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1. Mikroorganismen: Bedeutungen und
Herkunft
1.1. Bedeutungen der
Mikroorganismen in der
Natur und Gesellschaft
1.2. Vorkommen der
Mikroorganismen
1.3. Evolution der Mikro- und Makroorganismen
1. Chemische Evolution
2. Biologische Evolution
3. Vom Einzeller zum Mehrzeller
4. Stammbaum und Vielfalt
1.4. Geschichte der Mikrobiologie
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1. Mikroorganismen: Bedeutungen und Herkunft
1.1. Bedeutungen der Mikroorganismen in der Natur und Gesell-
schaft
Welche Bedeutungen + Funktionen haben die Mikroorganismen in der Natur und im Speziellen
für das menschliche Leben? Auflisten nach folgenden Kriterien:
- Stoffkreisläufe:
- Rohstoffe:
- Umweltschutz:
- Ernährung:
- Gesundheit:
- Industrielle Produkte:
- Diverses:
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1.2. Vorkommen der Mikroorganismen
Praktisch überall hat es Mikroorganismen!
Bestimmte Rahmenbedingungen müssen zwar erfüllt sein, aber der Rahmen ist sehr weit ge-
steckt, z.B. Temperaturbereich (Überleben bei sehr tiefen Temperaturen und Leben bis 124° C),
pH-Bereich (0-14), Ionenstärke (Reinstwasser bis gesättigte Lösungen), Wassergehalt (Spuren
bis 100%), Sonnenlicht und Sauerstoff (mit oder ohne), Nährstoffgehalte (Spuren bis Überfluss)
etc.
Tab. modifiziert aus Fritsche 1999
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Die Umweltbedingungen bestimmen sowohl die Anzahl der Individuen pro Art als auch die
Artenzusammensetzung. Die Biodiversität ist hoch, wenn viele verschiedene Arten mit etwa
gleich vielen Individuen pro Art vorhanden sind. Gering dagegen ist sie, wenn nur wenig Arten
vorhanden sind und die eine oder andere Art dominiert (z.B. bei "Monokulturen").
Beispiel Mensch:
(Prescotts Principle of Microbiology, 2009)
Beispiele Umwelt:
Boden bis zu 1000 Mia/g
Flusswasser bis zu 1 Mio/ml
Trinkwasser max. 100/ml
Aussenluft ca. 500/m3
Innenluft ca. 2000/m3
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1.3. Evolution der Mikro- und Makroorganismen
1.3.1. Chemische Evolution
- Schöpfungsgeschichte(n),
- Spontane Schöpfung
Erst 1864 von Louis Pasteur widerlegt.
- Entstehung von "Biomolekülen"
Experiment von S. Miller Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen
einer einfachen Erde
- RNA-Welt-Hypothese
- Eisen-Schwefel-Welt
Entstehung des Lebens in der Tiefsee im Umfeld der
"Black Smokers" mit FeS als Energiequelle
- Leben aus dem Weltall:
Panspermie, d.h. lebende Organismen oder Keime
aus dem Weltall hätte die Erde "befruchtet".
Organische Moleküle aus dem Weltall sollen die
Initialzündung für die chemische und biologische
Evolution geliefert haben.
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1.3.2. Biologische Evolution
a) Veränderung der Atmosphäre (4 Phasen):
Uratmosphäre:
1. Phase (Beginn vor ca. 3.8 Mia. Jahre):
2. Phase (Beginn vor ca. 3.6 Mia. Jahre):
3. Phase (Beginn vor ca. 2.5 Mia. Jahre):
Folgen:
4. Phase (Beginn vor ca. 2 Mia. Jahre):
Lin
der 1
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8
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b) Entwicklung der eukaryotischen Zelle:
Zeitverlauf:
2.5 – 1.4 Mia. Jahre Weiterentwicklung der Prokaryoten.
1.4 – 1.2 Mia. Jahre Eukaryotische Einzeller beginnen sich auszubreiten
ab 1.2 Mia. Jahre Entstehung und Ausbreitung mehrzellige Eukaryoten
Endosymbionten-Theorie:
Fakten oder Hinweise, welche für die Endosymbionten-Theorie sprechen:
Beispiele von einzelligen Eukaryoten:
Amöbe Pantoffeltierchen (Paramaecium) Euglena
Biologie Oberstufe 2001
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1.3.3. Vom Einzeller zum Mehrzeller
Bereits schon die Prokaryoten sind in der Lage Kolonien zu bilden und teilweise kann auch eine
Zelldifferenzierung beobachtet werden.
Diese Entwicklung wurde von den eukaryotischen Zellen aber noch viel weiter getrieben und
perfektioniert; quasi eine "Abbild" dieser Evolution ist auch die persönliche Entwicklung vom
Ei(n)- zum Vielzeller.
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1.3.4. Stammbäume und Vielfalt
Anhand gemeinsamer oder verschiedener Merkmale (Aussehen, Verhalten, Fähigkeiten, Eigen-
schaften, Lebensräume etc. und Erbinformation) und Funde aus dem Erdaltertum gibt es diverse
Versuche, Stammbäume zu (re)konstruieren. Aufgrund vieler sogenannter Missing Links ist dies
nur annäherungsweise möglich und jeder neue Fund kann Veränderungen erwirken.
Gemeinsamer Ursprung oder nicht?
Phylogenetischer Stammbaum (rechts):
basierend auf rRNA-Sequenzen
"Weglängen" sind proportional zum Verwandt-
schaftsgrad
Tree of Life: Details vgl. http://tolweb.org/tree/
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Biologische Vielfalt oder Biodiversität
Geschätzte Biodiversität:
Bekannt bzw. beschrieben sind im Moment ca. 1.9 Mio. verschiedene Arten von Lebewesen
(innere Kreissegmente). Aber längst sind nicht alle bekannt, Schätzungen gehen bis 10 oder
sogar 30 Millionen. Je kleiner und verborgener die Lebewesen sind bzw. leben, desto
schwieriger sind sie zu finden, d.h. die Artenzahl und die Vielfalt der Mikroorganismen wird
vermutlich stark unterschätzt. Aufgrund molekularbiologischer Untersuchungen wird geschätzt,
dass erst etwa 1% aller Prokaryoten (ca. 10'000) bekannt sind.
Die Biodiversität ist nicht nur abhängig von der Artenvielfalt (Anzahl verschiedene Arten und
relative Häufigkeit der einzelnen Arten), sondern auch von genetische Vielfalt innerhalb der
Arten, Lebensgemeinschaften und der Ökosysteme, der Vielfalt der vorhandenen Lebensräume
und Ökosysteme und der Vielfalt der ökologischen Funktionen und Prozesse.
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1.4. Geschichte der Mikrobiologie
1684 Antoni van Leeuwenhoek Discovery of bacteria
1798 Edward Jenner Smallpox vaccination
1857-85 Louis Pasteur Microbiology of the lactic acid fermentation, Role of yeast in
alcoholic fermentation, Settled spontaneous generation
controversy (see below), Rabies vaccine
1867 Robert Lister Antiseptic principles in surgery
1876-84 Robert Koch Discovery of cause of anthrax, Methods for study of bacteria
in pure culture, Discovery of cause of tuberculosis, Koch's
postulates (see below)
1884 Christian Gram Gram-staining method
1889+90 Sergei Winogradsky Concept of chemolithotrophy, Autotrophic growth of
chemolithotrophs
1889+01 Martinus Beijerinck Concept of a virus; Enrichment culture method
1908 Paul Ehrlich Chemotherapeutic agents
1928 Frederick Griffith Discovery of pneumococcus transformation
1929 Alexander Fleming Discovery of penicillin
1931 Cornelius van Niel H2S as electron donor in anoxygenic photo-synthesis
1935 Gerhard Domagk Sulfa drugs
1935 Wendell Stanley Crystallization of tobacco mosaic virus
1943 Max Delbruck,
Salvador Luria
Inheritance of genetic characters in bacteria
1944 Selman Waksman,
Albert Schatz
Discovery of streptomycin
1946 Edward Tatum,
Joshua Lederberg
Bacterial conjugation
1952 Joshua Lederberg,
Norton Zinder
Bacterial transduction
1953 James Watson, Francis
Crick, Rosalind Franklin
Structure of DNA
1966 Marshall Nirenberg,
H. Gobind Khorana
Discovery of the genetic code
1967 Thomas Brock Discovery of bacteria growing in boiling hot springs
1969 Thomas Brock,
Hudson Freeze
Isolation of Thermus aquaticus source of Taq DNA
polymerase I
1977 Carl Woese, George Fox Discovery of the Archaea
1977 Fred Sanger, Steven Niklen,
Alan Coulson
Methods for sequencing DNA
1981 Stanley Prusiner Characterization of prions
1982 Karl Stetter Isolation of first prokaryote with temp. optimum > 100°C
1983 Luc Montagnier Discovery of HIV, the cause of AIDS
1988 Kary Mullis Discovery of the polymerase chain reaction (PCR)
1995 Craig Venter,
Hamilton Smith
Complete sequence of a bacterial genome
(nach Brock Microbiology, 2003)
Mikrobio 1: Mikroorganismen krew, FS 13, Seite 14
Widerlegung der Urzeugungstheorie durch Louis Pasteur
Brock Microbiology, 2003
Mikrobio 1: Mikroorganismen krew, FS 13, Seite 15
Koch’sche Postulate
Brock Microbiology, 2003