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Zellen: Die Grundeinheiten des Lebens

Was bedeutet es eigentlich, zu leben? Petunien, Menschen und Algenschlamm sind allesamt lebendig – Steine, Sand und Sommerbrise dagegen nicht. Was aber sind die grundlegenden Eigenschaften, die Lebewesen charakterisieren und von unbelebter Materie unterscheiden?

Die Antwort hängt an einer Grundtatsache, die heute als selbstverständlich betrachtet wird, die jedoch bei ihrer Entdeckung vor mehr als 175 Jahren eine Revolution in der Denkweise darstellte. Alle Lebewesen (oder Organismen) bestehenaus Zellen –kleinen, membranumhüllten Einheiten, die mit einer konzentrierten wässrigen Lösung von Chemikalien gefüllt sind und die die außergewöhnliche Fähigkeit besitzen, Kopien von sich selbst anzufertigen, indem sie wachsen und sich teilen. Die einfachsten Lebensformen sind Einzelzellen. Höhere Organismen wie wir selbst sind Zellgemeinschaften, die durch Wachstum und Teilung aus einer einzigen Ursprungszelle hervorgegangen sind. Jedes Tier oder jede Pflanze stellt eine riesige Kolonie aus verschiedenen Zellen dar, die spezielle Funktionen ausüben und durch komplizierte Kommunikationssysteme koordiniert werden.

Zellen sind demnach die Grundeinheiten des Lebens. Wir müssen uns folglich mit Zellbiologie beschäftigen – der Beobachtung von Zellen, ihrer Struktur, ihrer Funktion und ihres Verhaltens –, um eine Antwort auf die Frage zu finden, was Leben ist und wie es funktioniert. Mit einem tieferen Verständnis von Zellen können wir beginnen, die großen historischen Fragestellungen über das Leben auf der Erde anzugehen: der rätselhafte Ursprung, die überwältigende, in Milliarden Jahren der Evolution erschaffene Vielfalt und das Vordringen in jede erdenkliche Umgebung auf dem Planeten. Gleichzeitig kann uns die Zellbiologie auch Antworten auf Fragen zu uns selbst liefern: Woher kommen wir? Wie entwickeln wir uns aus einer einzigen befruchteten Eizelle? Wie ähnlich sind wir uns untereinander – obwohl sich jeder von allen anderen Menschen auf der Erde unterscheidet? Warum werden wir krank, warum altern wir und sterben?

In diesem Kapitel stellen wir das Konzept von Zellen vor: Was sie sind, woher sie kommen und wie wir so viel über sie herausgefunden haben. Wir beginnen damit, uns die vielfältigen Gestalten anzusehen, die Zellen annehmen können, und werfen einen kurzen Blick auf die chemische Maschinerie, die alle Zellen gemeinsam haben. Anschließend besprechen wir, wie Zellen unter dem Mikroskop sichtbar gemacht werden und was man erkennt, wenn man forschend in sie hineinblickt. Zum Schluss werden wir erörtern, wie man die Ähnlichkeiten von Lebewesen verwenden kann, um ein zusammenhängendes Verständnis von allen Lebensformen auf der Erde zu erhalten – vom winzigsten Bakterium bis hin zur mächtigsten Eiche.

1.1 Einheit und Vielfalt von Zellen

Biologen schätzen, dass es auf unserem Planeten bis zu 100 Millionen verschiedene Arten von Lebewesen gibt – Organismen, so verschieden wie ein Delfin und eine Rose oder ein Bakterium und ein Schmetterling. Auch Zellen unterscheiden sich erheblich in ihrer Form und Funktion. Tierzellen unterscheiden sich von Pflanzenzellen, und selbst Zellen innerhalb eines einzelnen vielzelligen Organismus können sich völlig im Aussehen und ihrer Aktivität unterscheiden. Doch wie sie sich auch unterscheiden: Alle Zellen teilen grundlegende chemische Vorgänge und andere allgemeine Eigenschaften.

In diesem Abschnitt ziehen wir Bilanz über die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Zellen. Außerdem besprechen wir, wie sich alle heutigen Zellen aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickeln konnten.

1.1.1 Zellen variieren enorm in ihrem Aussehen und ihren Funktionen

Wenn wir Zellen untereinander vergleichen wollen, ist die Größe offensichtlich einer der besten Startpunkte. Eine Bakterienzelle – etwa ein Lactobacillus in einem Stück Käse – ist nur ein paar Mikrometer (μm) lang. Das ist etwa 25-mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Am anderen Ende des Spektrums hat ein Frosch-Ei, das ebenfalls eine einzelne Zelle ist, einen Durchmesser von 1 Millimeter (mm). Würde man sie maßstabsgerecht vergrößern, sodass der Lactobacillus so groß wie ein Mensch wäre, hätte das Frosch-Ei eine Höhe von 800 Metern (m).

Genauso stark variieren Zellen in ihrer Form (Abb. 1-1). So ist beispielsweise eine typische Nervenzelle im Gehirn unwahrscheinlich lang. Sie sendet ihre elektrischen Signale entlang eines dünnen Fortsatzes (ein Axon), das 10 000-mal länger als dick ist, und sie empfängt Signale von anderen Zellen über zahlreiche kürzere Fortsätze, die von ihrem Zellkörper entspringen wie die Zweige eines Baums (siehe Abb. 1-1A). Andererseits sieht ein Pantoffeltierchen (Paramecium), das in einem Teich lebt, wie ein U-Boot aus und ist mit von Cilien bedeckt. Diese haarähnlichen Anhängsel bewegen die Zelle durch ihr wellenförmiges, koordiniertes Schlagen voran, wobei sie sich um ihre Längsachse dreht (Abb. 1-1B). Eine Zelle in der Oberflächenschicht einer Pflanze ist ein gedrungenes, unbewegliches Prisma, umgeben von einer festen Wand aus Cellulose mit einer äußeren Hülle aus wasserundurchlässigem Wachs (Abb. 1-1C). Im Gegensatz dazu kriecht ein Makrophage im Körper eines Tiers durch die Gewebe, nimmt ständig andere Formen an und verschlingt umhersuchend Gewebetrümmer, fremde Mikroorganismen und tote oder sterbende Zellen (Abb. 1-1D). Eine Spalthefe ist stäbchenförmig (Abb. 1-1E), während eine Backhefe (auch Knospungshefe, engl. budding yeast) wunderbar kugelförmig ist (siehe Abb. 1-14). Es gibt weitere unzählige Beispiele.

Abb. 1-1 Zellen erscheinen in einer Vielfalt von Formen und Größen. Man beachte die sehr unterschiedlichen Maßstäbe dieser mikroskopischen Aufnahmen. (A) Zeichnung einer einzelnen Nervenzelle aus einem Säugetiergehirn. Diese Zelle hat einen einzigen, unverzweigten Fortsatz (Axon), der nach oben aus der Abbildung ragt und über den die Zelle elektrische Signale an andere Nervenzellen sendet. Sie besitzt außerdem eine riesige Anzahl verzweigter Fortsätze (Dendriten), über die sie Signale von 100 000 anderen Nervenzellen empfängt. (B) Paramecium (Pantoffeltierchen). Dieses Protozoon stellt eine große einzelne Zelle dar, die mithilfe schlagender Cilien an ihrer Oberfläche schwimmt. (C) Die Oberfläche eines Blütenblatts des Löwenmäulchens zeigt eine regelmäßige Anordnung von dicht gepackten Zellen. (D) Ein Makrophage breitet sich auf der kontrollierenden Suche nach eindringenden Organismen durch tierisches Gewebe aus. (E) Schnappschuss einer sich teilenden Spalthefe. Das mittlere Septum (mit einem Fluoreszenzfarbstoff rot angefärbt) bildet eine Wand zwischen den beiden Kernen (die ebenfalls rot angefärbt sind), die auf die beiden Tochterzellen verteilt wurden. Die Zellmembranen sind in diesem Bild mit einem grünen Fluoreszenzfarbstoff angefärbt. (A, Herederos de Santiago Ramón y Cajal, 1899; B, freundlicherweise von Anne Aubusson Fleury, Michel Laurent und André Adoutte zur Verfügung gestellt; C, freundlicherweise von Kim Findlay zur Verfügung gestellt; D, aus P.J. Hanley et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107:12145–12150, 2010 mit freundlicher Genehmigung der National Academy of Sciences der USA; E, freundlicherweise von Janos Demeter und Shelley Sazer zur Verfügung gestellt.)

Zellen variieren auch sehr stark in ihren chemischen Bedürfnissen. Manche benötigen Sauerstoff, um zu leben – für andere ist er tödlich. Einige brauchen als Rohstoffe nur wenig mehr als Kohlendioxid (CO2), Sonnenlicht und Wasser – andere benötigen ein komplexes Gemisch aus Molekülen, die von anderen Zellen hergestellt werden.

Diese Unterschiede in Größe, Form und chemischen Bedürfnissen spiegeln oft Unterschiede in der Zellfunktion wider. Manche sind spezialisierte Fabriken, die bestimmte Substanzen wie Hormone, Stärke, Fett, Latex oder Farbpigmente produzieren. Andere – beispielsweise Muskelzellen – sind Motoren, die Kraftstoff verbrennen, um mechanische Arbeit zu verrichten. Wieder andere sind Stromgeneratoren, wie die abgewandelten Muskelzellen im Zitteraal.

Frage 1–1 „Leben“ lässt sich leicht erkennen, aber nur schwer definieren. Ein Biologielehrbuch definiert Lebewesen:

1. 1. Sie sind im Vergleich zu unbelebten Gegenständen aus der Natur hoch organisiert.
2. 2. Sie zeigen Homöostase und halten ein relativ konstantes inneres Milieu aufrecht.
3. 3. Sie pflanzen sich fort.
4. 4. Sie wachsen und entwickeln sich aus einfachen Anfangsstadien.
5. 5. Sie nehmen Energie und Materie aus der Umgebung auf und wandeln sie um.
6. 6. Sie reagieren auf Reize.
7. 7. Sie zeigen Anpassungen an ihre Umwelt. Prüfen Sie eine Person, einen Staubsauger und...