Drews Mikrobiologie

Die Entdeckung der unsichtbaren Welt
1. Auflage 2010
ISBN: 978-3-642-10757-3
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 248 Seiten

Reihe: Life Science and Basic Disciplines (German Language)

Mikroorganismen leisten einen wesentlichen Beitrag zum Kreislauf der Stoffe in der Natur und synthetisieren wichtige Wirkstoffe wie Vitamine und Antibiotika. Ausgehend von den Anfängen naturwissenschaftlichen Denkens in der Antike beschreibt der Autor die wesentlichen Entdeckungen, die zur Erkennung der Mikroorganismen und ihrer Rolle in der Natur und bei der Entstehung von Krankheiten geführt haben. Die Entwicklung der modernen Mikrobiologie schildert er exemplarisch anhand einzelner Organismen und Themenfelder.

Gerhard Drews ist emeritierter Professor am Lehrstuhl für Mikrobiologie an der Universität Freiburg.

Autoren/Hrsg.

Drews, Gerhart

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Inhaltsverzeichnis;7
3;Symbole und Abkürzungen;12
4;Kapitel 1 Einleitung;14
5;Kapitel 2 Was sind Mikroorganismen und wie sind sie entstanden;17
6;Kapitel 3 Anfänge naturwissenschaftlichen Denkens;19
6.1;3.1 Galenos von Pergamon (129–199), ein bedeutender Mediziner in der Antike;19
6.2;3.2 Hieronymus Fracastoro und das infektiöse Agens;22
6.2.1;3.2.1 Fracastoro als Arzt und Dichter;22
6.2.2;3.2.2 Die Lehre von den Kontagien der Infektion;30
7;Kapitel 4 Die Fortschritte der Naturwissenschaftenim 17. und 18. Jahrhundert;34
7.1;4.1 Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723);36
7.1.1;4.1.1 Holland im 17. Jahrhundert;36
7.1.2;4.1.2 Van Leeuwenhoek baut Mikroskope und entdeckt eine neue Welt;38
7.1.3;4.1.3 Die Entdeckung der „sehr kleinen Tierchen";45
7.2;4.2 Versuche, den Bakterien in der Welt der Lebewesen einen Platz zuzuweisen;47
7.3;4.3 Mit der Hypothese der Urzeugung entwickelte sich modernes Denken und Experimentieren;50
7.3.1;4.3.1 „Generatio spontanea" und die Entdeckung von Entwicklungszyklen;50
7.3.2;4.3.2 Versuche zur Sterilisation;51
8;Kapitel 5 Die Entwicklung moderner mikrobiologischer Forschung im 19. Jahrhundert;56
8.1;5.1 Neue Methoden und Denkansätze;56
8.2;5.2 Der Breslauer Botaniker Ferdinand Cohn setzt Maßstäbe für die bakteriologische Forschung;59
8.2.1;5.2.1 Jugend und Studienjahre;59
8.2.2;5.2.2 Aktivitäten Cohns in der Forschung und an der Universität Breslau;64
8.2.3;5.2.3 Gründung des pflanzenphysiologischen Institutes;66
8.2.4;5.2.4 Popularisierung von Wissenschaft;67
8.2.5;5.2.5 Neubau des Institutes für Botanik und Pflanzenphysiologie;68
8.3;5.3 Cohn, Koch und Pasteur repräsentieren Richtungen bakteriologischer Forschung;69
8.3.1;5.3.1 Begründung einer modernen Bakteriologie durch Cohn;69
8.3.2;5.3.2 Edwin Klebs (1834–1913);77
8.3.3;5.3.3 Koch revolutioniert die Infektionsbiologie;77
8.3.4;5.3.4 Der Nachweis von Infektionserregern durch Koch und Mitarbeiter;82
8.3.5;5.3.5 Gärungsphysiologie und Immunisierungsversuche im Labor von Pasteur;84
8.3.6;5.3.6 Unterschiedliche Forschungsstrategien in den Schulen von Koch und Pasteur;86
8.3.7;5.3.7 Entdeckung des Erregers der Tuberkulose durch Robert Koch;88
8.3.8;5.3.8 Infektionskrankheiten und ihre Bekämpfung;89
8.3.9;5.3.9 Die Entwicklung von Antikörpern gegen Krankheitserreger;91
8.3.10;5.3.10 Paul Ehrlich und die Chemotherapie;91
8.3.11;5.3.11 Kochs zweite Ehe;92
8.3.12;5.3.12 Kochs Untersuchungen tropischer Infektionskrankheiten;93
8.3.13;5.3.13 Reise nach Japan;94
8.3.14;5.3.14 Kochs letzte Lebensjahre;95
9;Kapitel 6 Die vielfältigen Aktivitäten von Bakterienin der Natur;97
9.1;6.1 Entwicklung von Methoden und Denkansätzen;97
9.2;6.2 Der Stickstoffkreislauf;99
9.2.1;6.2.1 Fixierung elementaren Stickstoffs;99
9.2.2;6.2.2 Sergej Nikolaevitch Winogradsky (1856–1953);100
9.2.3;6.2.3 Nitrogenase und Stickstoffreduktion;101
9.2.4;6.2.4 Nitrifikation;102
9.2.5;6.2.5 Dissimilatorische Nitratreduktion, Denitrifikation;103
9.2.6;6.2.6 Anaerobe Ammoniumoxidation;104
9.2.7;6.2.7 Ökologische Aspekte des Stickstoffkreislaufes;105
9.3;6.3 Der Kreislauf des Schwefels;107
9.3.1;6.3.1 Dissimilatorische Sulfatreduktion;107
9.3.2;6.3.2 Oxidation von Schwefelwasserstoff (H2S), Sulfurikanten;108
9.4;6.4 Die Kreisläufe von Sauerstoff und Kohlenstoff;110
9.4.1;6.4.1 Die Entstehung der Erdatmosphäre und ihr Einfluss auf die Biosphäre;110
9.4.2;6.4.2 Die Atmungskette;110
9.4.3;6.4.3 Der Kreislauf des Kohlenstoffs: Fixierung von Kohlendioxid, CO2;112
9.5;6.5 Metalle im Energiestoffwechsel von Bakterien;120
9.5.1;6.5.1 Eisenoxidation und Eisenreduktion in verschiedenen Erdperioden;120
9.5.2;6.5.2 Metall-oxidierende Bakterien bei biotechnologischen Verfahren;123
9.6;6.6 Die Aufklärung von Gärungsstoffwechsel und Atmung;123
9.7;6.7 Die photosynthetisch aktiven Bakterien;126
9.7.1;6.7.1 Die Entdeckung pigmentbildender Bakterien;126
9.7.2;6.7.2 Engelmanns Untersuchungen zur Photosynthese der Algen und Bakterien;126
9.7.3;6.7.3 Die grünen Bakterien und Reaktionszentren der anoxygenen Photosynthese;131
9.8;6.8 Die Welt der „blaugrünen Algen", die Cyanobakterien mit oxygener Photosynthese;135
10;Kapitel 7 Die Entdeckung der Viren und anderer suborganismischer infektiöser Agenzien;138
10.1;7.1 Das Tabakmosaikvirus und andere Viren;138
10.2;7.2 Viroide: nackte, infektiöse Ribonukleinsäure;143
10.3;7.3 Prione, die unheimlichen Krankheitserreger aus Protein;144
11;Kapitel 8 Die Wege zur Entdeckung von Proteinen, Enzymen und Zellstrukturen;146
11.1;8.1 Die Zelle als Grundbaustein aller Organismen;146
11.2;8.2 Entdeckung des Generationswechsels;146
12;Kapitel 9 Die Einheit des Stoffwechsels und die Aufklärung der Proteinstruktur;148
13;Kapitel 10 Die Molekularbiologie erweitert unser Blickfenster auf das Geschehen in der Natur;151
13.1;10.1 Das Entstehen der Vererbungslehre;151
13.2;10.2 Die Chemie der Makromoleküle;153
13.3;10.3 Das Entstehen der Bakteriengenetik;153
13.4;10.4 Lederberg und sein Beitrag zur Entwicklung der Bakteriengenetik;154
13.5;10.5 Fortschritte der molekularen Genetik;159
13.6;10.6 Die Doppelhelix der Desoxyribonukleinsäure (DNA);160
13.6.1;10.6.1 Strukturaufklärung;160
13.6.2;10.6.2 Replikation der DNA;165
13.7;10.7 Der genetische Code und seine Übersetzung in die Sprache der Proteine;167
13.7.1;10.7.1 Genkartierung und zellfreie Proteinsynthese;169
13.8;10.8 Die molekulare Biologie der Zelle;171
13.8.1;10.8.1 Genomsequenzen;172
13.8.2;10.8.2 Struktur und Teilung des bakteriellen Chromosoms;173
13.8.3;10.8.3 Cytoplasmatische Membran und Cytoskelett;175
13.9;10.9 Der Begriff der Spezies und die Sexualität bei Bakterien;176
13.9.1;10.9.1 Methoden der Klassifizierung von Bakterien;177
13.9.2;10.9.2 Genomorganisation und Expression;178
13.9.3;10.9.3 Regulation des Stoffwechsels;180
14;Kapitel 11 Die Verwandtschaft zwischen Bacteria, Archaea und Eukarya;182
14.1;11.1 Die Symbiontentheorie und ihr Einfluss auf die Deutung der Stammesentwicklung;184
14.2;11.2 Die Drei-Domänen- und die Eocytenhypothese;185
14.3;11.3 Bacteria und Archaea;186
15;Kapitel 12 Regulation von Stoffwechsel und Zelldifferenzierung;189
15.1;12.1 Die ATP-Synthase;190
15.2;12.2 Energieproduktion durch Substratstufenphoshorylierung;192
15.3;12.3 Anpassung an Umweltfaktoren;192
15.3.1;12.3.1 Temperatur;192
15.3.2;12.3.2 Konzentration von H + - und OH -Ionen;193
15.3.3;12.3.3 Andere, das Wachstum beeinflussende Faktoren;193
16;Kapitel 13 Mikroorganismen und ihre Umwelt;195
16.1;13.1 Süßwasser-Binnenseen;197
16.2;13.2 Strategien der Bakterien, einen optimalen Lebensraum zu besetzen;200
16.3;13.3 Aktive Bewegung von Bakterien;201
16.4;13.4 Das Streifenwatt;203
16.5;13.5 Lebensgemeinschaften an den Hydrothermalquellen der Tiefsee;204
16.6;13.6 Leben unter dem Eis in der Antarktis;207
16.7;13.7 Der Pansen und seine Bewohner;208
16.8;13.8 Andere extreme Standorte;208
16.9;13.9 Lebensgemeinschaften im Boden;209
16.9.1;13.9.1 Die Rhizosphäre;210
16.9.2;13.9.2 Nitrogenase;211
16.10;13.10 Trinkwasser und Abwasser;211
16.10.1;13.10.1 Moderne Abwasseranlagen;213
17;Kapitel 14 Mikroorganismen im Dienste des Menschen: Biotechnologie;215
18;Kapitel 15 Die Systembiologie untersucht Regulationsnetzwerke und phylogenetische Beziehungen;220
19;Kapitel 16 Die synthetische Biologie konstruiert Organismen mit bestimmten Eigenschaften;222
20;Kapitel 17 Anmerkungen zur Evolution der Lebewesen;225
21;Ausblick;230
22;Literatur;232
23;Sachverzeichnis;242

Leseproben

"Kapitel 6 Die vielfältigen Aktivitäten von Bakterien in der Natur (S. 87-88)

6.1 Entwicklung von Methoden und Denkansätzen

Im 18. und 19. Jahrhundert wurden viele morphologische und physiologische Eigenschaften von Bakterien und anderen Mikroorganismen erforscht. So wurde über Unterschiede in den Ansprüchen der Bakterien an Temperatur, Sauerstoffgehalt, Nahrungsstoffe und andere Lebensbedingungen, sowie bei Symbionten oder Parasiten über deren Wirtsspezifität berichtet. Zunächst wurden diese unterschiedlichen Merkmale noch nicht als konstante Eigenschaften einer Art angesehen, da es Vergleichsuntersuchungen mit den Proben verschiedener Autoren noch nicht gab. Jeder beschrieb, was er beobachtet hatte.

Da die Bakterien ähnlich aussahen, auch wenn sie aus verschiedenen Umweltbereichen entnommen wurden, entstanden oft widersprüchliche Befunde. Trotzdem bildete dieses Wissen eine Voraussetzung für die weitere Erforschung der Rolle von Mikroorganismen in der Umwelt und als Erreger von Krankheiten. Ein entscheidender Fortschritt konnte erst durch die Herstellung von Reinkulturen aus den vorliegenden Mischkulturen der Organismen erreicht werden. Viele Missverständnisse und fehlerhafte Ergebnisse waren auch darauf zurückzuführen, dass es keine, für Vergleichsuntersuchungen so wichtige Stammkultursammlungen gab und jeder, der mit Mischkulturen arbeitete, über andere Ergebnisse berichtete.

Erst die Herstellung von Reinkulturen der Mikroorganismen und der Nachweis, dass diesen bestimmte Eigenschaften zugeordnet werden können, eröffnete die Möglichkeit, die Aktivitäten einzelner Organismen in einem ökologischen System und in ihrer Wechselbeziehung zu anderen Organismen zu untersuchen. Die Fragestellungen entstanden oft aus den Bedürfnissen des täglichen Lebens heraus. So wurde das Auftreten von Krankheiten bei Mensch, Tier und Nutzpflanze – wie Milzbrand der Schafe, Tuberkulose und Cholera des Menschen, Flacherie der Seidenraupen, Fehlgärungen bei der Weinherstellung und die Mehltauerkrankung der Reben – von den Forschern des 19. Jahrhunderts untersucht.

Voraussetzung dafür war die Überwindung alter, überlieferter Vorstellungen wie der Spontanzeugung, dem Glauben an das Einwirken übernatürlicher Kräfte auf das Naturgeschehen und die spekulative Begründungen für Verhaltensweisen, wie die Miasmentheorie für das Entstehen von Krankheiten oder die Ansicht, dass die verschiedenen Mikroorganismen nur Anpassungsformen eines Organismus an ihre Umgebung seien.

Die stetige Zunahme des rational-kausalen Denkens und die Entwicklung der kritisch-analytischen Experimentierkunst, die im 19. Jahrhundert durch die Fortschritte auf chemisch-physikalischem Gebiet gefördert wurde, waren weitere Voraussetzungen für die erfolgreiche Entwicklung der Naturwissenschaften. Einen enormen Einfluss auf die biologische Forschung hatte seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts die Theorie der Evolution , begründet vor allem durch Charles Darwin (1809–1882), die die große Artenvielfalt auf der Erde und das Entstehen und Verschwinden neuer Arten auf die Variation (Veränderungen im Genom) und die natürliche Selektion – das heißt, die Begünstigung oder Behinderung von Entwicklung und Vermehrung einzelner Vertreter der Arten durch Faktoren der Umwelt und die Interaktionen innerhalb von Populationen – zurückführte (Mayr 1982, 1994).

Eine Stütze der Evolutionsforschung war die Geologie, deren Vertreter in den Ablagerungen früherer Erdperioden Versteinerungen von Tieren und Pflanzen entdeckten, die sich deutlich von den in der Jetztzeit lebenden Arten unterschieden. Durch die Reihenfolge der Schichten konnte auf die zeitliche Abfolge im Auftreten der verschiedenen Arten geschlossen werden. Eine absolute Zeitbestimmung des Alters dieser Fossilien wurde erst in unserer Zeit durch Anwendung der Isotopentechnik möglich."