Biologie

Im Mittelpunkt dieses Kurses steht die Biodiversität von Ökosystemen. Neben der Artenvielfalt zählt dazu auch die genetische Vielfalt innerhalb der Arten. Genetische Vielfalt ist die Voraussetzung dafür, dass sich Arten oder Organismen an bestehende oder sich ändernde Umweltbedingungen anpassen können. Die Teilnehmenden erhalten einen aktuellen Überblick dazu, mit welchen Methoden die Biodiversität verschiedener Insekten-, Vogel-, Säugetier- und Reptilienarten erhoben und mit welchen Massnahmen sie gefördert werden kann. Ein weiteres Thema dieses Kurses werden die ökologischen Beziehungen zwischen verschiedenen Arten und Populationen sowie ihre Abhängigkeit voneinander sein.

Am Beispiel von Ökosystemen wie Korallenriffen sowie Trocken- und Magerwiesen wird beschrieben, mit welchen Methoden in laufenden Forschungsprojekten die genetische Vielfalt erhoben wird. Dabei werden nicht mehr einzelne Organismen untersucht, sondern es genügt, die so genannte Umwelt-DNA (e-DNA) aus Wasser- oder Bodenproben zu extrahieren und zu analysieren. Diese DNA kann anschliessend den verschiedenen Organismen zugeordnet werden. Damit alle Teilnehmenden auf dem gleichen Kenntnisstand sind, gehört zum Kurs auch eine Einführung in die Genetik, insbesondere in die Populationsgenetik.

Im Einzelnen geht es um folgende Fragen:

• Welche Bedeutung hat die Biodiversität für Ökosysteme?
  
• Welche Faktoren wie Klimawandel und invasive Arten gefährden die Biodiversität?
  
• Mit welchen Methoden lässt sich die Biodiversität erfassen?
  
• Und welche Massnahmen wie die Vernetzung von Lebensräumen eignen sich, um die Biodiversität zu fördern?
  
• Was können wir selbst im Alltag tun, um Biodiversität zu fördern?

Angenommen, Sie möchten einen Teich einrichten, um die Lebensräume einer seltenen Froschart besser miteinander zu verbinden. Die möglichen Standorte sind unten mit Fragezeichen gekennzeichnet.

An welcher Stelle würden Sie den Teich einrichten, wenn Ihr Geld nur für einen reicht? Dazu muss man herausfinden, zwischen welchen bestehenden Teichen der Austausch von Fröschen bereits gut funktioniert – und wo er noch verbessert werden kann. In diesem Fall zeigt eine genetische Analyse des Erbguts der Frösche, dass sie zu vier Gruppen gehören.

Die Evolution von Organsimen findet ständig und überall statt. Sie ist die Grundlage für das Entstehen neuer Arten und von Biodiversität. Da sich sichtbare evolutive Veränderungen meist über sehr lange Zeitabschnitte erstrecken, ist es oft nicht einfach, diese Veränderungen zu beobachten. In gewissen Umgebunden und unter besonderen Bedingungen geht die Evolution von Organismen allerdings um Einiges rasanter voran. Vor allem in Städten hat die Evolution verschiedener Organismen eine überraschende Geschwindigkeit angenommen. In dem Maße, in dem sich die urbane Landschaft ausbreitet und menschliche Aktivitäten die Welt um sie herum gestalten, können nur Organismen mit Eigenschaften überleben, die in dieser Umgebung vorteilhaft sind.

Die Urbanisierung führt häufig zu Veränderungen der Temperatur, des Verschmutzungsgrads und der Verfügbarkeit von Ressourcen. So haben Pflanzen, die höhere Verschmutzungsgrade tolerieren können, oder Tiere, die mit den höheren Temperaturen in Städten zurechtkommen, eine grössere Überlebenschance. Zum Beispiel haben Hain-Bänderschnecken, die in Städten leben, hellere Gehäuse als ihre auf dem Land lebenden Artgenossen. Da ihr helles Gehäuse mehr Sonnenstrahlung reflektiert, können sie Wärmephasen besser überstehen.

Vorteilhafte Eigenschaften können sich auch auf das Fortpflanzungsverhalten beziehen, wie man am Beispiel des Löwenzahns sehen kann: Normalerweise ist die Strategie des Löwenzahns, seine Samen durch den Wind so weit wie möglich zu verbreiten, sodass sie erst in weiter Entfernung zu Boden zufallen, um zu keimen. Auf diese Weise wird die Konkurrenz zwischen Elternpflanzen und ihren Nachkommen verhindert. In der Stadt allerdings würden die über eine grosse Distanz verbreiteten Samen mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Asphalt oder Beton niederfallen, weil nur in wenigen Gebieten der Stadt Boden vorkommt, auf dem die Keimung der Samen und das Wachsen eines Löwenzahns möglich ist. So ist es in städtischen Gebieten vorteilhafter, dass die Samen möglichst nah zu Boden fallen, also am Ort der Ursprungspflanzen. Man hat herausgefunden, dass die Samen städtischer Löwenzahnschirmchen viel länger sind als die Samen bei ländlichen Löwenzahnschirmchen, und so deutlich schneller zu Boden sinken, was die Chancen erhöht, auf unversiegeltem Boden zu landen.

Bei dieser Exkursion zum Zoo Zürich geht es um die Frage, wie sich Änderungen im Klima wie der Wechsel von Eiszeiten und Warmzeiten sowie geologische Prozesse wie die Verschiebung von Kontinentalplatten auf die Verbreitung von Pflanzen und Tieren ausgewirkt haben. Ein Beispiel ist die so genannte «Wallace-Linie» zwischen Australien und Südostasien, mit der wir uns neben anderen Themen auf dieser Exkursion befassen werden (siehe unten). Darüber hinaus wird es auch um die folgenden Beispiele gehen:

• Warum kommen Lemuren nur auf Madagaskar vor – und wie konnte der Elefantenvogel dort so lange überleben?
• Gibt es etwas Vergleichbares wie die Wallace-Linie auch zwischen Nord- und Südamerika, die lange Zeit getrennt waren und erst später in der Erdgeschichte durch Mittelamerika verbunden wurden? (Panama-Landbrücke)
• Wie konnten die Menschen in der Frühzeit über die Beringstrasse nach Nordamerika gelangen? Welche Prozesse führen dazu, dass der globale Meeresspiegel so stark sinkt?
• Warum sind zum Beispiel die Aldabra-Riesenschildkröten, die wir in der Masoala-Halle sehen werden, auf den Seychellen endemisch?

Diese Exkursion bietet damit auch für Schülerinnen und Schüler etwas Neues, die im Frühjahr schon einmal dabei gewesen sind.

Wenn Parasiten ihren Wirt befallen, schädigen sie ihn auf verschiedene Weisen: Sie entziehen ihm zum Beispiel Nährstoffe, zerstören Zellen und Gewebe oder übertragen Krankheiten. Ganz spezielle Parasiten sind die Neuroparasiten, welche gezielt das Nervensystem ihres Wirts befallen und ihn so für ihre eigenen Zwecke manipulieren.

Ein Beispiel hierfür sind gewisse Bandwurm-Parasiten: Um all ihre Fortpflanzungsstadien erreichen zu können, müssen sie verschiedene Wirtswechsel vornehmen. Eine frei im Wasser schwimmende Bandwurm-Larve muss von einem Flusskrebs gefressen werden, in dem sie dann wächst, bis der Krebs mitsamt Larve von einem Stichling gefressen wird. Erst im Innern des Fisches wächst der Bandwurm dann weiter. Das Endziel des Bandwurmes ist allerdings ein Vogel, in dessen Darm er sich dann vermehren kann. Das Ziel des Bandwurmes ist es also, dass der Stichling von einem Vogel gefressen wird, so dass sich die Wurmeier durch den Vogelkot wieder im Wasser verbreiten können, und so der Zyklus von neuem beginnt.

Dabei ist es nicht so, dass der Bandwurm sein Vorhaben dem Zufall überlässt: Der Bandwurm manipuliert die infizierten Fische so, dass sie sich häufiger ins offene Wasser wagen und so für den nächsten Wirt: einen Vogel-Wirt, besser sichtbar sind. Doch das ist noch nicht alles: In Stichlingsschwärmen, in denen der Anteil infizierter Fische die Zahl der gesunden Tiere übersteigt, folgt die gesunde Minderheit den durch den Parasitenbefall manipulierten Artgenossen, wodurch noch mehr Fische von Vögeln gefressen werden, womit sich die Bandwürmer noch mehr vermehren können.

Ein weiteres Beispiel von Neuroparasiten sind Saitenwürmer (Nematomorpha), die verschiedene Insekten wie Weberknechte, Libellen und Schmetterlinge befallen. Auch Heuschrecken gehören zu ihrer Wirtsbeute: Die Larven der Saitenwürmer, die von den Heuschrecken über das Trinken des Wassers aufgenommen werden, wachsen in den Heuschrecken heran, bis sie den ganzen Körper der Heuschrecke ausfüllen, mit Ausnahme der Beine und des Kopfes. Durch die Absonderung eines speziellen Proteins wird das zentrale Nervensystem des Heuschrecken-Wirts so beeinflusst, dass er ins Wasser springt und ertrinkt. Die Saitenwürmer hingegen sind am Ort ihrer Fortpflanzung angekommen und vermehren sich im Wasser.

Handelt es sich beim Parasiten um einen Virus, können die Verhaltensänderungen sogar auf einem veränderten Gen beruhen. Aber wie genau schaffen es Parasiten, ihre Wirte zu befallen und ihr Gehirn zu steuern? Und welche weiteren Beispiele solcher Parasit-Wirtsbeziehungen gibt es? Diesen und vielen weiteren Fragen gehen wir im Kurs zu Parasitismus und Wirtsmanipulation nach.

Im Kurs werden wir uns zum Beispiel Flohkrebse ansehen, deren Verhalten von Parasiten verändert wird.

In beiden Gefässen befinden sich Flohkrebse: Im rechten Gefäss parasitierte, im linken nicht-parasitierte Flohkrebse. Die grünen Schläuche versorgen die Gefässe mit Sauerstoff, da die Flohkrebse natürlicherweise in fliessenden Gewässern vorkommen und ohne zusätzlichen Sauerstoff nicht lange überleben. Im Vordergrund ist die Versuchsröhre zu sehen, mit der wir testen, ob parasitierte und nicht-parasitierte Flohkrebse sich bezüglich Lichts und Dunkelheit unterschiedlich verhalten, indem ein Teil der Versuchsröhre abgedunkelt ist.

Die moderne Pflanzenzucht steht vor vielen Herausforderungen: Angesichts des Klimawandels ist es zum Beispiel wichtig, Nutzpflanzen wie Obst- und Getreidearten zu züchten, die mit Trockenheit gut zurechtkommen. Ein weiterer Aspekt ist die Optimierung von Nutzpflanzen wie beispielsweise die Züchtung von Reis mit einem höheren Vitamin A-Gehalt, um die Ernährung der Menschen zu verbessern. Hinzu kommt, dass der Anbau von optimierten Nutzpflanzen auf den Flächen, die sich für Ackerbau eignen, aufgrund der höheren Erträge dazu führt, dass von den weniger geeigneten Flächen mehr für den Naturschutz freigehalten werden kann. Mit optimierten Nutzpflanzen kann zudem ein Beitrag für die Förderung der Biodiversität geleistet werden. Denn Pflanzen, die gegen ihre Fressfeinde resistent sind, brauchen nicht mit Insektiziden besprüht zu werden, so dass andere Insekten wie Bienen und Schmetterlinge dadurch nicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Welche Möglichkeiten gibt es also, um Nutzpflanzen mit solchen erwünschten Eigenschaften zu züchten?

Im Mittelpunkt dieses Kurses stehen die folgenden Fragen:

• Welche Faktoren beeinflussen das Wachstum von Pflanzen?
  
• Was passiert beim Pflanzenwachstum auf der Zellebene?
  
• Welche Stoffe entnehmen Pflanzen dem Boden und der Luft – und welche geben sie wieder ab?
  
• Was passiert bei der Fotosynthese?
  
• Wie reagieren Pflanzen auf unterschiedliche klimatische Bedingungen?
  
• Wie können wir mithilfe von Baumscheiben das Klima vergangener Zeiten rekonstruieren?
  
• Welchen Einfluss hat der Klimawandel auf unsere Wälder - und wie können wir diese Zusammenhänge untersuchen?
  
• Welche Baumarten werden in Zukunft in der Schweiz wachsen können?

Diesen Fragen werden wir mit vielen Experimenten und einer Exkursion zur Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) nachgehen. Dieser Kurs wurde vom MINT-Lernzentrum der ETH Zürich gemeinsam mit dem WSL entwickelt.

Um die Reaktionen von Pflanzen auf veränderte Umwelteinflüsse zu erkennen, muss man den Stoffwechsel von Pflanzen verstehen. Kannst Du diese Frage schon beantworten?

Die Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft untersucht zum Beispiel, wie sich klimatische Veränderungen auf das Wachstum von Bäumen auswirken. Dazu werden zum Beispiel Bäume verschiedener Sorten in mehreren Treibhäusern gehalten, bei denen verschiedene klimatische Faktoren variiert werden.

Kurzfristige Reaktionen von Pflanzen auf veränderte Umweltbedingungen lassen sich beispielsweise mit Geräten zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration erfassen.

Langfristige Reaktionen wie das Breitenwachstum von Bäumen lassen sich aus ihren Jahrringen ablesen.

Ob es um das Lösen eines Mordfalls, einen Vaterschaftstest, das Herstellen von Impfstoffen oder um die Zucht von Nutzpflanzen geht – molekulargenetische und gentechnologische Verfahren sind aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. In diesem Kurs beschäftigen wir uns mit modernen gentechnologischen Verfahren wie beispielsweise CRISPR/Cas9 und schauen uns an, in welchen Bereichen sie angewendet werden. Im praktischen Teil des Kurses werden wir DNA aus verschiedenen Lebewesen extrahieren und genetisch untersuchen, um ihre evolutive Verwandtschaft bestimmen.

Im ersten Teil befassen wir uns mit den Grundlagen der Genetik, um ein Verständnis für moderne molekulargenetischen Verfahren zu erlangen, wodurch wir dann durch praktische Verfahren evolutive Verwandtschaften (Kriminaltechnik, Vaterschaftstests, etc.) bestimmen können. Im zweiten Teil wenden wir uns der Frage zu, wie moderne Impfstoffe durch gentechnologische Verfahren hergestellt werden können und welche Rolle die CRISPR/Cas9-Methode dabei spielt. Mit unserem neu erlangten Wissen zu modernen gentechnologischen Verfahren widmen wir uns im dritten Teil den Fragen, wie wir Nutzpflanzen zu unseren Gunsten verändern können und was es eigentlich mit den so genannten «Designerbabys» auf sich hat.

Im Einzelnen geht es um folgende Fragen: