Wachstum Biologie

Arten von Wachstum in der Biologie

Wachstum kann auf unterschiedliche Weise stattfinden. Zellen können sich teilen und damit vermehren oder aber die Zellen selbst vergrößern sich. Daraus resultieren die unterschiedlichen Wachstumsarten: Zellteilungswachstum, Plasmawachstum und Zellstreckungswachstum.

Zellteilungswachstum

Plasmawachstum

Zellstreckungswachstum

Bedingungen für Wachstum in der Biologie

Das Wachstum und auch die Intensität des Wachstums sind von äußeren und inneren Faktoren abhängig.

Zu den äußeren Faktoren zählen unter anderem:

• ausreichendes Nahrungsangebot

• Qualität der Nahrung

• Temperatur

• Platz

• bei Pflanzen auch Licht

Zu den inneren Faktoren zählen unter anderem:

• Kern-Plasma-Relation

• Zellteilungsaktivität

Zudem haben verschiedene Tiere unterschiedliche Fortpflanzungsstrategien, welche das Wachstum von Populationen zudem beeinflussen.

Wachstum beim Menschen

Das Wachstum beim Menschen beginnt bereits im Mutterleib und endet meistens mit der Pubertät bzw. der Geschlechtsreife. Einzelne Bereiche des Körpers, wie Nägel, Haare oder auch Muskeln, können weiterhin wachsen.

Beim Wachstum von der befruchteten Eizelle bis zum erwachsenen Menschen verändert sich jedoch nicht nur das Körpergewicht und die Körpergröße, sondern auch die Körperproportionen.

Besonders beim Kopf fällt dies auf. Bei Babys macht der Kopf noch ca. ein Viertel der Körperlänge aus. Bei erwachsenen Menschen trägt der Kopf im Durchschnitt nur noch zu einem Achtel der Körperlänge bei.

Das Wachstum beim Menschen wird unter anderem durch ein Wachstumshormon (auch: somatotropes Hormon oder Somatotropin) gesteuert. Dieses wird in der Hirnanhangsdrüse gebildet und dann ins Blut abgeben. Ab der Pubertät nimmt dann die Produktion dieses Wachstumshormons ab und der Menschen hört auf zu wachsen.

Die Körpergröße einer Person ist genetisch festgelegt, wobei sie durch unterschiedliche äußere Faktoren beeinflusst werden kann.

Massen- und Längenwachstum

In unterschiedlichen Wachstumsphasen nimmt der Körper entweder an Körpermasse oder an Körpergröße zu.

• 1. - 4. Lebensjahr ➝ Massewachstum

• 4. - 8. Lebensjahr ➝ Längenwachstum

• 8. - 10. Lebensjahr ➝ Massewachstum

• 10. - 15. Lebensjahr ➝ Längenwachstum

Nach dem 15. Lebensjahr erfolgen Massen- und Längenwachstum parallel.

Bei Mädchen endet das Körperwachstum meistens mit dem 16. Lebensjahr. Bei Jungen im Durchschnitt erst mit dem 19. Lebensjahr.

Prozesse beim Wachstum

Das Wachstum von mehrzelligen Tieren, wie dem Menschen, beruht meist auf dem Aufbau körpereigener Substanzen, also der Zellteilung (auch: Zellteilungswachstum). Die dafür benötigten Stoffe werden in der Regel über die Nahrung aufgenommen.

Das Wachstum von Menschen und Tieren ist im Vergleich zu Pflanzen sehr langsam. Zudem ist es zeitlich begrenzt. Es endet bei einer der individuell genetisch festgelegten Endgröße des Lebewesens. In den meisten Fällen bildet die Geschlechtsreife und der Eintritt in das Erwachsenenalter diesen Zeitpunkt.

Wachstumsstörungen

Wachstumsstörungen können den gesamten Körper oder einzelne Körperproportionen betreffen.

Ist eine Person deutlich kleiner als die meisten Menschen, spricht man von Kleinwuchs. Ist eine Person dagegen deutlich größer als die meisten Menschen, ist es Höhenwuchs.

Ursachen für Wachstumsstörungen

Die Ursachen für Wachstumsstörungen sind vielfältig. Sie können hormonell oder auch genetisch bedingt sein. Zudem kann durch eine Mangelernährung in der Kindheit oder eine Unterernährung im Mutterleib das Wachstum gebremst werden.

Eine Unterversorgung des Kindes im Mutterleib mit Sauerstoff und Nährstoffen kann zum Beispiel durch einen hohen Blutdruck der Mutter in der Schwangerschaft oder Rauchen der Mutter in der Schwangerschaft ausgelöst werden.

Wachstum bei Pflanzen

Bei Pflanzen beruht das Wachstum primär auf einer Streckung der Zellen (auch: Streckungswachstum) und weniger auf Zellteilungswachstum. Im Vergleich zu dem Wachstum von Menschen und Tieren ist es nicht zeitlich begrenzt und setzt sich bis zum Lebensende der Pflanze fort.

Damit sind Pflanzen im Vergleich zu Tieren und Menschen in der Lage ihr Leben lang ihre Gestalt zu ändern, Teile umzugestalten und neu auszutreiben.

Bewegung durch Wachstum

Aufgrund der festen Beschaffenheit der Zellwände können Pflanzen nur durch Wachstum spezielle Bewegungen ausführen. Um unter anderem Blüten zu öffnen oder zu schließen oder Blätter zur Sonne zu neigen, nutzt die Pflanze ein unausgewogenes Streckungswachstum auf den unterschiedlichen Organseiten.

Wachstum von Populationen

Unter Populationswachstum versteht man sowohl die Zu- als auch die Abnahme einer Population. Die daraus resultierende Größe einer Population wird von dem Angebot und der Verfügbarkeit der notwendigen Ressourcen (z.B. Nahrung, Wasserstellen etc.) bestimmt.

Durch Geburten und Zuwanderung kommt es zu einer Zunahme der Population. Bei Sterbefällen und Abwanderungen kommt es zu einer Abnahme der Population.

Wachstumsrate

Die Wachstumsrate r gibt die Veränderung der Individuenzahl einer Population in einem bestimmten Zeitraum an.

Um die Wachstumsrate zu berechnen, benötigt man sowohl die Geburtenrate (= g), als auch die Sterberate (=s).

Wachstumsrate Formel:

$Wachstumsrate=\hspace{0.17em}Geburtenrate-Sterberate(w=\hspace{0.17em}g-s\hspace{0.17em})$

Das bedeutet, dass wenn in einem Zeitraum mehr Menschen geboren werden, als sterben ist die Wachstumsrate positiv (r > 0). Wenn dagegen in diesem Zeitraum mehr Menschen sterben, als geboren werden, ist sie negativ (r < 0).

Sind die Geburtenrate und die Sterberate gleich groß, ist die Wachstumsrate 0.

Exponentielles Wachstum Biologie

Bei exponentiellem Wachstum vervielfacht sich die Bestandsgröße in immer gleichen Zeitintervallen, sodass der Wert der Bestandsgröße entweder sehr schnell zu- oder abnimmt. In der Biologie handelt es sich bei dieser Bestandsgröße um die Größe der Population.

Theoretisch ist exponentielles Wachstum von Populationen in der Biologie grundsätzlich unbegrenzt. Die Lebewesen würden sich also ohne jegliche Beschränkung sehr schnell vermehren.

Ein klassisches Beispiel für exponentielles Wachstum ist die Vermehrung von Bakterien. Aus 100 Bakterien können in kürzester Zeit tausende werden.

In der Realität ist das Wachstum, auch jenes von Bakterien, jedoch von Ressourcen abhängig. Diese Ressourcen, etwa Nahrung und Platz, stehen nicht unbegrenzt zur Verfügung.

Diese begrenzten Ressourcen werden in dem Modell des exponentiellen Wachstums nicht berücksichtigt. Um ein realitätsnahes Wachstum darzustellen, welches ebenfalls die Ressourcen berücksichtigt, wurde das Modell des exponentiellen Wachstums zu dem Modell des logistischen Wachstums weiterentwickelt.

Logistisches Wachstum

Das logistische Wachstum geht aus dem Modell des exponentiellen Wachstums hervor, berücksichtigt jedoch zudem die Begrenztheit der für das Wachstum notwendigen Ressourcen.

Bei biologischen Populationen, die sich Vermehren, ist die begrenzende Ressource häufig die Nahrung und das verfügbare Wasser.

Phasen des logistischen Wachstums

Das logistische Wachstum lässt sich in drei Phasen unterteilen:

1. exponentielle Phase

2. lineare Phase

3. Sättigungsphase

In der ersten Phase, der exponentiellen Phase, können die Populationen ungehindert wachsen. In dieser Phase ist für alle Tiere und auch Nachwuchs ausreichend an den benötigten Ressourcen vorhanden.

In der zweiten Phase, der linearen Phase des logistischen Wachstums, verringert sich das Wachstum. Durch die immer größer werdende Population verringert sich die Verfügbarkeit der Ressourcen. Das bedeutet, dass zum Beispiel nicht alle Individuen und Nachkommen ausreichend Nahrung und Wasser, oder aber auch Platz zur Verfügung haben. Das Wachstum ist nicht mehr uneingeschränkt wie in der exponentiellen Phase, jedoch nimmt die Population auch in der linearen Phase noch an Größe zu.

In der letzten Phase, der Sättigungsphase, kommt die Wachstumsrate bei ca. 0 an. Die Ressourcen sind gerade ausreichend, um die Populationsgröße zu halten, sie wächst allerdings nicht weiter. Das bedeutet, es überleben etwa genauso viele Nachkommen, wie Individuen der Population sterben. Die Geburten- und die Sterberate ist etwa gleich groß.

Wachstum von Bakterien

Bakterienkulturen pflanzen sich durch ungeschlechtliche Zweiteilung exponentiell fort.

Ihr Wachstum lässt sich in vier unterschiedliche Phasen unterteilen:

1. lag-Phase oder auch Anlaufphase

2. exponentielle Phase

3. stationäre Phase

4. Absterbephase

In der Anlaufphase beginnt die Teilung der Bakterien langsam, die Geburtenrate der Bakterien wird höher. Es kommt zu leichtem Wachstum.

Darauf kommt es in der exponentiellen Phase zu exponentiellem Wachstum – die Population der Bakterien nimmt in kürzester Zeit sehr schnell zu. Die Geburtenrate ist sehr viel höher als die Sterberate, die Wachstumsrate ist positiv. In dieser Phase gibt es für den Moment ausreichend all jener benötigter Ressourcen wie z.B. Nahrung oder Platz.

Sobald diese Ressourcen nicht mehr ausreichend vorhanden sind, sinkt die Teilungsrate und es kommt zur stationären Phase. Die Geburten- und die Sterberate gleichen sich langsam an. Die Wachstumsrate pendelt sich etwa bei 0 ein.

In der Absterbephase reichen die Ressourcen nicht mehr für das Überleben der gesamten Bakterien aus. Viele Bakterien verhungern oder sterben an einer Vergiftung durch toxische Stoffwechselendprodukte. Dabei handelt es sich um giftige Ausscheidungsprodukte des Stoffwechsels der Bakterien, welche in dieser Phase des Bakterienwachstums in hoher Konzentration vorliegen.

Die Sterberate ist in der Absterbephase höher als die Geburtenrate. Die Wachstumsrate ist also negativ. Die Anzahl der Bakterien nimmt ab.

Populationswachstum berechnen

Indem sie das Populationswachstum berechnen, versuchen Forscher*innen Populationsentwicklungen in der Zukunft besser einschätzen zu können. Vor allem ist die hinsichtlich der Klimakatastrophe und möglicher Nahrungsmittel- und Trinkwasserknappheit wichtig.