Aufgaben: Die Zelltheorie und die Zelltypen

Formulieren Sie die drei Postulate der Zelltheorie und geben Sie an, welche dieser Aussagen ihr widerspricht; begründen Sie Ihre Wahl: a) Alle Lebewesen bestehen aus einer oder mehreren Zellen; b) einige Zellen können durch Urzeugung aus unbelebter Materie entstehen; c) die Zelle ist die Funktionseinheit der Lebewesen; d) jede Zelle geht aus einer bereits vorhandenen Zelle hervor.

Ordnen Sie die folgenden Organismen und Zellen den Prokaryoten oder den Eukaryoten zu und begründen Sie Ihre Wahl kurz: ein Cyanobakterium, eine Amöbe, eine Zelle Ihrer Haut, das Joghurtbakterium, eine Hefe und eine Grünalge.

Ordnen Sie die folgenden Organisationsebenen der lebenden Materie von der geringsten zur größten Komplexität und definieren Sie jede in einem Satz: Organ, Zelle, Gewebe, Zellorganell und Organismus.

Das Schema vergleicht zwei Typen der Zellorganisation, A und B. Geben Sie an, welcher einer Prokaryotenzelle und welcher einer Eukaryotenzelle entspricht, benennen Sie die mit ? gekennzeichneten Strukturen und erklären Sie, welche Bedeutung der beobachtete Unterschied in der Organisation des Erbmaterials für die Zelle hat.

Vergleichen Sie eine Prokaryoten- und eine Eukaryotenzelle hinsichtlich ihrer typischen Größe, des Vorhandenseins von Zellkern und membranumhüllten Organellen sowie der Form ihrer DNA. Erklären Sie anhand dieses Vergleichs, wo Cyanobakterien Fotosynthese betreiben, obwohl sie keine Chloroplasten besitzen.

Das Auftreten membranumhüllter Organellen war ein Meilenstein in der Evolution der Zelle. Erklären Sie, welche Vorteile es bietet, das Zellinnere in durch Membranen abgegrenzte Kompartimente zu unterteilen, und nennen Sie zwei konkrete Beispiele für Prozesse, die davon profitieren.

In einem zellbiologischen Labor wird die Wirkung zweier Antibiotika auf eine Kultur tierischer Eukaryotenzellen untersucht: Cycloheximid (Hemmstoff der Translation an 80S-Ribosomen) und Chloramphenicol (Hemmstoff der Translation an 70S-Ribosomen). Die Ergebnisse zeigen, dass Cycloheximid die Proteinsynthese im Cytosol stoppt, nicht aber im Inneren der Mitochondrien, während Chloramphenicol gezielt die mitochondriale Proteinsynthese blockiert, ohne die cytosolische zu beeinträchtigen. Ausgehend von diesen Daten und im Rahmen der Endosymbiontentheorie:

1. a) Begründen Sie die beobachteten Ergebnisse bei beiden Antibiotika und geben Sie an, welches pflanzliche Zellorganell gegenüber Chloramphenicol eine ähnliche Reaktion wie das Mitochondrium zeigen würde.
2. b) Ein Forscher behauptet, Mitochondrien seien völlig autonome Bakterien, die in einem geeigneten extrazellulären Medium isoliert unbegrenzt überleben und sich teilen könnten. Widerlegen Sie seine Behauptung begründet, indem Sie die evolutionäre Beziehung zwischen mitochondrialem Genom und Kerngenom erklären.
3. c) Sagen Sie voraus, welche grundlegenden Unterschiede hinsichtlich der Lipidzusammensetzung und des Vorkommens von Porinen zwischen der inneren und der äußeren Mitochondrienmembran zu erwarten sind, und erklären Sie, wie diese Asymmetrie den von Lynn Margulis vorgeschlagenen Mechanismus der Endosymbiose stützt.
4. d) Geben Sie an, auf welche konkreten bakteriellen Vorfahrengruppen die molekulare phylogenetische Analyse als Ursprung der Mitochondrien und der Chloroplasten hinweist.

In Tiefseesedimenten wurde ein mikroskopisch kleines Gebilde („Partikel Z“) entdeckt, das von einer Lipiddoppelschicht umgeben ist und ein doppelsträngiges DNA-Genom von 1,2 Mb enthält, mit Genen zur Synthese mehrerer Aminosäuren und eigenen tRNAs. Es besitzt jedoch keine Maschinerie zur ATP-Synthese, keine Ribosomen und kann sich außerhalb seiner Wirtszelle nicht selbstständig teilen. Eine populärwissenschaftliche Schlagzeile behauptet: „Neue Zelle entdeckt, die die Grenze zwischen Viren und Bakterien verwischt“.

Widerlegen Sie die Schlagzeile unter strenger Anwendung der Postulate der Zelltheorie und des biologischen Lebensbegriffs. Begründen Sie, warum das Vorhandensein von Stoffwechselgenen dieses Partikel nicht zu einer eigenständigen Zelle macht, und argumentieren Sie, warum solche biologischen Gebilde dennoch in der Biologie untersucht werden.

Eine Gruppe von Schülerinnen und Schülern versucht, das klassische Experiment von Pasteur nachzustellen: Sie kochen Nährbouillon 10 Minuten lang in einem Schwanenhalskolben und lassen ihn unberührt stehen. Nach vier Tagen trübt sich die Bouillon ein und sie stellen bakterielles Wachstum fest (sporenbildende Stäbchen der Gattung Bacillus). Ein Schüler folgert: „Das beweist, dass Pasteur sich geirrt hat und dass es Urzeugung doch gibt, wenn das Medium nährstoffreich genug ist.“

Widerlegen Sie die Aussage des Schülers, indem Sie erklären, welchen methodischen Fehler die Gruppe bei der Nachstellung von Pasteurs Versuchsaufbau gemacht hat und warum das Vorhandensein von Bakteriensporen die Urzeugung nicht bestätigt. Analysieren Sie abschließend das scheinbare Paradoxon, das das Postulat „jede Zelle geht aus einer anderen Zelle hervor“ im Vergleich zu den heutigen wissenschaftlichen Theorien über die präbiotische Entstehung der ersten lebenden Zelle aufwirft.