von einer Generation zur nächsten sind.[131] Wenn selektive Kräfte fehlen oder relativ schwach sind, sind Allelfrequenzen gleichermaßen wahrscheinlich Drift nach oben oder nach unten bei jeder aufeinanderfolgenden Generation, weil die Allele ausgesetzt sind Stichprobenfehler.[132] Diese Drift hält an, wenn ein Allel schließlich repariert wird, indem entweder aus der Bevölkerung verschwindet oder die anderen Allele vollständig ersetzt werden. Die genetische Drift kann daher allein aufgrund des Zufalls einige Allele aus einer Population beseitigen.

Speziation

A Spezies ist eine Gruppe von Organismen, die sich miteinander passen und Speziation ist der Prozess, durch den sich eine Linie in zwei Abstammungslinien aufteilt, weil sie sich unabhängig voneinander entwickelt hat.[133] Damit die Speziation auftritt, muss es sein Fortpflanzungsisolation.[133] Reproduktionsisolierung kann aus Inkompatibilitäten zwischen Genen resultieren, wie beschrieben von Bateson -Dobzhansky -Müller -Modell. Die reproduktive Isolation neigt auch dazu, mit zu zunehmen Genetische Divergenz. Speziation kann auftreten, wenn es physikalische Barrieren gibt, die eine Stammspezies teilen, ein Prozess als bekannt als Allopatric Speciation.[133] Im Gegensatz, sympatrische Speziation tritt ohne physische Barrieren auf.

Prezzygotische Isolation wie zum Beispiel mechanisch, zeitlich, Verhalten, Lebensraum und Gametische Isolationen kann verschiedene Arten von verhindern Hybridisierung.[133] Ähnlich, postzygotische Isolationen kann dazu führen, dass Hybridisierung aufgrund der geringeren Lebensfähigkeit von Hybriden oder Hybridunfruchtbarkeit ausgewählt wird (z. B.,,, Maultier). Hybridzonen kann auftauchen, wenn es eine unvollständige reproduktive Isolierung zwischen zwei eng verwandten Arten geben sollte.

Phylogenie

Bacteria Archaea Eukaryota Aquifex Thermotoga Bacteroides–Cytophaga Planctomyces "Cyanobacteria" Proteobacteria Spirochetes Gram-positives Chloroflexi Thermoproteus–Pyrodictium Thermococcus celer Methanococcus Methanobacterium Methanosarcina Haloarchaea Entamoebae Slime molds Animals Fungi Plants Ciliates Flagellates Trichomonads Microsporidia Diplomonads
Phylogenetischer Baum zeigt die Domänen von Bakterien, Archaea, und Eukaryoten

Eine Phylogenie ist eine Evolutionsgeschichte einer bestimmten Gruppe von Organismen oder ihren Genen.[134] Es kann mit a dargestellt werden Stammbaum, was ein Diagramm ist, das Abstammungslinien zwischen Organismen oder ihren Genen zeigt. Jede auf der Zeitachse eines Baums gezogene Linie repräsentiert a Abstammung von Nachkommen einer bestimmten Art oder Bevölkerung. Wenn sich eine Abstammung in zwei unterteilt, wird sie als Knoten (oder Split) am phylogenetischen Baum dargestellt. Je mehr Spaltungen es im Laufe der Zeit gibt, desto mehr Zweige geben sich auf dem Baum, wobei der gemeinsame Vorfahr aller Organismen in diesem Baum durch die Wurzel dieses Baumes dargestellt wird. Phylogenetische Bäume können die Evolutionsgeschichte aller Lebensformen darstellen, eine wichtige Evolutionsgruppe (z. B.,, Insekten) oder eine noch kleinere Gruppe eng verwandter Spezies. Innerhalb eines Baumes ist jede Gruppe von Arten, die mit einem Namen bezeichnet werden Taxon (z. B. Menschen, Primaten, Säugetiere oder Wirbeltiere) und ein Taxon, das aus all seinen evolutionären Nachkommen besteht Klade, auch bekannt als a monophyletisch Taxon.[134] Eng verwandte Arten werden als bezeichnet als Schwesterspezies und eng verwandte Kladen sind Schwesterkladen. Im Gegensatz zu einer monophyletischen Gruppe a Polyphyletik Gruppe schließt ihren gemeinsamen Vorfahren nicht ein, während a paraphyletisch Die Gruppe enthält nicht alle Nachkommen eines gemeinsamen Vorfahren.[134]

Phylogenetische Bäume sind die Grundlage für den Vergleich und Gruppieren verschiedener Arten.[134] Verschiedene Arten, die ein von einem gemeinsamer Vorfahren geerbter Merkmal haben homolog Funktionen (oder Synapomorphie).[135][136][134] Homologe Merkmale können jede sein vererbbar Züge wie zum Beispiel DNA -Sequenz, Proteinstrukturen, anatomische Merkmale und Verhaltensmuster. EIN Wirbelsäule ist ein Beispiel für ein homologe Merkmal, das alle Wirbeltiere geteilt haben. Merkmale, die eine ähnliche Form oder Funktion haben, aber nicht von einem gemeinsamen Vorfahren abgeleitet wurden Analoge Merkmale. Phylogenien können für eine Gruppe von Organismen von Hauptinteressen rekonstruiert werden, die als Ingroup bezeichnet werden. Eine Art oder Gruppe, die eng mit der Ingroup verwandt ist, aber phylogenetisch außerhalb davon ist, heißt die Outgroup, der einen Bezugspunkt im Baum dient. Die Wurzel des Baumes befindet sich zwischen der Ingroup und der Außengruppe.[134] Wenn phylogenetische Bäume rekonstruiert werden, können mehrere Bäume mit unterschiedlichen Evolutionsgeschichten erzeugt werden. Basierend auf dem Prinzip von Parsimony (oder Occams Rasierer)Der bevorzugte Baum ist derjenige mit den wenigsten evolutionären Änderungen, die über alle Merkmale in allen Gruppen angenommen werden müssen. Computeralgorithmen Kann verwendet werden, um zu bestimmen, wie sich ein Baum angesichts der Beweise entwickelt hat.[134]

Phylogenie bildet die Grundlage der biologischen Klassifizierung, die auf Linnaean Taxonomy das wurde von entwickelt von Carl Linnaeus Im 18. Jahrhundert.[134] Dieses Klassifizierungssystem basiert auf Rang, wobei der höchste Rang das ist Domain gefolgt von Königreich, Stamm, Klasse, bestellen, Familie, Gattung, und Spezies.[134] Alle Organismen können als gehörig zu einer von eingestuft werden Drei Domänen: Archaea (ursprünglich Archaebakterien); Bakterien (ursprünglich Eubakterien) oder Eukarya (Beinhaltet die Protist, Pilze, Pflanze, und Tier Königreiche).[137] A binomischen Nomenklatur wird verwendet, um verschiedene Arten zu klassifizieren. Basierend auf diesem System erhält jede Art zwei Namen, eine für ihre Gattung und eine für ihre Art.[134] Zum Beispiel sind Menschen Homo sapiens, mit Homo die Gattung sein und Sapiens die Art sein. Nach Übereinkommen werden die wissenschaftlichen Namen von Organismen kursiv gemacht, wobei nur der erste Buchstabe der Gattung aktiviert ist.[138][139]

Geschichte des Lebens

Das Geschichte des Lebens an Erde verfolgt die Prozesse, durch die Organismen haben sich von der frühesten Entstehung des Lebens bis heute entwickelt. Die Erde bildete vor etwa 4,5 Milliarden Jahren und alles Leben weiter Erde, sowohl lebend als auch ausgestorben, stammten von a ab letzter universeller gemeinsamer Vorfahr Das lebte herum Vor 3,5 Milliarden Jahren.[140][141] Die Datierung der Erdegeschichte kann mit mehreren geologischen Methoden wie durchgeführt werden, wie z. Stratigraphie, radiometrische Datierung, und Paläomagnetische Datierung.[142] Basierend auf diesen Methoden, Geologen haben a Geologische Zeitskala Das unterteilt die Geschichte der Erde in wichtige Abteilungen, beginnend mit vier Äonen (HaDean, Archäer, Proterozoic, und Phanerozoikum), die ersten drei, von denen gemeinsam als die bekannt sind Precambrian, die ungefähr 4 Milliarden Jahre dauerte.[142] Jeder EON kann unterteilt werden in Epochenmit dem Phanerozoic Eon, der vor 539 Millionen Jahren begann[143] unterteilt in Paläozoikum, Mesozoikum, und Zenozoisch Epochen.[142] Diese drei Eras zusammen sind elf Jahre alt Perioden (Cambrian, Ordovizer, Silur, Devonian, Kohlenstoff, Perm, Trias, Jura, Kreide, Tertiär, und Quartär) und jede Periode in Epochen.[142]

Die Ähnlichkeiten mit allen bekannten heutigen bekannten Spezies geben an, dass sie durch den Prozess von abgewiesen sind Evolution von ihrem gemeinsamen Vorfahren.[144] Biologen betrachten die Allgegenwart der genetischer Code als Beweis von Universal gemeinsame Abstammung für alle Bakterien, Archaea, und Eukaryoten.[145][10][146][147] Mikrobalmatten von koexistierenden Bakterien und Archaea waren die dominierende Lebensform im frühen Archäer Es wird angenommen, dass Epoche und viele der wichtigsten Schritte in der frühen Evolution in dieser Umgebung stattgefunden haben.[148] Der früheste Beweis von Eukaryoten Daten vor 1,85 Milliarden Jahren,[149][150] Und obwohl sie möglicherweise früher anwesend waren, beschleunigte sich ihre Diversifizierung, als sie Sauerstoff in ihrem verwenden begannen Stoffwechsel. Später vor rund 1,7 Milliarden Jahren, mehrzellige Organismen begann zu erscheinen, mit differenzierte Zellen Spezialfunktionen ausführen.[151]

Algen-ähnliche mehrzelluläre Landpflanzen sind vor etwa 1 Milliarde Jahren zurückgekehrt.[152] obwohl Beweise darauf hinweisen, dass dies deuten Mikroorganismen bildete das früheste terrestrische Ökosysteme, vor mindestens 2,7 Milliarden Jahren.[153] Es wird angenommen Ordovizer Zeitraum. Landpflanzen waren so erfolgreich, dass sie zu dem beigetragen haben, dass sie beigetragen haben Spätes devonisches Auslöschungsereignis.[154]

Ediacara Biota erscheinen während der Ediacaran Zeitraum,[155] während Wirbeltierezusammen mit den meisten anderen modernen Phyla entstand vor etwa 525 Millionen Jahren während der kambrische Explosion.[156] Während der Perm -Zeit,, Synapsiden, einschließlich der Vorfahren von Säugetiere, dominierte das Land,[157] Aber der größte Teil dieser Gruppe wurde in der ausgestorben Perm -Trisic -Aussterben Vor 252 Millionen Jahren.[158] Während der Genesung von dieser Katastrophe, Archosaurier wurde die am häufigsten vorkommenden Land Wirbeltiere;[159] eine Archosauriergruppe, die Dinosaurier, dominierte die Jura- und Kreidezeiten.[160] Nach dem Kreidezeit -Auslöschungsereignis 66 Millionen Jahre vor den nicht-avianischen Dinosauriern getötet,[161] Säugetiere Erhöhte Größe und Vielfalt schnell.[162] Eine solche Massensterben Kann die Entwicklung beschleunigt haben, indem sie neue Organismengruppen Möglichkeiten zur Diversifizierung bieten.[163]

Diversität

Bakterien und Archaea

BakterienGemmatimonas Aurantiaca (-= 1 Mikrometer)

Bakterien sind eine Art von Zelle das bildet eine große Domain von prokaryotisch Mikroorganismen. Typischerweise einige Mikrometer Länge haben Bakterien a Anzahl der Formen, von Kugeln zu Stangen und Spiralen. Bakterien gehörten zu den ersten Lebensformen, auf denen sie erschienen waren Erdeund sind in den meisten seiner vorhanden Lebensräume. Bakterien bewohnen Boden, Wasser, Saure heiße Quellen, radioaktiver Müll,[164] und die tiefe Biosphäre des Erdkruste. Bakterien leben auch in Symbiotisch und parasitär Beziehungen zu Pflanzen und Tieren. Die meisten Bakterien wurden nicht charakterisiert und nur etwa 27 Prozent der Bakterienphyla haben Arten, die sein können gewachsen im Labor.[165]

Archaea bilden den anderen Bereich von prokaryotischen Zellen und waren zunächst anfänglich klassifiziert wie Bakterienden Namen Archaebakterien erhalten (in der Archaebakterien Königreich), ein Begriff, der nicht in Gebrauch geraten ist.[166] Archaeale Zellen haben einzigartige Eigenschaften, die sie von den anderen trennen zwei Domänen, Bakterien und Eukaryota. Archaea werden weiter in mehrere anerkannte Unterteile unterteilt Phyla. Archaea und Bakterien sind im Allgemeinen in Größe und Form ähnlich, obwohl einige Archaea sehr unterschiedliche Formen haben, wie z. B. die flachen und quadratischen Zellen von Haloquadratum Walsbyi.[167] Trotz dieses morphologisch Ähnlichkeit mit Bakterien, Archaea besitzt Gene und mehrere Stoffwechselwege das hängen enger mit denen von Eukaryoten zusammen, insbesondere für die Enzyme beteiligt an Transkription und Übersetzung. Andere Aspekte der archaealen Biochemie sind einzigartig, beispielsweise ihr Vertrauen in Ätherlipide in ihren Zellmembranen,[168] einschließlich Archäole. Archaea verwenden mehr Energiequellen als Eukaryoten: Diese reichen von aus organische Verbindungen, wie Zucker, zu Ammoniak, Metallionen oder auch Wasserstoffgas. Salztolerant Archaea (die Haloarchaea) Sunlight als Energiequelle und andere Archaea -Arten verwenden Kohlenstoff reparieren, aber im Gegensatz zu Pflanzen und Cyanobakterien, keine bekannte Archaea -Art tut beides. Archaea asexuell reproduzieren durch Zellteilung, Zersplitterung, oder Knospung; Im Gegensatz zu Bakterien keine bekannten Archaea -Form Endosporen.

Die ersten beobachteten Archaea waren Extremophilein extremen Umgebungen leben, wie z. heiße Quellen und Salzseen ohne andere Organismen. Verbesserte molekulare Erkennungswerkzeuge führten zur Entdeckung von Archaea in fast jedem Lebensraum, einschließlich Boden, Ozeane und Sumpfland. Archaea sind besonders zahlreich in den Ozeanen und die Archaea in Plankton Kann eine der am häufigsten vorkommenden Gruppen von Organismen auf dem Planeten sein.

Archaea sind ein wichtiger Teil von Das Leben der Erde. Sie sind Teil der Mikrobiota aller Organismen. In dem menschliches Mikrobiomsie sind wichtig in der Darm, Mund und auf der Haut.[169] Ihre morphologische, metabolische und geografische Vielfalt ermöglicht es ihnen, mehrere ökologische Rollen zu spielen: CO2 -Fixierung; Stickstoffradfahren; organischer Verbindungsumsatz; und mikrobielle symbiotische Aufrechterhaltung und syntrophisch Communities zum Beispiel.[170]

Protisten

Vielfalt der Protisten

Es wird angenommen, dass Eukaryoten sich von Archaea getrennt haben, worauf ihre folgten Endosymbiosen mit Bakterien (oder Symbiogenese) Das führte zu Mitochondrien und Chloroplasten, die beide jetzt Teil der modernen eukaryotischen Zellen sind.[171] Die Hauptlinien von Eukaryoten diversifiziert in der Precambrian Vor ungefähr 1,5 Milliarden Jahren und können in acht Major eingeteilt werden Kladen: alveoliert, Ausgrabungen, Stramenopiles, Pflanzen, Rhizarier, Amoebozoen, Pilze, und Tiere.[171] Fünf dieser Kladen sind gemeinsam als bekannt als Protisten, die meistens mikroskopisch sind eukaryotisch Organismen Das sind keine Pflanzen, Pilze oder Tiere.[171] Während es wahrscheinlich ist, dass Protisten a teilen Gemeinsamer Vorfahr (das Letzter eukaryotischer gemeinsamer Vorfahr),[172] Protisten selbst stellen keine separate Klade dar, da einige Protisten möglicherweise enger mit Pflanzen, Pilzen oder Tieren verwandt sind als mit anderen Protisten. Wie Gruppierungen wie Algen, Wirbellosen, oder ProtozoenDie Protistengruppierung ist keine formelle taxonomische Gruppe, sondern wird aus Gründen der Bequemlichkeit verwendet.[171][173] Die meisten Protisten sind einzellig, die auch als mikrobielle Eukaryoten bezeichnet werden.[171]

Die Alveolate sind hauptsächlich photosynthetische einzellige Protisten, die Saks besitzen, die als Alveolen bezeichnet werden (daher ihre Namen Alveolate), die sich unter ihrer Zellmembran befinden und die Zelloberfläche unterstützen.[171] Alveolate umfassen mehrere Gruppen wie z. Dinoflagellaten, Apicomplexane, und ciliates. Dinoflagellaten sind photosynthetisch und können in dem Ozean gefunden werden, wo sie eine Rolle spielen als Primärproduzenten von organischer Substanz.[171] Apicomplexane sind parasitäre Alveolate, die einen apikalen Komplex besitzen, einer Gruppe von Organellen, die sich am apikalen Ende der Zelle befinden.[171] Dieser Komplex ermöglicht es Apicomplexans, in das Gewebe ihrer Wirte einzudringen. Ciliates sind Alveolate, die zahlreiche haarähnliche Struktur besitzen, die Cilia genannt werden. Ein definierendes Merkmal von Ziliaten ist das Vorhandensein von zwei Arten von Kernen in jeder Ziliatzelle. Ein häufig untersuchtes Ciliate ist das Paramecium.[171]

Die Ausgrabungen sind Gruppen von Protisten, die vor ungefähr 1,5 Milliarden Jahren kurz nach dem Ursprung der Eukaryoten zu diversifizierten.[171] Einige Ausgrabungen besitzen keine Mitochondrien, von denen angenommen wird, dass sie im Verlauf der Evolution verloren gegangen sind, da diese Protisten immer noch Kerngene besitzen, die mit Mitochondrien in Verbindung gebracht werden.[171] Die Ausgrabungen umfassen mehrere Gruppen wie z. Diplomonaden, Parabasaliden, Heteroloboseaner, Eugleniden, und Kinetoplastiden.[171]

Stramenopiles, von denen die meisten durch das Vorhandensein von röhrenförmigen Haaren auf den beiden von ihren beiden gekennzeichnet werden können Flagella, enthalten Kieselalgen und Braunalgen.[171] Diatome sind primäre Produzenten und tragen etwa ein Fünftel aller Photosynthese bei Kohlenstoff-Fixierung, um sie zu einer wichtigen Komponente von zu machen Phytoplankton.[171]

Rhizarier sind meist einzellige und aquatische Protisten, die typischerweise lang, dünn enthalten Pseudopoden.[171] Die Rhizarier umfassen drei Hauptgruppen: Cercozoaner, Foraminiferans, und Radiolarians.[171]

Amöboaner sind Protisten mit einer Körperform, die durch die Anwesenheitslappen-förmigen Pseudopoden gekennzeichnet ist, die ihnen helfen, sich zu bewegen.[171] Dazu gehören Gruppen wie Lobosen und Schleimpilze (z.B., Plasmodiale Schleimform und zelluläre Schleimformen).[171]

Pflanzenvielfalt

Vielfalt der Pflanzen

Pflanzen sind hauptsächlich mehrzelluläre Organismen vorwiegend vorwiegend Photosynthese Eukaryoten des Königreich Plantae, die ausschließen würden Pilze und einige Algen. Ein gemeinsames abgeleitetes Merkmal (oder Synapomorphie) von Plantae ist die primäre Endosymbiose von a Cyanobacterium in einen frühen Eukaryoten vor etwa einer Milliarde Jahren, das zu Chloroplasten führte.[174] Die ersten mehrere Kladen, die nach primärer Endosymbiose aufgetaucht sind Photosynthese eukaryotisch Organismen werden gemeinsam als Algen beschrieben, was ein Begriff der Bequemlichkeit ist, da nicht alle Algen eng miteinander verbunden sind.[174] Algen umfassen mehrere verschiedene Kladen, wie z. Glaukophyten, die mikroskopische Süßwasseralgen sind, die möglicherweise in Form des frühen einzelligen Vorfahren von Plantae ähnlich sind.[174] Im Gegensatz zu Glaukophyten die anderen Algenkladen wie z. rot und grüne Algen sind mehrzellig. Grünalgen umfassen drei Hauptkladen: Chlorophyten, Coleochaetophyten, und Steinwürfel.[174]

Land Pflanzen (Embryophyten) Erzählte zuerst in terrestrischen Umgebungen vor ungefähr 450 bis 500 Millionen Jahren.[174] Eine Synapomorphie von Landpflanzen ist ein Embryo, der sich unter dem Schutz von Geweben ihrer Elternpflanze entwickelt.[174] Landanlagen umfassen zehn große Kladen, von denen sieben eine einzige Klade bilden als Gefäßpflanzen (oder Tracheophyten) wie alle haben Tracheids, die flüssige Zellen sind, und ein gut entwickeltes System, das Materialien in ihrem Körper transportiert.[174] Im Gegensatz dazu sind die anderen drei Kladen Nicht vaskuläre Pflanzen da sie keine Tracheids haben.[174] Sie stellen auch keine einzige Klade dar.[174]

Nicht vaskuläre Pflanzen umfassen Leberkraut, Moose, und Hornworts. Sie tendieren in Bereichen, in denen Wasser leicht verfügbar ist.[174] Die meisten leben selbst auf Boden oder sogar auf Gefäßpflanzen. Einige können auf nacktem Felsen, Baumstämmen wachsen, die tot sind oder gefallen sind, und sogar Gebäude.[174] Die meisten nicht vaskulären Pflanzen sind terrestrisch, ein paar leben in Süßwasserumgebungen und keiner leben in den Ozeanen.[174]

Die sieben Kladen (oder Abteilungen), die Gefäßpflanzen bilden, umfassen Pferdeschwanz und Farne, was zusammen als einzelne Klade namens Monilophyten gruppiert werden kann.[174] Samenpflanzen (oder Spermatophyten) umfassen die anderen fünf Abteilungen, von denen vier als gruppiert sind Gymnospermen Und einer ist Angiospermen. Gymnospermen beinhaltet Nadelbäume, cycads, Ginkgo, und Gnetophyten. Gymnospermsamen entwickeln sich entweder auf der Oberfläche von Skalen oder Blättern, die häufig zur Bildung modifiziert werden Zapfen, oder einsam wie in Eibe, Torreya, Ginkgo.[175] Angiospermen sind die vielfältigste Gruppe von Land Pflanzenmit 64 Aufträge, 416 Familien, ungefähr 13.000 bekannt Gattungen und 300.000 bekannt Spezies.[176] Wie Gymnospermen, Angiospermen Samen produzierende Pflanzen. Sie unterscheiden sich von Gymnospermen durch Eigenschaften wie Blumen, Endosperm in ihrem Saatgutund Produktion von Früchte das enthält die Samen.

Pilze

Vielfalt der Pilze. Im Uhrzeigersinn von oben links: Amanita Muscariaein Basidiomycet; Sarcoscypha Coccineaein Ascomycete; Brot bedeckt Schimmel; Chytrid; Aspergillus Conidiophore.

Pilze sind eukaryotisch Organismen, die Lebensmittel außerhalb ihres Körpers verdauen.[177] Sie tun dies durch einen Prozess namens Absorptionsheterotrophie, bei dem sie zuerst Verdauungsenzyme sezernieren, die große Lebensmittelmoleküle abbauen, bevor sie sie durch ihre Zellmembranen absorbierten. Viele Pilze sind auch Saproben Da sie Nährstoffe aus toter organischer Substanz aufnehmen können und daher der Auftraggeber sind Zersetzer in ökologischen Systemen.[177] Einige Pilze sind Parasiten, indem sie Nährstoffe von lebenden Wirten absorbieren, während andere Mutualisten sind.[177] Pilze, zusammen mit zwei anderen Linien, Choanoflagellaten und Tiere können als gruppiert werden Opisthokonts. Eine Synapomorphie, die Pilze von anderen zwei Opisthokonten unterscheidet, ist das Vorhandensein von Chitin in ihren Zellwände.[177]

Die meisten Pilze sind vielzellig, aber einige sind einzellig Hefen, die in flüssigen oder feuchten Umgebungen leben und Nährstoffe direkt in ihre Zelloberflächen aufnehmen können.[177] Mehrzelligen Pilze hingegen haben einen Körper namens Myzel, das aus einer Masse einzelner tubulärer Filamente besteht, die genannt werden Hyphen Dies ermöglicht eine Nährstoffabsorption.[177]

Pilze können basierend auf ihren Lebenszyklen in sechs Hauptgruppen unterteilt werden: Mikrosporidien, Chytrids, Zygospore -Pilze (Zygomycota), arbuskuläre Mykorrhiza -Pilze (Glomeromycota), SAC -Pilze (Ascomycota), und Clubpilze (Basidiomycota).[177] Pilze werden durch die jeweiligen Prozesse von klassifiziert Sexuelle Fortpflanzung Sie benutzen. Die üblichen zellulären Produkte von Meiose Während der sexuellen Reproduktion sind Sporen angepasst, um die Schlusszeiten zu überleben und sich zu verbreiten. Ein Hauptanpassungsvorteil von Meiose während der sexuellen Reproduktion in der Ascomycota und Basidiomycota wurde vorgeschlagen, die Reparatur von DNA -Schäden durch meiotische Rekombination zu sein.[178]

Das Pilzreich umfasst eine enorme Vielfalt von Taxa mit unterschiedlichen Ökologien, Lebenszyklus Strategien und Morphologien von einzelligen aquatischen Chytrids bis hin zu großen Pilzen. Es ist jedoch wenig von den wahren bekannt Biodiversität von Kingdom Fungi, das auf 2,2 bis 3,8 Millionen Arten geschätzt wurde.[179] Von diesen wurden nur etwa 148.000 beschrieben,[180] Mit über 8.000 Arten, von denen bekannt ist, dass sie für Pflanzen schädlich sind und mindestens 300 für den Menschen pathogen sein können.[181]

Tiervielfalt

Echinoderm Cnidaria Bivalve Tardigrade Crustacean Arachnid Sponge Insect Mammal Bryozoa Acanthocephala Flatworm Cephalopod Annelid Tunicate Fish Bird Phoronida
Vielfalt der Tiere. Von oben nach unten, erste Spalte: Echinoderm, Cnidaria, Muschel, Tartigrade, Krustentier, und Arachnid. Zweite Spalte: Schwamm, Insekt, Säugetier, Bryozoa, Acanthocephala, und Flachwurm. Dritte Spalte: Cephalopod, Ringelwurm, Tunikat, Fische, Vogel, und Phoronida.

Tiere sind mehrzelluläre eukaryotische Organismen, die das Königreich Animalie bilden. Mit wenigen Ausnahmen, Tiere organisches Material konsumieren, Sauerstoff atmen, sind bewegungsfähig, kann sexuell reproduzierenund wachsen aus einer hohlen Kugel von Zellen, das Blastula, während embryonale Entwicklung. Über 1,5 Millionen Leben Tier Spezies gewesen sein beschrieben- von denen rund 1 Million sind Insekten- Es wurde geschätzt, dass es insgesamt über 7 Millionen Tierarten gibt. Sie haben Komplexe Wechselwirkungen miteinander und ihren Umgebungen, die komplizierte bilden Essensnetze.

Tiere können aufgrund ihrer Entwicklungsmerkmale in zwei Gruppen unterschieden werden.[182] Zum Beispiel Embryonen von Diploblastik Tiere wie Ctenophoren, Placeozoen und Cnidarier haben zwei Zellschichten (Ektoderm und Endoderm) während die Embryonen von Triploblastic Tiere haben drei Gewebeschichten (Ektoderm, Mesodermund Endoderm), was eine Synapomorphie dieser Tiere ist.[182] Triploblastische Tiere können weiter in zwei Hauptkladen unterteilt werden, basierend auf dem Muster von Gastruligkeit, wobei ein Hohlraum a nannte Blastopore wird aus der Einrückung von a gebildet Blastula. Im ProtostomeDas Blastopore führt zum Mund, dem dann die Bildung des Anus folgt.[182] Im DeuterostomesDas Blastopore führt zum Anus, gefolgt von der Bildung des Mundes.[182]

Tiere können auch basierend auf ihren differenziert werden Körperplanspeziell in Bezug auf vier Schlüsselfunktionen: Symmetrie, Körperhöhle, Segmentierung, und Anhänge.[182] Die Körper der meisten Tiere sind symmetrisch, wobei Symmetrie entweder ist radial oder bilateral.[182] Triploblastische Tiere können basierend auf ihrer Körperhöhle in drei Typen unterteilt werden: Acoelomat, Pseudocoelomat, und Koelomen.[182] Die Segmentierung kann in den Körpern vieler Tiere beobachtet werden, was die Spezialisierung verschiedener Körperteile ermöglicht und es dem Tier ermöglicht, die Form seines Körpers zu ändern, um seine Bewegungen zu kontrollieren.[182] Schließlich können Tiere auf der Grundlage der Art und des Ortes ihrer Anhänge wie z. Antennen Um die Umgebung oder Krallen zur Erfassung von Beute zu erfassen.[182]

Schwämme, die Mitglieder der Stamm Porifera sind Basal Metazoa (Tier) Klade Als Schwester der Diploblasten.[183][184][185][186][187] Sie sind mehrzellig Organismen, die Körper voller Poren und Kanäle haben, die Wasser durch sie zirkulieren, bestehend aus Gelee-ähnlich Mesohyl zwischen zwei dünnen Schichten von eingeklemmt Zellen.

Die Mehrheit (~ 97%) der Tierarten ist Wirbellosen,[188] Welches sind Tiere, die keine haben Wirbelsäule (oder Rückgrat oder Wirbelsäule), abgeleitet von der Notochord. Dies schließt alle Tiere außer dem ein Subphylum Wirbel. Zu den vertrauten Beispielen für Wirbellose gehören Schwämme, Cnidarier (Hydras, Quallen, Seeanemonen, und Korallen), Mollusken (Chitonen, Schnecke, Muscheln, Tintenfische, und Tintenfische), Annelids (Regenwürmer und Blutegel), und Arthropoden (Insekten, Arachnids, Krebstiere, und Myriapods). Viele Wirbellose Taxa haben eine größere Anzahl und Vielfalt von Arten als das gesamte Subphylum von Wirbel.[189]

Im Gegensatz, Wirbeltiere umfassen alle Arten von Tieren innerhalb der Subphylum Wirbel, die sind Chordaten mit Wirbelsäulen. Diese Tiere haben vier wichtige Merkmale, die ein vorderer Schädel mit einem Gehirn, einem starren inneren Skelett sind, das von einer Wirbelsäule unterstützt wird, die ein Rückenmark, innere Organe in einem Koelom und ein gut entwickeltes Kreislaufsystem, das von einem einzelnen großen angetrieben wird, umschließt Herz.[182] Wirbeltiere repräsentieren die überwiegende Mehrheit des Phylums Chordata, mit derzeit rund 69.963 Spezies beschrieben.[190] Wirbeltiere umfassen verschiedene Hauptgruppen, die enthalten kieferlose Fische (nicht inklusive Hagfische), Kiefer Wirbeltiere wie zum Beispiel Knorpelfische (Haie, Strahlenund Rattenfische), Knochenfische, Tetrapods wie zum Beispiel Amphibien, Reptilien, Vögel, und Säugetiere.[182]

Die beiden verbleibenden Gruppen von kieferlosen Fischen, die jenseits der überlebt haben Devonian Zeitraum sind Hagfische und Neunauge, die gemeinsam als bekannt als als Cyclostome (zum kreiste Münder).[182] Beide Gruppen von Tieren haben längliche ahalähnliche Körper ohne gepaarte Flossen.[182] Da Hagfische jedoch ein schwaches Kreislaufsystem mit drei Zubehörherzen haben, einen teilweisen Schädel ohne Nr. Kleinhirn, keine Kiefer oder Magen und keine gemeinsamen Wirbel, einige Biologen klassifizieren sie nicht als Wirbeltiere, sondern stattdessen als als Schwestergruppe von Wirbeltieren.[182] Im Gegensatz dazu haben Neunken einen vollständigen Schädel und einen ausgeprägten Wirbel, der knorpelig ist.[182]

Säugetiere haben vier Schlüsselmerkmale, die sie von anderen Tieren unterscheiden, wie z. Schweißdrüsen, Milchdrüsen, Haare und ein Herz mit vier Kammer.[182] Kleine und mittelgroße Säugetiere, die verwendet werden, um mit großen Dinosaurier in weiten Teilen der Mesozoikum Ära aber bald ausstrahlt folgt dem Massenaussterben von Dinosauriern am Ende von Kreide Zeitraum.[182] Es gibt ungefähr 57.000 Säugetierarten, die in zwei Primärgruppen unterteilt werden können: Prototherianier und Therianer. Prototherianier besitzen keine Brustwarzen auf ihrer Brust, sondern sezernieren stattdessen Milch auf ihre Haut und lassen ihre Nachkommen, wenn sie vor ihren Pelzen schocken.[182] Ihnen fehlt auch eine Plazenta, legt Eier und haben weitläufige Beine. Derzeit gibt es nur fünf bekannte Arten von Prototherianern (Schnabeltier und vier Arten von Arten von Echidnas).[182] Die therianische Klade ist Viviparous und kann weiter in zwei Gruppen unterteilt werden: Beuteltiere und Eutherianer.[182] Beuteltiere Frauen haben einen ventralen Beutel, um ihre Nachkommen zu tragen und zu füttern. Eutherianer bilden die Mehrheit der Säugetiere und umfassen wichtige Gruppen wie z. Nagetiere, Fledermäuse, Sogar-teed Hufreates und Cetaceäer, Spitzmäuse und Maulwürfe, Primaten, Fleischfresser, Kaninchen, Afrikanische Insektenfresser, stachelige Insektenfresser, Armadillos, Treeshrews, Odd-ted-Hammern, Langzeitinsektivore, Ameisenbein und Faultiere, Pangolins, Hyraxen, Sirener, Elefanten, Colugos, und Erdferkel.[182]

Eine Spaltung der Primatenlinie ereignete sich vor ungefähr 90 Millionen Jahren während der Kreide, was zwei Hauptkladen brachte: Prosimer und Anthropoide.[182] Zu den Prosimer gehören Lemurs, Loris, und Galagos Während die Anthropoide bestehen Targer, Neue Weltaffen, Alte Weltaffen, und Affen.[182] Affen getrennt von den Affen der alten Welt vor etwa 35 Millionen Jahren, wobei verschiedene Arten in leben Afrika, Europa, und Asien Zwischen 22 und 5,5 Millionen Jahren.[182] Zu den modernen Nachkommen dieser Tiere gehören Schimpansen und Gorillas in Afrika, Gibbons und Orang -Utans in Asien und Menschen weltweit. Eine Spaltung der APE -Linie ereignete sich vor etwa sechs Millionen Jahren in Afrika, was zur Entstehung von Schimpansen als eine Gruppe und als Hominid -Klade als eine andere Gruppe führte, zu der Menschen und ihre ausgestorbenen Verwandten gehören.[182] Bipedalismus tauchte frühestens auf Protohominide bekannt als Ardipithecines. Als Anpassung verlieh Bipedalism drei Vorteile. Zunächst ermöglichte es den Ardipithecines, ihre Vorderimbs zum Manipulieren und Tragen von Objekten während der Arbeit zu verwenden.[182] Zweitens erhöhte es die Augen des Tieres, um Vorreiter oder Raubtiere über hohe Vegetation zu erkennen.[182] Schließlich ist Bipedalismus energisch effizienter als die Quadrupedal Fortbewegung.[182]

Viren

Bakteriophagen an eine Bakterienzellwand befestigt

Viren sind submikroskopisch Infektionserreger das replizieren im Inneren Zellen von Organismen.[191] Viren infizieren alle Arten von Lebensformenvon Tieren und Pflanzen bis Mikroorganismen, einschließlich Bakterien und Archaea.[192][193] Mehr als 6.000 Virusspezies wurden ausführlich beschrieben.[194] Viren werden in fast jedem gefunden Ökosystem auf der Erde und sind die zahlreichste Art der biologischen Einheit.[195][196]

Bei der Infizierung ist eine Wirtszelle gezwungen, schnell Tausende identischer Kopien des ursprünglichen Virus zu produzieren. Wenn nicht in einer infizierten Zelle oder im Infizieren einer Zelle in einer infizierten Zelle oder im Prozess des Infizierens einer Zelle existieren, existieren Viren in Form unabhängiger Partikel oder Virionen, bestehend aus dem Genmaterial (DNA oder RNA), a Protein Mantel gerufen Kapsidund in einigen Fällen eine Außenseite Umschlag von Lipide. Die Formen dieser Viruspartikel reichen von einfach helikal und ikosaedrisch Formen zu komplexeren Strukturen. Die meisten Virusarten haben Virionen zu klein, um mit einem zu sehen Optisches Mikroskop, wie sie einhundertsth sind, so groß wie die meisten Bakterien.

Die Ursprünge von Viren in der Evolutionsgeschichte des Lebens sind unklar: Einige können möglicherweise haben sich entwickelt aus Plasmide- Artikel von DNA, die sich zwischen Zellen bewegen können - während andere sich aus Bakterien entwickelt haben. In der Evolution sind Viren ein wichtiges Mittel von Horizontaler Gentransfer, was zunimmt genetische Vielfalt in gewisser Weise analog zu Sexuelle Fortpflanzung.[197] Da Viren einige, aber nicht alle Eigenschaften des Lebens besitzen, wurden sie als "Organismen am Rande des Lebens" beschrieben.[198] und wie Selbstreplikatoren.[199]

Viren können sich auf viele Arten ausbreiten. Ein Übertragungsweg erfolgt über krankheitshaltige Organismen Vektoren: Zum Beispiel werden Viren häufig von Pflanzen durch Insekten, die sich ernähren Pflanzensaft, wie zum Beispiel Blattläuse; und Viren bei Tieren können von getragen werden blutsaugend Insekten. Influenzaviren werden durch Husten und Niesen verbreitet. Norovirus und Rotavirus, häufige Ursachen für Virus Gastroenteritis, werden von der übertragen Fäkalroute, durch Hand-zu-Mund-Kontakt oder in Lebensmitteln oder Wasser übergeben. Virusinfektionen bei Tieren provozieren eine Immunreaktion Das beseitigt normalerweise das infizierende Virus. Immunantworten können auch von produziert werden Impfungen, die eine verleihen und eine künstlich erworbene Immunität zur spezifischen Virusinfektion.

Pflanzenform und Funktion

Pflanzenkörper

Wurzel- und Shoot -Systeme in a Eudicot

Der Pflanzenkörper besteht aus Organe das kann in zwei Major organisiert werden Organsysteme: a Wurzelsystem und ein Schuss system.[200] Das Wurzelsystem verankert die Pflanzen an Ort und Stelle. Die Wurzeln selbst absorbieren Wasser und Mineralien und speichern photosynthetische Produkte. Das Sprosssystem besteht aus Stengel, Laub, und Blumen. Die Stängel halten und orientieren die Blätter an der Sonne, die es den Blättern ermöglichen, Photosynthese zu leiten. Die Blumen sind schießt das wurde für geändert für Reproduktion. Triebe bestehen aus Phytomere, welche sind Funktionseinheiten Das besteht aus einem Knoten, der einen oder mehrere Blätter, Internode und einen oder mehrere trägt Knospen.

Ein Pflanzenkörper hat zwei grundlegende Muster (apikal -basale und radiale Achsen), die während der festgelegt wurden Embryogenese.[200] Zellen und Gewebe sind entlang der apikalen Basalachse von Wurzel zu schießen, während die drei Gewebesysteme (Dermal, Boden, und Gefäß) Das aus dem Körper einer Pflanze ist konzentrisch um seine Radialachse angeordnet.[200] Das dermale Gewebesystem bildet die Epidermis (oder äußere Abdeckung) einer Pflanze, die normalerweise eine einzelne Zellschicht ist, die aus Zellen besteht, die sich in drei spezialisierte Strukturen unterscheiden: Stomata für Gasaustausch in Blättern, Trichome (oder Blatthaar) zum Schutz vor Insekten und Sonnenstrahlung, und Wurzelhaare für erhöhte Oberflächen und Absorption von Wasser und Nährstoffen. Das gemahlene Gewebe besteht praktisch das gesamte Gewebe, das zwischen den dermalen und vaskulären Geweben in den Triebe und Wurzeln liegt. Es besteht aus drei Zelltypen: Parenchym, Rundkäe, und Sklerenchym Zellen. Schließlich bestehen die Gefäßgewebe aus zwei Konstituierenden Geweben: Xylem und Phloem. Das Xylem besteht aus zwei leitenden Zellen genannt Tracheids und Schiffselemente während das Phloem durch das Vorhandensein von gekennzeichnet ist Sieb -Rohrelemente und Begleitzellen.[200]

Pflanzenernährung und -transport

Das Xylem (blau) transportiert Wasser und Mineralien von den Wurzeln nach oben, während das Phloem (orange) Kohlenhydrate zwischen Organen transportiert.

Wie alle anderen Organismen bestehen Pflanzen hauptsächlich aus Wasser und anderen Molekülen, die enthalten Elemente das sind für das Leben wesentlich.[201] Das Fehlen spezifischer Nährstoffe (oder wesentliche Elemente), von denen viele in identifiziert wurden Hydroponik Experimente können stören Pflanzenwachstum und Reproduktion. Die Mehrheit der Pflanzen kann diese Nährstoffe erhalten Lösungen das umgibt ihre Wurzeln in dem Boden.[201] Kontinuierlich Auslaugen und Ernte von Getreide kann den Boden seiner Nährstoffe erschöpfen, die mit der Verwendung von wiederhergestellt werden können Düngemittel. Fleischfressende Pflanzen wie zum Beispiel Venus Flytracs sind in der Lage, Nährstoffe zu erhalten, indem sie andere verdauen Arthropoden wohingegen parasitäre Pflanzen wie zum Beispiel Mistel Kann andere Pflanzen für Wasser und Nährstoffe parasitieren.

Pflanzen brauchen Wasser, um es zu leiten Photosynthese, Transport gelöste Stoffe Zwischen Organen kühlen Sie ihre Blätter durch Verdunstungund den inneren Druck beibehalten, der ihren Körper unterstützt.[201] Wasser kann in der Lage sein diffus in und außerhalb Pflanzenzellen durch Osmose. Die Richtung der Wasserbewegung über a Semipermeable Membran wird durch die bestimmt Wasserpotential über diese Membran.[201] Wasser kann durch die Membran einer Wurzelzelle durch Diffundusen durch Aquaporine während gelöste gelöste von der membran von transportiert werden durch Ionenkanäle und Pumps. Im GefäßpflanzenWasser und gelöste Stoffe können die betreten Xylem, a Gefäßgewebe, über eine Apoplast und Symplast. Einmal im Xylem werden Wasser und Mineralien nach oben verteilt Transpiration vom Boden bis zu den Luftteilen der Pflanze.[174][201] Dagegen die Phloem, ein weiteres Gefäßgewebe, verteilt sich Kohlenhydrate (z.B., Saccharose) und andere gelöste Stoffe wie Hormone von Translokation von einem Quelle (z. B. reifer Blatt oder Wurzel), in dem sie zu a produziert wurden Waschbecken (z. B. Wurzel, Blume, oder sich entwickeln Obst), in dem sie verwendet und gespeichert werden.[201] Quellen und Waschbecken können die Rollen wechseln, abhängig von der Anzahl der Kohlenhydrate, die für die Ernährung anderer Organe angesammelt oder mobilisiert wurden.

Pflanzenentwicklung

Pflanzenentwicklung wird durch Umwelthinweise und die eigenen der Anlage reguliert Rezeptoren, Hormone, und Genom.[202] Darüber hinaus haben sie mehrere Merkmale, die es ihnen ermöglichen, Ressourcen für Wachstum und Fortpflanzung zu erhalten, wie z. Meristeme, postembryonale Organbildung und unterschiedliches Wachstum.

Die Entwicklung beginnt mit a Samen, was ist ein embryonal Pflanze in a eingeschlossen Schützende äußere Abdeckung. Die meisten Pflanzensamen sind normalerweise ruhend, ein Zustand, bei dem die normale Aktivität des Samens suspendiert wird.[202] Samenschleimhalt Mai Mai in den letzten Wochen, Monaten, Jahren und sogar Jahrhunderten. Die Ruhe ist gebrochen, sobald die Bedingungen für das Wachstum günstig sind, und der Samen beginnt zu sprießen, ein Prozess heißt Keimung. Aufnahme ist der erste Schritt in der Keimung, bei dem Wasser vom Samen absorbiert wird. Sobald Wasser absorbiert ist, unterzogen sich der Samen metabolisch verändert, wobei Enzyme werden aktiviert und RNA und Proteine werden synthetisiert. Sobald der Samen keimt, erhält es Kohlenhydrate, Aminosäuren, und Klein Lipide Das dient als Bausteine ​​für seine Entwicklung. Diese Monomere werden aus dem erhalten Hydrolyse von Stärke, Proteineund Lipide, die in beiden gespeichert sind Keimblätter oder Endosperm. Die Keimung wird abgeschlossen, sobald embryonale Wurzeln genannt werden Radikeln aus dem hervorgekommen sind Samenschale. Zu diesem Zeitpunkt wird die sich entwickelnde Pflanze a genannt Sämling und sein Wachstum wird von selbst reguliert Photorezeptorproteine und Hormone.[202]

nicht wie Tiere In diesem Fall ist das Wachstum bestimmt, d. H. Wenn der Erwachsenenzustand erreicht ist, ist das Pflanzenwachstum unbestimmt, da es ein offener Prozess ist, der möglicherweise lebenslang sein könnte.[200] Pflanzen wachsen auf zwei Arten: primär und sekundär. Im primären Wachstum werden die Triebe und Wurzeln gebildet und verlängert. Das Apikalmeristems erzeugt den primären Pflanzenkörper, der in allen gefunden werden kann Samenpflanzen. Während des sekundären Wachstums nimmt die Dicke der Pflanze zu, als die Lateraler Meristem produziert den sekundären Pflanzenkörper, der in Woody gefunden werden kann Eudikots wie Bäume und Sträucher. Monocots Machen Sie kein sekundäres Wachstum.[200] Der Pflanzenkörper wird durch eine Hierarchie von erzeugt Meristeme. Die apikalen Meristeme in den Wurzel- und Shoot -Systemen führen zu primären Meristemen (Protoderm, Ground Meristem und Procambium), was wiederum zu den drei Gewebesystemen führt (Dermal, Boden, und Gefäß).

Pflanzenreproduktion

Reproduktion und Entwicklung in Sporophyten

Die meisten Angiospermen (oder blühende Pflanzen) engagieren sich mit Sexuelle Fortpflanzung.[203] Ihr Blumen sind Organe, die erleichtern Reproduktion, normalerweise durch Bereitstellung eines Mechanismus für die Vereinigung von Sperma mit Eiern. Blüten können zwei Arten von Arten erleichtern Bestäubung: Selbstbestäubung und Kreuzbestäubung. Selbstbestäubung tritt auf, wenn der Pollen aus dem Anther auf dem Stigma derselben Blume oder einer anderen Blume auf derselben Pflanze abgelagert wird. Kreuzbestäubung ist die Übertragung von Pollen aus dem Stang einer Blume zum Stigma einer anderen Blume auf einem anderen Individuum derselben Art. Selbstbestäubung ereignete sich in Blumen, wo gleichzeitig der Staubblatt und die Karpellen reifen, und sind so positioniert, dass der Pollen auf dem Stigma der Blume landen kann. Diese Bestäubung erfordert keine Investition der Anlage, um Nektar und Pollen als Lebensmittel für Bestäuber bereitzustellen.[204]

Pflanzenreaktionen

Wie Tiere produzieren Pflanzen Hormone in einem Teil seines Körpers, Zellen in einem anderen Teil zu signalisieren, um zu reagieren. Das Reifung von Obst und Verlust von Blättern im Winter werden teilweise durch die Herstellung des Gases kontrolliert Ethylen von der Pflanze. Stress durch Wasserverlust, Änderungen der Luftchemie oder Verdrängung durch andere Pflanzen können 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 von chemischen Verbindungen, die in anderen Organismen nicht zu finden sind. Weil sie sich nicht bewegen können, müssen sich Pflanzen auch chemisch verteidigen Pflanzenfresser, Krankheitserreger und Konkurrenz von anderen Pflanzen. Sie tun dies, indem sie produzieren Toxine und faule schmeckende oder riechende Chemikalien. Andere Verbindungen verteidigen Pflanzen gegen Krankheiten, ermöglichen das Überleben während der Dürre und bereiten Pflanzen für die Ruhepause vor, während andere Verbindungen zur Anleihe verwendet werden Bestäuber Oder Pflanzenfresser, um reife Samen zu verbreiten.

Viele Pflanzenorgane enthalten verschiedene Arten von Photorezeptorproteinejedes davon reagiert sehr spezifisch auf bestimmte Lichtwellenlängen.[205] Die Photorezeptorproteine ​​geben Informationen über Tag und Nacht, die Dauer des Tages, die verfügbare Lichtintensität und die Lichtquelle weiter. Die Triebe wachsen im Allgemeinen zum Licht, während die Wurzeln von ihm wegwachsen, Reaktionen bekannt als als Phototropismus und Skototropismus. Sie werden von lichtempfindlichen Pigmenten wie insgesamt verursacht Phototropine und Phytochrome und das Pflanzenhormon Auxin.[206] Viele blühende Plfanzen Blüte zum richtigen Zeitpunkt wegen lichtempfindlicher Verbindungen, die auf die Länge der Nacht reagieren, ein Phänomen, das als bekannt ist Photoperioodismus.

Zusätzlich zu Licht können Pflanzen auf andere Arten von Stimuli reagieren. Zum Beispiel können Pflanzen die Richtung von spüren Schwere sich richtig orientieren. Sie können auf mechanische Stimulation reagieren.[207]

Tierform und Funktion

Allgemeine Merkmale

Negative Rückmeldung ist für die Wartung notwendig Homöostase wie halten Körpertemperatur Konstante.

Die Zellen in jedem tierischen Körper sind in gebadet Interstitielle Flüssigkeit, die die Umgebung der Zelle ausmachen. Diese Flüssigkeit und alle Eigenschaften (z. B. Temperatur, Ionenzusammensetzung) können als Tier beschrieben werden interne Umgebung, was im Gegensatz zu der äußeren Umgebung steht, die die Außenwelt des Tieres umfasst.[208] Tiere können entweder als Regulierungsbehörden oder Konformere eingestuft werden. Tiere wie Säugetiere und Vögel sind Regulierungsbehörden, da sie in der Lage sind, eine konstante interne Umgebung wie Körpertemperatur zu bewahren, obwohl sich ihre Umgebungen ändern. Diese Tiere werden auch als beschrieben als Hausothermen wie sie ausstellen Thermoregulierung Indem sie ihre innere Körpertemperatur konstant halten. Im Gegensatz dazu Tiere wie Fische und Frösche sind Konformere, wenn sie ihre innere Umgebung (z. B. Körpertemperatur) an ihre externen Umgebungen anpassen. Diese Tiere werden auch als beschrieben als Poikilothermen oder Ektothermen wie sie zulassen, dass ihre Körpertemperaturen ihren äußeren Umgebungen entsprechen. In Bezug auf die Energie ist die Regulierung teurer als die Konformität, da ein Tier mehr Energie ausdehnt, um eine konstante interne Umgebung zu erhalten, z. Basale Stoffwechselrate, das ist die Rate des Energieverbrauchs.[208] In ähnlicher Weise ist Homeothermy teurer als Poikilothermie. Homöostase ist die Stabilität der inneren Umgebung eines Tieres, die von erhalten wird von Negative Rückmeldung Schleifen.[208][209]

Die Körpergröße von terrestrische Tiere variieren zwischen verschiedenen Arten, aber deren Energieverbrauch nicht Skala linear nach ihrer Größe.[208] Zum Beispiel können Mäuse dreimal mehr Nahrung verbrauchen als Kaninchen im Verhältnis zu ihren Gewichten, da die basale Stoffwechselrate pro Gewicht der Einheiten bei Mäusen größer ist als bei Kaninchen.[208] Physische Aktivität kann auch die Stoffwechselrate eines Tieres erhöhen. Wenn ein Tier läuft, nimmt seine Stoffwechselrate linear mit der Geschwindigkeit zu.[208] Die Beziehung ist jedoch bei Tieren nicht linear, die schwimmen oder fliegen. Wenn ein Fisch schneller schwimmt, trifft er auf eine höhere Wasserbeständigkeit und so erhöht seine Stoffwechselraten exponentiell.[208] Alternativ ist das Verhältnis von Fluggeschwindigkeiten und Stoffwechselraten bei Vögeln U-förmig.[208] Bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten muss ein Vogel eine hohe Stoffwechselraten aufrechterhalten, um in der Luft zu bleiben. Wenn es seinen Flug beschleunigt, nimmt seine Stoffwechselrate mit Hilfe von Luft schnell über seine Flügel ab. Mit zunehmender Geschwindigkeitssteigerung steigt die hohen Stoffwechselraten jedoch aufgrund der erhöhten Anstrengungen im Zusammenhang mit schnellen Fluggeschwindigkeiten erneut an. Die basalen Stoffwechselraten können anhand der Rate eines Tieres gemessen werden Wärme Produktion.

Wasser- und Salzbalance

Verbreitung von Wasser und Ionen in und aus einem Süßwasserfisch

Ein Tier Körperflüssigkeiten drei Eigenschaften haben: osmotischer Druck, ionisch Zusammensetzung und Volumen.[210] Osmotischer Druck bestimmen die Richtung der Diffusion von Wasser (oder Osmose), die sich aus einem Bereich bewegt, in dem der osmotische Druck (Gesamtkonzentration der gelösten gelösten Stoffe) zu einem Bereich ist, in dem der osmotische Druck (Gesamtkonzentration der gelösten Stoffe) hoch ist. Wassertiere sind in Bezug auf ihre Körperflüssigkeitszusammensetzungen und ihre Umgebungen unterschiedlich. Zum Beispiel haben die meisten wirbellosen Tiere im Ozean Körperflüssigkeiten, die sind isosmotisch mit Meerwasser. Dagegen Ozean Knochenfische Körperflüssigkeiten haben, die sind hyposmotisch zu Meerwasser. Schließlich haben Süßwassertiere Körperflüssigkeiten, die sind hyperosmotisch zum frischen Wasser. Typische Ionen, die in den Körperflüssigkeiten eines Tieres gefunden werden können Natrium, Kalium, Kalzium, und Chlorid. Das Volumen der Körperflüssigkeiten kann durch reguliert werden Ausscheidung. Wirbeltier Tiere haben Nieren, die Ausscheidungsorgane sind, die aus winzigen Rohrstrukturen bestanden Nephronen, was machen Urin aus Blutplasma. Die primäre Funktion der Nieren besteht darin, die Zusammensetzung und das Volumen des Blutplasmas zu regulieren, indem Material selektiv das Material aus dem Blutplasma selbst entfernen. Die Fähigkeit von Xeric Tiere wie Känguru -Ratten So minimieren Wüste Umgebungen, die sehr wenig erhalten Niederschlag.[210]

Ernährung und Verdauung

Verschiedene Verdauungssysteme in Meeresfischen

Tiere sind Heterotrophen wie sie sich von anderen Organismen ernähren, um Energie zu erhalten und organische Verbindungen.[211] Sie sind in der Lage, Nahrung auf drei wichtige Weise zu erhalten, z. B. auf sichtbare Lebensmittelgegenstände, das Sammeln winziger Lebensmittelpartikel oder abhängig von Mikroben für kritische Nahrungsbedürfnisse. Die Menge an Energie, die in Lebensmitteln gespeichert ist kann basierend auf der Wärmemenge quantifiziert werden (gemessen in Kalorien oder Kilojoule) emittiert, wenn das Nahrung in Gegenwart von Sauerstoff verbrannt wird. Wenn ein Tier Lebensmittel verbrauchen würde, die eine überschüssige Menge an chemischer Energie enthält, speichert es den größten Teil dieser Energie in Form von Lipide Für zukünftige Nutzung und etwas dieser Energie als Glykogen Für den sofortigen Gebrauch (z. B. den Energiebedarf des Gehirns).[211] Die Moleküle in Lebensmitteln sind chemische Bausteine, die für das Wachstum und die Entwicklung erforderlich sind. Diese Moleküle umfassen Nährstoffe wie Kohlenhydrate, Fette, und Proteine. Vitamine und Mineralien (z. B. Kalzium, Magnesium, Natrium und Phosphor) sind ebenfalls wesentlich. Das Verdauungstrakt, die typischerweise aus einem röhrenförmigen Trakt bestehen, der sich vom Mund bis zum Anus erstreckt, ist in den Zusammenbruch (oder Verdauung) von Nahrung in kleine Moleküle, wenn sie nach unten reisen peristaltisch durch die Darmlumen Kurz darauf war es aufgenommen. Diese kleinen Lebensmittelmoleküle sind dann absorbiert in das Blut aus dem Lumen, wo sie dann als Bausteine ​​(z. B. Aminosäuren) oder Energiequellen (z. B. Glukose) auf den Rest des Körpers verteilt werden.[211]

Zusätzlich zu ihren Verdauungstrakten haben Wirbeltiere als Teil ihrer Verdauungssysteme Accessoire -Drüsen wie Leber und Bauchspeicheldrüse.[211] Die Verarbeitung von Nahrungsmitteln bei diesen Tieren beginnt in der ausgleichen, einschließlich des Mundes, Speiseröhre, und Magen. Die mechanische Verdauung von Nahrungsmitteln beginnt im Mund, wobei die Speiseröhre als Durchgang für Lebensmittel dient, um den Magen zu erreichen, wo sie zur weiteren Verarbeitung gelagert und zerfallen (durch die Magensäure). Nach dem Verlassen des Magens tritt das Essen in das ein Mittels, was der erste Teil der ist Darm (oder Dünndarm in Säugetiere) und ist die Hauptstelle der Verdauung und Absorption. Lebensmittel, die nicht absorbiert werden, werden als unverdaulicher Abfall gelagert (oder Kot) in dem Hintergut, was der zweite Teil des Darms ist (oder Dickdarm in Säugetieren). Das Hinterhalt vervollständigt dann die Reabsorption von benötigten Wasser und Salz, bevor er die Kot aus dem entscheidet Rektum.[211]

Atmung

Atmungssystem in a Vogel

Das Atmungssystem besteht aus spezifisch Organe und Strukturen für den Gasaustausch in Tiere. Die Anatomie und Physiologie, die dies ermöglichen, variiert stark, abhängig von der Größe des Organismus, der Umgebung, in der es lebt, und seine evolutionäre Geschichte. Im Landtiere Die Atemfläche wird als Auskleidung der verinnerlicht Lunge.[212] Gasaustausch in der Lunge tritt in Millionen kleiner Luftsäcke auf; Bei Säugetieren und Reptilien werden diese genannt Alveoliund in Vögeln, als sie bekannt sind Atria. Diese mikroskopischen Luftsäcke haben eine sehr reichhaltige Blutversorgung und bringen so die Luft in engen Kontakt mit dem Blut.[213] Diese Luftsäcke kommunizieren mit der äußeren Umgebung über ein System von Atemwege oder hohlen Röhren, von denen das größte ist Luftröhre, was in der Mitte der Brust in die beiden Hauptstoffe verzweigt Bronchi. Diese treten in die Lunge ein, wo sie sich in zunehmend engere sekundäre und tertiäre Bronchien in zahlreiche kleinere Röhrchen verzweigen, die Bronchiolen. Im Vögel Die Bronchiolen werden bezeichnet parabronchi. Es sind die Bronchiolen oder Parabronchi, die sich im Allgemeinen in den mikroskopischen Bereich öffnen Alveoli bei Säugetieren und Atria in Vögeln. Luft muss durch den Prozess des Atmung, was die betrifft die Atmungsmuskeln.

Verkehr

Kreislaufsysteme in Arthropoden, Fischen, Reptilien und Vögeln/Säugetieren

A Kreislauf besteht normalerweise aus einer Muskelpumpe wie a Herz, eine Flüssigkeit (Blut) und System von Blutgefäße das liefert es.[214][215] Seine Hauptfunktion ist der Transport Blut und andere Substanzen von und von Zellen und Gewebe. Es gibt zwei Arten von Kreislaufsystemen: offen und abgeschlossen. In offenen Kreislaufsystemen verlässt Blut Blutgefäße, während es im gesamten Körper zirkuliert, während im geschlossenen Kreislaufsystem Blut in den Blutgefäßen im Zirkulieren enthalten ist. Offene Kreislaufsysteme können in beobachtet werden wirbellos Tiere wie Arthropoden (z.B., Insekten, Spinnen, und Hummer) während geschlossene Kreislaufsysteme in gefunden werden können Wirbeltier Tiere wie Fische, Amphibien, und Säugetiere. Die Zirkulation in Tieren tritt zwischen zwei Arten von Geweben auf: Systemische Gewebe und Atmung (oder Lungen-) Organe.[214] Systemische Gewebe sind alle Gewebe und Organe, aus denen der Körper eines Tieres außer seinen Atemorganen besteht. Systemische Gewebe nehmen Sauerstoff auf, verleihen dem Blut jedoch Kohlendioxid, während eine Atemorgane Kohlendioxid aufnimmt, aber dem Blut Sauerstoff hinzufügen.[216] Bei Vögeln und Säugetieren sind die systemischen und Lungensysteme in Reihe verbunden.

Im Kreislaufsystem ist Blut wichtig, weil es das Mittel ist, mit dem Sauerstoff, Kohlendioxid, Nährstoffe, Hormone, Agenten von Immunsystemen, Hitze, Abfällen und anderen Waren werden transportiert.[214] Im Annelids wie zum Beispiel Regenwürmer und Blutegel, Blut wird angetrieben von Peristaltische Wellen von Kontraktionen der Herzmuskeln, die die Blutgefäße ausmachen. Andere Tiere wie Krustentiere (z. B.,, Flusskrebs und Hummer), haben Sie mehr als ein Herz, um Blut in ihrem Körper zu treiben. Wirbeltierherzen sind Mehrfachammered und sind in der Lage, Blut zu pumpen, wenn ihre Ventrikel mit jeweils abschließen Herzzyklus, der Blut durch die Blutgefäße treibt.[214] Obwohl Wirbeltierherzen sind myogen, ihre Kontraktionsrate (oder Pulsschlag) kann durch neuronale Eingabe aus dem Körper moduliert werden vegetatives Nervensystem.

Muskel und Bewegung

Asynchrone Muskeln Strom in den meisten Insekten. A: Flügel B: Flügelgelenk C: Dorsoventrale Muskeln Stromversorgung D: Dorsolongitudinalmuskeln Stromversorgungsstrokes.

Im Wirbeltiere, das Muskulatur besteht aus Skelett-, glatt und Herz Muskeln. Es ermöglicht die Bewegung des Körpers, sorgt für die Haltung und zirkuliert Blut im gesamten Körper.[217] Zusammen mit dem Skelettsystem, es bildet die Bewegungsapparat, was für die Bewegung von Wirbeltieren verantwortlich ist.[218] Skelettmuskelkontraktionen sind neurogen wie sie brauchen synaptische Eingabe aus motorische Neuronen. Ein einzelnes Motoneuron ist in der Lage, mehrere Muskelfasern zu innervieren, wodurch gleichzeitig die Fasern zusammengezogen werden. Sobald im Innervieren die Proteinfilamente in jedem Skelettmuskelfaserfaser aneinander rutschen, um eine Kontraktion zu erzeugen, die durch die erklärt wird Siebfilamenttheorie. Die erzeugte Kontraktion kann je nach Häufigkeit von als Zuckung, Summierung oder Tetanus beschrieben werden Aktionspotentiale. Im Gegensatz zu Skelettmuskeln kontraktionen von glatt und Herzmuskeln sind myogen wie sie von den glatten oder Herzmuskelzellen selbst anstelle eines Motoneurons initiiert werden. Trotzdem kann die Stärke ihrer Kontraktionen durch Eingabe von der moduliert werden vegetatives Nervensystem. Die Kontraktionsmechanismen sind in allen drei Muskelgeweben ähnlich.

In Wirbellosen wie z. Regenwürmer und Blutegel, kreisförmige und longitudinale Muskeln Zellen bilden die Körperwand dieser Tiere und sind für ihre Bewegung verantwortlich.[219] In einem Regenwurm, der sich durch einen Boden bewegt, zum Beispiel die Kontraktionen von kreisförmigen und längsübergreifenden Muskeln treten wechselseitig auf Koelomflüssigkeit dient als a Hydroskelett Durch die Aufrechterhaltung der Türgidität des Regenwurms.[220] Andere Tiere wie z. Mollusken, und Nematodenbesitzen schräg gestreifte Muskeln, die Bänder von dicken und dünnen Filamenten enthalten, die eher helikal als transvers angeordnet sind, wie in Wirbeltierskelett- oder Herzmuskeln.[221] Fortschrittlich Insekten wie zum Beispiel Wespen, Fliegen, Bienen, und Käfer besitzen Asynchrone Muskeln Das bildet die Flugmuskeln bei diesen Tieren.[221] Diese Flugmuskeln werden oft genannt Fibrilläre Muskeln Weil sie Myofibrillen enthalten, die dick und auffällig sind.[222]

Nervöses System

Maus Pyramidenneuronen (grün) und Gabaerge Neuronen (rot)[223]

Die meisten vielzelligen Tiere haben Nervensysteme[224] Das ermöglicht es ihnen, ihre Umgebungen aus zu spüren und auf sie zu reagieren. Ein Nervensystem ist ein Netzwerk von Zellen, das verarbeitet sensorisch Informationen und generiert Verhalten. Auf zellulärer Ebene wird das Nervensystem durch das Vorhandensein von definiert Neuronen, die Zellen sind, die auf Informationen umgehen.[225] Sie können Informationen an Websites von Kontakten übertragen oder empfangen, die genannt werden Synapsen.[225] Insbesondere können Neuronen Nervenimpulse durchführen (oder Aktionspotentiale) Das reist entlang ihrer dünnen Fasern Axone, was dann direkt auf eine benachbarte Zelle übertragen werden kann durch Elektrische Synapsen oder Chemikalien bezeichnen, die genannt werden Neurotransmitter freigelassen werden bei Chemische Synapsen. Nach der Natriumtheorie können diese Aktionspotentiale durch die erhöhte Durchlässigkeit des Neurons erzeugt werden Zellmembran zu Natriumionen.[226] Zellen wie Neuronen oder Muskelzellen können angeregt oder gehemmt werden, wenn ein Signal von einem anderen Neuron erhalten wird. Die Verbindungen zwischen Neuronen können sich bilden Neuronale Wege, Nervenkreise, und Größere Netzwerke Das erzeugt die Wahrnehmung der Welt durch einen Organismus und bestimmt ihr Verhalten. Zusammen mit Neuronen enthält das Nervensystem andere spezialisierte Zellen genannt Glia oder Gliazellen, die strukturelle und metabolische Unterstützung leisten.

Bei Wirbeltieren umfasst das Nervensystem die zentrales Nervensystem (ZNS), einschließlich des Gehirn und Rückenmark, und die Periphäres Nervensystem (PNS), das besteht aus Nerven Das verbindet das ZNS mit jedem anderen Körperteil. Nerven, die Signale aus dem ZNS übertragen Motornerven oder Efferenten Nerven, während diese Nerven, die Informationen vom Körper zum ZNS übertragen sensorische Nerven oder Afferente Nerven. Wirbelsäulennerven sind gemischte Nerven das diente beide Funktionen. Das PNs ist in drei separate Subsysteme unterteilt, die somatisch, autonom, und enterisch Nervensysteme. Somatische Nerven vermitteln freiwillige Bewegungen. Das autonome Nervensystem wird weiter in die unterteilt sympathisch und die parasympathisch Nervensysteme. Das sympathische Nervensystem wird bei Notfällen zur Mobilisierung der Energie aktiviert, während das parasympathische Nervensystem aktiviert wird, wenn Organismen in einem entspannten Zustand sind. Das enterische Nervensystem bewirkt die Kontrolle der Magen -Darm System. Sowohl autonomische als auch enterische Nervensysteme funktionieren unfreiwillig. Nerven, die direkt aus dem Gehirn aussteigen, werden genannt Hirnnerven während diejenigen, die aus dem Rückenmark ausgehen, als Wirbelsnernerven bezeichnet werden.

Viele Tiere haben Sinnesorgane Das kann ihre Umgebung erkennen. Diese Sinnesorgane enthalten Sinnesrezeptoren, die sensorische Neuronen sind, die Stimuli in elektrische Signale umwandeln.[227] MechanorezeptorenZum Beispiel erzeugen beispielsweise in Haut-, Muskel- und Hörorganen Aktionspotentiale als Reaktion auf Änderungen des Drucks.[227][228] Photorezeptorzellen wie zum Beispiel Stangen und Zapfen, die Teil des Wirbeltiers sind Retina, kann auf bestimmte reagieren Wellenlängen des Lichts.[227][228] Chemorezeptoren Chemikalien im Mund erkennen (Geschmack) oder in der Luft (Geruch).[228]

Hormonische Kontrolle

Hormone sind Signalmoleküle, die im Blut zu entfernten Organen transportiert werden, um ihre Funktion zu regulieren.[229][230] Hormone werden von innerem sekretiert Drüsen das sind Teil eines Tier's Hormonsystem. Im Wirbeltiere, das Hypothalamus ist das neuronale Kontrollzentrum für alle endokrinen Systeme. Im Menschen Insbesondere der Major Endokrine Drüsen sind die Schilddrüse und die Nebennieren. Viele andere Organe, die Teil anderer Körpersysteme sind Knochen, Nieren, Leber, Herz und Gonaden. Zum Beispiel sekretieren Nieren das endokrine Hormon Erythropoietin. Hormone können Aminosäurekomplexe sein, Steroide, Eicosanoide, Leukotriene, oder Prostaglandine.[231] Das endokrine System kann beides gegenübergestellt werden Exokrine Drüsen, die Hormone außen außerhalb des Körpers absondern, und Parakrinsignale zwischen Zellen über eine relativ kurze Strecke. Endokrine Drüsen haben keine Kanäle, sind vaskulär und haben üblicherweise intrazelluläre Vakuolen oder Granulat, die ihre Hormone aufbewahren. Im Gegensatz dazu exokrine Drüsen, wie z. Speicheldrüsen, Schweißdrüsenund Drüsen innerhalb der Magen-Darmtrakt, neigen dazu, viel weniger vaskulär zu sein und Kanäle oder eine Mulde zu haben Lumen.

Tierreproduktion

Tiere können reproduzieren Auf zwei Arten: asexuell und sexuell. Fast alle Tiere betreiben eine Form sexueller Reproduktion.[232] Sie produzieren Haploid Gameten durch Meiose. Die kleineren, beweglichen Gameten sind Spermatozoa und die größeren, nicht motilen Gameten sind Eizellen.[233] Diese Sicherung zu formen Zygoten,[234] die sich durch Mitose in eine hohle Kugel, eine Blastula genannt. In Schwämmen schwimmen Blastula -Larven an einen neuen Ort, befestigen sich am Meeresboden und entwickeln sich zu einem neuen Schwamm.[235] In den meisten anderen Gruppen wird die Blastula eine kompliziertere Umlagerung unterzogen.[236] Es zuerst Invaginate zu bilden a Gastrula mit einer Verdauungskammer und zwei getrennten Bakterienschichtenein äußeres Ektoderm und ein interner Endoderm.[237] In den meisten Fällen eine dritte Keimschicht, die Mesodermentwickelt sich auch zwischen ihnen.[238] Diese Keimschichten differenzieren dann zu Geweben und Organen.[239] Einige Tiere sind in der Lage asexuelle Reproduktion, was oft zu einem genetischen Klon des Elternteils führt. Dies kann durch stattfinden Zersplitterung; Knospungwie in Hydra und andere Cnidarier; oder Parthenogenese, wo fruchtbare Eier ohne produziert werden Paarungwie in Blattläuse.[240][241]

Tierentwicklung

Dekollete im Zebrafischembryo

Tierentwicklung beginnt mit der Bildung von a Zygote das resultiert aus der Fusion von a Sperma und Ei während Düngung.[242] Die Zygote erfährt schnell mehrere Runden der mitotischen Zellperiode von Zellabteilungen, die genannt werden Dekollete, was einen Ball ähnlicher Zellen bildet, der als a genannt wird Blastula. Gastruligkeit tritt auf, wobei morphogenetische Bewegungen die Zellmasse in eine drei umwandeln Bakterienschichten das umfasst das Ektoderm, Mesoderm und Endoderm.

Das Ende der Gastrulation signalisiert den Beginn von Organogenese, wobei die drei Bakterienschichten bilde die innere Organe des Organismus.[243] Die Zellen jeder der drei Keimschichten unterziehen sich Unterscheidung, ein Prozess, bei dem weniger spezialisierte Zellen durch die Expression eines bestimmten Satzes von Genen stärker spezifialisiert werden. Die zelluläre Differenzierung wird durch extrazelluläre Signale wie Wachstumsfaktoren beeinflusst, die in benachbarte Zellen ausgetauscht werden, die genannt werden Juxtracrine Signalübertragung oder an benachbarte Zellen über kurze Entfernungen, die genannt werden Parakrinsignale.[244][245] Intrazelluläre Signale bestehen aus einer Zellsignalisierung selbst (autokrine Signalübertragung), spielen auch eine Rolle bei der Organbildung. Diese Signalwege ermöglichen die Umlagerung von Zellen und stellt sicher, dass sich Organe an bestimmten Stellen innerhalb des Organismus bilden.[243][246]

Immunsystem

Prozesse in der primären Immunantwort

Das Immunsystem ist ein Netzwerk von Biologische Prozesse das erkennt und reagiert auf eine Vielzahl von Krankheitserreger. Viele Arten haben zwei Hauptsubsysteme des Immunsystems. Das angeborenes Immunsystem Bietet eine vorkonfigurierte Reaktion auf breite Gruppen von Situationen und Reizen. Das Adaptives Immunsystem Bietet eine maßgeschneiderte Reaktion auf jeden Stimulus, indem er lernt, Moleküle zu erkennen, die zuvor aufgetreten sind. Beide verwenden Moleküle und Zellen ihre Funktionen ausführen.

Fast alle Organismen haben eine Art Immunsystem. Bakterien ein rudimentäres Immunsystem in Form von haben Enzyme das schützt vor Virus Infektionen. Andere grundlegende Immunmechanismen haben sich im Alten entwickelt Pflanzen und Tiere und bleiben in ihren modernen Nachkommen. Diese Mechanismen umfassen Phagozytose, antimikrobielle Peptide genannt Verteidigung, und die Komplementsystem. Kiefer Wirbeltiere, einschließlich Menschen, haben noch anspruchsvollere Abwehrmechanismen, einschließlich der Fähigkeit, sich an die Erkennung von Krankheitserregern effizienter anzupassen. Die adaptive (oder erworbene) Immunität schafft eine immunologisches Gedächtnis Dies führt zu einer verbesserten Reaktion auf nachfolgende Begegnungen mit demselben Erreger. Dieser Prozess der erworbenen Immunität ist die Grundlage von Impfung.

Tierverhalten

Brutparasiten wie der Kuckucksgeschäft bieten den Elternspezies einen übernormalen Reiz.

Verhalten Spielen Sie eine zentrale Rolle bei der Interaktion der Tiere miteinander und mit ihrer Umgebung.[247] Sie können ihre Muskeln nutzen, um sich gegenseitig zu nähern, singen, suche Schutz und Wandern. Ein Tier nervöses System aktiviert und koordiniert sein Verhalten. Behobene AktionsmusterZum Beispiel sind genetisch bestimmte und stereotype Verhaltensweisen, die ohne Lernen auftreten.[247][248] Diese Verhaltensweisen stehen unter der Kontrolle des Nervensystems und können ziemlich ausführlich sein.[247] Beispiele sind das Hacken von Kelp Möwe Küken am roten Punkt am Schnabel ihrer Mutter. Andere Verhaltensweisen, die sich als Ergebnis von entstanden haben natürliche Auslese enthalten Nahrungssuche, Paarung, und Altruismus.[249] Zusätzlich zu einem weiterentwickelten Verhalten haben die Tiere die Fähigkeit entwickelt, ihr Verhalten durch frühe individuelle Erfahrungen zu modifizieren.[247]

Ökologie

Ökosysteme

Terrestrische Biome werden durch Temperatur und Niederschlag geformt.

Ökologie ist die Untersuchung der Verteilung und Fülle von Lebendie Wechselwirkung zwischen Organismen und ihren Umgebung.[250] Das Gemeinschaft des Lebens (biotisch) Organismen in Verbindung mit dem Nichtleben (abiotisch) Komponenten (z. B. Wasser, Licht, Strahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Atmosphäre, Säureund Boden) ihrer Umgebung wird als eine genannt Ökosystem.[251][252][253] Diese biotischen und abiotischen Komponenten sind durch Nährstoffzyklen und Energieflüsse miteinander verbunden.[254] Energie aus der Sonne tritt durch das System durch Photosynthese und wird in Pflanzengewebe eingebaut. Durch die Ernährung von Pflanzen und aufeinander spielen Tiere eine wichtige Rolle bei der Bewegung von Angelegenheit und Energie durch das System. Sie beeinflussen auch die Menge der Pflanze und mikrobiell Biomasse gegenwärtig. Durch totes Aufbrechen organische Materie, Zersetzer Veröffentlichung Kohlenstoff zurück in die Atmosphäre und erleichtert Nährstoffkreislauf Durch die Umwandlung von Nährstoffen, die in toter Biomasse gespeichert sind, in eine Form, die leicht von Pflanzen und anderen Mikroben verwendet werden kann.[255]

Die physikalische Umgebung der Erde ist geprägt von Solarenergie und Topographie.[253] Die Menge an Sonnenenergieeingabe variiert in Raum und Zeit aufgrund der kugelförmigen Form der Erde und ihrer Axial Neigung. Variation der Solarenergieeingangsantriebe Wetter und Klima Muster. Das Wetter ist die tägliche Temperatur und Niederschlag Aktivität, während das Klima der langfristige Durchschnitt des Wetters ist, der typischerweise über einen Zeitraum von 30 Jahren gemittelt wird.[256][257] Die Variation der Topographie erzeugt auch Umweltheterogenität. Auf der Windward Seite eines Berges zum Beispiel Luftaufstieg und Kühlung, wobei Wasser von gasförmig zu flüssig oder fester Form wechselt, was dazu führt Niederschlag wie Regen oder Schnee.[253] Infolgedessen ermöglichen nasse Umgebungen eine üppige Vegetation. Im Gegensatz dazu tendieren die Bedingungen auf der Lee -Seite eines Berges tendenziell trocken, da die Luft abfällt und sich erwärmt, und Feuchtigkeit bleibt in der Atmosphäre als Wasserdampf. Temperatur und Niederschlag sind die Hauptfaktoren, die terrestrische Formen formen Biomes.

Populationen

Durch eine logistische Wachstumskurve die Tragfähigkeit erreichen

A Population ist die Anzahl von Organismen vom selben Spezies das besetzt ein Bereich und reproduzieren von Generation zu Generation.[258][259][260][261][262] Seine Häufigkeit kann mit Verwendung gemessen werden Bevölkerungsdichte, was ist die Anzahl der Personen pro Einheit (z. B. Land oder Baum) oder Volumen (z. B. Meer oder Luft).[258] Da es normalerweise unpraktisch ist, jeden Individuum innerhalb einer großen Bevölkerung zu zählen, um seine Größe zu bestimmen, Einwohnerzahl Kann durch Multiplikation der Populationsdichte mit der Fläche oder dem Volumen geschätzt werden. Bevölkerungswachstum Während kurzfristiger Intervalle können unter Verwendung der bestimmt werden Bevölkerungswachstumsrate Gleichung, was berücksichtigt Geburt, Tod, und Einwanderungsraten. Langfristig die exponentielles Wachstum einer Bevölkerung neigt dazu, sich zu verlangsamen, wenn sie ihre erreicht Tragfähigkeit, die mit dem modelliert werden können logistische Gleichung.[259] Die Tragfähigkeit von a Umgebung ist die maximale Bevölkerungsgröße von a Spezies Das kann durch dieses spezifische Umfeld angesichts der Lebensmittel aufrechterhalten werden. Lebensraum, Wasser, und andere Ressourcen das sind verfügbar.[263] Die Tragfähigkeit einer Bevölkerung kann durch veränderte Umweltbedingungen wie Änderungen der Verfügbarkeitsressourcen und die Kosten für die Wartung beeinträchtigt werden. Im menschliche Populationen, Neu Technologien so wie die Grüne Revolution haben dazu beigetragen, die Tragfähigkeit der Erde im Laufe der Zeit für den Menschen zu erhöhen, was die versuchten Vorhersagen des bevorstehenden Bevölkerungsrückgangs behindert hat, der berühmt war durch Thomas Malthus Im 18. Jahrhundert.[258]

Gemeinschaften

A (a) Trophische Pyramide und A (b) vereinfachtes Nahrungsnetz. Die trophische Pyramide repräsentiert die Biomasse auf jeder Ebene.[264]

A Gemeinschaft ist eine Gruppe von Populationen von zwei oder mehr unterschiedlich Spezies gleichzeitig das gleiche geografische Gebiet besetzen. EIN Biologische Wechselwirkung ist der Effekt, dass ein Paar von Organismen zusammen in einer Gemeinschaft zu leben, hat sich gegenseitig. Sie können eine derselben Spezies (intraspezifische Wechselwirkungen) oder verschiedene Arten (interspezifische Wechselwirkungen) sein. Diese Effekte können kurzfristig sein wie Bestäubung und Prädationoder langfristig; Beide beeinflussen oft stark die Evolution der beteiligten Arten. Eine langfristige Wechselwirkung wird als a genannt Symbiose. Symbiosen reichen von Gegenseitigkeit, vorteilhaft für beide Partner, zu Wettbewerb, schädlich für beide Partner.[265]

Jede Art beteiligt sich als Verbraucher, Ressource oder beides in Verbraucher -Resource -Interaktionen, die den Kern von bilden Nahrungskette oder Essensnetze.[266] Es gibt verschiedene Trophische Ebenen Innerhalb eines Lebensmittelnetzes, wobei die niedrigste Ebene die Hauptproduzenten ist (oder Autotrophe) wie Pflanzen und Algen, die Energie und anorganisches Material in umwandeln organische Verbindungen, die dann vom Rest der Gemeinschaft verwendet werden kann.[60][267][268] Auf der nächsten Ebene sind die Heterotrophen, die Arten sind, die Energie erhalten, indem sie organische Verbindungen von anderen Organismen zerbrechen.[266] Heterotrophen, die Pflanzen konsumieren Pflanzenfresser) Während Heterotrophen, die Pflanzenfresser konsumieren, sekundäre Verbraucher sind (oder Fleischfresser). Und diejenigen, die sekundäre Verbraucher essen, sind tertiäre Verbraucher und so weiter. Allesfresser Heterotrophen können auf mehreren Ebenen konsumieren. Schließlich gibt es Zersetzer Das ernährt sich von den Abfallprodukten oder Leichen von Organismen.[266]

Im Durchschnitt die Gesamtmenge an Energie, die in die einbezogen wird Biomasse Von einem trophischen Niveau pro Zeiteinheit liegt etwa ein Zehntel der Energie des trophischen Niveaus, die es verbraucht. Abfall und totes Material, das von Zersetzung sowie durch den Stoffwechsel verlorenes Wärme verwendet wird, machen die anderen neunzig Prozent der Energie aus, die nicht durch das nächste trophische Niveau verbraucht werden.[269]

Biosphäre

Schneller Kohlenstoffzyklus zeigt die Bewegung von Kohlenstoff zwischen Land, Atmosphäre und Ozeanen in Milliarden von Tonnen pro Jahr. Gelbe Zahlen sind natürliche Flüsse, rot sind menschliche Beiträge, Weiß sind Kohlenstoff. Auswirkungen des Langsamer Kohlenstoffzykluswie vulkanische und tektonische Aktivitäten sind nicht enthalten.[270]

Im globalen Ökosystem (oder Biosphäre), Angelegenheit existieren als unterschiedliche interagierende Kompartimente, die je nach Formen und Standorten biotisch oder abiotisch sowie zugänglich oder unzugänglich sein können.[271] Zum Beispiel sind Materie von terrestrischen Autotrophen sowohl biotisch als auch für andere Organismen zugänglich, während die Materie in Gesteinen und Mineralien abiotisch und unzugänglich ist. EIN Biogeochemischer Zyklus ist ein Weg, auf dem spezifisch Elemente von Materie werden umgedreht oder durch die Biotik bewegt (Biosphäre) und das Abiotikum (Lithosphäre, Atmosphäre, und Hydrosphäre) Fächer von Erde. Es gibt biogeochemische Zyklen für Stickstoff-, Kohlenstoff, und Wasser. In einigen Zyklen gibt es Reservoire wo eine Substanz über einen langen Zeitraum bleibt oder wird.

Klimawandel beinhaltet sowohl die globale Erwärmung, die von Menschen-induzierten Emissionen von Menschen angetrieben wird Treibhausgase und die daraus resultierenden großflächigen Verschiebungen bei Wettermustern. Obwohl es gegeben wurde Frühere Perioden klimatischer VeränderungenSeit der Mitte des 20. Jahrhunderts haben Menschen einen beispiellosen Einfluss auf das Klimasystem der Erde und verursachten weltweit Veränderung.[272] Der größte Treiber der Erwärmung ist der Auslegung von Treibhausgasen, von denen mehr als 90% sind Kohlendioxid und Methan.[273] Fossiler Brennstoff brennen (Kohle, Öl, und Erdgas) zum Energieverbrauch ist die Hauptquelle dieser Emissionen mit zusätzlichen Beiträgen aus Landwirtschaft, Entwaldung und Herstellung.[274] Der Temperaturanstieg wird durch beschleunigt oder gemildert durch Klimafeedbackswie der Verlust von Sonnenlicht-reflektierender Schnee und Eisbedeckung, erhöht Wasserdampf (ein Treibhausgas selbst) und ändert sich zu Land- und Ozeankohlenstoffwaschbecken.

Erhaltung

Es werden Anstrengungen unternommen, um die natürlichen Eigenschaften von zu bewahren Hopetoun fällt, Australien, ohne den Zugang der Besucher zu beeinträchtigen.

Naturschutzbiologie ist das Studium der Erhaltung von Erde's Biodiversität mit dem Ziel des Schutzes Spezies, ihr Lebensräume, und Ökosysteme von übermäßigen Raten von Aussterben und die Erosion biotischer Wechselwirkungen.[275][276][277] Es geht um Faktoren, die die Aufrechterhaltung, den Verlust und die Wiederherstellung der biologischen Vielfalt und die Wissenschaft der Aufrechterhaltung von Evolutionsprozessen beeinflussen, die hervorgerufen werden genetisch, Population, Speziesund Ökosystemvielfalt.[278][279][280][281] Das Problem beruht auf Schätzungen, die darauf hindeuten, dass bis zu 50% aller Arten auf dem Planeten innerhalb der nächsten 50 Jahre verschwinden werden.[282] Das hat zu Armut, Hunger beigetragen und den Verlauf der Evolution auf diesem Planeten zurücksetzen.[283][284] Biodiversität beeinflusst das Funktionieren von Ökosystemen, die eine Vielzahl von liefern Dienstleistungen von welchen Menschen abhängen.

Naturschutzbiologen erforschen und informieren über die Trends von Biodiversitätsverlust, Spezies Aussterbenund die negative Wirkung, die diese auf unsere Fähigkeiten haben erhalten Das Wohlergehen der menschlichen Gesellschaft. Organisationen und Bürger reagieren auf die Aktuelle Biodiversitätskrise Durch Erhaltung von Aktionsplänen, die Forschungs-, Überwachungs- und Bildungsprogramme leiten, die durch globale Waage Bedenken bei lokaler Ebene ausmachen.[285][278][279][280]

Siehe auch

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