Die Eigenschaften und Bausteine des Lebendigen: Wie Struktur Funktion bestimmt

Woran erkennt man, dass etwas lebt? Wer nach dem einen entscheidenden Merkmal sucht, gerät auf den falschen Weg, denn für die Antwort reicht ein Kriterium alleine nicht aus. Vielmehr muss eine bestimmte Gruppe von Eigenschaften vorhanden sein, um eine Erscheinungsform als echtes Lebewesen zu klassifizieren. Die Regel dazu ist streng: Ein Lebewesen muss immer alle Kennzeichen erfüllen.

Eine solche Liste umfasst zum Beispiel Gestalt, Bewegung, Reizbarkeit, Stoffwechsel, Wachstum und Fortpflanzung. Die Anzahl variiert zwischen den Büchern meist zwischen fünf und sieben, doch Wachstum, Stoffwechsel und Fortpflanzung nennen alle Bücher übereinstimmend. Was hinter den einzelnen Stichworten steckt, lässt sich der Reihe nach durchgehen. Bewegung heißt, dass jedes Lebewesen sich aus eigener Kraft bewegen können muss, und auch Pflanzen tun das, indem sie ihre Blätter zur Sonne hin drehen. Reizbarkeit meint, dass Organismen Informationen über die Umwelt gewinnen, indem sie Reize aufnehmen, und daraufhin ihre Lebensfunktionen anpassen. Der Stoffwechsel umfasst die Aufnahme, den Transport und die chemische Umwandlung von Stoffen in einem Organismus. Wachstum ist die irreversible Volumenzunahme eines Organismus oder seiner Teile. Die Fortpflanzung schließlich beruht auf der identischen Replikation der Erbanlagen.

Warum aber zählt erst die Summe? Weil einzelne Kennzeichen auch ohne Leben zu haben sind: Ein Kristall kann wachsen, ein Katalysator kann Stoffe umwandeln. Erst die Summe aller Kennzeichen macht das Lebendige aus. Umgekehrt fällt durch, wem Teile der Liste fehlen: Viren betreiben keinen eigenen Stoffwechsel und können sich nicht selbstständig fortpflanzen, sie werden deshalb nicht zu den Lebewesen gerechnet.

Damit ist die Prüfliste beisammen, offen bleibt aber, wodurch diese Leistungen überhaupt erbracht werden. Die Antwort führt eine Ebene tiefer: Biomoleküle werden als Bausteine des Lebens bezeichnet, weil sie die komplexen biochemischen Vorgänge in Zellen und Organismen ermöglichen. Für sich genommen sind solche Biomoleküle aber unbelebte Strukturen. In Organismen kommen jene Elemente vor, die auch in der unbelebten Natur weitverbreitet sind.

Wer verstehen will, wie ein Baum, eine Maus oder ein Bakterium gebaut ist, kommt mit einer einzigen Betrachtungsebene nicht aus. Lebewesen sind keine formlosen Klumpen aus Material, sondern gestufte Bauwerke: Was auf der einen Ebene als Ganzes erscheint, erweist sich eine Stufe tiefer als Verband kleinerer Teile. Organismen sind hierarchisch strukturiert und bestehen aus Atomen, Molekülen, Organellen, Zellen, Geweben, Organen und Organsystemen.

Am oberen Ende dieser Leiter steht der Organismus, die Gesamtheit der Gewebe und Organsysteme zu einem selbständigen Individuum. Eine Stufe darunter liegt das Organsystem, der Zusammenschluss mehrerer Organe zu einer funktionellen Einheit. An einer Pflanze lässt sich das gut zeigen: Die Blüte ist ein solches Organsystem und setzt sich aus verschiedenen Organen zusammen, den einzelnen Blütenteilen. Organe selbst sind Körperstrukturen mit einer eigenen, abgegrenzten Funktion. Lebensfähig ist ein Organ für sich genommen aber nicht, denn das Herz etwa ist für Stoffwechsel und Wachstum auf den gesamten Organismus angewiesen.

Unter dem Organ folgt das Gewebe, denn mehrere gleichartige, beieinanderliegende Zellen bilden ein Gewebe. Damit ist die Zelle erreicht, die kleinste Lebenseinheit. Sie besitzt bereits alle Kennzeichen des Lebendigen. Doch auch sie ist noch einmal untergliedert: Durch die Abgrenzung von Reaktionsräumen entstehen Funktionseinheiten innerhalb der Zelle, die Organellen. Mitochondrien liefern die Energie für die Zelle, Chloroplasten ermöglichen grünen Pflanzen, mit dem Sonnenlicht Zucker herzustellen.

Am unteren Ende steht das Atom, die kleinste und grundlegendste Einheit der Materie. In jeder Zelle bilden Atome Moleküle, und diese formen ihrerseits die Zellorganellen. Hier zeigt sich, warum Gestalt in der Biologie mehr ist als bloßes Aussehen: Die dreidimensionale Struktur und die Funktion von Biomolekülen hängen unmittelbar zusammen und werden maßgeblich durch die Bindungsarten im Molekül bestimmt. Biomoleküle sind darin hochgradig spezifisch, denn jedes Molekül erfüllt eine bestimmte Funktion. Leben ist so gesehen gekennzeichnet durch die Ordnung und Strukturierung von Materie und durch eine zunehmende Spezialisierung der Strukturen.

Bewegung ist eines der Kennzeichen, an denen sich Lebendiges erkennen lässt: Jedes Lebewesen muss sich aus eigener Kraft bewegen können. Wie schnell das geschieht, ist dabei zweitrangig, denn es kann sehr langsam sein wie bei Schnecken oder sehr schnell wie bei einem Panther. Im Folgenden wird dieses Kennzeichen über mehrere Größenstufen hinweg verfolgt: vom ganzen Tier über den Muskel und die einzelne Zelle bis hinunter zu einem einzigen Eiweißmolekül.

Auf der Ebene des Organismus ist Bewegung artspezifisch, also bei jeder Art anders gelöst: Das Eichhörnchen springt von Baumkrone zu Baumkrone, der Buntspecht überwindet große Distanzen im Flug. Auch Pflanzen bewegen sich aus eigener Kraft, nur so langsam, dass man es meist nicht direkt beobachten kann: Sie richten ihre Blüten und Blätter immer zum Licht hin.

Ein Stockwerk tiefer arbeitet der Muskel, und dort wird die Motoraktivität durch den sogenannten Querbrückenzyklus beschrieben. Die Bindung von ATP bewirkt zunächst ein Abdissoziieren des Myosinkopfes vom Aktinfilament, und nach der Hydrolyse von ATP bindet Myosin wieder an das Aktinfilament. Nach Abgabe von Phosphat und ADP kommt es zum Kraftschlag, einem Zurückklappen des Neigungswinkels auf 50 Grad. Vielfach wiederholt schieben diese Zyklen die Myosinfilamente und die Aktinfilamente ineinander; es kommt zur Muskelkontraktion.

Noch eine Stufe tiefer bewegt sich die einzelne Zelle, und dafür sorgt das Cytoskelett, ein aus Proteinen aufgebautes Netzwerk im Cytoplasma eukaryotischer Zellen. Es ist verantwortlich für aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes ebenso wie für Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle. So ist es direkt verantwortlich für das Kriechen von Zellen auf einer Oberfläche und für die Kontraktion von Muskelzellen.

Ganz unten steht schließlich ein einzelnes Molekül: Motorproteine dienen vornehmlich unter ATP-Verbrauch der Bewegungserzeugung. In ihrer Motordomäne sitzen die Strukturen, die bei der Konformationsänderung die Bewegung des Moleküls ausführen. Die Motorproteine des Aktins bilden dabei die Proteinklasse der Myosine, also dieselbe Klasse, deren konventioneller Vertreter Myosin II im Muskel den Kraftschlag ausführt. Damit ist die Spur der Bewegung vom ganzen Tier bis zum einzelnen Eiweißmolekül verfolgt.

Was heißt es eigentlich, wenn von einem Lebewesen gesagt wird, es betreibe Stoffwechsel? Die Biologie fasst das unter dem Begriff Stoffwechsel, auch Metabolismus genannt, zusammen: gemeint sind die Aufnahme, der Transport und die chemische Umwandlung von Stoffen in einem Organismus sowie die Abgabe von Stoffwechselendprodukten an die Umgebung. Diese biochemischen Vorgänge dienen dem Aufbau und der Erhaltung der Körpersubstanz sowie der Aufrechterhaltung der Körperfunktionen.

Wie das am ganzen Körper aussieht, zeigt schon ein Atemzug. Durch die Atmung wird Sauerstoff aus der Umgebung aufgenommen und Kohlenstoffdioxid abgegeben. Dahinter steht eine chemische Bilanz. Nimmt der Mensch Kohlenhydrate auf, so werden diese unter Sauerstoffaufnahme wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasser gespalten, und es wird dabei Energie frei. Auch Pflanzen betreiben Stoffwechsel: Mit ihren Blättern produzieren sie mithilfe des Sonnenlichts Glucose und geben Sauerstoff ab.

Damit ist aber noch nicht gesagt, wo genau diese Umwandlungen im Einzelnen ablaufen. Organellen sind kleine Strukturen im Inneren von Zellen, und die Mitochondrien unter ihnen verarbeiten Energie, um die Zelle anzutreiben. Sie sind zugleich der Ort der Zellatmung, in deren letztem Schritt Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen.

Eine Ebene tiefer, bei den einzelnen Molekülen, kommen die Enzyme ins Spiel, die wichtige Funktionen im Stoffwechsel von Organismen haben. Enzyme beschleunigen und ermöglichen chemische Reaktionen, ohne bei der Reaktion selbst verbraucht zu werden. Der Hebel dabei ist ein energetischer: Enzyme beschleunigen biochemische Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, also jenen Energiebetrag, der zunächst investiert werden muss, um die Reaktion in Gang zu setzen.

Bleibt die Frage, wo im Enzym diese Arbeit geschieht. Für die katalytische Wirksamkeit eines Enzyms ist das aktive Zentrum verantwortlich, denn an dieser Stelle bindet es das Substrat. Dessen Raumstruktur bewirkt, dass nur ein strukturell passendes Substrat gebunden werden kann, und so passt ein bestimmtes Substrat zum entsprechenden Enzym wie ein Schlüssel in das passende Schloss.

Damit entscheidet die Passform darüber, was ein Enzym umsetzt: Es katalysiert immer nur eine von vielen denkbaren Reaktionen der Substrate. Im lebenden Organismus wirken Enzyme in einem komplexen Geflecht von Stoffwechselwegen zusammen, und schon eine Anhäufung von Substrat beschleunigt die Hinreaktion. Sie spielen damit die zentrale Rolle im Stoffwechsel aller lebenden Organismen.

Wer wissen will, wie ein Organismus mit seiner Umgebung verbunden ist, landet früher oder später bei einem Kennzeichen, das im Alltag leicht zu übersehen ist: der Reizbarkeit. Gemeint ist damit die Fähigkeit von Lebewesen, auf chemische oder physikalische Änderungen in ihrer Umwelt zu reagieren.

Reizbarkeit ist dabei kein einzelner Vorgang, sondern eine Kette: Lebewesen nehmen Informationen in Form von Reizen aus der Umwelt auf, verarbeiten sie und reagieren darauf. Genau über diese Fähigkeit steht ein Lebewesen in ständiger Beziehung zur Umwelt. Ein Reiz kann zum Beispiel ein Geräusch, Licht oder Schmerz sein.

Das oberste Glied dieser Kette ist bei Tieren und Menschen schnell benannt: Sie nehmen mit den Sinnesorganen Reize aus der Umwelt auf und reagieren darauf. Auch Pflanzen reagieren auf Lichtreize, indem sie sich etwa zu einer Lichtquelle hin biegen. Selbst winzige Bakterien bewegen sich auf Chemikalien zu oder von ihnen weg, ein Vorgang, den man Chemotaxis nennt. Eine Bewegung auf den Reiz zu gilt dabei als positive Antwort.

Diese Kette lässt sich noch ein Stück weiter hinab verfolgen. In der Membran liegen Rezeptoren. Diffundiert ein bestimmtes Molekül, ein sogenannter Ligand, in ihre Nähe, können sich beide auf Grund ihrer komplementären Struktur verbinden und der Rezeptor gibt ein Signal an die Zelle ab. Entscheidend ist also die Gestalt: Weil Rezeptor und Signalmolekül räumlich zueinander passen wie Schlüssel und Schloss, wird das eine Molekül erkannt und ein anderes nicht. Unterschiedliche Rezeptoren erkennen unterschiedliche Liganden, sodass die Zelle auf diesem Weg Informationen über ihre Umwelt aufnehmen kann.

Wie das im Nervensystem aussieht, zeigt die chemische Synapse. Die Nervenzelle, die das Signal überträgt, heißt präsynaptisch, die empfangende postsynaptisch. Verschmilzt ein Bläschen mit der präsynaptischen Membran, wird der Botenstoff in den synaptischen Spalt freigesetzt. Der Botenstoff überquert den schmalen synaptischen Spalt und bindet an Empfängerproteine der nachgeschalteten Zelle.

Damit ist Reizbarkeit mehr als eine Reaktion nach außen: Sie ist eine entscheidende Voraussetzung für die Selbstregulation biologischer Systeme.

Wer ein Lebewesen über Wochen beobachtet, sieht vor allem eines: Es wird größer. Die Biologie fasst diesen Alltagseindruck allerdings enger. Wachstum ist die irreversible Volumenzunahme eines Organismus oder seiner Teile. Auf dem Wort irreversibel liegt dabei das Gewicht, denn gemeint ist eine Zunahme, die nicht wieder zurückgeht.

Wachstum steht nicht für sich allein. Wachstum und Individualentwicklung drücken sich bereits im Größen- und Gestaltwandel eines Lebewesens aus, ein Organismus wird also nicht nur größer, sondern auch ein anderer. Bei Vielzellern beginnt das Wachstum meistens mit der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle. Die Individualentwicklung durchläuft danach Embryonalentwicklung, Jugend, Fortpflanzungsfähigkeit, Alter und Tod. Wie lange der Zuwachs anhält, ist nicht bei allen gleich, denn manche Organismen wachsen das ganze Leben lang, andere stellen das Wachstum in der Reifephase ein.

Der Vorgang, der das Größerwerden trägt, sitzt eine Ebene tiefer. Organismen können durch Zellteilung wachsen, und eine Zelle entsteht immer nur durch Teilung aus einer vorhandenen Zelle. In vielzelligen Arten braucht es eine langwierige und komplexe Abfolge von Zellteilungen, um einen funktionierenden Organismus aufzubauen. Selbst im ausgewachsenen Körper müssen weitere Zellteilungen stattfinden, um abgestorbene Zellen zu ersetzen.

Mehr Zellen allein ergäben freilich nur einen größeren Zellhaufen. Gestalt entsteht erst dadurch, dass die verschiedenen Organisationsstufen eines Organismus durch Zelldifferenzierung gebildet werden. Ein Gewebe ist ein Verband gleichartiger Zellen mit gleicher Funktion, ein Organ dagegen ein Verband mehrerer verschiedener Gewebe zur Erfüllung einer bestimmten Funktion.

Auch die Teilung selbst lässt sich konkret angeben. Mikrotubuli, röhrenartige Fasern im Inneren der Zelle, ziehen im Fall der Mitosespindel die replizierten Chromosomen an die beiden Kernpole. Die Anweisung dazu kommt jedoch nicht von den Fasern, sondern aus dem Erbgut, denn Organismen wachsen und entwickeln sich aufgrund von Genen, die spezifische Anweisungen für das zelluläre Wachstum geben. So ist gesichert, dass der Nachwuchs einer Art viele Merkmale seiner Eltern zeigen wird.

Wachstum allein macht dabei noch kein Lebewesen, denn auch ein Kristall kann wachsen. Erst die Summe aller Kennzeichen macht das Lebendige aus.

Dass Nachkommen ihren Eltern ähneln, gehört zu den Vorgängen, an denen die Biologie Lebendiges überhaupt erkennt: Lebewesen können Informationen, also ihr Erbgut, an ihre Nachkommen übermitteln. Organismen produzieren Nachkommen, die ihnen in Form und Art ähneln, und diese Ähnlichkeit wird durch die Erbinformation gewährleistet, die in der DNA gespeichert ist. Einzellige Organismen verdoppeln zur Fortpflanzung zuerst ihre DNA und teilen sie dann gleichmäßig auf, wenn die Zelle sich zu zwei neuen Zellen teilt. Vielzeller bilden dafür eigene, spezialisierte Fortpflanzungszellen aus, nämlich Keimzellen wie Eizelle und Spermienzelle. Mit jeder Fortpflanzung wird die DNA mit den in ihr liegenden Genen an die Nachkommen weitergegeben. Diese Gene sorgen dafür, dass die Nachkommen zur selben Art gehören.

Warum aber lässt sich eine solche Information überhaupt verlässlich kopieren? Die Antwort liegt im Bau des Moleküls selbst, denn die Kenntnis von Strukturen ermöglicht oft das Verständnis ihrer Funktionen. Die DNA hat die Form einer Leiter, in der die Sprossen die Basenpaare bilden und die Holme das Phosphat-Zucker-Rückgrat darstellen. Als Basenpaarung bezeichnet man die Ausbildung spezifischer Wasserstoffbrücken zwischen den Basen Guanin und Cytosin beziehungsweise Adenin und Thymin. Im Doppelstrang assoziiert also G spezifisch mit C und A mit T. Weil diese Zuordnung festgelegt ist, führt die charakteristische Basenpaarung zur Bildung eines komplementären Stranges. Aus der Sequenz des einen Strangs lässt sich damit die des anderen vorhersagen.

Genau daraus ergibt sich die Kopiervorlage. Bei der Verdopplung trennen sich die beiden Stränge, und jeder alte Strang dient als Vorlage, an der ein neuer, komplementärer Strang entsteht. Man nennt das semikonservativ, weil jeder fertige Doppelstrang einen unveränderten Elternstrang und einen neu synthetisierten komplementären Tochterstrang enthält. Am Ende entstehen zwei identische DNA-Moleküle, die auf die beiden Tochterzellen verteilt werden.

Aufgrund ihrer besonderen Struktur kann DNA also semikonservativ repliziert werden — ein Musterbeispiel dafür, dass auf allen Ebenen der Biologie Funktionen an Strukturen gebunden sind.

Eine Liste von Kennzeichen wirkt auf den ersten Blick wie ein sauberes Sieb, durch das sich Lebendiges von Unbelebtem trennen ließe. Doch schon ein einführendes Lehrbuch der Biologie räumt ein, dass es nicht immer leicht ist, Leben zu definieren. Zwei Grenzfälle führen das vor Augen: Viren und Prionen.

Viren erfüllen einen Teil der Kennzeichen von Lebewesen, andere fehlen ihnen. Ein Viruspartikel besteht aus einem Kern aus Nukleinsäure und einer äußeren Proteinhülle, dem Kapsid. Erbsubstanz besitzen Viren also durchaus, und als genetisches Material kann dabei DNA oder RNA dienen, während nahezu alle Lebewesen auf DNA festgelegt sind. Eine Zellstruktur haben sie dagegen nicht. Ihnen fehlen daher die meisten Bestandteile von Zellen, etwa Organellen, Ribosomen und die Plasmamembran. Einen eigenen Stoffwechsel betreiben Viren nicht, und fortpflanzen können sie sich nicht selbstständig, sondern nur mithilfe anderer Lebewesen. Erst nachdem ein Virus in eine Zelle eingedrungen ist, kann es seine Vermehrung im Zellinneren abschließen.

Woran genau scheitert die Einordnung? Der Ausschlussgrund, den die Lehrbücher nennen, ist dabei ein formaler: Viren werden nicht zu den Lebewesen gerechnet, weil sie nicht aus Zellen bestehen. Nach der heutigen Definition sind Viren also keine Lebewesen, weil sie die Kennzeichen des Lebens nur noch eingeschränkt zeigen.

Ein zweiter Grenzfall sind die Prionen. Prionen sind Proteine, die im tierischen Organismus in einer normalen oder in einer krankmachenden Faltungsform vorliegen können. Sie vermehren sich nicht durch Teilung, sondern dadurch, dass sie benachbarte Moleküle zur Umfaltung veranlassen. Anders als Viren, Bakterien oder Pilze enthalten pathogene Prionen überhaupt kein Erbmaterial, weder DNA noch RNA, sondern beruhen allein auf der Faltung von Proteinen.

Was folgt daraus? Über die Eigenschaften, die Leben ausmachen, und über ihren Umfang besteht in der Fachwelt keine Einigkeit. 1999 trug der israelische Chemiker Noam Lahav 48 verschiedene Definitionen und Charakterisierungen von Fachleuten aus den vorangegangenen 100 Jahren zusammen. Wer mit einer Kennzeichenliste arbeitet, sollte ihren Rand also mitdenken.