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Grundbegriffe

Das Universum
1) Kosmogonie rekonstruiert über Rückwärtsextrapolation die frühsten physikalischen Zustände des Kosmos. Aus einer Singularität, einem Punkt in der Raum-Zeit vor ≈14x109 Jahren, einem Zustand extremer Strahlenenergiedichte, explodierte er, kühlte ab und entwickelte sich in die ge- genwärtige Geometrie mit einer Vielfalt materieller Formationen.
2) Kosmologie
   2,1) Der Makrokosmos ist eine durch Gravitation zusammenhängende, isotropische, homogene,
   inflationär expandierende Riemann Geometrie mit asymtotischen Minkowski Eigenschaften ge-
   gen Unendlich. Er formte stabile einzelne und Gruppen von Galaxien, Haufen, Nebel, Sterne
   und planetarische Systeme.
   2,2) Der Mesokosmos umfasst den Gültigkeitsbereich der klassischen, nicht relativistischen
   Physik. Er wird von der Physik, Chemie und ihren Disziplinen beschrieben.
   2,3) Der Mikrokosmos entfaltet sich nach dem Standard Model aus 3 Klassen von Elementar-
   teilchen, punktförmigen ½ Spin Teilchen, Feldteilchen der 4 Kräfte und Higgs Teilchen, die den
   subatomaren Elementarteilchen Masse verleihen. Vorherrschend sind die starken, schwachen
   und elektro-magnetischen Kräfte. Sie werden von der Quantenmechanik, Elektro-, Chromo-
   und Flavordynamik beschrieben.
3) Eschatologie projiziert über Vorwärtsextrapolation die zukünftigen physikalischen Zustände des Kosmos für die nächsten 1027 Jahre als eine Entropie zunehmende, räumliche Ausdehnung, Mas-senverteilung und -verstrahlung, die schwarze Zwerge, Neutronensterne und schwarz Löcher zu- rücklassen.

Natürliche Umwelten
Natürliche Umwelten sind Langzeitvariablen der in der Natur gefundenen Energien, Materien, Flora und Fauna.
1) Die Heliosphäre, ein Stern mittlerer Größe und Leuchtkraft, an die 4,5x109 Jahre alt, erzeugt durch Kernfusion elektro-magnetische Strahlung, ein Gravitations- und Geometriezentrum mit acht umkreisenden Planeten, das lange, stabile Entwicklungszeiträume für die Evolution organi-schen Lebens zulässt. Planetarische Vorbedingungen für ein lebensfreundliches, moderates Klima sind: α) angemessene Masse, Größe und Struktur, β) angemessene Entfernung zur Strahlungs-quelle, γ) annähernd kreisförmige Umlaufbahn, δ) annähernd lotrechte Rotationsaxe, ε) mittlere Rotationsgeschwindigkeit, ζ) chemische Zusammensetzung mit lebensnotwenigen Elementen, η) magnetisches Feld und Atmosphäre.
2) Das Erdmagnetfeld dehnt sich als Magnetosphäre asymmetrisch ≈ 6o ooo km zur Sonne und
≈ 1 2oo ooo km in Gegenrichtung aus. Sie schützt mit den unteren Plasma-, Iono-, Meso-, Strato- sphären und Ozonschicht vor geladenen Teilchen des Sonnenwindes und UV Strahlung.
3) Die Biosphäre beschreibt alle Faktoren innerhalb der Atmosphäre.
   3,1) Die Atmosphäre der Erde, ≈10 km hoch, besteht zu 78% aus N2, 21% O2, 0.03% CO2 und
   in niederen Schichten < 4% aus H2OVAP. Sie dämpft durch Zirkulation Temperatur- und Druck-
   unterschiede, befördert Niederschläge landeinwärts und dient als metabolischer Brennstoff.
   3,2) Die Hydrosphäre in Form von Gas, Eis und Flüssigkeiten, zu 99,7% in den Ozeanen, bildet
   mit Süßwasser den größten Anteil von Pflanzen und Tieren und ist in ihrem Metabolismus un-
   verzichtbar.
   3,3) Die Lithosphäre, der äußere, feste, plattentektonische Mantel der Erde, ≈100 km tief, hat
   als Kruste die Pedosphäre mit Gesteinen, Erden und Sänden verschiedener Qualitäten.
   3,4) Das biotische Umfeld umschließt alle lebenden Organismen in Wasser, Land und Luft.
   3,5) Die Ökologie beschreibt individuelle, bevölkerungsweite, umgebungsgegebene abiotische
   und biotische Kräfte und Bedingungen des Lebens mit seinen vielfältigen Abhängigkeiten in der
   Entwicklung über geologische Zeitspannen. Lokale ökologische Gebiete bilden oft selbst or-
   ganisierende, halb offene Systeme mit Energie- und Stoffwechselzyklen in einer aufsteigenden
   Nahrungskette und einem dynamisch-labilem Gleichgewicht aller Faktoren.
   3,6) Der Mensch verursacht schwere, nicht nachhaltige, oft nicht rückgängig zu machende Um-
   welteinschnitte zur Ausbeute von Ressourcen mit Verschmutzung von Wasser, Land und Luft,
   mit Veränderung des Wettergeschehens und globalem Klimawandel, mit rapidem Abbau von
   natürlichen und Erschöpfung nicht erneuerbarer Ressourcen und mit Vernichtung ganzer Bio-
   tope und Arten.
4) Begrenzungen sind spirituelle, geistige und physische Schranken des Menschen.


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Die ersten Stadien der Evolution
Die ersten Formen von einzelligen Organismen erschienen nach allgemein anerkannten Belegen im Präkambrium vor ≈ 3,7 x 109, aber möglicherweise schon früher vor 4,2 x 109 Jahren.
Entstehung des Lebens auf der Erde (Biogenese) war zunächst eine chemische, nicht biologische Evolution, die in den Ozeanen stattfand in der Gegenwart von Phosphaten (XPO4), Silikaten (XSiO4), Metallionen, einer Atmosphäre aus Stickstoff (N2), Ammoniak (NH3), Kohlendioxyd (CO2), Kohlenmonoxyd (CO), Methan (CH4), Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2) und Energiequellen von Wärme, Strahlung und elektrischen Entladungen und wurden vielleicht von meteoritischen Keimen unterstützt. Die ersten Formen waren Mischungen von Aminosäuren, Polysaccharieden, Lipiden, Basen von Nukleinsäuren und proteinhaltigen Mikrosphären mit An-sätzen einer Membran, eines Stoffwechsels und Wachstum durch Knospung.
Darauf setzte die biologische Evolution in den Ozeanen mit vermehrungsfähigen Nuklein-säureketten ein, die sich in Selbstorganisation der Materie durch die Grundkräfte der Evolution in fortlaufenden Lebenszyklen über geologische Zeitspannen entfaltete: Mutation, Rekombination, Differenzierung von Strukturen, Spezialisierung von Funktionen, Anpassung und Selektion mit Aussterben der meisten Varianten. Es formten sich Protobionten mit einer kurzen DNA Kette, die stufenweise eine verbesserte Proteinproduktion mit Stoffwechsel und eine multifunktionale Mem-bran herausbildeten. Die ersten Prokaryoten waren Bakterien, die oft mikrobielle Matten bildeten und Blaualgen, die die Photosynthese entwickelten, um energiereichere Biomoleküle aufzubauen. Bakterielle Fossilien sind als kurze Stäbchen in metasedimentären Stromatolithen gefunden wor-den. Es folgten in der ersten Evolutionslinie Eukaryoten mit funktionsspezifischen Organellen in der Zelle und einem Membran umschlossenen Zellkern mit Chromosomensatz, der die Zellteilung durch Mitose reguliert. (Beginn der Poligenese) Ihre ältesten, bekannten Kalkfossilien in ozeanischen Ablagerungen sind um die 1,5 x 109 Jahre alt. Die sich vermehrenden Einzeller nahmen hauptsächlich Kohlenstoff und Wasserstoff haltige Verbindungen auf und gaben dafür Stickstoff und Sauerstoff ab, das die Zusammensetzung der Atmosphäre beginnend vor ungefähr 2 x 109 Jahren radikal veränderte in die, die wir heute kennen. Vor 9 x 108 Jahren beschleunigte sich die Evolutionsrate der verschiedenen Einzeller und bildete mehrzellige Prokaryoten und Eu-karyoten mit spezialisierten Funktionen heraus. Eingeführt wurde sexuelle Fortpflanzung um die 5,5 x 108 Jahre zurück, die mit Rekombination in Meiose und Mitose die Evolutionsrate, Pro-duktion von Linien höherer Fitness und Diversifizierung der Arten nochmals beschleunigte und eine heterotrophe Nahrungskette mit Tieren über Pflanzen aufbaute. Mikro-Organismen kamen vor ungefähr 109 Jahren an Land (Geobotanik), danach passten sich die ersten Pflanzen vor 4,8 x 108, gefolgt von Tieren vor 4,2 x 108 Jahren an.

Phylogenetische Topologie
Die erste Evolutionslinie kann anhand der Entwicklung der Proteine des genetischen Materials und der entstandenen Lebensformen durchgehend nachvollzogen werden. Die ersten Nukleinsäure-ketten wuchsen durch Basenpaarveränderungen wie Einfügung, Entfernung, Vertauschung, Ver-doppelung, Umstellung, Aktivierung, Deaktivierung, in späteren Stadien durch Produktion von katalysierenden Enzymen und durch Zusammenwirken dieser Faktoren, die meistens zu einer Ver- mehrung des genetischen Materials führten. Die Entwicklung funktionsspezifischer Gene und Proteine wird graphisch am polygenetischen Stammbaum (Kladogramm) dargestellt, der nach Zweigfolgen und –längen Maß und Abstand der Verwandtschaft, Evolutionsstufen und entsprech-enden Evolutionsraten ablesen lässt. Der molekulare Stammbaum spiegelt sich abbildungsgetreu im Stammbaum der Vergleichenden Anatomie aller Pflanzen und Tiere und liefert damit einen Beweis für die gemeinsame Abstammung aller Lebensformen in den bio-chemischen Bausteinen, im genetischen Code, in Biosynthese von Proteinen, in Katalyse durch Enzyme und im Energie-stoffwechsel mit Glykolyse.

Taxonomie
Die phylogenetische Abstammungslehre ist Grundlage der systematischen Beschreibung, Benen-nung und Ordnung aller Organismen. Als Ergebnis der Evolution existieren in diskontinuierlicher Variabilität heute um die 5oo ooo Pflanzen- und 2 ooo ooo Tierarten (species). Die Verwandt-schaftsverhältnisse der einzelnen Gruppen im hierarchischen, monophyletischen Stammbaum-schema zeigen den gemeinsamen Besitz einzelner, homologer, abgeleiteter Merkmale in Abstam- mung gleicher Ausgangsmerkmale (Taxon, Pl. Taxa) über taxonomische Rangstufen, die in den Reichen (regnum, Pl. regna) Einzeller, Prokaryoten, Eukaryoten und Pilzen wurzeln.

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Der Zellkern
Das menschliche genetische Material, das Genom, ist als 2 Sets (1 diploid Set) von 23 homologen Chromosomen (22 autonome und 1 Sexchromosom) gespeichert und wie bei allen Eukaryoten in einem Zellkern verschlossen. Die Erbinformationen werden als verschlüsselte Nukleotidsequenz und –länge, als Triplet-Raster-Code (Codon) aus Desoxyribonucleinacids (DNA) weitergegeben, die aus Purinbasen Guanin (G) oder Adenin (A) und Pyrimidinbasen Cytosin (C) oder Thymin (T) bestehen. Die Codons ermöglichen 43 = 64 Kodierungen, die Steuersignale und 20 grundlegende Proteine, die Basisgruppe, synthetisieren, von denen die etwa 2oo ooo Proteine des menschlichen Körpers aufgebaut sind. Die Codons reihen sich ohne Komma und nicht überlappend aneinander. Sie sind der universale Transkriptionsschlüssel aller lebenden Organismen. Ungefähr 6 x 107 Basen, eine das Grundmolekül und primäre Struktur, werden durch Additionspolymerisation zu einem Makromolekül, einem Chromosomenstrang zusammengefügt. Zwei komplementäre Stränge iegen als rechtsdrehende, antiparallele Doppelhelix ineinander, die sekundäre Struktur. Die sich umschlingenden Stränge werden durch Wasserstoffbrücken zwischen gegenüberliegenden C – G oder A – T Basenpaare (bp) zusammengehalten. Jedes Chromosom trägt um die 5o ooo Gene, eines die funktionale Einheit, die ein Merkmal herausbildet und im Mendelschen Erbgang weiter-gegeben wird. Es besteht als Einzelgen mit um die 1ooo bp; polygenetisch als bündige, repetitive DNA Sequenzen mit 2 – 1o Kopien von 2o – 5oo bp; als über den Strang verteilte, mit nicht funk-tionalen Sequenzen (Introns) abwechselnde Mehrfachkopie. Die Doppelhelix mit einem Durch- messer von 2 x 10-9 m ist auf Nukleosomen gewunden, die tertiäre Struktur, die das gesamte Genom (Chromatin) im Zellkern von 6 x 10-6 m zusammenhält.

Proteine
Eiweißstoffe, polymerische Aminosäuren, die eine Peptidbindung im Grundmolekül (Monomer) enthalten ( RCH (NH2) COOH ) mit einer molekularen Masse von 1o – 1oo ooo und einer Ketten-länge von 5o – 1ooo Monomeren, bilden die Grundbausteine aller Organismen. Sie sind bis zu 5o % Teil des strukturellen Zellgewebes und haben auch regulative, immunaktive und speichernde Funktionen. Sie werden in der Genexpression wesentlich in zwei Schritten synthetisiert durch Transkription innerhalb des Zellkerns und nach Transport durch Translation im Zytoplasma der Zelle, die beide über die Phasen Initiation, Synthese (Elongation) und Termination laufen. In der Transkription, die die verschlüsselte genetische Information realisiert, wird eine Gensequenz eines örtlich freigelegten Chromosomenstranges, des Sinnstranges, Base für Base auf einen Boten RNA Strang (mRNA), die Matrize, abgebildet. In der Translation an den Ribosomen des Zellplasmas steuert die Matrize die Biosynthese der einzelnen Aminosäuren durch Additionspolymerisation zur Polypeptidkette, dem Falten, funktionsspezifische Modifikationen und Transport folgen.

Wachstum
Der Lebenszyklus eines Organismus über die Stadien Zygote, Embryo, Jugendlicher, Erwachsener und Tod (Entwicklungsbiologie) in regelmäßiger Nachfolge von Generationen wird durch artspe-zifische, somatische (nicht sexuelle) Zellentwicklung angetrieben, quantitatives Wachstum des Zellgewebes und qualitative Zelldifferenzierung mit Spezialisierung von Funktionen oder Organen. Die morphologischen Veränderungen (Morphogenese), Entwicklung und Anordnung von Zell-populationen in bestimmter Position und Reihenfolge, werden von zeitaktiven Genen gesteuert durch zellspezifische Initiation, Transkription und Translation und durch äußere Faktoren wie inter-zelluare Signalstoffe, oft Hormone, im Gleichgewicht mit anabolischem und katabolischem Stoff-wechsel. Vermehrung eines Zelltyps im periodischen Zellzyklus erfolgt durch Zellteilung und an- schließende Vergrößerung des Zytoplasmavolumens. Die Zellteilung läuft über die Stadien von Mitose (M), Gap (G1), Synthese (S), Gap (G2 – Interphase) ab. In Kern- (Karyokinese) und Zellteilung (Cytokinese) wird der Chromosomensatz geteilt und die zwei homologen Hälften als Tochterkerne weitergegeben. In der Synthese werden die haploiden Sätze in den beiden Kernen identisch repliziert, um eine kontinuierliche, originalgetreue Weitergabe der Erbinformationen an die nächste Zellgeneration zu gewährleisten.


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Geschlechtliche Fortpflanzung
Hybridisation von Tierzellen durch sexuelle Replikation dient der Fortpflanzung, der Produktion neuer Individuen zum Fortbestand der Art und zur Vermehrung. Der Geschlechtszyklus läuft über drei Stadien: Die männlichen (Spermatozoa) und weiblichen (Ova) Keimzellen reifen in der Ge-schlechtszellenproduktion (Gametogenese) heran, hauptsächlich aus der Meiose, zwei Zelltei-lungen von Meiose I in 9 Phasen und Meiose II, einer mitotischen Zellteilung in 5 Phasen, in denen der diploide Chromosomensatz der Gameten neu verteilt und auf die Hälfte reduziert wird. In der Zellvereinigung (Karyogamie, Befruchtung) werden die Gametozyten mit ihren haploiden Chromosomensätzen genetisch verschiedener Eltern als befruchtete Eizelle (Zygote) zu einem wiederum zufällig verteilten diploiden Chromosomenkomplement verschmolzen. In der diploiden Phase wachsen Zygote und Embryo der Tochtergeneration heran (Ontogenese) und über folgende Zellteilungen und Entwicklung zum Erwachsenen mit Reife der Geschlechtsorgane schließt sich der Geschlechtszyklus.

Erbliche Merkmale
Der Genotyp eines Organismus, der vollständige Satz aller Gene, das Genom, bestimmt die erblichen Merkmale und bildet in Stadien artspezifischer Entwicklung den Phänotyp heraus (Phänogenese), der sichtbare und empirisch nachweisbare Ausdruck der morphologischen Form. Der Phänotyp wird von einer Vielzahl konkurrierender Faktoren wie der natürlichen Umwelt mit-bestimmt, beim Menschen auch von persönlichen und sozialen Bedingungen, die sich über die Lebensdauer wiederholt verändern und auch von anthropologischen Verhaltensmustern. Ein erb-liches Merkmal setzt im Organismus voraus: identische Replikation mit gleicher Verteilung der Al-lelen auf Tochterzellen; einen fixierten Genwirkungsweg (Genexpressivität, -penetranz); Initiation der Protein Biosynthese des spezifischen Gens zum spezifischen Entwicklungszeitpunkt vor allen Genen in der Zelle (Totipotenz). Zellwachstum und –differenzierung in der Ontogenese über die Stadien Embryo, Jugendlicher, Erwachsener bilden die vollständigen Merkmale des Phänotyps heraus, seine Vielfältigkeit, Fähigkeit, Abstimmung und Beweglichkeit. Beim Menschen am we-nigsten bestimmt durch den Genotyp sind Verhaltensformen, die aus der Vielzahl der möglichen Entwicklungswege des menschlichen zentralen Nervensystems hervorgehen.
Vererbungsgesetze
Die Mendelschen Gesetze (von 1865) beschreiben die genetischen Rekombinationen von Allelen-paaren, die sich als erbliche Merkmale in geschlechtlicher Fortpflanzung über nachfolgende Ge-nerationen ausformen, wenn sich die Parentalgeneration P in einem Allelenpaar auf dem diploiden Chromosomensatz in einem reinerbigen homozygoten Wildtyp a-a- und einem reinerbigen homo-zygoten, mutagenen Typ a+a+ unterscheidet. Die genetische Variabilität wird in neuen Kombi-nationen weitergegeben, die nach dem Verhältnis der Genotypen statistisch vorhersagbar sind. Die Mendelschen Gesetze dienen daher als genetische Grundlage für Züchtungsverfahren.
1. Gesetz der Uniformität: Kreuzt man zwei reinerbige homozygote P-Stränge mit den Allelen-paaren a-a- und a+a+, ergibt sich eine Filialgeneration F1, die im Genotyp uniform heterozygot 2a-a+ ist. Bei dominant-rezessivem Erbgang wird das dominante Merkmal im Phänotyp realisiert.
Bei intermediärem Erbgang bildet sich eine Mittelqualität oder –intensität heraus.
2. Gesetz der Segregation: Kreuzt man zwei heterozygote Hybride der F1 Generation (Selbstung), ergibt sich eine zweite Filialgeneration F2 mit einer zufälligen Verteilung der Genotypen, im sta-tistischen Durchschnitt 1:2:1 oder a-a-:2a- a+:a+a+. Bei dominant-rezessivem Erbgang spalten sich die Phänotypen 3:1. Bei intermediärem Erbgang spalten sich die Phänotypen 1:2:1.
3. Gesetz der unabhängigen Aufspaltung der Allelenpaare: Kreuzt man polyhybride Fn Stränge mit den nicht gekoppelten Allelenpaaren ab und cd, ergibt sich eine Filialgeneration Fn+1 mit freier Kombinierbarkeit der Allelenpaare, in der sich die Genorte spalten und neue Geno- und Phäno- typen herausbilden können, die noch nicht in der Fn Generation vorhanden waren.



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Züchtungsverfahren
Züchtungsmethoden sind seit vorgeschichtlichen Zeiten vor 1o ooo Jahren angewandt worden, um Pflanzen- und Tiermerkmale der Qualität, Form, Ertrag, Nährwert, Anpassungsfähigkeit, Wider-standsfähigkeit und Frische zu verbessern und haben einen wesentlichen Beitrag zur menschlichen Zivilisation geleistet. Auslese, Kombination und Kultivierung genetischer Varianten beruhen auf genetischer Variabilität und Erblichkeit der Merkmale und reduzieren die vorhandenen genetischen Reserven, die auch durch Zerstörung von Biotopen der Wildtypen vermindert werden.
Zuchtsysteme beschreiben heute alle Faktoren außer der Mutation, die auf die Populationsstruktur und Evolutionsdivergenz einwirken.

Die Züchtung eines Phänotyps richtet sich nach dem Zuchtwert des Merkmals: auf morpholo-gischer Ebene nach der Art der Sexualorgane, meistens getrenntgeschlechtlich (diözisch), wo ein Partner eine zweite Keimzelle zugibt; auf genetischer Ebene nach Bestäubungs- oder Be-fruchtungsfaktoren, um Fusionsbarrieren artverschiedener Gameten zu umgehen; der Zahl der Gene, Chromosomen und Zellkerne, die zur Karyogamie beitragen; der Allelenfrequenzen; und der Genexpressivität.

Die meisten Pflanzen- und Tierzuchtverfahren sind Selektions-, Kreuzungs- (Kombinations-), Heterosis- und bio-technologische Methoden:
In der Selektionszucht wird ein Phänotyp nach einem erwünschten Merkmal aus einer größeren Population für die Weiterkultivierung ausgelesen. Die gerichtete (positive) Selektion erhöht den Effizienzgrad eines Merkmals durch Auslese einer Extremform, das den Durchschnitt des Merk-mals innerhalb der Population zu einer Seite verschiebt. Die stabilisierende (negative) Selektion eliminiert nach den Seiten abweichende Individuen, das die genetische Variationsbreite der Popu-lation einengt. Die disruptive Selektion bestimmter Extremformen gliedert die Variationsbreite auf und führt zu Polymorphismus. Durch Linienzüchtung erhält man über fortgesetzte Nachkommen-schaftsauslese eine Gruppe identischer, reinerbiger Individuen und das bestimmte Merkmal wird dann vermehrt.
In mono- und polyhybrider Kreuzungszucht von genetisch unterschiedlichen Organismen wird eine Fusion der Allelen über Inkompatibilitätsbarrieren hinweg mit den gemeinsamen, erwünschten Merkmalen in der Tochtergeneration (Bastard) in einem heterozygoten Genotyp erreicht. Gene-tische Hybride sind mixoploide Kombinationen (Mosaiks) unterschiedlicher Gattungen, die zu neuen Arten (Chimären) führen. Durch Konvergenzzüchtung wird über fortgesetzte Auslese und Kreuzung das neue Merkmal auf Gleichmäßigkeit und Beständigkeit herangezogen.
In Heterosiszucht werden auch genetisch unterschiedliche Organismen gekreuzt, nicht um einen stabilen Genotyp zu erhalten, sondern für den Heterosiseffekt, der in seiner bestimmten Allelen-kombination eine verbesserte Eigenschaft ergibt, die in der Parentalgeneration noch nicht vorhanden sein musste (Bastardwüchsigkeit). Das hybride Erbgut kann nur aus der Parental-population gewonnen werden, da der heterose Mix bei weiteren Kreuzungen verloren geht.

Neuere Züchtungsverfahren verbinden DNA Mutations-, Rekombinations- und Hybridisationstech-nologien, in denen Zellkulturen in vitro in einem künstlichen Nährboden, in Gallertmasse oder Suspension, Klima kontrolliert manipuliert werden. Sie ermöglichen z.B.: Massenzüchtung von stabilen, lebensfähigen Populationen (Kolonienzucht); somatische Hybridisation, das die Inkompa-tibilität artfremder Gameten umgeht, in der isolierte, nackte Zellen (Protoplasten) verschiedener Varietäten mit kompletten Zellen mit oder mit Kern entfernten zu einem Hybrid oder Cybrid (cyto-plasmatischer Hybrid) kombiniert werden; Embryosplitting, Zerteilung eines Embryos im 2 – 4 Zellstadium, Kultivierung und Reimplantation in zwei Ammen; Klonen, asexuelle Reproduktion eines identischen, rekombinierbaren DNA Stranges durch Mitose aus einer einzelnen somatischen oder sexuellen Zelle.




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Gentechnologie
Gentechnik ist ein Teilgebiet der molekularen Genetik und der Biotechnologie. Sie umfasst die theoretischen Grundlagen und praktischen Methoden zur Isolierung, Analyse, Veränderung und Neukombination von strukturellen und regulativen Genen, wie die künstliche Einführung, Expres-sion und Vermehrung in anderen Organismen außerhalb von in der Natur gefundenen Prozessen.

Die molekulare Biotechnologie liefert einen wesentlichen Beitrag zur Grundlagenforschung in der Genetik. Sie entwickelt Methoden zur Analyse von Nucleinsäuren und –sequenzen, deren Struktur, Funktionen, Reaktionen, Produkte mit Wirkungswegen und -zusammenhängen mit Techniken zur: a) Isolierung und Bestimmung, b) Lokalisierung und Kartierung, c) Veränderung, d) Synthese, e) Liegierung, f) Übertragung, g) Einschleusung und Vermehrung, h) Test- und Produktions-techniken. Die Einschleusung ist nach Herstellung eines Fremd DNA Segments, eines Vektors und deren Liegierung der letzte Schritt des Klonens, der asexuellen, Kopie getreuen Vermehrung eines DNA Stranges. Sie erlaubt die Anlage von Genbanken (Stammkulturen) und kommerzielle Pro- duktion.
Wirtschaftliche Nutzung der Gentechnologie, der 'sanften' Technologie, konzentriert sich auf An-wendungen in der Medizin, Pharmakologie, Nahrungsmittelproduktion, human-genetischen Diag-nostik und Therapie. Sie weitet sich auf Reproduktionstechnologien, forensische Gentechnik und Bekämpfung von Infektionsträgern aus. Auf Produkte und Methoden werden Patente vergeben.
a) Techniken zur in vitro Isolierung von DNA Segmenten sind Spaltung durch Segment erken-nende Restriktionsenzyme mit folgender Auftrennung der DNA Fragmente, z.B. durch Blotting oder durch Polyacrylamid Gelelektrophorese, Separationen auf Grund des Molekulargewichts mit Nachweis der Proteinspezies.
b) Lokalisierung und Kartierung von DNA Segmenten auf einem Chromosom erfolgt anhand be-kannter Sequenzen z.B. direkt durch fragmentale Sequenzbestimmung oder indirekt durch radio-aktive Markierung, Trennung und Bestimmung mit einer genspezifischen DNA Sonde.
c) Veränderung eines DNA Segments in gezielter Abwandlung eines Nukleotids oder Nukleo-tidkette beruht auf den Prozessen der DNA Mutation durch physikalische, chemische oder bio-chemische Eingriffe; auf der DNA Rekombination durch bio-chemisches Einfügen, Modifizieren oder Ausschneiden; auf der DNA Hybridisation durch Zell- und Kernverschmelzung genetisch nah und fern verwandter (transgener, chimärer) Materialien.
d) Synthesewege zur Konstruktion eines bestimmten DNA Segments sind die bio-chemische De-novo Synthese von kurzen Oligotidsequenzen mit folgender Zusammenfügung der Oligo- mit Polyotiden, katalysiert von Ligaseenzymen; oder die Einzelstrangsynthese durch Polymerisieren komplementärer Basenpaare anhand einer DNA Matrix zur vollständigen DNA Duplex mit Hilfe von Polymeraseenzymen.
e) Liegierung, die Einfügung eines zur Expression stabilen Passenger DNA Segments oft mit Signalsequenzen in die Lücke eines Träger DNA Segments (Replikon, Vektor), wird mit kovalenter Bindung mittels Ligaseenzymen erreicht, das im indirekten Weg der Einschmelzung den eigent-lichen Schritt zur neukombinierten, artüberschreitenden DNA darstellt.
f) Übertragung des Vektorsystems als selbstständige Replikationseinheit in lebende Gastzellen und –zellkerne erfolgt z.B. durch Konzentrationserhöhung in Form eines Präzipitats; oder geladenen Komplexes; oder in vitro Lasereinbrennung, eine Mikroinjektion, das die Zellwand öffnet.
g) Transformation (eine Transposition) des rekombinierten Vektorsystems in das Wirtsgenom zielt auf kovalente Einbindung in den Chromosomenstrang durch Öffnung und Einbindung beider Enden mit Restriktions- und Ligaseenzymen. Die Fremd DNA aus in vitro Kultivierung wird in den Kernen von Zelllinien durch wiederholtes Einschleusen und Zellteilungen über die Stadien der Ontogenese vermehrt.
h) Geräte für Testverfahren und automatisierte Produktion verlangen exakte, sensible, zuver-lässige, schnelle und kompakt gehaltene Messung, Regulierung und Überwachung. Bio-chemische Prozessparameter werden von Bio-Sensoren erfasst, die aus zwei Elementen, einer biologische Information erkennenden molekularen, zellförmigen oder Mikroorganismen haltigen Biomasse und einem elektronischen Signalwandler aufgebaut sind.

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Mutation
Eine Mutation bewirkt eine strukturelle Veränderung im Genotyp eines Organismus und damit auch eine Veränderung im Phänotyp. Das Mutationsspektrum umfasst Änderungen in der Zahl der Chromosomen (Ploidiemutation), Änderungen in der Zusammensetzung eines Chromosoms (Chro-mosomenmutation) und Änderungen im strukturellen oder regulativen Bereich eines einzelnen Gens (Genmutation).
Unterschieden werden haploide (n=1), diploide (n=2) und polyploide (n > 2) Chromosomensätze. Aneuploide Sätze enthalten ein Bruchstück zu viel (hyperploid) oder zu wenig (hypoploid).

Mutationen und ihre Vererbung durch mutagene Keimzellen in genetischer Variabilität sind grund-legende Antriebskräfte der Evolution, die neue Arten hervorbringen. Sie entstehen zufällig oder durch Einwirkung von chemischen Agenzien oder physikalischen Mittel wie Strahlung oder bio-technologische Eingriffe. Der Mechanismus kann eine Reaktion zwischen DNA und einem Mutagen sein, ein Fehler in der DNA Replikation oder Rekombination, ein Fehler in der Transkription oder Translation oder Einfügung einer mutagen veränderten DNA Sequenz.

Hybridisation
Hybridisation umfasst alle Prozesse der Zellverschmelzung mit und ohne weiterer Zellkernver-einigung von somatischen und Keimzellen und von genetisch nah und fern verwandten (Trans-genese, Chimära) Arten. In sexueller Fortpflanzung bei höheren Tieren im Geschlechtszyklus von Meiose und Karyogamie unterscheiden sich die Keimzellen der Organismen voneinander in der Zusammensetzung des genetischen Materials, gegenüber der Parentalgeneration (Gametogamie) und männliche und weibliche auch in Größe, Form und Beweglichkeit (Heterogameten).

Gametogenese: Bei allen höheren Pflanzen und Tieren reifen die Gameten über die Meiose heran, bei Tieren in der Form primordialer Keimzellen in den Gonaden, den männlichen (Hoden) und weiblichen (Eierstock) Geschlechtsorganen. Sie entwickeln sich über mehrere Phasen von Sper-matogonien zu Spermatozyten zu Spermatiden zu Spermatozoa (männlich) oder von Oogonia zu Oozyten zu Ootiden zu Ova (weiblich), den reifen Keimzellen. Durch zwei meiotische Teilungen (M I + II) mit Rekombination und zufälliger Verteilung der Chromosomenpaare reifen von einer primordialen Zelle vier Keimzellen mit haploidem Chromosomensatz heran, von den weiblichen aber drei degenerieren.
Meiose I: Die erste meiotische Teilung läuft über 9 Phasen von Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän, Diakinese, Prometaphase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I zur Interkinese (Zwischenphase). Eine intra- und interchromosomale Rekombination findet vom Zygotän zum Diplotän statt. Die 23 homologen Chromosomenpaare (A,B) ordnen sich über ihre Länge parallel an: 1a-1b, 2a-2b, ... 23a-23b. Verbunden über Kontaktpunkte bilden sie einen synaptischen Komplex mit offenen, viersträngigen DNA Fäden, der ein crossing-over (chiasma) erlaubt, einen freien, gegenseitigen Austausch von DNA Segmenten, Genkombinationen oder einzelnen Allelen durch Strangbruch, Rekombination und Strangreparatur. Eine zufällige Verteilung der Chromo-somenpaare läuft von Prophase I bis Anaphase I ab. Die Hälften des diploiden Satzes in der Äquatorialebene werden von einem Spindelapparat zu entgegengesetzten Polen des Kerns ge-zogen mit dem Ergebnis z.B.: C: 1a, 2b, 3b, ... 23a und D: 1b, 2a, 3a, ... 23b.
Meiose II: Die zwei Kerne mit haploiden Chromosomensätzen werden über kurze Gap (G1) – Synthese (S) – Gap (G2) Stadien einmal zu diploiden Sätzen repliziert und zu einer zweiten meiotischen Teilung, einer Mitose, geführt, die über 5 Stadien von Prophase II, Prometaphase II, Metaphase II, Anaphase II zur Telophase II geht. Während Metaphase II und Anaphase II ordnen sich die Schwesterchromosomen auf der Äquatorialebene des Kerns an und werden wie in der Meiose I getrennt. Die zwei mitotischen Tochterzellen verharren mit einem haploiden Chromo-somensatz. Nach der Teilung des Zytoplasmas sind insgesamt aus einer primordialen Keimzelle durch M I + II zwei genetisch verschiedene und zwei sich entsprechende Gameten (C, C', D, D') hervorgegangen.
Manipulation von Stammzellen: Mutante und rekombinierte DNA Sequenzen werden in Keimzellen, Zygoten und Embryos in den frühen Zellstadien (Genetik mit Leihmutterschaft) eingeschleust: in eine Zellgruppe zur Manipulation einer ganzen Zelllinie; in die Homöobox zur Manipulation einer DNA Sequenz und Zelllinie mit Einfluss auf die nachfolgenden Stadien der Ontogenese; technisch zur Vereinfachung, da sich eine geringe Menge wirtsfremder DNA auf eine Zelllinie gleichmäßig, anhaltend stabil, im Erbgang übertragend und über kurze Entwicklungszeitspannen auswirkt.

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DNA Rekombination
DNA Rekombinationstechnologie umfasst alle physikalischen, bio-chemischen und genetischen Prozesse (Rekombinationssystem), die außerhalb der Natur gefundenen Abläufen mittels Ein-fügung, Veränderung oder Ausschnittes einer DNA Sequenz zu einer neuen Genkombination in einem Chromosomen führen. Eine kleine Menge manipulierter oder fremder DNA im Genom, die meistens die relative Menge der DNA in der Wirtszelle verändert, ist aktiv in der Genexpression, wird in Keimzellen an nachfolgende Generationen weitergegeben und überschreitet in der Natur lebende Arten (Chimära).

Die Einfügung eines wirtsfremden DNA Segments (Transfektion) verwendet bestehendes gene-tische Material oder synthetisierte Aminosäureketten. Die Bausteine werden in vitro hergestellt durch: Neukombination oder De-novo oder Halbstrangsynthese der DNA Sequenz mit erwünsch-ten Eigenschaften; Konstruktion eines Vektorsystems (Replikon) zur Steuerung der Genexpression und als Träger der Fremd DNA zur Einschmelzung in das Gastgenom; Liegierung, Einbindung der Passenger DNA Sequenz in das Vektorsystem (Transformation). Jeder der Schritte erfordert Tech-niken der Lokalisierung, Isolierung durch Spaltung und Trennung, Charakterisierung, Kultivierung, Auslese und Kontrolle. Als Träger wird wie bei transponierbaren, mutanten Elementen oft ein bak-terielles oder virales Vektorsystem verwendet, das mit effizienter Einspleißrate in eine Restrik-tionsstelle des Wirtsgenoms eingeschmolzen werden kann.
Wichtigste wirtschaftliche Anwendung ist die in vivo Genverstärkung (eines Amplicons) zur Pro-duktion eines Proteins mit einem speziellen qualitativen Merkmal.

Genexpression: Genausprägung wird hauptsächlich über die Transkriptions- und Translationsraten reguliert (Modulation), die auch auf äußere Einflüsse wie Strahlung, Licht, Wärme, Hormone und Virusinfektionen anspricht. Beide Raten werden in erster Linie durch die Initiationsrate als ge-schwindigkeitsbestimmenden Schritt durch regulative, zellspezifische Gene in erforderlicher Zahl, Zeit und in Abstimmung mit dem Metabolismus in Produktkonzentrationen, Mischverhältnissen, Transport und Regulierung der Proteinsyntheserate begrenzt.
In der Elongation der mRNA Synthese von einem DNA Strang, dem Sinnstrang, hängt die Trans-kriptionseffizienz ab von: dem Vektorsystem; funktionsspezifischen Enzymen wie Promotoren, Verstärkern, Hemmstoffen, Antihemmstoffen, Stabilisatoren und Terminatoren in geeigneten Kon-zentrationen, räumlicher Anordnung und Transportwegen; der Feinstruktur der chromosomalen Basenorientierung in Zugang, Bindung, Strangfreilegung und Faltung.
Nach mRNA Synthese und Transport zum Zytoplasma der Zelle wird das neue Protein von der Matrize durch Additionspolymerisation gewonnen. In der Elongation beruht die Translations-effizienz auf ribosomalen Bindungsstellen, tRNA, CIP, ATP Konzentrationen und auf regulierenden, funktionsspezifischen Enzymen. Unmittelbar auf die Basensynthese folgt von Enzymen unterstützt die Faltung des Proteins, die beschleunigende oder hemmende Strukturen herausbildet und mit Endgruppenmodifikationen das Protein auf Transportweg, Funktion, Wirkungsgrad, Stabilität, Lös-lichkeit und Membranverankerung festlegt.













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Populationsgenetik
Populationsgenetik beschreibt die genetische, demographische Struktur einer sich fortpflanzenden Population, ihren Allelotyp nach Allelenraten des gemeinsamen Genreservoirs, indem die ge-netische Zusammensetzung durch Zählung aller einzelnen Gene an allen einzelnen Stellen im Genom eines jeden Organismus bestimmt wird, wie auch die dynamischen Kräfte (Origin of Spe-cies, 1859, Charles Darwin), die Veränderungen der genetische Struktur bewirken, um sie aus der Theorie voraussagbar zu machen.

Alle geschlossenen, gleichmäßig verbreiteten, autogamen Populationen, die sich durch Panmixie fortpflanzen (Mendelsche Population), weisen genetische Variabilität auf, die zu Variabilität von Phänotypen in Morphologie, Physiologie und Verhalten führt und die nach den Erbgesetzen an nachfolgende Generationen weitergegeben wird. Im evolutionären Fortlauf bilden sich aus ge-netischer Variabilität verschiedene neue Formen mit Differenzierung und Spezialisierungen von Funktionen heraus. Durch genetische Flexibilität kann ein Genotyp alternative Lebenslinien entwickeln und sich Umweltveränderungen anpassen. Durch natürliche Selektion überlebt ein Genotyp erfolgreicher innerhalb seiner eigenen und in Konkurrenz zu anderen Populationen und unter knappem Nahrungsangebot und unter adversen Umweltbedingungen auf Grund seiner rela-tiven Fitness, der durchschnittlichen Überlebenswahrscheinlichkeit in Bezug auf ein oder mehrere Merkmale des Phänotyps wie normale Lebenserwartung, Fruchtbarkeit, Paarungsverhalten, Körpergewicht und Stoffwechsel. Durch fortlaufende genetische Diversifizierung eines Teils der Bevölkerung über geologische Zeitspannen, oft nach geographischer Trennung, bilden sich durch die Evolution neue Arten (intraspezifische Evolution) und neue Gattungen (interspezifische Evolution) heraus.

Auf genetischer Ebene wird der Reichtum der Variabilität, wesentlich größer innerhalb einer Be-völkerung als zwischen zwei Rassen, von allen Kräften der Evolution mit beeinflusst: der Mutation; der Hybridisation (mit einer Rekombination) im Ablauf der sexuellen Fortpflanzung; der Migration, der Einfügung und Ausbreitung eines Gens von einer anderen Population; dem Gendrift, einer zufälligen Verschiebung des Mittels einer Merkmalverteilung; der genetischen Korrelation, dem Zusammenwirken und Harmonisieren aller Faktoren, um genetischen Zusammenhalt zu bewah-ren; und der Homöostase, der Tendenz zur Erhaltung und Wiederherstellung eines dynamischen Gleichgewichts durch interne regulative Mechanismen.
Quantitativ hängt die Änderungsrate eines Allels a- im Wesentlichen ab von: Mutations- und Re-kombinationsraten; der durchschnittlichen Fitness im Verhältnis zur Gesamtfitness der eigenen und konkurrierenden Populationen und zum heterozygoten Allel a+ und zu alternativen Allelen b, c,... ; der relativen Verteilung im Verhältnis zur Gesamtverteilung mit vergleichbaren Parametern; der Größe und Richtung der Selektion mit Addition und Elimination von Allelen; dem Grad der Domi-nanz; und der Verteilungsbreite der genetischen Variabilität.














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