Biologie für Hauptfächer II

Kontraktile Vakuolen in Mikroorganismen

Abbildung 1. Einige einzellige Organismen, wie z.B. die Amöbe, nehmen Nahrung durch Endozytose auf. Das Nahrungsvesikel verschmilzt mit einem Lysosom, das die Nahrung verdaut. Abfälle werden durch Exozytose ausgeschieden.

Das wichtigste Merkmal des Lebens ist das Vorhandensein einer Zelle. Mit anderen Worten, eine Zelle ist die einfachste Funktionseinheit des Lebens. Bakterien sind einzellige, prokaryotische Organismen, die über einige der am wenigsten komplexen Lebensprozesse verfügen; allerdings enthalten Prokaryoten wie Bakterien keine membrangebundenen Vakuolen. Die Zellen von Mikroorganismen wie Bakterien, Protozoen und Pilzen sind durch Zellmembranen gebunden und nutzen diese zur Interaktion mit der Umwelt. Einige Zellen, darunter auch einige Leukozyten des Menschen, sind in der Lage, Nahrung durch Endozytose aufzunehmen, d. h. durch die Bildung von Vesikeln durch Aufrollen der Zellmembran innerhalb der Zellen. Diese Vesikel sind in der Lage, mit der intrazellulären Umgebung zu interagieren und Stoffwechselprodukte auszutauschen. In einigen einzelligen eukaryotischen Organismen wie der Amöbe (siehe Abbildung 1) werden zelluläre Abfälle und überschüssiges Wasser durch Exozytose ausgeschieden, wenn die kontraktilen Vakuolen mit der Zellmembran verschmelzen und die Abfälle in die Umgebung ausstoßen. Kontraktile Vakuolen (CV) sollten nicht mit Vakuolen verwechselt werden, die Nahrung oder Wasser speichern.

Flammzellen von Planarien und Nephridien von Würmern

Als sich mehrzellige Systeme entwickelten, um Organsysteme zu haben, die den Stoffwechselbedarf des Körpers aufteilten, entwickelten sich einzelne Organe, um die Ausscheidungsfunktion zu erfüllen. Planarien sind Plattwürmer, die im Süßwasser leben. Ihr Ausscheidungssystem besteht aus zwei Röhren, die mit einem stark verzweigten Kanalsystem verbunden sind. Die Zellen in den Röhren werden als Flammenzellen (oder Protonephridien) bezeichnet, weil sie eine Ansammlung von Flimmerhärchen haben, die unter dem Mikroskop wie eine flackernde Flamme aussehen, wie in Abbildung 2a dargestellt. Die Flimmerhärchen befördern Abfallstoffe durch die Ausscheidungsporen, die sich an der Körperoberfläche öffnen, die Tubuli hinunter und aus dem Körper heraus; außerdem ziehen die Flimmerhärchen Wasser aus der Zwischenzellflüssigkeit an und ermöglichen so die Filtration. Alle wertvollen Stoffwechselprodukte werden durch Rückresorption wiedergewonnen. Flammenzellen finden sich bei Plattwürmern, einschließlich parasitischer Bandwürmer und freilebender Planarien. Sie halten auch das osmotische Gleichgewicht des Organismus aufrecht.

Erdwürmer (Anneliden) haben etwas weiter entwickelte Ausscheidungsstrukturen, die Nephridien genannt werden und in Abbildung 2b dargestellt sind. Ein Paar Nephridien befindet sich auf jedem Segment des Regenwurms. Sie ähneln den Flammenzellen insofern, als sie ein Röhrchen mit Flimmerhärchen haben. Die Ausscheidung erfolgt durch eine Pore, die Nephridiopore. Sie sind weiter entwickelt als die Flammenzellen, da sie vor der Ausscheidung ein System zur röhrenförmigen Rückresorption durch ein Kapillarnetz besitzen.

Abbildung 2. Im Ausscheidungssystem der (a) Planarien treiben die Flimmerhärchen der Flammenzellen den Abfall durch einen Tubulus, der von einer Röhrenzelle gebildet wird. Die Röhrchen sind zu verzweigten Strukturen verbunden, die zu Poren führen, die sich an den Seiten des Körpers befinden. Das Filtrat wird durch diese Poren ausgeschieden. Bei (b) Ringelwürmern, wie z. B. Regenwürmern, filtern Nephridien Flüssigkeit aus dem Coelom oder der Körperhöhle. Schlagende Flimmerhärchen an der Öffnung des Nephridiums ziehen das Wasser aus dem Coelom in einen Schlauch. Während das Filtrat die Tubuli hinunterläuft, werden Nährstoffe und andere gelöste Stoffe von den Kapillaren resorbiert. Die gefilterte Flüssigkeit, die Stickstoff und andere Abfallstoffe enthält, wird in einer Blase gespeichert und dann durch eine Pore an der Seite des Körpers ausgeschieden.

Malpighische Röhren von Insekten

Malpighische Röhren finden sich im Darm einiger Gliederfüßerarten, wie der in Abbildung 3 dargestellten Biene.

Abbildung 3. Malpighische Tubuli von Insekten und anderen Landarthropoden entfernen stickstoffhaltige Abfallstoffe und andere gelöste Stoffe aus der Hämolymphe. Na+- und/oder K+-Ionen werden aktiv in das Lumen der Tubuli transportiert. Durch Osmose tritt dann Wasser in die Tubuli ein und bildet Urin. Der Urin gelangt über den Darm in den Enddarm. Dort diffundieren die Nährstoffe zurück in die Hämolymphe. Na+- und/oder K+-Ionen werden in die Hämolymphe gepumpt, und Wasser folgt. Die konzentrierten Abfallstoffe werden dann ausgeschieden.

Sie liegen in der Regel paarweise vor und die Anzahl der Tubuli variiert je nach Insektenart. Malpighische Tubuli sind gewunden, was ihre Oberfläche vergrößert, und sie sind mit Mikrovilli ausgekleidet, die der Rückresorption und der Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts dienen. Die malpighischen Tubuli arbeiten mit spezialisierten Drüsen in der Wand des Rektums zusammen. Körperflüssigkeiten werden nicht wie bei den Nephridien gefiltert; der Urin wird durch tubuläre Sekretionsmechanismen von den Zellen produziert, die die Malpighischen Tubuli auskleiden, die in Hämolymphe gebadet sind (ein Gemisch aus Blut und interstitieller Flüssigkeit, das bei Insekten und anderen Gliederfüßern sowie den meisten Weichtieren vorkommt). Stoffwechselabfälle wie Harnsäure diffundieren ungehindert in die Tubuli. Die Tubuli sind von Austauschpumpen ausgekleidet, die aktiv H+-Ionen in die Zelle und K+- oder Na+-Ionen aus der Zelle transportieren; Wasser folgt passiv und bildet den Urin. Die Ausscheidung von Ionen verändert den osmotischen Druck, der Wasser, Elektrolyte und stickstoffhaltige Abfallstoffe (Harnsäure) in die Tubuli zieht. Wasser und Elektrolyte werden rückresorbiert, wenn diese Organismen mit einer wasserarmen Umgebung konfrontiert werden, und Harnsäure wird als dicke Paste oder Pulver ausgeschieden. Dadurch, dass die Abfälle nicht in Wasser gelöst werden, können diese Organismen Wasser sparen; dies ist besonders wichtig für das Leben in trockenen Umgebungen.

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