Kommunikation (Biologie)

Begriff und innere Informationsverarbeitung

Kommunikation bedeutet in der Biologie zeichenvermittelte Interaktionen zwischen Zellen, Geweben, Organen und Organismen zur Koordination von Verhalten. Sie umfasst außerdem die Informationsübertragung innerhalb eines Organismus sowie Signale und Nutzinformation zwischen zwei oder mehreren Einzelorganismen.

Innerhalb von Zellen finden fortlaufend Rückkopplungen statt: zwischen Zellkern, Zellflüssigkeit und Organellen. Die Zellmembran grenzt das Zellinnere durch ihre spezifische Durchlässigkeit gegenüber der Außenwelt ab, ermöglicht aber zugleich einen kontrollierten Stoffaustausch. Dieser ist eine Form lebensfördernder Kommunikation.

Die chemischen Bauelemente und Prozesse von Zellen sind bei Lebewesen im Wesentlichen gleich. Unterschiede zwischen Organismen gehen von unterschiedlichen genetischen Festlegungen im Zellkern aus. Das dort gespeicherte Entwicklungsprogramm ist Bauplan für den Organismus, Netzplan für dessen schrittweise Umsetzung und Anweisung für die einzelnen Umsetzungsschritte. Gene geben ihre Informationen zu passenden Zeitpunkten durch Transkription und Translation, also chemische Übersetzungsprozesse, an Komponenten im Zellplasma weiter. Diese lösen Veränderungen in der Zelle oder Reaktionen mit ihrer Umgebung, etwa mit Nachbarzellen, aus. Kommunikative Rückkopplungen sichern dabei die Gerichtetheit und Präzision der Vorgänge.

Zellteilung, Differenzierung und Fortpflanzung

Höher entwickelte Lebewesen sind mehrzellig. Durch Zellteilung (Mitose) verdoppelt sich eine ursprüngliche Zelle. Wiederholte Teilungen bilden einen Zellverband, dessen Entwicklung dem in den Zellkernen niedergelegten Bau- und Netzplan folgt. Dabei differenzieren sich Zellen: Je nach Lage im entstehenden Organismus entwickeln sie unterschiedliche Funktionen.

Gleichartig spezialisierte Zellen bilden Gewebe, zum Beispiel Binde-, Knochen- oder Muskelgewebe. Mehrere, meist unterschiedliche Gewebe bauen Organe auf. Beispiele für solche Bestandteile höher entwickelter Lebewesen sind Skelett, Haut, Muskulatur, Bindegewebe, Drüsen, Blut- und Lymphgefäße sowie Nerven. Obwohl Zellverbände unterschiedliche Aufgaben übernehmen, bleibt die Struktur ihrer Zellkerne unverändert. Der gleiche Bauplan kann über biochemische Kommunikationsprozesse dennoch einen Organismus mit verschiedenen Funktionen hervorbringen.

Keimzellen besitzen nach dem Artikel denselben Zellkern wie andere Zellen, zeigen aber ein anderes Zellteilungsverhalten. Sie können eigene Erbinformationen mit denen einer artspezifisch gleichen Zelle eines anderen Organismus neu kombinieren. Dadurch entsteht ein Lebewesen, das sich im Einzelnen nicht vorhersehbar von beiden Ausgangsorganismen unterscheidet. Neben der inneren Differenzierung eines Organismus entsteht so durch die Paarung genetischer Entwicklungsprogramme unterschiedlicher Herkunft eine innovative Interaktion von Zellen zu neuen Zellverbänden.

Kommunikation zwischen Organen und Zellverbänden

Mit zunehmender Arbeitsteilung eines Organismus wird die abgestimmte Zusammenarbeit spezialisierter Teilsysteme immer wichtiger. Bei Wirbeltieren leisten dies das endokrine System und zwei neuronale, also nervliche, Systeme. Alle drei greifen ineinander und werden in unterschiedlichem Umfang vom Gehirn koordiniert und kontrolliert.

Das endokrine System hält die biophysikalischen und biochemischen Bedingungen für die Organfunktionen aufrecht und passt sie bei Bedarf an. Es arbeitet über Regelkreise mit negativer Rückkopplung beziehungsweise Autoregulation: Wie bei einer Heizung wird eine Abweichung vom Sollwert ausgeglichen und die Regelung gedrosselt, sobald der Sollwert wieder erreicht ist. Chemische Botenstoffe, Hormone, werden besonders in Drüsen produziert, gespeichert und in das Blut abgegeben. Sie werden im Körper verteilt, wirken aber nur an genetisch dafür eingerichteten Zielzellen. Diese besitzen passende Rezeptoren; Hormon und Rezeptor passen wie Schlüssel und Schloss zusammen.

Neuronale Netzwerke bestehen aus Nervenzellen oder Neuronen. Sie nehmen Informationen auf, leiten sie zu Reaktionsorten weiter und können Informationen speichern, mit anderen verbinden und abrufbar halten. Das autonome oder vegetative Nervensystem regelt gemeinsam mit dem endokrinen System nicht willentlich gesteuerte Vorgänge wie Herz- und Gefäßsystem, Atmung, Drüsensekretion, Verdauung und Wärmeregulierung. Es reagiert schneller als das endokrine System, weil Hormone im Blut vergleichsweise langsam verteilt werden. In Bedrohungs- oder Stresssituationen mobilisiert es Kraftreserven und unterbricht Energieverbrauch in nicht beteiligten Organen.

Das somatische Nervensystem ermöglicht vor allem willkürliche, koordinierte Bewegungen. Afferente Signalstränge führen Informationen über Lage, Zustand und Umgebung zum Gehirn; efferente Signalstränge leiten die daraus folgenden Reaktionsbefehle zu Gliedmaßen. Das somatische System ist nur im Wachzustand reagibel. Das Gehirn als Zentralnervensystem gleicht Ist- mit Sollwerten ab, richtet den Organismus auf Ziele aus und koordiniert die Systeme. Seine wesentlichen Leistungen sind die Interpretation eingehender Impulse auf ihre teleonome Bedeutsamkeit, das Speichern bedeutsamer Reizkonstellationen als Gedächtnis und die Verknüpfung aktueller Reizmuster mit gespeicherten Erfahrungen als Grundlage des Lernens.

Sinnesorgane und Kommunikation mit der Umwelt

Für die externe Kommunikation nehmen Sensoren Umgebungsreize auf. In komplexerer Ausprägung heißen sie Sinnesorgane und bilden die Brücke eines Organismus zu seiner Umgebung. Sinnesorgane, Gehirn und somatisches Nervensystem ermöglichen gemeinsam Aufnahme und Verarbeitung von Informationen sowie bewusste Bewegungen. Endokrine und vegetative Vorgänge wirken über Rückkopplungen auf das zentrale Nervensystem, auf emotional registrierte Befindlichkeiten, Wahrnehmung und damit auf die Umweltkommunikation ein.

Pflanzen nutzen vor allem Foto-, Thermo- und Mechanorezeptoren für physikalische Reize sowie Rezeptoren für chemische Reize. Eine passende Kombination aus Licht, Wärme, Feuchtigkeit und Nährstoffen kann bei einem Pflanzenkeim den Wachstumsprozess starten. Mechano- und Chemosensoren lenken Wurzeln, Blattwerk, Stängel oder Stamm und Äste in Richtungen, in denen Wachstumsfaktoren verfügbar sind. Bei großer Wärme verändern viele Pflanzen die Assimilations- und Verdunstungsfläche ihrer Blätter; bestimmte Pflanzen schließen bei Regen ihre Blüten zum Schutz der Staubgefäße. Bäume können für bessere Lichtverhältnisse ihre vertikale Wuchsrichtung verändern. Ranken reagieren auf Berührung und klammern sich an Gegenständen fest.

Tiere treten hauptsächlich mit Photo-, Thermo-, Mechano- und Chemorezeptoren mit ihrer Umwelt in Verbindung. Das neuronale System wandelt unterschiedliche Reizqualitäten in chemoelektrische Impulse, Aktionspotentiale, um. Dadurch können Reize gemeinsam ausgewertet und gleichartige Sensoren zu leistungsfähigen sensorischen Komplexen verschaltet werden. Lichtreize können je nach Art von bloßen Lichtwerten bis zu Farben, Mustern, Texturen und dreidimensionalen, bewegten Stereo-Farbbildern unterschieden werden. Mechanische Reize werden unter anderem als Töne und Geräusche, Berührung, Druck, Schmerz, Wärme oder Kälte wahrgenommen. Der Gleichgewichtssinn erfasst bei vielen Arten die Schwerkraft als Orientierung im Raum. Bewegungsapparat und innere Organe können Lage und Belastung registrieren. Chemische Reize werden als Gerüche über die Nase oder als Geschmack über die Zunge aufgenommen. Nocizeptoren warnen durch Schmerz, wenn Reize eine schädigende Intensität erreichen können. Als Beispiel für chemische Kommunikation wird Bombykol genannt: Es ist der erste eindeutig chemisch identifizierte Insektenpheromon und ein Sexuallockstoff des Seidenspinners Bombyx mori L.; zur Aufklärung seiner Molekülstruktur wurden 500.000 Duftdrüsen weiblicher Seidenspinner benötigt.

Reiz-Reaktionsmuster und menschliche Besonderheiten

Reiz-Reaktionsmuster sind genetisch verankerte Mechanismen, durch die Organismen instinktiv Bedürfnisse befriedigen, vor allem zur Gewinnung lebenserhaltender und wachstumsfördernder Energien. Bei einfachen Mustern löst eine spezifische Reizkonstellation, ein Schlüsselreiz, eine feste Reaktion oder Reaktionsfolge aus. Diese heißt Instinktbewegung oder Erbkoordination; der genetisch festgelegte angeborene Auslösemechanismus filtert den Schlüsselreiz aus den Umgebungseinwirkungen. Beim Pantoffeltierchen (Paramecium) löst ein Gegenstand eine Rückwärtsbewegung mit anschließender Vorwärtsbewegung in anderem Winkel aus. Bei Nahrung unterbleibt die Fluchtbewegung und die Bewegung wird für die Nahrungsaufnahme gestoppt.

Ein offenes Programm stellt mehrere genetisch angelegte Reaktionsmöglichkeiten bereit. Welche davon verwirklicht wird, hängt von den Umweltbedingungen während der Entwicklung ab. Beim geteilten Löwenzahn wuchs die im Tiefland angebaute Hälfte hoch und kräftig, mit unbehaarten Blättern und kurzer Wurzel; die im Hochgebirge angebaute Hälfte wuchs gedrungen, mit behaarten Blättern und vergleichsweise tiefer Wurzel. Nachkommen der Hochgebirgspflanze zeigten im Tiefland wieder die Form genetisch gleicher Tieflandpflanzen.

Bei Mustern mit Erfolgsrückmeldung melden zusätzliche Sensoren Ergebnis oder Verlauf einer Reaktion zurück und können sie verändern. Schmerz kann als Aversionssignal zum Abbruch führen, Bestätigungssignale können eine Reaktion verstärken. Dazu gehören Bahnung durch Übung, Sensitivierung, Gewöhnung, Angewöhnung und Prägung. Übung macht Abläufe geläufiger, sicherer und schneller. Bei Gewöhnung unterbleibt eine zunächst ausgelöste Reaktion, wenn sich der Reiz als ungefährlich erweist; schon eine geringe Veränderung der Reizkonfiguration kann dieses Schema aufheben. Angewöhnung beschreibt Reaktionsveränderungen, wenn Reizsituationen und Verhalten zu einer vorteilhaften oder angenehmen Gewohnheit werden. Prägung ist die irreversible Verknüpfung einer Reaktion mit einer Reizsituation nach einem oder wenigen Erlebnissen, oft zu Beginn des Lebens, etwa bei Nachfolgereaktion, Rivalenkampf oder Sexualverhalten.

Reaktionsfolgen können verkettet, verzweigt oder verkürzt sein. Beim Baumfalken folgen auf die Suche nach Beute, das Abspalten eines Stars vom Schwarm, das Schlagen der Beute, Rupfen und Auffressen als Zielhandlung. Bei Stichlingen können je nach Situation Nestbau, Kampf gegen Rivalen oder Werbung um ein Weibchen folgen. Klassische Konditionierung entsteht, wenn ein natürlicher Auslösereiz wiederholt mit einem zunächst neutralen Reiz verbunden wird, sodass dieser später allein die Reaktion auslösen kann. Reaktionsmuster können außerdem virtuell im zentralen Nervensystem ablaufen: Vor einer Handlung werden Möglichkeiten gedanklich durchgespielt. Der Artikel nennt dies nicht als ausschließlich menschlich, sondern auch bei Menschenaffen und Rabenkrähen.

Beim Menschen sind Instinkte nach dem Artikel weniger festgelegt. Der Organismus ist bei der Geburt weitgehend unfertig und über Jahre auf Hege und Anleitung angewiesen. Reize führen meist nicht automatisch zu bestimmten lebensdienlichen Reaktionen. Das Antriebsgefüge ist weitgehend zieloffen, das Sensorium reizoffen: Für Menschen kann alles bedeutsam werden. Hinzu kommt der Explorationstrieb, ein auf Betätigung drängender Erregungszustand, der den Menschen im Wachzustand zeitlebens begleitet.