Lebewesen sind organisierte Einheiten, die unter anderem zu Stoffwechsel, Fortpflanzung, Reizbarkeit, Wachstum und Evolution fähig sind. Lebewesen prägen entscheidend das Bild der Erde und die Zusammensetzung der Erdatmosphäre (Biosphäre). Schätzungen aus dem Jahr 2006 lassen vermuten, dass 30 Prozent der gesamten Biomasse der Erde auf unterirdisch lebende Mikroorganismen entfallen. 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.
Eigenschaften von Lebewesen (Übersicht) kursiv = bei Nicht-Lebewesen nicht vorhanden
KennzeichenBeispiel LebewesenBeispiel Nicht-Lebewesen Entropie Export Lebewesen als selektiv offene thermodynamische Systeme mit Subsystemen (Organen), die für Entropieexport sorgen. So kann die aktuelle Entropie des Systems unterhalb der den Tod kennzeichnenden maximal möglichen Entropie gehalten werden. Technische Systeme mit Mechanismen zur Selbstreparatur. Datenkommunikation mit Fehlerkorrektur. Wie auch bei Lebewesen sichert hier Redundanz den erforderlichen Abstand zwischen aktuell erreichter und maximal möglicher Entropie. Energieaustausch mit der Umgebung Aufnahme Pflanzen nehmen Lichtenergie auf und erzeugen durch Photosynthese Biomasse (Primärproduktion). 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. Felsen erwärmen sich am Tag durch Aufnahme von Energie durch Licht … Abgabe Alle Lebewesen, jedoch in besonderem Ausmaß Säugetiere, geben Energie direkt als Wärme und indirekt in stofflichen Ausscheidungen ab … und geben sie in der Nacht wieder ab Stoffaustausch mit der Umgebung Aufnahme Nahrungsaufnahme Betanken eines Autos mit Benzin Abgabe Tiere geben Kohlenstoffdioxid und Wasser ab Abgase des Autos bestehen (vor allem) aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Stoffwechsel (chemische Umwandlung von Stoffen) alle Lebewesen (Anmerkung: Viren, Viroide und Prionen sind nicht zu Stoffwechsel befähigt) brennende Kerze Informationsaustausch Empfangen von Information Pflanzen erkennen den Sonnenstand Belichtungsmesser des Fotoapparates misst Lichtstärke Senden von Information Warntracht der Wespen, Sprache der Bienen und der Menschen Verkehrsampel Reaktion auf Reize aus der Umwelt Anpassung/Ausrichtung Pflanzen richten ihre Blätter nach dem Sonnenstand aus Eine durch die Außentemperatur geregelte Heizungsanlage passt die Heizleistung an die gemessene Temperatur an. Wachstum Volumenzunahme Eine Hefezelle nimmt nach der Zellteilung an Volumen zu Wachstum eines Kochsalz-Kristalls Zellteilung Stammzellen des Knochenmarkes.
Wachstum ist die Folge von Zellteilung (Vermehrung): Durch Wachstum wird die zur Masse der Zelle relative Oberfläche geringer. Das verringert die Entropieexportmöglichkeit der Zelle. Die Teilung erhöht die Oberfläche wieder. Es kann wieder mehr Entropie exportiert werden. „Zellteilung“ ist ein originär organischer Begriff, kann also keine anorganische Entsprechung haben. Selbstreproduktion (Fortpflanzung) Vermehrung Die durch Zellteilung entstandenen Zellen sind ihrer Mutterzelle ähnlich. Kopie der DNA, also Vererbung. Bei technischen Systemen noch nicht ausgereift, aber theoretisch möglich; sich selbst reproduzierende (siehe auch Rekursion) Computerprogramme sind Praxis (Computerviren). Stoffliche Grundlage Grundbausteine Biomoleküle Wassermolekül Informationsträger DNA, RNA Metallkristall (Metallgitter)
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.
Auf alle lebenden Organismen (Lebewesen) müssen zumindest auf der Ebene der Zelle alle Kennzeichen zutreffen. Tote Organismen wiesen in ihrer Vergangenheit alle Kennzeichen auf. Latentes Leben haben Organismen, die zwar nicht alle Kennzeichen aufweisen, also toten Organismen oder unbelebten Gegenständen ähnlich sind, jederzeit aber zu lebenden Organismen werden können (Beispiele: Sporen von Bakterien oder Pilzen, Resistenzstadien der Bärtierchen, Vogeleier). Unbelebte Gegenstände zeigen zur Zeit ihrer Existenz nicht alle Kennzeichen.
Drei wesentliche Eigenschaften haben sich aber herauskristallisiert, die für alle Lebewesen als Definitionskriterien gelten sollen:
Stoffwechsel (Metabolismus) während zumindest einer Lebensphase, was eine Kompartimentierung durch eine Wand oder Membran bedingt, Fähigkeit zur Selbstreproduktion und die mit der Selbstreproduktion verbundene genetische Variabilität als Bedingung evolutionärer Entwicklung.
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.
Aufbau von Lebewesen 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.
Chemie der Lebewesen Elemente Es ist bis heute nicht gelungen, mit Sicherheit alle Elemente zu identifizieren, die wirklich alle Lebewesen für ihr Wachstum benötigen. Eindeutig ist nur, dass die elementaren Bausteine der biologischen Makromoleküle für alle lebenden Zellen essentiell sind, das sind Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) als Hauptbestandteile und Phosphor (P) und Schwefel (S) in geringeren Anteilen. Es ist bisher auch nicht gelungen, Organismen zu finden, die ohne Magnesium (Mg) und Zink (Zn) auskämen. Bei allen anderen Elementen, auch solchen, die einige Lebewesen in größeren Mengen, als Makronährstoffe, benötigen, ist nicht gesichert, ob der Bedarf wirklich essentiell ist. So gibt es zum Beispiel Milchsäurebakterien, die kein Eisen (Fe) benötigen.Frederick Archibald (1983): Lactobacillus plantarum, an organism not requiring iron. FEMS Microbiology Letters 19: 29-32. Viele Prokaryoten sind imstande, Mangel an Nährelementen mit anderen, selten genutzten Elementen zu substituieren.Sabeeha S. Merchant & John D. Helmann (2012): Elemental Economy: microbial strategies for optimizing growth in the face of nutrient limitation. Advances in Microbial Physiology 60: 91–210. doi:10.1016/B978-0-12-398264-3.00002-4 Einige für die meisten Organismen giftige Elemente können für ganz wenige, spezialisierte Organismen nützlich sein, etwa Cadmium (Cd) in einigen Kieselalgen.Todd W. Lane & François M. M. Morel (2000): A biological function for cadmium in marine diatoms. PNAS 97 (9): 4627-4631. doi:10.1073/pnas.090091397
Bei komplexeren, mehrzelligen Organismen, wie etwa auch beim Menschen, ist der Bedarf stärker festgelegt: Der Mensch benötigt zum Leben 20 Elemente; ein weiteres, Chrom (Cr), war lange umstritten, gilt nun aber nur noch, in extrem geringen Mengen, als nützliches, aber nicht essentielles Spurenelement.Giuseppe Genchi, Graziantonio Lauria, Alessia Catalano, Alessia Carocci, Maria Stefania Sinicropi (2021): The Double Face of Metals: The Intriguing Case of Chromium. Applied Sciences 2021, 11, 638. doi:10.3390/app11020638 17 Elemente sind für alle Pflanzen essentiellEs handelt sich dabei um Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Kalium, Calcium, Magnesium, Schwefel, Eisen, Mangan, Zink, Kupfer, Bor, Molybdän, Chlor und Nickel.; viele Pflanzen nutzen aber auch Elemente, teilweise in größeren Mengen, die Säugetiere wie der Mensch gar nicht benötigen, etwa Aluminium (Al) oder Silicium (Si).Elizabeth AH Pilon-Smits, Colin F Quinn, Wiebke Tapken, Mario Malagoli Michela Schiavon (2009): Physiological functions of beneficial elements. Current Opinion in Plant Biology 12: 267–274. doi:10.1016/j.pbi.2009.04.009 Man sollte also nicht aus den Bedürfnissen des Menschen auf diejenigen der Lebewesen generell schließen, es werden nach wie vor neue Organismen mit außergewöhnlichen Wegen des Stoffwechsels entdeckt.
Biochemische Bestandteile 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.
Systematik der Lebewesen mini|hochkant=1.5|Phylogenetischer Baum, der die Abstammung und Verwandtschaft der Lebewesen aufzeigt 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.
Nach heutiger Auffassung gehen allerdings die Eukaryoten aus den Archaeen hervor (siehe Abb.), statt wie im Kladogramm dargestellt eine Schwestergruppe zu bilden. Die genaue Position dieser Abzweigung wird aber noch diskutiert (siehe Eukaryogenese).
Lebewesen als Systeme Eigenschaften von Lebewesen Die folgenden Eigenschaften von Lebewesen kommen auch bei unbelebten Systemen der Natur und der Technik vor.
Lebewesen sind in der Terminologie der Systemtheorie:
offen: Sie stehen in lebenslangem Energie-, Stoff- und Informationsaustausch mit der Umwelt.Eigenschaften eines Systems. Website der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Abgerufen am 17. Mai 2015. komplex: Leben setzt eine gewisse Komplexität in der Organisation des Systems voraus.