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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 
gegenwärtige 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
   gegen 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 Symmetrie wahrende 
   Higgs Teilchen. Vorherrschend sind die starken, schwachen und elekto-magnetischen Kräfte. 
   Sie werden beschrieben von der Quantenmechanik, Elektro-, Chromo- und Flavordynamik.
3) Eschatologie projiziert über Vorwärtsextrapolation die zukünftigen physikalischen Zustände des 
Kosmos für die nächsten 1027 Jahre als eine Entropie zunehmende, räumliche Ausdehnung, 
Massenverteilung und -verstrahlung, die schwarze Zwerge, Neutronensterne und schwarz Löcher 
zurücklassen.

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, er-
zeugt durch Kernfusion elektro-magnetische Strahlung, ein Gravitations- und Geometriezentrum 
mit neun umkreisenden Planeten, das lange, stabile Entwicklungszeiträume für die Evolution or-
ganischen Lebens zulässt. Planetarische Vorbedingungen für ein lebensfreundliches, moderates 
Klima sind: α) angemessene Masse, Größe und Struktur, β) angemessene Entfernung zur 
Strahlungsquelle, γ) annähernd kreisförmige Umlaufbahn, δ) annähernd lotrechte Rotationsaxe, 
ε) mittlere Rotationsgeschwindigkeit, ζ) chemische Zusammensetzung mit lebensnotwenigen 
Elementen, η) magnetisches Feld und Atmosphäre, die Höhenstrahlung abschirmen.
2) Das Erdmagnetfeld dehnt sich als Magnetosphäre asymmetrisch ≈ 6o ooo km zur Sonne und 
≈ 1 2oo ooo km in Gegenrichtung aus. Darunter liegen die Plasmasphäre und Ionosphäre. Sie 
lenken geladene Teilchen des Sonnenwindes ab, die die höhere Atmosphäre mit der Ozonschicht 
abbauen würden, die vor ultravioletter Strahlung schützt.
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, umgebundsvariable 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, oft nicht rückgängig zu machende Umweltveränderungen, 
   -verschiebungen, -zerstörungen und Klimaveränderungen durch anhaltende, großflächige tech-
   nologische Anwendungen mit Verschmutzung von Luft, Wasser, Böden und Vernichtung ganzer 
   Biotope und Arten.
4) Begrenzungen sind spirituelle, geistige und physische Schranken des Menschen. 

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Die ersten Stadien der Evolution
Die ersten Formen des Lebens erschienen ungefähr vor 3,7 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), Methan (CH4), Schwefel-
wasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2) und Energiequellen von Wärme, Strahlung und elektrischen 
Entladungen. Die ersten Formen waren Mischungen von Aminosäuren, proteinhaltige Mikro-
sphären mit Ansätzen einer Membran, eines Stoffwechsels und Wachstum durch Knospung.
Darauf setzte die biologische Evolution mit vermehrungsfähigen Nukleinsäureketten ein, die sich 
in Selbstorganisation der Materie durch die Grundkräfte der Evolution über fortlaufende Lebens-
zyklen entwickelten: Mutation, Rekombination, Differenzierung von Strukturen, Spezialisierung 
von Funktionen, Anpassung uns Selektion. Es formten sich einzellige Protobionten mit zellulärer 
Struktur und einer kurzen DNA Kette, die stufenweise eine verbesserte Proteinproduktion mit 
Stoffwechsel und eine multifunktionale Membran herausbildeten. Die ersten Prokaryoten waren 
Blaualgen und Bakterien. Es folgten in der ersten Evolutionslinie Eukaryoten mit funktions-
spezifischen Organellen in der Zelle und einem Membran umschlossenen Zellkern mit Chromo-
somensatz, der die Zellteilung durch Mitose reguliert. 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 vor 2 x 109 Jahren 
radikal veränderte in die, die wir heute kennen. Während des Oberen Präkambriums vor 9 x 108 
Jahren beschleunigte sich die Evolutionsrate der verschiedenen im Wasser lebenden Einzeller 
und bildete mehrzellige Prokaryoten und Eukaryoten mit spezialisierten Funktionen heraus. Die 
Pflanzen- und Tierreiche trennten sich vor 1 x 108 Jahren mit Entwicklung sexueller Fortpflanzung, 
die weiterer Beschleunigung der Evolution dient, einer heterotrophen Nahrungskette mit Pflanzen 
als Grundlage, bevor die ersten Pflanzenformen an Land (Geobotanik) erschienen.

Die erste Evolutionslinie kann anhand der Entwicklung genetischen Materials, seiner Proteine 
(phylogenetische Topologie) und der entstandenen Lebensformen durchgehend nachvollzogen 
werden. Die ersten Nukleinsäureketten wuchsen durch Basenpaareinfügung, -entfernung, -ver-
doppelung, -tausch, -umstellung, -aktivierung, -deaktivierung, in späteren Stadien durch Pro-
duktion von katalysierenden Enzymen und durch Zusammenwirken dieser Faktoren, die meistens 
zu einer Vermehrung des genetischen Materials führten. Die Entwicklung funktionsspezifischer 
Gene und Proteine wird graphisch am Stammbaum (Kladogramm) der bio-chemischen Ver-
bindungen gezeigt, der nach Zweigfolgen und –längen Maß und Abstand der phylogenetischen 
Verwandtschaft, die Evolutionsstufen und entsprechenden Evolutionsraten ablesen lässt. Der bio-
molekulare Stammbaum spiegelt sich abbildungsgetreu im Stammbaum der Vergleichenden 
Anatomie aller Pflanzen und Tiere und liefert damit einen Beweis für die gemeinsame Abstam-
mung aller Lebensformen in den bio-chemischen Bausteinen, im genetischen Code, in Biosynthese 
von Proteinen, in Katalyse durch Enzyme und im Energiestoffwechsel mit Glykolyse.

Die phylogenetische Abstammungslehre ist Grundlage der systematischen Beschreibung, Be-
nennung und Ordnung (Taxonomie) aller Organismen. Als Ergebnis der Evolution existieren in
diskontinuierlicher Variabilität heute um die 5oo ooo Pflanzen- und 2 ooo ooo Tierarten (species). 
Die Verwandtschaftsverhältnisse der einzelnen Gruppen im hierarchischen, monophyletischen 
Stammbaumschema zeigen den gemeinsamen Besitz einzelner, homologer, abgeleiteter Merkmale 
in Abstammung 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 (diploid) 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 
liegen 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 vererbliches Merkmal im Mendelschen Erbgang herausbildet. 
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, von nicht 
funktionalen Sequenzen (Introns) unterbrochene, mittel- oder hochrepetitive Mehrfachkopie. Die 
Doppelhelix mit einem Durchmesser 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 
Kettenlänge von 5o – 1ooo Monomeren, bilden die Grundbausteine aller Organismen. Sie sind bis 
zu 5o % Teil des strukturellen Zellgewebes und haben 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 Sinn-stranges, 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 art-
spezifische, somatische (nicht sexuelle) Zellentwicklung angetrieben, quantitatives Wachstum des 
Zellgewebes und qualitative Zelldifferenzierung mit Spezialisierung von Funktionen oder Organen. 
Die morphologischen Veränderungen (Morphogenese), Entwicklung von Zellpopulationen in be-
stimmter Position und Anordnung, werden von zeitaktiven Genen gesteuert durch zellspezifische 
Initiation, Regelung von Transkription und Translation und durch äußere Faktoren wie interzelluare 
Signalstoffe, oft Hormone, im Gleichgewicht mit anabolischem und katabolischem Stoffwechsel. 
Vermehrung eines Zelltyps erfolgt durch Zellteilung und anschließende Vergrößerung des Zyto-
plasmavolumens. Der periodische Zell-zyklus läuft über die Stufen der Zellteilung (Mitose (M)), 
Gap (G1), Synthese (S), Gap (G2 – Interphase). In Kern- (Karykinese) und Zellteilung (Cyto-
kinese) wird der Chromosomensatz geteilt und die zwei homologen Hälften als Tochterkerne 
weitergegeben. In der Synthese werden die haploiden Sätze in beiden Kernen identisch repliziert, 
um eine kontinuierliche, originalgetreue Weitergabe der Erbinformationen an die nächste Zell-
generation 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 und Meiose II, einer mitotischen Zellteilung, in denen der diploide Chromo-
somensatz der Gameten neu verteilt und auf die Hälfte reduziert wird. In der Zellvereinigung 
(Befruchtung, Karyogamie) werden die Gametocyten mit ihren haploiden Sätzen genetisch 
verschiedener Eltern als befruchtete Eizelle (Zygote) zu einem wiederum neu verteilten diploiden 
Chromosomenkomplement mit artgleicher Zahlverschmolzen. Aus der Zygote, in der diploiden 
Phase, wächst das Embryo der Tochtergeneration heran (Ontogenese), über folgende Entwick-
lung zum Jugendlichen und Erwachsenen mit Reife der Geschlechtsorgane, um den Geschlechts-
zyklus zu schließen.

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), die sichtbaren und empirisch nachweisbaren Eigenschaften der morphologischen 
Form. Der Phänotyp wird durch eine Vielzahl konkurrierender Faktoren wie der Umwelt mitbe-
stimmt, beim Menschen auch durch persönliche und soziale Umfelder, die sich über die Lebens-
dauer wiederholt verändern und anthropologische Verhaltensmuster. Ein erbliches Merkmal setzt 
im Organismus voraus: identische Replikation mit gleicher Verteilung der Allelen auf Tochter-
zellen; einen fixierten Genwirkungsweg (Genexpressivität, -penetranz); Initiation der Protein 
Biosynthese des spezifischen Gens zum spezifischen Entwicklungszeitpunkt vor allen Genen im 
Genom (Totipotenz). Zellwachstum und –differenzierung in der Ontogenese bilden die voll-
ständigen Merkmale des Phänotyps heraus, seine Vielfältigkeit, Fähigkeit, Beweglichkeit und 
deren Zusammenspiel. Durch den Genotyp am wenigsten bestimmt sind Merkmale oder Verhal-
tensformen, 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 mit den 
Allelenpaaren 2a-a+ (Selbstung), ergibt sich eine zweite Filialgeneration F2 mit einer zufälligen 
Verteilung der Genotypen, im statistischen 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 P-Stränge mit 
den nicht gekoppelten Allelenpaaren ab und cd, ergibt sich eine Filialgeneration F1 mit freier 
Kombinierbarkeit der Allelenpaare, in der sich die Genorte spalten und Phänotypen herausbilden, 
die noch nicht in der ersten Generation P vorhanden waren.


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Züchtungsverfahren
Züchtungsmethoden sind seit vorgeschichtlichen Zeiten vor 1o ooo Jahren angewandt worden, um 
Pflanzen- und Tiermerkmale der Qualität und Form wie Ertrag, Nährwert, Anpassungsfähigkeit, 
Widerstandsfähigkeit 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. Die Zucht reduziert die vor-
handenen genetischen Reserven, die auch durch Zerstörung von Biotopen der Wildtypen ver-
mindert 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 getrennt geschlechtlich (dioecious), 
wo ein Partner eine zweite Keimzelle zugibt; auf genetischer Ebene nach Bestäubungs- oder 
Befruchtungsfaktoren wie Fusionsbarrieren artverschiedener Gameten; der Zahl der Gene, Chro-
mosomen und Zellkerne, die zur Karyogamie beitragen; der Allelenfrequenzen; der Genex-
pressivität.

Die meisten Pflanzen- und Tierzuchtverfahren sind Selektions-, Kreuzungs- (Kombinations-), 
Heterosis- und bio-technologische Methoden:

In der Selektionszucht wird ein Phänotyp nach einem erwünschten Merkmal von einer größeren 
Population für die Weiterkultivierung ausgelesen. Die gerichtete (positive) Selektion erhöht den 
Effizienzgrad eines Merkmals durch Auslese einer Extremform, das die Selektionsbreite der Po-
pulation einseitig verschiebt. Die stabilisierende (negative) Selektion eliminiert nach den Seiten 
abweichende Individuen, das die genetische Variationsbreite der Population einengt. Die disruptive 
Selektion bestimmter Extremformen gliedert die Variationsbreite auf und führt zu Poly-
morphismus. Durch Linienzüchtung wird über fortgesetzte Nachkommenschaftsauslese eine 
Gruppe identischer, reinerbiger Individuen eines bestimmten Genotyps herangezogen.

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-
rische 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 Kulturen von Zellen, Zellverbänden oder Mikroorganismen in vitro manipuliert, 
in einem künstlichen Nährboden, in Gallertmasse oder Suspension, Klima kontrolliert heran-
gezogen und selektiert werden. Sie ermöglichen zum Beispiel: Massenzüchtung von stabilen, 
lebensfähigen Populationen (Kolonienzucht); somatische Hybridisation, das die Inkompatibilität 
artfremder Gameten umgeht, in der isolierte, nackte Zellen (Protoplasten) verschiedener Varie-
täten als ganze Zellen oder kernlos gemachte mit kompletten Zellen zu einem Hybrid oder Cybrid 
(cytoplasmatischer Hybrid) kombiniert werden; Embryosplitting, Zerteilung eines Embryos im 2 – 
4 Zellstadium, Kultivierung und Reimplantation in zwei Ammen; Klonen, asexuelle Reproduktion 
eines identischen DNA Stranges durch Mitose aus einer einzelnen somatischen oder sexuellen 
Zelle.

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Gentechnologie
Gentechnik als Teilgebiet der Biotechnologie ist eine Disziplin der molekularen Genetik. Sie 
umfasst die theoretischen Grundlagen und die praktischen Methoden zur Isolierung, Analyse, 
Veränderung und Neukombination (Genmanipulation) von strukturellen und regulativen Genen, 
wie die künstliche Einführung, Expression und Vermehrung in anderen Organismen.

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 und Produkte mit Wirkungsweg und Zusammenwirken, sowie Techniken 
zur: a) Isolierung und Identifikation, b) Lokalisierung und Kartierung, c) Veränderung, d) Syn-
these, e) Liegierung, f) Übertragung, g) Einschleusung und Vermehrung, h) Gerätebau. Die 
Einschleusung ist nach Herstellung eines Fremd DNA Segments, eines Vektors und deren 
Liegierung der letzte Schritt der Klonierung, der asexuellen, gleichförmigen 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 aus auf Reproduktionstechnologien, forensische Gentechnik 
und Bekämpfung von Infektionsträgern. Auf Produkte und Methoden werden Patente vergeben.
a) Techniken zur in vitro Isolierung von DNA Segmenten sind Spaltung durch Segment er-
kennende Restriktionsenzyme mit folgender Auftrennung der DNA Fragmente, zum Beispiel durch 
Blotting oder durch Polyacrylamid Gelelektrophorese, Separationen auf Grund des Molekular-
gewichts mit Nachweis der Proteinspezies.
b) Lokalisierung und Kartierung von DNA Segmenten auf einem Chromosom folgt an bekannten 
Sequenzen orientierend durch direkte, fragmentweise Sequenzierung oder indirekt, zum Beispiel 
Markierung orientierend durch Trennung und Identifikation über Hybridisierung mit einer gen-
spezifischen DNA Sonde.
c) Veränderung eines DNA Segments in gezielter Abwandlung eines Nukleotids oder Nukleo-
tidkette beruht auf den Prozessen der DNA Mutation durch Strahlung, physikalische, chemische 
oder bio-chemische Eingriffe, der DNA Rekombination durch bio-chemischen Ausschnitt, Modifi-
kation und Einfügung, der DNA Hybridisation durch Zell- und Kernverschmelzung genetisch nah 
und fern verwandter (transgener, chimärer) Materialien.
d) Synthesewege in Konstruktion eines bestimmten DNA Segments sind die organisch-chemische 
De-novo Synthese von kurzen Oligotidsequenzen mit folgender Zusammenfügung der Oligo- und 
Polyotiden, katalysiert von Ligaseenzymen, und die Halbstrangsynthese eines DNA Dublexes von 
einem DNA Träger durch Polymerisierung komplementärer Basenpaare mit Hilfe von Polymerase-
enzymen.
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 zum Beispiel durch Konzentrationserhöhung in Form eines Präzipitats oder 
geladenen Komplexes, oder in vitro Lasereinbrennung, eine Mikroinjektion, das die Zellwand 
öffnet.
g) Einschleusung (Transformation) des rekombinierten Vektorsystems in das Wirtsgenom wird 
erzielt durch kovalente Einbindung in den Chromosomen, der Öffnung und Integration beider 
Enden mit Restriktions- und Ligaseenzymen. Die Fremd DNA aus in vitro Kultivierung wird in den 
Kernen von Zelllinien durch repetitive Einschleusung und Zellwachstum in jeder Entwicklungsstufe 
vermehrt.
h) Geräte für Testverfahren und automatisierte Produktion verlangen exakte, feinste, sichere, 
schnelle und kompakt gehaltene Messung, Regulierung und Überwachung. Bio-chemische Pro-
zessparameter werden von Bio-Sensoren erfasst, die aus zwei Elementen, einer biologische 
Information erkennenden molekularer, zellförmiger oder Mikroorganismen haltiger Biomasse 
und einem elektronischen Signalwandler aufgebaut sind.

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Mutation
Mutationen, ihre Vererbung durch mutagene Keimzellen und genetische Variabilität sind grund-
legende Antriebskräfte der Evolution, die neue Arten hervorbringen. Sie entstehen zufällig oder 
durch Einwirkung von chemischen Verbindungen oder durch physische Mittel wie Strahlung oder 
durch 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 Tran-
skription 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 eines Organismus voneinander in der 
Zusammensetzung des genetischen Materials, gegenüber der der Parentalgeneration (Game-
togamie) 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, die eine Neu-
verteilung des Genoms erreichen, reifen von einer primordialen Zelle vier Keimzellen mit hap-
loidem 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, vier-strängigen 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 zum Beispiel: 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 Erleichterung, eine geringe Menge wirtsfremder DNA Stränge wirkt sich auf eine Zelllinie 
gleichmäßig, anhaltend stabil aus, im Erbgang übertragend und über kurze Entwicklungs-
zeitspannen.
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DNA Rekombination
DNA Rekombinationstechnologie umfasst alle physikalischen, bio-chemischen und genetischen 
Prozesse (Rekombinationssystem), die durch außerhalb der Natur gefundenen Abläufen zu einer 
neuen Genkombination führen bei Weg der Einfügung, des Ausschnittes oder der Veränderung 
eine DNA Sequenz in einem Chromosomen. 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 über-
schreitet in der Natur lebende Arten (Chimära).

Die Einfügung eines wirtsfremden DNA Segments (Transfektion) verwendet bestehendes ge-
netische Material oder synthetisierte Aminosäureketten. Die Bausteine werden in vitro hergestellt 
durch: Neukombination oder De-novo oder Halbstrangsynthese der DNA Sequenz mit erwünschten 
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 
Techniken der Lokalisierung, Isolierung durch Spaltung und Trennung, Charakterisierung, Kulti-
vierung, Auslese und Kontrolle. Als Träger wird wie bei transponierbaren, mutanten Elementen oft 
ein bakterielles oder virales Vektorsystem verwendet, das mit effizienter Einspleißrate in eine 
Restriktionsstelle des Wirtsgenoms eingeschmolzen werden kann.
Wichtigste wirtschaftliche Anwendung ist die in vivo Genmanipulation eines Gens oder einer Gen-
kombination (Amplicons) zur Produktion 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 ansprechen. Beide Raten werden in erster Linie durch die Initiationsrate als ge-
schwindigkeitsbestimmenden Schritt begrenzt mit Hilfe regulativer, zellspezifischer Gene in er-
forderlicher Zahl und Zeit und in Abstimmung mit dem Metabolismus in Produktkonzentrationen, 
Mischverhältnisse, Transport und Folgeregulierung der Proteinsyntheserate.
In der Elongation der mRNA Synthese von einem DNA Strang, dem Sinnstrang, hängt die 
Transkriptionseffizienz ab von: dem Vektorsystem, funktionsspezifischen Enzymen wie Pro-
motoren, Verstärkern, Hemmstoffen, Antihemmstoffen, Stabilisatoren und Terminatoren in 
geeigneten Konzentrationen, räumlicher Anordnung und Transportwegen; der Feinstruktur 
der chromosomalen Basenorientierung in Zugang, Bindung, Strangfreilegung und Faltung.
Nach mRNA Synthese und Transport zum Zytoplasma wird das neue Protein von der Matrize durch 
Additionspolymerisation gewonnen. In der Elongation beruht die Translationseffizienz auf ribo-
somalen Bindungsstellen, tRNA, CIP, ATP Konzentrationen und auf regulierenden, funktions-
spezifischen Enzymen. Auf die Basensynthese folgt unmittelbar von Enzymen reguliert die Faltung 
des Proteins, die beschleunigende oder hemmende Strukturen herausbilden und mit Endgruppen-
modifikationen das Protein auf Transportweg, Funktion, Wirkungsgrad, Stabilität, Löslichkeit und 
Membranverankerung festlegen.













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Populationsgenetik
Populationsgenetik beschreibt die genetische, demographische Struktur einer sich fortpflanzenden 
Population, ihren Allelotyp nach den Allelenraten des gemeinsamen Genreservoirs nach gene-
tischer Zusammensetzung durch Zählung aller einzelnen Merkmal bestimmenden Gene an 
entsprechenden Chromosomenstellen im Genom jedes Individuums, wie auch die dynamischen 
Kräfte (Origin of Species, 1859, Charles Darwin), die die genetische Struktur der Population 
bestimmen und aus der Theorie vorausberechnen lassen.

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 werden. Im evolutionären Fortlauf bilden sich aus 
genetischer Variabilität verschiedene Formen, Spezialisierungen von Funktionen und Anpassungen 
an Umweltbedingungen heraus. Durch genetische Flexibilität und natürliche Selektion überlebt ein 
Genotyp erfolgreicher innerhalb seiner eigenen oder in Konkurrenz zu anderen Populationen oder 
unter knappem Nahrungsangebot oder unter adversen Umweltbedingungen auf Grund seiner 
relativen Fitness, der durchschnittlichen Überlebenswahrscheinlichkeit in Bezug auf ein Merkmal 
des Phänotyps wie normale Lebenserwartung, Fruchtbarkeit, Sexualverhalten, Körpergewicht und 
Stoffwechsel. Durch fortlaufende Differenzierung eines Teils der Bevölkerung über geologische 
Zeitspannen, meistens 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 Ver-
mischung zweier Populationen; der Migration, die Einfügung und Ausbreitung eines Allels von 
einer anderen Population; dem Gendrift, eine zufällige Verschiebung des Mittels einer Merkmal-
verteilung; der genetischen Korrelation, das Zusammenwirken und Harmonisieren aller Faktoren, 
um genetischen Zusammenhalt zu bewahren; der Homeostase, die Tendenz zur Bewahrung und 
Wiederherstellung eines dynamischen Gleichgewichts.
Quantitativ hängt damit die Änderungsrate der Allelenfrequenz fa- für ein Merkmal, bestimmt durch 
das Allel a-, im Wesentlichen ab von: den Mutations- und Rekombinationsraten; der durch-
schnittlichen Fitness im Verhältnis zur Gesamtfitness der eigenen und konkurrierender Popu-
lationen zum heterozygoten Allel a+ und zu alternativen Allelen b, c, ... ; der relativen Verteilung 
des Allels a- im Verhältnis zu den entsprechenden Parametern; der Größe und Richtung der Se-
lektion mit Addition und Elimination von Allelen; dem Grad der Dominanz; und der Verteilungs-
breite der genetischen Variabilität.














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