Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

In vielen Ingenieurstudiengängen brauchen die Studierenden eine Einführung in die Biologie, wofür im Studienplan meist nur ein kleines Zeitfenster zur Verfügung steht. Dieses Buch soll das konzentrierte Nacharbeiten und eine gezielte Vorbereitung auf Prüfungen ermöglichen und Neugierde wecken.

In diesem Kurzlehrbuch werden die wichtige Zusammenhänge und Funktionsprinzipien der modernen Biologie, die generelle Methodik und die wesentlichen Eigenschaften der Lebewesen und Lebensgemeinschaften vorgestellt. Wie ist der Weg vom Gen zum Organ und zum Verhalten? Weshalb ist nicht zu erwarten, dass ein Lebewesen dauerhaft perfekt ist? Ein Überblick über die Mechanismen der Evolution und die Vielfalt der Lebewesen und Lebensstrategien wird gegeben. Auf wichtige Inhalte wird in Merksätzen aufmerksam gemacht, vertiefende oder besonders aktuelle Aspekte werden in Vertiefungs-Kästen dargestellt. Es soll dabei noch keine Lehrbuch der Ingenieurbiologie sein, sondern die notwendige, kompakte Vorbereitung auch auf diese.

Über viele Jahre haben die Autoren Erfahrungen in Einführungsvorlesungen in die Biologie für Ingenieure, Informatiker und Naturwissenschaften gewonnen. Den Anschluss an weiterführende Veranstaltungen (z. B. der Bioverfahrenstechnik und der Umweltgestaltung) zu finden, ist für Studierende schon wegen der unterschiedlichen Fachsprache und Denkweise von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren eine Herausforderung. Auch dazu dienen Ausführungen über und Hinweise z.B. auf die Systembiologie, Synergetik und die rasante Methodenentwicklungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einführung

1. Einführung

Die Biologie untersucht Lebewesen, ihre Lebenserscheinungen und Funktionsweisen, ihr Zusammenleben, ihre Vielfalt und ihren genetischen Reichtum, ihre stammesgeschichtliche Entwicklung und Evolution, aber auch die Interaktionen der Lebewesen mit der Umwelt und die Funktionsweise von Ökosystemen. Auf der Grundlage der Erkenntnisse nutzt die Biologie Lebewesen oder Teile davon, verändert Organismen, speziell Mikroorganismen, zu Produktionszwecken. Sie greift heute in genetische Prozesse ein, um zum Beispiel bioaktive Moleküle für bestimmte Zwecke zu verändern, modelliert Stoffwechselwege, ja bald ganze Organismen, manipuliert und baut Ökosysteme. Gleichermaßen untersucht die Biologie den Menschen, auch um die Möglichkeiten von Medizin und Gesundheitsfürsorge zu verbessern.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

Zellulärer Aufbau der Lebewesen

Frontmatter

2. Stoffliche Grundlagen

Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff sind mengenmäßig die wichtigsten Elemente, es folgen Stickstoff, Phosphor und Schwefel — alle anderen kommen in Lebewesen eher in Spuren vor.Obwohl die Vielfalt der Moleküle, noch mehr der Stoffwechselreaktionen, fantastisch ist, sind die Organisationsprinzipien trotzdem überschaubar.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

3. Zellbiologie

Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Zellen sind die kleinsten lebenden Einheiten. Zellen entstehen immer nur aus Zellen. Jede Zelle ist durch eine Membran von der Umgebung getrennt.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

4. Energiestoffwechsel

Für die Zell- und Körperfunktionen und für den Aufbau und Ersatz körpereigener Stoffe finden laufend Stoffwechselreaktionen statt, mit denen ein erheblicher Energieumsatz verbunden ist. Pflanzen können die Energie aus dem absorbierten Licht beziehen und daraus Glucose und andere energiereiche Substanzen aufbauen. Die notwendige Energiemenge bzw.energiereiche organische Substanzen müssen von Tieren mit der Nahrung aufgenommen werden. Ihr primärer Betriebsstoff ist die Glucose.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

Fortpflanzung, Vererbung und Entwicklung

Frontmatter

5. Fortpflanzung und Vererbung

Lebewesen pflanzen sich fort. Die Nachkommen ähneln ihren Eltern, deren Merkmale und Eigenschaften werden vererbt. Die Mechanismen für Fortpflanzung, die stofflichen Grundlagen und Gesetzmäßigkeiten für Vererbung sind für alle Eukaryoten, Pflanzen und Tiere, auch für Pilze und Einzeller, weitgehend gleich. Die Mechanismen sind hier komplexer als bei Prokaryoten. Bei beiden, Eukaryoten und Prokaryoten, ist aber die genetische Information in der DNA codiert. Auch die Umsetzung dieser Information, die Proteinbiosynthese, ist bei allen Lebewesen im Wesentlichen gleich: Komplementär zu einer DNA-Sequenz wird eine RNA (mRNA) synthetisiert, deren Code am Ribosom in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

6. Molekulargenetik

In der Genetik gibt es viele Beispiele dafür, dass die Zusammenhänge in der Biologie auf unterschiedlichen Ebenen betrachtet werden können, wobei ganz unterschiedliche Erklärungen zu finden sind. Hatte schon Gregor Mendel Gesetzmäßigkeiten der Vererbung beschrieben, so fand man später auf molekularer Ebene neue Gesetzmäßigkeiten. Dabei wurden Mechanismen der Umsetzung von Erbanlagen in Körperfunktionen verständlich. Das bedeutet aber nicht, dass aus den molekularen Vorgängen etwa die Mendel’schen Gesetze abzuleiten sind. Vielmehr behalten beide Ebenen, die Mendelgenetik und die Molekulargenetik, Erklärungswert.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

7. Entwicklung

Das Auftreten von Vielzellern in der Geschichte der Lebewesen ist eigentlich eine Ungeheuerlichkeit. Im Stammbaum der Lebewesen findet man nämlich fast ausschließlich Einzeller. Diese arbeiten ganz überwiegend egoistisch, für die eigene Zelle. Unterstützen sich mehrere Zellen einer Einzellerart, so sind sie doch gleich und erbringen keine unterschiedlichen Leistungen. Genau das ist bei Vielzellern anders. Die vielen Zellen eines Individuums entwickeln sich unterschiedlich und kooperieren dann; meist tragen nur noch wenige zur Fortpflanzung bei.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

Biologische Vielfalt, Bau und Funktion der Lebewesen

Frontmatter

8. Vielfalt und Stammbaum der Lebewesen

Alle Lebewesen gehen auf einen Ursprung zurück; sie sind monophyletisch. In der Stammesgeschichte hat sich eine immense Vielfalt entwickelt. Insbesondere die Diversität der Eukaryoten ist groß. Die fünf Hauptäste des Eukaryotenstammbaumes sind von Protisten (Einzellern) geprägt, aus denen an wenigen Stellen eine Entwicklung zur Vielzelligkeit zu erkennen ist.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

9. Mikroorganismen und Algen

Mikroorganismen sind die kleinsten Lebewesen, die aber für das Leben in speziellen Umgebungen und ebenso speziellen Situationen hervorragend angepasst sind. Im Einzelnen gehören zu den Mikroorganismen Prokaryoten mit Bakterien und Archaeen und die einzelligen Eukaryoten. Wenn Mikroorganismen im Hinblick auf ihre Nutzbarkeit in der Biotechnologie betrachtet werden, werden oft auch die Pilze dazugerechnet. Eine solche „Sammlung“ ist natürlich willkürlich, nach dem Motto: Hier wird behandelt, was woanders nicht behandelt wird. So definiert machen die Mikroorganismen fast den gesamten Stammbaum der Lebewesen aus — mit Ausnahme der Pilze, der Landpflanzen und der Tiere. Zwar dominieren diese drei Gruppen unsere Biosphäre, was die Artenzahl, die Größe von Individuen, die Formenvielfalt und die Biomasse angeht, jedoch bleiben die Mikroorganismen immens wichtig. Pflanzen wie Tiere wären ohne sie nicht überlebensfähig.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

10. Biologie der Landpflanzen

Landpflanzen, die aus Grünalgen entstanden sind, sind gekennzeichnet durch zahlreiche Anpassungen an die terrestrische Lebensweise. Dazu gehören der Schutz vor Austrocknung durch eine wächserne Cuticula, die zunehmende Entwicklung von Wasserleitungssystemen sowie Schutzorgane für Gameten und besonders für Embryonen, die jungen Sporophyten. Erst leistungsfähige Festigungs- und Stützgewebe ermöglichten hohe Wuchsformen. Wurzeln stellen die Aufnahme von ausreichenden Wassermengen und Nährsalzen und die Verankerung im Boden sicher, effektive Leitungssysteme ermöglichen den Wasser- und Nährstofftransport.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

11. Biologie der Pilze

Pilze (Fungi) sind durch ihre heterotrophe Ernährungsweise und ihre fädige Wuchsform (Hyphen) gekennzeichnet. Sie sind nicht zur Photosynthese befähigt, müssen vielmehr von vorhandenem organischem Material leben. Mithilfe sezernierter Enzyme zersetzen sie organische Makromoleküle, können dabei abgestorbene Tier- oder Pflanzenteile verdauen, aber zum Teil auch lebende Organismen angreifen. Monomere wie Zucker und Aminosäuren werden dann über Membranen der Hyphenzellen aufgenommen. Bei dieser Ernährungsweise spricht man auch von Absorption. Typisch für Pilze ist weiter, dass sie Zellwände ausbilden, deren Hauptbestandteil Chitin ist.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

12. Biologie der Tiere

Tiere, die Metazoa oder Animalia, sind vielzellig. Tiere ernähren sich heterotroph von Pflanzen, anderen Tieren, Pilzen oder Kleinstlebewesen. Sie haben (bis auf die einfachsten Tiere wie die Schwämme) Organe für die Nahrungsaufnahme und Verdauung. In Zusammenhang mit ihrer Beweglichkeit haben Tiere außerdem leistungsfähige Sinnesorgane für die Kommunikation mit ihrer Umwelt und ein Nervensystem, das nicht zuletzt die Grundlage für komplexe Verhaltensweisen ist. Mit Ausnahme der einfachsten Tiere haben Tiere eine Reihe typischer Organe für bestimmte Funktionen wie z. B. Atmung, Verdauung oder Sinneswahrnehmungen.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

Umwelt und Evolution

Frontmatter

13. Ökologie

Hatte man noch vor wenigen Jahrzehnten gehofft, mit immer größerer Rechenleistung eines Tages die Entwicklung zumindest einfacher Ökosysteme vorherberechnen zu können, so ist man heute zurückhaltender geworden. Zu komplex scheinen Lebensgemeinschaften in ihrer Umgebung aus belebter und unbelebter Natur zu sein. So sind gerade auch plötzliche Veränderungen oft nicht vorherzusagen. Der Mensch beeinflusst die Natur — bewusst wie auch unbewusst — über die vielen kleinen und großen „Stellschrauben“ der Ökosysteme. Es ist aber notwendig, die Systeme zu verstehen, bevor man eingreift. So können künstliche Wasserspeicher ein Segen sein, andererseits könnten sie die Vermehrung von Schnecken initiieren, die Zwischenwirte von parasitischen Schistosomen, gefährlichen Krankheitserregern des Menschen, sind. Was kann man tun gegen die Schnecken? Hier sind Ingenieure gefragt; der Bewuchs der Becken sollte baubedingt erschwert sein. In gewässerreichen Landstrichen kann gegen Schistosoma der Einsatz parasitierter Enten helfen, wenn deren Parasiten dieselben Schnecken als Zwischenwirte nutzen. Die Schnecken werden durch starken Parasitenbefall geschädigt, ja sogar fortpflanzungsunfähig („parasitische Kastration“).

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

14. Evolutionsbiologie

Seit die augenblickliche Klimaveränderung zu immer wärmeren Sommern führt, erscheinen bei uns von manchen Zugvögeln vermehrt Frührückkehrer. Ob sie den Wetterbericht gelesen haben? Wohl nicht. Frührückkehrer gab es immer schon. Meist sind sie verhungert oder erfroren, aber jetzt bringt so ein Verhalten Erfolg. Die Frührückkehrer können die besten Brutreviere besetzen und haben dadurch relativ mehr Nachkommen. Immer sind die Umweltbedingungen für den Fortpflanzungserfolg kritisch. Per Selektion wird entschieden, welches (genetisch bedingte) Verhalten sich in der Population durchsetzt.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

Die Anwendung der Biologie

Frontmatter

15. Biotechnik

Hatte die Biologie zunächst die Lebewesen und Lebenserscheinungen beschrieben, geordnet, Mechanismen und Funktionen analysiert, um durch Zuchtauswahl Nutzpflanzen und Haustiere zu gewinnen, so wurde nachfolgend versucht, Pflanzensorten und Mikroorganismen zur Gewinnung gewünschter Produkte gezielt zu verändern. Entscheidend ist hier — aufbauend auf dem erarbeiteten biowissenschaftlichen Wissen — der ingenieurwissenschaftliche Ansatz. Damit gelingt es zunehmend, das Potenzial der organismischen Diversität gezielt nutzbar zu machen. In den neuen Disziplinen wie der Systembiologie und des Metabolic Engineering gewinnt gerade auch die mathematische Modellierung an Bedeutung. Aufbauend auf frühen Ansätzen haben sich inzwischen ganz unterschiedliche Arbeitsgebiete der Biotechnik etabliert, die zu eigenständigen Fächern und Studiengängen in diesem Themengebiet geführt haben.

Hans-Dieter Görtz, Franz Brümmer

Backmatter

Weitere Informationen

Premium Partner

in-adhesivesMKVSNeuer Inhalt

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Whitepaper

- ANZEIGE -

Technisches Interface Design - Beispiele aus der Praxis

Eine gute Theorie besticht nur darin, dass am Ende einer Entwicklung sinnvolle und nutzergerechte Produkte herauskommen. Das Forschungs- und Lehrgebiet Technisches Design legt einen starken Wert auf die direkte Anwendung der am Institut generierten wissenschaftlichen Erkenntnisse. Die grundlegenden und trendunabhängigen Erkenntnisse sind Grundlage und werden in der Produktentwicklung angewendet. Nutzen Sie die Erkenntnisse aus den hier ausführlich dargestellten Praxisbespielen jetzt auch für Ihr Unternehmen.
Jetzt gratis downloaden!

Marktübersichten

Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen. 

Bildnachweise