Lebewesen: Gemeinsame Merkmale

Lebewesen: Gemeinsame Merkmale

 

Wer sich mit dem Leben auf der Erde beschäftigen will, steht vor einer so großen Fülle von Lebensformen, dass es fast unmöglich erscheint, einen gewissen Überblick erlangen zu können. Die Spannweite der Lebewesen reicht von primitiv organisierten einzelligen Bakterien über mehrzellige Algen bis hin zu Vielzellern mit hochspezialisierten Geweben und Organen. Ähnlich breit angelegt sind die Ernährungsformen der Organismen. Es gibt Lebewesen, die sich nur von anderen Lebewesen ernähren können, solche, die abgestorbenes organisches Material verwerten, und viele Pflanzen schließlich können alle körpereigenen Substanzen aus anorganischen Stoffen mithilfe der Sonne als geeigneter Energiequelle selber aufbauen.

 

So verschiedenartig sich die Lebewesen ernähren, so unterschiedlich können auch die Umweltbedingungen sein, unter denen sie leben. Die von Lebewesen bewohnten Lebensräume reichen von heißem Quellwasser bis zu kaltem Gletschereis, von der Tiefsee bis zum Hochgebirge und von trockenen Wüsten bis hin zu Mooren. Doch trotz aller Verschiedenheiten verbindet alle Lebewesen eine Reihe von gemeinsamen Eigenschaften. Diesen Gemeinsamkeiten wollen wir zunächst nachspüren.

 

 Gemeinsame Merkmale aller Lebewesen

 

Gemeinsame Eigenschaften der Lebewesen, so meint man, müssten sehr leicht zusammenzutragen sein, sind sie doch durch ganz besondere Merkmale wie Wachstum oder Stoffumsetzungen charakterisiert. Erstaunlicherweise begegnet man aber gerade diesen Eigenschaften auch in der unbelebten Natur. So können beispielsweise Kristalle in geeigneter Umgebung wachsen und dabei sogar ganz bestimmte Strukturen, die Kristallgitter, einhalten. Ebenso laufen Stoffumsetzungen regelmäßig in der unbelebten Natur ab. Viele zweiwertige Eisenverbindungen etwa oxidieren an feuchter Luft zu einer Mischung aus Eisenoxiden und Eisenoxidhydraten, die den meisten besser bekannt ist als Rost. Verschiedene Tonminerale lagern Metallionen (Kationen) an oder sie geben im Austausch für Protonen (Wasserstoffionen) Metallionen ab und verändern dabei sogar ihre Gestalt. Das Phänomen Leben kann also nicht mithilfe von ein oder zwei charakteristischen Eigenschaften hinlänglich erklärt werden, vielmehr bedarf es eines ganzen Bündels von Eigenschaften, um Leben oder Lebewesen von der unbelebten Natur abgrenzen zu können.

 

Ein Kennzeichen allerdings ragt heraus: Der hohe Ordnungsgrad, den Lebewesen in ihren Strukturen aufweisen. Er ist in einem hierarchischen Aufbau verschiedener Strukturebenen begründet, wobei jeweils eine einfache Struktur die nächsthöhere aufbaut. Die Hierarchie beginnt auf ihrer niedersten Stufe bei den Atomen und setzt sich fort über die Moleküle, den zellulären Aufbau, über einzelne Lebewesen bis hin zum Ökosystem. Jeder Übergang zum nächsthöheren Strukturelement, aber auch die wechselnde Zusammensetzung einzelner Strukturen bringen neue, bis dahin nicht da gewesene Eigenschaften hervor. Hieraus resultiert letztlich die überaus große Vielfalt der Lebewesen.

 

Die stoffliche Zusammensetzung stützt sich auf relativ wenige Elemente

 

Lebewesen bestehen meist aus 60 bis 95 Prozent Wasser. Die verbleibenden fünf bis vierzig Prozent bilden die Trockenmasse, die sowohl organische (kohlenstoffhaltige) als auch anorganische Stoffe umfasst. Zu den lebensnotwendigen anorganischen Bestandteilen gehören die Kationen Kalium (K⁺), Natrium (Na⁺), Calcium (Ca²⁺), Magnesium (Mg²⁺), Eisen (Fe²⁺ und Fe³⁺) sowie viele Spurenelemente wie Zink (Zn²⁺), Mangan (Mn²⁺), Kupfer (Cu²⁺) und Cobalt (Co²⁺). Unter den Anionen (Säurerestionen) sind besonders Nitrat (NO₃^-), Sulfat (SO₄^2-), Carbonat und Hydrogencarbonat (CO₃^2- und HCO₃^-), primäres, sekundäres und tertiäres Phosphat (H₂PO₄^-, HPO₄^2-, PO₄^3-), Chlorid (Cl^-) und Iodid (I^-) wichtig. Daneben können noch einige seltener vorkommende Elemente auftreten. Jedoch darf nicht jedes Element, das man in den Zellen der Lebewesen findet, als lebensnotwendig angesehen werden. Denn kein Lebewesen kann die Aufnahme nicht benötigter Elemente oder Ionen völlig ausschließen, es kann höchstens deren Aufnahme reduzieren.

 

Unter den organischen Stoffen dominieren Proteine (Eiweiße), Kohlenhydrate, Fette, Nucleinsäuren und Phospholipide. Allein die Proteine bilden 50 bis 70 Prozent der Trockenmasse. Sie fungieren als Strukturelemente (beispielsweise in Form von Actin- und Myosinfibrillen, den kontraktilen Elementen des Muskels), als Enzyme (Reaktionsbeschleuniger) im Zellstoffwechsel oder als Transportmoleküle (Carrier). Kohlenhydrate können in Form von Cellulose und Hemicellulose ebenfalls als Strukturelemente dienen; ein Beispiel dafür sind die Zellwände der Pflanzen. Als Stärke bilden die Kohlenhydrate Speicher für die Gewinnung von Stoffwechselenergie und als einfache Zucker können sie rasch Energie für die Zellen freisetzen. Sie können aber ebenso gut Kohlenstoffgerüste für den Aufbau anderer organischer Stoffe bereitstellen. Fette, genauer gesagt Neutralfette (Triglyceride), dienen besonders als langfristige Energiespeicher und außerdem häufig der Wärmeisolierung. Nucleinsäuren speichern die Erbeigenschaften der Lebewesen meist in Form von Desoxyribonucleinsäure (DNA). Diese Information leitet die Ribonucleinsäure als Träger zu den Proteinbildungsorten weiter. Phospholipide sind die Bausteine der Zellmembranen, die die Zellen vollständig einhüllen und den Zellinnenraum in einzelne Teilräume, die Zellkompartimente, gliedern. Neben den hier aufgezählten organischen Stoffen verfügen Lebewesen über eine Fülle weiterer organischer Verbindungen mit vielfältigen Funktionen, wie beispielsweise Steroide, Terpene, Phenole und Alkaloide.

 

Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut

 

Die kleinste Funktionseinheit der Lebewesen ist die Zelle. Wird diese Einheit zerstört, bleibt kein selbstständig lebensfähiges Gebilde mehr übrig. Die einzelnen Kompartimente und damit auch die einzelnen Reaktionsräume innerhalb der Zelle sind mit einer bestimmten Garnitur von Enzymen ausgestattet, sodass in jedem Typ von Zellkompartimenten nur ganz bestimmte Stoffwechselreaktionen ablaufen können. Der Speicher für die Erbeigenschaften (DNA) ist bei den Eukaryoten (alle höheren Organismen) in einem Zellkern (Nucleus) untergebracht. Bei Prokaryoten (Bakterien) bildet die DNA einen Ring, der innen an die Zellmembran angeheftet ist. Im Unterschied zu den aus Zellen aufgebauten Lebewesen verfügen Viren und Bakteriophagen über keinen zellulären Aufbau, obwohl auch sie einen Speicher ihrer Erbeigenschaften besitzen. Sie sind nur dann zu Lebensleistungen befähigt, wenn sie in eine funktionsfähige Zelle eindringen und sich deren Einrichtungen für Stoffwechselprozesse bemächtigen. Viren sind deshalb definitionsgemäß keine selbstständigen Lebewesen.

 

Einzellige Lebewesen (Bakterien, viele Algen und Protozoen) sind so organisiert, dass eine einzige Zelle alle Lebensleistungen erbringen kann, auch die Fortpflanzung. Bei Vielzellern wiederum sind die einzelnen Zellen für ganz bestimmte Leistungen spezialisiert; man sagt, die Zellen sind differenziert. Diese Arbeitsteilung der Zellen hat meist eine höhere Leistungsfähigkeit zur Folge. Besonders hoch entwickelte Vielzeller können aus sehr vielen, stark spezialisierten Zellen aufgebaut sein. So besteht der Mensch aus circa 250 bis 300 Billionen Zellen.

 

Stoff- und Energieaustausch zwischen Lebewesen und Umwelt

 

Alle Zellen nehmen Stoffe aus dem sie umgebenden Milieu auf, setzen daraus im Rahmen der Zellatmung die chemisch fixierte Bindungsenergie frei oder bauen sie zu körpereigenen Stoffen um. Eine ständige Energieversorgung ist zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge und der Zellstrukturen unerlässlich. Da die Zellstrukturen einem ständigen enzymatischen Auf- und Abbau unterliegen, dürfen die (Energie verbrauchenden) Aufbauprozesse nie gänzlich zum Stillstand kommen, weil sonst die (Energie freisetzenden) Abbauprozesse überwiegen, was zur Zerstörung der Zellstrukturen führt. Man spricht deshalb von einem ständigen Verschleiß der Zellstrukturen, der durch fortwährende Energiezufuhr aufgehalten werden muss. Neben diesem »Erhaltungsstoffwechsel« muss ständig Energie für Bewegungsvorgänge, Thermoregulation, Transportvorgänge und andere Lebensleistungen bereitgestellt werden.

 

Die meisten Stoffwechselreaktionen sind umkehrbar (reversibel). In einem geschlossenen System, wie beispielsweise im Reagenzglas, würde sich bei solchen Reaktionen bald ein Gleichgewicht einstellen, bei dem sich die Konzentrationen der Ausgangsstoffe und Endprodukte nicht mehr verändern, obwohl kein Reaktionsstillstand eintritt. Eine Zelle wäre unter diesen Bedingungen bald tot. Damit dieser Zustand nicht eintritt, werden in den Zellen viele Gleichgewichtsreaktionen hintereinander geschaltet, wobei die Endprodukte einer Reaktion als Ausgangsstoffe einer Folgereaktion verwendet werden und somit einer Gleichgewichtseinstellung entzogen werden. Am Ende solcher aneinander gereihter Gleichgewichtsreaktionen, die man als Fließgleichgewicht bezeichnet, werden die Endprodukte aus der Zelle oder aus dem ganzen Organismus ausgeschieden, wie Kohlendioxid, oder sie werden in Form von schlecht wasserlöslichen Makromolekülen deponiert, wie etwa Stärke, die nicht mehr ohne weiteres in die Gleichgewichtsreaktionen eingreifen können. Zellen stellen somit offene Systeme dar, die ständig durch energiereiche Substrate aus ihrer Umwelt gespeist werden und dafür energiearme Endprodukte an ihre Umwelt abgeben. Fließgleichgewichte sind ein wesentliches Merkmal des Lebens.

 

Lebewesen können auf Außeneinflüsse reagieren. Dies geschieht unter anderem mittels des Stoffwechsels. Beispielsweise scheiden Säugetiere bei der Nahrungsaufnahme vermehrt das Enzym Amylase ab, das der Stärkeverdauung dient. Andere Reaktionen sind Bewegungen und ein uns allen bekanntes Beispiel die Verengung der Pupille im Auge bei starkem Lichteinfall. Menschen und hoch entwickelte Tiere sind in der Lage, bestimmte Vorgänge zu lernen und sich an vergangene Ereignisse zu erinnern.

 

Auch Pflanzen können in vielfältiger Weise auf ihre Umgebung reagieren, so zum Beispiel auf einseitig einfallendes Licht, auf die Wirkung der Schwerkraft, auf allmählich einsetzende Kälte, auf Kurz- und Langtagbedingungen und vieles andere mehr. Verallgemeinernd ausgedrückt, dienen solche Reaktionen auf Umweltreize im weitesten Sinn der Aufrechterhaltung des normalen Gleichgewichts der Körperfunktionen (Homöostase).

 

Die Fortdauer des Lebens beruht auf der Zellteilung

 

Lebende Zellen können sich, zumindest während eines bestimmten Entwicklungszustands, teilen. Dabei werden alle lebensnotwendigen Stoffe und Zellstrukturen auf die aus der Teilung hervorgehenden Tochterzellen verteilt. Die Zellteilung dient sowohl dem Aufbau vielzelliger Organismen aus einer einzigen, befruchteten Eizelle im Rahmen des Wachstums als auch der Fortpflanzung der Lebewesen.

 

Wie bereits erwähnt, werden alle Erbeigenschaften der Lebewesen in der DNA gespeichert. Bei Zellteilungen wird deshalb normalerweise jeder Tochterzelle eine Kopie der DNA mitgegeben, sodass eine weitgehend konstante Fortführung der Erbeigenschaften gewährleistet ist. Dennoch ereignen sich regelmäßig, wenn auch in relativ geringer Zahl, kleine Änderungen der Erbeigenschaften (Mutationen), die im Verlauf langer Zeiträume eine Veränderung und damit eine Weiterentwicklung der Organismen mit geänderten Eigenschaften ermöglichen. Darüber hinaus schafft die sexuelle Fortpflanzung durch die jeweils stattfindende Neukombination von mütterlicher und väterlicher DNA Variabilität unter den Nachkommen und fördert somit — wie die Entstehung von Mutationen — den Prozess der Evolution.

 

Im Verlauf der Entwicklung eines Lebewesens von der befruchteten Eizelle (Zygote) zum erwachsenen Lebewesen werden die in der DNA gespeicherten Eigenschaften Zug um Zug realisiert, was sich unter anderem in der heranreifenden Gestalt und deren Stoffwechseleigenschaften äußert. Bei Vielzellern führt die Realisierung der Erbeigenschaften zur Ausbildung unterschiedlicher Gewebe und Organe mit spezialisierten Aufgaben im gesamten Körperverband. Eine solche Differenzierung ist nur möglich, wenn einzelne Erbanlagen stillgelegt und andere aktiviert werden, wie es die Entwicklungsphysiologen inzwischen an vielen Beispielen zeigen konnten. Nur so ist es möglich, dass aus einem spezialisierten Organ, wie beispielsweise einem Laubblatt, unter bestimmten Bedingungen wieder eine vollständige neue Pflanze mit Blättern, Sprossen, Blüten und Wurzeln hervorgehen kann.

 

Während Einzeller potenziell unsterblich sind, da bei jeder Zellteilung aus einer erwachsenen Zelle zwei identische, jugendliche Tochterzellen hervorgehen, wird die Lebensdauer der Vielzeller durch Alterungsvorgänge begrenzt. Die im Verlauf der Differenzierung nicht mehr zur Zellteilung befähigten spezialisierten Zellen unterliegen einem fortwährenden Verschleiß, der schließlich zum Zelltod führt. Sobald viele lebensnotwendige Zellen abgestorben sind, stirbt damit der gesamte Organismus. Nur seine Fortpflanzungszellen waren zuvor noch in der Lage, neue Individuen entstehen zu lassen.

 

Urahnen aller Lebewesen

 

Weil die Erbeigenschaften von einer Generation zur nächsten normalerweise im Wesentlichen unverändert weitergegeben werden, gleichen die Nachkommen eines Lebewesens ihrem Vorgänger. Über einen gewissen Zeitraum hinweg bleibt eine Art deshalb konstant. Deutliche Unterschiede treten lediglich zwischen verschiedenen Arten und Gattungen auf. Doch die sich immer wieder einstellenden Mutationen können im Verlauf längerer Zeiträume schließlich diese Konstanz durchbrechen: Durch die Häufung von Mutationen können sich allmählich neue Arten mit deutlich veränderten Eigenschaften ausbilden. Die Evolutionsforschung fahndet nach solchen Eigenschaftsänderungen, um daraus Rückschlüsse auf die verwandtschaftlichen Beziehungen verschiedener Arten zueinander zu gewinnen. Geringe Unterschiede zwischen zwei Arten deuten auf enge verwandtschaftliche Beziehungen hin. Je umfangreicher allerdings die Verschiedenheiten ausfallen, desto mehr Mutationen müssen stattgefunden haben und desto weiter haben sich diese beiden Arten inzwischen genetisch voneinander entfernt.

 

Man geht davon aus, dass die heute lebenden Organismen auf primitiv gebaute Vorläufer zurückgehen, letzten Endes sogar auf einen oder einige primitiv organisierte Vorfahren, die jedoch im Prinzip über den gleichen Mechanismus der Speicherung von Erbeigenschaften und deren Weitergabe in der Proteinsynthese verfügt haben müssen. Eine solche Evolutionstheorie wird vor allem durch Fossilienfunde gestützt, das heißt durch versteinerte Vorfahren der uns heute bekannten Arten. Anhand solcher Fossilien konnten ganze Entwicklungsreihen rekonstruiert werden, die von einfacheren Vorfahren bis hin zu den Vertretern unserer Flora und Fauna reichen.

 

Prof. Dr. Günter Fellenberg

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Lebewesen: Die Vielfalt

 

Literatur:

 

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