Biologie

Anna Heynkes, 24.8.2005

Gliederung

	Die Biologie als Wissenschaft
	Die schwierige Definition des Lebens
	Die Kulturgräser - Internetrecherche und Hausaufgabe vom 12.6.2002
	Die Seenadel - Internetrecherche und Biologie-Referat vom 10.10.2002
	Der große Madagassische Taggecko oder Madagaskar-Taggecko (Phelsuma madagascariensis) - Internetrecherche und Biologie-Referat vom 16.1.2003
	Der Hyazinth-Ara - Internetrecherche und Hausaufgabe vom 15.3.2003

Die Biologie ist laut Meyers Lexikon die Naturwissenschaft, die alle Erscheinungsformen lebender Systeme, ihre Beziehungen zueinander und zu ihrer Umwelt sowie die Vorgänge, die sich in ihnen abspielen, beschreibt und untersucht. Die Biologie hat viele Teilgebiete. So erforscht die Anthropologie den Menschen, die Zoologie Tiere, die Botanik Pflanzen, die Mikrobiologie Bakterien, die Virologie Viren, die Genetik die Mechanismen der Vererbung, die Zellbiologie die Funktionsweisen von Zellen, die Molekularbiologie die Strukturen und Funktionsweisen der Biomoleküle und die Ökologie die Beziehungen zwischen den Spezies.

Eine unumstrittene Definition des Lebens gibt es nicht, aber mit Ausnahme der Viren als Grenzgänger zwischen Lebewesen und unbelebter Natur besitzen alle Lebewesen folgende Eigenschaften, von denen nicht lebende Systeme jeweils nur eine oder ganz wenige in sich vereinigen:

• Fortpflanzung, Vererbung und Evolution: Bisher wurde noch kein Lebewesen entdeckt, welches nicht von einem oder zwei genetisch weitgehend identischen Lebewesen abstammte, sondern ganz neu entstand. Demnach scheinen Lebewesen heute auf der Erde nur noch durch Fortpflanzung zu entstehen und ihre Eigenschaften durch Vererbung eines genetischen Bauplans (Genom) von ihren Eltern zu übernehmen. Beim Kopieren des Genoms entstehen selbst bei ungeschlechtlicher Fortpflanzung (Parthogenese) durch Kopierfehler (Mutationen) kleine Variationen und bei der sexuellen Fortpflanzung werden sogar jeweils zwei Genome ganz neu kombiniert. Da gut an die jeweiligen Umweltbedingungen angepasste Varianten gegenüber in dieser Hinsicht gerade untauglicheren Varianten einen Vermehrungsvorteil (Selektion) besitzen, können sich durch Mutation und Selektion Arten weiterentwickeln oder neu entstehen (Phylogenese). Im Prinzip(1) benutzen alle heute lebenden Lebewesen den selben genetischen Code zur Übersetzung von Nukleinsäuresequenzen in Aminosäuresequenzen und sind daher sehr wahrscheinlich(2) alle mit einander verwandt. Mit wenigen Ausnahmen(3) enthalten mehr- oder vielzellige Organismen in jeder Zelle eine(4) oder mehrere(5) vollständige oder fast vollständige(6) Kopie(n) des genetischen Programms (Genom) und bei normalen (mitotischen) Zellteilungen werden diese weitgehend(7) unverändert an beide Tochterzellen weiter gegeben.
  Dieses Kriterium erfüllen im Grunde auch die Viren, welche genau wie alle Lebewesen ihr Genom an ihre Nachkommen weiter geben und deren Baupläne dabei sehr rasch angepasst werden.
  1) Es gibt einige kleine Abweichungen vom normalen genetischen Code vor allem in Mitochondrien, Chloroplasten, Wimpertierchen, Grünalgen, der Hefepilzgattung Candida und sogenannten Archaebakterien, in besonderen Situationen aber auch bei allen anderen Organismen.
  2) Da der genetische Code nicht einfach ein zufällig aus vielen gleichwertigen ausgewählter, sondern ein extrem optimierter ist, könnte er durch die Evolution mehrfach "erfunden" worden sein. Für die Verwandtschaft aller heutigen Lebewesen sprechen aber auch viele Ähnlichkeiten von Proteinen.
  3) Zum Beispiel enthalten rote Blutkörperchen und Blutplättchen keinen Zellkern mehr.
  4) Viren, Bakterien und Keimzellen vielzelliger Organismen enthalten nur eine Kopie des Genoms, welches in diesem Fall haploid genannt wird.
  5) Einige Tier- und viele Pflanzenarten haben in ihren Zellen mehr als die sonst bei Pflanzen und Tieren üblichen zwei (diploid) Chromosomensätze.
  6) Zum Beispiel wird die Vielfalt der Antikörper auch durch unterschiedliches Herausschneiden von Genfragmenten aus dem Genom erreicht.
  7) Bei jeder DNA-Replikation kommt es zu Kopierfehlern und bei gesunden (nicht Tumorzellen) Nichtstammzellen auch zu einer Verkürzung der sogenannten Junk-DNA an den Centromeren.
• Energieaufnahme und geregelter Stoffwechsel: Lebewesen sind offene Systeme, die über längere Zeit eine hochkomplexe und durch zahllose Regelmechanismen fein gesteuerte Ordnung aufrecht erhalten (Homöostase), indem sie Energie in Form von Licht oder energiereichen chemischen Molekülen aufnehmen und vermittelt durch Enzyme(1) unter Energieverbrauch(2) aus einfachen Molekülen hochkomplexe Biomoleküle aufbauen sowie deren Wechselwirkungen antreiben. Die meisten kleineren Biomoleküle, Makromoleküle und Molekülkomplexe müssen ständig ersetzt werden, weil sie nach relativ kurzer Zeit verbraucht oder aktiv abgebaut werden. Das längere Zeit relativ konstante Aussehen von Lebewesen beruht also auf unzähligen Fließgleichgewichten zwischen Auf- und Abbau unter ständigem Energieverbrauch sowie intensivem Stoffaustausch(3) mit der belebten und unbelebten Umwelt.
  Viren benutzen hierfür die biochemische Maschinerie von Zellen, in die sie eindringen(4). Sie entern einfach eine Zelle und versklaven deren Bauplan. Das kann man zwar unfair und unrechtmäßig finden, aber praktisch besitzt danach der virale Bauplan eine Zelle samt genau an seine Bedürfnisse angepassten Stoffwechsel. Daher haben Viren sehr wohl einen Stoffwechsel. Ein Stoffwechsel fehlt ihnen nur, solange sie sich außerhalb von Zellen befinden. Aber auch eingetrocknete Flechten und tiefgefrorene menschliche Embryonen sind unzweifelhaft Lebewesen, weshalb offensichtlich Lebewesen nicht permanent über einen Stoffwechsel verfügen müssen. Es gibt aber auch noch einen klaren Beweis dafür, daß Viren einen Stoffwechsel besitzten müssen. Hätten sie nämlich keinen, dann wären sie geschlossene Systeme, deren Entropie nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik höchstens gleich bleiben könnte. Eine Fortpflanzung wäre ihnen also ohne einen Stoffwechsel völlig unmöglich.
  1) Enzyme sind aus Proteinen bestehende Biokatalysatoren, die mehr oder weniger spezifisch Aktivierungsenergieen chemischer Reaktionen stark reduzieren, sodaß diese auch bei Körpertemperaturen ausreichend effizient ablaufen.
  2) Energie kann nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik streng genommen weder verbraucht, noch geschaffen werden. Man spricht aber allgemein von Energieverbrauch, wenn eigentlich eine Umwandlung höherer Energieformen in Wärme gemeint ist. Verbraucht ist sie dann in dem Sinne, daß Wärme nur bei sehr hohen Temperaturen wieder in andere Energieformen verwandelt werden kann.
  3) Beim Essen, Trinken, Atmen und Ausscheiden tauschen wir Stoffe mit unserer Umwelt aus.
  4) Es ist Ansichtssache, ob man Viren das Lebenskriterium des Stoffwechsels abspricht, nur weil sie keine eigene benötigen, sondern die von ihnen umprogrammierte Stoffwechselmaschinerie ihrer jeweiligen Wirtszelle benutzen.
• Wachstum und Entwicklung: Nach jeder normalen(1) Zellteilung wachsen die Tochterzellen zu einer wiederum teilungsfähigen Normalgröße heran und verdoppeln vor der nächsten Zellteilung (Mitose) ihr Genom. Dies gilt für Einzeller wie für die Körperzellen von Vielzellern, wenn man von deren ersten Zellteilungen des befruchteten Eis absieht. Mit einigem guten Willen kann man diesen Zyklus von Einzellern als Entwicklung ansehen. Zumindest findet man bei diesen aber ein Wachstum. Eindeutig eine Entwicklung zum völlig anders aussehenden erwachsenen Organismus erkennt man bei höheren Lebewesen, wenn sie nicht nur aus kleinen Sprossen(2), sondern aus einer befruchteten oder auch nicht(3) befruchteten Einzelle entstehen. Diese Entwicklung höherer Lebewesen nach einer sexuellen oder parthogenetischen(3) Fortpflanzung nennt man Ontogenese. Bei manchen Zellkolonien und bei allen Vielzellern findet außerdem eine Differenzierung einzelner Zellen zum Zwecke funktioneller Spezialisierung statt, und selbst Bakterien können unter besonderen Umweltbedingungen spezielle Formen ausbilden.
  Viren kennen zwar kein eigentliches Wachstum, aber auch sie haben eine Art Entwicklungszyklus vom Anheften an, über das Eindringen in und das Umprogrammieren der Zelle bis zum Zusammensetzen der von der Zelle produzierten Virenbausteine und das Verlassen der Zelle.
  1) Dies gilt für Bakterien und die mitotische Zellteilung von Organismen mit Zellkern und gepackten Chromosomen (Eukaryonten). Bei meiotischen Zellteilungen können extrem kleine Spermien oder extrem große Eizellen entstehen.
  2) Pilze und Pflanzen können sich auch vegetativ, das heißt über einfaches Aussprossen vermehren.
  3) Bei vielen Insekten, Krebsen und sogar Fischen kann es zur ungeschlechtlichen Fortpflanzung (Parthogenese) kommen, sodaß aus einer unbefruchteten Eizelle ein haploides Individuum entsteht.
  
• Wahrnehmungs- und Reaktionsfähigkeit sowie Interaktion: Lebewesen können bestimmte Umweltreize wahrnehmen und mit biochemischen oder physikalischen Prozessen sowie teilweise auch mit Wachstum, Bewegung oder komplexem Verhalten gezielt darauf reagieren. Diese Fähigkeiten ermöglichen es Lebewesen auch, direkt oder zumindest indirekt mit einander zu interagieren.
  Auch diese Eigenschaft kann man Viren nicht völlig absprechen, denn sie reagieren beispielsweise auf den Kontakt mit einer Wirtszelle, indem sie in diese eindringen, diese umprogrammieren, sich darin vermehren und diese dann wieder verlassen. Manche Viren sind auch zu ihrer Vermehrung auf Helferviren angewiesen, und Viren können ihre Evolution durch den Austausch genetischer Informationen untereinander und mit Wirtszellen beschleunigen.

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