Die Kennzeichen des Lebendigen

Die Biologie ist die Wissenschaft, die das Leben untersucht. Und doch ist es nicht immer einfach, genau zu sagen, was Leben ist. In den Naturwissenschaften bezeichnet Leben heute größtenteils eine Organisationsform, die durch gewisse Prozesse charakterisiert ist.

Leben wird also über ein Bündel von Vorgängen beschrieben und nicht über eine einzelne Eigenschaft. Zu ihnen zählen der Energie- und Stoffaustausch, das Wachstum, die Fortpflanzung und die Reaktion auf Veränderungen der Umwelt. Einige dieser Merkmale findet man auch bei technischen, physikalischen und chemischen Systemen, andere sind allein den biologischen Lebewesen zu eigen.

Ein verbreiteter Lehrbuchzugang fasst solche Vorgänge zu einer festen Liste von Schlüsselmerkmalen zusammen, die alle Lebewesen teilen. Genannt werden Ordnung, Reizbarkeit gegenüber der Umwelt, Fortpflanzung, Anpassung, Wachstum und Entwicklung, Regulation beziehungsweise Homöostase, Energieverarbeitung und Evolution. Erst zusammen betrachtet definieren diese acht Merkmale das Leben.

Zwei davon lassen sich besonders gut greifen. Organismen sind hochgeordnete, koordinierte Strukturen, die aus einer oder mehreren Zellen bestehen. Und jeder Organismus nutzt eine Energiequelle für seine Stoffwechselvorgänge.

Wie wenig selbstverständlich eine solche Liste ist, zeigt der Blick auf die Viren, die lebende Organismen befallen, Krankheiten verursachen und sich sogar vermehren können. Die Kriterien, mit denen Biologen Leben definieren, erfüllen sie dennoch nicht. Über diese Eigenschaften und ihre Entstehung oder ihren Umfang besteht auch in der Fachwelt keine Einigkeit. 1999 führte der israelische Chemiker Noam Lahav 48 verschiedene Definitionen und Charakterisierungen von Experten der letzten 100 Jahre auf. Der Molekularbiologe Gerald Joyce etwa schrieb, Leben sei ein chemisches System, das in der Lage ist, darwinistische Evolution zu durchlaufen.

Eine präzise Definition, die über eine allgemeine Beschreibung hinausgeht, ist offenbar nicht möglich. Als minimale Eigenschaft aller lebenden Systeme gilt jedoch die Autopoiesis, also die Fähigkeit, sich selbst zu erhalten und zu reproduzieren.

Wer verstehen will, wie Lebewesen funktionieren, kann auf fast jeder Ebene dieselbe Frage stellen: Welche Gestalt hat ein Gebilde, und was folgt daraus für seine Aufgabe? Die Biologie beschreibt Organismen als hochgradig geordnete, aufeinander abgestimmte Strukturen, die aus einer oder mehreren Zellen bestehen. In vielzelligen Organismen bilden ähnliche Zellen Gewebe, und Gewebe wirken zusammen, um Organe zu bilden — Körperstrukturen mit einer eigenen, unterscheidbaren Funktion.

Beginnen wir auf der Ebene des ganzen Tieres. Organismen kalter Lebensräume wie der Eisbär besitzen Körperstrukturen, die ihnen helfen, niedrige Temperaturen auszuhalten und Körperwärme zu bewahren. Zu den Strukturen, die diese Dämmung leisten, zählen Fell, Federn, Speck und Fett.

Dieselbe Frage lässt sich an den Proteinen stellen. Jede lebende Zelle kann Tausende von Proteinen enthalten, jedes mit einer eigenen Funktion. Proteine können strukturell, regulatorisch, kontraktil oder schützend sein; sie können dem Transport, der Speicherung oder Membranen dienen oder als Gifte und Enzyme wirken. So verschieden die Aufgaben, so verschieden die Gestalten: Manche Proteine sind kugelig geformt, andere faserig.

Bemerkenswert ist, woraus diese Vielfalt hervorgeht. Unterschiedliche Anordnungen derselben 20 Aminosäuren bilden alle Proteine. Reihenfolge und Zahl der Aminosäuren legen am Ende die Gestalt, die Größe und die Funktion des Proteins fest. Und diese Gestalt ist für die Funktion entscheidend; viele verschiedene chemische Bindungen halten sie aufrecht.

Wie genau Form und Aufgabe ineinandergreifen, lässt sich am Enzym studieren. Für die katalytische Wirksamkeit eines Enzyms ist das aktive Zentrum verantwortlich. Dessen Raumstruktur bewirkt, dass nur ein strukturell passendes Substrat gebunden werden kann: anschaulich gesprochen passt ein bestimmtes Substrat zum entsprechenden Enzym wie ein Schlüssel in das passende Schloss.

Der Umkehrschluss macht die Abhängigkeit vollends deutlich. Änderungen von Temperatur und pH-Wert sowie der Kontakt mit Chemikalien können die Gestalt eines Proteins dauerhaft verändern und so zum Funktionsverlust führen, zur Denaturierung. Wer also wissen will, wozu etwas im Lebendigen gut ist, tut gut daran, zuerst auf seine Gestalt zu sehen.

Bewegung lässt sich auf ganz verschiedenen Größenstufen betrachten: am ganzen Tier, an der einzelnen Zelle und schließlich am einzelnen Eiweißmolekül. Im Wald fällt zuerst die oberste dieser Stufen ins Auge. Das Eichhörnchen springt von Baumkrone zu Baumkrone, der Buntspecht überwindet große Distanzen im Flug. Zwei ganz unterschiedliche Arten also, sich fortzubewegen.

Doch woher kommt diese Bewegung? Muskelzellen sind auf Kontraktion spezialisiert. Das Skelettmuskelgewebe bildet die Skelettmuskeln, die an Knochen oder Haut ansetzen und die Fortbewegung steuern. Unter dem Mikroskop erscheint dieses Gewebe gestreift. Die Streifung geht auf die regelmäßige Anordnung der kontraktilen Proteine Aktin und Myosin zurück.

Eine Ebene tiefer bewegen sich die Zellen selbst. Zuständig dafür ist das Cytoskelett, ein aus Proteinen aufgebautes Netzwerk im Cytoplasma eukaryotischer Zellen. Es sorgt für die mechanische Stabilisierung der Zelle und ihre äußere Form, aber ebenso für aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes. Es ist direkt verantwortlich für ausgedehnte Bewegungen wie das Kriechen von Zellen auf einer Oberfläche. Diese Zellbewegung beruht sowohl auf einem gerichteten Auf- und Abbau der Filamente als auch auf der Wirkung von Motorproteinen. Alle Formen aktiver Bewegung erfolgen entlang von Aktinfilamenten und Mikrotubuli, denn diese beiden Filamenttypen verfügen über die passenden Motorproteine. Die Motorproteine des Aktins bilden die Proteinklasse der Myosine.

Damit ist die molekulare Ebene erreicht. Der Mechanismus der Kontraktion ist die Bindung von Myosin an Aktin, bei der Querbrücken entstehen. Die Bewegung, die daraus hervorgeht, heißt Kraftschlag, und sie ist der Schritt, in dem die Kraft erzeugt wird. Dabei verkürzt sich das Sarkomer, und der Muskel kontrahiert.

Bleibt die Frage nach der Energie. Motorproteine bestehen immer aus einer sogenannten Kopf- oder Motordomäne und einer Schwanzdomäne. In der Motordomäne befindet sich auch die ATP-Bindungsstelle. Der Ort, an dem der Motor am Filament angreift, ist also zugleich der Ort, an dem er betankt wird. Der Kraftschlag benötigt Energie, und diese liefert ATP. Motorproteine dienen vornehmlich unter ATP-Verbrauch der Bewegungserzeugung. ATP ist der Haupt-Energieträger in Zellen. Vom Sprung des Eichhörnchens bis zum Kraftschlag eines einzelnen Myosinmoleküls führt so eine durchgehende Spur nach unten.

Was heißt es eigentlich, dass ein Lebewesen reizbar ist? Interessant wird der Begriff, wenn man dasselbe Geschehen nacheinander auf mehreren Vergrößerungsstufen betrachtet, vom ganzen Organismus bis hinunter zu einzelnen Proteinen in einer Zellmembran. Schon die Plasmamembran ist wichtig dafür, dass eine Zelle auf äußere Reize reagieren kann. In ihr liegen Rezeptoren.

Am ganzen Organismus zeigt sich Reizbarkeit als Sinneswahrnehmung: Die Sinne liefern Informationen über den Körper und seine Umwelt. Der Mensch verfügt über fünf Spezialsinne: Riechen, Schmecken, Gleichgewicht, Sehen und Hören. Dazu kommen allgemeine Sinne, die auf Reize wie Temperatur, Schmerz, Druck und Vibration ansprechen. So verschieden diese Systeme gebaut sind, sie erfüllen alle dieselbe Grundaufgabe, die man sensorische Transduktion nennt. Die grundlegendste Leistung eines Sinnessystems ist nämlich die Übersetzung eines Sinnessignals in ein elektrisches Signal im Nervensystem.

Eine Ebene tiefer, bei den Zellen, gibt es dafür zwei große Bauformen. In der einen arbeitet eine Nervenzelle mit einem Sinnesrezeptor zusammen, einer Zelle oder einem Zellfortsatz, der auf einen bestimmten Reiz spezialisiert ist. Wird dieser Rezeptor gereizt, aktiviert er die zugehörige zuführende Nervenzelle, die die Information über den Reiz weiterträgt. Die Spannungsänderung, die dabei entsteht, heißt Rezeptorpotenzial, und wie groß sie ausfällt, hängt von der Stärke des Reizes ab.

Wie aber wird aus einem Druck ein elektrisches Signal? Dafür lohnt ein genauer Blick auf die Membran. Die Lipiddoppelschicht, die eine Nervenzelle umgibt, ist für geladene Teilchen undurchlässig. Ionen müssen deshalb durch eigene Kanalproteine hindurch, die die Membran durchspannen. In manchen Geweben strömen Natrium- und Chloridionen frei durch offene Kanäle. In anderen Geweben muss sich dafür erst ein Tor öffnen. Genau solche Tor-Kanäle gehen in der Plasmamembran einer Sinneszelle auf, wenn deren Fortsätze gestaucht oder verbogen werden, und das elektrische Potenzial der Zelle verschiebt sich.

Ganz unten, auf der Ebene einzelner Moleküle, fallen Rezeptor und Kanal sogar zusammen: An der motorischen Endplatte sind die Rezeptoren tatsächlich Natriumkanäle, die sich öffnen und Na+ einströmen lassen, sobald ein Botenstoffsignal eintrifft. Acetylcholin ist ein solcher Botenstoff, den Motoneurone freisetzen.

Aufnehmen, umwandeln, weiterleiten: Der erste Schritt der Empfindung ist die Aufnahme, also die Aktivierung von Sinnesrezeptoren durch Reize wie mechanischen Druck, Chemikalien oder Temperatur. Reizbarkeit ist damit kein einzelner Vorgang, sondern derselbe Vorgang, gelesen auf verschiedenen Vergrößerungsstufen.

Wachstum lässt sich auf sehr unterschiedlichen Größenstufen betrachten — am Baum im Wald, an einer einzelnen Zelle und an den Eiweißfäden in ihrem Inneren. Der Maßstab wechselt dabei erheblich, vom ganzen Organismus bis hinunter zum einzelnen Molekülstrang. Es lohnt sich deshalb, diese Ebenen nacheinander abzuschreiten.

Am Anfang steht beim Baum ein Keimling, der Wurzeln in der Wurzelschicht und eine kleine Keimpflanze in der Moosschicht ausbildet. Nach und nach wächst die Baumpflanze heran, während sich ihre Wurzeln weiter ausbreiten. Über der Erde durchwandert die Pflanze mit der Zeit die Kraut- und die Strauchschicht, bis sie schließlich als ausgewachsener Baum die Baumschicht erreicht. Ein befristeter Vorgang ist das nicht: Die meisten Pflanzen und Pflanzenorgane wachsen, abgesehen von Ruhepausen, ihr Leben lang kontinuierlich. Einzelne Organe machen davon eine Ausnahme, etwa Dornen, Blüten oder Blätter, die in der Regel begrenztes Wachstum durchlaufen und ab einer gewissen Größe aufhören zu wachsen.

Eine Ebene tiefer zeigt sich, woher der Zuwachs kommt. Hinter der Wurzelspitze finden Differenzierung und Wachstum der Zellen in drei Zonen statt, die ineinander übergehen: der Zellteilungszone, der Streckungszone und der Differenzierungszone. In der Streckungszone werden die Zellen durch Streckungswachstum vergrößert. Das eigentliche Größenwachstum der Pflanze wird durch Zellstreckung erreicht, und zwar vor allem in Längsrichtung. Ein Teil des Zugewinns geht dabei auf die Anhäufung von proteinreichem Material zurück.

Damit ist aber erst die eine Hälfte beschrieben. Der Zellzyklus ist eine geordnete Abfolge von Ereignissen, die Zellwachstum und Zellteilung umfasst und zwei neue Tochterzellen hervorbringt. Während der Interphase wächst die Zelle, und die DNA wird verdoppelt. Dieser Zyklus aus Verdopplung und Teilung ist der grundlegende Vorgang, durch den sich alle Lebewesen vermehren.

Bleibt die kleinste der drei Ebenen. Die Filamente des Zellskeletts, Aktin und Mikrotubuli, durchlaufen stochastische Auf- und Abbauvorgänge. Ein Mikrotubulus wird dabei als helikales Gitter aus dreizehn Protofilamenten dargestellt. Einzelne Untereinheiten lassen sich mit bestimmten Raten anlagern oder entfernen, und genau diese Raten bilden Wachstum und Schrumpfen des Filaments ab.

Wächst ein Lebewesen im Laufe seines Lebens einfach nur, oder geschieht dabei noch etwas anderes? Organismen wachsen und entwickeln sich, weil Gene bestimmte Anweisungen liefern, die das zelluläre Wachstum und die Entwicklung lenken. Die Biologie hat für diese Blickrichtung einen eigenen Begriff: Die ontogenetische Perspektive richtet sich auf die Entwicklung eines Individuums, nicht auf die erstmalige Entstehung von Lebewesen.

Am anschaulichsten wird das bei Insekten: An einfach zu haltenden Mehlkäferlarven lässt sich der Gestaltwandel von Insekten mit den Stadien Ei, Larve, Puppe und Imago beobachten und dokumentieren. Der Ausgangspunkt solcher Verwandlungen ist bei vielzelligen Lebewesen derselbe, denn der Vorgang, in dem sich ein Organismus aus einer einzelligen Zygote zu einem vielzelligen Organismus entwickelt, ist komplex und gut reguliert.

Auf der Ebene der Zellen beginnt dieser Vorgang mit schnellen, vielfachen Runden der Zellteilung, die man Furchung nennt. Während der Furchung teilen sich die Zellen ohne Massezunahme; eine große einzellige Zygote teilt sich also in viele kleinere Zellen. Hat die Furchung über 100 Zellen hervorgebracht, heißt der Embryo Blastula. Bei Säugetieren ordnen sich die Zellen der Blastula anschließend in zwei Schichten an: in die innere Zellmasse und eine äußere Schicht, den Trophoblasten. Diese innere Zellmasse besteht aus embryonalen Stammzellen, die sich in die verschiedenen vom Organismus benötigten Zelltypen differenzieren.

Damit ist die entscheidende Frage gestellt: Woher weiß eine einzelne Zelle, was aus ihr werden soll? Die Antwort liegt eine Ebene tiefer, bei den Molekülen. Während der Differenzierung exprimieren die embryonalen Stammzellen bestimmte Gensätze, die ihren endgültigen Zelltyp festlegen. Einige Zellen des Ektoderms etwa exprimieren die für Hautzellen spezifischen Gene und differenzieren sich daraufhin zu Epidermiszellen. Reguliert wird die Differenzierung durch zelluläre Signalkaskaden. Aus den Keimblättern entstehen auf diesem Weg die Organe, und zwar durch den Prozess der Differenzierung.

Entwicklung ist deshalb mehr als Größenzunahme: Was aus einer Zelle wird, entscheidet sich daran, welche Gene in ihr angeschaltet werden.

Fortpflanzung beschreibt man leicht von außen, als Vorgang, den man sieht. Ihr eigentlicher Kern ist etwas Unsichtbares. Bei der Fortpflanzung wird DNA mit den darin liegenden Genen an die Nachkommen eines Organismus weitergegeben. Diese Gene stellen sicher, dass der Nachwuchs derselben Art angehört und ähnliche Merkmale wie Größe und Gestalt trägt. Wer wissen will, wie diese Weitergabe zustande kommt, kann dieselbe Frage auf drei Ebenen stellen, am ganzen Organismus, an der einzelnen Zelle und am Molekül selbst.

Auf der Ebene des Organismus bilden Vielzeller häufig spezialisierte Fortpflanzungszellen aus, nämlich Keimzellen in Gestalt von Eizelle und Spermium. Nach der Befruchtung, der Verschmelzung von Eizelle und Spermium, entwickelt sich ein neues Individuum. Das ist nicht der einzige Weg. Bei der ungeschlechtlichen Vermehrung, die bei prokaryotischen und einzelligen eukaryotischen Organismen die Regel ist, entsteht eine genetisch identische Kopie des Elternorganismus. Die wichtigste Aufgabe der Meiose besteht demgegenüber darin, den Chromosomensatz auf die Hälfte zu reduzieren. Außerdem wird das Erbgut dabei durchmischt, und genau darin liegt aus evolutionärer Sicht der besondere Vorteil der sexuellen Fortpflanzung gegenüber der asexuellen Vermehrung.

Eine Ebene tiefer, bei der einzelnen Zelle, wird die Mechanik sichtbar. Einzeller vermehren sich, indem sie zuerst ihre DNA verdoppeln und sie dann gleichmäßig aufteilen, während sich die Zelle auf die Bildung zweier neuer Zellen vorbereitet. Dieser Ablauf ist als Zellzyklus geordnet, als eine Folge von Wachstum und Teilung, die zwei neue Tochterzellen hervorbringt. In der Interphase wächst die Zelle, und die DNA wird repliziert. In der anschließenden mitotischen Phase werden die verdoppelten Chromosomen ausgerichtet, getrennt und auf zwei neue, identische Tochterzellen verteilt.

Am Molekül selbst lässt sich schließlich ablesen, warum das überhaupt möglich ist. Die DNA hat die Form einer Leiter, in der die Sprossen die Basenpaare bilden und die Holme das Phosphat-Zucker-Rückgrat darstellen. Weil die Basen paarweise zusammenpassen, lässt sich die Sequenz des einen Stranges aus der ihres Gegenstücks vorhersagen. In ihrer Arbeit von 1953 schrieben Watson und Crick mit bemerkenswerter Untertreibung, die von ihnen postulierte spezifische Paarung lege unmittelbar einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahe.

Vor einer Zellteilung muss das Erbmaterial identisch verdoppelt, also repliziert werden. Die Komplementarität der beiden DNA-Stränge lässt dabei eine semikonservative Replikation zu, bei der jeder Strang als Matrize dient, an der ein neuer komplementärer Strang kopiert wird. Sind die beiden Tochterkopien fertig, tragen sie dieselbe Sequenz und werden gleichmäßig auf die beiden Tochterzellen verteilt.

Wer die Kennzeichen des Lebendigen zu einer Liste ordnet, muss damit rechnen, dass die Natur Fälle bereithält, die sich dieser Liste entziehen. Viren und Prionen sind solche Fälle. Die Biologie beschreibt Viren als infektiöse organische Strukturen, die sich in der Natur nur innerhalb einer geeigneten Wirtszelle vermehren können. Prionen dagegen sind Proteine, die im tierischen Organismus als physiologische oder als pathogene Isoformen vorliegen können.

Bei Viren scheitern zwei Kennzeichen zugleich: Sie können sich weder selbst vervielfältigen noch einen eigenen Stoffwechsel betreiben und bleiben deshalb auf den Stoffwechsel einer Wirtszelle angewiesen. Zwar tragen sie spezifische genetische Informationen, doch der für ihre Replikation notwendige Synthese-Apparat fehlt ihnen — die Bauanleitung ist vorhanden, nicht aber die Werkstatt. Noch grundsätzlicher ist ein zweiter Einwand: Viren sind nichtzellulär, ihnen fehlen daher die meisten Bestandteile von Zellen wie Organellen und Ribosomen. Weil die Zelle als kleinste Grundeinheit von Struktur und Funktion gilt, zählen Viren für die Wissenschaft nicht zu den Lebewesen.

Prionen stellen die Merkmalsliste vor eine andere Schwierigkeit. Sie gelten ausdrücklich nicht als Lebewesen, sondern als organische Molekülstrukturen mit infektiösen und teilweise toxischen Eigenschaften. Ihre Vermehrung verläuft nicht durch Teilung, sondern durch induzierte Veränderung benachbarter Moleküle: Ein fehlgefaltetes Protein zwingt seinen Nachbarn in dieselbe Form. DNA oder RNA enthalten Prionen nicht, ihre Wirkung beruht allein auf der Faltung von Proteinen.

Damit rückt der Begriff selbst in den Blick. Ob Viren als Lebewesen bezeichnet werden können, ist abhängig von der Definition von Leben. Eine allgemein anerkannte, unwidersprochene Definition aber liegt bislang nicht vor. Welche Spannweite dahintersteckt, zeigt eine Zusammenstellung aus dem Jahr 1999: Der israelische Chemiker Noam Lahav führte 48 verschiedene Definitionen und Charakterisierungen von Experten der letzten 100 Jahre auf. Die meisten Wissenschaftler stufen Viren nicht als Lebewesen ein, doch die wissenschaftliche Diskussion ist noch nicht abgeschlossen. An solchen Grenzfällen zeigt sich, wo die Ränder eines Merkmalskatalogs verlaufen.