Big Ideas. Das Biologie-Buch: E-Book

Derek Harvey

• Herausgeber: Dorling Kindersley Verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 529

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Die ganze Welt der Biologie verständlich erklärt Warum tanzen Bienen? Wie liest man die menschliche DNA? Wie gefährdet ist das ökologische Gleichgewicht? Diese und viele andere Fragen klärt dieses umfassende Biologie-Buch in verständlicher Sprache und originellen Grafiken. Eine spannende Einführung in die Geschichte und Vielfalt der Wissenschaft der belebten Materie. Das große Biologie-Buch zum Nachschlagen - Zusammenhänge, Theorien & Biografien kurzweilig und einfach aufbereitet: · Wichtige Meilensteine der Biologie: Dieses Buch stellt die Geschichte der Biologie vor mit ihren wichtigsten Erkenntnissen und wissenschaftlichen Entdeckungen aus den Fachrichtungen Anatomie, Biochemie, Botanik, Biotechnologie, Evolution, Genetik, Mikrobiologie, Ökologie, Physiologie, Zoologie · Biologie-Wissen grafisch auf den Punkt gebracht: Wichtige Ereignisse und Personen werden übersichtlich in Extrakästen vorgestellt, zahlreiche Abbildungen zeigen historische Zeichnungen und erklären wichtige biowissenschaftliche Erkenntnisse. · Interessante Fragen rund um die Biologie werden in diesem Buch verständlich und anschaulich beantwortet und regen zum Nachdenken an. Was sind die Erkenntnisse zu menschengemachten Einflüssen auf die Biosphäre? Ist die Genschere ethisch vertretbar? · Die Geschichte der Biologie in neun großen Kapiteln: Ein überblick über die wesentlichen Bereiche der Biologie von Leben und Anatomie über Verhalten bis hin zu Vererbung und Ökologie Biologie entdecken und verstehen! Ein spannender überblick zu einer der wichtigsten Wissenschaften unserer Zeit - Basiswissen zum Studieren, Informieren oder Nachschlagen!

Leseprobe

INHALT

EINFÜHRUNG

LEBEN

Ein Fenster zum Körper

Experimentelle Physiologie

Wie wenig man in der Anatomie erreicht hat seit den Zeiten Galens

Anatomie

Tiere sind Maschinen

Tiere sind nicht wie Menschen

Harnstoff machen ohne Nieren

Biochemikalien aus dem Labor

Das wahre biologische Atom

Die zelluläre Natur des Lebens

Jede Zelle aus einer Zelle

Wie Zellen gebildet werden

Leben ist kein Wunder

Leben erschaffen

Kleinere Zellen sitzen in den größeren Zellen

Komplexe Zellen

Ein flexibles Mosaik von Pförtnern

Zellmembranen

NAHRUNG UND ENERGIE

Leben ist ein chemischer Prozess

Der Stoffwechsel

Pflanzen können schlechte Luft verbessern

Fotosynthese

Die Vorzüge von Orangen und Zitronen

Essenzielle Nährstoffe

Die Verwandlung der Speisen

Verdauung

Das Zuckrige, das Fettige und das Eiweißhaltige

Hauptnährstoffe

Es gibt kein besseres Element als Basis für das Leben

Die Anfänge der organischen Chemie

Leben ohne Sauerstoff

Gärung

Zellen sind Chemiefabriken

Enzyme als Biokatalysatoren

Sie müssen wie Schloss und Schlüssel zueinander passen

Wie Enzyme wirken

Der Reaktionsweg, der Energie aus Essen gewinnt

Atmung

Fotosynthese ist die absolute Voraussetzung allen Lebens

Reaktionen der Fotosynthese

TRANSPORT UND REGULATION

Eine Bewegung im Kreise herum

Der Blutkreislauf

Blut durchläuft viele Windungen

Kapillaren

Das Herz ist einfach ein Muskel

Der Herzmuskel

Pflanzen trinken und schwitzen

Pflanzentranspiration

Botenstoffe im Blutstrom

Hormone lösen Reaktionen aus

Die konstanten Bedingungen könnte man Gleichgewicht nennen

Homöostase

Luft verbindet sich mit dem Blut

Hämoglobin

Öl auf die quietschende Maschinerie des Lebens

Hormone helfen bei der Regulation

Die Chemiemeister in unserem Inneren

Nieren und Ausscheidung

Kein Auxin – kein Wachstum

Pflanzenwachstumsregulatoren

Die Pflanze setzt ihre Säfte in Bewegung

Translokation in Pflanzen

GEHIRN UND VERHALTEN

Die Muskeln kontrahierten sich zu tonischen Krämpfen

Erregbare Gewebe

Sinneseindrücke, Wahrnehmung und Wille

Das Gehirn kontrolliert Verhalten

Drei Hauptfarben – Rot, Gelb und Blau

Farbensehen

Wir sprechen mit der linken Hirnhälfte

Sprache und Gehirn

Der Funke entzündet die Aktion der neuromuskulären Kraft

Elektrische Nervenimpulse

Instinkt und Lernen gehen Hand in Hand

Angeborenes und erlerntes Verhalten

Zellen von feiner, eleganter Gestalt

Nervenzellen

Hirnkarten des Menschen

Organisation der Großhirnrinde

Der Impuls im Nerv setzt chemische Substanzen frei

Synapsen

Eine komplette Theorie, wie ein Muskel kontrahiert

Muskelkontraktion

Das Gedächtnis macht uns zu dem, was wir sind

Erinnerungen speichern

Das Objekt wird mit beiden Pfoten gehalten

Tiere und Werkzeug

GESUNDHEIT UND KRANKHEIT

Krankheit wird nicht von den Göttern geschickt

Die natürliche Basis der Krankheiten

Die Dosis macht das Gift

Arzneien und Krankheiten

Die Mikroben werden das letzte Wort haben

Keimtheorie

Erstes Ziel muss die Zerstörung aller septischen Keime sein

Antisepsis

Entferne es, aber es wird zurückkommen

Metastasierung von Krebs

Es gibt vier verschiedene Typen menschlichen Bluts

Blutgruppen

Eine Mikrobe zur Zerstörung anderer Mikroben

Antibiotika

Schlechte Nachrichten, in Protein verpackt

Viren

Es wird keine Pocken mehr geben

Impfung zur Vorbeugung

Antikörper sind der Prüfstein der immunologischen Theorie

Immunantwort

WACHSTUM UND REPRODUKTION

Die kleinen Spermientierchen

Die Entdeckung der Gameten

Manche Organismen haben die sexuelle Reproduktion aufgegeben

Asexuelle Reproduktion

Eine Pflanze hat Organe genauso wie ein Tier

Bestäubung

Aus dem Gemeinsamen bildet sich das Spezielle hervor

Epigenese

Die Vereinigung von Ei- und Samenzelle

Befruchtung

Die Mutterzelle teilt sich genau zwischen den Tochterkernen

Mitose

Darauf beruht die Ähnlichkeit des Kinds zu seinen Eltern

Meiose

Erster Beweis der Autonomie des Lebens

Stammzellen

Master-Kontrollgene

Embryonalentwicklung

Die Erschaffung höchsten Glücks

In-vitro-Fertilisation

Dolly, erster Klon eines erwachsenen Tiers

Klonen

VERERBUNG

Vorstellungen von Art, Vererbung, Variation

Die Gesetze der Vererbung

Die physische Basis der Vererbung

Chromosomen

Das X-Element

Geschlechtsbestimmung

DNA ist das transformierende Prinzip

Die Chemikalien der Vererbung

Ein Gen – ein Enzym

Was sind Gene?

Ich könnte ein Schneckenei in einen Elefanten verwandeln

Springende Gene

Zwei verflochtene Wendeltreppen

Die Doppelhelix

DNA verkörpert den genetischen Code aller Lebewesen

Der genetische Code

Ausschneiden, kleben und kopieren

Gentechnik

Die Sequenz des Biests

DNA-Sequenzierung

Erster Entwurf des Buchs des menschlichen Lebens

Das Humangenomprojekt

Genscheren: den Code des Lebens neu schreiben

Genomeditierung

VIELFALT DES LEBENS UND EVOLUTION

Der erste Schritt besteht darin, die Dinge selbst zu kennen

Leben benennen und klassifizieren

Relikte einer urzeitlichen Welt

Ausgestorbene Arten

Tiere haben sich im Lauf der Zeit tiefgreifend verändert

Leben entwickelt sich

Die Stärksten siegen und die Schwächsten erliegen

Natürliche Selektion

Mutationen bringen neue und beständige Formen hervor

Mutation

Natürliche Selektion verbreitet vorteilhafte Mutationen

Synthetische Evolutionstheorie

Radikale Änderungen treten in isolierten Populationen auf

Artbildung

Alle echte Klassifikation ist eine genealogische

Kladistik

Evolution hat Merkmale einer Uhr

Die molekulare Uhr

Wir sind Überlebensmaschinen

Egoistische Gene

Das Aussterben fällt mit dem Einschlag zusammen

Massenaussterben

ÖKOLOGIE

Alle Körper hängen irgendwie voneinander ab

Nahrungsketten

Tiere eines Kontinents leben auf keinem anderen

Vegetations- und Zoogeografie

Die Interaktion von Habitat, Lebensformen und Arten

Sukzession

Ein Wettlauf zwischen Beute- und Räuberarten

Räuber-Beute-Beziehung

Lebende Materie bewegt, zersetzt und gestaltet sich ständig um

Recycling und natürliche Kreisläufe

Einer wird den anderen verdrängen

Konkurrenzausschlussprinzip

Die Basiseinheiten der Natur auf der Erde

Ökosysteme

Netzwerke, durch die Energie fließt

Trophische Ebenen

Die Nische eines Organismus ist sein Beruf

Ökologische Nischen

Krieg gegen die Natur ist unweigerlich Krieg gegen Menschen

Menschlicher Einfluss auf Ökosysteme

Teilung einer Fläche durch zehn halbiert die Fauna

Inselbiogeografie

Gaia ist der Superorganismus, zusammengesetzt aus allem Leben

Die Gaia-Hypothese

WEITERE BIOLOGEN

GLOSSAR

ZITATNACHWEIS

DANK UND BILDNACHWEIS

EINFÜHRUNG

Biologie ist die Wissenschaft vom Leben und den Lebewesen. Mit der Physik, der Chemie, den Geowissenschaften und der Astronomie gehört sie zu den Naturwissenschaften. Diese sind Produkte der menschlichen Neugier, dem Interesse an der Zusammensetzung und dem Funktionieren der Welt um uns herum, und einer tiefen Sehnsucht nach rationalen Erklärungen.

Wie die anderen Naturwissenschaften auch nahm die Biologie ihren Anfang in den Zivilisationen der Antike. Vielleicht begann sie sogar schon früher, nämlich als Menschen Wissen über ihre Umgebung sammelten, um zu überleben:

»Biologie ist für mich die Geschichte der Erde und all ihres Lebens – einst, jetzt und in Zukunft.«

Rachel Carson

(1907–1964)

Wissen über die Pflanzen, die man essen – oder an denen man sterben kann –, und über die Tiere, die man jagt – oder denen man aus dem Weg gehen sollte. Als sich höhere Kulturen entwickelten, dienten solche Beobachtungen als Grundlage für detailliertere Studien. In China, Ägypten und vor allem in Griechenland entwickelten sich methodische Ansätze zum Studium der natürlichen Umwelt.

Die Welt um uns herum

Im 4. Jahrhundert v. Chr. begann der griechische Philosoph Aristoteles das systematische Studium der Lebewesen, er beschrieb und klassifizierte sie. Der griechische Arzt Hippokrates leitete aus Untersuchungen des menschlichen Körpers erste Grundprinzipien der Medizin ab. Obwohl diese Gelehrten eher beschreibend als analytisch vorgingen – und sich nach moderner Auffassung oftmals irrten –, blieben ihre Entdeckungen und Theorien beinahe 2000 Jahre lang das Fundament der Lebenswissenschaften.

Islamische Gelehrte bewahrten das Wissen der antiken Denker und bauten im späten Mittelalter (1250–1500) darauf auf. Ihre Art zu forschen kann man bereits als wissenschaftlich bezeichnen. Die neue Methode inspirierte die wissenschaftliche Revolution der europäischen Renaissance und der Aufklärung. Damals bildeten sich die Wissenschaften heraus, wie wir sie heute kennen – mit der Biologie als klar abgegrenzter Disziplin.

Zweige der Biologie

Die große Neuerung des modernen wissenschaftlichen Ansatzes bestand darin, dass die Forscher die Lebewesen nicht mehr nur beobachteten, sondern aktiv untersuchten. In der Biologie verlagerte sich das Interesse von der Anatomie (die die Strukturen eines Organismus beschreibt) zur Physiologie, die erklärt, wie ein Organismus und seine Teile funktionieren – und was den Prozess des Lebens an sich ausmacht. Betrachtet man Fülle und Vielfalt des Lebens auf unserem Planeten, verwundert es nicht, dass sich verschiedene Zweige der Biologie zu entwickeln begannen.

Die offensichtlichste Unterteilung ergibt sich aus der Art der Lebewesen, die untersucht werden: Die Zoologie ist die Wissenschaft von den Tieren, die Botanik beschäftigt sich mit Pflanzen und die Mikrobiologie untersucht mikroskopisch kleine Organismen. Etliche Subdisziplinen wie Biochemie, Zellbiologie und Genetik verselbstständigten sich im Zuge weiterer Spezialisierung. Es gibt darüber hinaus eine Vielzahl von praktischen Anwendungen: in Medizin und Gesundheitswesen, Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion. Aktuell steht die Ökologie im Zentrum: Es gilt, die Schäden, die der Mensch in seiner Umwelt angerichtet hat, zu verstehen und zu mildern.

Grundprinzipien

Heute geben vier Denkrichtungen den Forschungsbereichen der Biologie ihre Grundprinzipien vor. Die erste ist die Zelltheorie: Alle Lebewesen sind aus Grundbausteinen zusammengesetzt, die man Zellen nennt. Evolution ist die zweite: Lebewesen können und müssen sich verändern, um zu überleben. Das Prinzip der Genetik ist das dritte: Desoxyribonukleinsäure (international mit DNA abgekürzt) bildet in allen Lebewesen den Code für die Strukturen einer Zelle und zugleich den Stoff, der an die folgenden Generationen vererbt wird. Viertes Grundprinzip ist die Homöostase: Lebewesen regulieren ihre innere Umwelt so, dass ein Gleichgewicht erhalten bleibt.

Natürlich gibt es Überlappungen zwischen diesen Gebieten und weitere Untergliederungen innerhalb jedes Gebiets. In diesem Buch werden die vier genannten Richtungen der Biologie unterteilt in neun Kapitel, von denen jedes einen Aspekt, ein Prinzip oder einen speziellen Zweig der Biologie behandelt. So soll ein Gesamtbild der wichtigsten Ideen entstehen. Auch der historische Kontext soll deutlich werden: Wie haben sich diese Denkrichtungen im Lauf der Zeit entwickelt?

»… je mehr wir über Lebewesen lernen, speziell uns selbst, desto seltsamer wird das Leben.«

Lewis Thomas

(1913–1993)

Beim Lesen dieses Buchs gilt es, im Kopf zu behalten, dass viele der wesentlichen Entdeckungen und Erkenntnisse der Biologie Laien zu verdanken sind. Dies gilt vor allem für die Kinderjahre dieser Wissenschaft. Heute scheint die Welt der Biologie eine Domäne von Akademikern und Experten in weißen Kitteln zu sein – weit weg von uns Normalbürgern und jenseits unseres geistigen Horizonts. Die großen Ideen der Biologie sind jedoch oft nur hinter Fachbegriffen versteckt oder es fehlt an Grundwissen. Dieses Buch zielt darauf ab, die großen Ideen in einfacher Sprache ohne Fachjargon zu präsentieren, um uns allen das Verständnis zu erleichtern, ja vielleicht sogar weiteren Wissensdurst zu stimulieren.

Die Faszination für die Welt des Lebendigen kennzeichnet die Menschheit seit prähistorischen Zeiten. Heute wird sie erkennbar an der Popularität von Filmen und Fernsehserien, die uns die Vielfalt des Lebens nahebringen. Als Teil dieser Welt stehen wir zugleich oft staunend vor dem Mysterium des Lebens und fragen uns, wo unser Platz ist in der Ordnung der Natur.

Biologie ist ein Ergebnis unserer Bemühungen, diese Welt zu verstehen. Außer wertvollem Wissen kann sie uns Lösungen für manche Probleme anbieten, vor denen wir als Spezies stehen: Nahrung für eine wachsende Bevölkerung, Erfolge im Kampf gegen ansteckende Krankheiten, sogar die Verhütung von Umweltkatastrophen. Wir hoffen, dass dieses Buch Einblick gibt in die Ideen, die unser Verständnis dieses so lebendigen und wichtigen Themas geprägt haben.

LEBEN

UM 160 N.CHR.

Neben anatomischen Präparationen schneidet der Arzt Galen auch Körperteile lebender Tiere auf, um zu sehen, wie sie funktionieren.

1543

Andreas Vesalius publiziert De humani corporis fabrica mit detaillierten Illustrationen seiner Forschungen zur Anatomie des Menschen.

1637

In seiner Abhandlung über die Methode vergleicht René Descartes Tiere mit Maschinen, weil ihnen die Intelligenz und Gefühlswelt des Menschen fehlen.

1828

Der Chemiker Friedrich Wöhler synthetisiert eine organische Substanz, Harnstoff, aus anorganischen Substanzen.

1839

Der Arzt und Physiologe Theodor Schwann zeigt, dass alle lebenden Organismen, nicht nur Pflanzen, aus Zellen bestehen.

1850

Die Idee der spontanen Entstehung von Zellen wird widerlegt durch Rudolf Virchows Theorie der Reproduktion durch Zellteilung.

1952

Stanley Miller und Harold Urey führen Experimente durch, die die Entstehung der ersten organischen Moleküle aus anorganischen Stoffen simulieren.

1967

Lynn Margulis stellt die Theorie auf, dass eukaryotische Zellen sich durch Endosymbiose entwickelt haben.

1972

Das Flüssig-Mosaik-Modell der Zellmembran wird vorgestellt von Seymour Singer und Garth Nicholson.

2010

Der Biotechnologe Craig Venter und sein Team produzieren das erste synthetische Lebewesen, ein Bakterium namens Mycoplasma laboratorium (oder Synthia 1.0).

Wenn Biologie die Wissenschaft vom Leben ist, dann ist eine der wichtigsten Fragen: Was macht Leben aus? Was unterscheidet lebende Organismen von nicht organischen Substanzen? Zentral sind hier die beiden verwandten Disziplinen der Anatomie (der Lehre von den Strukturen der Organismen) und der Physiologie (wie diese Strukturen funktionieren und sich verhalten).

Methodische Untersuchung

Anatomie und Physiologie des Menschen haben sich, historisch gesehen, zusammen mit der Medizin entwickelt. Einer der Ersten, der Pflanzen und Tiere methodisch untersuchten, war jedoch der Philosoph Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. Seine Befunde waren allerdings rein beschreibend. Erst um 160 n. Chr. begann der Arzt Galen, mit den Organen lebender Tiere zu experimentieren, und er klärte auf, wie sie funktionieren. Galens Werk legte die Grundlage für eine experimentelle Biologie und Physiologie und wurde lang akzeptiert. Erst in der Renaissance korrigierten Ärzte und Chirurgen Fehler, die Galen unterlaufen waren, weil er Sektionsergebnisse von Tieren auf den Menschen übertragen hatte. Anatomie war in dieser Zeit sehr poulär. Publikationen wie De humani corporis fabrica von Andreas Vesalius und die anatomischen Zeichnungen von Leonardo da Vinci übten großen Einfluss aus.

Zeitalter der Vernunft

Die Bedeutsamkeit von Anatomie und Physiologie setzte sich fort bis ins Zeitalter der Aufklärung, des sogenannten Zeitalters der Vernunft. Dabei unterschied man irrtümlich zwischen tierischem und menschlichem Leben. Die Abläufe im Universum und im Leben von Pflanzen und Tieren wurden als mechanische Abläufe aufgefasst, die den neu entdeckten Gesetzen der Physik gehorchten. Wissenschaftler und Philosophen wie René Descartes behaupteten, Tiere hätten keinen Verstand und keine Gefühle, sie seien Maschinen – eine Sichtweise, die sich bis ins 19. Jahrhundert hielt. Erst Charles Darwin äußerte die Idee, dass Menschen sich nicht grundsätzlich von anderen Tieren unterscheiden.

Es blieb jedoch ein Gefühl bestehen, dass lebende Organismen sich nicht ganz und gar mechanistisch erklären lassen und dass eine geheimnisvolle »Lebenskraft« in organischer Materie steckt. Man glaubte, organische Materie könne nur von Lebewesen produziert werden. Erst Friedrich Wöhler widerlegte diese Ansicht, indem er eine organische Substanz aus anorganischen Stoffen herstellte.

Die Entwicklung des Mikroskops im 17. Jahrhundert brachte die Forschung an den Strukturen der Organismen wesentlich voran: 1665 entdeckte Robert Hooke an Pflanzen Strukturen, die er »Zellen« nannte und die wenig später auch von Antoni van Leeuwenhoek und anderen beobachtet wurden. Dies führte zu der Idee, dass Zellen die »Bausteine« der Organismen sind, die kleinsten Einheiten der Lebewesen. Matthias Schleiden und Theodor Schwann kamen unabhängig voneinander zu dem Schluss, dass nicht nur Pflanzen, sondern alle Organismen aus Zellen bestehen und dass Organismen ein- oder mehrzellig sein können. Rudolf Virchow kam 1860 zu dem Schluss, dass Zellen sich durch Teilung reproduzieren. Dies bedeutet auch, dass Zellen nur aus Zellen hervorgehen können – und nicht, wie lange geglaubt, spontan durch »Urzeugung« entstehen.

Zelluläre Strukturen

Als Nächstes fanden Wissenschaftler heraus, dass es nicht nur eine Fülle verschiedener Formen zellulären Lebens gibt, sondern dass auch Zellen selbst einfach oder komplex gebaut sein können. Nach einer Theorie von Lynn Margulis entwickelten sich komplexe eukaryotische Zellen vor Milliarden von Jahren aus einfachen prokaryotischen Zellen, indem sie sich andere Zellen einverleibten, deren Merkmale übernahmen und dabei immer komplexer wurden. In den 1970er-Jahren untersuchten die Biologen Seymour Singer und Garth Nicholson die Membran, die jede Zelle umgibt. Dies führte zu der Theorie, dass die Membran kontrolliert, welche Substanzen in die Zelle hinein- und aus ihr hinausströmen können.

Mit wachsendem Verständnis kam die Idee auf, Leben im Labor aus nicht lebendigen Substanzen zu erschaffen – auch um die ursprüngliche Entstehung von Leben aus Nichtleben vor Milliarden von Jahren besser zu verstehen. Die ersten Experimente wurden 1962 von Stanley Miller und Harold Urey gemacht. Die Erschaffung der ersten synthetischen Lebensform, eines Bakteriums, gelang einem Team von Biotechnologen im Jahr 2010.

EIN FENSTER ZUM KÖRPER

EXPERIMENTELLE PHYSIOLOGIE

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Galen von Pergamon (129 bis ca. 216 n. Chr.)

FRÜHER

um 500 v. Chr. Im alten Griechenland entdeckt der Arzt und Vivisektionist Alkmaion von Kroton die Bedeutung des Sehnervs für das Sehen.

um 350 v. Chr. Der Philosoph Aristoteles betreibt anatomische Studien an Tierkadavern.

um 300–260 v. Chr. Die Ärzte Herophilos und Erasistratos schneiden Leichen auf und nehmen Vivisektionen an Verbrechern vor.

SPÄTER

um 1530–1564 Andreas Vesalius’ Sektionen menschlicher Leichen stellen Galens Ideen infrage.

1628 Der englische Arzt William Harvey veröffentlicht seinen Bericht über den Blutkreislauf und entlarvt dabei viele von Galens Irrtümern.

Einige der frühesten Fortschritte in der Biologie wurden auf zwei Gebieten erreicht: Man nennt sie heute Anatomie (die Lehre von den Strukturen eines lebenden Organismus) und Physiologie (die Lehre von den Funktionen eines lebenden Organismus). Im Mittelmeerraum begannen griechische Ärzte und Naturphilosophen um 500 v. Chr. mit ersten Untersuchungen. Ihre Forschungen umfassten Präparationen von Leichen und Tierkadavern, aber auch Vivisektionen (das Aufschneiden lebender Tiere). Zeitweilig wurden sogar an Menschen Vivisektionen vorgenommen. Die experimentelle Sektion von Menschen, lebend oder tot, wurde jedoch um 250 v. Chr. aufgegeben – religiöse Lehren und Tabus verboten es.

Galens Experimente

Obwohl die Griechen bei ihren Präparationen und Vivisektionen viel über Anatomie und Physiologie lernten, wurden die wichtigsten Fortschritte der klassischen Antike während des 2. Jahrhunderts n. Chr. erzielt, dank der Experimente Galens von Pergamon, Arzt des Kaisers Marcus Aurelius in Rom.

Anders als seine Vorgänger experimentierte Galen ausschließlich mit Tieren – vor allem Affen, aber auch Schweinen, Ziegen, Hunden, Ochsen – und sogar einem Elefanten. Allerdings behandelte er auch Menschen mit tiefen Wunden, was ihn eine Menge über menschliche Anatomie lehrte.

Um herauszufinden, wie der Körper funktioniert, schnitt Galen Körperteile eines Tiers heraus oder machte sie unbrauchbar und beobachtete dann die Wirkung. Bei der Vivisektion eines festgezurrten quiekenden Schweins schnitt er zwei der Kehlkopfnerven durch, die Signale vorm Gehirn zum Kehlkopf übermitteln. Das Schwein kämpfte weiter, aber ohne Lärm. Das Durchtrennen weiterer Nerven, die vom Gehirn kamen, hatte nicht dieselbe Wirkung. Damit war die Funktion der Kehlkopfnerven bewiesen. Offensichtlich benutzte das Gehirn Nerven, um Muskeln zu kontrollieren, die mit Sprache zu tun hatten. Dies unterstützte Galens Meinung, dass das Gehirn der Sitz willkürlicher Aktionen ist – inklusive der Wahl von Wörtern (bei Menschen) und anderer Laute (bei Tieren).

»Wie viele Dinge hat man Galen aufs Wort geglaubt?«

Andreas Vesalius

Flämischer Anatom (1514–1564)

Galen zeigte, dass das Durchtrennen der Kehlkopfnerven auch bei anderen Tieren die Lautproduktion verhindert. Bei weiteren Vivisektionen band er die Harnleiter eines Tiers zu, also die Röhren, die die Niere mit der Blase verbinden. Die Resultate zeigten, dass Urin in den Nieren gebildet wird – nicht in der Blase, wie man zuvor gedacht hatte – und dass er über die Harnleiter zur Blase geleitet wird. Galen war auch der Erste, der entdeckte, dass Blut durch Blutgefäße fließt, obwohl er das Blutkreislaufsystem nicht als Ganzes verstand.

Galens Werk hinterfragen

Galen gilt allgemein als der größte experimentelle Anatom und Physiologe des klassischen Zeitalters. Seine Ideen übten mehr als 1400 Jahre in Europa großen Einfluss aus. Allerdings hat er viele Beobachtungen an Tieren fälschlich auf Menschen übertragen. Seine Beschreibung des Verlaufs von Blutgefäßen im menschlichen Gehirn beispielsweise (die sich nur auf Präparationen von Ochsengehirnen stützte) wurde 1241 vom arabischen Gelehrten Ibn an-Nafis widerlegt. Doch in Europa hielten Generationen von Ärzten bedingungslos an Galens Überzeugungen fest. Das behinderte den medizinischen Fortschritt bis zu den Tagen des flämischen Anatomen Vesalius im 16. Jahrhundert.

Galen

Claudius Galenus, besser bekannt als Galen, wurde 129 n. Chr. in Pergamon, im Westen der heutigen Türkei, geboren. Er studierte Philosophie, wechselte aber mit 16 Jahren zur Medizin, die er zunächst in Pergamon und später im ägypischen Alexandria studierte. Mit 28 kehrte er zurück und wurde oberster Chirurg für eine Truppe von Gladiatoren. Dabei gewann er viel Erfahrung in der Behandlung von Wunden. 161 n. Chr. zog er nach Rom, wo er für seine Heilkunst berühmt wurde. Etwa 168 n. Chr. wurde Galen Leibarzt des Kaisers Marcus Aurelius. Während dieser Zeit schrieb er viele Abhandlungen über Philosphie, Physiologie und Anatomie. Weniger als ein Drittel blieb in Übersetzungen und Kommentaren islamischer Gelehrter erhalten.

Nach einigen Quellen starb Galen im Jahr 199 n. Chr. in Rom, nach anderen 216 n. Chr auf Sizilien.

Hauptwerke

Vom Nutzen der menschlichen Körperteile

Von den natürlichen Fähigkeiten

Vom Nutzen des Pulses

WIE WENIG MAN IN DER ANATOMIE ERREICHT HAT SEIT DEN ZEITEN GALENS

ANATOMIE

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Andreas Vesalius (1514–1564)

FRÜHER

um 1600 v. Chr. Der Papyrus Edwin Smith aus dem alten Ägypten beschreibt zahlreiche menschliche Organe.

2. Jh. n. Chr. Galen begründet die Anatomie, indem er detaillierte Präparationen an Tieren durchführt.

SPÄTER

1817 Der französische Naturforscher Georges Cuvier teilt Tiere nach ihrem Körperbau in Gruppen ein.

1970er Die Erfindung von MRT (Magnetresonanztomografie) und CT (Computertomografie) erlaubt detallierte, nicht invasive Analysen der Anatomie von Menschen und Tieren mithilfe von Scannern.

Die grundlegenden Eigenschaften des menschlichen und des tierischen Körpers kennt man wohl schon seit prähistorischen Zeiten. Viele Ärzte im antiken Griechenland und Rom wussten, dass Anatomiekenntnisse entscheidend sind für eine wirksame Behandlung. Dennoch war es lang nicht klar, dass die menschliche Anatomie im Detail nur verstehen kann, wer den menschlichen Körper selbst studiert.

Heute erscheint das selbstverständlich. Doch als der flämische Arzt Andreas Vesalius im 16. Jahrhundert zum ersten Mal Leichen sezierte, um den menschlichen Körper zu studieren, war es revolutionär. Ärzte glaubten damals nicht an Sektionen. Sie dachten, sie könnten das meiste, was sie wissen mussten, den Werken des römischen Arztes Galen entnehmen. Aber Vesalius bestand auf soliden Beobachtungen des Originals. So veränderte er unser Wissen über den menschlichen Körper fundamental.

Vesalius hat im Detail die Unterschiede in der Anatomie von Menschen und Tieren herausgearbeitet, aber auch, was sie gemeinsam haben. Das Wissen um die anatomischen Variationen zwischen den Arten begründete die Wissenschaft der vergleichenden Anatomie. Tiere konnten nun in Gruppen verwandter Arten eingeteilt werden. Dies wiederum bereitete die Basis für die Evolutionstheorie des britischen Naturforschers Charles Darwin.

»Nichts wurde in unserer Zeit so zerstört und dann ganz wieder aufgebaut wie die Anatomie.«

Andreas Vesalius

Das Sektionstabu

Ein Problem für die frühen Anatomen war das Tabu, menschliche Leichen zu zerschneiden. Der griechische Anatom Alkmaion suchte einen Ausweg, indem er Tiere sezierte. Im folgenden Jahrhundert bildete die Stadt Alexandria eine Ausnahme: Die dortigen Anatomen durften menschliche Leichen sezieren. Einer von ihnen, Herophilos, machte viele Entdeckungen. Er behauptete zu Recht, dass das Gehirn und nicht das Herz der Sitz der menschlichen Intelligenz ist, und er identifizierte die Funktion der Nerven. Herophilos ging aber selbst für alexandrinische Vorstellungen zu weit, als er Sektionen an lebenden Kriminellen durchführte.

Überliefertes Wissen

Galen stützte sich stark auf das Werk von Herophilos. In seine einflussreichen Werke Über die Verfahrensweise beim Sezieren und Über den Nutzen der Körperteile flossen aber auch eigene Resultate aus der Sektion und Vivisektion von Tieren ein. Eine seiner wichtigsten Entdeckungen war die Feststellung, dass Arterien mit fließendem Blut gefüllt sind, und nicht mit Luft, wie man zuvor geglaubt hatte. Seine Rolle als leitender Gladiatorenarzt erlaubte ihm tiefe Einblicke in schreckliche Kampfwunden.

Sein Werk war so detailliert und umfassend, dass Galens Ruf für die nächsten 1400 Jahre unantastbar blieb. Noch zu Vesalius’ Zeit lasen Dozenten aus den Werken von Galen vor, um Studenten zu unterrichten, während im Hintergrund Handwerkschirurgen die Leichen hingerichteter Verbrecher zerteilten und Assistenten auf die Merkmale deuteten, die der Dozent beschrieb. Dabei galt, dass Galen immer recht hat, auch wenn der Text nicht übereinzustimmen schien mit dem, was die Studenten an der Leiche sahen.

»… die vollkommenste von allen Kreaturen.«

Andreas Vesalius

Vesalius bei der Sektion einer Frauenleiche an der Universität Padua (16. Jh.). Diese Sektionen zogen oft Scharen von Studenten und anderen Schaulustigen an.

Vesalius stellte Galen schon zu Beginn seiner Karriere infrage. Er hatte seine medizinische Ausbildung in Paris begonnen, wo die Anatomen Galen alles glaubten, und der Mangel an praktischen Anatomiekursen frustrierte ihn. Um zu promovieren, ging er nach Padua. Dort sezierte er Leichen, um Anatomie aus erster Hand zu lernen. Er hatte ein scharfes Auge für Details und fertigte akkurate Zeichnungen des Blutgefäß- und des Nervensystems an.

Seine Streitschrift von 1539, die das Blutgefäßsystem im Detail zeigte, hatte unmittelbaren Nutzen für Ärzte, die wissen mussten, wie man einem Patienten Blut abnimmt. Damals stand der Aderlass im Herzen der medizinischen Praxis. Vesalius’ Ruhm wuchs, und er wurde nach der Promotion zum Professor der Chirurgie und Anatomie ernannt. Ein Richter der Stadt Padua garantierte ihm Nachschub an Leichen – die Körper gehängter Verbrecher. So verfügte Vesalius über genügend Sektionsmaterial für die Forschung und für Demonstrationen vor Studenten.

Insgesamt fand Vesalius mehr als 200 Fehler in Galens Texten – sehr zum Verdruss derjenigen, die ihn über jede Kritik erhaben wähnten. Er fand zum Beispiel heraus, dass das menschliche Sternum (Brustbein) drei Teile hat, nicht sieben, wie Galen behauptet hatte. Vesalius zeigte, dass die beiden Unterschenkelknochen Tibia und Fibula länger sind als der Humerus (Oberarmknochen), von dem Galen behauptet hatte, es sei der zweitlängste Knochen des Menschen (nach dem Oberschenkelknochen, dem Femur). Vesalius demonstrierte auch, dass der Unterkiefer aus einem einzigen Knochen besteht, nicht aus zweien, wie Galen geschrieben hatte. Galens Irrtümer rührten nicht von Schlamperei her, sondern waren der Tatsache geschuldet, dass er keine menschlichen Körper hatte präparieren dürfen. Er war gezwungen, auf Ochsen und Affen zurückzugreifen, was die meisten Fehler erklärt.

De Fabrica

1542 fasste Vesalius seine Entdeckungen zu einem umfassenden Anatomie-Lehrbuch zusammen. Ein Jahr lang präparierte er Leichen, teils bei sich zu Hause, teils im Atelier eines Künstlers, und ließ von jedem Teil der menschlichen Anatomie Holzschnitte anfertigen. Seine Präparationen waren detailliert und präzise und er wollte, dass die Illustrationen diesem Standard entsprachen. Vesalius setzte die Schnitte so, dass man die Merkmale, auf die es ihm ankam, deutlich sah. Manchmal fixierte er die Leichen mithilfe von Schnüren, um sie im besten Winkel zeichnen zu lassen.

»Aus der Sektion eines lebenden Tiers [können wir] die Funktion jedes Teils herausfinden oder zumindest Informationen gewinnen, die uns helfen, diese Funktion zu erschließen.«

Andreas Vesalius

Niemand weiß, wer der Künstler oder die Künstler waren, die ihm halfen, aber die Illustrationen gelangen meisterhaft. Einige der ersten Skizzen mag Vesalius selbst angefertigt haben, er war ein begabter Zeichner. Historiker glaubten früher, dass der in Deutschland geborene Stephan von Kalkar der Illustrator war, aber er hat wahrscheinlich nur Vesalius’ erste Streitschrift Tabulae anatomicae (1538) illustriert. Die Illustrationen des Lehrbuchs sind wahre Meisterwerke der Renaissancekunst: Jede anatomische Figur posiert anmutig wie eine klassische Statue in einer klassischen Landschaft und wirkt dabei wie ein lebender Mensch. Vesalius präsentierte Anatomie nicht als Produkt grausamer Metzelei, sondern als edle Wissenschaft. Jeder, der diese Präparate betrachtet, kann die komplexe Schönheit der Körperstrukturen erkennen.

Ausgehend von den Zeichnungen, fertigten Kunsthandwerker reliefartige Druckplatten aus Birnenholz an. Vesalius schaffte die Blöcke 1543 von Venedig über die Alpen bis nach Basel in der Schweiz, um sein großes Werk druckfertig zu machen: De Humani Corporis Fabrica (Vom Aufbau des menschlichen Körpers), oft De Fabrica abgekürzt.

De Fabrica löste eine wissenschaftliche Revolution aus. Es verschaffte Ärzten erstmals ein weithin akkurates und detailliertes Bild der menschlichen Anatomie. Anstelle von Buchweisheit und abstraktem Denken stellte es die Beobachtung in den Vordergrund. Mehr noch, es legte die Grundlage dafür, dass die Medizin eine Wissenschaft wurde.

Vesalius’ Techniken und die Details seiner Beobachtungen waren wegweisend für spätere Generationen von Anatomen. Sie trugen 80 Jahre später dazu bei, dass der englische Arzt William Harvey den Blutkreislauf entdeckte. Harvey studierte in Padua und ließ sich nicht nur von Vesalius’Abbildungen von Blutgefäßen inspirieren, sondern auch von der Idee, an echten Körpern zu experimentieren. Harvey stützte sich dabei auch auf den italienischen Tierarzt Carlo Ruini und seine Beschreibung der Einwegventile im Herzen eines Pferds, die 1598 in Ruinis Werk Anatomia di Cavallo (Anatomie des Pferdes) publiziert worden war.

Eine neue Art zu sehen

Weitere Erkenntnisse brachte die Erfindung des Mikroskops, das winzige anatomische Details enthüllte. 1661 beschrieb der italienische Biologe Marcello Malpighi die Kapillargefäße, um dieselbe Zeit entdeckte der dänische Arzt Thomas Bartholin das lymphatische System. Weitere Fortschritte kamen mit bildgebenden Verfahren, die die anatomische Untersuchung lebender Personen möglich machen.

Technische Verbesserungen haben nach und nach den menschlichen Körper in ein Territorium verwandelt, das mit demselben Eifer kartiert werden kann, wie es Forschungsreisende bei der Ankunft in neuen Ländern tun.

Diese Illustration aus Vesalius’ De Humani Corporis Fabrica zeigt die großen äußeren Muskelgruppen des menschlichen Körpers. Solche Detailtreue war nur möglich, weil Vesalius menschliche Leichen sezierte.

Andreas Vesalius

Vesalius wurde 1514 als Andries van Wesel in Brüssel geboren, damals Teil des Heiligen Römischen Reichs. Sein Großvater war Leibarzt von Kaiser Maximilian. Vesalius studierte Kunst in Leuven (heute Belgien) und Medizin in Paris und im italienischen Padua. 1537 wurde er dort am Tag seiner Promotion zum Lehrstuhlinhaber für Chirurgie und Anatomie ernannt, gerade 23 Jahre alt. Seine Anatomievorlesungen wurden so berühmt, dass ein Richter der Stadt ihn mit Leichen gehängter Verbrecher versorgte. Vesalius tat sich mit den besten italienischen Künstlern zusammen, um 1543 De Fabrica zu veröffentlichen, sein siebenbändiges Anatomiebuch, das Mythen zertrümmerte. Bald danach gab er seine Professur auf und wurde Leibarzt von Kaiser Karl V., später von König Philip II. von Spanien. 1564 starb er auf der griechischen Insel Zakynthos auf dem Heimweg von einer Reise ins Heilige Land.

Hauptwerk

1543De Humani Corporis Fabrica (Vom Aufbau des menschlichen Körpers)

Vergleichende Anatomie

Die anatomischen Zeichnungen eines Orang-Utans (links) und eines Menschen zeigen, wie ähnlich die Proportionen beider Arten sind.

Vesalius’ Einsichten in die Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen Menschen- und Tieranatomie führten zur Entwicklung der Vergleichenden Anatomie. Diese Disziplin beschrieb unerwartete Verwandtschaften zwischen Arten.

Der englische Arzt Edward Tyson (1651–1708) zum Beispiel, der oft als der Begründer der Vergleichenden Anatomie gilt, zeigte, dass Menschen mit Menschenaffen anatomisch mehr gemeinsam haben als mit anderen Affen. Mittels der Vergleichenden Anatomie wurden die Tiere in die Gruppen eingeteilt, die wir heute noch kennen. 1817 teilte Georges Cuvier die Tiere nach ihrem Körperbau in vier große Gruppen auf – Wirbeltiere, Weichtiere, Gliedertiere und Strahlentiere. 40 Jahre später zeigte Charles Darwin, dass anatomische Variationen den allmählichen Änderungsprozess enthüllen, der für seine Theorie der Evolution durch natürliche Selektion zentral ist. Menschen sind darin nur ein Teil eines großen tierischen Spektrums.

TIERE SIND MASCHINEN

TIERE SIND NICHT WIE MENSCHEN

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

René Descartes (1596–1650)

FRÜHER

um 350 v. Chr. Aristoteles schreibt in Geschichte der Tiere, Embryos entstünden durch eine Art Ansteckung.

SPÄTER

1739 Der schottische Philosoph David Hume behauptet, dass Tiere Denken und Vernunft besitzen.

1802 Der britische Geistliche William Paley spricht sich für die Existenz Gottes aus. Tiere seien kompliziert gebaut wie Uhren, deshalb müsse es einen »Uhrmacher« geben.

1962 Forscher belegen ein prozedurales (Langzeit-)Gedächtnis, das Aufgaben unbewusst zu erledigen hilft.

1984 Der amerikanische Philosoph Donald Davidson insistiert: Da Tiere weder Sprache noch Glauben haben, können sie keine Gedanken haben.

Im 17. Jahrhundert war die französische Aristokratie von Automaten fasziniert: mechanischen Spielzeugen, die auf raffinierte Art umhersurrten und sangen. Der französische Philosoph René Descartes erklärte, Tiere seien auch eine Art Automaten. Descartes’ zentrale philosophische Aussage, bekannt als kartesischer Dualismus, besagt, der menschliche Körper sei eine Maschine, die der Geist steuert. Menschen hätten einen Geist und Tiere nicht. In seinem Werk Abhandlung über die Methode von 1637 (bekannt für das Zitat: »Ich denke, also bin ich«) behauptete Descartes, alles in der Natur außer dem menschlichen Geist könne mithilfe der Mechanik und der Mathematik erklärt werden. Da Tiere nicht sprechen könnten, so sein entscheidendes Argument, hätten sie auch keine Seele.

»Nichts führt einen schwachen Geist weiter ab vom Pfad der Tugend als die Vorstellung, die Seele der Tiere sei von gleicher Natur wie unsere.«

René Descartes

Tierisches Bewusstsein

Von einem fundamentalen Unterschied zwischen Menschen und Tieren ist die Wissenschaft heute nicht mehr überzeugt. Werkzeuggebrauch galt einst als einzigartig menschlich, wird aber schon seit Langem bei Tieren beobachtet, etwa Schimpansen oder Krähen. Es wurde auch getestet, ob sich ein Tier im Spiegel erkennt oder nicht. Die meisten Arten fallen bei diesem Test durch, aber nicht alle. Inzwischen geht man davon aus, dass es noch viele andere Arten von Selbstbewusstsein gibt, die auf Tiere zutreffen könnten.

HARNSTOFF MACHEN OHNE NIEREN

BIOCHEMIKALIEN AUS DEM LABOR

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Friedrich Wöhler (1800–1882)

FRÜHER

um 200 n. Chr. Galen meint, Leben entstehe durch Pneuma, eine luftige Substanz.

1807 Der schwedische Chemiker Jöns Jacob Berzelius sieht einen fundamentalen Unterschied zwischen organischer und anorganischer Chemie.

SPÄTER

1858 Der deutsche Chemiker Friedrich Kekulé stellt eine Theorie der Molekülstruktur auf: Kohlenstoffatome haben vier Bindungen und können sich zu einer Kette reihen.

1877 Der deutsche Physiologe Felix Hoppe-Seyler prägt die Biochemie als akademische Disziplin mit dem Buch Physiologische Chemie.

1903 Der finnische Chemiker Gustaf Komppa macht Kampher – das erste organisch synthetisierte Produkt.

Im 3. Jahrhundert v. Chr. dachten griechische Philosophen wie Aristoteles, Pflanzen und Tiere seien von einer »Lebenskraft« durchdrungen, einer unsichtbaren Kraft, die ihnen Leben verleiht. Doch die Theorie des Vitalismus wurde widerlegt, als der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler eine zufällige Entdeckung machte.

Künstliche Synthese

1828 versuchte Wöhler, in seinem Labor Ammoniumcyanat herzustellen. Dabei synthetisierte er aus Versehen Harnstoff, eine bekannte organische Substanz, die im Urin vorkommt. Nach vitalistischer Vorstellung können nur Lebewesen organische Substanzen mittels ihrer »Lebenskraft« herstellen. Doch Wöhler hatte den Harnstoff aus anorganischer Materie erzeugt – mithilfe der »Wöhler-Synthese«.

Wöhlers Entdeckung war nicht nur wichtig, um den Vitalismus zu entkräften. Sie schuf auch die Grundlage der modernen organischen Chemie. Bis ins frühe 19. Jahrhundert galt die organische Chemie als Wissenschaft von den Stoffen, die von biologischen Quellen stammen. Heute beschäftigt sich die organische Chemie mit allen kohlenstoffbasierten Substanzen, auch solchen von nicht biologischer Herkunft. Prozesse, die in lebenden Organismen ablaufen, werden hingegen von der Biochemie abgedeckt.

Friedrich Wöhler gelang die erste künstliche Synthese eines biologischen Moleküls. In einem Brief schrieb er: »… dass ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren zu benötigen«.

DAS WAHRE BIOLOGISCHE ATOM

DIE ZELLULÄRE NATUR DES LEBENS

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Theodor Schwann (1810–1882)

FRÜHER

1665 Robert Hooke prägt den Begriff »Zelle« für kleine Strukturen, die er in Korkrinde unter dem Mikroskop sieht.

1832 Der belgische Botaniker Barthélemy Dumortier beobachtet Algenzellen bei der Teilung.

SPÄTER

1852 Der polnisch-deutsche Physiologe Robert Remak beweist, dass Zellen aus anderen Zellen durch Zellteilung entstehen.

1876 Der polnisch-deutsche Botaniker Eduard Strasburger postuliert nach Studien an Blütenpflanzen, dass Zellkerne nur durch die Teilung existierender Zellkerne entstehen.

Der Engländer Robert Hooke war Wissenschaftler, Architekt und ein Pionier der Mikroskopie. Als er 1655 den Begriff »Zelle« prägte, schaute er auf stark vergrößerte, aber tote schachtelartige Hohlräume in einer Probe von Korkrinde. Unter den Linsen seines Instruments sahen sie wie eine Bienenwabe aus. Hooke erinnerten die regelmäßigen Strukturen an Reihen von Mönchszellen in einem Kloster.

Andere Mikroskopierer entdeckten schachtelförmige Einheiten in allen möglichen organischen Proben: Pflanzenblättern und -stängeln, Teichwasser und Tierblut. In den 1670er- und 1680er-Jahren beschrieb Antoni van Leeuwenhoek sie in Speichel, menschlichem Blut und Sperma. Er beobachtete, dass es in Teichwasser nur so wimmelte von lebenden, beweglichen, winzigen Lebensformen, die er »animalcules« (Tierchen) nannte. Leeuwenhoek hatte als erster Mensch Einzeller unter dem Mikroskop gesehen. Allerdings konnten er, Hooke und ihre Zeitgenossen aus dem 17. Jahrhundert die Bedeutung dieser kleinen Lebewesen noch nicht verstehen.

Eine mikroskopische Welt

In den späten 1790er-Jahren begeisterte sich der deutsche Botaniker Heinrich Friedrich Link für Kräuter, die auf trockenem Boden in Portugal wuchsen. Er stellte fest, dass jede Zelle eine eigene Wand besaß, die sich bei Trockenheit von den Wänden der Nachbarzellen zurückzog. Bis dahin hatte man geglaubt, dass Zellen sich ihre Wände teilen. In den 1820er- und 1830er-Jahren studierte der französische Physiologe Henri Dutrochet unter dem Mikroskop zahlreiche Proben, die er in seinem Garten gesammelt hatte. Er fand heraus, dass sowohl für Pflanzen als auch für Tiere die Zelle die letzte anatomische und physiologische Einheit ist, und formulierte: »Alles leitet sich letztlich von der Zelle ab.«

Hookes Zeichnung von Korkzellen (in seinem herausragenden Werk Micrographia, 1665). Das Buch enthielt Illustrationen mikroskopischen Lebens in nie zuvor gesehenem Detail.

Leeuwenhoeks Beobachtungen von »animalcules« stießen auf Skepsis, als er der Royal Society in London 1673 von seinen Entdeckungen berichtete.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts erfasste die Begeisterung über die Allgegenwart von Zellen in lebenden Organismen den deutschen Biologen und Arzt Theodor Schwann, der als Professor und Experte für die Konstruktion von Versuchsgeräten bekannt war. Bei der Untersuchung menschlicher und tierischer Zellen fielen ihm immer wieder ähnliche Strukturen auf. Zur selben Zeit untersuchte Matthias Schleiden, ein Botanikprofessor und Kollege Schwanns an der Berliner Universität, Pflanzenzellen. Die beiden kooperierten und Schleiden berichtete Schwann von einem runden, dunklen Körperchen oder Kern, den er in den meisten seiner Pflanzenzellproben gesehen hatte.

Schwann hatte zu diesem Zeitpunkt noch keine klaren Hinweise auf Kerne oder andere Strukturen in seinen Tierzellen gefunden. Das ist verständlich. Der Kern einer Pflanzenzelle ist auffällig und die ganze Außenseite der Zelle ist von einer relativ dicken, halbsteifen Wand umgeben, die ihr oft eine unter dem Mikroskop gut erkennbare geometrische Form verleiht. Wegen dieses Aussehens hatte Robert Hooke den Namen »Zellen« gewählt. Tierische Zellen haben weniger deutliche Kerne und keine dicken Wände. Ihre Zellmembranen sind dünn und flexibel, deshalb können die Zellen amorph sein und ihre Form ändern.

Tierische und pflanzliche Zellen haben Zellmembranen. Aber Pflanzenzellen haben eine harte Zellwand um die Membran herum, was ihnen ihre gleichmäßige Form verleiht.

Der Kern ist üblicherweise das Auffälligste bei den Organellen – den vielen inneren Strukturen, die in den Zellen spezifische Aufgaben haben. 1833 lieferte der schottische Botaniker Robert Brown als Erster eine komplette Beschreibung des Zellkerns und gab ihm seinen Namen. Schleiden aber war einer der Ersten, die erkannten, dass der Kern eine wichtige Funktion in der Zelle hat. Schleiden vermutete, dass neue Zellen aus den Kernen bestehender Zellen entstehen. Dabei hatte er die kleinen – und, wie man später entdeckte, sich rasch teilenden – Zellen im Endosperm vor Augen, dem stärkehaltigen Nahrungsspeicher von Pflanzensamen. Er stellte sich vor, dass ein Kern weitere Kerne generiert, so wie eine Pflanze Knospen treibt, und dann würde sich um den Kern herum durch Kristallisation oder auch spontan eine Zelle formen.

1838 publizierte Schleiden seine Ideen in einem Artikel mit dem Titel Beiträge zur Phytogenese. Unter Phytogenese versteht man die Lehre von der Herkunft und der Entwicklung der Pflanzen. Er schrieb, dass eine Pflanze aus Zellen besteht, und postulierte, dass die ersten Stadien im Leben einer Pflanze, aber auch ihre weitere Entwicklung, auf Zellen basieren.

1838 diskutierten Schleiden und Schwann bei einem Essen die Rolle des Zellkerns bei der Entstehung neuer Zellen. Dabei fiel Schwann die Ähnlichkeit von Tieren und Pflanzen auf. Bei seinen Experimenten an Kaulquappen und Schweineembryonen hatte er Objekte, die wie Zellkerne aussehen, im Notochord beobachtet, einer Struktur, die sich früh in der Entwicklung eines Wirbeltierembryos bildet und die später zur Wirbelsäule wird.

Schwann entwickelte Methoden, um tierische Zellmembranen und -kerne unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. Er untersuchte tierische Gewebe, etwa Leber, Nieren und Pankreas, in frühen Entwicklungsphasen. Dabei kam er zu dem Schluss, dass Zellen die Grundeinheiten des Lebens sind – bei Tieren wie bei Pflanzen. Wenn ein Tier wächst, so erkannte er, entwickeln sich die Zellen zu spezialisierten Formen mit unterschiedlichen Funktionen, ein Prozess, den man Differenzierung nennt.

»Der Grund der Ernährung und des Wachstums liegt nicht in dem Organismus als Ganzem, sondern in den einzelnen Elementarteilen, den Zellen.«

Theodor Schwann

Zelltheorie

1839 formulierte Schwann seine Theorien zu Tier- und Pflanzenzellen in seinem Buch Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen. Mit Verweisen auf Schleiden postulierte er, dass alle Lebewesen aus Zellen bestehen und dass die Zelle der Grundbaustein des Lebens ist. Beide Prinzipien bildeten die Basis der Zelltheorie. Auf Schwann geht auch die Klassifikation erwachsener tierischer Gewebe in fünf Gruppen zurück, deren zelluläre Strukturen er genau beschrieb. Dabei unterschied er separate unabhängige Zellen (etwa im Blut), kompakte unabhängige Zellen (etwa in Fingernägeln, Haut und Federn), Zellen, deren Wände verschmolzen sind (in Knochen, Zähnen und Knorpel), lang gestreckte Zellen, die Fasern bilden (in Fasergewebe und Bändern) sowie Zellen, bei denen Wände und Hohlräume verschmolzen sind (in Muskeln, Sehnen und Nerven).

Ein drittes Prinzip

Die Idee, dass Zellen die grundlegenden strukturellen und funktionalen Einheiten aller Lebewesen sind, wurde rasch akzeptiert. 1858 fügte der berühmte deutsche Arzt und Politiker Rudolf Virchow ein drittes Prinzip hinzu: »Alle lebenden Zellen entstehen aus lebenden Zellen.« Virchow widersprach damit der vorherrschenden Ansicht, neue Zellen und lebende Materie könnten spontan entstehen, etwa durch Knospung oder Kristallisierung. Virchow hatte unter dem Mikroskop beobachtet, wie lebende Zellen sich teilen und dabei neue Zellen bilden, ein Prozess, den man heute Zellteilung nennt.

Das Mikroskop verbessern

James Smith konstruierte dieses Mikroskop 1826. Er benutzte Listers achromatische Linsen, um optische Abweichungen zu vermeiden.

Im frühen 17. Jahrhundert entwickelten holländische Optiker das erste zusammengesetzte Mikroskop. Etwas später baute Robert Hooke sein eigenes Mikroskop. 1665 veröffentlichte er seine Beobachtungen in illustrierter Form in seinem Buch Micrographia.

Unzufrieden mit der Qualität mikroskopischer Abbildungen, nahm der britische Optiker und Naturfoscher Joseph Jackson Lister (Vater von Joseph Lister, Pionier der antiseptischen Chirurgie) Ende der 1820er-Jahre die Hilfe von James Smith in Anspruch, einem Mitarbeiter des Instrumentenbauers William Tulley. Lister und Smith kombinierten Linsen aus verschiedenen Glastypen (Flint- und Kronglas) und konnten so optische Abweichungen (Verzerrung und Unschärfe) stark reduzieren. Ab 1830 schliff Lister seine eigenen Linsen und gab sein Wissen weiter. Seine neuen, verbesserten Mikroskope führten zu großen Fortschritten bei der Erforschung mikroskopischen Lebens.

Theodor Schwann

Theodor Schwann wurde 1810 in Neuss geboren. Er war der vierte Sohn des Goldschmieds und Druckers Leonard Schwann. Er studierte Medizin und promovierte 1834. Danach wurde er Assistent seines Professors, des renommmierten deutschen Physiologen Johannes Müller.

Mit neuesten mikroskopischen Methoden beobachtete Schwann die Rolle von Hefe bei der Gärung – sein Beitrag zur Keimtheorie von Louis Pasteur. Schwann studierte auch die Rolle von Enzymen bei der Verdauung, die Funktion von Muskeln und Nerven und er schaffte die Grundlagen der Embryologie. Mit 30 Jahren hatte er seine wichtigsten Entdeckungen gemacht. Als experimentell arbeitender Erfinder und als begabter Dozent bekam er in späteren Jahren viel Anerkennung für seine wissenschaftlichen Methoden. Schwann starb 1882 in Köln.

Hauptwerk

1839Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen

JEDE ZELLE AUS EINER ZELLE

WIE ZELLEN GEBILDET WERDEN

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Rudolf Virchow (1821–1902)

FRÜHER

1665 Der englische Forscher Robert Hooke beschreibt mikroskopisch kleine Kammern in Korkgewebe als »Zellen«.

1838–1839 Matthias Schleiden und Theodor Schwann nennen Zellen die Bausteine von Pflanzen und Tieren.

1852 Robert Remak widerspricht der Theorie, dass Zellen aus Blastem entstehen.

SPÄTER

1858 In einer Vorlesungsreihe erklärt Rudolf Virchow, dass alle Krankheiten auf Zellen zurückgeführt werden können.

1882 Walther Flemming benutzt das Word »Mitose« für die Zellteilung und entdeckt die Chromosomen.

1911 Der Biologe Thomas Morgan zeigt, dass Chromosomen Träger der Gene sind.

Der polnisch-deutsche Physiologe Rudolf Virchow stellte 1865 die verbreitete Ansicht infrage, lebende Organismen könnten aus toter Materie entstehen. Er erklärte, dass alle Zellen aus bestehenden Zellen hervorgehen – omnis cellula e cellula, wie er es in einem lateinischen Epigramm formulierte. Nachdem der Grundsatz bewiesen worden war, wurde er zum dritten Prinzip der Zelltheorie und revolutionierte unser Verständnis von den Körperfunktionen und Krankheiten.

Rudolf Virchow ist die Erstbeschreibung vieler Krankheiten zu verdanken sowie die Entwicklung einer ersten systematischen Autopsiemethode.

Heute weiß man, dass die Reproduktion von Zellen in allen eukaryotischen Organismen stattfindet, also in Tieren, Pflanzen und Pilzen. Die meisten Zellen teilen sich, ein Vorgang, den man Mitose nennt: Dabei entstehen aus einer Elternzelle zwei Tochterzellen. So kann die Gesamtzahl der Zellen zunehmen und ein Organismus kann wachsen. Er kann verlorene Zellen durch neue Zellen ersetzen und Schäden reparieren.

Es dauerte lang, bis Wissenschaftler die wahre Bedeutung der Zellen verstanden. Teilweise lag das an der langsamen Entwicklung der Mikroskoptechnik. Da die Umrisse einer Pflanzenzelle leichter zu beobachten sind als die einer tierischen Zelle, wurden die drei Prinzipien der Zelltheorie zunächst für Pflanzen formuliert: Lebewesen bestehen aus Zellen, Zellen sind die Grundbausteine des Lebens und jede Zelle entsteht aus einer Zelle. 1835 beobachtete der deutsche Botaniker Hugo von Mohl an Grünalgen, dass sich bei der Teilung von Zellen neue Zellen bilden. Drei Jahre später verallgemeinerte dies der deutsche Physiologe Matthias Schleiden für alle Pflanzen und 1839 sein deutscher Kollege Theodor Schwann für die Tiere.

Zellentstehung

Schwann erkannte die Bedeutung der Zellen, aber seine Erklärung, wie sie entstehen, war falsch. Er glaubte, dass neue Zellen aus einer »amorphen Grundsubstanz«, dem Blastem, entstünden. Im Endeffekt wäre das eine Form der Urzeugung, bei der neue Zellen in einer »Nährlösung« heranwachsen. Seiner Argumentation folgte der österreichische Pathologe Karl Rokitansky. Er vermutete, dass ein chemisches Ungleichgewicht im Blut das Blastem manchmal dazu bringt, unnormale Zellen abzusondern, diese seien die Ursache von Krankheiten.

Von 1844 an betrieb Virchow mikroskopische Studien des Bluts. An der Charité in Berlin untersuchte er Blutgerinnsel und Phlebitis, die Entzündung der Innenwände von Venen. Dabei erkannte er, dass neue Zellen nicht in der Weise kristallisieren, wie es Schwann beschrieben hatte. 1852 erklärte der Physiologe Robert Remak, der in Virchows Labor arbeitete, neue Zellen entstünden bei der Teilung vorhandener Zellen. Die Idee war revolutionär, aber drei Jahre später äußerte Virchow sie selbst in einem Aufsatz – und wurde beschuldigt, Remak nicht ordnungsgemäß zitiert zu haben.

Krankheit und Zellstruktur

Virchow erklärte, alle Krankheiten ließen sich auf Zellen zurückführen: Zellen werden krank, nicht der ganze Körper, und unterschiedliche Krankheiten befallen unterschiedliche Zellen. Er war auch der Erste, der vermutete, dass Krebs durch die Aktivierung schlafender Zellen entstehen könnte. Und er beobachtete, dass eine Krankheit, der er den Namen Leukämie gab, verbunden war mit einer abnormen Zunahme weißer Blutkörperchen. Virchow wurde als »Vater der modernen Pathologie« bekannt.

Virchows Werk, aber auch die Entdeckung fadenförmiger Strukturen in den Zellkernen, die wir heute als Chromosomen kennen, bereiteten den Weg für das Verständnis der DNA. Diese Folge von Ereignissen hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die moderne Biologie, die Genetik und die Medizin.

Hayflick-Grenze

1962 zeigte der amerikanische Anatom Leonard Hayflick, dass normale Zellen sterblich sind. Sie teilen sich 40- bis 60-mal, altern dann und sterben. Er widerlegte so den etablierten Glauben an die Unsterblichkeit von Zellen, die der französische Biologe Alexis Carrel 1912 postuliert hatte.

Die Anzahl möglicher Zellteilungen wird Hayflick-Grenze genannt. Sie korreliert mit der Länge der Telomere an beiden Enden eines Chromosoms. Telomere sind »Kappen«, die die Enden der Chromosomen schützen und verhindern, dass sie miteinander fusionieren. In normalen Zellen werden bei jeder DNA-Replikation kleine Teile der Telomere nicht mitkopiert und gehen verloren. Im Endeffekt führt dies dazu, dass die Zelle sich nicht mehr erfolgreich teilen kann. Die meisten Krebszellen jedoch sind Ausnahmen. Sie enthalten das Enzym Telomerase, das die Telomere vor Verkürzung schützt. Wissenschaftler suchen nun nach Telomerase-Inhibitoren, die das Leben von Krebszellen begrenzen könnten.

LEBEN IST KEIN WUNDER

LEBEN ERSCHAFFEN

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUREN

Stanley Miller (1930–2007), Harold Urey (1893–1981)

FRÜHER

1828 Friedrich Wöhler stellt Harnstoff her. Zum ersten Mal wird eine organische Chemikalie synthetisiert.

1859 Louis Pasteur zeigt, dass Leben nicht sponan aus Luft oder toter Materie entstehen kann.

1924, 1929 Alexander Oparin und J. B. S. Haldane sprechen sich für eine Abiogenese aus.

SPÄTER

1968 Leslie Orgel meint: Leben begann mit RNA.

1993 Michael Russells These: Leben begann rund um hydrothermale Schlote.

2010 Craig Venters Team erschafft einen synthetischen Organismus.

Leben ist das großartigste Phänomen auf Erden und vielleicht im Universum. Soweit wir wissen, entstand das Leben durch eine zufällige Verbindung komplexer Chemikalien. Dabei entstanden organische Strukturen, die nicht nur wachsen, sondern sich auch selbst reproduzieren konnten. Wissenschaftler haben lang gerätselt, wie dieses Ereignis geschehen konnte und ob es im Labor wiederholt werden kann. Dann könnte man Leben neu erschaffen.

In den 1920er-Jahren stellten Wissenschaftler Pasteurs Widerlegung der spontanen Entstehung von Leben wieder infrage. Der sowjetische Biochemiker Alexander Oparin und der britische Genetiker J. B. S. Haldane sprachen sich für eine Abiogenese aus – für die Idee, dass Leben aus unbelebter Materie entstanden ist. Konnten komplexe organische Chemikalien sich von selbst zusammenbauen?

Organische Materie

In einem berühmten Experiment testeten die amerikanischen Chemiker Stanley Miller und Harold Urey 1953 die Oparin-Haldane-Theorie. Sie ahmten die »Ursuppe« nach, die nach damaliger Vorstellung in den Kindertagen der Erde die Atmosphäre bildete. Dann wollten sie testen, ob Blitze in einer so dichten Atmosphäre genügend Energie bereitstellen können, um die richtigen Moleküle zusammenzubringen.

Miller und Urey versiegelten eine Glasflasche mit all den Gasen, die die ursprüngliche Atmosphäre der Erde enthalten haben soll – Ammoniak, Methan, Wasserstoff – und fügten Wasserdampf hinzu. Dann schossen sie elektrische Funken in das Gasgemisch.

Nach einem Tag wurde das Wasser rosa. Nach einer Woche verwandelte es sich in ein tiefrotes, dickes Gebräu. Als er es analysierte, fand Miller fünf Aminosäuren – kohlenstoffbasierte Bausteine von Proteinen. Im Jahr 2007 zeigte eine erneute Analyse der Geräte des Originalexperiments mit modernen Techniken, dass Miller mindestens 13 Aminosäuren erzeugt hatte.

Miller und Urey hatten bewiesen, dass organische Chemikalien auf nicht organische Weise hergestellt werden können. Ähnliche Experimente brachten Kohlenhydrate hervor und sogar Proteine.

Die Erzeugung einfacher Chemikalien, die man für Leben braucht, ist also nichts Besonderes. Sie passiert vermutlich in diesem Moment vielerorts im Universum. Wissenschaftler schätzen, dass Kometen die frühe Erde mit Millionen Tonnen organischer Chemikalien eingestäubt haben. Doch es ist ein großer Sprung von Proteinen zu einem reproduktionsfähigen Molekül und ein Riesensprung zu einer lebenden Zelle.

In der Theorie der RNA-Welt ist RNA das entscheidene Bindeglied zwischen Ursuppe und ersten Zellen. Wir wissen, dass RNA sich vervielfältigen, genetische Information tragen und chemische Reaktionen katalysieren kann. Herauszufinden, wie Membranen entstanden, wäre ein großer Durchbruch.

RNA und Replikation

DNA (Desoxiribonukleinsäure) ist das chemische Molekül in der Zelle, das den genetischen Code des Lebens trägt. 1963, im Jahr des Miller-Urey-Experiments, entdeckten der US-Amerikaner James Watson und der Brite Francis Crick die Doppelhelixstruktur der DNA. Im Verlauf der nächsten zehn Jahre wurde der genetische Code entschlüsselt.

Interstellare Wolken aus Gas und Staub (hier beim Orion-Nebel) enthalten oft organische Chemikalien. Auch in Meteoriten, die auf der Erde landeten, wurden sie gefunden.

RNA (Ribonukleinsäure) ist eine einsträngige Variante der DNA. Diese kurzen Abschnitte lösen sich nach dem Kopieren vom DNA-Strang ab und übertragen die genetischen Anweisungen zu den Ribosomen – kleinen Fabriken, die aus Aminosäuren Proteine machen.

1968 äußerte der britische Chemiker Leslie Orgel die Idee, das Leben könnte mit einem einfachen RNA-Molekül begonnen haben, das sich vervielfältigen konnte. Orgel kooperierte mit Crick, um diese Idee weiterzuverfolgen. Enzyme sind wichtige Proteine, die in lebenden Organismen biochemische Reaktionen beschleunigen (katalysieren). Wenn RNA Enzyme produzieren könnte, so die Idee, könnte es diese benutzen, um Moleküle zu formen, die neue RNA-Stränge bilden können. 1982 entdeckte der amerikanische Biochemiker Thomas Cech RNA-Enzyme, sogenannte Ribozyme, die sich selbst aus dem RNA-Strang herausschneiden können, um ihre Funktionen zu erfüllen.

1986 prägte der amerikanische Physiker Walter Gilbert den Begriff »RNA-Welt«, um die frühe Welt zu beschreiben, in der RNA-Moleküle sich selbst zerschnitten und zusammenklebten, um mit der Zeit immer nützlichere Sequenzen zu bilden. 2000 bestätigte der amerikanische Molekularbiologe Thomas Steitz, dass RNA Ribosomen kontrolliert und aktiviert. Dies schien zu bestätigen, dass Leben mit RNA begonnen hat. Aber noch gab es keinen Beweis, dass RNA – oder DNA – sich außerhalb einer lebenden Zelle reproduzieren kann.

Seit den 1980er-Jahren versuchen Forscher, RNA zu produzieren, die sich selbst replizieren kann. 2011 schaffte es Philipp Holliger, ein britischer Molekularbiologe, einen RNA-Strang zu bauen, der 48 Prozent seiner Gesamtlänge kopieren kann. Andere haben mit der Synthese einfacher Nukleinsäuren experimentiert, etwa PNA (Peptid-Nukleinsäure), für den Fall, dass diese am Anfang des Lebens gestanden haben könnten. Aber bisher wurden diese Substanzen in der Natur noch nicht gefunden.

Energie, die Leben schafft

Eine rivalisierende Idee besagt, dass am Anfang des Lebens der Stoffwechsel stand, also die Fähigkeit, Energie zu nutzen. Die Entdeckung hydrothermaler Schlote im Jahr 1977 half dieser Idee auf die Sprünge. Aus diesen vulkanischen Schloten auf dem Meeresboden treten Mineralien und eine Menge Hitze aus – vielleicht ein Abbild der vulkanischen frühen Erde. 1993 meinte der britische Geologe Michael Russell, die ersten komplexen organischen Moleküle könnten sich an diesen Hotspots gebildet haben, im Innern kleiner Trichter aus Eisenpyrit rund um die Schlote.

Stanley Miller hatte 1968 darauf hingewiesen, dass hydrothermale Schlote für lebende Organismen zu heiß sind. Aber im Jahr 2000 entdeckte die amerikanische Ozeanografin Deborah Kelley kühlere Schlote. Die Theorie lautete nun, dass das Leben an Orten wie diesen begann, wo Hitze und Energie die Entstehung organischer Moleküle innerhalb von Steinporen anfeuern können. Am Ende hätten die Moleküle ihre eigenen Membranen bauen und aus dem porösen Gestein ins offene Wasser entkommen können.

»Der Beginn des Lebens scheint nahezu ein Wunder zu sein, so viele Bedingungen mussten erfüllt sein, um es in Gang zu bringen.«

Francis Crick

(1916–2004)

Hitzeliebende Bakterien leben im Wasser rund um vulkanische Schlote, hier im Grand Prismatic Spring im Yellowstone National Park, USA. Sah es so auch in der Frühzeit der Erde aus?

Leben codieren

Während Wissenschaftler weltweit in den 1990er-Jahren den genetischen Code des Menschen katalogisierten, versuchte ein Team rund um den US-Biotechnologen Craig Venter, nicht nur organische Chemikalien, sondern ganze lebende Organismen zu erschaffen. Ihre Idee war, mit gentechnischen Methoden von der RNA nach und nach jedes Gen zu entfernen, das nicht notwendig für die Replikation ist.

Zunächst erzeugten sie künstlich das Genom eines Bakteriums namens Mycoplasma mycoides. 2010 inserierten sie das Genom erfolgreich in ein verwandtes Bakterium. Das neue Bakterium reproduzierte sich, ganz wie andere lebende Bakterien. Es hieß, Venters Team habe die erste synthetische Lebensform der Welt geschaffen. Sie nannten sie Sythia 1.0.

2016 entfernte Venters Team weitere Gene und schuf Synthia 3.0, das Lebewesen mit dem kleinsten Genom überhaupt. Mit nur 473 Genen überlebt es nicht nur, sondern reproduziert sich. Dennoch ist Synthia 3.0 keine wirklich synthetische Lebensform, da sein Genom mithilfe lebender Bakterien repliziert wurde.

Trotzdem gab Venters Projekt der synthetischen Biologie einen Schub. Wissenschaftler versuchen jetzt, künstliche Membranen herzustellen, andere wollen Gene maßschneidern. Ihre Vision besteht in der Erschaffung von Organismen, die Umweltverschmutzungen beseitigen oder umweltfreundliche Kunststoffe herstellen können. Dennoch: Es ist noch ein langer Weg, bis der Beginn des Lebens genau verstanden ist, ganz abgesehen von der Neuschaffung von Leben.

Stanley Miller

Geboren 1930 in Oakland, USA, machte Stanley Miller 1961 seinen Abschluss in Chemie in Berkeley. Im selben Jahr hörte er Nobelpreisträger Harold Urey über die Anfänge des Sonnensystems und die ersten organischen Chemikalien auf der Erde sprechen. Fasziniert überredete Miller Urey zu ihrem berühmten Experiment von 1953.

Miller lehrte Chemie am California Institute of Technology (Caltech), an der Columbia University und ab 1960 an der University of California, San Diego. Er forschte weiter an der Synthese organischer Chemikalien. 1973 wiederholte er sein Experiment von 1953 und stellte 33 Aminosäuren her. Miller ist ein Pionier der Exobiologie (Biologie im Weltraum) und regte die Suche nach Leben auf dem Mars an. Er erhoffte sich davon Bestätigungen für seine Theorien über die frühe Erde. Miller starb 2007.

Hauptwerke

1953Produktion von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen der frühen Erde

1986Präbiotische Synthese kleiner Moleküle – der aktuelle Stand

KLEINERE ZELLEN SITZEN IN DEN GRÖSSEREN ZELLEN

KOMPLEXE ZELLEN

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Lynn Margulis (1938–2011)

FRÜHER

1665 Robert Hooke prägt das Wort »Zelle« für kleine Strukturen in der Korkrinde.

1838 Matthias Schleiden und Theodor Schwann postulieren, dass alles Leben aus Zellen besteht.

1937 Der französische Biologe Edouard Chatton unterscheidet erstmals zwischen Prokaryoten und Eukaryoten.

SPÄTER

1977 Die Amerikaner Carl Woese und George Fox fordern eine neue, dritte Domäne von Organismen – die Archaeen.

2015 Beweise kommen zum Vorschein, die besagen, dass Eukaryoten (Organismen mit komplexen Zellen) höchstwahrscheinlich von Archaeen abstammen.

Leben ist selbst in seinen einfachsten Formen außerordentlich komplex und es waren wohl zahllose Evolutionsschritte nötig von den ersten Zellen bis zu dieser Komplexität. Vor ungefähr 4 Mrd. Jahren dürften die ersten Schritte in Richtung Leben gegangen worden sein, als einfache organische Moleküle sich zusammenfügten, um langkettige Makromoleküle (große Moleküle) zu bilden. Ein primäres Merkmal von Leben ist seine Fähigkeit, sich zu reproduzieren. Diese ersten Moleküle müssen sich reproduziert haben, indem sie eine Reihe von natürlich vorkommenden chemischen Reaktionen durchliefen. Die Moleküle, die sich am effektivsten replizieren konnten, siegten dann im Wettbewerb mit weniger fähigen Systemen. Die Evolution einer schützenden Membran rund um das genetische Material muss den ersten prokaryotischen Zellen (Zellen ohne membrangebundene Zellstrukturen oder Organellen) zur Existenz verholfen haben.

Die Atmosphäre der Erde enthielt damals wenig Sauerstoff. Diese ersten Organismen ernährten sich von einer Fülle organischer Moleküle und gewannen Energie durch Gärung, einen Prozess, der keinen Sauerstoff benötigt.

Typische prokaryote und eukaryote Zellen

Prokaryoten sind kleine, einzellige Organismen wie Bakterien. Sie haben keine membrangebundenen Organellen. Statt in einem Kern findet man die DNA in einer Region namens Nukleoid, die frei im Zellplasma treibt.

Eukaryoten sind höhere Organismen wie Tiere, Pflanzen und Pilze. Eukaryotische Zellen haben membrangebundene Organellen wie den Zellkern, der die DNA enthält. Sie sind viel größer als prokaryotische Zellen.

Die Theorie der Endosymbiose besagt, dass eukaryotische Zellen sich aus frühen prokaryotischen entwickelten. Sie wurden von anderen Zellen verschluckt und gründeten mit diesen eine Symbiose. Mitochondrien entstanden, als aerobe Bakterien und Chloroplasten als Fotosynthese-Bakterien aufgenommen wurden.

Prokaryoten und Sauerstoff

Die frühen Prokaryoten teilten sich in zwei getrennte Linien, die man Bakterien und Archaeen nennt. Vor rund 3,5 Mrd. Jahren entwickelten einige Bakterien die Fähigkeit, Sonnenlicht in chemische Energie zu verwandeln. Sie waren die Ahnen der heutigen Cyanobakterien, einer Gruppe fotosynthetischer Bakterien (früher Blaualgen genannt). Während der nächsten Milliarde Jahre dominierten diese Wesen die lebende Welt und sonderten Sauerstoff als Abfallprodukt ab. Die Atmosphäre der Erde und ihre frühen, noch seichten Ozeane erlebten einen steilen Anstieg des Sauerstoffgehalts. Sauerstoff ist hochreaktiv und kann feine biologische Strukturen zerstören. Mehrere Prokaryoten entwickelten Mechanismen, um mit diesem Problem umzugehen. Der erfolgreichste davon war die Atmung – Energiegewinnung durch Verwandlung von Sauerstoff in Wassermoleküle.

Herkunft der Eukaryoten

Die Evolution der Atmung vor rund 2,5 Mrd. Jahren könnte die Entwicklung eukaryotischer Zellen angestoßen haben. Alle fortgeschrittenen Lebensformen enthalten eukaryotische Zellen, die eine komplexe innere Struktur aufweisen und membrangebundene Organellen enthalten. Dazu gehören der Zellkern, der das genetische Material enthält, die Mitochondrien, in denen Zellatmung stattfindet, und die Chloroplasten in Pflanzenzellen, in denen die Fotosynthese abläuft. Die Existenz von Eukaryoten zu erklären ist eine große Herausforderung für Biologen. Die Komplexität der eukaryotischen Zelle übertrifft die der höchstentwickelten prokaryotischen bei Weitem und eine eukaryotische Zelle ist etwa 1000-mal größer ale eine prokaryotische.

»Das Leben ist bakteriell und Organismen, die keine Bakterien sind, haben sich aus Bakterien entwickelt.«

Lynn Margulis

»Ich halte meine Ideen nicht für strittig. Ich halte sie für richtig.«

Lynn Margulis

Endosymbiontentheorie

1883 beobachte der französische Botaniker Andreas Schimper, dass sich die Chloroplasten in Pflanzen auf eine Weise teilen und reproduzieren, die der Reproduktion frei lebender Cyanobakterien sehr ähnelt. Er äußerte die Idee, grüne Pflanzen könnten sich aus einer engen Beziehung oder Symbiose zweier Organismen entwickelt haben.

Der russische Biologe Konstantin Mereschkowski – einer der Ersten, der strukturelle Ähnlichkeiten zwischen Pflanzen-Chloroplasten und Cyanobakterien bemerkte – kannte Schimpers Arbeiten. Inspiriert von dessen Studien über die Symbiose von Pilzen und Algen bei Flechten, entwickelte Mereschkowski die Idee, dass komplexe Organismen aus Partnerschaften weniger komplexer Organismen entstehen könnten. 1905 publizierte er seine Hypothese, dass Chloroplasten von Cyanobakterien abstammen. Demnach verdanken Pflanzen ihre Fähigkeit zur Fotosynthese diesen Cyanobakterien. Die Theorie, dass komplexe Organismen aus der Vereinigung weniger komplexer hervorgehen, nennt man Endosymbiose.

Während der 1920er-Jahre schlug der amerikanische Biologe Ivan Wallin eine endosymbiotische Herkunft für Mitochrondrien vor (die Organellen, die für die Energiegewinnung verantwortlich sind). Er meinte, Mitochondrien seien anfangs aerobe Bakterien gewesen (die Sauerstoff zum Überleben brauchten).

Diese Theorien wurden in den kommenden Jahrzehnten weitgehend abgelehnt. 1959 entdeckten die amerikanischen Botaniker Ralph Stocking und Ernest Gifford jedoch, dass Chloroplasten und Mitochondrien ihre eigene DNA besitzen, die sich von der DNA im Zellkern unterscheidet. Das war der erste konkrete Hinweis darauf, dass die Ahnen dieser Organellen frei lebende Zellen gewesen sein könnten.

Unorthodoxe Ideen

DNA-Forschung war in den 1960er-Jahren noch neu und die Entdeckung von DNA in Chloroplasten und Mitochondrien wurde bestritten. 1965 griff die amerikanische Biologin Lynn Margulis die Frage in ihrer Doktorarbeit auf und wies überzeugend DNA in den Chloroplasten von einzelligen Algen nach. 1967 publizierte sie im Journal of Theoretical Biology ihre Idee, dass wichtige Organellen eukaryotischer Zellen, darunter Mitochondrien und Chloroplasten, früher frei lebende Prokaryoten waren. Margulis hatte damit nicht nur eine Theorie zum Ursprung der Organellen formuliert, sondern auch zur Evolution der Eukaryoten.

Als Margulis 1970 ihr erstes Buch, Der Ursprung der eukaryotischen Zellen, publizierte, war die Endosymbiose noch weit davon entfernt, akzeptiert zu werden. Es herrschte die Auffassung, dass Evolution in kleinen Schritten passiert, die Endosymbiose wäre ein großer evolutionärer Sprung gewesen. Viele Biologen fanden zudem die Idee, DNA komme außerhalb des Zellkerns vor, ausgesprochen unorthodox, auch wenn die Evidenz für DNA in Chloroplasten und Mitochondrien kontinuierlich stieg.

Lynn Margulis präsentierte Beweise für die Theorie der Endosymbiose. Richard Dawkins nannte diese »eine der großen Errungenschaften der Biologie des 20. Jahrhunderts«.

Serielle Endosymbiose