Biologie – faszinierende Lebensvielfalt

Biologie – faszinierende Lebensvielfalt Noch vor gut zwei Jahrhunderten war es für den gebildeten europäischen Menschen selbstverständlich, dass Leben aus dem Nichts entsteht – zum Beispiel in verrottendem Fleisch. Seltsame Dämpfe und eine eigenartige »Lebenskraft« als Antrieb aller biologischen Vorgänge beherrschten die Vorstellungswelt der abendländischen Wissenschaft. Dies fußte durchaus auf Beobachtungen und war auch nachprüfbar – aus heutiger Sicht aber dennoch von Grund auf falsch. Das trifft genauso auf die Ergebnisse und Kenntnisse zu, zu denen Forscher in anderen Kulturen gelangten. Mit dem Einsatz von heute selbstverständlichen Beobachtungs- und Untersuchungsgeräten wie dem Mikroskop kam es ab dem 17. Jahrhundert zu großen Umwälzungen in der Biologie. Antike und mittelalterliche Vorstellungen wurden nach und nach durch das sich herausbildende moderne Gebäude der Biologie mit ihren neu entstandenen Teilgebieten wie Molekularbiologie, Ökologie oder Genetik ersetzt. Aus Beobachtungen der Natur schuf Carl von Linné beispielsweise ein Ordnungssystem, das bis heute Bestand hat. Fossilfunde und der Vergleich verwandter Arten motivierten Darwin zu seiner epochalen Evolutionstheorie, Gregor Mendels als Liebhaberei abgetane Kreuzungsversuche leiteten das Zeitalter der Genetik ein. Auch in heutiger Zeit gibt es große Umwälzungen. Der vorläufige Abschluss des Humangenom-Projekts, in dem das gesamte menschliche Erbgut entschlüsselt wird, fand weltweite Beachtung weit über Fachkreise hinaus. Die Biologie selbst entwickelt sich immer weiter. Wurde früher nur beobachtet und katalogisiert, so sind heute ausgeklügelte Experimente möglich, die weit über die Kreuzungsversuche früherer Jahrhunderte hinausgehen – etwa die gezielte Veränderung des Erbguts von Organismen. Dies wirft neue wissenschaftliche und ethische Fragen auf, die teilweise über die Biologie hinaus die ganze Gesellschaft betreffen. Leben: Das organisierte Chaos Was unterscheidet Lebewesen von toter Materie? Im Wesentlichen sechs Merkmale: 1. Individualität und Gestalt, 2. Wachstum und Entwicklung des Individuums, 3. Stoffwechsel und Energieverbrauch, 4. Bewegung und Reaktion auf Reize, 5. Fortpflanzung und Vererbung, 6. Entwicklung der Art (Evolution). Jedes Wesen hat eine charakteristische Gestalt, die trotz individueller Abweichungen typisch für alle seine Artgenossen ist. Zwischen dem Aussehen von Körperteilen und ihren Funktionen besteht oft ein enger Zusammenhang. So ähneln sich beispielsweise die Grabbeine von Maulwurf und Maulwurfsgrille nicht nur äußerlich, sondern auch in ihrer Funktion: Sie sind zum Graben geeignet. Durch Wachstum und Entwicklung verändern sich Lebewesen tief greifend. Besonders deutlich ist dies bei Insekten, deren Existenz als Larve und Puppe sich von ihrem Leben als Vollinsekt völlig unterscheidet. Ist ein Organismus erwachsen, setzt der Alterungsprozess ein, der schließlich mit dem Tod endet. Wachstum und Entwicklung benötigen Energie, die einem Organismus von außen zugeführt werden muss. Lebewesen gewinnen sie entweder aus der Nahrung oder, wie die Pflanzen, aus anderen Energieformen. In Stoffwechselprozessen werden die aufgenommenen Stoffe so umgewandelt, dass der Organismus sie verwerten kann. Leben ist immer mit Bewegung verbunden. Selbst Pflanzen, die fest verwurzelt am selben Ort verharren, bewegen sich aktiv, beispielsweise, indem sich Blätter und Sprosse zum Licht wenden. Bewegung kann auch durch mechanische Reize von außen ausgelöst werden wie bei der Mimose. Lebewesen haben Nachkommen. Der Mensch gibt sein Erbgut ausschließlich geschlechtlich, also durch Verschmelzung von Ei- und Samenzellen weiter. Dabei kommt es gleichzeitig zu einer Neukombination des Erbguts. Die ungeschlechtliche Fortpflanzung ist sowohl bei Pflanzen (Teilung, Knospung oder über Ableger) als auch bei Tieren (Teilung, Knospung) zu finden. Bei der Fortpflanzung bleiben die charakteristischen Eigenschaften einer Art erhalten und werden auf die Nachkommen übertragen: Sie werden vererbt. Die Arteigenschaften müssen jedoch nicht konstant bleiben, sondern können sich im Laufe von Generationen verändern. Die Entwicklung der Arten sorgt u. a. dafür, dass sich Organismen an ihren Lebensraum und an andere Lebewesen anpassen und so als Art überleben können. Gelingt dies nicht, stirbt die Art aus. Alle heute existierenden Arten sind das Ergebnis einer viele Millionen Jahre dauernden stammesgeschichtlichen Entwicklung, der Evolution. Wie organisiert sich das Leben? Durch eine äußerst komplexe Ordnung. Man unterscheidet verschiedene Strukturebenen, die durch steigende Komplexität gekennzeichnet sind. Ganz unten stehen die Atome und Moleküle, die zweite Ebene bilden die Zellorganellen, also Funktionseinheiten (wie Zellkern und Mitochondrien) innerhalb von Zellen. Die kleinste lebensfähige Einheit ist die Zelle (Ebene drei). Aus Zellen setzen sich die Gewebe zusammen, verschiedene Gewebe bilden ein Organ und mehrere Organe wirken in Organsystemen und schließlich im Organismus zusammen. Die oberste Ebene ist die Lebensgemeinschaft: das Zusammenleben von Organismen verschiedenster Arten. Wie trotzt das Leben ständig wechselnden Umweltbedingungen? Lebewesen sind offene Systeme, deren Kennzeichen die Fähigkeit der Regulation ist. Das heißt, ein Organismus ist in der Lage, den eigenen Zustand wahrzunehmen, diesen mit einem für ihn optimalen Wert zu vergleichen und notfalls Korrekturen vorzunehmen. Auf diese Weise kann er trotz wechselnder Umwelteinflüsse einen stabilen Zustand aufrechterhalten. Als offene Systeme sind Lebewesen auf den Austausch von Stoffen und Energie mit ihrer Umwelt angewiesen. Dabei gleichen sie Schwankungen in der Aufnahme und beim Verbrauch der Stoffe so aus, dass deren Konzentration weitgehend konstant bleibt. Die Körpertemperatur des Menschen ist ein Beispiel für einen solchen ausbalancierten Zustand: Auch wenn dem Körper kalte oder heiße Nahrung zugeführt wird oder die Außentemperatur steigt oder fällt, liegt die Körpertemperatur immer bei etwa 37°C. Wussten Sie, dass … ein erwachsener Mensch aus 10–100 Billionen einzelnen Zellen besteht? es zwar noch keinen sicheren Beweis für Leben außerhalb der Erde gibt, aber verschiedene Biomoleküle bereits in kosmischen Gaswolken nachgewiesen wurden? über die Hälfte aller bekannten Tierarten zur Gruppe der Käfer gehört? bestimmte Mikroorganismen nur in konzentrierter Säure bei fast 100 °C gedeihen? Viren keine Lebewesen sind, weil sie sich nicht selbst vermehren können? die Masse aller Bakterien auf der Erde in etwa genauso groß ist wie die aller Tiere, Pflanzen und Pilze zusammen? eine Eiche bis zu 60 000 Blätter haben kann? Bambus 90 cm am Tag wachsen kann? Leben aus dem Reagenzglas? In einem berühmten Experiment wies der US-Amerikaner Stanley L. Miller 1953 nach, dass aus anorganischen Stoffen komplexe Biomoleküle entstehen können. Er füllte Wasser in einen Gasballon und schichtete darüber Methan, Ammoniak und Kohlendioxid – Gase, wie sie in der Ur-Atmosphäre der Erde vor etwa vier Milliarden Jahren zu finden waren. Durch Erhitzen und elektrische Entladungen bildeten sich in dieser selbstgekochten »Ursuppe« Aminosäuren, Zucker und Fettsäuren. Die fünf Reiche: Ein Ordnungsversuch Gibt es eine Ordnung in der belebten Welt? Ja, aber bislang konnte sich die Wissenschaft noch nicht auf ein verbindliches System festlegen. Eine lange Zeit gängige Einteilung ging von fünf Reichen aus, die auf drei Ebenen organisiert sind: Das erste Reich bilden die Einzeller ohne echten Zellkern, die man auch Prokaryonten nennt (»Vorkernige«). Im zweiten Reich sind die Einzeller mit Zellkern versammelt, hier sind sowohl pflanzliche als auch tierische Formen zu finden. Einzeller mit Zellkern und alle Vielzeller bilden zusammen die Gruppe der Eukaryonten (»Echtkernigen«). Die übrigen drei Reiche bilden die dritte Ebene und umfassen die Vielzeller Pilze, Pflanzen und Tiere. Ein anderes, neueres systematisches Modell teilt alle Lebewesen in drei Domänen: Bacteria, Archaea und Eucarya. Bacteria (Bakterien oder auch »Eubakterien« – echte Bakterien) sind relativ einfache Zellen ohne Zellkern. Zu ihnen gehören so bekannte Krankheitserreger wie Salmonellen oder das Diphtheriebakterium. Archaea (früher: Archaebakterien) haben wie Bakterien keinen Zellkern, unterscheiden sich aber in ihrem Stoffwechsel mindestens so sehr von den Bakterien wie von Tieren und Pflanzen. Viele Archaea besiedeln extreme Lebensräume wie heiße und saure Quellen, Salzseen oder antarktisches Eis und ähneln möglicherweise den ältesten Lebewesen am stärksten. Bakterien und Archaea bildeten im älteren Modell zusammen die Gruppe der Prokaryonten. Die dritte Domäne schließlich sind die Eucarya, die früheren Eukaryonten. Ihre Zellen sind größer und komplexer und haben neben einem Zellkern weitere Bestandteile mit eigenen Funktionen. Zu den Eucarya gehören Einzeller wie Hefen und Pantoffeltierchen (als Beispiele für niedere Pilze und Protozoen, »tierische Einzeller«), Pilze, Algen sowie höhere Pflanzen und Tiere. Was haben alle Pflanzen gemeinsam? Gemeinsames Merkmal aller Pflanzen ist die Ausbildung eines Embryos oder Keimlings. Bei Moosen und Farnen entsteht er innerhalb der weiblichen Geschlechtsorgane, bei den Samenpflanzen im Samen, wo er sich nach der Keimung zur Keimpflanze entwickelt. Weiterhin können Pflanzen Fotosynthese betreiben, also mithilfe von Licht aus Kohlendioxid und Wasser organische Moleküle aufbauen. Diese Fähigkeit besitzen aber auch einige Prokaryonten, insbesondere die so genannten Cyanobakterien, die man früher Blaualgen nannte. Übrigens lassen sich die Pflanzen in nur wenige Gruppen klassifizieren: Algen, Moose und Farne werden auch als »niedere Pflanzen« bezeichnet. Die höheren Pflanzen oder Samenpflanzen werden in »Nacktsamer« (dies sind vor allem die Nadelbäume) und »Bedecktsamer« unterschieden. Letztere schließlich setzen sich aus den Einkeimblättrigen (Gräser, Getreide, Lilien, Orchideen und Palmen) und den Zweikeimblättrigen (Rosen, Laubbäume, Sonnenblumen und Unzählige mehr) zusammen. Zu welcher der beiden Gruppen eine Samenpflanze zählt, ist leicht zu überprüfen: Erscheint wie beim Grashalm zuerst ein einzelnes Blatt aus dem keimenden Samen, dann ist es einkeimblättrig. Aus einer Kastanie dagegen kommt ein Blätterpaar zum Vorschein, sie ist also zweikeimblättrig. Welches ist die bedeutendste Gruppe der Tierwelt? Die Insekten. Die Biologie teilt die Tierwelt in mehr als zehn Stämme auf, deren Arten jeweils einen gemeinsamen Bauplan aufweisen. So haben die Stachelhäuter (Seesterne und Seeigel) eine fünfzählige Symmetrie und die Wirbeltiere ein inneres Skelett mit einer Wirbelsäule. Der Stamm der Gliederfüßer (u. a. Insekten, Spinnen, Krebse) stellt allein drei Viertel aller bekannten Tierarten, und diese wiederum sind zum allergrößten Teil Insekten. Auf jede Säugetierart kommen mindestens 200 Insektenarten! Insekten besitzen wie alle Gliederfüßer gegliederte Beine und ein chitinhaltiges Außenskelett, ihr Körper ist in Kopf, Brust und Hinterleib eingeteilt. Ihre Sinnesorgane sind hoch entwickelt (Facettenauge). Typisch für die meisten Insekten ist darüber hinaus, dass sie über drei Beinpaare und ein Paar Antennen verfügen. Viele Arten haben ein bis zwei Paar Flügel, die aus Hautfalten des Chitinpanzers entstanden sind. Bekannte Ordnungen sind Libellen, Heuschrecken, Schmetterlinge, Käfer, Zweiflügler (Stubenfliegen, Mücken) und Hautflügler (Ameisen, Bienen, Wespen). Kann ein Wesen zwei Reichen zugleich angehören? Ja. Die langsam wachsenden Flechten, die u. a. auf Steinen oder alten Hausdächern zu finden sind, sehen zwar aus wie Moose, sind aber in Wirklichkeit eine Lebensgemeinschaft aus ganz unterschiedlichen Partnern: einem Pilz, der Wasser und Mineralstoffe speichert, und einer Alge oder Cyanobakterie, die per Fotosynthese für den Nachschub an Nährstoffen sorgt. Während der Pilzpartner nicht allein lebensfähig ist, können Alge und Cyanobakterie in der Regel sich auch allein behaupten. Die Vermehrung kann sowohl gemeinsam als auch unabhängig vom Partner geschehen. Man schätzt, dass über 25 000 Pilzarten in Flechten leben, das ist ein Fünftel aller bekannten Pilzspezies. Sind Pilze Pflanzen? Nein. Pilze sitzen zwar wie Pflanzen fest im Boden, können aber anders als diese keine Fotosynthese betreiben. Stattdessen sind sie wie Tiere (und Menschen!) darauf angewiesen, die organische Substanz anderer Lebewesen zu verwerten. Wussten Sie, dass … viele Pilze echte Helfer des Menschen sind, andere aber lästige oder sogar gefährliche Krankheiten hervorrufen? abgestorbene Einzeller als Kieselgur ein gutes Schleifmittel liefern? Kohle aus Farnen und Schachtelhalmen der Urzeit entstanden ist? Tausendfüßler höchstens 700, oft sogar viel weniger Beine besitzen? Evolution: Das Werden der Vielfalt Wie kam Darwin auf die Idee seiner Evolutionslehre? Charles Darwins (1809 bis 1882) Theorie über die Entwicklung der Arten basierte vor allem auf dem Material, das er während einer Forschungsreise mit dem Vermessungsschiff »Beagle« sammelte. Diese führte ihn unter anderem zu den Galapagosinseln. Dort trugen seine Beobachtungen an den dort vertretenen Finkenarten, später ihm zu Ehren Darwinfinken genannt, und an den Unterarten der Meerechse zu seiner Idee bei, dass Arten sich durch natürliche Auslese (Selektion) entwickeln und aussterben. Aber auch Fossilfunde dienten ihm dazu als Beleg. Weiterhin hatte Darwin festgestellt, dass alle Arten wesentlich mehr Nachkommen erzeugen, als für die Erhaltung der Art erforderlich wären. Da trotzdem der Bestand einer Art in einem bestimmten Lebensraum (auch Population genannt) auf längere Zeit relativ konstant bleibt, müssen viele dieser Nachkommen zugrunde gehen. Deshalb nahm Darwin an, dass die Überproduktion unter den Mitgliedern einer Population zu einem »Kampf ums Dasein« führt. Diesen Kampf überleben nur diejenigen Individuen, die am besten an die herrschenden Umweltbedingungen angepasst sind. Darwin prägte hierfür den englischen Begriff »survival of the fittest« (Überleben der Tauglichsten). Ebenso hatte Darwin beobachtet, dass die Individuen einer Art einander nie vollkommen gleich sind, sondern mehr oder weniger große Unterschiede in Körperbau und Verhalten aufweisen, die sich manchmal positiv, manchmal negativ auf Überleben und Fortpflanzungserfolg auswirken. Den gesamten Prozess bezeichnete Darwin als natürliche Auslese oder Selektion, die über viele Generationen hinweg zur Veränderung der Arten führt. Da die jeweils am besten angepassten Tiere oder Pflanzen am ehesten überleben, ist die Wahrscheinlichkeit für die Weitervererbung ihrer Merkmale am größten. Darwin brachte auch Beispiele dafür, dass verschiedene Arten von gemeinsamen Vorfahren abstammen. Unter anderem führte er die Beobachtungen an, dass sich Embryonen von Arten, die sich im erwachsenen Zustand stark voneinander unterscheiden, außerordentlich ähneln und dass trotz unterschiedlicher Lebensweise häufig gemeinsame Merkmale im Bauplan der Lebewesen auftreten. Hatte Darwin Vorgänger? Ja. Vor Darwin wurde die Diskussion um die Entwicklung der Lebewesen vor allem von zwei Theorien beherrscht: der Katastrophentheorie von Georges Cuvier (1769 bis 1832) und der Abstammungslehre von Jean-Baptiste de Lamarck (1744 bis 1829). Der französische Zoologe Georges Cuvier beschäftigte sich unter anderem mit Fossilien, die bei geologischen Untersuchungen im Pariser Becken gefunden worden waren. Er erkannte, dass Fossilien Reste von Lebewesen sind, und stellte fest, dass verschiedene geologische Schichten unterschiedliche Fossilien beherbergten. Diese Erkenntnisse legten den Schluss nahe, dass sich die Erde und das Leben mit der Zeit verändert hatten. Mit seiner Katastrophentheorie versuchte Cuvier, die geologischen Beobachtungen mit der auch von ihm angenommenen Konstanz der Arten in Einklang zu bringen. Nach seiner Auffassung vernichten Naturkatastrophen (zum Beispiel sintflutartige Überschwemmungen) in größeren Zeitabständen immer wieder alle Tiere und Pflanzen in einem bestimmten Gebiet. Die betroffene Region wird dann durch Zuwanderung und Neuschöpfung wieder besiedelt. Lamarck hatte dagegen angenommen, dass Tiere erworbene Fähigkeiten an ihre Nachkommen weitergeben könnten. Reiher oder Storch hätten demnach lange Beine, weil sie sich beständig streckten, um keinen nassen Bauch zu bekommen. Der lange Giraffenhals entstand dementsprechend, weil Giraffen durch das Recken nach immer höheren Blättern ihren Hals allmählich verlängert und dies an ihre Nachkommen weitergegeben hätten. Der Haken an Lamarcks durchaus wegweisender Idee war, dass er keinen Mechanismus angeben konnte, wie individuelle Änderungen im Körperbau vererbt werden sollten. Darwin dagegen umging das Problem, weil in seinem Konzept das Individuum selbst unverändert bleibt. Und dass sich körperliche Merkmale durch Züchtung, also über mehrere Generationen hinweg, beeinflussen ließen, wussten Bauern und Haustierzüchter schon seit vielen Jahrhunderten. Warum unterscheiden sich Nachkommen von ihren Eltern? Durch die Mischung des Erbguts der Eltern und durch spontane Mutationen. Bei der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle wird das Erbgut der Eltern zusammengeführt. Jede Erbanlage, jedes Gen des Nachkommen kommt entweder von der Mutter oder vom Vater, die Kombinationsmöglichkeiten sind schier unvorstellbar: Beim Menschen gibt es 70,4 Billionen Möglichkeiten, aus dem Erbgut der Eltern einen neuen Satz an Erbanlagen zu bilden (dabei sind weitere Variationsmöglichkeiten noch gar nicht berücksichtigt). Es kann aber auch vorkommen, dass sich die Erbanlagen eines einzelnen Wesens zufällig verändern. Solche »Mutationen« führen dazu, dass sich die genetische Vielfalt einer Population weiter erhöht, und schaffen damit die Voraussetzung dafür, dass der Selektion genügend »Spielmaterial« zur Verfügung steht, um wirksam zu werden. Zum Beispiel ist die Flugroute von Zugvögeln genetisch festgelegt. In jeder Generation werden einige Vögel mit einem etwas abweichenden Reiseplan geboren. Dadurch »probiert« die Evolution neue Wege. Und wenn die bisherige Hauptzugroute z. B. durch eine Naturkatastrophe unpassierbar wird, gibt es immer ein paar Exemplare, bei denen eine Ausweichroute programmiert ist und deren Nachkommen die Art retten. Wie entstehen neue Arten? Entscheidend ist, dass zwei (oder mehrere) Populationen einer Art räumlich getrennt werden, so dass Paarungen nur noch innerhalb dieser Populationen stattfinden können. Beispielsweise kann durch Bewegungen der Erdkruste ein ursprünglich zusammenhängendes Verbreitungsgebiet einer Art in mehrere Teilgebiete zerfallen, die durch unüberwindliche Barrieren wie Gebirge oder Meeresarme voneinander getrennt sind. Eine andere Möglichkeit sind Klimaveränderungen, die Entstehung von Wüsten oder das Vordringen von Gletschern. So trennte die letzte Eiszeit z. B. die damals in Europa heimische Krähenart in eine westliche und eine östliche Gruppe. Damit war der Genfluss zwischen den Mitgliedern der beiden Gruppen unterbrochen, die sich deshalb als zwei selbstständige Teilpopulationen unabhängig voneinander weiterentwickelten. Mutation, Neukombination und natürliche Auslese führten anschließend dazu, dass sich die Erbanlagen der beiden Teilpopulationen immer stärker unterschieden, so dass sich schließlich zwei Rassen bildeten: die schwarze Rabenkrähe und die grauschwarze Nebelkrähe. Seit dem Verschwinden der Gletscher berühren sich ihre Verbreitungsgebiete wieder. In den Grenzzonen kommt es immer wieder zur Vermischung der Erbanlagen, da Rassen miteinander noch Nachkommen zeugen können. Werden die Unterschiede zwischen beiden Teilpopulationen durch die genetische Isolation noch größer, entstehen schließlich zwei verschiedene Arten, die untereinander nicht mehr fortpflanzungsfähig sind. So bildeten sich beispielsweise auf den beiden Seiten des Grand Canyon in den USA zwei Arten von Erdhörnchen aus einer gemeinsamen Stammform: Die Südhörnchen sind größer und haben einen längeren Schwanz als die Nordhörnchen, deren Schwanzunterseite weiß gefärbt ist. Obwohl der Grand Canyon nur einige Kilometer breit ist, konnten die Erdhörnchen diese Entfernung nicht überwinden. Mit der Zeit entwickelten sich deshalb aus den beiden räumlich getrennten Teilpopulationen zwei verschiedene Arten. Sind ähnliche Arten immer verwandt? Nein, viele Arten weisen ähnliche äußere Merkmale auf und gehören zu stammesgeschichtlich ganz unterschiedlichen Gruppen: Vögel und Schmetterlinge haben Flügel, bei Walen, Haien und Kalmaren sind Flossen zu finden, Dahlie und Kartoffel bilden Knollen. Bei genauerem Hinsehen zeigt sich jedoch, dass die äußerlich ähnlichen Organe auf völlig unterschiedlichen Grundstrukturen beruhen. Eine solche Funktionsähnlichkeit biologischer Strukturen bei verschiedenen Lebewesen bezeichnet man als Analogie. Ein Beispiel für solche analogen Organe sind die Graborgane von Maulwurf und Maulwurfsgrille. Sie sind sich zwar in Funktion und Aussehen ähnlich, ihnen liegt jedoch beim Maulwurf die Säugetierhand mit einem knöchernen Innenskelett und bei der Grille der Bautyp »Insektenbein« mit einem Außenskelett aus Chitin zugrunde. Da beide auf unterschiedlichen Erbanlagen basieren, sind sie kein Beleg für eine gemeinsame Abstammung, sondern für vergleichbare Lebensbedingungen. Untersucht man dagegen den Bau der Vordergliedmaßen von Wirbeltieren, so zeigt sich, dass sie alle aus den gleichen Knochentypen aufgebaut sind, obwohl sie sehr unterschiedlich aussehen und auch verschiedenen Zwecken dienen. Sowohl die Flügel von Vögeln und Fledermäusen als auch die Flossen der Wale, die Beine von Pferden und Bären sowie Hand und Arm des Menschen setzen sich aus Finger-, Mittelhand-, Handwurzel-, Unterarm- und Oberarmknochen zusammen, die jedoch im Laufe der Entwicklung – den Lebensbedingungen entsprechend – unterschiedliche Formen angenommen haben. Die Existenz solcher homologen Organe wird auf gemeinsame Vorfahren zurückgeführt, die den Grundbauplan an ihre Nachkommen weitervererbt haben. Was verrät das Steißbein des Menschen? Dass wir von Wesen mit Schwanz abstammen. Das Steißbein ist der verkümmerte, nutzlose Rest dieses Organs, das unseren Vorfahren beim Klettern half. Auch die Körperbehaarung des Menschen ist ein »Rudiment«: der Rest eines Fells. Und der Blinddarm mit Wurmfortsatz ist das Rudiment eines größeren Darmanhangs, der ursprünglich eine bessere Verdauung pflanzlicher Nahrung ermöglichte. Warum war Darwins Theorie so revolutionär? Sie wandte sich gegen die Vorstellung, dass Tier- und Pflanzenarten durch einen einmaligen Schöpfungsakt entstanden und sich seitdem nicht mehr verändert haben – wie es die Bibel, aber auch viele Mythen und Legenden erzählen. Wussten Sie, dass … Darwin nie selbst behauptet hat, dass der Mensch vom Affen abstammt? Er ging nur von gemeinsamen Vorfahren aus. der so genannte Sozialdarwinismus, der im Kern die »natürliche Ungleichheit« der Menschen behauptet, eine unzulässige Übertragung der Prinzipien der biologischen Evolution auf menschliche Gesellschaften ist? Robert Fitzroy, der Kapitän des Forschungsschiffs »Beagle«, ein erbitterter Gegner von Darwins Lehre war? Wussten Sie, dass … der Quastenflosser als seit rund 70 Millionen Jahren ausgestorben galt, als 1938 ein lebendes Exemplar gefunden wurde? die Dinosaurier näher mit den Vögeln als mit Eidechsen und Schlangen verwandt waren? Der Neandertaler: Evolution in der Sackgasse? Wie kam der Neandertaler zu seinem Namen? Die ersten Überreste dieser Menschenart wurden im Neandertal gefunden, das etwa auf halbem Weg zwischen Düsseldorf und dem heutigen Wuppertal gelegen ist. Künstler und andere »Schwarmgeister« suchten es gern auf, doch ab 1856 störte ein Kalksteinbruch das Idyll. Bereits zwei Jahre später fanden Arbeiter seltsam geformte Menschenknochen sowie eine Schädelplatte. 1864 wurden sie wissenschaftlich einer ausgestorbenen Menschenart, dem Homo neanderthalensis , zugeordnet – ein unerhörter Vorgang, war doch damals die Abstammung des Menschen von »niedriger« entwickelten Lebewesen noch lange nicht allgemein akzeptiert. Später zeigte sich, dass man – ohne es zu bemerken – schon vorher Neandertalerknochen gefunden hatte, etwa bei Gibraltar oder Lüttich. Bis heute hat man einen reichhaltigen Bestand an Fossilien, Werkzeugen und anderen Spuren von über 300 verschiedenen Neandertalern gefunden. Sie lebten fast im gesamten Europa sowie im Nahen Osten, nach Norden wurde der Lebensraum durch die eiszeitlichen Gletschermassen begrenzt. Die ältesten Funde datieren etwa aus der Zeit 150 000 Jahre vor heute, die jüngsten sind rund 35 000 Jahre alt. Ist der Neandertaler ausgestorben? Nicht unbedingt – es gibt zwar heute definitiv keine lebenden Neandertaler mehr, doch er könnte sich auch mit unseren Vorfahren vermischt haben, wobei die äußeren Merkmale mit der Zeit verschwanden. Die archäologischen Befunde lassen an einem keinen Zweifel: Zumindest zeitweise müssen Neandertaler und Menschen der Art Homo sapiens gleichzeitig am selben Ort gelebt haben. Der moderne Mensch ist hier seit etwa 40 000 Jahren ansässig. Der Neandertaler verabschiedete sich dagegen erst vor etwa 30 000 Jahren von der Bühne der Welt. Einige Jahrtausende lang konnten sich beide Menschenarten also begegnen. Allerdings war Europa damals weit dünner besiedelt als heute. In Kleinasien dagegen koexistierten Mensch und Neandertaler bis zu 50 000 Jahre lang. Warum verschwand der Neandertaler? Diese Frage wirft bis heute Rätsel auf. Wurde der Neandertaler vom modernen Menschen verdrängt oder gar ausgerottet? Oder vermischten sich beide Bevölkerungen, wobei das Neandertaler-Erbgut erst allmählich aus dem Genpool verschwand? Denn eines ist relativ sicher: Die Gene des heutigen Menschen weisen kaum Übereinstimmung mit solchen Genproben auf, die aus fossilen Überresten von Neandertalern isoliert wurden. Die archäologischen Erkenntnisse sind weniger eindeutig. Es wurden zwar Neandertalerknochen gefunden, die Spuren von Verletzungen durch Pfeile oder Speere aufwiesen. Doch ob dies Unfälle waren oder Angriffe und von wem die Angriffe ausgingen, ist nicht festzustellen. Verhältnismäßig gesichert ist, dass beide Arten mitunter ähnliche Werkzeuge und Schmuckstücke verwendeten. Dies lässt auf Handelsbeziehungen oder kulturellen Austausch schließen. Andere Forscher meinen, dass es sowohl kriegerisches als auch friedliches Nebeneinander gab, entscheidend jedoch andere Faktoren waren: Neandertaler waren mit ihrem gedrungenen Körperbau besonders an kalte Klimate angepasst und damit weniger flexibel als die aus Afrika stammenden Cro-Magnon-Menschen. Das Aussterben der Neandertaler fand trotz ihrer Anpassung an Kälte möglicherweise lange vor Ende der letzten Eiszeit statt. Dies ist der Ausgangspunkt für eine neue These, welche annimmt, dass vor 30 000 Jahren sowohl die europäischen Neandertaler als auch die ansässigen Cro-Magnon-Menschen einer besonders harten Kälteperiode zum Opfer gefallen sind. Weiter südlich lebende Jetztmenschen besiedelten dann später Europa von neuem. War er primitiv und brutal? Früher galten Neandertaler als einfältige, kräftige und bösartige Gesellen. Schuld daran hatte wohl zum einen der gedrungene, muskulöse Körperbau, zum anderen aber vor allem das Bedürfnis, den Homo sapiens sapiens als unangefochtene Krone der Schöpfung darzustellen. Heute weiß man, dass Neandertaler vielfältige Werkzeuge und Kleidung herstellten. Für soziale Beziehungen, Bestattungen, religiöse Vorstellungen und künstlerische Betätigung gibt es zumindest Indizien. Wussten Sie, dass … sowohl die ersten Menschenvorfahren als auch der anatomisch moderne Mensch aus Ostafrika stammen? Mensch und Schimpanse näher miteinander verwandt sind als der Gorilla mit dem Orang-Utan? manche Forscher sogar meinen, dass Mensch, Schimpanse und der Zwergschimpanse Bonobo eine gemeinsame Gattung bilden? Der Mensch müsste dann » Pan sapiens « statt » Homo sapiens « heißen! während der Eiszeit die Nordsee trocken lag und die Themse ein Nebenfluss des Rheins war? War der Neandertaler eher Affe oder Mensch? Der Neandertaler war eindeutig ein Mensch. Vor 4–8 Millionen Jahren lebte der letzte gemeinsame Vorfahre von Schimpanse und Mensch. Es gab seitdem mehrere verschiedene Gattungen so genannter Frühmenschen. Die ältesten Mitglieder der Gattung Homo – die Altmenschen – traten vor rund zwei Millionen Jahren auf. Zu ihnen gehören unter anderem Homo erectus und der Neandertaler. Zellen: Grundbausteine aller Lebewesen Sind alle Zellen gleich? Nein – aber der grundlegende Bauplan ist bei allen Zellen gleich: Sie bestehen aus dem Zellleib und dem Zellkern. Eine Ausnahme bilden lediglich die einzelligen Prokaryonten (Bakterien und Archaea); sie haben keinen echten Zellkern. Große Unterschiede gibt es dagegen in Form und Struktur von Zellen. Sie resultieren vor allem aus der spezifischen Funktion, die eine Zelle in einem Organismus übernehmen kann. So besitzt eine Nervenzelle – entsprechend ihrer Aufgabe, Reize aufzunehmen und weiterzuleiten – einen völlig anderen Feinbau als eine für Bewegung zuständige Muskelzelle. Pflanzliche und tierische Zellen, zu denen biologisch auch die Zellen des Menschen zählen, unterscheiden sich in vielen wichtigen Merkmalen. Der größte Unterschied ist sicherlich die Fähigkeit der Pflanzenzellen, durch Fotosynthese aus Kohlendioxid und Wasser neue organische Substanz aufzubauen. Es gibt aber eine wichtige Gemeinsamkeit von Pflanzen- und Tierzellen, die sich zum Teil auch schon bei den Bakterien findet: Alle diese Zellen enthalten sog. Organellen, die im komplexen Zellstoffwechsel jeweils bestimmte Aufgaben übernehmen – so wie die Organe Herz, Lunge oder Magen in einem vielzelligen Organismus für Kreislauf, Atmung bzw. Nahrungsverwertung zuständig sind. Haben Zellen ein Gehirn? Ja. Die im Zellkern enthaltenen Gene steuern alle wichtigen Funktionen einer Zelle – ähnlich wie das Gehirn die Lebensvorgänge in Mensch und Tier überwacht. Der auch »Nucleus« genannte Zellkern ist das Steuerzentrum der Zelle. Die Zellflüssigkeit (das »Plasma«) in seinem Inneren ist durch eine doppelte Membran, die Kernhülle, vom übrigen Zellplasma abgetrennt. Nur über winzige Kernporen werden Stoffe zwischen dem Inneren des Zellkerns und der übrigen Zellsubstanz ausgetauscht, wobei dieser Austausch einer strengen Kontrolle unterliegt. Der Zellkern enthält die Chromosomen, welche die Gene, also die Erbinformation tragen, sowie mehrere Kernkörperchen. Die Chromosomen sind jedoch nur während der Zellteilung zu erkennen, sonst erscheinen sie als unstrukturierte Masse, die als Chromatin bezeichnet wird. Der Name rührt vom griechischen Wort für Farbe, chroma, her. Diesen Namen erhielten Chromosomen und Chromatin, weil sie bei den mikroskopischen Forschungen im 19. Jahrhundert besonders gut anzufärben waren (solchen Färbversuchen verdanken sie auch ihre Entdeckung). Was ist das Kraftwerk einer Zelle? Eine Organelle mit Namen »Mitochondrium« versorgt die übrigen Zellkomponenten einer Tier- oder Pflanzenzelle mit Energie. Die chemischen Prozesse, die dabei im Mitochondrium ablaufen, ähneln denen in einem Verbrennungsmotor: Kohlenstoffhaltige Moleküle werden mit Sauerstoff verbunden, wodurch Energie freigesetzt wird. Man spricht daher auch von einer »kalten Verbrennung«. Ein anderer Name hierfür ist »Zellatmung«, denn genau hier wird der über die Lunge aufgenommene Sauerstoff verbraucht bzw. veratmet. Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben. Im Gegensatz zur äußeren, glatten Membran zeigt die innere zahlreiche Einfaltungen. Dadurch erhält die Innenmembran, an der die Zellatmung stattfindet, eine extrem große Oberfläche. Die Anzahl der Mitochondrien in einer Zelle hängt von der Funktion ab, die diese in einem Organismus übernimmt: Leberzellen beispielsweise, die für ihre Tätigkeit besonders viel Energie benötigen, enthalten über 1000 Mitochondrien, manche Algenzellen dagegen nur ein einziges. Mit den Mitochondrien vergleichbar, aber in gewissem Sinne auch deren Gegenspieler sind die Chloroplasten. Diese Zellorganellen kommen ausschließlich in Pflanzenzellen vor. Sie sind ebenfalls von einer Doppelmembran umgeben, deren innere stark eingestülpt ist. Dort findet die Fotosynthese statt, der Prozess, bei dem Kohlendioxid verbraucht und Sauerstoff frei wird und durch den neues organisches Baumaterial zusammengesetzt wird. Welche Zellbestandteile setzen die Bauanleitung der Gene um? Kleine Körnchen namens Ribosomen, die sich unter anderem in einem innerzellulären Membransystem befinden, dem endoplasmatischen Reticulum (frei übersetzt »Netzwerk im Zellplasma«). Ribosomen fischen sich aus dem Plasma Botenmoleküle heraus, die Abschriften des genetischen Codes enthalten. Je nachdem, in welcher Reihenfolge darin dessen »Buchstaben« angeordnet sind, werden vom Ribosom Aminosäuren zu Ketten verbunden, die sich zu Eiweißmolekülen (auch Proteine genannt) zusammenlagern. Proteine sind die wichtigsten Bausteine aller Zellen und Organismen. Das endoplasmatische Reticulum ist den Forschern schon früh durch seine Gestalt aufgefallen: Es besteht aus einem System von Membranen, Röhren, Kanälen und Blasen, die das gesamte Zellinnere durchziehen. Seine Strukturen gehen von der äußeren Kernmembran aus und erstrecken sich in vielen Schleifen und Windungen bis zur Zellmembran. Das Reticulum dient neben dem Aufbau und der Weiterverarbeitung von Proteinen auch dem Stofftransport innerhalb der Zelle. Die mit Ribosomen besetzten Abschnitte werden auch als raues endoplasmatisches Reticulum bezeichnet. Ribosomenfreie Teile heißen glattes endoplasmatisches Reticulum. Sie sind z. B. in der Leber für den Abbau von Giftstoffen zuständig. Wie vermehren sich Zellen? Die meisten einzelligen Lebewesen und – mit Ausnahme der Geschlechtszellen – auch alle Zellen von Vielzellern vermehren sich durch Teilung. Damit eine Zelle sich teilen, d. h. zwei Tochterzellen bilden kann, müssen zunächst alle ihre Bestandteile so vermehrt werden, dass sie in ausreichender Zahl für beide Tochtergebilde vorliegen. Für die Zellorganellen, von denen eine Zelle gewöhnlich eine große Zahl besitzt, genügt es, wenn ihre Anzahl erhöht und dann in etwa gleich großer Menge auf die Tochterzellen verteilt wird. Die Erbsubstanz jedoch, die im Zellkern enthalten ist, muss exakt verdoppelt und genau auf die beiden Töchter aufgeteilt werden. Deshalb geht der eigentlichen Zellteilung eine Phase voraus, in der die Zellen stark wachsen und die Erbinformation verdoppelt wird. Dieser Abschnitt des Zellzyklus wird als Interphase bezeichnet. Die Interphase beansprucht die meiste Zeit innerhalb des Zyklus, bei der Bildung von Blutzellen zum Beispiel 12 der insgesamt 13 Stunden. In der sich anschließenden Mitosephase findet dann die Teilung der Zelle statt. Den größten Teil hiervon nimmt die Kernteilung (Mitose) ein, bei der die Erbsubstanz auf die beiden entgegengesetzten Enden oder Pole der Zelle verteilt wird. Hierbei macht sich die Zelle zunutze, dass in den Chromosomen die Erbinformation doppelt vorliegt: Erst wird je ein Satz Gene an jeden Zellpol gebracht, dann werden sie wieder zu einem kompletten, also doppelten Chromosomensatz ergänzt. Erst wenn die Kernteilung abgeschlossen ist, setzt die eigentliche Zellteilung ein, und die beiden Tochterzellen werden vollständig voneinander getrennt. Diese Form der Vermehrung gilt im Übrigen nur für Körperzellen. Neue Geschlechtszellen entstehen dagegen durch den Prozess der Reduktions- oder Reifeteilung, die sog. Meiose. Hier entfällt bei der Kernteilung die Ergänzung der halbierten Gensätze. Stattdessen verschmelzen zwei Geschlechtszellen unterschiedlicher Organismen, um wieder einen vollständigen Chromosomenbestand zu bilden. Auf diesem Prinzip fußt die geschlechtliche oder sexuelle Fortpflanzung. Sind Zellen austauschbar? Nur bedingt, denn obwohl alle Zellen höherer Organismen denselben Grundbauplan haben, sind sie doch oft so spezialisiert, dass keine die Aufgabe der anderen übernehmen kann. Nur bestimmte Zelltypen haben noch die Fähigkeit, verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden. Dies gilt vor allem für die Zelltypen, die sich bei Pflanzen finden. Während bei vielen Pflanzen aus einer Blattzelle bei Bedarf Wurzeln wachsen können, kann eine Herzzelle nur neue Herzzellen hervorbringen und würde in Leber oder Gehirn zugrunde gehen. Der Vorgang, bei dem aus den Zellteilungen während der Embryonalzeit eines Lebewesens verschiedene Zelltypen hervorgehen, heißt Differenzierung. Schon lange vor der Geburt gibt es Knochen-, Nerven-, Leber- und andere Zellen, die sich in ihrer Form wie in ihrer Funktion stark unterscheiden. Die Differenzierung ist ein irreversibler Vorgang, das heißt, sie kann nicht mehr rückgängig gemacht werden. Aus den jeweils unterschiedlich differenzierten Zellen bauen sich die verschiedenen Gewebe eines Körpers auf. Als Gewebe bezeichnet man einen Verband von Zellen, die eine ähnliche Größe, Struktur und Funktion haben. Zu nennen sind vor allem das Abschluss- und das Bindegewebe. Das Abschlussgewebe begrenzt den Körper nicht nur als Haut nach außen, sondern es kleidet auch die inneren Hohlräume aus, etwa die Blutgefäße oder den Darm. Zum Bindegewebe gehören unter anderem Bänder und Sehnen, aber auch Knorpel- und Knochengewebe, die als Stützgewebe dienen. Außerdem baut das Bindegewebe die Milz und das Knochenmark auf, umhüllt die Muskeln und speichert Fett. Was haben Organismus und Staatswesen gemein? Den Aufbau aus immer feiner gegliederten Untereinheiten. So wie unser Staatswesen im Grundgesetz in die Bundesländer unterteilt wird und diese wiederum aus Regierungsbezirken, Landkreisen und Gemeinden bestehen, so hat auch ein Organismus eine vielschichtige Struktur. Der Organismus als höchste Organisationsebene von Tieren und Pflanzen ist durch das Zusammenwirken verschiedener Organe und Organsysteme gekennzeichnet. Zellen und Gewebe bilden die beiden untersten Organisationsstufen eines Lebewesens. So wie sich viele Zellen zu einem Gewebe zusammenschließen, verbinden sich verschiedene Gewebeschichten zu einem Organ. Während Gewebe jedoch aus gleichartigen Zellen bestehen, setzen sich Organe aus unterschiedlichen Geweben zusammen, deren Einzelfunktionen perfekt aufeinander abgestimmt sind. Im Magen beispielsweise befindet sich neben dem Drüsengewebe, das die Verdauungssäfte abgibt, auch Bindegewebe (versorgt den Magen unter anderem mit Blut), Muskelgewebe (sorgt für die Magenbewegungen) und Bauchfellgewebe (schließt den Magen nach außen ab). Tier und Mensch haben eine Vielzahl von Organen; sie dienen unter anderem der Ernährung, Ausscheidung und Fortpflanzung, der Aufnahme von Sinnesreizen und der Bewegung. Pflanzliche Organe sind zum Beispiel Sprossachse, Wurzel, Laubblätter und Blüten. Verschiedene Organe, die eine gemeinsame Aufgabe erfüllen, bilden ein Organsystem. Ein pflanzliches Organsystem ist beispielsweise die Blüte. Sie dient der Fortpflanzung und setzt sich zusammen aus den Kronblättern (Anlocken von Insekten zur Bestäubung), den Staubblättern (männliche Geschlechtsorgane, die den Blütenstaub bilden) und den Fruchtblättern (weibliche Geschlechtsorgane, die die Samenanlagen bilden). Zu den tierischen Organsystemen gehören etwa das Verdauungs-, das Nerven- und das Blutkreislaufsystem. Wussten Sie, dass … der britische Forscher Robert Hooke (1635 bis 1703) als Konstrukteur des Mikroskops mit zwei Linsen (Okular und Objektiv) gilt? Er erkannte damit, dass Kork aus einer Vielzahl kleiner Struktureinheiten aufgebaut ist, die er »Zellen« nannte (nach lateinisch cella, Kammer, Zimmer). Sind Viren Zellen? Nein. Die gerade in Zeiten von Aids und Vogelgrippe allseits gefürchteten Krankheitserreger sind selbst keine Zellen, da sie sich nicht selbstständig vermehren können. Stattdessen müssen sie Zellen angreifen und deren Fortpflanzungsapparat für ihre Zwecke »kapern«. Wussten Sie, dass … die größte tierische Einzelzelle einen Durchmesser von 7,5 cm erreichen kann? im Körper eines erwachsenen Menschen jede Sekunde etwa 1,5 Millionen Zellen n