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- Herausgeber: Komplett-Media Verlag
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2018
Die Frage "Was ist Leben?" ist eine der grundlegendsten und schwierigsten Fragen überhaupt. Sie hat die Menschheit seit ihren Anfängen beschäftigt. Bertold Hock gibt Antworten aus der Biologie und erklärt, warum die Frage trotz all unseres Wissens nichts von ihrer Aktualität verloren hat.Prof. Dr. Bertold Hock war bis zu seiner Emeritierung im Herbst 2006 Inhaber des Lehrstuhls für Zellbiologie an der Technischen Universität München.
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Seitenzahl: 74
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BERTOLD HOCK
WAS IST LEBEN?
Antworten aus der Biologie
BERTOLD HOCK
WAS IST LEBEN?
Antworten aus der Biologie
Originalausgabe
1. Auflage 2018
Verlag Komplett-Media GmbH
2018, München/Grünwald
www.komplett-media.de
E-Book ISBN: 978-3-8312-6958-7
Lektorat: Redaktionsbüro Diana Napolitano, Augsburg
Korrektorat: Redaktionsbüro Julia Feldbaum, Augsburg
Umschlaggestaltung: X-Design, München
Satz: Daniel Förster, Belgern
E-Book-Herstellung und Auslieferung: Brockhaus Commission, Kornwestheim, www.brocom.de
INHALT
EINLEITUNG
WAS IST LEBEN?
Der zelluläre Aufbau aller Lebewesen
Wachstum und Entwicklung
Stoffwechsel
GEMEINSAMKEITEN ALLER LEBENDIGEN SYSTEME
Speicherung und Weitergabe genetischer Information
Die DNA als molekulare Schrift
Das Genom
Transkription und Translation
DNA-Replikation
Codierende und nichtcodierende Bereiche der DNA
Lebewesen als offene, selbsterhaltende Systeme
Komplexität
Netzwerke
Evolution
Von der Ähnlichkeitsanalyse zum phylogenetischen Baum
Fossile Belege für die Evolution
Die Evolutionstheorie von Darwin
Evolutionsstrategien in der Technik nutzen die Mechanismen der Evolution
Evolution der Lebewesen
Genaustausch
Genetische Algorithmen
ENTSTEHUNG UND ENTFALTUNG DES LEBENS
Panspermie-Hypothese
Entstehung des Lebens auf der Erde
Die ersten Lebewesen
Chemische Evolution
Protobionten
Veränderungen der Atmosphäre
ÖKOLOGIE
Artenvielfalt
Die Lehre vom Haushalt der Natur
Gefährdung der biologischen Vielfalt
Ökologie als ganzheitliche Wissenschaft
Ökosystemare vs. molekularbiologische Analyse
BIOLOGIE ALS MOTOR INNOVATIVER ENTWICKLUNGEN
Bionik
Biotechnologie
AUSBLICK
ÜBER DEN AUTOR
LITERATUR
STICHWORTVERZEICHNIS
EINLEITUNG
Zu gern möchte man wissen, ob es Leben außerhalb der Erde gibt – irgendwo im Weltraum, auf einem fernen Planeten. Was die Außerirdischen betrifft, sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt. Seltsame Kreaturen, Aliens genannt, geistern durch die Horrorfilme: weiße, grüne oder graue Männchen mit übergroßem Schädel, kleinem Kinn und mandelförmigen Augen. Manchmal sind es auch echsen- oder insektenähnliche Gestalten. Solche Vorstellungen sollen in erster Linie gruselig wirken, tragen aber wenig zu der Frage bei, ob es Leben außerhalb der Erde gibt.
Sollten es intelligente Lebewesen sein, würden sie sich, so hofft man, durch Signale aus dem Radiobereich des elektromagnetischen Spektrums, vielleicht auch durch Lasersignale, zu erkennen geben. Dies wäre ein erster Schritt, außerirdisches Leben zu identifizieren. Die größten Radioteleskope der Welt sammeln im Rahmen von SETI (Suche nach extraterrestrischer Intelligenz) Daten, die mithilfe von Supercomputern auf Spuren außerirdischer Zivilisationen hin untersucht werden. Bislang ist man jedoch nicht fündig geworden!
Wie sieht es jedoch aus, wenn es einfachere Lebensformen wären, die sich nicht durch intelligentes Verhalten zu erkennen gäben, also durch das Aussenden entschlüsselbarer Signale? Dann müssten wir uns auf andere Weise behelfen. Wir wären auf Spuren aus dem Weltall angewiesen, zum Beispiel auf Meteoritenmaterial oder, noch besser, auf Proben, die wir mithilfe von Sonden aus dem Weltall bekommen könnten.
Wenn man von dieser Möglichkeit ausgeht, dann wäre man in der Lage, das entsprechende Material auf Lebensspuren zu untersuchen. Doch wir müssten zuerst wissen: »Was ist Leben?« Sonst hätten wir kein Kriterium, wonach wir überhaupt suchen müssen.
WAS IST LEBEN?
Die Frage »Was ist Leben?« ist eine der grundlegendsten Fragen überhaupt. Sie hat die Menschheit seit ihren Anfängen beschäftigt. Und sie zählt auch zu den schwierigsten – vor allem, wenn man an die ungeheure Vielfalt des Lebens denkt.
Zunächst ist festzuhalten, dass die Frage »Was ist Leben?« vieldeutig ist, denn sie richtet sich nicht nur an die Biologie, sondern ebenso an die Philosophie, die Theologie und die Sozialwissenschaften. Und so überrascht es nicht, dass nicht nur die herausragendsten Wissenschaftler, sondern auch die bedeutendsten Philosophen, Theologen und Schriftsteller dazu Stellung genommen haben.
Wir wollen hier die Biologie, die Wissenschaft vom Leben, zurate ziehen. Um der Vieldeutigkeit zu entgehen, konzentrieren wir uns auf die Fragen: Was sind Lebewesen? Worin unterscheidet sich die belebte von der unbelebten Materie?
DER ZELLULÄRE AUFBAU ALLER LEBEWESEN
Es gibt ein ebenso einfaches wie praktisches Merkmal, mit dem sich Lebewesen von allen anderen Erscheinungsformen unterscheiden lassen: Es ist der zelluläre Aufbau. Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut, die Einzeller aus einer einzigen Zelle, die Vielzeller aus vielen Zellen. Erscheinungsformen, die nicht aus Zellen bestehen, sind keine Lebewesen. Dies gilt insbesondere für die Viren, die nicht zellulär, sondern viel einfacher gebaut sind und denen wesentliche Eigenschaften der Lebewesen fehlen, beispielsweise ein eigenständiger Stoffwechsel und eine eigenständige Vermehrung.
So nützlich das strukturelle Merkmal »zellulärer Aufbau« auch ist, um Lebewesen zu identifizieren, so wenig erfahren wir daraus über weitere grundlegende Eigenschaften lebendiger Systeme. Ohne dieses Wissen lässt sich die Frage »Worin unterscheidet sich belebte von unbelebter Materie?« nicht befriedigend beantworten.
WACHSTUM UND ENTWICKLUNG
Wir alle sind zumindest mit einigen wesentlichen Eigenschaften sämtlicher lebendiger Systeme vertraut. Dazu zählen Wachstum, Entwicklung, Stoffwechsel, Fortpflanzung und einiges mehr. Im Folgenden werden einige besonders eindrucksvolle Beispiele aufgeführt, um daraus erste Besonderheiten der Lebewesen abzuleiten.
Die auffälligsten Wachstumsvorgänge finden sich im Pflanzenreich: Bambussprossen wachsen unter optimalen Bedingungen über 50 Zentimeter pro Tag. Blattscheiden der Banane bringen es sogar auf 160 Zentimeter pro Tag. Selbstverständlich gelten diese Werte nur für kurze Perioden zu Beginn des Wachstums. Sie sind auch nur möglich, weil hier alle Zellen dieser Organe bereits zu Beginn des Wachstums vorliegen und sich nur noch strecken müssen.
Mithilfe ihres Wachstums erreichen einige Organismen erstaunliche Größen: Der Blauwal bringt es auf eine Länge von 33 Metern, dies entspricht der halben Breite eines Fußballfeldes. Sein Maximalgewicht beträgt 136 Tonnen – dem Gewicht von mehr als drei voll beladenen Sattelschleppern mit einem Gewicht von je 42 Tonnen. Unter den heute lebenden Bäumen ragt der Küsten-Mammutbaum (Sequoia sempervirens) mit einer Höhe bis zu 120 Metern heraus. Der Hallimasch, um einen Vertreter der Pilze zu nennen, ist einer der bedeutendsten Schadpilze im Forst. Im Staat Oregon (USA) wurde das Pilzgeflecht (Myzel) eines einzigen Pilzes mit einer Flächenausdehnung von 9 Quadratkilometern entdeckt. Dies entspricht einer Fläche von etwa 1200 Fußballfeldern. Man hat ausgerechnet, dass hierzu 2400 Jahre Wachstum erforderlich waren.
Am unteren Ende der biologischen Größenskala finden wir die Bakterien. Sie zählen zusammen mit den Archaeen zu den Prokaryoten und verfügen über keinen echten Zellkern. Ihre Zellen liegen gewöhnlich in einer Größenordnung zwischen 1 und 5 Mikrometern (1 Mikrometer ist der tausendste Teil eines Millimeters). Die Eukaryotenzellen – sie besitzen einen echten Zellkern – weisen Größenordnungen vom Zehnfachen und mehr auf. An der Spitze liegen die Pflanzenzellen, die durchschnittlich 50 bis 100 Mikrometer groß sind.
Aber es ist nicht so sehr die Zellgröße, die den Eukaryoten Größenordnungen ermöglichen, wie wir sie von den Bäumen oder Säugetieren her kennen. Entscheidend ist die Vielzelligkeit, die wir nur bei den meisten Eukaryoten antreffen. Der Mensch besteht aus etwa 10 Billionen (1013) Zellen, wie übrigens auch eine stattliche Eiche. Der Hauptvorteil der Vielzeller liegt jedoch nicht in erster Linie in ihrer Größe, sondern in der Möglichkeit zur Arbeitsteilung innerhalb der Zellen und damit letztendlich in der besseren Anpassung des Organismus an seine Umwelt.
Klein zu sein muss dabei nicht von Nachteil sein. Bakterienzellen können sich wegen ihres besonders günstigen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses die raschesten Stoffwechselprozesse leisten. Dagegen vermögen sie nur wenig Biomasse und Energie zu speichern. Ihre Überlebensstrategie setzt auf hohe Vermehrungsraten. So kann sich das Bakterium E. coli alle 20 Minuten teilen. Der Mensch beherbergt 100 Billionen (1014) Bakterien in seinem Darm – das Zehnfache seiner eigenen Zellzahl! Bakterien und viele andere Einzeller zeigen sich als Reproduktionsstrategen. Sie erreichen in nur kurzer Zeit hohe Individuenzahlen. Allerdings sind Bakterienpopulationen eher instabil. Gehen die Ressourcen zu Ende, bricht die lokale Population schnell zusammen. Andererseits sind sie auch in der Lage, bei günstigen Bedingungen zügig neue Lebensräume zu besiedeln.
Die genannten Größenangaben sind kein Ausdruck bloßer Zahlenspielerei. Sie sollen vielmehr auf eine weitere Besonderheit der Biologie hinweisen: Ihre Objekte, die Lebewesen, sind in einem Skalenbereich angesiedelt, der mehr als acht Größenordnungen umspannt: Das reicht von Größen um 1 Mikrometer bei den Bakterien bis zu 100 Metern bei den höchsten Bäumen.
STOFFWECHSEL
Lebende Organismen geben sich durch ihren Stoffwechsel zu erkennen. Sie müssen Substanzen aus ihrer Umgebung aufnehmen. Zum Teil werden diese zur Energiegewinnung abgebaut, zum Teil in andere, körpereigene Substanzen umgewandelt. Die nicht mehr verwertbaren Reste werden ausgeschieden. Der Stoffwechsel gleicht einem komplizierten Wegenetz aus Tausenden von Reaktionen, die von Enzymen gesteuert werden.
Einige Organismen sind in der Lage, Energie direkt aus der Atmosphäre zu tanken und diese in chemische Energie umzuwandeln. Hierzu zählen die grünen Pflanzen. Neidvoll können wir angesichts einer bevorstehenden Energieknappheit die Leistung der Pflanzen bewundern, Lichtenergie mit hohem Wirkungsgrad in chemische Energie umzusetzen. Man bezeichnet diesen Vorgang als Photosynthese. Nur photoautotrophe Organismen sind dazu in der Lage. Pflanzen nutzen die Lichtenergie, um aus den einfachen anorganischen Rohstoffen Wasser und Kohlendioxid Kohlenhydrate herzustellen. Bei der Photosynthese wird gleichzeitig Sauerstoff frei. Wir und fast alle übrigen Organismen einschließlich der Pflanzen benötigen ihn für die Atmung! Die energiereichen Kohlenhydrate nutzen die Pflanzen gleichzeitig als Energiespeicher und als Baustoffe. Von hier aus führt der Stoffwechsel zu weiteren Makromolekülen, darunter Proteine und Nukleinsäuren. Hierzu müssen die Pflanzen noch Ammonium oder Nitrat sowie Phosphat aus ihrer Umgebung aufnehmen. Sie sind also nicht auf die Aufnahme organischer Verbindungen angewiesen.
