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Lebewesen
Eigenschaften von Lebewesen (Übersicht) ; Aufnahme ; Pflanzen nehmen Lichtenergie auf und erzeugen durch Photosynthese Biomasse (Primärproduktion).
Inhalt6 Abschnitte
Grundmerkmale des Lebens
Lebewesen sind organisierte Einheiten, die unter anderem Stoffwechsel, Fortpflanzung, Reizbarkeit, Wachstum und Evolution ermöglichen. Sie stehen dauerhaft im Austausch von Energie, Stoffen und Informationen mit ihrer Umwelt. Dadurch prägen sie die Biosphäre und die Zusammensetzung der Erdatmosphäre. Etwa 30 Prozent der gesamten Biomasse der Erde entfielen nach Schätzungen von 2006 auf unterirdisch lebende Mikroorganismen.
Zu den typischen Kennzeichen gehören Energieaufnahme und -abgabe, Stoffaustausch, chemischer Stoffwechsel, Informationsaufnahme und -weitergabe, Reaktionen auf Reize, Wachstum und Selbstreproduktion. Pflanzen nehmen beispielsweise Lichtenergie auf und erzeugen durch Photosynthese Biomasse; Tiere gewinnen Energie aus Nahrung. Tiere geben unter anderem Kohlenstoffdioxid und Wasser ab. Die genetische Information wird in der DNA gespeichert und bei der Fortpflanzung vererbt.
Einige dieser Eigenschaften kommen auch bei technischen oder unbelebten Systemen vor. Felsen nehmen Lichtenergie auf und geben Wärme ab, und technische Anlagen können auf Messwerte reagieren. Für Lebewesen gelten daher besonders drei Kriterien: Stoffwechsel während zumindest einer Lebensphase, verbunden mit einer Abgrenzung durch eine Wand oder Membran; die Fähigkeit zur Selbstreproduktion; sowie genetische Variabilität, die evolutionäre Entwicklung ermöglicht. Sporen, Bärtierchen in Resistenzstadien und Vogeleier gelten als Beispiele für latentes Leben.
Aufbau und chemische Grundlage
Lebewesen bestehen überwiegend aus Wasser, organischen Kohlenstoffverbindungen sowie häufig aus mineralischen Schalen oder Skeletten. Alle bekannten Pflanzen, Tiere, Pilze, Protisten, Bakterien und Archaeen sind aus Zellen oder Synzytien aufgebaut. Zellen sind durch Biomembranen in abgegrenzte Reaktionsräume, sogenannte Kompartimente, gegliedert. Ihr Erbgut enthält die Anweisungen für Wachstum und Lebensvorgänge. Bei mehrzelligen Organismen differenzieren sich Zellen zu Geweben und Organen mit unterschiedlichen Aufgaben.
Die wichtigsten Elemente biologischer Makromoleküle sind Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N); Phosphor (P) und Schwefel (S) kommen in geringeren Anteilen hinzu. Magnesium (Mg) und Zink (Zn) wurden bisher ebenfalls bei allen untersuchten Organismen benötigt. Bei anderen Elementen ist die Notwendigkeit nicht allgemein gesichert. Manche Milchsäurebakterien benötigen kein Eisen (Fe), und einige Kieselalgen können Cadmium (Cd) nutzen, obwohl es für die meisten Organismen giftig ist.
Der Mensch benötigt 20 Elemente. Chrom (Cr) war lange umstritten und gilt heute nur als nützliches, nicht essentielles Spurenelement. Für alle Pflanzen gelten 17 Elemente als essentiell; manche Pflanzen nutzen zusätzlich Aluminium (Al) oder Silicium (Si). Zu den wichtigen Biomolekülen gehören DNA und RNA, Proteine, Polysaccharide, Lipide und Steroide. Aminosäuren und Nukleotide können auch abiotisch entstehen, die komplexen reproduzierenden Makromoleküle jedoch nicht. Alle bekannten Lebensvorgänge finden in Anwesenheit von Wasser statt.
Systematik und Evolution
Die biologische Systematik unterscheidet drei Domänen: Bakterien (Bacteria), Archaeen (Archaea) und Eukaryoten (Eukaryota). Bakterien und Archaeen besitzen keinen Zellkern und heißen Prokaryoten. Eukaryoten besitzen einen Zellkern; zu ihnen gehören Tiere, Menschen, Pflanzen, Pilze und Protisten. Eukaryoten und Archaeen sind näher miteinander verwandt. Nach heutiger Auffassung gingen die Eukaryoten wahrscheinlich aus den Archaeen hervor, doch die genaue Position dieser Abzweigung ist umstritten.
Rezente Lebewesen stammen nach der Abstammungstheorie von anderen Lebewesen ab. Die Evolution erklärt die Vielfalt der Lebensformen durch Mutation, Variation, Vererbung und Selektion. Die Entwicklung des Lebens verlief durch zahlreiche zufällige Einflussfaktoren vermutlich einmalig. Als älteste mögliche fossile Spuren gelten mikroskopisch kleine Fäden in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen, die als Überreste von Cyanobakterien gedeutet werden; diese Deutung ist jedoch nicht allgemein anerkannt, da auch geologische Erklärungen möglich sind.
Für die frühe Entstehung des Lebens gibt es verschiedene Hypothesen. Eine ältere Vorstellung verortet einen primitiven Stoffwechsel auf Eisen-Schwefel-Oberflächen bei vulkanischen Ausdünstungen. Neuere Ansätze beziehen alkalische Weiße Raucher ein, deren Poren und Kapillaren die Bildung von Biopolymeren begünstigt haben könnten. Danach könnten selbstreplizierende Nukleinsäuren und primitive Übersetzungsmechanismen entstanden sein. Aus diesen Vorstufen entwickelten sich möglicherweise durch Membranbildung die ersten Zellen: eine Linie führte zu Bakterien (LBCA), eine andere zu Archaeen (LACA). Die gemeinsame Vorstufe wird als LUCA bezeichnet.
Lebewesen als Systeme
In der Systemtheorie gelten Lebewesen als offene, komplexe und dynamische Systeme. Sie können ihre Struktur und ihr inneres Milieu trotz Störungen stabil halten, sich an Umweltveränderungen anpassen und durch Rückwirkungen ihre Umwelt verändern. Sie sind hierarchisch organisiert: Organe bestehen aus Zellen, Zellen aus Organellen und diese aus Biomolekülen. Gleichzeitig sind Lebewesen Bestandteile übergeordneter Systeme wie Populationen, Familienverbände und Biozönosen.
Das genetische Programm löst Lebensvorgänge aus, steuert und regelt sie und wird selbst reproduziert. Es gibt der Entwicklung und dem Verhalten eine Richtung vor, legt sie aber nicht vollständig fest. Die Ungenauigkeit der Reproduktion erzeugt Variabilität und ermöglicht Evolution. Thermodynamisch sind Lebewesen offene Systeme fern vom Gleichgewicht. Sie erhalten ihren hohen Ordnungsgrad und ihre niedrige Entropie durch Energiezufuhr und geben dabei Entropie an die Umwelt ab. Nach dem Tod steigt die Entropie, und der geordnete Zustand zerfällt.
Begriffsgrenzen und Grenzformen
Die äußere Grenze eines Lebewesens kann eine Zellmembran, Zellwand, Pellicula, Haut oder Rinde sein. Bei Organismen mit Schleimkapseln oder ähnlichen Absonderungen hängt die Abgrenzung des Individuums von der jeweiligen Fragestellung ab. Auch der Individuumsbegriff ist problematisch: Pflanzen können durch Ableger oder Klonen in mehrere lebensfähige Exemplare zerfallen. Kolonien und manche Einzeller verbinden sich zeitweise, obwohl ihre Zellen einzeln lebensfähig sind.
Autarkie ist nur eingeschränkt möglich. Kein Lebewesen ist energetisch vollständig unabhängig; als Energiequelle dienen meist die Sonne oder chemische Energie anorganischer Stoffe. Autotrophe Organismen können organische Stoffe aus anorganischen herstellen, heterotrophe benötigen vorgefertigte Nährstoffe. Lebensgemeinschaften können durch geschlossene Stoffkreisläufe teilweise autark sein.
Viren gelten meist nicht als Lebewesen, weil sie weder Zellen besitzen noch einen eigenen Stoffwechsel haben und sich nur mithilfe der Biosynthese-Maschinerie einer Wirtszelle vermehren. Als Virionen bestehen sie außerhalb von Zellen aus Nukleinsäure und Proteinhülle. Wegen ihrer Evolution und ihrer schwierigen Einordnung gelten sie als Grenzformen des Lebens.
Lebewesen der Superlative
Der Dunkle Hallimasch im Malheur National Forest in Oregon gilt mit rund 9 Quadratkilometern als flächenmäßig größtes Lebewesen und größter Pilz der Erde. Je nach Quelle werden etwa 880 oder 965 Hektar und ein Gewicht von 7567 bis 35.000 Tonnen angegeben. Der General Sherman Tree, ein Riesenmammutbaum in Kalifornien, wog nach dem Stand von 1938 1.950 Tonnen und gilt vermutlich als schwerstes nicht-klonales Lebewesen.
