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Wie das Mikroskop unser Wissen über die Lebewesen erweiterte |
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Der Aufbau einer tierischen Zelle |
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Der Aufbau einer eukaryotischen Zelle |
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Von der befruchteten Eizelle zum Vielzeller |
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nützliche Zellen |
Diese Internetseite fasst den Film: "Die Zelle - Baustein des Lebens" von Manfred Baur, Monika Graf (Buch) und Bettina Pfändner (Regie) von 2012 zusammen. Zu diesem Selbstlern-Hypertext habe ich ein "Arbeitsblatt" mit Aufgaben erstellt. Jahrelang konnte man sich diesen kurzen Film in zahlreichen Versionen bei YouTube ansehen. Jetzt findet man dort immerhin noch ähnliche Videos.
Wie das Mikroskop unser Wissen über die Lebewesen erweiterte
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Von allen Lebewesen kannten Menschen vor der Erfindung des Mikroskops nur die Tiere, Pflanzen, Pilze und vielleicht Schleimpilze. Sie wussten nicht, dass es auch einzellige Lebewesen gibt und dass Zellen die Grundbausteine aller vielzelligen Lebewesen sind.
Mit einer perfekt kugelförmigen Linse erreichte Antoni van Leeuwenhoek eine bis zu 270-fache Vergrößerung. Damit entdeckte er 1674 rote Blutkörperchen und 1675 Bakterien sowie größere einzellige Lebewesen. Er erkannte jedoch noch nicht, dass diese Mikroorganismen aus nur einer Zelle und größere Lebewesen aus vielen Zellen bestehen. Im Auftrag der Royal Society in London baute der Naturforscher Robert Hooke ein Lichtmikroskop mit zwei Linsen, wie sie heute noch üblich sind. Als er damit in sehr dünne Scheiben geschnittenen Kork untersuchte, fand er darin kleine Hohlräume. Er nannte sie Zellen, weil sie ihn an Klosterzellen erinnerten. Ihre Bedeutung erkannte aber auch er nicht. Erst Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelten die deutschen Forscher Schwann und Schleiden die Theorie, dass alle Lebewesen aus Zellen aufgebaut sind. Sie meinten, dass die Zellen ein Eigenleben besitzen, welches aber dem Wohl des Gesamtorganismus untergeordnet werde. Der berühmte Arzt und Forscher Rudolf Virchow steuerte 20 Jahre danach die Erkenntnis bei, dass alle Zellen aus bereits existierenden hervorgegangen sind. Er entdeckte auch, dass viele Krankheiten ihre Ursache in Veränderungen innerhalb von Zellen haben.
Die Untersuchung des Zellinneren wurde stark durch die Entwicklung der Dünnschnitt-Technik sowie durch die Erfindung und Anwendung künstlicher Farben gefördert, weil diese verschiedene Teile der Zellen unterschiedlich anfärben und damit unterscheidbar machen. Noch genauer ließ sich der innere Aufbau der Zelle durch das 1933 von Ruska und Knoll entwickelte Elektronenmikroskop erforschen. In ihm kann man allerdings keine lebenden Zellen untersuchen.
Der Aufbau einer tierischen Zelle
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| Woland Messer, GNU Free Documentation License |
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Der Aufbau einer eukaryotischen Zelle
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Von ihrer Umwelt grenzen sich Zellen mit einer extrem dünnen Membran aus Lipiden und Proteinen ab. Man nennt sie Zellmembran, und sie lässt selektiv nur bestimmte Dinge in die Zelle hinein oder aus ihr hinaus. Ihre Funktion entspricht der Aufgabe einer antiken oder mittelalterlichen Stadtmauer mit bewachten Stadttoren.
Im Inneren einer eukaryotischen Zelle unterscheidet man zwischen dem scheinbar strukturlosen, gelartigen Cytoplasma und den Organellen. Organellen sind für die Zelle, was Organe für den menschlichen Körper bedeuten. Jedes Organell hat bestimmte Aufgaben und grenzt sich vom Zytoplasma ab, um diese Aufgaben erfüllen zu können, ohne dabei von anderen Teilen der Zelle gestört zu werden oder selbst der Zelle zu schaden. Normalerweise geschieht diese Abgrenzung durch eine Membran, welche das Organell umgibt. Ein Teil der Biologen zählt aber auch funktionelle Einheiten der Zelle zu den Organellen, die sich anders als durch eine Membran vom Cytoplasma abgrenzen.
In der Zelle fällt vor allem der große, kugelige Zellkern auf. Seine Zellkernhülle wird vom sogenannten endoplasmatischen Retikulum gebildet, das ihn umgibt. In der Zellkernhülle gibt es Kernporen für einen regen Austausch zwischen der Zelle und ihrem Zellkern. Der Zellkern enthält und beschützt vor allem den Bauplan der Zelle. Bei vielzelligen Eukaryoten wie dem Menschen enthalten ganz unterschiedliche Zelltypen wie Muskelzellen und Nervenzellen den selben Bauplan. Deshalb kann der Zellkern nicht die Schalt- oder Kommandozentrale der Zelle sein. Die ganze Zelle entscheidet in Absprache mit Nachbarzellen und beeinflusst durch Hormone, welche der vielen Bauanleitungen (Gene) für einzelne Eiweiße oder RNAs sie gerade benötigt. Der Zellkern entspricht also eher der Bibliothek als dem Rathaus einer Stadt.
Nur die im Film auch gezeigten Geschlechtszellen (Samen- und Eizellen) enthalten nicht den selben Bauplan wie die normalen Körperzellen. Während eine normale menschliche Körperzelle 46 Chromosomen enthält, sind es bei Geschlechtszellen nur 23. Man kann auch sagen, dass der menschliche Bauplan in 23 Chromosomen verpackt oder unterteilt ist, von denen normale Körperzellen jeweils 2 Exemplare enthalten. Das eine stammt aus der Eizelle der Mutter und das andere aus der Samenzelle (Spermium) des Vaters. Produziert ein Mensch Eizellen oder Samenzellen, dann erhalten diese von jedem der 23 Chromosomen nur ein Exemplar. Die Geschlechtszellen eines Menschen enthalten unterschiedliche Mischungen der Baupläne seiner beiden Eltern.
Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist wie der Zellkern ein unverzichtbares Organell jeder eukaryotischen Zelle, die noch teilungsfähig ist oder wenigstens noch Eiweiße und Membranen produziert. Die den Zellkern umgebenden Teile des ER sind die Orte, in denen neue Membranen und nicht im Zytoplasma zu bleibende Proteine produziert werden. Deshalb befinden sich auf diesem inneren Teil des endoplasmatischen Retikulums Ribosomen, die seine Oberfläche rauh erscheinen lassen. Man nennt es daher raues endoplasmatisches Retikulum. In seinen Funktionen entspricht es den Fabriken und Werkstätten einer Stadt.
Das Cytoplasma enthält unter anderem Ribosomen. Sie bestehen aus einer größeren und einer kleineren Untereinheit, die beide im Zellkern aus mehreren Eiweißen und ribosomalen RNAs zusammengesetzt werden. Ribosomen sind komplexe Strukturen, an denen einzelne Bauanleitungen abgelesen und diesen entsprechende Eiweiße produziert werden. Jede Bauanleitung für ein Protein steckt in einem Gen, welches Teil des Genoms (Gesamtbauplans) der Zelle ist. Damit Ribosomen eine Bauanleitung ablesen und entsprechende Eiweiße produzieren können, muss zunächst im Zellkern eine Kopie des Gens hergestellt werden. Dieses Kopieren nennt man Transkription, denn die Kopie besteht aus RNA, während das Gen aus DNA besteht. Außerdem enthält die Kopie nur noch die Teile des Gens, welche an den Ribosomen für die Eiweiß-Produktion benötigt werden.
Die Kopien verlassen durch die Kernporen den Zellkern und wandern wie Boten ins Zytoplasma. Deshalb nennt man diese RNAs auch Boten-RNAs oder mRNAs (messenger RNA). Im Cytoplasma binden die zunächst noch getrennten Ribosomen-Untereinheiten an die mRNA, suchen das Start-Signal (Start-Codon) und beginnen mit der Übersetzung (Translation) der Bauanleitung in die Aminosäure-Sequenz eines Proteins. Soll dieses Protein im Zellinneren bleiben, dann geschieht die Translation im Zytoplasma. Soll aber das Eiweiß die Zelle verlassen oder soll es Bestandteil der Zellmembran werden, dann wandert das Ribosom mit der mRNA zum rauen ER, setzt sich auf dessen Oberfläche und synthetisiert das Protein in das endoplasmatischen Retikulums hinein. Die Ribosomen entsprechen also den Produktionsmaschinen oder -Robotern einer Stadt.
Zwischen dem endoplasmatischen Retikulum und der Zellmembran befinden sich Dictyosome genannte Stapel flacher und relativ großer Membranbläschen. Die Summe aller Dictyosomen einer Zelle nennt man Golgi-Apparat. Im Golgi-Apparat werden Eiweiße und Membranen sortiert, in Vesikel verpackt und an ihre Bestimmungsorte verschickt. Dictyosomen entsprechen also Poststationen, Logistikzentren wie DHL oder noch passender Versandhandels-Unternehmen wie Amazon.
Die Container oder Eisenbahnwagons einer Zelle sind die Vesikel. Ein Vesikel ist ein kleines Bläschen mit einer Hülle aus einer Membran. Vesikel entstehen durch Abschnürung vom ER, von einem Dictyosom oder Endosom oder von der Zellmembran. Vesikel werden von über das Cytoskelett laufenden Motorproteinen durch das Cytoplasma zu ihren Zielmembranen gezogen. Dort verschmelzen sie mit der Zielmembran und entleeren dabei ihr Inneres auf die andere Seite der Zielmembran.
Mit den im Film genannten Verdauungsorganen der Zelle dürften die Endosomen gemeint sein. Das sind größere Membranbläschen, die durch das Verschmelzen mehrerer Vesikel entstehen, die ihrerseits meistens durch Abschnürung (Endocytose) von der Zellmembran entstanden und Verdaubares von außerhalb der Zelle enthalten. Zu richtigen Verdauungsorganellen der Zelle werden Endosomen aber erst durch die Verschmelzung mit Lysosomen, die verschiedene Verdauungs-Enzyme enthalten.
Die winzigen Entgiftungs-Organellen nennt man Peroxisomen.
Mitochondrien fungieren als Kraftwerke der Zelle. Sie werden normalerweise nicht vom Spermium des Vaters, sondern nur von der Eizelle der Mutter in die befruchtete Eizelle (Zygote) eingebracht. Mitochondrien werden von der eukaryotischen Zelle beschützt und ernährt und liefern im Gegenzug der Zelle den universell verwendbaren Energieträger ATP. Man könnte sie als Haustiere eukaryotischer Zellen betrachten, denn sie sind nur noch in Zellen lebensfähige Bakterien mit einen eigenen Bauplan und vermehren sich durch Zellteilung. Aber sie sind viel mehr als das. Die längst allgemein akzeptierte Endosymbiontentheorie geht davon aus, dass eine Archäe und ein Bakterium als ursprünglich gleichberechtigte Partner (Symbionten) mit unteschiedlichen Aufgaben eine gemeinsame Zelle bildeten. Dabei lebten das Bakterium und seine Nachkommen in der Archaee und entwickelten sich zu Mitochondrien. Darum nennen wir sie Endosymbionten.
Viele Pflanzenzellen enthalten zusätzlich Chloroplasten genannte Organellen. Sie geben den Pflanzen ihre grüne Farbe und in ihnen findet die Fotosynthese statt. Ohne die Fotosynthese könnte kein Mensch leben, denn sie nutzt die Energie des Sonnenlichts, um die für uns lebenswichtigen Moleküle Traubenzucker und Sauerstoff aus Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) zu produzieren. Wie die Mitochondrien besitzen auch die Chloroplasten einen eigenen Bauplan und vermehren sich durch Zellteilung. Die meisten Biologen glauben heute, dass die Chloroplasten von Cyanobakterien abstammen. Pflanzliche unterscheiden sich demnach von tierischen eukaryotischen Zellen dadurch, dass in ihnen zusätzlich zu den Mitochondrien auch noch Chloroplasten als Endosymbionten leben.
Von der befruchteten Eizelle zum Vielzeller
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Eine befruchtete Eizelle (Zygote) teilt sich in zwei Tochterzellen, die sich ihrerseits ebenso teilen. Dabei sind und bleiben die Tochterzellen jeweils nur halb so groß wie ihre Mutterzellen. Zunächst sind alle Tochterzellen nahezu identisch und austauschbar. Sie bilden einen frühen Embryo, der sich in zwei eineiige Zwillinge teilen und dem man nach einer künstlichen Befruchtung einzelne Zellen für eine genetische Analyse entnehmen kann, ohne damit der Entwicklung des Embryos zu schaden.
Nach einigen Tagen beginnen die vielen Tochterzellen eines Embryos sich zu differenzieren. Das bedeutet, dass sie anfangen, sich unterschiedlich zu entwickeln. Sie werden beispielsweise zu Muskelzellen, Nervenzellen oder Blutkörperchen. So entstehen die etwa 200 verschiedenen Zelltypen des Menschen und anderer Säugetier-Spezies.
Im Gegensatz zur Aussage des Films kann das Zusammenspiel verschiedener Zellarten in einem vielzelligen Organismus sehr wohl auf Dauer funktionieren. Das zeigen viele Tausend Jahre alte Tiere, Pflanzen und Pilze, von denen sehr wahrscheinlich einige potentiell unsterblich sind. Das wir Menschen und die meisten anderen vielzelligen Lebewesen altern und sterben, ist keine Schwäche oder Fehlfunktion der Zellen. Die weitaus meisten Lebewesen sind einzellig und altern überhaupt nicht. Auch die Zellen von Vielzellern müssten nicht altern, sondern haben diese Eigenschaft erst im Laufe der Evolution entwickelt, damit sich Großeltern, Eltern und Kinder nicht solange Lebensraum, Nahrung und Jobs teilen müssen, bis alle verhungern oder um immer knapper werdende Lebensgrundlagen kämpfen müssen. Würden die Älteren nicht durch die programmierte Alterung ihrer Zellen geschwächt und letztlich getötet, dann hätten ihre Nachkommen im Kampf ums Überleben keine Chance, weil sie zu schwach und unerfahren wären. Würden aber statt der älteren fast nur die jüngeren Individuen einer Spezies sterben, dann könnte sich diese nicht schnell genug an neue Krankheitserreger oder sich ändernde Umweltbedingungen anpassen und würde aussterben. Genau das dürfte den meisten vielzelligen Spezies passiert sein, deren Individuen zu langlebig waren. Deshalb sind Alterung und Sterben eine überlebenswichtige Fähigkeit höherer Lebensformen.
nützliche Zellen
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Um ihre extreme, hochkomplexe Ordnung vor dem Zerfall zu schützen und um all ihre Lebensfunktionen betreiben zu können, müssen Zellen aus ihrer Umwelt Stoffe und Energie aufnehmen. Tierische und viele pilzliche Lebensformen müssen die Biomoleküle anderer Lebewesen in deren kleinste Grundbausteine (Monomere) zerlegen (verdauen), um anschließend aus diesen Monomeren ihre eigenen Spezies-spezifischen, polymeren Biomoleküle aufbauen zu können. Man nennt dieses Verdauen und Aufbauen insgesamt Stoffwechsel. Einige Stoffwechsel-Aktivitäten bestimmter Mikroorganismen haben Menschen schon seit Jahrtausenden für sich genutzt, obwohl sie gar keine Mikroorganismen kannten. So erzeugen Hefe-Zellen Kohlenstoffdioxid (CO2) und Alkohol aus Zucker. Besonders viel CO2 produzierende Hefen machen vor dem Backen den Brotteig locker. Besonders viel Alkohol vertragende Hefen produzieren Bier oder Wein. Bestimmte Bakterien verarbeiten Milch zu Käse oder Joghurt. Gentechnisch veränderte Bakterien und Hefen produzieren heute lebenswichtige Medikamente wie das Insulin. Experimente mit Zellkulturen ersetzen viele Tierversuche. Und Grundlagenforschung an Zellen produzierte Wissen, mit dessen Hilfe wir heute viele Krankheiten besser behandeln können.
meine kritischen Zusammenfassungen von Fernsehdokumentationen
Kommentare und Kritik von Fachleuten, Lernenden und deren Eltern sind jederzeit willkommen.
Roland Heynkes, CC BY-SA-3.0 DE
