Wissenschaftsjahr Meere und Ozeane: Reif für die Südseeinsel?

Wie ihr seht – auch in meinem dritten Beitrag zum Wissenschaftsjahr Meere und Ozeane – verlässt mich das Urlaubsfeeling nicht. 🙂

Südseeinsel-Traum – Palmen, Strand, Meer und blauer Himmel, Bild: R. Schügner

Vielleicht habt ihr euch schon bei meinem zweiten Blogbeitrag zum Wissenschaftsjahr gefragt, wie ich auf „Südseeinseln“ komme. Klar, eignen sich die Inseln hervorragend als Stützpunkt für einen Tauchurlaub, aber viele dieser Inseln „stehen“ auf Korallenriffen und sind von ihnen umgeben. Damit ist das Tauchparadies quasi direkt vor der Haustür.

Korallen bieten einen vielfältigen Lebensraum, Foto: C. Selbach (danke 🙂 )

Wie auf dem Foto zu sehen (und im letzten Beitrag zu lesen) ist, sondern Steinkorallen Kalk ab. Durch die Vielzahl der Korallen bilden sich unter Wasser große weitläufige Strukturen, wie das Great Barrier Reef. Es befindet sich an der Ostküste von Queensland (Australien). Das Riff erstreckt sich über 2.300 km entlang der australischen Küste und besteht aus einer Kette von Einzelriffen und Inseln.

Wo wachsen Korallenriffe?

Korallen benötigen ausreichend Licht, da sie mit Algen in Symbiose leben. Korallen und Algen profitieren von dieser Art „Wohngemeinschaft“, denn die Algen liefern den Korallen über die Photosynthese lebenswichtige Nährstoffe. Die Algen profitieren vom Schutz durch die Korallen.

Korallen siedeln sich also nicht zu tief unter Wasser an, so dass ihre „Mitbewohner“ mit genügend Licht für die Photosynthese versorgt werden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

  • Saumriffe bilden sich entlang der Küste und folgen dem Strandverlauf. Ihre Größe ist davon abhängig, wie steil der Meeresboden abfällt. Saumriffe bilden sich vom Festland in Richtung Meer. Bei älteren Saumriffen kann sich eine Lagune, das bedeutet ein vom Meer abgetrennter Wasserbereich, bilden.

Saumriff, Bild: R. Schuegner

  • Barriereriffe (wie das Great Barrier Reef) wachsen weiter entfernt von der Küste im Ozean an Stellen, an denen das Meer relativ flach ist. Das Riffwachstum wird durch Veränderungen der Umweltbedingungen (steigender Meeresspiegel, Absenkung des Meeresbodens) angeregt.

Barriereriff, Bild: R. Schügner

  • Atolle sind – nach einer Theorie von Darwin – Saumriffe, die eine vulkanische Insel ringförmig umschließen, die sich im Lauf der Zeit absenkt. Im Inneren der Atolle bildet sich eine Lagune.

Atoll, Bild: R. Schügner

  • Plattformriffe wachsen an flachen Stellen im Ozean, d. h. der Meeresspiegel ist so niedrig, dass die Algen Photosynthese betreiben können. Sie sind in der Form den Atollen ähnlich, aber in der Regel Lagune.

Plattformriff, Bild: R. Schügner

Bisher liegen alle Riffe unterhalb des Meeresspiegels und es ist noch keine Insel in Sichtweite. 😉 Das Wachstum der Korallen wird durch einen steigenden Meeresspiegel oder eine Absenkung des Meeresbodens angeregt. Wenn der Meeresspiegel hingegen sinkt oder der Meeresboden angehoben wird, liegen Teile des Riffs über Wasser. Aus den „Kalkfelsen“ über Wasser können dann Inseln entstehen. Im Lauf der Zeit lagert sich Sand auf den Überresten der Korallen ab und Pflanzen und Tiere siedeln sich an. Die Koralleninseln werden auf diese Weise bewohnbar. Beispiele für Atolle sind Kiribati, Vanuatu und Male (Hauptstadt der Malediven).

Die Koralleninseln liegen jedoch nur wenige Meter über dem Meeresspiegel, so dass der Klimawandel für die Inselbewohner zum Teil schon jetzt ein großes Problem darstellt.
Ich habe ein Youtube-Video von Vic Stefanu – World Travels and Adventures gefunden, dass den Landeanflug auf das Tarawa Atoll (Gilbert Island, Kiribati) zeigt. Die flachen Landfläche um eine Lagune sind gut zu erkennen.

Klimawandel ein Problem der Bewohner von Atollen?

Der Klimawandel sorgt auf den Atollen direkt für mehrere Probleme. Der Anstieg des Meeresspiegels aufgrund des Abschmelzens des Polareises kostet die flachen Inseln große Landflächen. Damit wird die Fläche, die zum Wohnen und für die Landwirtschaft nutzbar ist, kleiner. Diese Entwicklung kann schon heute beobachtet werden.

Ein weiteres Problem, dass das steigende Meerwasser verursacht, betrifft die lebenden Korallenriffe, die die Inseln umgeben. Da Korallen von ausreichender Lichtzufuhr abhängig sind, müssen sie sich relativ nah unter der Wasseroberfläche befinden. Ein steigender Meeresspiegel regt zwar das Wachstum der Korallen an, aber die aktuelle Entwicklung verläuft relativ schnell und ist oft von einer Zunahme der Wassertemperatur begleitet. Zu warmes Wasser führt zur Korallenbleiche (hier im Beitrag ausführlich beschrieben) und damit letztlich zum Absterben der Korallen.

Zusätzlich werden die Korallenriffe durch eine zunehmende Versauerung des Meeres geschädigt. Durch den Anstieg des Kohlendioxids in der Luft kann sich auch mehr des Gases im Meer lösen. Dadurch entsteht mehr Kohlensäure und der pH-Wert des Wassers sinkt und die Meere werden saurer. Die genaue Reaktion könnt ihr in meinem ersten Beitrag zu Wissenschaftsjahr nachlesen. Allen Meeresorganismen fällt es schwerer Kalkschalen zu bilden.

Zu den Problemen im Meer kommt hinzu, dass das Wetter durch den Klimawandel unberechenbarer wird. Die Stürme werden häufiger und stärker. Zusammen mit dem geringeren Schutz der Inseln durch die geschädigten Riffe und der verringerten Landmasse führt das zu häufigeren Überflutungen der Landflächen mit salzhaltigem Meerwasser. Die salzhaltigen Landflächen eignen sich nicht mehr für die Landwirtschaft und damit zur Ernährung der Bewohner. Zusätzlich werden die meistens nicht sehr großen Vorkommen an Süß-/Trinkwasser ebenfalls verunreinigt.

Auf dem Youtube-Video von UNICEF New Zealand ist zu sehen, wie die Wellen während des Zyklons Pam (14. März 2015) auf das Ufer treffen.

Ein steigender Meeresspiegel und die Klimaveränderungen wirken sich, wie schon in meinem ersten Beitrag zum Wissenschaftsjahr gezeigt, auch auf unsere Küsten und Inseln aus.

Ein Blick auf die Insel – Land unter?

Meine Lieblingsinsel Juist liegt im Wattenmeer und ist schmal (500 bis 900 Meter) und lang (17 km). Die höchste Erhebung ist mit 22 Metern die Düne mit dem Wasserturm, aber der Strand liegt natürlich niedriger. Ein deutlicher und schneller Anstieg des Meeresspiegels würde sich hier auch mit Land-/Strandverlusten bemerkbar machen.

In der Nordsee hatten die Inseln und angrenzende Küstenbereiche schon immer mit Stürmen und Sturmfluten zu kämpfen. Eine besonders starke Sturmflut teilte die Insel 1651 (Petri-Flut) sogar in zwei Teile, die erst im 19. Jahrhundert wieder zu einer Insel wurde. Der Hammersee ist eine Erinnerung an diese Flut.

2013 verursachte der Orkan Xaver drei aufeinander folgende Sturmfluten. Die Dünen am Hammersee wurden dadurch auf einer Breite von 25 m weggespült. Nach der Sturmflut wurde die Düne repariert und verstärkt. Durch den Klimawandel könnte es zu mehr und heftigeren Stürmen kommen, da das Wetter unberechenbarer werden soll.

Hier habe ich ein Youtube-Video von joergkschulze, dass zeigt, wie sich Xaver am 6. Dezember 2013 auf die Flut auf Borkum ausgewirkt hat.

Die Auswirkungen der Klimaveränderungen zeigen sich aktuell zwar bei den Südseeinseln deutlicher, aber auch bei uns sind die Inseln und Küsten gefährdet. Deichneubauten und -erhöhungen berücksichtigen einen steigenden Meeresspiegel in einem gewissen Maß schon heute.

Ob die aktuellen Prognosen und Modelle zur Berechnung der Erhöhung des Meeresspiegels ausreichen, ist von vielen Faktoren abhängig und wird sich erst in Zukunft zeigen. Trotz dieser Unsicherheit ist abwarten und (Ostfriesen-)Tee trinken keine Möglichkeit, weil „später Handeln“ auch „zu spät Handeln“ sein könnte.

Da nicht allein der Anstieg des Meeresspiegels Probleme bereitet, sondern auch die Geschwindigkeit mit der dies geschieht, kann eine Verlangsamung der Veränderungen der Natur auch Möglichkeiten zur Regeneration, wie zum Beispiel das Korallenwachstum oder Schlickablagerungen im Wattenmeer, bieten.

Dünen mit Reisigzaun auf Amrum, Foto: G. Schügner

Von Bienen, Blüten und einer guten Ernte

Blühende Obstbäume sind zur Zeit in vielen Gärten und als „wilde“ Obstbäume im Wald zu sehen. Ein deutliches Zeichen, dass das Frühjahr gekommen ist.

Apfelblüte, Zierapfelbaum, Foto: Ricarda Schügner

Mich hat das Foto eines großen alten blühenden Kirschbaums, der mit vielen weißen Blüten bedeckt war, besonders beeindruckt. Das Foto von Luoke hat mich jedoch auch an meinen kleinen – ebenfalls reich blühenden – Zierapfelbaum erinnert.

Zum einen denke ich bei „Obstbaum“ auch direkt an eine reiche Ernte an Kirschen, Äpfel, Birnen oder Pflaumen im Herbst. 🙂 Zum anderen haben unsere Obstbäume sehr ähnliche Blüten.

Warum sehen sich die Blüten der Obstbäume ähnlich?

Das Aussehen der verschiedenen Früchte unterscheidet sich deutlich, aber die Blüten von Kirschen, Äpfeln, Brombeeren und sogar Erdbeeren sehen ähnlich aus. Trotz aller Unterschiede gehört unser Obst zur gleichen (Pflanzen-)Familie, den Rosengewächsen (Rosaceae), wie auch die Rose. Die Familie der Rosengewächse ist groß und weit verbreitet. Bei einer einfach blühenden Rose ist die Ähnlichkeit zu den Obstbaumblüten sichtbar. Die Blüten bestehen aus fünf Blütenblättern, genauer Kronblättern, mit Staubgefässen und Stempel. Bei Betrachtung der Blüten von hinten sind fünf, meistens grüne, Kelchblätter. Es sind die Blätter, die die Knospe vor dem Aufblühen geschützt haben. In der Abbildung ist der kompletter Blütenaufbau zu sehen.

Schematischer Blütenaufbau, Bild: R. Schügner

Und die reiche Obsternte im Herbst?

Für die Obsternte im Herbst hoffen zunächst alle Obstbaumbesitzer, dass es keinen Frost gibt, der die Blüten und kleinen Früchte schädigt. Wenn es zu kalt ist, frieren allerdings auch die fleißigen Bestäubungs-Helfer im Garten. Bei gutem Wetter brummt es jedoch rund um die blühenden Pflanzen. Die Bienen und auch Hummeln gehen ihrer Arbeit nach und bestäuben die Blüten emsig.
Im Youtube-Video von Iloriquita könnt ihr sie bei der Arbeit sehen.

Warum ist die Bienenarbeit zur Bestäubung notwendig?

Bei vielen Obst- und Gemüsepflanzen dienen Bienen und andere Insekten wie Schmetterlinge als Boten, die den Pollen von einer Blüte zur nächsten transportieren. Nur mit dieser Unterstützung können Früchte und Samen gebildet werden. Bei diesen Pflanzen ist eine Selbstbefruchtung nicht möglich. Ohne die fleißige Arbeit der Insekten gibt es keine reiche Ernte. Wenn die Helfer fehlen, gibt müssen die Obstbäume per Hand mit einem Pinsel bestäubt werden. Tatsächlich gibt es Gegenden in denen Obstplantagen diese Unterstützung durch den Menschen benötigen, wie unter anderem hier auf der Seite des Deutschlandradios zu lesen ist.

Bienenstöcke, Foto: Ricarda Schügner

Eine andere Möglichkeit der Pflanzen den Pollen zu verbreiten, kennt vermutlich jeder mit Heuschnupfen: Der Pollen „liegt“ in der Luft und es ist Heuschnupfenzeit. Der Wind verteilt den Pollen, so dass er benachbarte Pflanzen erreichen kann. Windbestäubung findet sich zum Beispiel bei Gräsern, wie unseren Getreidearten. Einige Arten, beispielsweise Raps, bei denen die Vermehrung über Windbestäubung stattfindet, erzielen durch Insektenunterstützung höhere Erträge.

Ohne Bienenunterstützung gäbe es also durchaus pflanzliche Nahrung, aber unser Obst und viele Gemüsepflanzen, die unsere Ernährung bereichern, würden fehlen. Weiterhin würden bei einigen Pflanzen, wie Raps, die Erträge sinken. Da nicht nur die landwirtschaftlich genutzten Pflanzen bei der Vermehrung auf die Unterstützung der Bienen angewiesen sind, würden auch viele Wildpflanzen ohne Bestäubung durch Bienen Probleme haben. Letztlich würde die Ernte pflanzlicher Nahrung deutlich sinken. Das betrifft natürlich nicht nur die menschliche Ernährung, sondern auch die Ernährung unserer Nutztiere.

Bienen sichern die biologische Vielfalt

In den letzten Jahren ist die Zahl der Bienenvölker jedoch zurückgegangen. Für den Rückgang gibt es mehrere Gründe. Zum einen gibt es weniger Imker und damit weniger Bienenvölker. Zum anderen beeinflussen Umwelteinflüsse die Gesundheit der Bienen.

Neben Rückständen von Pflanzenschutzmitteln sind Bakterien, Viren und Parasiten ein Problem für Bienen. Insbesondere die Varroamilbe hat in den letzten Jahren einen erheblichen Schaden verursacht. Die Varroamilbe lebt als Parasit in den Bienenstöcken und auf Bienen. Durch den Parasitenbefall werden die Bienen geschwächt und haben eine verkürzte Lebenserwartung. Außerdem sind die befallenen Bienen anfälliger für tödliche Virusinfektionen. Die Infektion mit der Varroamilbe wird als Grund für die in den letzten Jahren im Herbst und Winter gehäuft auftretenden Bienensterben angenommen.

Da Bienen wichtig für unsere Ernährung sind, sollten sie unterstützt werden. Ich weiß, Bienen können stechen. 🙂 Mein Tipp bei einer Bienenbegegnung: ruhig bleiben und nicht wild in der Gegend herumfuchteln – dann denkt die Biene auch nicht, dass ihr einen Boxkampf beginnen wollt und sie sich mit ihrem Stachel verteidigen muss. 😉

Was fördert die Bienengesundheit?

Als erstes kann sich jeder mit einem Garten oder Balkon selbst eine Freude mit blühenden Pflanzen, die auch den Bienen Nahrung bieten, bereiten. Die Nahrungspflanzen werden im Garten oder auf dem Balkon am besten so platziert, dass die Bienen bei ihrer Arbeit beobachtet werden können, aber der eigne Sitzplatz nicht in der „Einflugschneise“ steht.

Neben einem Nahrungsangebot für Bienen & Co kann mit einem Insektenhotel auch ein Unterschlupf für Wildbienen und andere Insekten geschaffen werden. Einfache Varianten lassen sich mit Bambusstäben und einer Dose leicht selbst basteln. In dem Youtube-Video des NABU TV seht ihr wie es geht.

Ein wenig mehr Aufwand ist es ein eigenes Bienenvolk in der Stadt zu halten. Aber die Zahl der Imker in der Stadt steigt. Hier hat sich ein Bienenvolk auf dem Dach des österreichischen Bundeskanzleramts niedergelassen.

Zum Schluss habe ich noch ein paar Links rund um das Thema Bienen und Imkerei zusammengetragen:

 

 

Wissenschaftsjahr Meere und Ozeane: Korallen, Südseeinseln und Urlaubsfeeling?

Hier kommt mein zweiter Beitrag zum aktuellen Wissenschaftsjahr 2016/2017: Meere und Ozeane. Allerdings hat mich wie im ersten Beitrag das Urlaubsfeeling immer noch nicht verlassen. Ich denke dabei an ein blaugrünes Meer, Korallen und Südseeinseln mit weißen Sandstränden. 😉

Korallen mit Seestern, Foto: C. Selbach (Danke 🙂 )

 

Korallen als Heimat von Fischen, Foto: C. Selbach

Auf den Fotos ist zu sehen, dass Korallen auch Lebensraum für andere Tiere, wie Fische und Seesterne sind. Wir sehen Korallen als steinharte Gebilde in vielfältigen Formen und Farben. In den letzten Jahren ist in den Nachrichten öfter von Korallensterben oder Korallenbleiche die Rede, also sind es Lebewesen, genauer gesagt, Tiere.

Korallen gehören wie Quallen zu den Nesseltieren (Cnidaria). Das Wort „Nessel“ kennen wir von unserer heimischen Brennnessel. Und es bedeutet tatsächlich, dass diese Tiere über Zellen verfügen, die zur Abwehr (wie bei der Brennnessel) und zum Beutefang eingesetzt werden. Also besser etwas Abstand halten. 😉

Die Gifte der Nesselzellen lösen beim Menschen oberflächlich meistens nur Hautreizungen und leichte Verbrennungen aus. Einige der Gifte können über das Blut jedoch zum Zusammenbruch des Herz-Kreislauf-Systems und damit zum Tod führen.

Auf dem Youtube-Video von TreeForceHD seht ihr eine Riesenqualle mit Fangarmen.

Quallen und Korallen sind verwandt?

Die einfach gebauten Tiere bestehen aus zwei Zellschichten, der äußeren Epidermis (Ektodermis) und der inneren Entodermis (Gastrodermis), die um einen zentralen Hohlraum angeordnet sind. Zwischen beiden Schichten befindet sich eine gallertartige Schicht, die Mesogloea. Bei Quallen ist diese gallertartige „Wackelpuddingmasse“ deutlich sichtbar, aber bei Korallen?

Vom Aussehen werden zwei Formen unterschieden, die glockenförmige Qualle und der Polyp, der einen Fuß und Tentakel besitzt. Quallen können während ihres Vermehrungszyklus in beiden Formen vorkommen. Korallen kommen in der Form von Polypen vor. Die meistens relativ kleinen Polypen (wenige Millimeter bis ein Zentimeter) bilden große Kolonien. Steinkorallen sondern Kalk ab, der die festen steinähnlichen Strukturen bildet.

Schematische Darstellung eines Korallenpolypen, Bild: R. Schügner

Der Polyp sitzt im Fall der Steinkorallen in einem kalkhaltigen Ring, den er selbst abgesondert hat.

Um einen zentralen Verdauungsraum mit Mundöffnung sind Tentakel mit Nesselzellen angeordnet. Die meisten der Polypen bilden große Kolonien. Die Verbindung zu den Nachbarpolypen erfolgt über das Coenchym.

Für die bunten Farben der meisten Korallen sind Algen (Zooxanthellen), die sich in der Außenhaut der Korallen ansiedeln, verantwortlich. Algen und Korallen leben in Symbiose, was bedeutet, dass es so eine Art Wohngemeinschaft ist, von der jeder profitiert. Die Algen sind im Polypen geschützt und bekommen Nährstoffe wie Kohlendioxid, Phosphor- und Stickstoffverbindungen geliefert. Algen können aus Kohlendioxid und Wasser mittels Photosynthese Zucker und Sauerstoff produzieren und die Korallen mit ernähren. Da für die Photosynthese Licht benötigt wird, wachsen die Korallen dem Licht entgegen.

Farbige Korallen, Foto: C. Selbach

Was ist die Korallenbleiche?

Wie oben beschrieben, kommt die bunte Farbe der Korallen durch die Ansiedlung von Algen (Zooxanthellen) auf den Korallen. Die Polypen sitzen in einem weißen Kalkring. Ohne die Besiedlung mit Algen sind die Korallen also „bleich“. Da beide, Korallen und Zooxanthellen, von dem Zusammenleben einen Nutzen haben, stellt sich die Frage, wieso die Algen „verschwinden“.

Der Grund für die Trennung sind durch zu hohe Wassertemperaturen gestresste Algen. Bei den Algen führt der Wärmestress dazu, dass Giftstoffe produziert werden. Die Korallen stoßen die Algen infolge der Giftproduktion ab und „erbleichen“. Die Korallen können zwar einige Zeit (das ist abhängig von der Art) ohne die zusätzliche Nahrungslieferung der Algen überleben, aber nicht dauerhaft. Irgendwann sind nur noch die blassen „Kalkskulpturen“ der Korallen – ohne jedes Leben – übrig. Da die Korallenriffe ein Lebensraum für viele weitere Tiere sind, ist auch das Überleben dieser Tiere gefährdet. Das trifft nicht nur den Tourismus, sondern auch besonders die menschliche Ernährung, da viele Fische in den Riffen Nahrung und Schutz finden. Korallenriffe schützen jedoch nicht nur die Meeresbewohner, sondern auch die Küsten vor Sturmschäden und großen Wellen.

Infolge der globalen Erwärmung steigt auch die Wassertemperatur an. Bei einer dauerhafte Wassertemperatur ab 29/30°C (ich habe beide Werte gefunden), ist das Überleben der Korallenriffe gefährdet.

Ich habe als Beispiel für die Lebensgemeinschaften im Korallenriffe ein Youtube-Video der California Academy of Sciences gefunden (englisch, Temperaturangabe in °F). Es werden verschiedene Beispiele für das Zusammenleben im Riff und die Beobachtung durch Wissenschaftler gezeigt.

Geruch – Erinnerung – Emotion: Was sagen uns Gerüche?

Die Winterzeit mit Weihnachten, Tee und Mandarinen bietet viele typische Düfte. Wir riechen „Zimt“ und denken an Weihnachten mit Plätzchen, Tannenbaum und Geschenken. Gerüche haben scheinbar einen direkten Draht zu unseren Erinnerungen.

Bei mir sorgt z.B. eine Tasse Tee (natürlich mit winterlichen Gewürzen 😉 ) für gute Laune. Ich mag den Duft, wenn ich die Tasse in der Hand halte, aber natürlich auch den Geschmack, wenn ich den Tee trinke. Folglich rieche und schmecke ich den Tee. Wenn ich mir den Tee vorher noch ansehe, ist es fast eine Tee-Weinprobe. 😉

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Tee mit Gewürzen, Foto: R. Schügner

Geruch und Geschmack haben, wie wir gleich sehen, eine enge Verbindung, da die Zunge für unseren Geschmack nur einen Teil der Informationen liefert.

Auf der Zunge können wir nur fünf Geschmacksrichtungen, süss, sauer, salzig, bitter und umami unterscheiden. Umami reagiert auf Glutaminsäure in Lebensmitteln. Glutaminsäure kommt als Aminosäure in eiweißhaltigen Lebensmitteln, wie Fleisch und Käse, natürlich vor. Künstliches Glutamat (Salz der Glutaminsäure) wird als Geschmacksverstärker verwendet.

Für einen Geschmack nach Apfel oder Zimt reichen die Informationen, die die Zunge liefert nicht aus. Die Aromastoffe der aufgenommen Nahrung werden „von hinten“ über den Rachenraum in die Nasenhöhle und zu den Geruchsrezeptoren (Bindestelle der Aroma-/Duftmoleküle) in der Nase transportiert. Geruch wird an den Geruchsrezeptoren also auf zwei verschiedenen Wegen wahrgenommen: „von vorne“ durch die Nase (orthonasal) und „von hinten“ durch den Mund (retronasal). Durch Kauen oder Speichel im Mund, kann sich der Geruch bzw. Geschmack der Nahrung von dem wahrgenommenen Geruch über die Nase unterscheiden.

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Geruch und Geschmack auf dem Weg zur Riechschleimhaut in der Nase, Bild: Ricarda Schügner

Die Riechsinneszellen mit den Geruchsrezeptoren sind in die Riechschleimhaut (Regio olfactoria) der Nase eingebettet. Von den Sinneszellen ragen Härchen (Zilien) in die Nasenschleimhaut. Diese „Härchen“ vergrößern die Oberfläche der Zellen. In den Zilien befinden sich die Rezeptoren (Andockstellen) für die Geruchsmoleküle.

Bei den Rezeptoren handelt es sich um große Proteine (Eiweißmoleküle), die fest in der Zellmembran liegen. Der Mensch verfügt über mehr als 350 verschiedene Geruchsrezeptorarten – und kann über 10.000 verschiedene Gerüche, auch in geringer Konzentration, wahrnehmen. Der spannenden Frage, wie mit „so wenigen Rezeptoren“ so viele Gerüche erkannt werden können, sind die Forscher Linda Buck und Richard Axel nachgegangen. Sie bekamen für ihre Forschungsarbeit zu diesem Thema 2004 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin verliehen.

Wie funktioniert einen „Geruch erkennen“?

Die Geruchsmoleküle werden eingeatmet und erreichen die Rezeptoren. Dort bindet ein Molekül an den passenden Rezeptor. Durch das Andocken wird eine Kettenreaktion ausgelöst. Das Rezeptormolekül aktiviert ein Enzym, dass einen Botenstoff produziert, der zur Zellmembran wandert und dort Zellkanäle öffnet. Durch die Kanäle strömen positiv geladene Natriumionen in die Zelle. Die Zelle ist „elektrisch geladen“. 😉 Durch den Unterschied an geladenen Teilchen hat sich, genauer gesagt, ein Aktionspotential ausgebildet. Die – jetzt elektrische und deutlich verstärkte – Information wird über die Riechfäden in den Riechkolben (ja, das heißt wirklich so) (Bulbus olfactorius) weitergeleitet. Dort laufen Informationen aus Rezeptoren für die gleichen Moleküle in Glomeruli (Nervenknäuelchen) zusammen. Von dort aus geht es weiter in verschiedene Gehirnareale, wie die Amygdala (limbisches System), den Hippocampus und den Hypothalamus.

Geruchsinformationen in verschiedenen Gehirnarealen

Die Amygdala (Mandelkern) gehört zum Limbischen System, dass auch für die Verarbeitung von Emotionen zuständig ist. Damit hat der Geruch einen ziemlich schnellen Zugang zu unseren Emotionen.

Über den Hippocampus werden neue Informationen – auch zu Gerüchen – in das Kurz- und Langzeitgedächtnis geleitet. Dies ist der Zugang der Gerüche zu unseren Erinnerungen.

Die Geruchsinformationen werden auch zum Hypothalamus, dem wichtigsten Steuersystem des vegetativen Nervensystems, geleitet. Das vegetative Nervensystem ist für Körperfunktionen, die automatisch ablaufen, zuständig. Beispiele hierfür sind das Regeln von Körpertemperatur, Blutdruck, Nahrungs- und Wasseraufnahme, Schlaf sowie die Steuerung des Fortpflanzungsverhaltens.

Wie an den drei ausgewählten Beispielen zu sehen ist, haben Gerüche tatsächlich einen direkten Zugang zu Emotionen, Erinnerungen und es ist kein Wunder, dass wir bei einem leckeren Essensgeruch Hunger bekommen. 😉

Nobelpreis 2004: Wie erkennen wenige Rezeptoren viele unterschiedliche Gerüche

Dass ein Rezeptortyp die Information für einen bestimmten Geruch weitergibt, funktioniert also nicht oder zumindest nicht so einfach. Das liegt zum einen daran, dass ein Geruch meistens eine Mischung aus verschiedenen Duftmolekülen in unterschiedlicher Konzentration ist. An Parfums, die aus einer Mischung verschiedener Substanzen hergestellt werden, lässt sich das am besten veranschaulichen. Wenn ein Parfum bekannt ist, wird auch der Geruch/Duft erkannt.

Der Hinweis zum Erkennen der Vielfalt an verschiedenen Gerüchen ist die Kombination. Es ist ein Code, der uns trotz einer relativ geringen Anzahl an Rezeptoren über 10.000 Gerüche erkennen lässt.

Hier habe ich die Infos zum Riechcode zusammengefasst:

  • Ein Geruch (eine Riechsubstanz) ist meistens eine Mischung aus mehreren Duftmolekülen, die an unterschiedlichen Rezeptortypen binden können.
  • Eine Sinneszelle bildet zwar nur eine Art eines Rezeptortyps aus, aber sie hat, in den Zilien verteilt, viele einzelne Rezeptorproteine des gleichen Typs.
  • Ein Rezeptortyp bindet „eine chemische Struktur“ und nicht nur ein bestimmtes Molekül. Das bedeutet, dass ähnliche Moleküle gebunden werden. Sie lösen jedoch Signale in unterschiedlicher Stärke aus.
  • Die Signale der gleichartigen Rezeptorzellen laufen in den Glomeruli zusammen.
  • Die verschiedenen Rezeptortypen bilden ein Signalmuster, dass den einzigartigen Geruchseindruck vermittelt. Mit den vielfältigen Kombinationen von mehr als 350 Rezeptortypen lassen sich auf diese Weise tausende von Gerüchen identifizieren. Ähnlich wie das Gesamtbild bei einem Puzzle durch das Zusammensetzen der Teile sichtbar wird, wird der Geruch erst durch das Zusammensetzen der einzelnen Informationen wahrgenommen.

 

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Die Duftmoleküle binden an die Rezeptorzellen, Bild: Ricarda Schügner

 

Geruch und Erinnerungen

Wie oben gezeigt, haben die Gerüche einen „direkten Draht“ zu unseren Emotionen und unserem Gedächtnis. Deshalb können uns zu Weihnachten die Gerüche nach Zimt, Nelken, Orangen/Mandarinen und Tannenbaum zurück in die Kindheit versetzen. Oder sie versetzen uns an viele andere Orte: der Duft von frisch gebackenem Brot, frisch, aufgebrühtem Kaffee – vielleicht erinnert das an ein schönes Sonntagsfrühstück im Urlaub.

Leider funktioniert das mit der Erinnerung an Gerüche auch „anders herum“. Gerüche sind auch in der Lage uns an unangenehme oder schlimme Situationen zu erinnern. Ein einfaches Beispiel sind Lebensmittel, die einem beim Essen nicht gut bekommen sind. Ein Geruch nach diesem Lebensmittel kann durchaus Übelkeit auslösen.

Ich habe euch als Zusammenfassung zum Thema „Riechen“ das Youtube-Video „Biosensor Nase“ der MaxPlanckSociety herausgesucht.

Das aktuelle Wissenschaftsjahr: Es geht um Meere und Ozeane

Passend zum aktuellen Sommerwetter: Das erste was mir zum Thema Wissenschaftsjahr Meere und Ozeane einfällt, hat nichts mit Wissenschaft zu tun. Es ist URLAUB 😀 – mit Sonne, Strand und Meer. Am Strand entlang laufen, die Meeresluft, der Wind, Muscheln sammeln und Fisch essen. (Und natürlich alle möglichen Souvenirs kaufen. 😉 )

Strandmitbringsel

Fundstücke am Strand – und im Souvenirshop, Foto: Ricarda Schügner

Oder auch die Unterwasserfotos einer Freundin von ihrem Tauchurlaub. Da ich die Fotos nicht habe, habe ich ein Video vom Great Barrier Reef herausgesucht. Es ist ein tolles Gebiet zum Tauchen und Schnorcheln. Hier seht ihr das Youtube-Video von Greenbuddy Cairns Travel Blog.

Im Traumurlaub gibt es natürlich nur saubere Strände und sauberes Wasser. Aber – leider – auch im Urlaub befindet man sich nicht plötzlich auf einem anderen Planeten. Bei einem Strandspaziergang lassen sich neben den Muscheln und Schnecken alle möglichen Dinge, die irgendwer irgendwo ins Meer geworfen hat und die an den Strand gespült wurden, sammeln. Das Wasser ist nicht nur mit Müll, sondern auch mit Abwasser und Öl verschmutzt. Niemand schwimmt gerne in schmutzigem Wasser, aber schwerwiegender ist die Schädigung der Lebewesen im Meer. Korallenriffe, wie das Great Barrier Reef, gelten als besonders empfindlich. Die Meeresverschmutzung hat hier schon deutliche Spuren hinterlassen. Und für alle, die gerne Fische und Meeresfrüchte essen: Die Verschmutzung könnte mit dem „Fisch auf dem Tisch“ landen.

Inselurlaubserinnerungen und der Nationalpark Wattenmeer

Ich habe in meinen Erinnerungen von Nordsee-Insel-Urlauben und alten Fotos gekramt. Die meisten Inseln sind abhängig von den Gezeiten zu erreichen. Der Fahrplan lautet also nicht „alle 2 Stunden“, sondern die Fähre legt nur bei Flut ab. – Und wer sie verpasst, muss auf dem Festland bleiben. Mit der Fähre kommen auch (fast) alle Waren auf die Insel und den Abfall wieder auf das Festland. Selbst die Post richtet sich nach Ebbe und Flut. Im Winter kann es schon mal vorkommen, dass die Fähre aufgrund der Wetterbedingungen nicht kommt. Dann sind ausreichend Vorräte wichtig.

Wer „auf der Insel ist“,  😉 befindet sich mitten im Nationalpark Wattenmeer. Für alle, die nicht ausschließlich am Strand liegen wollen, bietet sich daher die Möglichkeit die Pflanzen- und Tierwelt, wie Vögel und Robben, kennenzulernen. Dank der Gezeiten können bei einer Wattwanderung die „auf und im Meeresgrund“ lebenden Tiere beobachtet werden.

Voegel

Vögel am Strand von Amrum, Foto: G. Schügner

Leider ist auch auf der schönsten Insel nicht immer alles heiter bis wolkig. Bei stürmischem Wetter klatschen große Wellen mit enormer Kraft auf den Strand. Hier sollen Deiche und Dünen die Inseln schützen.

Duenen

Dünen auf der Insel Amrum, Foto: G. Schügner

Dieser Schutz reicht nicht immer, wie die Geschichte der schmalen, langen Insel Juist zeigt. Eine Flut im Jahr 1651 teilte die Insel in zwei Teile. Juist wurde erst im 19. Jahrhundert wieder zu einer Insel. Da stellt sich die Frage, wie es den Inseln mit dem steigenden Meeresspiegel durch den Klimawandel ergeht. Wie gut ist der Schutz bei zukünftigen (Sturm-)Fluten? Es könnte häufiger Stürme geben. Wie hoch steigt das Wasser? Was bleibt von den Inseln übrig? Sind die Inseln in Zukunft noch bewohnbar?

Klimawandel und Meer

Der steigende Meeresspiegel ist jedoch nicht das einzige Problem. Erinnert ihr euch noch an den Strandspaziergang und das Sammeln der Muscheln (Muschelschalen) oder das Korallenriff? Auch das könnte in Zukunft anders aussehen. Das Meer nimmt etwa ein Drittel des Kohlendioxids aus der Luft auf. Bei einer steigenden Menge löst sich mehr Kohlendioxid im Wasser. Damit sind wir auch schon wieder bei Chemie und der folgenden Reaktion:

H2O + CO2 → H2CO3

Wasser und Kohlendioxid reagieren zu Kohlensäure. Wenn ich mehr CO2 im Wasser löse, entsteht mehr Kohlensäure. Dadurch wird das Meerwasser saurer. Der pH-Wert sinkt. In einer sauren Umgebung können die Meeresorganismen schwerer Kalkschalen und -skelette aufbauen. Wie gut der Aufbau noch möglich ist, hängt davon ab, wie sauer unsere Meere werden. Ich habe einen Youtube-Beitrag vom GEOMAR Kiel, der Forschungen zu diesem Thema zeigt.

Eine Möglichkeit den Klimawandel zu verringern, sind erneuerbare Energien. Auch hierzu ist mir ein „Inselfoto“ in die Hände gefallen. Es zeigt Windkraftanlagen im Meer (Offshore- oder Hochsee-Windparks). Windkraftanlagen werden tief im Meeresboden verankert, so dass die Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt beobachtet werden müssen.

Windkraft

Windpark vor Amrum, Foto: G. Schügner

Ich finde, dass „Meere und Ozeane“ ein spannendes Thema für dieses Wissenschaftsjahr sind. Und im nächsten Blogbeitrag zum Thema bewege ich mich etwas weiter von unserer heimischen Küste weg, vielleicht sogar in die Tiefen des Meers 😉 – versprochen.

Die wichtigen Internetseiten zusammengefasst zum Schluss:

 

Pflanzen und Mikroben: gute oder schlechte Nachbarn?

In meinem Blogbeitrag habe ich schon festgestellt: Mikroben sind einfach überall. Deshalb hat mich der Vortrag „Pflanzen und Mikroben: Freunde oder Feinde?“ aus der öffentlichen Vortragsreihe des CEPLAS (Exzellenzcluster für Pflanzenforschung) besonders interessiert. Für mich war er eine passende Ergänzung.

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Vortrag von Prof. Peter Westhoff, Pflanzen und Mikroben – Freunde oder Freunde?

Wann sind Mikroben ein Problem für Pflanzen?

Mikroorganismen – Viren, Bakterien, Pilze – sind vor allem problematisch, wenn viele gleiche Pflanzen in direkter Nachbarschaft wachsen, wie z. B. Getreide oder Kartoffeln auf den Feldern. Die ausgelösten Erkrankungen können sich schnell von einer zur nächsten Pflanze ausbreiten.

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Viele gleiche Pflanzen sind anfällig für Erkrankungen, Foto: Ricarda Schügner

In „freier Wildbahn“ wachsen in der Regel viele unterschiedliche Pflanzen in Nachbarschaft. Da nicht alle Pflanzen anfällig für die gleichen Mikroben sind, können sich die Krankheiten nicht ausbreiten. Im Garten wird versucht dem Nachteil der einheitlichen Bepflanzung durch Mischkulturen entgegenzuwirken. Die benachbarten Pflanzen sollen sich gegenseitig schützen und im Wachstum unterstützen. Es gibt eine Vielzahl an Büchern, die sich mit dem Thema der „guten Nachbarschaft“ im Gemüsegarten befassen.

Bauerngarten

Beispiel für einen Bauerngarten, Foto: Ricarda Schügner

Viren – Bakterien – Pilze

Viren, Bakterien und Pilze unterscheiden sich im Aufbau. Viren weisen den einfachsten Aufbau auf: eine Proteinhülle mit DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder RNA (Ribonukleinsäure). Die DNA bzw. RNA liefert die Information zur Synthese von Proteinen (Eiweißen). Viren verfügen nicht über einen eigenen Stoffwechsel. Mit der DNA oder RNA, die Viren in die Wirtszelle bringen, programmieren sie die Zelle um, so dass sie Stoffe zur Vervielfältigung der Viren herstellt. Viren werden wegen des fehlenden Stoffwechsels von den meisten Virologen nicht zu den Lebewesen gezählt. Ein Beispiel für eine virale Erkrankung bei Pflanzen ist das Tabakmosaikvirus. Ich habe bei Youtube ein Video von Plant Pathology gefunden, dass zeigt, wie sich die Pflanze gegen das Virus wehrt. An Stellen an denen das Virus eindringt, sterben die Zellen – auch um die infizierte Zelle herum – ab. So kann das Virus keine gesunden Zellen infizieren.

Den Aufbau von Bakterien habe ich in meinem Blogbeitrag zu Antibiotika ausführlich beschrieben. Es handelt sich um Zellen mit einem eigenen Stoffwechsel und einer ringförmigen DNA, aber ohne Zellkern. Zur Fortbewegung nutzen Bakterien häufig Geißeln.

Pilze sind komplizierter aufgebaut. Ihre Zellen besitzen einen eigenen Zellkern. Es gibt einzellige Pilze, z. B. Hefen, und mehrzellige Pilze. Pilze bilden neben dem Pflanzen- und dem Tierreich ein eigenes Reich. Beispiele für eine Pilzinfektion bei Pflanzen ist die Krautfäule bei Kartoffeln oder Tomaten oder Mutterkorn bei Getreide. Gerade bei der aktuellen feucht-warmen Wetterlage kommen häufiger Pilzinfektionen bei Nutzpflanzen vor.

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Roggen mit Mutterkorn, Foto: Ricarda Schügner

Alle Mikroben können Krankheits- bzw. Schadbilder an Pflanzen verursachen. Die Mikroorganismen gelangen über Verletzungen oder durch die Spaltöffnungen der Blätter in die Pflanzen.

Können Pflanzen die eindringenden Mikroben erkennen?

Pflanzen sind tatsächlich in der Lage ihre „Feinde“ zu erkennen – und sich zu wehren. Neben den vorgestellten Mikroorganismen trifft das Erkennen und die Verteidigung auch „größere Pflanzenfresser“ (Herbivoren).

Wie werden Bakterien erkannt?

Die meisten Bakterien nutzen zur Fortbewegung Geißeln (Flagellen). Hauptbestandteil dieser Geißeln ist das Protein Flagellin. Pflanzliche Zellen können das Flagellin erkennen und dann wird – vergleichbar wie bei Tieren und Menschen – eine Immunreaktion ausgelöst.

Über welche Abwehrmechanismen verfügen Pflanzen?

Die erste Möglichkeit sich gegen Mikroben zu schützen ist die mechanische Abwehr. Es werden „Mauern aufgebaut“. Bezogen auf Pflanzenzellen bedeutet dies, dass die Zellwand der Zelle komplett oder teilweise verstärkt wird. Eindringlinge haben es dann schwerer in die Zelle zu gelangen.

Nummer zwei ist die „chemische Keule“. Pflanzen stellen Substanzen her, die den Angreifern schaden. Es gibt drei Gruppen von Verbindungen.

 

  • Reaktive Sauerstoffspezies
    Eine Beispielsubstanz ist Wasserstoffperoxid, dass z. B. zum Bleichen von Haaren (blondieren) oder zur Desinfektion verwendet wird. Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel.
  • Phytoalexine
    Phytoalexine sind kleine Moleküle, die zu den sekundären Pflanzeninhaltsstoffen gehören. Sie werden von der Pflanze gebildet, wenn ein Eindringling erkannt wird und sind in der gesunden Pflanze nicht nachweisbar. Ein Teil der Pflanzen verfügt zusätzlich über dauerhaft vorhandene Abwehrstoffe, wie z. B. die Senfölglykoside, die in Rettich oder Kresse vorkommen.
  • Abwehrproteine
    Pflanzen sind in der Lage Proteine (Eiweiße) herzustellen, die die Zellwand von Pilzen und Bakterien angreifen und zerstören können. Proteaseinhibitoren (Proteasehemmer) verhindern den Abbau von Enzymen bei Pilzen und Insekten. Ribonukleasen spalten Ribonukleinsäureketten (RNA) der Viren und Pilze.

 

Der dritte Abwehrmechanismus ist die hypersensitive Antwort. Wie oben an dem Beispiel mit dem Tabakmosaikvirus zu sehen ist, sterben Stellen an denen das Virus eindringt sowie gesunde Zellen der Umgebung großflächig ab. Auf diese Weise wird der Eindringling bzw. das Virus isoliert.

Wie ihr in meinem Blogbeitrag zu den Antibiotika zu sehen ist, vermehren sich Bakterien sehr schnell und in großer Zahl. Auf diese Art kommen immer wieder Mutationen vor. Ähnlich wie bei den Antibiotikaresistenzen ist es so möglich, dass die Abwehrmechanismen der Pflanzen umgangen werden. Auch bei Pflanzen gibt es Mutationen und die können die Abwehr gegen Mikroben verbessern… Es bleibt also spannend im „Rüstungswettlauf“ Pflanze gegen Mikroorganismus.

Gibt es auch nützliche Mikroben?

Ich habe hier im Blog schon festgestellt, dass Mikroben überall sind – und wir nicht ohne sie überleben können. Es gibt auch Pflanzen, die mit nützlichen Pilzen und Bakterien zusammenleben. Beispiele sind die Leguminosen (Schmetterlingsblütler), die mit Stickstoff-liefernden Bakterien zusammenleben und Mycorrhiza-Pilze, die die Nahrungsaufnahme der Pflanzen verbessern.

Leguminosen (Schmetterlingsblütler)

Die Leguminosen, wie z. B. Bohnen oder Erbsen, leben in Symbiose (was bedeutet, dass das Zusammenleben für beide Arten vorteilhaft ist) mit Bakterien, die den Stickstoff aus der Luft in für die Pflanzen nützlichen Dünger umwandeln können. Die Bakterien erhalten dafür von den Pflanzen produzierte Nahrung. Da die Stickstoffverbindungen ein wertvoller Dünger für die Felder sind, werden Lupinen (auch Leguminosen) als Gründünger eingesetzt.

Feuerbohnen

Feuerbohnen, Foto: Ricarda Schügner

Mycorrhiza

Die Mycorrhiza-Pilze leben ebenfalls in Symbiose mit Pflanzen. Sie befinden sich in den Wurzeln der Pflanzen. Dort helfen sie der Pflanze bei der Wasser- und Nährstoffaufnahme. Im Gegenzug bekommen sie Nahrung geliefert.
Zum Abschluss habe ich ein Youtube-Video des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ.de), dass das Zusammenleben von Pflanzen und Pilzen zeigt.

Eine Tafel Schokolade ist ein Newton?

Ich habe schon einige Male erzählt, dass ich die Physik-Experimentalvorlesung sehr gerne besucht habe, da es dort einige sehr anschauliche Versuche gab und ich deshalb weiß, dass eine Tafel Schokolade ein Newton sind.

Schokolade

100 g Schokolade = 1 Newton? Foto: Ricarda Schügner

Als Schoko-Fan erinnere ich mich selbstverständlich an die Schokolade 😀 – und auch an „Newton“. Schauen wir auf die Physik hinter der Tafel Schokolade und zäumen das Pferd von – der Einheit her auf. 😉 Newton ist die physikalische Einheit der Kraft.

Die Einheit Newton [N]

Die Einheit Newton ist eine SI-Einheit. Mit anderen Worten es handelt sich um eine internationale Standardeinheit. Hier wird zwischen Basiseinheiten und abgeleiteten Einheiten, wie die Einheit Newton, unterschieden.

Zu den SI-Basiseinheiten zählen z. B. Meter (m), Kilogramm (kg) oder Sekunde (s). Diese Vereinheitlichung soll, insbesondere in der Wissenschaft, dafür sorgen, dass die gemessenen Werte – ohne Umrechnung – vergleichbar sind. Die Länge wird in Meter (m) bzw. Zentimeter (cm) oder Kilometer (km) gemessen. Wir verwenden diese Maße in der Regel auch im Alltag, aber beispielsweise wird in England und den USA auch die Meile als Maß verwendet. Ein weiteres Beispiel ist die Einheit „Zoll“ bzw. im Englischen „inch“.

Newton hat als abgeleitete Einheit zwar ein eigenes Einheitensymbol [N], kann aber durch SI-Basiseinheiten dargestellt werden. Und hier kommen wir unserer Tafel Schokolade wie auch der Definition der physikalischen Kraft (F) schon etwas näher.

N = kg x m / s2

Wir finden ein Gewicht [kg] in der Einheit und 100 g sind 0,1 kg Schokolade. Übrig ist dann m/s2 – und das muss dann (ungefähr) 10 sein. In der Physik ist die Kraft definiert als Masse (m) mal Beschleunigung (a).

F = m x a

Unsere Tafel Schokolade beschleunigt also mit 10 m/s2 – und dass ohne Motor.

Woher kommt die Beschleunigung?

Dazu zeichnen wir den Versuchsaufbau. Eine Tafel Schokolade wird aus der Ruheposition fallengelassen.

Zeichnung_Schoko_Boden

Unser Versuchsaufbau: Die Schokolade fällt zu Boden

Die Beschleunigung ist damit der Fall zur Erde. Es ist die Erdbeschleunigung (auch Ortsfaktor), die ungefähr g = 9,81 m/s2 beträgt (wir runden locker auf 10 auf). Im Fallen werden 0,1 kg Schokolade mit der Erdbeschleunigung 10 m/s2 beschleunigt und somit kommen wir auf eine Gewichtskraft (F = 0,1 kg x 10 m/s2 = 1 N) von einem Newton.

Um die Beschleunigung von „Masse“ im freien Fall zu zeigen, habe ich hier ein Youtube-Video von derinsherman62. Durch die Lichtblitze scheinen die einzelnen Wassertropfen „zu stehen“. Der Abstand zwischen den Tropfen wird größer, was auf die Erdbeschleunigung und damit den schneller werdenden Fall zurückzuführen ist.

Forschung rund um die DNA – wächst Reis unter Wasser?

In meinem dritten „DNA-Beitrag“ komme ich nach den Basisinformationen zur DNA und den DNA-Reparaturmechanismen, für die es den Chemie-Nobelpreis 2015 gab, zu aktuellen Forschungen rund um die Erbsubstanz.

Anfang November habe ich einen Vortrag von Professor Pamela Ronald (Universität von Kalifornien in Davis), einer Pflanzengenetikerin, besucht. Sie hat den Vortrag auf Einladung des Exzellenzclusters für Pflanzenwissenschaften CEPLAS (Cluster of Excellence in Plant Science) gehalten.

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Prof. Pamela Ronald, Vortrag an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Ihr Arbeitsgebiet ist die Erforschung von Stress- und Krankheitstoleranz von Reispflanzen. Da Reis für viele Menschen ein Grundnahrungsmittel ist, soll ihre Forschung die Ernährung der Menschen sicherstellen. Durch den Klimawandel nehmen Überflutungen und Dürreperioden zu. Die Folge sind sinkende Ernteerträge und somit weniger Nahrungsmittel für die Bevölkerung.

Ein Forschungsgebiet ist die Resistenz von Reispflanzen gegen Überschwemmungen. Reis wächst in der Regel zwar im Wasser, aber nicht unter Wasser. Bei längeren Überflutungen sterben viele der Reispflanzen. Weiterhin liefern Pflanzen, die diesen „Stress“ überstehen, weniger Ertrag.

Es gibt jedoch eine „alte“ Reissorte, die längere Überflutungen übersteht. Diese Reissorte bringt weniger Ertrag als die modernen Sorten. Zudem wurden die modernen Sorten für die jeweiligen Anbaugebiete gezüchtet und sind an das dortige Klima und die Bodenverhältnisse angepasst. In der klassischen Pflanzenzucht würde die überflutungsresistente Sorte mit den heimischen Reissorten gekreuzt. Dieser Prozess ist jedoch sehr langwierig, da immer die Ernte der Samen abgewartet werden muss. Als Beispiel: Unsere heimischen Getreidesorten werden im Frühjahr ausgesät und im Spätsommer/Herbst geerntet. Weiterhin ist nicht sicher, welche der Reispflanzen alle gewünschten Eigenschaften/Merkmale mitbringen.

Die Mendelschen Regeln

Zur Vererbung von Merkmalen schauen wir uns die erste und die zweite Mendelsche Regel an. Sie sind gültig für Merkmale, die von einem Gen bestimmt werden.

  1. Uniformitätsregel: Wenn zwei reinerbige Eltern (P, Parentalgeneration) mit doppeltem Chromosomensatz (diploid) gekreuzt werden, ist die 1. Tochergeneration (F1, Filialgeneration) genetisch (Genotyp) und im Aussehen (Phänotyp) identisch.
  2. Spaltungsregel: Wird diese F1-Generation untereinander gekreuzt, so ergibt sich genetisch ein Aufspaltungsmuster 1 : 2 : 1 für die 2. Generation (F2). Das bedeutet, es gibt zwei reinerbige Individuen mit dem Erbmaterial jedes Elternteils der P-Generation und zwei mit dem Erbmaterial der F1-Generation.

Je mehr Merkmale vererbt werden, desto komplizierter wird die Auswahl der Pflanzen mit den gewünschten Merkmalen. Bei zwei unabhängig vererbten Merkmalen ist das Aufspaltungsmuster in der F2-Generation schon 9 : 3 : 3 : 1 (Genotyp). Ein dominantes Gen ist immer sichtbar, auch wenn es mit einem rezessiven kombiniert ist.

Ein Youtube-Video von MaxPlanckSociety erklärt die (erste und) zweite Mendelsche Regel anschaulich.

Wenn zwei Reissorten mit vielen Merkmalen klassisch gekreuzt werden, wird die Auswahl der Sorten ziemlich unübersichtlich und dauert lange. Denn das Resultat soll eine Sorte sein, die möglichst nur die gewünschten Eigenschaften hat und diese auch weitervererbt – ohne Überraschungen.

Welche Möglichkeiten der Abkürzung gibt es?

Es gibt die Möglichkeit einen Organismus gentechnisch zu verändern. Hierbei wird ein Stück Erbsubstanz (DNA), dass die gewünschte zusätzliche Information trägt, in die DNA des Organismus eingefügt. Aktuell gibt es zu der neuen Methode CRISPR, die diesen Austausch erleichtert, viele Beiträge in Fachzeitschriften, aber auch in der Tagespresse. Der Nachteil ist, dass es für gentechnisch veränderte Pflanzen langwierige Zulassungsverfahren und Diskussionen um den Einsatz auf dem Feld gibt. Ein Beispiel ist der sogenannte „goldene Reis“. Hier wurde in die Reiserbsubstanz die Information für die Synthese von beta-Carotin eingefügt. Der Reis ist gelb (golden). Ziel der Veränderung im Erbgut war eine Bekämpfung des Vitamin-A-Mangels in Entwicklungsländern, da Reis ein Grundnahrungsmittel und beta-Carotin eine Vorstufe für Vitamin A ist. Das Ergebnis war „goldener Reis“ und eine langandauernde Diskussion von verschiedenen Gruppen Pro und Contra Gentechnik. Wer nach dem Stichwort „goldener Reis“ sucht wird schnell fündig. Folglich ist auch das, trotz Abkürzung, keine schnelle Lösung.

Eine weitere Möglichkeit „zur Abkürzung“ besteht darin, die Auswahl der Organismen zu verbessern. In dem Beispiel mit dem überflutungsresistenten Reis wird zunächst nach dem oder den entsprechenden Genen in der „alten“ Reissorte gesucht. Es handelt sich um das Sub1-Gen. Dadurch besteht die Möglichkeit nach einer klassischen Kreuzung alle Pflanzen ohne das Sub1-Gen auszusortieren und nur mit Pflanzen mit dem gewünschten Gen weiterzuarbeiten. Das erleichtert und vereinfacht die Auswahl. Ich habe als deutsche Bezeichnung Präzisionszucht oder auch marker-assoziierte Selektion gefunden. Im Englischen heißt es marker-assisted selection (MAS). Im Video von MaxPlanckSociety wird an einem Beispiel gezeigt, wie die Abkürzung über MAS funktioniert.

Diese Form der Pflanzenzucht war erfolgreich, so dass die neuen resistenten Sorten als Saatgut zur Verfügung stehen. Die Forschung von Pamela Ronald erfolgte in Zusammenarbeit mit dem International Rice Research Institute (IRRI). Die Reissorten werden mit Unterstützung der Bill & Melinda Gates Stiftung kostenlos an die Reisbauern verteilt.

Pamela Ronald hat bei TEDx einen Vortrag zum Thema „Argumente für Gentechnik bei Pflanzen“ gehalten. Hier stellt sie unter anderem ihre Forschungsergebnisse vor und geht auch auf das Thema „goldener Reis“ ein. Den Beitrag mit deutschen Untertiteln findet ihr hier:

Warum und wie wird die DNA repariert? – Chemie-Nobelpreis 2015

Hier kommt der versprochene Beitrag zum Chemie-Nobelpreis 2015, der an Tomas Lindahl, Aziz Sancar und Paul Modrich für ihre Entdeckung von DNA-Reparaturmechanismen verliehen wurde.

In meinem letzten Beitrag habe ich euch unsere Erbsubstanz, die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, vorgestellt und auch gezeigt, wie aus der Information auf der DNA über die mRNA (Boten-RNA) in den Ribosomen Proteine (Eiweiße) hergestellt werden. Fehler in der DNA oder der mRNA können dazu führen, dass die hergestellten Proteine nicht mehr funktionieren. Wenn viele Fehler auftreten, wäre ein vielzelliger Organismus (Menschen, Tiere, Pflanzen) nicht mehr lebensfähig. Deshalb wurde zunächst angenommen, dass die DNA besonders stabil ist. Andererseits weiß man, dass z. B. Sauerstoff und Licht, sehr aggressiv sind. Rostiges Eisen oder auch vergilbte Zeitungen hat bestimmt jeder schon gesehen. Weiterhin ist daran zu denken, dass jeder „Vielzeller“ sein Leben mit einer einzigen Zelle beginnt, die immer wieder geteilt wird. Bei jeder Zellteilung wird die DNA geteilt und wieder verdoppelt. Auch hier stellt sich die Frage, wie fehlerfrei dieser Mechanismus funktioniert.

Tomas Lindahl fand heraus, dass die DNA doch nicht so „unangreifbar“ war, wie bis zu diesem Zeitpunkt angenommen. Andererseits funktionieren Menschen, Tiere und Pflanzen in der Regel recht gut, 😉 was darauf hinweist, dass es nicht auf allzu viele Fehler in der DNA gibt.

Die Frage war damit also: Was passiert mit den fehlerhaften DNA-Stellen? Um das Problem zu vereinfachen, sucht man nach möglichen Modellen. Eine Bakterienzelle besitzt eine ringförmige DNA, aber die Bakterien-DNA hat einen vergleichbaren Aufbau mit den Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin.

Ich habe hier mein Bild der Basenpaarung: Adenin – Thymin, Guanin – Cytosin.

DNAstruktur

DNA-Modell mit Zucker, Phosphat und den Basen Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin

Der nächste Ansatzpunkt für die Suche nach dem „Reparaturwerkzeug“, war die Tatsache, dass Cytosin schnell eine Aminogruppe verliert und damit zur Base Uracil wird. Uracil findet man in der RNA als Partner von Adenin. Damit würde dieser Fehler bei einer DNA-Verdoppelung dazu führen, dass anstelle von Guanin nun Adenin in den neuen DNA-Strang eingebaut wird. Mit diesem Startpunkt gelang es den Mechanismus für die sogenannte Basenexzisionsreparatur entschlüsseln. Es sind mehrere Enzyme (erkennbar an der Endung -ase) an diesem Mechanismus beteiligt.

Spezifische Enzyme (DNA-Glykosylase) erkennen die Fehler, z. B. Uracil statt Cytosin,  und schneiden die Base heraus. Die AP-Endonuklease entfernt Zucker und Phosphatrest. Das fehlende DNA-Stück wird durch das Enzym DNA-Polymerase synthetisiert und die DNA-Ligase baut es in den DNA-Strang ein. Das Video von Joan Foxton zeigt diesen Mechanismus.

Aziz Sancar hat untersucht, wie Schäden an der DNA, die durch UV-Strahlen entstanden sind, repariert werden. Sancar hat die UV-Reparatursysteme zunächst an Bakterien untersucht. Diese Bakterien verfügten bekannterweise über einen lichtabhängigem und einen lichtunabhängigen UV-Reparaturmechanismus. Er entschlüsselte den lichtunabhängigen Mechanismus mit Hilfe von drei UV-empfindlichen Bakterienkulturen, die unterschiedliche Mutationen aufwiesen. Er fand drei unterschiedliche Enzyme, die die beschädigte Stelle finden und reparieren.

Durch die UV-Strahlung können zwei nebeneinanderliegende Thyminbasen eine Bindung eingehen, was zur Folge hat, dass der Strang aus Zucker und Phosphatrest eine Art Buckel bildet. Die Enzyme finden diese Buckel und schneiden die Basen großzügig um die beschädigte Stelle (Entfernung von 12 Basen) heraus. Die DNA-Polymerase ergänzt das DNA-Stück wieder und die DNA-Ligase baut es in den Strang ein. Diese UV-Reparatur funktioniert auch beim Menschen ähnlich.

DNA_Licht

Durch UV-Licht gehen 2 benachbarte Thyminbasen eine Bindung ein

Paul Modrich hat sich mit der Reparatur von Fehlern, die bei der Verdopplung der DNA auftreten (Basenpaarungsfehlern, mismatch-Reparatur), beschäftigt. Bei dieser DNA-Replikation, die bei jeder Zellteilung stattfindet, dient jeweils ein „alter“ DNA-Strang als Vorlage und wird durch die Arbeit der DNA-Polymerase ergänzt. Bei der großen Anzahl der Basen können auch hier Fehler auftreten. Das bedeutet, dass gegenüber von Adenin nicht Thymin, sondern z. B. Cytosin eingebaut wird. Die wichtige Frage lautet, wie stellt das Reparaturenzym fest, welche Base die „richtige“ ist und welcher der Original-DNA-Strang. Die Antwort ist, dass der Vorlage-DNA-Strang durch das Enzym Dam-Methylase mit einer Methylgruppe markiert wird. Damit wird der Fehler im nicht-markierten Strang entfernt und korrigiert. Auch diese Arbeiten wurden zunächst an Bakterien durchgeführt. Bei Untersuchungen an menschlichen Zellen zeigte sich, dass es dort einen anderen Mechanismus geben muss.

Das Youtube-Video von Ted-ed zeigt zum Abschluss eine Zusammenfassung der verschiedenen DNA-Reparaturmechanismen.

Kann man DNA wirklich schneiden?

Eigentlich sollte sich mein nächster Blogbeitrag um den Chemie-Nobelpreis und die DNA-Reparaturmechanismen drehen. Da jedoch auch in anderen Beiträgen, wie im Blog des Lindau Nobel Laureate Meetings zur Genchirurgie bzw. hier zu Mini-Schweinen, fleißig an der DNA „herumgeschnippelt“ wird/wurde, gibt es zuerst einen allgemeinen Beitrag zur Erbsubstanz und ihrer Funktion.

Ich fange natürlich mit ein wenig chemischem Basiswissen an. 🙂 Papier ist nur 2-dimensional und so fehlt bei gezeichneten Molekülen die Räumlichkeit. Kohlenstoff (wie hier im Methan) kann 4 Bindungen eingehen und bildet räumlich gesehen eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche – einen Tetraeder. Als Beispiel für die räumliche Struktur habe ich mit der Software ChemSketch von ACDlabs (mein Tipp für alle, die im Chemieunterricht beeindrucken wollen 😉 ) Vitamin C gezeichnet. Ihr seht unten die 3D-Animation.

Für die Anordnung der Moleküle im Raum spielt neben der festen kovalenten Bindung (Elektronenpaarbindung) die Wasserstoffbrückenbindung eine wesentliche Rolle. Das einfachste Beispiel ist das Wasser H2O. Der Sauerstoff zieht die negativ geladenen Elektronen der Bindung mehr zu sich, so dass eine leichte Verschiebung der Ladung erfolgt. Das wird in der Summenformel mit einem „delta minus“ beim Sauerstoff bzw. „delta plus“ beim Wasserstoff gekennzeichnet. Da sich unterschiedliche Ladungen anziehen, bilden sich die Wasserstoffbrückenbindungen aus. Man sieht die Kraft der Bindungen, dass Wasser trotz des geringen Molekulargewichtes einen recht hohen Siedepunkt hat. Das bedeutet, dass man zusätzlich Energie aufwenden muss, um ein Wasser-Molekül von den anderen zu lösen und in den gasförmigen Zustand (Dampf) zu überführen.

Ich habe hier ein Youtube Video zur chemischen Bindung von snuggliepuppy für euch gefunden. Hier werden ionische Bindung, kovalente Bindung und die polare kovalente Bindung (wie z. B. im Wasser) sehr anschaulich erklärt. 🙂

Nach der Betrachtung der kleinen Moleküle kommen wir jetzt zu einem richtig großen Molekül: der Desoxyribonukleinsäure (DNS) bzw. deoxyribonucleic acid (DNA) – unserer Erbsubstanz. Ich verwende als Abkürzung DNA.

Ein DNA-Baustein setzt sich aus Zucker, Phosphatrest und Nukleinbase zusammen. Der Zucker die Desoxyribose und die Nukleinbase kann Adenin, Thymin, Cytosin oder Guanin sein. Im Bild seht ihr die Einzelbausteine direkt gegenüber angeordnet, da Adenin nur mit Thymin ein Paar bilden kann und Cytosin mit Guanin. Den Zucker habe ich durchnummeriert.

DNAstruktur

DNA-Aufbau: Zucker, Phosphat, Basen

Mein Modell unten sieht aus wie eine Leiter (ich habe die Weihnachtsdeko-Vorräte geplündert…). Zwei Einzelstränge bilden das Gesamtmolekül. An der Seite wechseln sich Zucker und Phosphatrest ab und in der Mitte liegen sich die Basen des jeweiligen Einzelstranges gegenüber. Zucker und Phosphatrest sind in den Strängen in gegenläufiger Richtung angeordnet (3′ > 5′ bzw. 5′ > 3′). Hier findet ihr die Nummerierung des Zuckers wieder. Da mein Modell nur ein kurzer Ausschnitt ist und sich so zum erklären besser eignet, habe ich es nicht „gedreht“, denn das Molekül liegt als schraubenförmige Doppelhelix vor. Bei Wikipedia findet ihr ein gedrehtes und animiertes Modell.

DNAmodell

DNA-Modell: 2 Einzelstränge bilden das Gesamtmolekül

Da jede Base nur mit einer bestimmten anderen Base ein Paar bildet, kann ein Fehler innerhalb eines Stranges korrigiert werden, wenn der gegenüberliegende Strang fehlerfrei ist.

Wie kommen wir von der DNA zu unseren Eiweißen (Proteinen)?

Eiweiße werden in Ribosomen hergestellt und die DNA befindet sich – zumindest bei den Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen – im Zellkern. In meinem Beitrag zu den Antibiotika findet ihr ein Bild der Zellen. Die Lösung ist einfach: 😉 Man schickt einen Boten. Die messenger oder Boten-RNA (mRNA) übernimmt diese Aufgabe. Sie weißt zur DNA zwei Unterschiede auf. Als Zucker wird Ribose eingebaut und anstelle der Base Thymin findet man Uracil, so dass Adenin mit Uracil kombiniert wird.

Ihr erinnert euch noch, dass ich die DNA-Richtungen nummeriert habe? Das ist wichtig für das Ablesen, die Transkription. Es erfolgt von 3′ nach 5′. Der Startpunkt für das Ablesen eines Gens (= einer Information für ein Protein) ist eine bestimmte DNA-Sequenz, der Promotor. Der DNA-Doppelstrang teilt sich zum Ablesen auf und die mRNA wird zusammengesetzt. Der Bote wandert zu den Ribosomen, wo die Eiweiße aus Aminosäuren gebildet werden (Translation). Da es 20 Aminosäuren, aber nur 4 Basen gibt, war die Frage, wie wird die Information, welche Aminosäure gebraucht wird, übergeben. Es hat sich gezeigt, dass jeweils eine Kombination von 3 Basen die Information für eine Aminosäure kodiert. Der Austausch einer Base würde also dazu führen, dass eine andere Aminosäure eingebaut wird. Was Fehlfunktionen des gebildeten Proteins zur Folge haben kann.

Ich habe hier ein Youtube-Video von O. Maarouf in dem der gesamte Transkriptions- und Translationsprozess schematisch dargestellt wird.

Das waren jetzt meine „Basics“ zur DNA. Da unsere Erbsubstanz ein riesiges Molekül ist, kann sie durch Licht, Strahlung oder Oxidation geschädigt werden. Für die Entdeckung der DNA-Reparaturmechanismen gab es den Chemie-Nobelpreis, der Thema des nächsten Beitrags sein wird.