1. Mikroorganismen: Bedeutungen und...

Mikrobio 1: Mikroorganismen krew, FS 13, Seite 3

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


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:


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


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


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.


1.3.2. Biologische Evolution

a) Veränderung der Atmosphäre (4 Phasen):

Uratmosphäre:

1. Phase (Beginn vor ca. 3.8 Mia. Jahre):



Folgen:

4. Phase (Beginn vor ca. 2 Mia. Jahre):

Lin

der 1

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8


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


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.


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/

Bio

log

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1963_d.h

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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.


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)


Widerlegung der Urzeugungstheorie durch Louis Pasteur

Brock Microbiology, 2003


Koch’sche Postulate

Brock Microbiology, 2003

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