Lebewesen

Von oben links, im Uhrzeigersinn: Rote Mauerbiene, Fichtensteinpilz, Schimpanse, das Wimpertierchen Isotricha intestinalis, Asiatischer Hahnenfuß und eine Grünalge (aus der Ordnung Volvocales)

Lebewesen sind organisierte Einheiten, die unter anderem zu Stoffwechsel, Fortpflanzung, Reizbarkeit, Wachstum und Evolution fähig sind.[1][2] Lebewesen prägen entscheidend das Bild der Erde und die Zusammensetzung der Erdatmosphäre (Biosphäre). Neuere Schätzungen lassen vermuten, dass 30 Prozent der gesamten Biomasse der Erde auf unterirdisch lebende Mikroorganismen entfallen.[3][4] Rezente Lebewesen stammen immer von anderen Lebewesen ab (Abstammungstheorie). Über die Entstehung von Lebewesen aus abiogenen Vorformen wird intensiv geforscht. Zu den ältesten Spuren irdischer Lebewesen gehören insbesondere die Stromatolithen.

Die Biologie untersucht die heute bekannten Lebewesen und ihre Evolution sowie die Grenzformen des Lebens (z. B. Viren) mit naturwissenschaftlichen Methoden.

Energiegewinnung aus Nahrung durch Stoffwechsel mit der Umgebung.

In der Tiefsee treten aus Schwarzen Rauchern Schwefel und Metallsulfide aus. Aus ihrer Oxidation gewinnen dort lebende lithotrophe Mikroorganismen Energie. Sie fungieren dort als Nahrungsquelle einer Lebensgemeinschaft.[3][4][6]

(Anmerkung: Viren, Viroide und Prionen sind nicht zu Stoffwechsel befähigt)

Wachstum ist die Folge von Zellteilung (Vermehrung): Durch Wachstum wird die zur Masse der Zelle relative Oberfläche geringer. Das verringert die Entropieexportmöglichkeit[7] der Zelle. Die Teilung erhöht die Oberfläche wieder. Es kann wieder mehr Entropie exportiert werden.

Lebewesen kennzeichnende Merkmale findet man vereinzelt also auch bei technischen, physikalischen und chemischen Systemen. Insbesondere zeigt Feuer je nach Interpretation einen großen Teil dieser Eigenschaften.

Drei wesentliche Eigenschaften haben sich aber herauskristallisiert, die für alle Lebewesen als Definitionskriterien gelten sollen:

Diese Einschränkung würde aber viele hypothetische Frühstadien der Entwicklung des Lebens sowie rezente Grenzformen des Lebens, wie Viren, kategorisch ausschließen. Ausführlich wird dieser Aspekt im Abschnitt Lebewesen: Begriffsprobleme behandelt.

Lebewesen bestehen vorwiegend aus Wasser, organischen Kohlenstoffverbindungen und häufig aus mineralischen oder mineralisch verstärkten Schalen und Gerüststrukturen (Skelette).

Alle Lebewesen (Pflanzen, Tiere, Pilze, Protisten, Bakterien und Archaeen) sind aus Zellen oder Synzytien (mehrkernigen Zellverschmelzungen, z. B. Ciliaten und viele Pilze) aufgebaut, d. h. zelluläre Organismen (Cytota). Sowohl die einzelne Zelle als auch die Gesamtheit der Zellen (eines mehrzelligen Organismus) sind strukturiert und kompartimentiert, das heißt, sie bilden ein komplex aufgebautes System voneinander abgegrenzter Reaktionsräume. Sie sind untereinander und zur Außenwelt hin durch Biomembranen abgetrennt.

Jede Zelle enthält in ihrem Erbgut alle zum Wachstum und für die vielfältigen Lebensprozesse notwendigen Anweisungen.

Im Lauf des individuellen Wachstums differenzieren sich die Zellen zu verschiedenen Organen, die jeweils bestimmte Funktionen für das Gesamtsystem, das Individuum, übernehmen.

Neben Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) als Hauptelemente des Grundgerüsts der Biomoleküle kommen die Elemente Phosphor (P), Schwefel (S), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Kalium (K), Natrium (Na) und Calcium (Ca) in den Lebewesen vor. Ferner kommen Chlor (Cl), Iod (I), Kupfer (Cu), Selen (Se), Cobalt (Co), Molybdän (Mo) und einige andere Elemente zwar nur in Spuren vor, sind aber dennoch essenziell.

Die weitaus häufiger als Kohlenstoff in der Erdkruste vorkommenden Elemente Silicium und Aluminium werden nicht als Bausteine des Lebens genutzt. Edelgase und Elemente schwerer als Iod (Ordnungszahl 53) treten nicht als funktionelle Bausteine von Lebewesen auf.

Lebewesen sind vor allem durch in ihnen enthaltene reproduzierende Moleküle gekennzeichnet. Bekannt sind heute die Polynukleotide DNA und RNA, aber auch andere Moleküle haben möglicherweise diese Eigenschaft. Ferner enthalten sie Eiweiße (Proteine), makromolekulare Kohlenhydrate (Polysaccharide) sowie komplexe Moleküle wie Lipide und Steroide. Alle diese Makromoleküle und komplexen Moleküle kommen nicht in der unbelebten Natur vor, sie können von unbelebten Systemen nicht hergestellt werden. Kleinere Bausteine wie Aminosäuren und Nukleotide dagegen sind auch in der unbelebten Natur, zum Beispiel in interstellaren Gasen oder in Meteoriten, zu finden und können auch abiotisch entstehen.

Daneben enthalten die Zellen der Lebewesen zu einem großen Teil Wasser und darin gelöste anorganische Stoffe.

Alle bekannten Lebensvorgänge finden in Anwesenheit von Wasser statt.

Die biologische Systematik versucht, eine sinnvolle Gruppierung aller Lebewesen zu erstellen. Die oberste Stufe wird dabei von den Domänen gebildet. Man unterscheidet nach molekularbiologischen Kriterien drei Domänen: die eigentlichen Bakterien (Bacteria), die Archaeen (Archaea), früher auch Archaebakterien genannt und die Eukaryoten (Eukaryota). Die beiden erstgenannten Domänen enthalten alle Lebewesen ohne Zellkern, die Prokaryoten genannt werden. Die Domäne der Eukaryoten umfasst alle Lebewesen mit Zellkern, darunter fallen Tiere (inklusive der Menschen), Pflanzen und Pilze sowie die Protisten. Dabei sind die Eukaryoten und Archaeen näher miteinander verwandt.[8]

 Bakterien (Bacteria)

 Crenarchaeota

 Thaumarchaeota

 Euryarchaeota

 Amorphea (z. B. Tiere, Pilze)

 Diaphoretickes (z. B. Pflanzen)

 Excavata

Die folgenden Eigenschaften von Lebewesen kommen auch bei unbelebten Systemen der Natur und der Technik vor:

Lebewesen sind in der Terminologie der Systemtheorie:

Die folgenden Organisationsformen von Lebewesen kommen auch bei unbelebten Systemen der Natur und der Technik vor:

Wie die komplexen physikalischen Systeme der unbelebten Natur (wie zum Beispiel das Sonnensystem) entstehen auch bei Lebewesen Strukturen durch Selbstorganisation. Darüber hinaus besitzen Lebewesen im Gegensatz zu Systemen der unbelebten Natur das genetische Programm, welches jedoch ebenfalls in ähnlicher Weise in Systemen der Technik vorkommen kann (siehe Genetische Programmierung). Durch dieses Programm werden Lebensvorgänge ausgelöst, gesteuert und geregelt. Dazu gehört auch die Reproduktion dieses Programms. Dieses Programm ist teleonomisch, ohne teleologisch sein zu können: Es gibt die Richtung der ontogenetischen Entwicklung und des Verhaltens der Organismen vor und grenzt sie in einem gewissen Rahmen von anderen Entwicklungsmöglichkeiten und Verhaltensweisen ab. Fehlen Teile des Programms oder weisen sie Fehlfunktionen auf, können sich – außerhalb eines Toleranzbereiches – langfristig keine überlebensfähigen Organismen entwickeln.

Die Entwicklungsgeschichte des Lebens auf der Erde (Evolutionsgeschichte) hat einen einmaligen Verlauf. Auch wenn man die Ausgangsbedingungen wiederherstellen könnte, würde sich möglicherweise ein ähnlicher Ablauf ergeben, wie er schon einmal stattgefunden hat, aber höchstwahrscheinlich nicht exakt der gleiche. Der Grund dafür ist die Vielzahl von zufälligen Zusammentreffen von Einflussfaktoren, die seit dem Beginn des Lebens die weitere Entwicklung bestimmt haben. Diese zufälligen Einflüsse werden durch Selektions- und Anpassungsprozesse teilweise wieder ausgeglichen, trotzdem ist eine genau identische Entwicklung unter realen Bedingungen nicht wahrscheinlich.

Die Entwicklung der verschiedenen Arten von Lebewesen wird in der Evolutionstheorie behandelt. Dieser von Charles Darwin begründete Zweig der Biologie erklärt die Vielfalt der Lebensformen durch Mutation, Variation, Vererbung und Selektion. Die Evolutionstheorien haben zum Ziel, die Veränderungen von Lebensformen im Laufe der Zeit zu erklären und die Entstehung der frühesten Lebensformen nachvollziehbar zu machen. Für Letzteres gibt es eine Reihe von Konzepten und Hypothesen (beispielsweise RNA-Welt, siehe auch Chemische Evolution).

Die ältesten bisher gefundenen fossilen Spuren von Lebewesen sind mikroskopisch kleine Fäden, die als Überreste von Cyanobakterien gelten. Allerdings werden diese in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen gefundenen Ablagerungen nicht allgemein als Spuren von Leben angesehen, da es auch rein geologische Erklärungen für diese Formationen gibt.

Die derzeit populärste Theorie zur Entstehung autotrophen Lebens postuliert die Entwicklung eines primitiven Metabolismus auf Eisen-Schwefel-Oberflächen unter reduzierenden Bedingungen, wie sie in der Umgebung von vulkanischen Ausdünstungen anzutreffen sind.[10] Während der Frühphase der Evolution irdischer Lebewesen, die im geologischen Zeitraum vor zwischen 4,6 und 3,5 Milliarden Jahren (Präkambrium) stattfand, war die Erdatmosphäre wahrscheinlich reich an Gasen wie Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid, während die heißen Ozeane relativ hohe Konzentrationen an Ionen von Übergangsmetallen wie gelöstem Eisen (Fe2+) oder Nickel (Ni2+) enthielten. Ähnliche Bedingungen finden sich heute in der Umgebung von hydrothermalen Schloten, die während plattentektonischer Prozesse auf dem Meeresgrund entstanden sind. In der Umgebung solcher als Schwarze Raucher (englisch black smokers) bezeichneten Schlote gedeihen thermophile methanogene Archaeen auf der Grundlage der Oxidation von Wasserstoff und der Reduktion von Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methan (CH4). Diese extremen Biotope zeigen, dass Leben unabhängig von der Sonne als Energielieferant gedeihen kann, eine grundlegende Voraussetzung für die Entstehung und Aufrechterhaltung von Leben vor dem Aufkommen der Photosynthese.

Neuere Ansätze gehen davon aus, dass die Evolution nicht an der Art, sondern am Individuum und seinen Genen ansetzt (siehe Soziobiologie und Verhaltensbiologie).

Hier ist die äußerste Grenze letztlich die Zellmembran, die Pellicula, die Zellwand oder eine andere einhüllende und begrenzende Struktur. Bei höheren Organisationsstufen übernehmen Abschluss- und Deckgewebe wie Epidermis, Epithel, Haut oder Rinde diese Funktion.

Viele Organismen geben Stoffe an die Umwelt ab und schaffen sich damit eine eigene Umwelt im Nahbereich, ein Mikromilieu. Beispiel: Schleimkapsel von Pneumococcus. Hier hängt die physische Abgrenzung des Individuums von der Fragestellung ab.

Die Abgrenzung eines einzelnen Lebewesens von anderen, eigenständigen Lebewesen ist nicht trivial. Das Wort Individuum bedeutet nach seiner lateinischen Herkunft ein Unteilbares. In dieser Bedeutung ist es nicht für alle Lebewesen praktikabel. Zwar kann man die meisten höheren Tiere nicht teilen, ohne sie oder den abgetrennten Teil damit zu töten. Sie sind also nicht teilbar. Einen Hund als Individuum anzusprechen ist daher kein Problem. Dagegen kann man von einem „individuellen“ Baum einen Ableger abteilen und diesen zu einem neuen Exemplar heranwachsen lassen. Damit ist das vermeintliche Baum-Individuum im Grunde ein „Dividuum“, denn es leben nicht zwei Teile eines Baumindividuums weiter, sondern aus einem Exemplar sind zwei entstanden, das ursprüngliche Exemplar wurde vermehrt. Viele Pflanzen bedienen sich dieses Verfahrens der Ausbreitung systematisch, z. B. durch Ableger. Oft wachsen so ganze Rasen oder Wälder heran, die eigentlich einem einzigen zusammenhängenden Exemplar angehören, das aber jederzeit an beliebiger Stelle in mehrere Exemplare geteilt werden könnte.

Durch die Möglichkeit des Klonens entsteht die Fähigkeit zur Abtrennung eines neuen lebensfähigen Exemplars, auch für Säugetiere (siehe Klonschaf Dolly). Damit wird der Begriff Individuum in vielen Bereichen der Biologie mehr oder weniger hinfällig und müsste dort durch einen anderen, besser zutreffenden ersetzt werden, etwa durch den Begriff Exemplar.

Bei Schleimpilzen und kolonienbildenden Einzellern (Beispiel Eudorina) lassen sich individuelle, autarke Zellen unterscheiden. Sie gehen aber zumindest zeitweise Verbindungen miteinander ein, in welcher sie ihre Individualität und Unabhängigkeit aufgeben, also einem mehrzelligen Organismus gleichen.

Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen von Organismen mit ihrer Umwelt kann man nur eingeschränkt von Autarkie sprechen:

Bei der Entwicklung der Systemtheorie durch Physiker, Mathematiker und Techniker gingen diese immer wieder auf Analogien in Struktur und Verhalten von Lebewesen ein. Diese Betrachtung von Lebewesen als Systeme führte dazu, dass Konzepte der Kybernetik, Informatik und der Systemtheorie Eingang in die Biologie gefunden haben, zuletzt und umfassend in der Systemtheorie der Evolution.

Lebewesen sind als offene Systeme seit ihrer Existenz stets weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt. Sie weisen einen hohen Ordnungsgrad und damit eine niedrige Entropie auf. Diese können nur dadurch aufrechterhalten werden, dass die Erhöhung des Ordnungsgrades energetisch mit Prozessen gekoppelt wird, welche die hierfür notwendige Energie liefern.[5] (Beispiel: Aufbau von organischen Stoffen niedriger Entropie wie Glukose, DNA oder ATP, aus anorganischen Stoffen hoher Entropie wie Kohlenstoffdioxid, Wasser und Mineralsalzen durch Photosynthese und Stoffwechsel.) Tritt der Tod ein, stellt sich das thermodynamische Gleichgewicht ein, der hohe Ordnungsgrad kann nicht mehr aufrechterhalten werden, die Entropie wird größer. Leben kann thermodynamisch als die Rückkopplung eines offenen Systems mit seiner Umgebung verstanden werden, welches auf Kosten dieser die eigene Ordnung aufrechterhält. Diese Definition steht mit einer der möglichen Formulierungen des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik in Einklang, nach dem die Änderung der Entropie eines Gesamtsystems Null oder größer Null ist. Damit die Ordnung eines Systems aufrechterhalten bleiben oder zunehmen kann, muss die Unordnung der Umgebung mindestens in gleichem Maße zunehmen, sodass die Änderung des Gesamtsystems in Summe mindestens Null ist.

Viren kommen einerseits als nackte Nukleinsäuren in den Wirtszellen vor, andererseits außerhalb von Zellen als Virionen, die aus der Nukleinsäure und einer Protein­hülle bestehen. Die meisten Wissenschaftler zählen Viren nicht zu den Lebewesen. Wird beispielsweise eine Zellstruktur als grundlegendes Kennzeichen von Lebewesen angesehen, sind Viren nicht zu den Lebewesen zu rechnen, da sie weder Zellen sind noch aus Zellen aufgebaut sind. Zwei weitere Kriterien sind noch wichtiger: Viren haben keinen eigenen Stoffwechsel und sie pflanzen sich nicht selbständig fort. Ihre Vermehrung erfolgt ausschließlich durch die Biosynthese-Maschinerie der Wirtszellen, die dabei durch die Virus-Nukleinsäure gesteuert wird.

Eine Einstufung als „Grenzfall des Lebens“ ist jedoch naheliegend. Die Existenz der Viren könnte in der Evolution auf einen Übergang von „noch nicht lebendig“ zu „lebendig“ hinweisen. Allerdings könnten sich die Viren auch aus „echten“ Lebewesen wie den Bakterien rückentwickelt haben.

Mittlerweile ist es gelungen, eine Nukleinsäure mit der Sequenz des Poliovirus durch DNA-Synthese künstlich zu erzeugen; auf die gleiche Weise hat man bereits viele weitere DNA- und RNA-Abschnitte für gentechnische Experimente erzeugt. Schleust man dann in dieser Weise erzeugte DNA-Stränge in Zellen ein, entstehen in der Folge komplette, natürliche Polioviren. Das Experiment verdeutlicht, dass die Grenze zwischen Lebewesen und Nicht-Lebewesen schwierig zu bestimmen ist.

Viren sind durch Mutationen und Selektion der Evolution unterworfen. Im weiteren Sinne gilt dies aber auch für viele Nicht-Lebewesen, zum Beispiel für einzelne Gene (Das egoistische Gen), aber auch für Verhaltensweisen und kulturelle Errungenschaften wie Werkzeuge, Techniken und Ideen (Mem-Theorie). Die Evolution der Viren ist deshalb kein hinreichender Beweis dafür, dass Viren Lebewesen seien.

Phylogenetischer Baum, der die Abstammung und Verwandtschaft der Lebewesen aufzeigt