Was ist das Leben? Bauplan und Evolution

Biologie

Bertold Hock

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2011
• eBook-ISBN: 9783831256822
• Thema: Biological Sciences
• Thema: Biology

WAS IST LEBEN? Die Biologie als die Lehre vom Leben gibt Antwort auf die Fragen "Was sind Lebewesen?" und "Wie unterscheidet sich belebte von unbelebter Materie?" SPEICHERUNG UND WEITERGABE DER GENETISCHEN INFORMATION Der Bauplan der Lebewesen liegt in der DNA verschlüsselt. Diese wird von Generation zu Generation weitergegeben. Der genetische Code ist universell und ein wichtiger Hinweis auf die Verwandtschaft aller Lebewesen. LEBEWESEN ALS OFFENE, SELBSTERHALTENDE SYSTEME Lebewesen befinden sich im Fließgleichgewicht, d. h. es findet ein ständiger Austausch von Energie, Materie und Information mit der Umgebung statt. Die ungeheure Komplexität der Lebewesen ist durch die Hierarchie ihrer biologischen Strukturebenen gegeben, die den hohen Ordnungszustand der lebendigen Systeme bedingt. EVOLUTION Die biologische Vielfalt auf der Erde resultiert aus der Evolution. Die wesentlichen treibenden Kräfte der Evolution sind zufällige und ungerichtete Veränderungen des Erbguts, bedingt durch Mutation und Gen-Austausch innerhalb der Populationen, Selektion und Reproduktion. Evolutionsstrategie und genetische Algorithmen als Modelle der Evolution nutzen mit Erfolg wesentliche Komponenten des Optimierungsprozesses Evolution für Anwendungen in der Technik und Informatik.

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.

Im Gegensatz zu den photoautotrophen Organismen verschaffen sich die heterotrophen Organismen ihre organischen Verbindungen über ihre Nahrung. Das heißt, sie müssen organische Verbindungen, die andere Lebewesen erzeugt haben, aufnehmen und verstoffwechseln. Am Anfang der Nahrungskette stehen die Pflanzen. Zu den Heterotrophen zählen der Mensch und alle Tiere, die Pilze, sowie die meisten Bakterien.

Verweilen wir kurz bei den Abbauwegen. Die meiste Energie lässt sich den Nahrungsmolekülen entziehen, wenn der Abbau in Gegenwart von Sauerstoff erfolgt. Man spricht hierbei von Zellatmung. Dieser Prozess lässt sich mit einer brennenden Wachskerze vergleichen. Hierbei wird Wachs unter Sauerstoffverbrauch zu Kohlendioxid (CO₂) verbrannt. Ähnlich werden im Stoffwechsel Verbindungen wie Kohlenhydrate und Fette verbrannt – allerdings mit dem Unterschied, dass beim Stoffwechsel einGroßteil der freigesetzten Energie nicht in Wärme überführt, sondern in vielen kleinen Schritten freigesetzt und von Energie-Zwischenträgern aufgefangen wird.

Der wichtigste Energie-Zwischenträger im Stoffwechsel ist das ATP (Adenosintriphosphat); man kann diese Verbindung als Energiewährung der Zelle bezeichnen. Ähnlich wie man durch eigene Arbeit Geld verdient und dieses zum Bezahlen der Einkäufe wieder ausgibt, wird die im Stoffwechsel freigesetzte Energie zur ATP-Synthese genutzt. Die Zelle bezahlt für ihre Energie-verbrauchenden Prozessen mit ATP! Obwohl die Zellkonzentrationen niedrig liegen, sind die Tagesumsätze enorm. Ein Mensch setzt pro Tag sein eigenes Körpergewicht an ATP um, in Ruhe sind das etwa 70 Kilogramm, bei Hochleistungssport kurzfristig bis zu 200 Kilogramm!

Es gäbe noch viel über die besonderen Merkmale der Lebewesen zu berichten. Insbesondere bei der Fortpflanzung, dem Bewegungsvermögen und der Reizbarkeit würden wir auf die erstaunlichsten Dinge stoßen. Aber irgendwann würden wir zu der Frage kommen, ob es nicht noch allgemeinere, umfassendere Eigenschaften gibt, die lebendige Systeme auszeichnen. Dies gilt vor allem vor dem Hintergrund unserer Ausgangsfrage, woran wir extraterrestrisches Leben erkennen könnten.

Wer sagt uns, dass solche hypothetischen Lebewesen dieselbe Biochemie nutzen wie die Lebewesen auf der Erde. Ist ein Stoffwechsel zwingend, der vornehmlich auf Kohlenstoffverbindungen basiert? Diese Einschränkung wurde auch schon als Kohlenstoff-Chauvinismus bezeichnet. Wäre theoretisch Leben nicht auch auf Silicium-Basis vorstellbar? Und wie steht es mit dem Wasser? Wäre es nicht denkbar, dass sich Lebensprozesse in anderen Lösungsmitteln als Wasser abspielen? Diese könnten auf anderen Planeten und unter ganz anderen Temperaturbedingungen an die Stelle des Wassers treten, z. B. Ammoniak, das zwischen -78 ^oC und -33 ^oC flüssig ist?

Zugegeben, solche Überlegungen sind äußerst spekulativ. Aber sie sollten nicht davon abhalten, darüber nachzudenken, welche Merkmale und Eigenschaften solche Erscheinungsformen mitbringen müssten, um sich als Lebewesen zu qualifizieren.

Es sind vor allem drei Merkmale, die sie mit den uns bekannten Lebewesen teilen müssten:

- Sie müssten über genetische Information verfügen, die gespeichert und weiter gegeben werden kann,

- sie müssten sich als offene, selbsterhaltende Systeme ausweisen

- und sie müssten zur Evolution fähig sein.

Keine Frage, diese Merkmale sind eine große Herausforderung für unser Abstraktionsvermögen. Aber es sind zugleich diejenigen, die die besten Anregungen für Nutzanwendungen z.B. in der Biotechnik und in der Bionik abgeben.

Speicherung und Weitergabe genetischer Information

Zu den bedeutendsten Merkmalen sämtlicher Lebewesen zählt die Tatsache, dass ihnen ein Bauplan zu Grunde liegt. Dieser wird von Generation zu Generation weitergereicht; er sorgt dafür, dass die Nachkommen den Vorfahren gleichen. Dieser Bauplan ist in einer molekularen Schrift niedergelegt, der genetischen Information. Diese findet sich in einem Makromolekül verschlüsselt, der Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA genannt. Damit ist die DNA der Stoff, aus dem die Gene gemacht sind. Die Gene enthalten die Bau- und Betriebsanleitungen der Organismen. Die Entdeckung und Entschlüsse-lung dieser Schrift zählen zu den Meilensteinen der Naturwissenschaften.

Die DNA besteht aus zwei sehr langen, spiralförmig umeinander gewundenen Strängen. Sie verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild und enthalten damit die gleiche Information. Diese Doppelhelix-Struktur ist Voraussetzung für die Herstellung von Kopien, die vor der Zellteilung angefertigt werden und von den Eltern an ihre Kinder weitergegeben werden.

Wie aber kann die Zelle eine molekulare Schrift lesen und die dort niedergelegten Anleitungen ausführen? Um das zu verstehen, bietet sich ein Vergleich der molekularen Schrift mit unserer Schrift an. Unsere Schrift besteht aus Buchstaben, die sich zu Worten und Sätzen zusammenfügen, und sie enthält außerdem noch Satzzeichen. Ebenso besteht die molekulare Schrift aus Buchstaben, die wiederum Worte und Sätze bilden, die auch Interpunktionszeichen enthalten. Anders jedoch als bei unserem Alphabet, das aus 24 Buchstaben besteht, kennt die molekulare Schrift nur vier Buchstaben; sie werden mit A, T, G und C bezeichnet. Diese Buchstaben sind die Genbausteine. Die chemische Bezeichnung lautet Desoxyribonukleotide; diese unterscheiden sich nur in ihren Basen und werden daher auch kurz nur als Basen bezeichnet.

Jeweils drei aufeinander folgende Buchstaben bilden ein Wort; man spricht von einem Basen-Triplett. Jedes Triplett enthält die Anweisung für eine Aminosäure, das heißt einen Proteinbaustein. Durch die Aufeinanderfolge von Tripletts wird die Reihenfolge der Aminosäuren festgelegt, die mithilfe einer komplizierten Maschinerie zu Proteinen verknüpft werden. Mit anderen Worten, die genetische Anweisung für die Synthese eines Proteins ist durch eine Serie von Drei-Buchstaben-Wörtern, den Tripletts, in der DNA niedergeschrieben.

DerTriplett-Code ist universell, das heißt für alle Lebewesen gültig, angefangen von den einfachsten Bakterien bis hin zu den hoch organisierten Pflanzen und Tieren. Es gibt nur marginale Abweichungen. Eine gemeinsame Sprache, die von allen lebenden Organismen benutzt wird, belegt die Verwandtschaft aller Lebewesen auf der Erde!

Proteine sind die wichtigsten Genprodukte, darunter auch die Enzyme, die die chemischen Umsetzungen im Stoffwechsel steuern. Weiß man, wann an welchem Ort welche Proteine gebildet werden, dann weiß man im Prinzip über alles weitere Bescheid.

Um das komplette Genom des Darmbakteriums E. coli niederzuschreiben, muss man 4,7 Millionen Buchstaben, genauer gesagt Basenpaare, auflisten. Hierfür müsste man ein 1000 Seiten starkes Buch bedrukken. Beim Menschen mit drei Milliarden Buchstaben bräuchte man fast 700 Bücher desselben Umfangs. Die Gesamtlänge des DNA-Moleküls in einer einzelnen menschlichen Zelle beträgt circa 1,8 m.

Bedingt durch ihre Genomgrößen verteilt sich bei allen Eukaryonten die DNA des Zellkerns auf mehrere Chromosomen! Beim Menschen sind es 46. Die Hälfte stammt vom Vater, die Hälfte von der Mutter. Ein einzelnes Chromosom enthält jeweils einen langen DNA-Doppelstrang. Da ein solcher DNAStrang mehrere Zentimeter lang sein kann, ein Zellkern aber nur wenige Mikrometer Durchmesser hat, ist eine zusätzliche Verpackung erforderlich. Die DNA ist mit mehreren Proteinen zu einer langen dünnen Faser verbunden, die im Chromosom eng gefaltet und aufgewunden ist.

Im Gegensatz dazu besteht das Genom der Bakterien meist aus einem einzigen ringf...

Inhaltsverzeichnis

• Einleitung