Diese ganz kleine Welt der intrazellulären Prozesse ist für uns meist besonders schwierig zu verstehen. Durch lange Beschäftigung mit den verschiedenen Prozessen kann man ein Bauchgefühl dafür entwickeln, wie diese ablaufen und wie es in so einer Zelle aussieht. Für Schüler, die diese Welt neu kennenlernen, bleibt hingegen vieles völlig unverständlich, weil sie natürlich zunächst die Konzepte unserer mesoskaligen Welt auf diese Mikro- und Nanowelt übertragen.

Inzwischen gibt es allerdings einige innovative Bemühungen, die molekulare Welt der Zellen zu veranschaulichen. Und in vielen Fällen wird durch ein exakteres Bild der zellulären Prozesse die Faszination des Lebens noch größer als sie womöglich vorher schon war, denn die Zahl der Moleküle, die Geschwindigkeit der Abläufe und die Steuerung und Regelung der Prozesse ist atemberaubend.

Wer sich dieser Welt nähern möchte, kann zum Beispiel auf die faszinierenden Bildern von David Goodsell zurückgreifen. Er malt einzelne Aspekte von Zellen maßtsabsgetreu, so dass man ein Gefühl dafür bekommt, wie es in einer Zelle wirklich »aussieht« und wie die einzelnen Komponenten zusammen wirken. Sein Schnittbild durch eine Euzyte ist hierfür ein tolles Beispiel. Für mich enthielten diese Bilder zum Beispiel einen Aha-Moment, weil ich mir während meines Studiums eine Zelle immer als »mit Wasser gefüllten Sack« vorgestellt hatte. Das stimmt natürlich einerseits, aber in Goodsells Bildern wird deutlich, wie vollgepackt eine Zelle mit Proteinen und anderen großen Molekülen ist und dass die im Vergleich winzigen Wassermoleküle lediglich die Lücken zwischen den großen »Brocken« füllen.

David Goodsell hat auch ein sehr lesenswertes Buch geschrieben: Wie Zellen funktionieren. Das richtet sich nicht primär an Biologen, sondern ist allgemeinverständlich geschrieben. Ich habe es aber mit großem Gewinn gelesen, weil es Goodsell gelingt, die Welt der Zellen und die molekularen Abläufe immer wieder hervorragend anschaulich zu machen. Ein Beispiel:

Eine typische Zelle ist etwa 10 µm lang – das ist ungefähr 1000-mal kürzer als Ihr letztes Fingerglied. Einen 1000-fachen Größenunterschied kann man sich leicht vorstellen: Ein Reiskorn ist etwas 1000-mal kürzer als das Zimmer, in dem Sie sitzen. Stellen Sie sich vor, Ihr Zimmer wäre mit Reiskörnern gefüllt. So bekommen Sie eine Vorstellung von den etwa eine Milliarde Zellen, die Ihre Fingerspitze bilden.

Eine weitere Verkleinerung um den Faktor 1000 bringt uns in die Welt der Moleküle. […] Ein durchschnittliches Protein aus einer beliebigen Zelle enthält etwa 5000 Atome; seine Länge beträgt etwas ein Tausendstel der Länge einer typischen Zelle oder ein Millionstel der Breite Ihrer Fingerkuppe. Um sich diese Größenordnung vorstellen zu können, denken Sie auch jetzt wieder an ein Zimmer voller Reiskörner. So bekommen Sie eine Vorstellung von der Größe der Proteine, von denen es in jeder einzelnen Ihrer Zellen unzählige gibt.

David Goodsell: Wie Zellen funktionieren, S. 4 f

Solche Vergleiche und Modelle sind genau das, was Schülern helfen kann, sich diese fremde Welt besser vorzustellen.

Die faszinierenden Abbildungen aus diesem Buch dürfen für Vorträge und für den Unterricht kostenlos verwendet werden, sofern man den Autor nennt.

Goodsells Abbildungen werden inzwischen in vielen Bereichen verwendet. Das SUN Chloroplast E-Book ist dafür ein herausradendes Beispiel. Darin kann man die molekularen Vorgänge der Photosynthese in mehreren Detail- und Modellebenen gleichzeitig erfahren und sich dadurch eine vertiefte Vorstellung davon erarbeiten. Für die Schule ist das sicher zu detailliert, aber als Exkurs kann es auch für Schüler der Kursstufe interessant sein – sie müssen ja nicht jeden Elektronentransportvorgang im Detail verstehen. Der Einblick in die Abläufe ist meines Erachtens trotzdem geinnbringend.

Ich habe »Wie Zellen funktionieren« bei ZUMbuch besprochen.

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David Goodsell hat auch Drew Berry inspiriert. Dieser stellt in seinem TED Vortrag »Animations of unseeable biology« animierte Abläufe im Stil von Goodsell vor. Besonders faszinierend ist zum Beispiel die DNA-Replikation in Originalgeschwindigkeit, die ab ca. 3:40 min zu sehen ist.

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David Bolinsky präsentiert seine medizinische-biologischen Animationen ebenfalls in einem Vortrag bei TED: »Visualizing the wonder of a living cell«. Sein Stil ist etwas anders, nicht so ansprechend wie die Visualisierungen von David Goodsell, wie ich finde, aber dennoch einen Blick wert.

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Von der Harvard University gibt es eine ganze Reihe von Animationen, die auf BioVisions zu sehen sind. Leider habe ich keine Möglichkeit gefunden, die dortigen Videos in voller Bildschirmgröße anzuzeigen, was die Nutzung im Klassenzimmer eher schwierig macht. Dennoch ist die Website einen Blick wert. Faszinierend ist zum Beispiel in »The Inner Life of the Cell« die Animation eines Kinesins, das einen Vesikel entlang eines Mikrotubulus zieht. Die Konformationsänderungen des Proteins sehen aus, als ob es auf der Röhre Schritt für Schritt voran schreiten würde. Im selben Clip sieht man in verschiedenen Maßstäben bis hinunter auf die Protein-Ebene, wie weiße Blutkörperchen auf der Innenseite einer Kapillare entlang »rollen« und wie eines davon sich an einer Stelle zwischen zwei Endothelzellen hindurchzwängt, um den Blutkreislauf zu verlassen.

Fazit

Viele dieser Beispiele zeigen die zellulären Prozesse viel detailreicher als man das in der Schule im Einzelnen erarbeiten kann. Dennoch halte ich diese Abbildungen und Animationen für sinnvoll, um den Schülern einen Einblick in die für sie fremde Welt der Zellen zu vermitteln. An einzelnen Beispielen kann man bereits Gelerntes betrachten, bis zu einer bestimmten Detailebene auch besprechen und ansonsten einfach die faszinierenden Bilder wirken lassen (natürlich mit einer angemessenen Diskussion der modellhaftigkeit dieser Darstellungen).

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Das Video könnte man vielleicht als Einstieg in eine Einheit zur Ökologie zeigen. Eindrucksvolle Bilder und eine Erklärung dazu, die grundlegende Einsichten vermittelt.

Allerdings ist die Darstellung wohl zu simplistisch, wie ein Artikel von Arthur Middleton in der NY Times erklärt. Dort wird auf verschiedene Nachfolgestudien hingewiesen, die ein komplexeres Bild zeichnen. Der zentrale Satz:

Amid this clutter of ecology, there is not a clear link from wolves to plants, songbirds and beavers.

Arthur Middleton: »Is the Wolf a Real American Hero?«, 13.03.2014

Dennoch halte ich das Video über die Wölfe für geeignet, denn man kann gut daran erarbeiten, dass es weitreichende Einflüsse und Vernetzungen gibt. Und man kann nach der Sicherung der Verständnisses weiter differenzieren, um zu der Einsicht zu gelangen, dass gerade in der Ökologie oft sehr komplexe Wirkungsgefüge vorherrschen, die wir oft erst Schritt für Schritt erschließen können. Außerdem wird deutlich, dass es heikel ist, wenn Menschen sich in diese Ursache-Wirkungsnetze aktiv einmischen.

In den Kommentaren zu einem TED-Vortrag über dieses Thema hat es der Kommentator auf den Punkt gebracht:

It’s a very interesting talk with a bright showcase for the idea – Yellowstone’s Park reintroducing wolves with a cascade of great results.
Yet, it’s always good to remind people that it’s not as easy as it might look, and that inverse results (catastrophic results coming from removing or reintroducing species in certain places) could also happen.
These are complex systems that could go very wrong by careless manipulation.

Renato Murakami: Kommentar zum TED Vortrag

Man könnte dann z.B. auch Beispiele zeigen, in denen Neophyten oder Neozoen ein Ökosystem massiv stören und sich unkontrolliert ausbreiten¹, z.B. das Indische Springkraut (auch »Drüsiges Springkraut«) in Deutschland, für dessen Bekämpfung man in Freiburg z.B. Bachpatenschaften übernehmen kann .

¹ Wobei zu den Wölfen in Yellowstone natürlich ein wichtiger Unterschied besteht: Sie sind keine Neozoen, sondern kamen zurück, nachdem sie von Menschen ausgerottet worden waren.

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[Gefunden bei The Kid Should See This]

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Mit einigen Kollegen und Freunden habe ich immer mal wieder über dieses »Projekt« gesprochen und viele haben Interesse geäußert, die heimischen Blütenpflanzen auch ein wenig besser kennen zu lernen, wussten aber oft nicht, mit welchen Bestimmungsbüchern man das am besten angeht. Daher hier einige Buch-Tipps.

Alle folgenden Links führen zu amazon.de. Ich erhalte daraus keinen finanziellen Bonus.

• Pareys Blumenbuch ist das Bestimmungsbuch, das ich am meisten verwende. Es enthält ca. 1200 Arten¹ und ist mit Zeichnungen illustriert. Die Pflanzen sind nach Familien geordnet. Man sollte also idealerweise schon etwas Vorwissen mitbringen, so dass man eine angetroffene Art zumindest grob einer Familie zuordnen kann. Falls das nicht möglich ist, gibt es aber auch eine allgemeine Bestimmungshilfe nach äußerem Merkmalen. Leider ist das Buch zur Zeit vergriffen. Laut Auskunft meiner Buchhandlung, soll es aber bei Kosmos im September 2012 in einer neuen Auflage wieder erscheinen.
• Die Kosmos-Enzyklopädie der Blütenpflanzen ist zu groß, um sie immer unterwegs dabei zu haben, dafür ist das Buch aber deutlich umfangreicher und detaillierter als Pareys Blumenbuch: 2400 Arten, größere Zeichnungen sowie viele Detailzeichnungen von markanten Pflanzenteilen. Die Kosmos-Enzyklpädie liegt zu Hause auf meinem Schreibtisch für die Fälle, die ich mit Pareys Blumenbuch nicht hinreichend bestimmen kann.
• Der BLV Pflanzenführer für unterwegs ist eine gute Wahl, wenn man sich mit Pflanzenfamilien (noch) nicht auskennt. Das Buch enthält 1150 Arten, ist ebenfalls mit Zeichnungen illustriert, ist aber im Gegensatz zu den beiden vorherigen Werken nach Blütenfarben und grober Blütengestalt geordnet. So findet man als Anfänger schnell die angetroffene Art. Dieses Buch wäre meine Empfehlung für jemanden, der sich ohne botanische Vorkenntnisse in die heimischen Blütenpflanzen einarbeiten möchte.

Natürlich gibt es viele weitere Bestimmungsbücher auf dem Markt. Die meisten davon sind allerdings meines Erachtens eher ungeeignet, wenn man wirklich etwas lernen möchte. Meist enthalten sie nur wenige hundert Arten (typischerweise um die vierhundert oder weniger) und sind mit Fotos illustriert. Vierhundert Arten sind zu wenig, um erfolgreich zu bestimmen: Man wird ständig Arten antreffen, die nicht im Buch enthalten sind, was zu Frust führt. Außerdem sind auf Fotos nie alle markanten Merkmale zu erkennen, so dass auch das eine Hürde beim Bestimmen darstellt.

Wenn man es ganz genau nehmen möchte, kann man natürlich auch auf professionelle Bestimmungsbücher wie den Schmeil/Fitschen zurückgreifen. Das ist mir persönlich allerdings zu aufwendig, denn für die Bestimmung mit so einem Werk braucht man in der Regel Ruhe, eine Lupe und evtl. auch eine Pinzette, weil man sehr detaillierte Merkmale prüfen muss.

¹ Ich habe die 2. Auflage, die neue Auflage soll angeblich 2500 Arten enthalten.

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Die Krabben sind erstaunliche Tiere:

Die Japanische Riesenkrabbe hat eine Masse von 16 bis 20 Kilogramm. Ihr Körper hat einen Durchmesser von rund 37 Zentimetern, von der Spitze eines Beins zum anderen misst sie in ausgestreckter Lage bis zu 3,7 Meter.

wikipedia.org

Gefunden bei The Kid Should See This

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Sichtbar gemacht wurde es durch etliche Tonnen Beton, die drei Tage lang in das Kammersystem gepumpt wurden. Nach einem Monat begannen die Forscher dann, das erstarrte Gebilde auszugraben.

Gefunden bei The kid should see this

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Katze springt an einem senkrechten Zaun hoch

In manchen Phasen scheint die Katze nur mit einer Pfote Kontakt zum Zaun zu haben. Außerdem finde ich es faszinierend, dass sie die Hinterpfoten selbst bei dieser senkrechten Bewegung direkt neben den Vorderpfoten aufsetzt.

Gefunden bei The Kid Should See This

Rotmilane greifen Fleischstücke vom Boden

Die Rotmilane scheinen tatsächlich gezielt nach den Fleischstücken zu greifen, die zwischen dem (deutlich größeren und zahlreicher vorhandenen) Brot liegen. Man sieht auch schön, wie sich in manchen Flugphasen die Federn am Rücken und an der Flügeloberseite nach oben biegen, wenn dort offenbar Luftverwirbelungen auftreten.

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Louie Schwartzberg: The hidden beauty of pollination

In diesem Video zeigt Louie Schwartzberg (ab ca. 3:15 min) faszinierende Aufnahmen von Kolibris, Insekten und Fledermäusen, die verschiedenen Pflanzen als Bestäuber dienen und im Gegenzug süße Nahrung bekommen.

Manche der slow-motion Aufnahmen sind atemberaubend.

Jonathan Drori: Every pollen grain has a story

Hier zeigt Jonathan Drori, wie Pollenkörner unter dem Elektronenmikroskop aussehen und welche faszinierenden Eigenschaften und Anwendungen sie haben.

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Er zeigt das anhand einer Linie, die einige hundert Leute auf seinem Laptop nachzeichnen sollen. Eine Person zeichnet immer das nach, was der direkte Vorgänger gezeichnet hat. Jeder gibt sich große Mühe, exakt zu zeichnen, macht aber natürlich kleinste Kopierfehler. Das Endergebnis hat kaum noch Ähnlichkeit mit dem Original – wie bei der Evolution auch.

Dieses Prinzip wird übrigens in “The Ancestor’s Tale” auch sehr anschaulich. Man kapiert, dass an jedem beliebigen Schritt der Evolution die Unterschiede zwischen der Eltern- und der Kindgeneration in der Regel nicht erkennbar sind. Die Ähnlichkeiten überwiegen bei Weitem. Wenn man aber in der Rückschau die akkumulierten Unterschiede über hundert, zweihundert oder noch mehr Generationen hinweg betrachtet, können die Unterschiede so groß sein, dass eine neue Art entstanden ist.

Nicht nur aufgrund dieser anschaulich präsentierten Einsicht, ist “The Acestor’s Tale” (deutsch: Geschichten vom Ursprung des Lebens: Eine Zeitreise auf Darwins Spuren) zu empfehlen. Es ist auch sonst ein sehr anregendes und lehrreiches Buch über die Evolution.

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Lage von Otmoor

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Warum machen die Vögel das?

Sich in Schwärmen zusammen zu finden, gehört zum Sozialverhalten der Stare. Dylan Winter nennt in seinem Video verschiedene Gründe für das Verhalten:

• Schutz vor Fressfeinden: Viele Augen sehen Feinde eher, die Feinde haben es schwer, in einem großen Schwarm einzelne Tiere anzugreifen und der Schwarm selbst wirkt als Gesamtgebilde möglicherweise groß und abschreckend.
• Aufwärmen vor der kalten Nacht durch körperliche Betätigung (zumindest in Otmoor scheinen die Stare nur im Winter dieses Verhalten zu zeigen).
• Soziales Verhalten, bei dem evtl. Rangordnung ausgehandelt wird, da beim Niederlassen am Boden die dominanten Männchen die wärmsten Plätze auf dem Boden besetzen.

Wie machen die Vögel das?

Interessanter ist die Frage, wie die Vögel sich koordinieren, um sich zeitweise mit hunderten oder sogar tausenden von Artgenossen synchron zu bewegen.

Während man früher unter anderem dachte, dass Tiere in solchen Schwärmen auf eine uns unbekannte Art kommunizieren müssten, versteht man inzwischen die Zusammenhänge besser und hat Theorien und Modelle entwickelt, um das Schwarmverhalten auch zu simulieren.

Es hat sich gezeigt, dass relativ wenige einfache Regeln, die auf der Ebene des einzelnen Tieres wirksam sind, ausreichen, um in der Summe die beobachteten Bewegungsmuster im Schwarm hervorzubringen. Ein solches Modell namens Flocking kann man im Browser ausprobieren (erfordert Java). In der Einleitung wird erklärt, dass das Modell für jeden Vogel drei Regeln zugrunde legt:

1. Ausrichtung (alignment): Ein Vogel versucht sich so auszurichten, dass er mit anderen Vögeln in die selbe Richtung fliegt.
2. Abstand (separation): Ein Vogel ändert seine Richtung, wenn ein anderer Vogel zu nahe kommt
3. Zusammenhalt (cohesion): Ein Vogel versucht, sich anderen Vögeln zu nähern, außer wenn ein anderer Vogel zu nahe kommt.

Dabei hat die Abstandsregel Vorrang, bis ein Mindestabstand erreicht ist. Die Vögel bewegen sich im Modell immer mit konstanter Geschwindigkeit.

Eine ausführliche Darstellung über die Forschung in diesem Bereich findet sich in einem Artikel des Audubon Magazine: Flight Plan.

Selbstorganisation als biologisches Prinzip

Das Prinzip der Organisation von Prozessen über lokale Regeln und nicht mit Hilfe einer zentralen »Planungsstelle« ist in der Biologie verbreitet. Bei der Embryonalentwicklung organisieren sich die Zellen ebenfalls nach diesem Prinzip. Richard Dawkins schreibt in »The Greatest Show on Earth« im Kapitel »You did it yourself in nine months«.

The key point is that there is no choreographer and no leader. Order, organization, structure – these all emerge as by-products of rules which are obeyed locally and many times over, not globally. And that is how embryology works. It is all done by local rules, at various levels but especially the level of the single cell. No choreographer. No conductor of the orchestra. No central planning. No architect. In the field of development, or manufacture, the equivalent of this kind of programming is self-assembly. — Richard Dawkins: The Greatest Show on Earth, Kapitel »You did it yourself in nine months«, E-Book S. 382 von 1004.

Im entsprechenden Kapitel wird deutlich, dass hochorganisierte Strukturen in der Natur emergieren können, ohne dass es einen »Bauplan« oder einen zentralen Koordinator gibt. So wie die Starenschwärme sich verhalten, als wären sie ein einziges »Wesen«, so organisieren sich Zellen aufgrund lokaler Regeln zu einem Organismus. Die Komplexität auf dem Level eines Vogels oder einer Zelle ist nicht sehr groß. Die Komplexität des Ergebnisses hingegen schon.

Auch die Evolution läuft ähnlich ab: Ungerichtete Variationen auf der Ebene einzelner Tiere bringen in der Summe und über ausreichend viele Generationen mit Hilfe der selektierenden Umweltbedingungen hochorganisierte Strukturen hervor, ohne dass diese von zentraler Stelle entworfen oder »designt« werden – auch wenn das für uns beim Betrachten des »Endprodukts« schwer zu glauben ist.

Darüber hinaus sind diese Phänomene ein schönes Beispiel dafür, dass die Tatsache, dass man ein Phänomen versteht, kein bisschen seine Schönheit und seine Faszination schmälert. Darum hier noch mal zwei Videos.

Noch mehr Stare in Otmoor

Ein Fischschwarm

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