Definition des Lebens

Alles, was lebt, muss gemäß wissenschaftlicher Festlegung vier definierte
Kriterien erfüllen.

Die vier Kriterien sind

Stoffwechsel kann selbstständig durchgeführt werden
Wachstum findet eigenständig statt
Reize können aufgenommen und beantwortet werden
Fortpflanzung findet aus sich selbst heraus statt

Diese Bedingungen werden vom Menschen und seinen Zellen erfüllt. Ebenso von Tieren, Pflanzen, Bakterien und Einzellern, nicht jedoch von Viren, Prionen, Molekülen und Atomen.[1]

Die Zelle gilt als kleinste funktionelle lebende Einheit. Häufig sind Zellen zu Verbänden zusammengefasst, die Organismen genannt werden; sie sind Mehrzeller. Der Mensch besteht aus 50 Billionen Zellen und ist damit per Definition ein Mehrzeller. Andere Zellen leben als Einzeller solitär; bekannte Beispiele sind Amöben und Pantoffeltierchen.[2]

Menschliche Zellen sind sehr klein, so dass sie ohne Mikroskop nicht erkennbar sind. Doch manche von ihnen können eine Länge von einem Meter entwickeln, wie Nervenzellen im Rückenmark. In der Tierwelt ist die größte bekannte Zelle das Ei des Strauß-Vogels. In der Pflanzenwelt gibt es einzellige Wasserpflanzen mit einem Meter Ausdehnung. Eine extreme Ausnahme bildet das Pilzmyzel des dunklen Hallimaschs mit einer Ausbreitung von 900 Hektar im National Forest Oregon in den USA.

Zelle

Jede menschliche Zelle folgt einem grundlegenden, wiederkehrenden Aufbauprinzip. Ein herausragendes Beispiel dafür ist die DNA (Desoxyribonukleinsäure), die in allen Zellen eines Individuums identisch vorliegt. Theoretisch könnte daher jede beliebige Zelle die Funktion jeder anderen übernehmen, da jede Zelle den vollständigen genetischen Bauplan des gesamten Organismus in sich trägt. In der Praxis jedoch spezialisieren sich Zellen im Laufe ihrer Entwicklung und sind anschließend in ihrer Wandlungsfähigkeit stark eingeschränkt.[3]

Anzahl und Form

Der menschliche Körper besteht aus einer beeindruckenden Vielfalt spezialisierter Zellen. Über 200 verschiedene Zelltypen übernehmen jeweils spezifische Aufgaben und ermöglichen so das Funktionieren des Gesamtorganismus. Bereits während der Entwicklung im Mutterleib differenzieren sich die Stammzellen durch Zellteilung zu hochspezialisierten Zelltypen, die für klar definierte Funktionen im Körper zuständig sind.

Wichtige Zelltypen und ihre Aufgaben

Erythrozyten (rote Blutzellen): Sie sind die häufigsten Zellen im Blut und für den Transport von Sauerstoff von der Lunge zu den Geweben und den Rücktransport von Kohlendioxid verantwortlich. Ihre spezielle, bikonkave Form macht sie besonders flexibel, sodass sie auch enge Kapillaren passieren können.
Leukozyten (weiße Blutzellen): Diese Zellen sind zentrale Bestandteile des Immunsystems. Sie erkennen und bekämpfen Krankheitserreger und sind in verschiedene Untergruppen wie Granulozyten, Lymphozyten und Monozyten unterteilt, die jeweils unterschiedliche Aufgaben im Immunschutz übernehmen.
Thrombozyten (Blutplättchen): Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Blutgerinnung und helfen, Verletzungen durch die Bildung von Blutpfropfs zu verschließen.
Neurone (Nervenzellen): Sie sind hochspezialisierte Zellen, die elektrische und chemische Signale weiterleiten. Neurone ermöglichen die Kommunikation zwischen Gehirn, Rückenmark und allen Körperteilen und sind damit für Sinneswahrnehmungen, Bewegungen und Denkprozesse zuständig.
Myozyten (Muskelzellen): Sie ermöglichen durch ihre Fähigkeit zur Kontraktion die Bewegung des Körpers und der inneren Organe. Unterschieden werden
- Skelettmuskelzellen für willkürliche Bewegungen,
- Herzmuskelzellen für den Herzschlag und
- glatte Muskelzellen für unwillkürliche Bewegungen wie in den Gefäßwänden und im Verdauungstrakt.
Epithelzellen: Sie kleiden innere und äußere Oberflächen des Körpers aus, schützen vor Umwelteinflüssen und sind an der Aufnahme und Abgabe von Stoffen beteiligt.
Gameten[4] (Keimzellen): Spermien und Eizellen sind für die Fortpflanzung erforderlich und enthalten jeweils nur einen einfachen Chromosomensatz. Bei der Befruchtung verschmelzen sie zu einer Zygote, aus der ein neuer Organismus durch Zellteilung entsteht.
Stammzellen: Sie sind die Alleskönner unter den Zellen, da sie sich in alle anderen Zelltypen durch Teilung entwickeln können. Stammzellen sind für Zellteilung, Regeneration und Reparatur erforderlich.
Osteozyten (Knochenzellen), Chondrozyten (Knorpelzellen),
Adipozyten (Fettzellen): Diese Zellen sorgen für Stabilität, Flexibilität, Schutz und Energiespeicherung im Körper.

Alle Körperzellen sind optimal an ihre jeweiligen Aufgaben angepasst, sei es durch Zellorganellen, Form, Größe oder biochemische Eigenschaften. So besitzen Muskelzellen besonders viele Mitochondrien, um den hohen Energiebedarf bei Muskelkontraktionen bereitzustellen, während Nervenzellen lange Fortsätze ausbilden, um Signale über weite Strecken zu übertragen.

Durch diese Spezialisierungen und Arbeitsteilungen der Zellen kann der menschliche Körper sehr komplexe Aufgaben erfüllen und sich auf unterschiedlichste Bedingungen und Klimazonen einstellen.

Ein ausgewachsener Mensch besteht aus 50 Billionen Zellen. Die Hälfte davon sind die Erythrozyten mit 25 Billionen Zellen, gefolgt von 100 Milliarden Nervenzellen. Die Größe menschlicher Zellen variiert erheblich: Sie reicht im Durchmesser von 5 mm [5] bei Bindegewebszellen bis zu 150 mm bei weiblichen Eizellen. Trotz ihrer geringen Größe können manche Zellen durch Fortsätze beachtliche Längen erreichen; siehe die schon genannten Nervenzellen.

Zellen besitzen erhebliche Formunterschiede. Eizellen sind kugelrund, Makrophagen bilden permanent neue amorphe Fortsätze, Darmwandzellen reihen sich mit ihren rechteckigen Formen nebeneinander an, Muskelzellen sind schlank gestreckt, Nervenzellen besitzen lange, baumartige Ausläufer.

Funktionen

Stoffwechsel: Jede Zelle besitzt die Fähigkeit, Stoffe aufzunehmen und daraus für ihre Funktionen neue Verbindungen herzustellen. So können sie in Drüsen Hormone produzieren, in Muskeln Energie gewinnen, in der Leber Glykogen speichern und Metabolite abbauen, mit Hilfe der Fibroblasten Bindegewebe aufbauen und vieles mehr.
Vermehrung: Für ihr Wachstum, beständige Zellerneuerung, innere Reinigung und Reparatur sind fast alle Zellen in der Lage, sich ein Leben lang zu teilen. Im menschlichen Körper finden pro Sekunde 10 Millionen Zellteilungen statt.
Reizverarbeitung: Mit Hilfe ihrer Rezeptoren können Zellen Reize aus der Umgebung sowie Signale von Nachbarzellen aufnehmen, verarbeiten und bei Bedarf weiterleiten. Zellen sind zudem in der Lage, auf diese Reize gezielt zu reagieren.

Bauplan einer Zelle

Zellmembran: Eine geschlossene, jedoch selektiv permeable Begrenzung erlaubt der Zelle, sowohl ihr inneres Milieu konstant zu halten als auch den Stoff- und Informationsaustausch mit der Umgebung.
Intrazelluläre Flüssigkeit: Körperflüssigkeit, die sich innerhalb der Zellen befindet. Zwei Drittel des Körperwassers befindet sich dort, ein Drittel außerhalb der Zellen.
Zellkern: Mit Ausnahme von Erythrozyten und Thrombozyten besitzt jede Zelle einen Zellkern (Nukleus; Ort der DNA), einige auch mehrere[6]. In ihm befinden sich ein Kernkörperchen (Nukleolus, Ort der RNA-Synthese).
Chromosomen (DNA[7]): Träger der Erbsubstanz. Der Mensch besitzt 46 Stück (22 identische Paare sowie zwei X-Chromosomen bei der Frau oder je ein X- und ein Y-Chromosom beim Mann).
Zellorganellen:
- Endoplasmatisches Retikulum: Transportsystem für den
  intrazellulären Stofftransfer
- Ribosomen: Ort der Eiweißsynthese
- Golgi-Apparat: Umhüllung von Sekreten zwecks Lagerung und Transport und Erneuerung der Zellmembran
- Lysosomen: Verdauungsorgane der Zellen; Autophagie[8]
- Zentriolen: Initiator der Zellteilung
- Mikrotubuli: Transportsystem innerhalb der Zellen
- Mitochondrien: Kraftwerke der Zelle durch ATP-Synthese mit Hilfe von Sauerstoff und Zucker

Die enorme Menge an Mitochondrien wird in anatomischen Darstellungen stets stark untertrieben dargestellt; Körperzellen enthalten meist Tausende von ihnen. Das Gesamtgewicht aller Mitochondrien beträgt 10% des Körpergewichts. Bei einem 70 kg schweren Menschen entspricht das 7 kg. Dies zeigt ihre biologische Bedeutung zur Energiegewinnung[9].

Mitochondrien enthalten ihre eigene mitochondriale DNA (mDNA), die nicht mit der DNA des Körpers verbunden ist. Sie wird nur mütterlich vererbt. Das befruchtende Spermium lässt seine für die Beweglichkeit des Schwanzes erforderlichen Mitochondrien bei der Verschmelzung mit der Eizelle zurück und gibt sie daher nicht an das Kind weiter.

Standart-Zelle, Zellteilung und Organe

Eine Zelle ist die kleinste eigenständige Funktionseinheit des Körpers. Der erwachsene Mensch besteht aus 50 Billionen Zellen.

Die Organellen innerhalb einer Zelle tauschen Informationen aus, stellen lebenswichtige Moleküle und Proteine her und bereiten die Zellteilung vor. Bei dieser geben sie die in ihrem Zellkern vorhandene DNA als Erbgut weiter.

Eine große, organisierte Gruppe spezialisierter Zellen bildet jeweils ein
Organ wie Muskel, Leber, Herz.
Zellteilung und Keimblätter

Mitose und Meiose

Mitose = ungeschlechtliche Teilung. Verdoppelung der Mutterzelle mit Vervielfältigung und Weitergabe des genetischen Codes an ihre zwei Tochterzellen. Es wird ein diploider Satz (doppelter Satz) weitergegeben.

Meiose = geschlechtliche Teilung. Reduktion des genetischen Codes für Eizellen und Spermien. Der Chromosomensatz halbiert sich und je ein haploider Satz (einfacher Satz) wird weitergegeben. Bei der Vereinigung von Samen- und Eizelle entsteht erneut ein diploider Satz.

Keimblätter

Als erste Entwicklungsstufe des Embryos findet die Differenzierung in drei Keimblätter statt. Diese sind das Entoderm (Innenschicht), Mesoderm (Mittelschicht) und Ektoderm (Außenschicht), aus denen sich die später verschiedenen Körpergewebe entwickeln.

Membranpotential

Jede Zelle besteht zu 66% aus Wasser. Zusammen mit den darin gelösten Salzen ist dies die intrazelluläre Flüssigkeit.

Alle Flüssigkeiten außerhalb der Zelle heißen extrazelluläre Flüssigkeit.

Intrazelluläre Flüssigkeit

Kalium

98% Kalium-Ionen

Negative Ladung -

Extrazelluläre Flüssigkeit

Natrium

… und andere Ionen

NaCl in 0,9%iger Lösung

Positive Ladung +

Die unterschiedlichen Zusammensetzungen und Konzentrationen von Salzen in den
Flüssigkeiten erzeugen ein elektrisches Membranpotential. Dieses Membranpotential beträgt 60 bis 90 mV.[10]

Auf einen Reiz hin kann sich das Membranpotential entladen. Daraufhin leiten
entweder Nervenzellen ihren Impuls weiter, oder Muskelzellen kontrahieren sich.

Beständig bauen Zellen ihr Membranpotential auf, indem sie Ionen durch die Zellmembran aktiv hinein- und herauspumpen. So wird fast permanent ein elektrisches
Ungleichgewicht aufgebaut oder aufrechterhalten.

Bei Reizung von Muskel- oder Nervenzellen werden die
Ionenkanäle kurzfristig geöffnet, so dass es zu einem raschen Ionenaustausch und damit zu einer Entladung kommt. So werden elektrische Reize in Herzmuskelzellen und Nervenzellen weitergeleitet.

Gewebe

Gewebe sind ein Verbund von ähnlichen Zellen, die gemeinsame Aufgaben erfüllen. Unterschieden werden vier oder fünf Gewebearten:

Epithelgewebe
Binde- und Stützgewebe
Muskelgewebe
Nervengewebe
Blut: Blut kann entweder dem Bindegewebe zugeordnet werden, oder es ist ein eigenständiges, flüssiges Gewebe

Gewebe	Beispiele	Aufgaben
Epithel- gewebe mit Endothel	Haut und Schleimhäute, alle inneren Oberflächen wie Endokard, Darmschleimhaut, Blasenschleimhaut, Netzhaut Oberflächenepithel, Drüsenepithel, Sinnesepithel	Schutz, Stoffaustausch, Reizaufnahme
Binde- und Stützgewebe	Knochen, Knorpel, Zähne, Sehnen, Bänder, Fettgewebe, Narben Retikuläres Bindegewebe	Verbindung von Organen, Strukturen, Schutz und Halt, Speicherort für Säuren, Metabolite, Gifte, Reparatur, Produktion von Zwischenzellsubstanz
Muskel- gewebe	Herzmuskulatur, Skelettmuskulatur, Organmuskulatur	Arbeit und Wärmegewinnung durch Muskelarbeit oder Zittern
Nerven- gewebe	Gehirn, Zentrales und peripheres Nervensystem	Reizaufnahme und Reizweiterleitung
Blut	Erythrozyten, Leukozyten, Thrombozyten	Transport, Abwehr, Reparatur

Embryonale und adulte Gewebe

Mesenchym: Embryonales, pluripotentes Gewebe. Es bezeichnet die noch undifferenzierten Zellen und ist das Ursprungsgewebe für Strukturen wie Knochen, Knorpel, Muskeln, Blutgefäße und Bindegewebe.
Parenchym: Funktionsgewebe eines Organs. Es bezeichnet das
organspezifische Gewebe eines Organs, das aus spezialisierten Zellen besteht und die Funktion des Organs übernimmt. In der Leber die Hepatozyten, in den Nieren die Nephrone, in den Lungen die Alveolen.

Kurze Entwicklungsgeschichte des Lebens

Wirbeltiere entstanden vor 500 Millionen Jahren während der
kambrischen Explosion. Dies ist die geologische sehr kurze Zeitspanne, in der alle Vertreter der heutigen Tierstämme entstanden. Sie dauerte nur 5 bis 10 Millionen Jahre.

Säugetiere entstehen seit 300 Millionen Jahren. Den Menschen als Homo erectus gibt es gemäß aktuellen Funden in Afrika seit vier Millionen Jahren.

Stichwort „Lucy“ (2 Millionen Jahre alter Knochenfund)

Stammbaum des Lebens

Vom Reich der Prokaryonten über die Säugetiere bis zu den Plazenta-Tieren.

[1] Die klassische Definition Was ist Leben? ist nicht in Stein gemeißelt. 48 Festlegungen wurden bislang von Wissenschaftlern zusammengetragen. Dazu gehören:

„Leben ist ein zu erwartendes kollektives Vermögen von Polymeren zur Selbstorganisation“ (= Definition der NASA auf der Suche nach Leben auf fremden Planeten)
„Leben kennzeichnet sich durch die Fähigkeit zur Kommunikation“
„Leben ist ein Fluss von Energie, Materie und Information“
„Leben ist ein sich selbst erhaltendes chemisches System, das eine Evolution erfahren kann“
Man darf auch fragen: „Lebt ein Roboter, weil er künstliche Intelligenz besitzt?“
Lebt KI, weil sie sich selbst organisiert und weiterentwickelt, ja sogar halluziniert?
Wonach suchen wir, wenn nach außerirdischem Leben im Universum gefahndet wird?
Juristisch ist die Frage wichtig, wenn es um den Beginn des Lebens (Abtreibung) und das Ende des Lebens (Organspende) geht
Für Versicherungen und Erbfolgen kann die Definition heftige monetäre Bedeutungen erlangen

[2] Einzeller entwickelten sich vor 3 Milliarden Jahren, der Übergang zum Mehrzeller fand vor 800 Millionen Jahren statt. Die Zeitspanne bis zum Mehrzeller ist erstaunlich und zeigt, wie kompliziert die Entwicklung biologischer Koordination in Vielzellern für die Evolution gewesen war.

[3] Theoretisch kann aus jeder DNA-haltigen Körperzelle eine Stammzelle gezüchtet werden, indem sie in ihren pluripotenten Zustand zurückprogrammiert wird. Diese induzierten pluripotenten Stammzellen können anschließend Eigenschaften von embryonalen Stammzellen annehmen und sich in nahezu alle Zelltypen des Körpers entwickeln.

[4] Der Begriff Gamete hat seinen Ursprung im Altgriechischen von gameo = heiraten.

[5] 1 mm = 1/1000 mm; sprich: Mikrometer

[6] Muskelzellen (10 – 1.000 Nuclei), Knochenzellen (10 – 50 Nuclei), Leberzellen (2 Nuclei)

[7] Die vollständig ausgestreckte DNA einer menschlichen Zelle hat eine Länge von zwei Meter. Sie ist in Form von 46 Chromosomen im Zellkern jeder Körperzelle untergebracht. Der Zellkern selbst hat einen Durchmesser von einem hundertstel Millimeter. Die DNA besteht aus 3 Milliarden Basenpaaren und ist extrem kompakt verpackt.

[8] Autophagie = zellulärer Selbstreinigungsprozess, mit dem die Zelle beschädigte oder überflüssige Bestandteile im Zellinneren abbaut und recycelt, um ihre Funktion zu erhalten.

[9] Bewegungsmangel im Kindesalter führt zu weniger Mitochondrien in den Muskelzellen und damit zu einem schwächeren Erwachsenen-Organismus. Wissenschaftliche Verlaufsstudien zeigen, dass fehlende Bewegung bei Kindern und Jugendlichen langfristig zu etlichen gesundheitlichen Problemen führt, die sich bis ins Erwachsenenalter auswirken.

[10] mV = Millivolt. 1.000 mV = 1 Volt