Czytaj książkę: «Was ist das Leben? Bauplan und Evolution»

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Fachbereich BIOLOGIE

Was ist Leben?

Bauplan und Evolution

Von Prof. Dr. Bertold Hock

Einleitung

Zu gerne würden viele von uns 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 Männ-chen mit übergroßem Schädel, kleinem Kinn und mandelförmigen Augen; manchmal sind es auch Echsen- oder Insekten-ähnliche 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 Radiosignale, vielleicht auch durch Lasersignale zu erkennen geben. Dies wäre ein erster Schritt, außerirdisches Leben identifizieren. Die größten Radioteleskope der Welt sammeln hierzu Daten, die mithilfe von Supercomputern auf Spuren extraterrestrischer Intelligenz analysiert werden¹. Bislang ist man jedoch nicht fündig geworden!

Wie schaut es jedoch aus, wenn es einfachere Lebensformen wären, die sich nicht durch intelligentes Verhalten, d.h. durch das Aussenden entschlüsselbarer Signale zu erkennen gäben? Dann müssten wir uns auf andere Weise behelfen. Wir wären auf Spuren aus dem Weltall angewiesen, z.B. auf Meteoritenmaterial oder noch besser auf Proben, die wir mithilfe von Sonden aus dem Weltall bekommen könnten.

Gehen wir einmal von dieser Möglichkeit aus. Dann wären wir in der Lage, das entsprechende Material auf Lebensspuren zu untersuchen. Aber wir müssten dennoch 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. Thomas Mann wäre hier an erster Stelle zu nennen.

Wir wollen die Biologie, die Wissenschaft vom Leben, zu Rate ziehen. Um der Vieldeutigkeit zu entgehen, konzentrieren wir uns auf die Frage: Was sind Lebewesen? Worin unterscheidet sich die belebte von der unbelebten Materie?

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, z.B. ein eigenständiger Stoffwechsel und eine eigenständige Vermehrung.

So nützlich das Merkmal „zellulärer Aufbau“ auch ist, um Lebewesen zu identifizieren, so wenig erfahren wir daraus über die grundlegenden Eigenschaften lebendiger Systeme. Ohne dieses Wissen lässt sich die Frage „Wie unterscheidet sich belebte von unbelebter Materie?“ nicht befriedigend beantworten.

Wir alle sind zumindest mit einigen wesentlichen Eigenschaften aller lebendigen Systeme vertraut. Dazu zählen Wachstum, Entwicklung, Stoffwechsel, Fortpflanzung und einiges mehr. Ich möchte aus diesen Phänomenen einige besonders eindrucksvolle Beispiele herausgreifen, um daraus erste Besonderheiten der Biologie abzuleiten.

Die auffälligsten Wachstumsvorgänge finden wir im Pflanzenreich: Bambussprosse 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, und 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; das entspricht mehr als drei voll beladenen Sattelschleppern. Unter den heute lebenden Bäumen ragt der Mammutbaum (Sequoia sempervirens) mit einer maximalen Höhe um die 110 Meter heraus. Der Hallimasch, um noch 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. Das entspricht einer Fläche von etwa 1200 Fußballfeldern. Wissenschaftler haben errechnet, dass der Pilz 2400 Jahre brauchte, um diese Ausdehnung zu erreichen.

Am unteren Ende der biologischen Größenskala finden wir die Bakterien. Sie zählen zu den Prokaryonten und verfügen somit über keinen echten Zellkern. Ihre Zellen liegen gewöhnlich in einer Grö-ßenordnung zwischen 1 und 5 µm (1 µm ist der tausendste Teil eines Millimeters). Die Eukaryontenzellen, die einen echten Zellkern besitzen, weisen Größenordnungen vom Zehnfachen und mehr auf. An der Spitze liegen Pflanzenzellen.

Aber es ist nicht so sehr die Zellgröße, die den Eukaryonten Größenordnungen ermöglichen, wie wir sie von den Bäumen oder Säugetieren her kennen. Entscheidend ist die Vielzelligkeit, die wir nur bei den Eukaryonten 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 unter den Zellen und damit letztendlich in der besseren Anpassung des Organismus an seine Umwelt.

Klein sein muss aber nicht nur Nachteile haben. Bakterienzellen können sich wegen ihres besonders günstigen Oberflächen/Volumen-Verhältnisses die schnellsten Stoffwechselprozesse leisten. Dagegen können sie nur wenig Biomasse und Energie speichern. Ihre Überlebensstrategie setzt auf hohe Vermehrungsraten. Das Bakterium E. coli kann sich alle 20 Minuten teilen.

Der Mensch beherbergt 100 Billionen (10¹⁴³) Bakterien in seinem Darm – das Zehnfache seiner eigenen Zellzahl! Bakterien und viele andere Einzeller verhalten sich als Reproduktionsstrategen. So erreichen sie in nur kurzer Zeit hohe Individuenzahlen. Allerdings sind Bakterien-Populationen eher instabil. Gehen die Ressourcen zu Ende, so bricht die lokale Population zusammen. Aber sie sind sehr schnell in der Lage, bei günstigen Bedingungen neue Lebensräume zu besiedeln.

Die genannten Größenangaben sind kein Ausdruck von Zahlenspielerei; sie sollen vielmehr auf eine weitere Besonderheit der Biologie hinweisen: Ihre Objekte, die Lebewesen, sind in einem Skalenbereich angesiedelt, der mehr als 8 Größenordnungen umfasst: das heißt von Größen um 1 µm bei den Bakterien bis über 100 m bei den höchsten Bäumen.

Nun zum Stoffwechsel, durch den sich lebende Organismen zu erkennen geben. Lebewesen müssen Substanzen aus ihrer Umgebung aufnehmen. Zum Teil werden sie zur Energiegewinnung abgebaut, zum Teil werden sie in andere, körpereigene Substanzen umgewandelt. Und die nicht mehr verwertbaren Reste werden ausgeschieden. Der Stoffwechsel gleicht einem komplizierten Wegenetz aus mehreren tausend Reaktionen, die von Enzymen gesteuert werden.

Einige Organismen sind übrigens in der Lage, Energie direkt aus ihrer Umgebung 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 CO₂ Kohlenhydrate herzustellen. Bei der Photosynthese wird gleichzeitig Sauerstoff frei. Wir Menschen 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.