Aufgaben: Die Zelle als Grundbaustein der Lebewesen

Gib die drei Grundgedanken der Zelltheorie mit eigenen Worten wieder.

Die Pyramide stellt die fünf Organisationsebenen der Lebewesen dar, von der einfachsten (Basis, Ebene 1) bis zur komplexesten (Spitze, Ebene 5), aber ihre Namen sind verschwunden. Ordne diese Begriffe – Organismus, Zelle, Organ, Gewebe und Organsystem – der passenden Ebene zu und nenne zu jeder Ebene ein Beispiel aus dem menschlichen Körper.

Was ist die kleinste Einheit, die als lebendig gelten kann? Erkläre, warum ein einzelnes Zellorganell, zum Beispiel ein Mitochondrium, kein Lebewesen ist.

Erkläre, was ein Gewebe ist, und nenne zwei Beispiele aus dem menschlichen Körper. Gib dabei an, was ihre Zellen leisten.

Was ist ein Organ? Nenne drei Organe des menschlichen Körpers und erkläre kurz, welche Aufgabe jedes erfüllt.

Erkläre den Unterschied zwischen einem einzelligen und einem mehrzelligen Lebewesen und nenne zu jeder Art ein Beispiel.

Mit welchem Instrument wurden die Zellen entdeckt? Erkläre, warum wir sie mit bloßem Auge nicht sehen können und warum ihre Entdeckung in der Geschichte so spät erfolgte.

Das Eigelb eines Hühnereis ist eine einzige riesige Zelle, die man mit bloßem Auge gut sehen kann. Erkläre, warum sie eine Ausnahme von der Regel ist, dass Zellen mikroskopisch klein sind, und was sie enthält, damit sich das Küken entwickeln kann.

Ein Mensch besteht aus Billionen von Zellen. Beschreibe die vollständige Kette der Organisationsebenen von einer Nervenzelle bis zum Organismus und nenne jede Zwischenebene mit einem Beispiel.

Ordne diese Lebewesen als einzellig oder mehrzellig ein: ein Bakterium, eine Amöbe, ein Pilz, ein Regenwurm und eine Eiche. Welche Vorteile bietet deiner Meinung nach das Mehrzellig-Sein?

Fast alle Zellen sind mikroskopisch klein. Begründe, warum es günstig ist, dass Zellen klein sind, und denke dabei daran, wie sie über ihre Membran Stoffe mit der Umgebung austauschen.

Beschreibe die vollständige Kette der Organisationsebenen bei einer Eiche, von einer Zelle eines Blattes bis zum ganzen Baum, und nenne jede Ebene.

Wähle zwei Organsysteme des menschlichen Körpers aus (zum Beispiel das Verdauungssystem und das Atmungssystem), nenne zu jedem zwei Organe und erkläre, welche Aufgabe das jeweilige System insgesamt erfüllt.

In deinem Körper gibt es stark spezialisierte Zellen: Die Nervenzelle leitet Signale weiter, der rote Blutkörperchen transportiert Sauerstoff und die Muskelzelle zieht sich zusammen. Erkläre, was es bedeutet, dass die Zellen in einem vielzelligen Lebewesen „arbeitsteilig“ arbeiten, und welchen Vorteil das hat.

Wenn du dir einen kleinen Schnitt in die Haut zufügst, schließt sich die Wunde nach einigen Tagen. Erkläre mithilfe der Zelltheorie, was die Zellen in diesem Bereich getan haben, um sie zu reparieren, und was passieren würde, wenn sie sich nicht teilen könnten.

Erkläre mit eigenen Worten, was der Satz „Jede Zelle stammt von einer anderen Zelle ab“ bedeutet und welche Folge sich daraus ergibt: Alle heutigen Lebewesen sind durch eine Kette von Zellteilungen verbunden, die weit in der Zeit zurückreicht.

Ein Mitschüler behauptet: „Damit ein junger Elefant zu einem erwachsenen Tier von 5000 kg heranwächst, müssen seine Zellen tausendmal größer werden als die einer neugeborenen Maus.“\na) Widerlege seine Behauptung, indem du erklärst, warum Zellen nicht unbegrenzt wachsen können (denke an die Schwierigkeiten, die eine Riesenzelle hätte, damit Nährstoffe und Sauerstoff durch die Zellmembran bis in ihr gesamtes Inneres gelangen).\nb) Erkläre, welcher Vorgang in der Zelle es einem Organismus tatsächlich ermöglicht, an Größe zuzunehmen, ohne dass seine Zellen aufhören, mikroskopisch klein zu sein.

In einem Labor wird folgendes Experiment durchgeführt: Die Zellen einer Kolonie der mikroskopisch kleinen Alge Pandorina werden einzeln voneinander getrennt, ebenso die Zellen aus dem Gewebe einer komplexen vielzelligen Alge (zum Beispiel eines Blatttangs). Alle isolierten Zellen werden in Gefäße mit Wasser und Nährstoffen gegeben.\na) Die Zellen von Pandorina können überleben und von allein neue Kolonien bilden, während die Zellen der komplexen Alge nach kurzer Zeit absterben. Begründe dieses Ergebnis, indem du erklärst, was echte vielzellige Organismen (Zellspezialisierung und gegenseitige Abhängigkeit der Zellen) haben, was einer Kolonie fehlt.\nb) Leite daraus ab, ob man eine Kolonie als ein einziges vielzelliges Lebewesen oder als Ansammlung einzelliger Lebewesen betrachten kann.

Betrachte folgendes historische Paradoxon: Im Jahr 1665 verwendete Robert Hooke als Erster das Wort „Zelle“, als er eine Korkscheibe betrachtete, doch es dauerte fast zwei Jahrhunderte, bis der erste Grundsatz der Zelltheorie formuliert wurde („Alle Lebewesen bestehen aus Zellen“).\na) Erkläre, was Hooke im toten Kork tatsächlich beobachtete und warum ihm dieses Bild nicht ermöglichte, das lebendige Innere einer Zelle zu entdecken oder zu verstehen, dass auch Tiere aus Zellen bestehen.\nb) Wenn dir heute eine unbekannte Probe unter dem Mikroskop gegeben würde und du nachweisen wolltest, dass sie von einem lebenden Organismus stammt und nicht von unbelebter Materie, nach welchen Zellmerkmalen oder Zellbestandteilen würdest du suchen, um das zu begründen?

Im 19. Jahrhundert entwarf Louis Pasteur ein Experiment, um zu prüfen, ob Mikroorganismen durch „Urzeugung“ entstehen oder ob die Idee Virchows gilt („Jede Zelle stammt von einer vorherigen Zelle ab“):\n1. Er kochte Nährbrühe in zwei Kolben, um alle vorhandenen lebenden Zellen abzutöten.\n2. Kolben A hatte einen S-förmig gebogenen Hals (Schwanenhals), der zur Luft hin offen war, aber eine Biegung hatte, in der sich der Staub absetzte.\n3. Bei Kolben B wurde der Hals abgeschnitten, sodass er senkrecht offen war.\na) Sage voraus, was nach der Hypothese der Urzeugung in jedem Kolben geschehen würde und was nach dem Grundsatz Virchows geschehen würde.\nb) Im tatsächlichen Experiment füllte sich nur die Brühe in Kolben B mit Mikroben. Begründe, wie dieses Ergebnis zeigt, dass Mikroorganismen nicht aus dem Nichts entstehen, und die Zelltheorie bestätigt.

Wenn man einen lebenden Meeresschwamm durch ein feines Sieb drückt, trennen sich seine Zellen in einer Flüssigkeit, doch nach einigen Stunden erkennen sie einander, lagern sich wieder zusammen und bauen einen funktionsfähigen Schwamm neu auf. Würde man dasselbe dagegen mit dem Muskelgewebe oder dem Herzen eines Fisches tun, wären die einzelnen Zellen nicht in der Lage, das Organ wiederaufzubauen, und würden absterben.\na) Begründe, warum das so ist, indem du den Unterschied zwischen der Organisationsstufe eines Schwamms und der eines Tieres mit echten Geweben erklärst.\nb) Wäre es nach diesem Experiment richtig zu behaupten, dass der Schwamm Organe oder Organsysteme besitzt? Begründe deine Antwort anhand der Hierarchie der Organisationsebenen.

Der Ischiasnerv einer Giraffe enthält Axone einzelner Nervenzellen, die mehr als 1,5 m lang sein können. Angesichts dieser Angabe behauptet ein Schüler: „Wenn die Zelle eineinhalb Meter lang ist, ist diese Nervenzelle nicht mehr mikroskopisch klein, und wir könnten sie mit bloßem Auge auf einem Tisch sehen wie einen Nähfaden.“\na) Der Durchmesser dieses Axons beträgt nur etwa 0,01 mm (10 Mikrometer). Widerlege den Fehler des Schülers: Erkläre, warum es trotz seiner großen Länge eine mikroskopisch kleine Zelle bleibt.\nb) Vergleiche diese lang gestreckte Nervenzelle mit einer gedachten kugelförmigen Zelle, die genau dasselbe Volumen hätte: Welche von beiden hat die größere Oberfläche, um Stoffe mit ihrer Umgebung auszutauschen? Begründe, warum die lang gestreckte Form für eine so ausgedehnte Zelle vorteilhaft ist.

Ein medizinisches Team untersucht vier biologische Proben aus dem menschlichen Körper und notiert seine Beobachtungen:\n- Probe 1: Eine einzelne Muskelzelle, die sich auf Reize hin zusammenziehen kann.\n- Probe 2: Eine Schicht Herzmuskelgewebe aus Tausenden synchronisierten Muskelzellen.\n- Probe 3: Das gesamte Herz, bestehend aus Muskelgewebe, Bindegewebe, Nervengewebe und Blutgefäßen.\n- Probe 4: Das gesamte Herz-Kreislauf-System (Herz, Arterien, Venen und Kapillaren).\na) Ordne die vier Proben von der einfachsten zur komplexesten Organisationsebene und erkläre, welche neue Funktion beim Übergang von Probe 2 zu Probe 3 auftritt, die Probe 2 allein nicht ausführen kann.\nb) Angenommen, ein Gift würde ausschließlich die kontraktile Struktur aller Herzmuskelzellen zerstören, wie die der Probe 1. Sage voraus und begründe schrittweise, wie sich dieser Ausfall auf die durch die Proben 2, 3 und 4 dargestellten Ebenen und auf das Überleben des Organismus auswirken würde.

Die drei Grundsätze der Zelltheorie besagen, dass die Zelle die Struktureinheit (alle Lebewesen bestehen aus Zellen), die Funktionseinheit (die Zelle erfüllt die drei Lebensfunktionen) und die Abstammungseinheit (jede Zelle stammt von einer vorherigen Zelle ab) ist.\na) Analysiere Aufbau und Lebensweise eines Virus im Hinblick auf diese drei Grundsätze: Gib genau an, gegen welche davon es verstößt, und begründe, warum.\nb) Ein Mitschüler behauptet: „Weil Viren Erbmaterial haben und sich in uns vermehren und Krankheiten auslösen können, irrt sich die Zelltheorie, wenn sie sie nicht als Lebewesen betrachtet.“ Widerlege seine Behauptung, indem du erklärst, warum Viren als „obligate molekulare Parasiten“ und nicht als eigenständige Zellen gelten.