Was ist Leben?

Im Video Einführung in die Biologie haben wir die Biologie als den Zweig der Wissenschaft definiert, der sich mit der Untersuchung von Lebenwesen, oder Organismen, beschäftigt. Diese Definition ist ziemlich einfach. Jedoch öffnet sie die Tür zu schwierigeren - und interessanteren - Fragen: Was ist Leben? Was bedeutet es, lebendig zu sein?

Du bist lebendig und ich auch. Der Hund, den ich bellen höre, ist lebendig und ebenso der Baum vor meinem Fenster. Schnee, der aus den Wolken fällt, ist jedoch nicht lebendig. Der Computer, auf dem du gerade diesen Text liest, ist nicht lebendig, genausowenig wie der Stuhl oder der Tisch. Die Teile des Stuhls, die aus Holz sind, waren einmal lebendig, aber sie sind es nicht mehr. Wenn du das Holz in einem Feuer verbrennst, würde das Feuer auch nicht lebendig sein.

Was definiert Leben? Wie können wir sagen, dass eine Sache lebendig ist und die andere nicht? Die meisten Menschen besitzen ein intuitives Verständnis dafür, was es braucht, um lebendig zu sein. Jedoch ist es erstaunlich schwer, eine genaue Definition von Leben zu geben. Deshalb sind viele Definitionen von Leben operative Definitionen - sie erlauben uns, lebendige von nichtlebendigen Dingen zu unterscheiden, aber sie legen nicht genau fest, was Leben ist. Um diese Trennung machen zu können, müssen wir uns eine Liste von Eigenschaften einfallen lassen, die, als Gruppe, einzigartig für Lebewesen sind.

Biologen haben verschiedene Merkmale identifiziert, die allen Lebewesen, die wir kennen, gemein sind. Obwohl nichtlebende Dinge einige dieser Eigenschaften auch zeigen können, besitzen nur Lebewesen alle von ihnen.

Lebwesen sind hoch organisiert, was bedeutet, dass sie spezialisierte, aufeinander abgestimmte Teile enthalten. Alle lebenden Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen, welche die Grundeinheiten des Lebens sind.

Sogar einzellige Organismen sind komplex! In jeder Zelle bilden Atome Moleküle, die Zellorganellen und Strukturen bilden. In mehrzelligen Organismen bilden ähnliche Zellen Gewebe. Gewebe wiederum arbeiten zusammen, um Organe (Körperstrukturen mit einer bestimmten Funktion) zu bilden. Organe arbeiten zusammen, um Organsysteme zu bilden.

Mehrzellige Organismen – wie wir Menschen – bestehen aus vielen Zellen. Die Zellen in mehrzelligen Organismen können auf verschiedene Aufgaben spezialisiert sein und sind in Geweben, wie Binde-, Epithel-, Muskel- und Nervengewebe organisiert. Gewebe bilden Organe, wie das Herz oder die Lunge, welche bestimmte Funktionen erfüllen, die der Organismus als Ganzes benötigt.

Leben beruht auf einer sehr großen Anzahl an ineinandergreifenden chemischen Reaktionen. Diese Reaktionen ermöglichen es Organismen, Arbeit zu verrichten—z. B. sich zu bewegen oder Beute zu fangen—und zu wachsen, sich fortzupflanzen und die Struktur ihres Körpers aufrecht zu erhalten. Lebewesen müssen Energie verbrauchen und Nährstoffe aufnehmen, um die lebenserhaltenden chemischen Reaktionen ausführen zu können. Die Gesamtheit aller biochemischen Reaktionen, die in einem Organismus ablaufen, wird Stoffwechsel genannt.

Der Stoffwechsel kann in den Anabolismus und den Katabolismus unterteilt werden. Im Anabolismus bauen Organismen komplexe Moleküle aus einfachen Bausteinen auf, während im Katabolismus das Gegenteil passiert. Anabole Prozesse verbrauchen in der Regel Energie, während katabole Prozesse gespeicherte Energie zur Verfügung stellen können.

Lebewesen regulieren ihren inneren Zustand, um die für die Zellfunktion notwendigen relativ engen Zustandsbereiche aufrecht zu erhalten. Deine Körpertemperatur muss zum Beispiel immer ungefähr bei 37${}^{\circ }$‍C (98,6${}^{\circ }$‍F) gehalten werden. Diese Aufrechterhaltung eines stabilen inneren Zustands, auch angesichts einer sich verändernden äußeren Umgebung, ist bekannt als Homöostase.

Lebewesen durchlaufen ein geregeltes Wachstum. Einzelne Zellen werden größer und mehrzellige Organismen häufen durch Zellteilung viele Zellen an. Du selbst hast als eine einzelne Zelle begonnen und jetzt besteht dein Körper aus mehreren Billionen von Zellen${}^1$‍! Wachstum ist von anabolen Vorgängen abhängig, die große, komplexe Moleküle aufbauen wie Proteine und DNA, das genetische Material.

Lebewesen können sich selbst reproduzieren, um neue Organismen zu schaffen. Diese Reproduktion kann entweder asexuell unter Einbeziehung eines einzelnen Elternorganismus oder sexuell mit der Notwendigkeit zweier Eltern sein. Einzellige Organismen, wie das sich teilende Bakterium auf der linken Seite des Bilds rechts, können sich einfach durch Teilung fortpflanzen!

Bei der sexuellen Fortpflanzung produzieren zwei Elternorganismen Spermien und Eizellen, die die Hälfte ihrer genetischen Informationen enthalten. Diese Zellen verschmelzen zu einer neuen Zelle mit einem kompletten genetischen Satz. Dieser Prozess wird Befruchtung genannt und ist auf der rechten Seite des Bildes dargestellt.

Lebewesen zeigen eine "Reizbarkeit”, das heißt sie antworten auf Reize oder Veränderungen in ihrer Umgebung. Menschen ziehen zum Beispiel—schnell!—ihre Hand von einer Flamme weg; viele Pflanzen drehen sich in Richtung der Sonne; Einzeller können in Richtung von Nährstoffen oder weg von schädlichen Chemikalien wandern.

Populationen von Lebewesen können eine Evolution durchmachen, was bedeutet, dass sich die genetische Ausstattung einer Population im Laufe der Zeit ändern kann. In einigen Fällen beinhaltet Evolution eine natürliche Auslese, bei der eine vererbbare Eigenschaft, wie z. B. eine dunklere Fellfarbe oder eine schmalere Schnalbelform, Organismen in einer bestimmten Umgebung besser überleben und sich leichter fortpflanzen lässt. Über Generationen hinweg kann eine vererbbare Eigenschaft, die einen Vorteil bietet, immer häufiger in einer Population vorkommen, wodurch sich Population immer besser an die Umgebung anpasst. Dieser Vorgang wird Adaptation genannt.

Lebewesen besitzen viele verschiedene Eigenschaften, die auf ihr Lebendigsein schließen lassen. Daher kann es schwierig sein, eine Liste für die exakte Definition von Leben zu erstellen. Verschiedene Denker und Philosophen haben deshalb unterschiedliche Listen der Eigenschaften von Leben aufgestellt. Einige Listen enthalten zum Beispiel Bewegung als ein definierendes Merkmal, während andere vielleicht festlegen, dass Lebewesen ihre genetische Information in der Form einer DNA tragen müssen. Wieder andere heben hervor, dass Leben auf Kohlenstoff basiert.

Es ist auch richtig, dass die obige Liste nicht absolut sicher ist. Ein Maultier zum Beispiel, ein Nachkomme eines weiblichen Pferdes und eines männlichen Esels, kann sich nicht fortpflanzen. Die meisten Biologen (und jeder andere auch) würden jedoch sagen, dass ein Maultier - wie auf dem Bild oebn - lebendig ist. Ein ähnlicher Punkt wird mit folgender amüsanten Geschichte verdeutlicht: Eine Gruppe von Wissenschaftlern hatte nach einer langen Debatte beschlossen, dass die Fähigkeit, sich fortzupflanzen, das Hauptmerkmal von Leben ist. Zu ihrer Enttäuschung wies aber jemand darauf hin, dass ein einsamer Hase diese Eigenschaft nicht erfüllen kann.${}^2$‍

Dennoch bietet die obige Liste eine sinnvolle Auflistung von Eigenschaften, die uns dabei helfen können, zwischen lebenden und nichtlebenden Dingen zu unterscheiden.

Wie gut können wir anhand der oben genannten Eigenschaften feststellen, ob es lebt oder nicht? Dafür schauen wir uns nochmal die lebenden und nichtlebenden Dinge aus der Aufgabe in der Einleitung an.

Die Lebewesen aus der Einleitung—Menschen, Hunde und Bäume—erfüllen leicht alle sieben Kriterien für Leben. Wir, unsere vierbeinigen Freunde und die Pflanzen in unseren Gärten bestehen aus Zellen, besitzen einen Stoffwechsel, halten eine Homöostase aufrecht, wachsen und zeigen Reaktionen. Menschen, Hunde und Bäume sind außerdem in der Lage, sich fortzupflanzen und ihre Populationen machen eine biologische Evolution durch.

Nichtlebende Dinge zeigen vielleicht einige, aber nicht alle Eigenschaften von Leben. Schneekristalle sind beispielsweise organisiert—obwohl sie nicht aus Zellen bestehen—und können wachsen, erfüllen aber keine anderen Kriterien für Leben. In ähnlicher Weise kann ein Feuer wachsen, sich durch die Schaffung neuer Brände fortpflanzen und auf Reize reagieren - gewissermaßen "metabolisiert" es auch. Feuer ist aber nicht organisiert, erhält keine Hämöostase aufrecht und besitzt keine genetische Information, die für eine Evolution notwendig wäre.

Lebewesen können einige Eigenschaften von Leben behalten, wenn sie nichtlebend werden, aber andere verlieren. Wenn du zum Beispiel das Holz eines Stuhls unter einem Mikroskop anschaust, siehst du Spuren von den Zellen, die den lebenden Baum ausgemacht haben. Das Holz lebt jedoch nicht mehr und kann, wo ein Stuhl aus ihm gemacht wurde, nicht mehr wachsen, metabolisieren, eine Homöostase aufrechterhalten, Reaktionen zeigen oder sich fortpflanzen.

Die Frage, was es bedeutet, lebendig zu sein, bleibt ungelöst. Z. B. Viren—winzige Strukturen aus Proteinen und Nukleinsäuren, die sich nur innerhalb von Wirtszellen vermehren können—besitzen viele der Eigenschaften von Leben. Sie besitzen jedoch weder eine zelluläre Struktur, noch können sie sich ohne Wirt reproduzieren. Es ist auch nicht eindeutig, dass sie eine Hämoöstase aufrecht erhalten, und sie besitzen auch keinen eigenen Stoffwechsel.

Aus diesen Gründen werden Viren im Allgemeinen nicht als lebendig bezeichnet. Aber nicht jeder ist mit dieser Schlussfolgerung einverstanden und ob sie als lebendig gezählt werden, bleibt Diskussionsthema. Einige sogar noch einfachere Moleküle, wie z. B. selbstreplizierende Proteine—wie “Prionen”, die Erreger des Rinderwahns (BSE)—und selbstreplizierende RNA-Enzyme besitzen auch einige, aber nicht alle, Merkmale von Leben.

Außerdem sind alle Merkmale von Leben, über die wir gesprochen haben, charakteristisch für Leben auf der Erste. Wenn außerirdisches Leben existiert, kann es, muss aber nicht die gleichen Merkmale haben. Tatsächlich öffnet die Arbeitsdefinition der NASA, dass "das Leben ein autarkes System mit der Fähigkeit zu einer Darwinschen Evolution" ist, die Tür zu viel mehr Möglichkeiten als die oben definierten Kriterien${}^3$‍. Andererseits macht diese Definition es auch sehr schwer zu entscheiden, ob es lebendig ist!

Wenn weitere Arten an biologischen Einheiten entdeckt werden, auf der Erde oder darüber hinaus, könnte es notwendig werden, dass wir nochmal über die Merkmale von Leben nachdenken. Zukünftige Entdeckungen könnten nach einer Überarbeitung und Erweiterung der Definition von Leben verlangen.

Wie würdest du Leben definieren? Würdest du der Liste oben etwas hinzufügen, etwas streichen oder eine völlig andere Definition verwenden? Fallen dir Ausnahmen oder Spezialfälle ein, die durch die Liste nicht abgedeckt sind? Teile deine Ideen in den Kommentaren unten!