Lebewesen: Die Vielfalt

Lebewesen: Die Vielfalt

 

Wir haben gesehen, dass Lebewesen eine ganze Reihe von Gemeinsamkeiten besitzen, die sie als solche definieren. Doch soll das nicht darüber hinwegtäuschen, dass die verschiedenen Gruppen von Lebewesen zum Teil recht unterschiedliche Baumerkmale und Stoffwechseleigenschaften entwickelt haben und dass dadurch eine unglaubliche Vielfalt entstanden ist. Immerhin sind bislang rund 1,5 Millionen Arten beschrieben worden, davon über 260 000 Pflanzen, knapp 50 000 Wirbeltiere und mehr als 750 000 Insekten. Dies stellt jedoch nur einen Bruchteil der auf der Erde lebenden Arten dar; Schätzungen über die tatsächliche Artenzahl schwanken zwischen fünf und dreißig Millionen.

 

 Prokaryoten

 

Prokaryoten sind die ursprüngliche Form der heute bekannten Lebewesen und gleichzeitig die am einfachsten gebauten Lebewesen: Eine Membran aus Phospholipiden umgibt ein wenig gegliedertes, flüssiges Cytoplasma; von Membranen umhüllte Zelleinschlüsse existieren noch nicht. Ein geordneter Stoffwechsel wird dadurch gewährleistet, dass an der Zellmembran Enzyme für bestimmte, zusammenhängende Stoffwechselwege, wie beispielsweise für die Glycolyse, befestigt sind. Die für die Bindung von Enzymen zur Verfügung stehende Fläche der Zellmembran ist verhältnismäßig klein. Um dennoch eine um das Vielfache vergrößerte Oberfläche zu erzielen, wird die Membran ins Innere der Zelle eingefaltet und bildet dabei Membranstapel. Bei photosynthetisch aktiven Bakterien werden diese Membranstapel Thylakoide genannt. Die zur Speicherung der Erbinformation notwendige DNA bildet einen geschlossenen Ring, der innen an die Zellmembran angeheftet ist. Die Prokaryotenzellen werden meist zusätzlich von einer Zellwand umgeben, die aus Murein, einem Aminoglucopeptid, besteht, das in seiner Grundstruktur bereits Ähnlichkeiten mit Chitin und Cellulose aufweist. Einige Gruppen von Prokaryoten besitzen Enzyme und Farbstoffe für die Photosynthese. Die nicht zur Photosynthese befähigten Formen nehmen Nährstoffe durch die gesamte Zelloberfläche auf.

 

Die Ursprünglichkeit der Prokaryoten wurde durch Untersuchungen von sehr alten Stromatolithenkalken und Kieselschiefern belegt, in denen kugelige und fädige Organismen gefunden wurden, die den heute noch lebenden Bakterien und Cyanobakterien stark ähneln. Entsprechend dem Alter der untersuchten Sedimentgesteine existieren die aufgefundenen Prokaryoten seit etwa 1,9 bis 3,8 Milliarden Jahren auf der Erde. Bei den Prokaryoten werden zwei Hauptzweige unterschieden: die Eubakterien, zu denen die meisten Prokaryoten gehören, und die Archaebakterien (Archaea), die sehr extreme Lebensräume besiedeln, in denen nur wenig andere Organismen überhaupt existieren können. Die Cyanobakterien sind mit einem Photosyntheseapparat ausgestattet und ernähren sich autotroph.

 

 Eukaryoten besitzen einen membranumgrenzten Zellkern

 

Die Eukaryoten gliedert man gewöhnlich in drei Organismenreiche: Pilze oder Fungi, Tiere beziehungsweise Animalia und Pflanzen oder Plantae. Im Vergleich zu prokaryotischen Zellen sind eukaryotische Zellen sehr stark strukturiert und im Allgemeinen wesentlich größer. Der von einer Membran umschlossene Zellkern beinhaltet eine kettenförmige DNA, die zusammen mit speziellen Proteinen, insbesondere basischen Histonen, ein Gerüst bildet, das Chromatin. Dieses wird vor einer Zellteilung stark verdichtet und bildet dann die Chromosomen. Die Eukaryotenzelle enthält außer dem Kern eine Reihe weiterer, von Membranen umschlossener Kompartimente, die spezifische Strukturen aufweisen. Diese auch Zellorganellen genannten Kompartimente enthalten jeweils eine bestimmte Gruppe von Enzymen. Ihre Membranen sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig, sodass in den einzelnen Organellen nur ganz bestimmte Stoffwechselvorgänge ablaufen.

 

Die wichtigsten dieser Kompartimente neben dem Zellkern sollen im Folgenden genannt werden: Mitochondrien werden häufig als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet, da sie den größten Teil der für die Stoffwechselleistungen erforderlichen Energie bereitstellen. Sie werden von zwei unterschiedlichen Membranen umschlossen, wobei die innere Membran Cristae genannte Membranstapel im Innern des Mitochondriums bildet. An den Membranstapeln in den Chloroplasten von Pflanzen, den Thylakoiden, laufen die Reaktionen der Photosynthese ab. Ein weiteres wichtiges Kompartiment bildet das endoplasmatische Reticulum (ER), ein verzweigtes Membransystem der äußeren Zellmembran, das gleichsam wie ein Kanalsystem die Zelle durchzieht. Ebenfalls aus Membranstapeln besteht der Golgi-Apparat, der Substanzen aus dem endoplasmatischen Reticulum aufnimmt, umbaut und an ihre Bestimmungsorte weiterbefördert. Mikrosomen sind eine Gruppe kleiner, von einer einfachen Membran umgebener Bläschen, die je nach ihrer Ausstattung mit Enzymen unterschiedliche Funktionen im Stoffwechsel erfüllen. Beispielsweise kommt den zu den Mikrosomen zählenden Peroxysomen eine wichtige Rolle bei der Lichtatmung der Pflanzen (C₄-Pflanzen) zu. Bei Pflanzenzellen finden sich noch die mit Zellsaft gefüllten Vakuolen, die wiederum von einer einfachen Membran umgeben sind. Sie sind Speicherorganellen, die Stoffwechselprodukte speichern können (so zum Beispiel die Apfelsäure bei gewissen Sukkulenten) und darüber hinaus an der Regulation des Wasserhaushalts der Zelle beteiligt sind sowie eine wichtige Funktion beim Streckungswachstum der Zellen ausüben. In älteren Zellen können sie nahezu den gesamten Zellinnenraum einnehmen.

 

Nicht zu den Kompartimenten gehören die Ribosomen, die aus RNA und einer Reihe von Enzymproteinen bestehen, die die vielen Teilschritte der Proteinsynthese katalysieren. Es handelt sich also um Multienzymkomplexe der Proteinsynthese, die häufig an Membranen des ER gekoppelt vorkommen.

 

Versteinerungen oder Fossilien von Eukaryoten sind seit etwa 700 Millionen Jahren, also seit dem Erdzeitalter des Proterozoikums, nachgewiesen. Bisher wurden noch keine Fossilien gefunden, die Hinweise zur Entstehungsweise der Eukaryoten liefern, sodass man zur Erklärung dieses wichtigen Entwicklungsschritts auf Schlussfolgerungen angewiesen ist, die man aus heute noch existierenden Zellen ziehen muss.

 

Besonders interessant für die Entstehung der Eukaryoten ist die Tatsache, dass auch Mitochondrien und Plastiden, zu denen auch die Chloroplasten gehören, DNA enthalten. Die weitgehend anerkannte Endosymbiontentheorie schließt aus biochemischen Befunden der doppelten Membranhüllen, der DNA-Struktur und der Ribosomen von Mitochondrien und Plastiden, dass diese Kompartimente aus kleinen Prokaryoten hervorgegangen sind, die von einer größeren Zelle eingeschlossen wurden und mit ihr zunächst in Symbiose zusammenlebten. Nach und nach verloren die eingeschlossenen Prokaryoten jedoch ihre Unabhängigkeit. Isolierte Mitochondrien und Plastiden sind nicht lebensfähig, unter anderem deshalb, weil ihre DNA unter der Kontrolle der DNA des Zellkerns steht. Es muss also ein Informationsverlust in der Mitochondrien- beziehungsweise Plastiden-DNA stattgefunden haben. Inzwischen konnte für verschiedene Gene der dauerhafte Übergang aus den Mitochondrien beziehungswiese Plastiden in den Zellkern nachgewiesen werden. Um die Entstehung einer Eukaryotenzelle verständlich zu machen ist ein weiterer Hinweis wichtig: Die Zellmembran heute existierender Bakterien ist undurchlässig für den wichtigen Energieüberträger Adenosintriphosphat (ATP), diejenigen von Mitochondrien und Plastiden sind es jedoch nicht, was auf eine biochemische Veränderung der Membran im Laufe der Entwicklung hindeutet.

 

 Die Ernährungsweise

 

Die Vielfalt der Lebewesen kommt auch in ihren ganz unterschiedlichen Ernährungsformen zum Ausdruck, wobei sich der Begriff Ernährung darauf beziehen soll, welche Energie und Kohlenstoffquellen für den Aufbau körpereigener Stoffe genutzt werden.

 

Heterotrophie ist eine Ernährungsform, bei der ein Lebewesen bereits existierende organische Verbindungen, die es aufnimmt, in körpereigene Stoffe umwandelt. Hingegen bedeutet Autotrophie, dass Organismen aus anorganischen Kohlenstoffverbindungen, beispielsweise Kohlendioxid, zusammen mit Wasser, verschiedenen anorganischen Ionen und unter Mitwirkung einer geeigneten Energiequelle körpereigene organische Stoffe aufbauen.

 

Die ursprüngliche Ernährungsform dürfte die Heterotrophie sein. Diese Annahme erwächst aus der Vorstellung, dass zur Zeit, als auf der Erde Leben entstand, Urozeane und Seen eine Fülle von einfach aufgebauten organischen Stoffen enthielten, die unter den damals herrschenden Umweltbedingungen spontan entstehen konnten, so wie es heute im Labor nachvollzogen werden kann, wenn man Wasserdampf und Wasserstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoff und Methan im Glaskolben erhitzt und elektrischen Entladungen aussetzt. Aus der so entstandenen und in ihrem Gehalt an organischen Stoffen immer wieder ergänzten »Ursuppe« konnten sich die ersten Zellen stets bedienen, um ihren noch primitiven Stoffwechsel aufrechtzuerhalten. Später, als genügend abgestorbene Lebewesen zur Verfügung standen, konnten auch sie als Nahrung verwendet werden. Es ist nicht bekannt, wie lange es gedauert hat, bis die ersten autotrophen Organismen entstanden. Als sicher gilt lediglich, dass vor rund zwei Milliarden Jahren solche »Photosynthetiker« bereits weit verbreitet waren, wie man durch chemische und elektronenoptische Analysen entsprechend alter Kalkstein- und Kieselschiefer ersehen kann. Vermutlich traten Photosynthese betreibende Organismen bereits vor 3,6 oder sogar vor 3,8 Milliarden Jahren auf. Auf jeden Fall weisen die heute lebenden Organismen noch immer diese beiden Prinzipien der Ernährung auf, wenngleich beide Ernährungsformen bis zur Gegenwart mannigfache Modifikationen erfuhren.

 

 Heterotrophie hat viele Spielarten

 

Die heterotroph lebenden Organismen können auf recht unterschiedliche Weise die zum Leben benötigten organischen Verbindungen erlangen. So nutzen Saprobionten (Fäulnisbewohner) organische Stoffe von abgestorbenen Lebewesen, die bereits in Zersetzung übergegangen sind, oder sie verwenden die ebenfalls organische Stoffe enthaltenden Ausscheidungsprodukte lebender Organismen. Zu den Saprobionten gehören viele Bakterien und Pilze. Beim Abbau der organischen Reststoffe werden die darin gebundenen Elemente und Mineralien wieder freigesetzt und können nun erneut von autotroph lebenden Organismen aufgenommen werden. Diese Fähigkeit, verbrauchte organische Stoffe in eine wieder verwertbare Form zu bringen, weist den Saprobionten eine Schlüsselstellung im Stoffkreislauf der Ökosysteme zu.

 

Dienen speziell tote Tiere als Nahrung, dann spricht man von Aasfressern. Zu dieser Gruppe von Tieren gehören Käfer ebenso wie eine Reihe von Wirbeltieren. Von Räubern spricht man, wenn lebende Tiere zum alsbaldigen Verzehr getötet werden. Bei dieser Ernährungsform kommt es darauf an, dass die organischen Stoffe der Beutetiere noch nicht in Verwesung übergegangen sind. Räuberisch verhalten sich auch Pflanzen, die Tiere fangen, selbst wenn diese lediglich eine Zusatzernährung darstellen. Entsprechend den Lebewesen, die vom Tierfang leben und deshalb als zoophag bezeichnet werden, gibt es phytophage Organismen, die sich von lebenden Pflanzen ernähren.

 

 Parasiten und Symbiosepartner

 

Das Bedürfnis nach organischen Verbindungen in unzersetzter Form hat dazu geführt, dass sich einige Lebewesen direkt an den Stoffwechsel von Wirtsorganismen anschließen. Solche Lebewesen heißen Parasiten. Sie können dem Wirt fortwährend die benötigten Stoffe entnehmen, um daraus Energie freizusetzen oder sie in körpereigene Stoffe umzubauen. Normalerweise wird der Wirt dabei nicht getötet, denn dies würde auch den Tod des Parasiten bedeuten. Speziell bei Pflanzen unterscheidet man zwischen Halb- und Vollparasiten. Vollparasiten sind nicht grün und müssen deshalb alle wichtigen Assimilate vom Wirt beziehen, wie beispielsweise die Kleeseide oder die Sommerwurz. Halbparasiten dagegen sind grün und zur Photosynthese fähig. Sie beziehen deshalb nur einige, im Einzelfall recht verschiedene Stoffe vom Wirt. Zu den Halbparasiten gehören etwa die Mistel, der Wachtelweizen oder der Augentrost.

 

Werden bei einem Zusammenschluss zweier Organismen Stoffe zum wechselseitigen Nutzen ausgetauscht, spricht man von einer Symbiose. Solche Symbiosen sind außerordentlich weit verbreitet und es können die unterschiedlichsten Arten von Pflanzen, Tieren, Pilzen und Bakterien daran beteiligt sein. Wir begegnen ihnen beispielsweise beim Zusammenleben von Schmetterlingsblütlern mit Stickstoff fixierenden Bakterien, bei dem als Mykorrhiza bezeichneten Zusammenleben von Baumwurzeln mit Pilzen oder bei der gegenseitigen Abhängigkeit von Pflanzen mit Blüten und den sie bestäubenden Insekten. Eine Trennung von Symbiosepartnern schränkt deren Vitalität drastisch ein oder führt sogar zu deren Tod.

 

 Autotrophe Organismen

 

Ein grundsätzlich anderes Ernährungsprinzip haben, wie bereits erwähnt, die autotrophen Lebewesen entwickelt. Am weitesten verbreitet ist das Prinzip der Photosynthese. Bestimmte Farbstoffe wie Chlorophylle bei allen Pflanzen oder Phycobiline bei Cyanobakterien und Rotalgen, die mitunter durch blaue oder rote Farbstoffe überdeckt sein können, absorbieren Lichtquanten und können dadurch Elektronen in einen angeregten Zustand überführen. Die angeregten Elektronen werden von speziellen Enzymen (Elektronenüberträger oder Redoxenzyme) übernommen und weitergeleitet. Das so entstandene Elektronendefizit des Farbstoffs wird mit Elektronen aus Wassermolekülen aufgefüllt, wobei die Wassermoleküle zu Protonen (Wasserstoffionen), Sauerstoff und zwei Elektronen gespalten werden. Nach chemischer Zwischenspeicherung werden die zuvor aus den Farbstoffen freigesetzten Elektronen und die Protonen aus dem Wasser zur Reduktion von Kohlendioxid verwendet. Nur einige wenige Spezialisten unter den Bakterien sind in der Lage, anstelle von Licht die Oxidation anorganischer Stoffe — etwa Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Nitrit, Wasserstoffgas oder zweiwertige Eisenverbindungen — als Energiequelle für die Synthese organischer Verbindungen zu nutzen (Chemosynthese).

 

 Versorgung von Körperzellen mit Nährstoffen und Sauerstoff

 

Speziell bei größeren Vielzellern mit spezialisierten Geweben und Organen stellt sich das Problem der Versorgung aller Körperzellen mit Nährstoffen und mit Sauerstoff. Geeignete Bahnen für den Ferntransport müssen vorhanden sein, um dieses Problem zu lösen. Lediglich große Algen, bei denen noch fast alle Zellen zur Photosynthese befähigt und die zudem allseits von Wasser umgeben sind, können das Außenmedium als Transportmittel für Mineralstoffe nutzen. An Land lebende vielzellige Tiere und Pflanzen mussten jedoch leistungsfähige Transportsysteme entwickeln, die bei Tieren und Pflanzen durch je völlig verschiedene Antriebssysteme in Gang gesetzt werden.

 

Bei Tieren zirkuliert, angetrieben durch einen Herzmuskel, eine Blutflüssigkeit im Körper, wobei geschlossene oder offene Kreislaufsysteme vorkommen können. Die Blutflüssigkeit (Serum) enthält die Nährstoffe in gelöster Form. Mit dem Nährstofftransport ist bei den meisten Tierarten der Sauerstofftransport verbunden, wobei der Sauerstoff an einen Farbstoff (beispielsweise Hämoglobin, Chlorocruorin, Hämerythrin oder Hämocyanin) vorübergehend gekoppelt wird, um das Blut stärker mit diesem beladen zu können, als es bei einer einfachen Lösung des Sauerstoffs im Blutserum möglich wäre. Lediglich die durch Tracheen atmenden Insekten bilden ein System feiner Ventilationsröhrchen im gesamten Körper aus, um die Atemluft an alle Körperorgane heranzuführen.

 

Bei Pflanzen wird dagegen der Gastransport grundsätzlich vom Transport gelöster Stoffe getrennt. Gase diffundieren durch miteinander in Verbindung stehende Zellzwischenräume (Interzellularen). Wasser und die darin gelösten, vorzugsweise mineralischen Stoffe werden spitzenwärts in den Wasserleitungsröhren des Holzteils (Xylem) der Sprossachse transportiert. Die treibende Kraft ist vor allem der Sog, den das an der Blattoberfläche verdunstende Wasser auf die Wasserleitungsbahnen ausübt; er wird Transpirationssog genannt. Eine gewisse Unterstützung erfährt der Transpirationssog durch den Wurzeldruck, das heißt durch eine aktive, Energie verbrauchende Wasserabscheidung durch die Wurzelrinde in die Wasserleitungsbahnen. Assimilate wie Zucker, Aminosäuren und andere organische Verbindungen werden vorzugsweise im Siebteil oder Phloem transportiert. Dabei handelt es sich um Bündel von lang gestreckten (prosenchymatischen) lebenden Zellen, die die Zellstränge des Holzteils begleiten. Der Transport im Siebteil umfasst drei wichtige Teilschritte: In einem ersten Schritt werden an den Produktionsorten, den assimilierenden Blättern, die Siebröhren unter Energieverbrauch mit Assimilaten beladen, wodurch ein hoher osmotischer Druck in den entsprechenden Zellen entsteht. Als Folge davon wird aus der Umgebung Wasser in die beladenen Zellen gesaugt. In einem weiteren Schritt lässt der so aufgebaute Druck die Lösung zu Orten geringeren Drucks fließen. Bereiche mit geringerem Druck in den Siebröhren sind Bereiche hohen Assimilatverbrauchs, wie zum Beispiel Früchte, Wachstumszonen oder Speichergewebe. Im letzten Schritt werden nun an derartigen Assimilatverbrauchsorten die organischen Stoffe unter Energieverbrauch aus den Siebröhren in die Verbraucherzentralen gepumpt, wodurch sich trotz ständigen Zustroms frischer, osmotisch aktiver Assimilate für die Zeitdauer des Assimilatverbrauchs ein niedriger osmotischer Druck einstellt. Auf diese Weise kommt eine dauernde Sogwirkung auf die Beladungsorte zustande.

 

 Die Exkretion

 

Tiere und Pflanzen scheiden Stoffwechselendprodukte, die nicht verwendbar sind, aus. Dies wird als Exkretion bezeichnet. Der Begriff Exkretion bezieht sich nicht auf die Abgabe unverdauter Nahrungsbestandteile. Sauerstoff, ein Abfallprodukt der Photosynthese, verlässt ebenso wie Kohlendioxid als Endprodukt der Atmung die Pflanze über Spaltöffnungen in den Blättern. Tiere geben Kohlendioxid zusammen mit der Atemluft ab. Wasser können Pflanzen genauso wie Tiere durch Transpiration verlieren. Einige schwer lösliche Verbindungen, wie Oxalate, werden von Pflanzen in speziellen Kristallzellen deponiert. Stickstoffverbindungen stellen für Pflanzen kein Ausscheidungsproblem dar, weil sie in der Regel eher ein Mangel- denn ein Überschussprodukt darstellen.

 

Zum Exkretionsproblem werden hingegen überschüssige Stickstoffverbindungen für Tiere, die mit der Nahrung mehr Stickstoffverbindungen aufnehmen, als sie zum Aufbau zelleigener Substanzen benötigen. Knochenfische, Amphibienlarven (Kaulquappen) und wirbellose Wassertiere (zum Beispiel Wasserschnecken) können Ammoniumionen herstellen, die über die Kiemen oder die gesamte Körperhülle an das umgebende Wasser abgegeben werden. Schwieriger gestaltet sich die Stickstoffausscheidung bei Landtieren. Nicht mehr benötigte Stickstoffverbindungen aus Abbauprodukten des Proteinstoffwechsels überführen sie entweder in Harnstoff, der dann mit dem Urin abgegeben wird (Säugetiere, Amphibien), oder sie bilden Harnsäure, die in fester Form ausgeschieden wird (Vögel, Reptilien). Im Prinzip verläuft die Harnstoff- oder Harnsäureabscheidung so, dass zunächst aus dem Blut durch eine Druckfiltration ein Primärharn hergestellt wird, der praktisch alle Blutinhaltsstoffe mit einem Molekulargewicht von weniger als 70 000 Dalton enthält. Im Primärharn befinden sich also auch — abgesehen von den Proteinen — alle lebensnotwendigen Bestandteile, wie Glucose, Aminosäuren und anorganische Ionen. Den erforderlichen Druck für diese Filtration liefert der Blutdruck. Aus dem Primärharn werden sodann in einem dafür geeigneten Kanälchensystem die lebensnotwendigen Stoffe in das Blut zurückresorbiert, was durch Energie verbrauchende Transportmechanismen bewerkstelligt wird. Zurück bleibt schließlich ein konzentrierter Endharn, der ausgeschieden wird.

 

 Sinnesorgane und Reaktionen auf Umweltreize

 

Jeder Organismus ist einer Fülle unterschiedlicher Signale und Reize aus seiner Umwelt ausgesetzt, die dann im Organismus eine Reaktion provozieren. Die Reizphysiologie untersucht alle jene physiologischen Vorgänge in einem Organismus, die ihn dazu befähigen, auf bestimmte Signale zu reagieren. Hier sollen beispielhaft diejenigen beschrieben werden, die dem Organismus eine Orientierung in seiner Umwelt ermöglichen.

 

Tiere verfügen über verschiedene Sinnesorgane, die in der Lage sind, ganz bestimmte Umweltreize wahrzunehmen, wie Licht, Schwerkraft, Magnetfelder sowie chemische und mechanische Reize. Die Reize werden in Sinneszellen in elektrische Impulse umgewandelt und in dieser Form an das zentrale Nervensystem weitergeleitet, wo schließlich die Reize auf eine noch weitgehend unbekannte Weise analysiert und bewertet werden. Erst hier entsteht der Sinneseindruck, nicht im Sinnesorgan. Auf diesem Weg erhält ein Lebewesen gewisse Informationen über seine Umwelt und kann gegebenenfalls darauf reagieren. Oftmals sind zur Wahrnehmung nur geringe Reizenergien erforderlich, weil die Reizumwandlung in einen elektrischen Impuls häufig mit einer Verstärkung verbunden ist.

 

Für uns am leichtesten verständlich sind die Sinnesorgane der Säugetiere und des Menschen. Wir nehmen mit den Augen Licht wahr, das heißt elektromagnetische Wellen etwa im Bereich von 380 bis 750 Nanometer, und mit den Ohren Schall, das heißt Druckwellen im Frequenzbereich von circa 20 bis 20 000 Hertz. Mithilfe entsprechender Sinneszellen in Zunge und Mundhöhle können wir Substanzen nach Geschmack unterscheiden und spezielle Sinneszellen in der Nase ermöglichen uns zu riechen. Die Haut dient als Tast- oder Drucksinnesorgan. Bei Säugetieren können diese Sinne jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein, sodass sich die einzelnen Tierarten jeweils ein ganz spezielles Bild von ihrer Umwelt machen.

 

Doch damit ist die Bandbreite des Wahrnehmungsvermögens im Tierreich noch nicht erschöpft. Viele Insekten, beispielsweise Bienen, aber auch Vögel und Fische sehen ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von weniger als 380 Nanometer. Insekten nehmen polarisiertes Licht wahr, das heißt, sie können die Schwingungsebene der elektromagnetischen Wellen analysieren und sie als Orientierungshilfe verwenden. Einige Schlangenarten registrieren — ähnlich wie Infrarot-Nachtsichtgeräte — Infrarotstrahlen. Diese Fähigkeit versetzt jene Arten in die Lage, nachts Warmblüter aufzuspüren und zu fangen. Auch das uns geläufige Hören kann erheblich modifiziert werden. Beispielsweise hören Hunde Ultraschall mit einer Frequenz von mehr als 20 000 Hertz und Fledermäuse erzeugen selber Ultraschallwellen, deren Reflexionen sie registrieren. Damit können sie sich auch bei Dunkelheit im Raum orientieren, etwa so wie ein Flugzeugführer mithilfe seines Radarortungsgeräts beim Blindflug. Eine ganz andere Sinnesleistung, zu der auch der Mensch befähigt ist, stellt die Wahrnehmung der Schwerkraft dar, die ebenfalls zur Orientierung im Raum erforderlich ist. Verschiedene Insekten und Vögel erkennen außerdem das Magnetfeld der Erde. Und einzelne Fischarten erzeugen elektrische Felder, mit deren Hilfe sie ihre Umgebung erkunden.

 

  Sinnesleistungen der Pflanzen

 

Auch Pflanzen sind in der Lage, verschiedene Reize aufzunehmen, wie etwa Lichtreize (Lichtintensität und verschiedene Spektralbereiche des Lichts), Berührungsreize, Erschütterungen, Schwerkraft, Temperatur und verschiedene chemische Reize. Hingegen sind sie nicht dazu befähigt, auf Schall zu reagieren, weder auf unterschiedliche Schallpegel noch auf verschiedene Frequenzbereiche. Bei Pflanzen hat die Sinneswahrnehmung nicht zur Ausbildung hochkomplizierter Sinnesorgane wie im Tierreich geführt und außerdem fehlt ihnen ein zentrales Nervensystem, das die Umweltreize aufwendig analysieren und bewerten könnte. Die verschiedenen Umweltreize werden ohne zentralnervöse Bewertung einfach an die nächstgelegene Position im Pflanzenkörper weitergeleitet, die zu einer entsprechenden Reaktion befähigt ist. Beispielsweise erzeugt Licht nicht ein Bild der Umwelt in der Pflanze, sondern es verursacht lediglich eine Orientierung der Blätter oder der Chloroplasten in den Zellen zum Licht, sodass der Photosyntheseapparat optimal arbeiten kann. Allerdings wird auch bei Pflanzen der Umweltreiz von spezialisierten Zellen oder Zellgruppen aufgenommen und dort in einen elektrischen oder in einen chemischen Impuls umgeformt, um die primäre Reizwirkung transportabel zu machen. Die Reaktionen der Pflanzen auf bestimmte Umweltreize beschränken sich meist auf einfache Bewegungsformen einzelner Organe. Verlaufen diese Bewegungen in Bahnen, die durch den Bau der Organe festgelegt sind, und erfolgen sie unabhängig von der Reizrichtung, dann spricht man von Nastien. Ein Beispiel ist das Öffnen und Schließen von Blüten beim Sonnenaufgang oder beim Sonnenuntergang. Stehen die Bewegungsreaktionen in einer Beziehung zur Reizrichtung, so spricht man von Tropismen, etwa wenn ein Spross sich zum Licht hinwendet oder wenn eine Hauptwurzel senkrecht in den Boden hineinwächst. Bei freien Ortsbewegungen schwimmfähiger Algen spricht man von einer Phobotaxis, wenn eine Ortsveränderung zwar durch einen Reiz ausgelöst wurde, jedoch nicht in Beziehung zur Reizrichtung erfolgt. Von Topotaxis spricht man dagegen, wenn eine Bewegung in Beziehung zur Reizrichtung steht, das heißt, wenn eine Alge beispielsweise zum Licht hin schwimmt.

 

 Pflanzen und Tiere haben unterschiedliche Wachstumssysteme

 

Einer der vielen Parameter, in denen sich Lebewesen deutlich voneinander unterscheiden, ist das Wachstum. Bei Pflanzen existieren bestimmte Wachstumszonen, die Meristeme, in denen Zellteilungen ablaufen und an die sich in der Regel Zellstreckungszonen anschließen. Diese Meristeme können zwar Ruhestadien durchlaufen, doch nach Aufhebung der Ruhephase wachsen sie stets weiter. Lediglich mit zunehmendem Alter der Pflanzen kann die Wachstumsaktivität nachlassen. Aus diesem Grund ist eine ausdauernde Pflanze selbst nach vielen Jahrzehnten oder Jahrhunderten niemals ganz »ausgewachsen«. Man spricht bei Pflanzen von einem »offenen« Wachstumssystem.

 

Anders liegen die Verhältnisse bei Tieren. Während ihrer Embryonal- und Jugendphase wachsen alle Organe, wenn auch zum Teil mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, sodass die innere und äußere Gestalt eines Lebewesens während der frühen Jugendzeit und im ausgewachsenen Zustand Unterschiede aufweisen kann (allometrisches Wachstum). Beispielsweise besitzt ein Rehkitz ganz andere Proportionen als ein erwachsenes Reh. Während der Wachstumsphase können sich durchaus Zonen starken Wachstums bilden, niemals aber entstehen organisierte Meristeme, die die einzigen Bereiche für Zellteilungen darstellen. Tiere verfügen auch nicht über Zellstreckungszonen. Meist kommt das Wachstum mit Erreichen der Geschlechtsreife zum Erliegen: Das Lebewesen ist dann ausgewachsen (erwachsen). Dennoch stellen Tiere die Zellteilungen nicht vollständig ein, sobald sie erwachsen sind. Einzelne teilungsfähige Zellen oder ganze Bildungsgewebe, so beispielsweise die Unterhaut, dienen nunmehr dem Ersatz verloren gegangener Zellen, wie etwa bei einer Regeneration nach Verletzungen oder bei der Umstrukturierung von Knochen als Folge sich ändernder Beanspruchungen. Damit erhalten sich ausgewachsene Tiere neben einer begrenzten Regenerationsfähigkeit auch eine gewisse Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Umweltbedingungen. Das Wachstumssystem der Tiere wird als »geschlossenes« System bezeichnet.

 

 Vielfältige Fortpflanzungsstrategien sichern das Fortbestehen der Arten

 

Auch bei der Produktion von Nachkommen werden von den einzelnen Organismengruppen zum Teil recht unterschiedliche Wege eingeschlagen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen sexueller und asexueller beziehungsweise vegetativer Fortpflanzung. Für die sexuelle Fortpflanzung sind spezielle Fortpflanzungszellen, die Keimzellen oder Gameten, zweier Sexualpartner erforderlich, deren Bildung von einer Meiose (Reifeteilung) abhängig ist, bei der der diploide (doppelte) Chromosomensatz auf den haploiden (einfachen) Chromosomensatz reduziert wird. Dabei kommt es zur Neukombination der vorhandenen Erbanlagen, sodass die Nachkommen niemals absolut identisch mit den Eltern sind. Diese Neukombination von Erbanlagen stellt eine wichtige Triebfeder für die Evolution der Organismen dar. Die vegetative Fortpflanzung verläuft dagegen über Zellen, die mitotisch entstehen, das heißt, der vorhandene Chromosomensatz wird zunächst identisch verdoppelt und die Kopien an die Fortpflanzungszellen (zum Beispiel Sporen, Initialzellen für Brutkörper) weitergegeben, sodass mit dem Ursprungsorganismus völlig identische Nachkommen entstehen.

 

Bei Pflanzen findet ein steter Wechsel von sexueller und asexueller Fortpflanzung statt, den man als (primären) Generationswechsel bezeichnet. Damit ist ein Kernphasenwechsel verbunden, wobei die sich asexuell fortpflanzende Generation diploid und die sich sexuell fortpflanzende Generation haploid ist. Bei Pflanzen mit Blüten läuft dieser Generationswechsel verdeckt ab, das heißt, die sich sexuell fortpflanzende Generation bildet keine selbstständigen Individuen, vielmehr verbleiben sie in Form von Blütenorganen in der Obhut der diploiden Mutterpflanze.

 

Im Tierreich kommen Generationswechsel wesentlich seltener vor, so beispielsweise bei Einzellern, bei denen der Generationswechsel jedoch nicht mit einem Kernphasenwechsel fest verknüpft ist. Bei Vielzellern tritt ein sekundärer Generationswechsel nur bei wenigen Tiergruppen auf, so zum Beispiel bei Hohltieren, Blattläusen und Bienen.

 

Prof. Dr. Günter Fellenberg

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Organismengruppen: Ein Überblick

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Lebewesen: Gemeinsame Merkmale

 

Literatur:

 

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