Erwin Beck (Hrsg.) Faszination Lebenswissenschaften Erwin Beck (Hrsg.) Faszination Lebenswissenschaften @WlLEY-VCH 1 Prof: Dr. Erwin Beck D3s vorliegeride Werk wurde .:orgfaltig erarbeitet. (Universttat Bayreuth) Dennoch ubernehmen Hrrausgeber und Verlag fiir fur die UDBio - die Richtigkeit van Angaben, Hinwctscn nnd U tiion Drutscher Biologiccher Gesellschafteri e.V. Ratschlhgen sowie fur eventuelle Druckfchler kettle Berlin Haftung. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatcnsatz hir diese Publikation ist bei Der Deutschen Biltliothek erhaltltch. 0 Wilcy-VCH Verlag GmbH, Weinhctm, 2002 Gedruckt auf saurefretem Papier Alle Rechtr, insbesondere die drr Ubrrset7ung in andere Spracheti, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Gcnehmtgung des Verlages in irgendeiner Form - durch Photokopie, Mikrover- filmung oder irgendein anderes Verfahren repro- ~ duziert oder in cine von Maschtnen. insbesondere voii Datenverarbriturigsmaschitien, verwendbare Sprache ulwrtragrn oder ubersetzt wrrdrn. Dir Wiedergabe von W.irenbezeichriurigrri, I landrlsnamen oder sons- tigen Kennzricheri in diesern Buch herechtigt nicht zu der Anriatime. ddss diese von jedrrrnann frei benutzt werden durfen. Viclmehr kann es sich aurh darin urn eingetragcne Warenzeichen oder sonstige gesrt7lich geschutzte Kennzetchen handeln, wenn ste nicht cigens als solche tnarkiert stnd. All rights resewed (includingt hose of translation into other languages). No part of this book rndy be reproduced in any form by photoprinting. intcro~ ~ film. or any other means nor transmitted or trans- ~ lated into a machine language without written permis- sion from thr publishers. Registered names, trade- marks. etc. used in this hook, even when not specifically marked a.: .:;uch, are not to be considered unprotected by law. Printed in the Federal Republic of Germany Satz Kuhn & Weyh, Satz und Medten. Freiburg Druck und Bindung Dmckhaus Darmstadt, GmbH Umschlaggestaltung Grafik-Design Schiilz. FuBgonheini ISBN 3-527-30583-1 I" Inh altsverzeichnis Zum Celeit XI E. Beck Bilanz: Die Situation der Biowissenschaften in Schule, Universitat und Cesellschafl XV H. Mehlhorn Teil 1 Pnanzenwissenschaften 1 1 Der Lotus-Effek Selbstreinigende technische Oberflichen nach dern Vorbild der Natur 3 W. Barthlott, Z. Cerman und C. Neinhuis 1.1 Das Vorbild: Biologische Oberflachen 3 1.2 Eigenschaften strukturierter Grenzflachen 6 1.2.1 Benetzung von Oberflachen G 1.2.2 Adhasion und Selbstreinigung ultrafein strukturierter Oberflachen 7 1.2.3 Bedeutung des Lotus-Effektes 8 1.3 Technische selbstreinigende Oberflachen 9 1.4 Uberfliissige Grundlagenforschung? I 1 1.5 Literatur 12 2 Klonierung pflanzlicher Embryonen Die somatische Embryogenese erschlieRt Nadelbaume fur die Biotechnologie 13 K. Zoglauer 2.1 Klonale Vermehrung ist bei Pflanzen ein natiirlicher Vorgang 13 2.2 Die klonale Vermehrung wirtschaftlich wichtiger Nadelbaumarten ist noch immer schwierig 14 2.3 Somatische Embryogenese - die asexuelle Entwicklung von Embryonen in uitro 15 2.4 Somatische Embryogenese als Schliissel zur Entwicklung biotechnologischer Verfahren bei Nadelbaumen 16 2.4.1 Wie entstehen somatische Embryonen? 17 I VI lnhaltsverzeichnis 2.4.2 Embryonale Zellen sind totipotent: aus isolierten Einzelzellen entstehen spontan neue Embryonen 20 2.4.3 Klonale Vermehrung und Reifung sornatischer Embryonen 21 2.4.4 Embryogene Zellkulturen - das ideale Zielgewebe fur einen Gentransfer 25 2.5 Perspektiven der Anwendung 26 2.6 Literatur 27 3 Aus der Werkstatt des Molekulargenetikers: Funktionelle Genomuntersuchungen in Pnanzen 31 5. Schulz 3.1 Kleines ,,Mauer"blumchen ganz grog! 31 3.2 Der Werkzeugkasten 33 3.3 Antisense und Co-Supression 35 3.4 Insertionsmutagenese und Reverse Genetik 36 3.5 Ausblick 39 3.6 Weiterfuhrende Literatur 40 4 Mit gesunden Pflanzen die Basis fur die Zukunfi schaffen 41 H.-W. Dehne, F. Klingauf, R. Petzold, H. Stubler, F. Thuwachter, V. Zinkernagel 4.1 Entwicklungen auf dem Agromarkt 46 4.2 Gro&e Chancen mit innovativen Produkten envartet man mit Hilfe neuer Technologien 48 4.3 Gesetzliche und politische Dimensionen des Pflanzenschutzes 50 Teil 2 Cenetik, Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie 53 5 Lie@ unser Schicksal in den Cenen? Das Human-Cenom-Projekt und seine Bedeutung fur Wissenschaft und Cesellschaft 55 R. Knippers 5.1 Ruckblicke 55 5.2 Gentechnik und Medizin 57 5.2.1 Hintergrunde 58 5.2.2 Fortschritt und Hektik 59 5.3 Die Gene des Menschen 60 5.3.1 Genom-Vergleiche 61 5.3.2 Unterschiede 63 5.3.3 Stichwort: DNA-Chips 65 5.3.4 Verhalten 65 5.4 Liegt also unser Schicksal in den Genen? 67 5.5 Nachwort 68 5.6 Anmerkungen und Anregungen zur weiteren Lekture 68 6 Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie 71 W. A. Miiller 6.1 Vom befruchteten Ei zum komplexen Organismus: Wunder des Lebens 71 6.2 Monsterfliegen und Nobelpreise fur Medizin 73 6.3 Von der Fliege zum Menschen 76 6.4 AuBergenomische und rein miitterliche Informationsquellen 78 6.5 Der Organisator der Kopfbildung bei Wirbeltieren 79 6.6 Selbstorganisation und Musterbildung 81 6.7 Innere Oszillatoren als Organisatoren periodischer Strukturen 82 6.8 Differenzierung und Zellgedachtnis 82 6.9 Neuronale Vernetzung 83 6.10 Programmierter Zelltod, Stammzellen und Krebs 85 6.11 Gezielte Steuerung entwicklungsrelevanter Gene 86 6.12 Gentechnisch manipulierte Tiere als Modelle fur menschliche Krankheiten 86 6.13 Stammzellen-Ersatzgewebe, therapeutisches Klonen? 88 (5.14 Reproduktionsbiologie: Klonen von Saugetieren und Wahl des Geschlechts 90 6.15 Wann beginnt und endet menschliches Leben? 92 6.16 Konnten wir unsterblich sein? 93 6.17 Ausblick 93 6.18 Weiterfuhrende Literatur 94 7 Modelle zur Entwicklungsgenetik des Auges: Mausmutanten mit angeborenen Augenerkrankungen 95 J. Craw 7.1 Einleitung 95 7.2 Aphakia: Stop der Linsenentwicklung auf der Stufe des Linsenstils 99 7.3 Cat3: Ursache von Missbildungen im vorderen Augenabschnitt 100 7.4 Mutationen in den y-Kristallin-Genen storen die Differenzierung der Lin- senfaserzellen 103 7.5 Mutationen in den fi-Kristallin-Genen fuhren zu progressiven Katarakten 105 7.6 Ausblick: Lernen von Fischen und Fliegen 107 7.7 Literatur I08 Teil 3 Verhaltensbiologie I I I 8 Psychoneuroimmunologie - wie Verhalten die Gesundheit beeinflusst 113 D. von Holst 8.1 Literatur 122 I Vlll lnhaltsverzeichnis Teil 4 Zoologie und Parasitologie 123 9 Klein aber oho! Einzeller sind Uberlebenskunstler in vielen Lebenslagen 9.1 1. Taxonomie, Systematik und Ontogenese der Einzeller (Protozoa) 125 W. Foissner, Salzburg 9.1.1 Literatur 128 9.2 Die protozoologische Feinstrukturforschung 129 K. Hausmann 9.2.1 Literatur 133 9.3 Genetik, Molekularbiologie und Evolution von Protisten 133 J. Hackstein, M. Schlegel und H.J. Schmidt 9.3.1 Mit molekularen Merkmalen lassen sich Hypothesen zur Phylogenie der Protisten erarbeiten 134 9.3.2 Hydrogenosomen - gedrosselte Kraftwerke der Zelle 137 9.3.3 Ciliaten - Spezialisten in Sachen Molekulargenetik 140 9.3.4 Danksagung 143 9.3.5 Literatur 143 9.4 Protozoen: Modellsysterne fur die Zellbiologie I45 H. Plattner und H. Machemer 9.4.1 Die amoboide Bewegung 145 9.4.2 Chemokinese und Phagocytose 146 9.4.3 Cikenbewegung 146 9.4.4 Mechanorezeption und Schwerkraftbeantwortung 146 9.4.5 Sekretion 147 9.4.6 Ausblick 147 9.4.7 Literatur 148 10 Entomologie: Die Welt der lnsekten ist noch unermesslich 149 K. Dettner 10.1 Die Eingeschnittenen 149 10.2 Wo steht die Entomologie innerhalb der Biologie ? 149 10.3 Warurn wahlen so viele Biologen Insekten als Untersuchungsobjekte und als Modellsysteme? 150 10.4 Entomologische Besonderheiten 151 10.5 Insekten als Bausteine in terrestrischen Okosystemen 154 10.6 Insekten als Nutzlinge 155 10.7 lnsekten als Schadlinge 157 10.8 Entomologische Berufsfelder 160 10.9 Ausblick 162 10.10 Literatur I62 I IX 11 Weichtierkunde gestern - heute - rnorgen 165 j. H. jungbluth 11.1 Prolog 165 11.2 Weichtiere: Der zweitgrogte Stamm des Tierreiches, eine ,,Summe der Mannigfaltigkeit" 166 11.3 Stachelweichtiere 168 11.3.1 Schildfusser 170 11.3.2 Furchenfusser 170 11.3.3 Kaferschnecken 170 11.4 Schalenweichtiere 170 11.4.1 Urmutzenschnecken 171 11.4.2 Schnecken, Bauchfusser 171 11.4.3 Kopffusser, Tintenschnecken 172 11.4.4 Kahnfusser 172 11.5 Muscheln 172 11.6 Zur Geschichte der Malakozoologie im deutschsprachigen Raum 173 11.6.1 Die Casseler Gruppe - friihes Zentrum der Weichtierforschung 175 11.6.2 Die erste deutsche, weichtierkundliche Zeitschrift und die Grundung der Deutschen Malakozoologischen Gesellschaft 175 11.7 Aktivitaten und Ziele der Deutschen Malakozoologischen Gesellschaft 177 11.8 Aktuelle Forschungs-Projekte 179 11.9 Die Deutsche Malakozoologische Gesellschaft - Ausblick 182 11.10 Literatur 182 12 Parasitologie 185 K. Lingelbach, B. Frank, T. Rornig, A. Ruppel 12.1 Die Parasitologie im 21. Jahrhundert 185 12.2 Malaria 188 12.2.1 Der Lebenszyklus der Malariaerreger 188 12.2.2 Verbesserung der Chemotherapie I92 12.2.3 Immunitat und Immunisierung 194 12.2.4 Mechanismen der Krankheitsentstehung und der Umgehung der menschlichen Imrnunantwort durch den Parasiten 195 12.3 Der Kleine Fuchsbandwurm (Echinococcus rnultilocularis) 198 12.4 Bilharziose 202 12.4.1 Das Krankheitsbild der Bilharziose 203 12.4.2 Immunologie der Bilharziose 204 12.4.3 Resistenz gegen Infektionen mit Schistosomen 205 12.5 Die Biologie des Parchenegels 206 12.6 Kontrolle 207 12.7 Weiterfuhrende Literatur 208 I X lnhaltsverzeichnis 13 Kleines Parasitenbrevier: Parasiten als Uberlebenskiinstler oder Die Weltrekorde der Schrnarotzer 209 H. Mehlhorn 13.1 Ja - wie leben Sie denn 209 13.2 Giardia, ein doppeltes Lottchen? 210 13.3 Trypanosomen, die Erfinder der Tarnkappe 212 13.4 Hauslebauer bei Einzellern 213 13.5 Lebenslange Treue beim Parchenegel 215 13.6 Langenwunder Bandwiirmer 216 13.7 Zahn um Zahn - Hakenwurmer 218 13.8 Schildzecken: GefraBige Hungerkunstler 21 9 13.9 Flohe sind echte Springwunder 221 13.10 Laufwunder mit Ausdauer - Wanzen 223 13.11 Lause im Pelz 224 13.12 Lause in der Antarktis 226 13.13 Meister der Brutpflege - Tsetsefliegen 226 13.14 Augen haben und nicht sehen (mussen) - Miicken in der Attacke 229 Teil 5 Mikrobiologie 231 14 Mikrobielle Strukturen 233 H.E ngelhardt 14.1 Prokaryonten sind anders 233 14.2 Zellgestalt und Taxonomie 234 14.3 Untersuchung intrazellularer Strukturen 236 14.4 Die Zellwand der Bakterien und Archaeen 238 14.5 Besondere Strukturen pathogener Bakterien 241 14.6 Mikrobielle Proteine als Prototypen 243 15 Biofilrne - die bevorzugte Lebensforrn der Mikroorganisrnen 247 H.-C. Nemrning und J. Wingender 15.1 Was sind Biofilme? 247 15.2 Charakteristika von Biofilmen 249 15.3 Bedeutung von Biofilmen 250 15.4 Biofilme und Gesundheit 252 15.5 Die Entwicklung von Biofilmen 254 15.6 Was Biofilme im Innersten zusammenhalt 259 15.7 Diffusion im Biofilm 261 15.8 Kommunikation im Biofilm 262 15.9 Ausblick 264 15.10 Weiterfiihrende Literatur 265 Anhang 1 Das Studium der Biologie 267 Anhang 2 Die Union Deutscher Biologischer Cesellschaften (UDBio) 271 Anhang 3 Autorenverzeichnis 275 Register 279 I Zum Celeit Das Jahr 2001 wurde von der Bundesministerin fur Bildung und Forschung zum Jahr der Lebenswissenschaften, zum Jahr der Biologie proklamiert. In vielen Aktio- nen machen Biologen in eigenen Veranstaltungen oder uber die Medien auf die enorme Bedeutung der Biowissenschaften fur unser Leben und fur unsere Gesell- schaft aufmerksam. Dass diese Aktivitaten augerst notig sind und keineswegs zu frtih kommen, zeigt die Entwicklung der humanbiologischen Forschung durch die in diesen Wochen die Schlagzeilen beherrschenden Themen ,,Gentechnik an Stammzellen" (der Keimbahn), ,,Das Klonen von Menschen" und ,,biologische Waffen". Keine Frage, damit ist die Biologie in eine Sphare vorgestogen, in der nicht nur die Biologen als Fachleute betroffen sind, sondern auch die Gesellschafts- wissenschaftler und die Politiker; bei denen sich Bewunderung mit Grauen und Angsten paart. Wer aber in unserer Bevolkerung kann sich ein zutreffendes Bild davon machen, was da vor sich gehen sol1 und welche Folgen die nun ,,quasi vor der Tiir stehenden" Experimente mit dem Menschen und seinem Genom haben kon- nen und werden. Wer von den Entscheidungstragern besitzt die notigen grundle- genden Kenntnisse, um tragfahige wissenschaftspolitische Entscheidungen zu tref- fen?, wer von den Multiplikatoren vor allem in den Schulen bringt das notige Grundwissen mit, um die Problematik kompetent an die heranwachsende Genera- tion vermitteln zu konnen? In der ,,Bilanz" von H. Mehlhorn, dem Prasidenten der Union Deutscher Biologischer Fachgesellschaften wird dazu Stellung genommen. Uber den ethischen Problemen, welche die biologische Forschung unserer Tage aufwirft, wird leicht iibersehen, dass diese Probleme nur durch einen noch vor wenigen Jahren unvorstellbaren Fortschritt der Biowissenschaften entstehen konn- ten, einen von der Grundlagenforschung ausgehenden Erkenntniszuwachs unge- heuren Ausmages. Von der Jahrhundertwissenschaft Biologie sprach man noch vor wenigen Jahren, zu einer Zeit, als die Aufldarung des menschlichen Genoms noch in weiter Ferne schien. Zwar ist dieses Genom auch heute noch keineswegs vollig entschlusselt, aber wenigstens doch zum grogten Teil sequenziert. Ob das 21. Jahr- hundert das Jahrhundert der Biologie oder der Informatik wiirde, hat man disku- tiert; aber nicht zuletzt mit Hilfe der Informatik haben die Lebenswissenschaften den ,,Quantensprung" geschafft, welcher einige der Humangenetiker zum Bibel- spruch ,, LaBt Uns den Menschen machen, nach Unserem Bild und Gleichnis"(ver)- fuhrte. Gerade wenn sich die ,,Krone der Schopfung" anschickt, sich selbst zu