Ökologie und Neurobiologie: Populationen, Energiefluss, Erregungsleitung
Ökologie und Neurobiologie verbindet zwei Systemebenen: die Regelung von Populationen und Stoffflüssen im Ökosystem und die Informationsverarbeitung über Membranpotentiale, Aktionspotentiale und Synapsen. Beide Themen werden gern mit Material kombiniert – Messkurven, Gitternetze oder Giftversuche.
Ökologie: Faktoren und Populationen
Abiotische Faktoren wirken über Toleranzkurven mit Minimum, Optimum und Maximum; die RGT-Regel beschreibt die Temperaturabhängigkeit von Stoffwechselraten (Q₁₀ ≈ 2). Populationen wachsen exponentiell ohne Begrenzung, logistisch mit der Umweltkapazität K, wobei die Nettowachstumsrate mit Annäherung an K sinkt. r-Strategen setzen auf viele Nachkommen, K-Strategen auf Brutpflege. Räuber- und Beutepopulationen schwingen zeitlich versetzt, Konkurrenz um dieselbe Ressource führt zum Konkurrenzausschluss oder zur Nischendifferenzierung.
Ökologie: Stoff- und Energiefluss
Energie fließt gerichtet durch das Ökosystem und geht als Wärme verloren (rund 90 % pro Trophieebene), während Materie im Kreislauf zirkuliert (C, N, P). Sukzession führt über Pionier- zu Klimaxgesellschaften.
Neurobiologie: Membranpotentiale
Das Ruhepotential (etwa −70 mV) entsteht durch die Na⁺/K⁺-ATPase (3 Na⁺ hinaus, 2 K⁺ hinein) und die hohe K⁺-Permeabilität; Kalium strömt bis nahe an sein Gleichgewichtspotential aus. Ein Reiz muss die Schwelle (etwa −55 mV) überschreiten, dann öffnen spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle: Depolarisation, anschließend K⁺-Ausstrom (Repolarisation, Hyperpolarisation). Es gilt das Alles-oder-Nichts-Gesetz; die Reizstärke wird über die Frequenz kodiert. Myelinscheiden und Ranvier-Schnürringe ermöglichen saltatorische Leitung.
Synapse
An der chemischen Synapse öffnet Ca²⁺-Einstrom die Vesikelfusion, der Transmitter (z. B. Acetylcholin) bindet an Rezeptoren und erzeugt EPSP oder IPSP; Acetylcholinesterase baut ihn ab. Die Summation am Axonhügel entscheidet über die Weiterleitung.
Durchgerechnetes Beispiel
Tetrodotoxin blockiert spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle. Herleitung: (1) Das Ruhepotential bleibt zunächst erhalten, weil es überwiegend von der K⁺-Permeabilität bestimmt wird. (2) Beim Reiz fehlt der Na⁺-Einstrom, die Schwelle wird nicht erreicht, es entsteht kein Aktionspotential. (3) Ein bereits laufendes Aktionspotential wird nicht kleiner, sondern die Erregung bricht am nächsten Ranvier-Schnürring ab, weil dort kein neues Aktionspotential ausgelöst wird. (4) Die Transmitterfreisetzung an der Synapse ist zunächst weiter möglich, die Muskelfaser kann aber nicht depolarisieren – es kommt zur Lähmung. Curare wirkt anders: Es blockiert nikotinerge Acetylcholin-Rezeptoren, das Aktionspotential der Nervenzelle bleibt normal.
Typische Fallen
- Na⁺ und K⁺ vertauschen: Na⁺ strömt bei der Depolarisation ein, K⁺ strömt bei der Repolarisation aus.
- Behaupten, ein stärkerer Reiz erzeuge ein größeres Aktionspotential (falsch: Frequenzkodierung).
- Ruhepotential und Aktionspotential bei Giftwirkungen nicht getrennt betrachten.
- Energiefluss und Stoffkreislauf verwechseln: Energie ist gerichtet, Materie zirkuliert.
- Toleranzkurve mit tatsächlicher Verbreitung gleichsetzen; Konkurrenz kann das Optimum ungenutzt lassen.
- Räuber-Beute-Zyklen ohne Phasenverschiebung erklären.