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BioFilia

Schaut man in ein Biologie-Buch oder googelt man den Begriff „Zelle“ stößt man meist als allererstes auf die Aussage „Zellen sind die kleinsten Einheiten des Lebens„. Ok, hier steht es jetzt auch.

Aber was ist damit gemeint und warum ist das so? Und was genau ist eine Zelle eigentlich?

Zellen
So wie das Bläschen ganz links könnten die allerersten Zellen ausgesehen haben. Die restlichen Zellen von links nach rechts: eine Bakterienzelle, ein Einzeller mit Zellkern (ein Augentierchen, wissenschaftlich Euglena) und ein einfacher Vielzeller – eine Grünalge, wie sie auch heute noch existiert (wissenschaftlich Volvox).

Leben braucht klare Grenzen

Die allerwichtigste Grundvoraussetzung für Leben ist die Abgrenzung von der Umwelt. Diese Abgrenzung gelang mit der Entstehung der ersten Zellen. Die ersten Zellen waren nicht viel mehr als kleine Bläschen (mit klein meine ich sehr klein), die eine Ansammlung großer Moleküle enthielten, die miteinander reagierten. Ohne Abgrenzung kein Leben – und deshalb ist eine Zelle die kleinste Einheit des Lebens.

Durch die chemischen Reaktionen in ihrem Inneren konnten die Zellen sich mit Energie versorgen und  gleichbleibende Bedingungen schaffen. Um ihren Stoffwechsel aufrecht zu erhalten, tauschten sie Moleküle mit ihrer Umgebung aus. Und genau diese Eigenschaften haben Zellen bis heute.

Seit der Entstehung der ersten Zellen bestehen alle Lebewesen aus Zellen. Neue Zellen entstehen seither immer aus anderen Zellen. Das gilt für wirklich alle Lebewesen. Von Bakterien bis Menschen.

Eine ganze Welt im Kleinen

Erst mit der Erfindung des Mikroskops konnten Zellen überhaupt entdeckt werden, denn für das bloße Auge sind sie meistens nicht sichtbar. Wegen ihrer grundlegenden Bedeutung für das Leben widmet sich heute ein ganzer Zweig der Biologie allein der Erforschung der Zellen.

Die meisten Zellen haben einen Durchmesser zwischen 1 μm und 100 μm (μm = Mikrometer = 1-Millionstel Meter). Anders ausgedrückt: 0,001 mm – 0,1 mm. Also winzig. Und natürlich für unsere Augen nicht sichtbar. Menschen können Objekte bis etwa 200 μm (0,2 mm) mit bloßem Auge erkennen.

Größenvergleich Zelle und kleinstes sichtbares Objekt
Die kleinsten Objekte, die Menschen mit bloßem Auge erkennen können, sind etwa 0,2 mm groß. Eine durchschnittliche menschliche Zelle hat einen etwa 10x kleineren Durchmesser (0,02 mm).

Im Inneren einer großen Zelle (100 μm) würden etwa eine Million kleine Zellen (1 μm) Platz finden. Das entspricht ungefähr dem Größenverhältnis von Erde und Sonne.

Vergleich Zellgrößen
Große Zellen (häufig Pflanzenzellen, aber auch einige große tierische Zellen), haben einen Durchmesser von 100 µm (= 0,1 mm). Tierische Zellen sind durchschnittlich etwa 20 – 30 µm groß (0,02 – 0,03 mm). Die Zellgrößen innerhalb von vielzelligen Lebewesen können allerdings stark schwanken (ca. 7,5 – 250 µm). Sehr kleine Zellen, z.B. viele Bakterien, haben nur einen Durchmesser von 1 µm (0,001 mm) oder sogar weniger. Sie würden ca. 1 Million Mal in eine 100 µm große Zelle passen. Das entspricht etwa dem Größenverhältnis von Erde und Sonne. Wahrlich eine Welt im Kleinen.

Die meisten Bakterien sind am unteren Ende der Größenskala zu finden, die meisten Tierzellen sind zwischen 10 und 30 μm (= 0,001 – 0,003 cm) groß.

Es gibt natürlich auch Ausnahmen. Einige Zellen sind so groß, dass sie mit bloßem Auge sichtbar sind. Dazu gehören die Eier von Vögeln und Reptilien – sie alle beinhalten zu Anfang eine einzige große Zelle.

Nervenzellen haben zwar ein durchschnittliches Volumen, aber sie können Ausläufer haben, die meterweit von einem Körperteil zum anderen reichen, um Signale vom Gehirn an die Gliedmaßen zu übertragen.

In der Zelle ist was los!

Und die Zahlen werden noch unglaublicher, denn innerhalb der Zelle befinden wir uns auf der Ebene der Moleküle. Da Zellgrößen sehr unterschiedlich sein können, gehen wir mal von einer durchschnittlichen menschlichen Zelle aus.

In jeder Zelle befinden sich Moleküle von etwa 10.000 verschiedenen Stoffen. Die Gesamtzahl der Moleküle kann nur geschätzt oder berechnet werden, sie liegt aber vermutlich im Bereich der Milliarden, vielleicht sogar Billionen.

In jeder einzelnen Zelle finden etwa eine Milliarde chemische Reaktionen pro Sekunde statt (auch das ist nur ein Schätzwert). Eine Milliarde. Pro Sekunde. In einer einzigen Zelle.

Das ist schwer vorstellbar. Also vergrößern wir die Zelle doch einfach mal: 

„Angenommen wir könnten eine Zelle besichtigen: Sie würde uns nicht gefallen.

Würde man sie so weit vergrößern, dass Atome ungefähr die Abmessungen von Erbsen haben, wäre die Zelle eine Kugel von rund 800 m Durchmesser, die durch ein Gerüst von Tragbalken, Cytoskelett genannt, in Form gehalten wird.

In ihrem Inneren würden Millionen und Abermillionen von Gegenständen – manche so groß wie ein Basketball, andere mit den Ausmaßen von Autos – hin und her flitzen wie Gewehrkugeln. Wir könnten nirgendwo stehen, ohne dass wir in jeder Sekunde aus allen Richtungen Tausende von Stößen und Stichen erhielten.“

Aus: Bill Bryson: Eine kurze Geschichte von fast allem. 

All diese Bewegungen und chemische Reaktionen in einer Zelle sind letztendlich das, was Lebewesen am Leben erhält. Ihnen ermöglicht, Energie zu gewinnen, die in der DNA verschlüsselten Informationen zu nutzen und die Kommunikation und den Stoffaustausch zwischen verschiedenen Teilen des Körpers aufrecht zu erhalten.

Leben ist Veränderung

Der menschliche Körper besteht aus etwa 100 Billionen Zellen (das ist eine Eins mit 14 Nullen). Vielzellige Körper ändern sich aber ständig. Die Lebensdauer der Zellen liegt zwischen einem Tag bis hin zu Jahren, je nachdem, zu welchem Gewebe oder Organ sie gehören. In jeder einzelnen Sekunde sterben 50 Millionen Zellen im menschlichen Körper und werden durch neue ersetzt – zumindest fast alle. Die Erneuerung ist nicht vollständig – so altern wir.

Die Zellen gehören ca. 200 verschiedenen Typen an. Jeder Typ hat andere Aufgaben im Körper. Von der Blutzelle, die Sauerstoff durch den Körper transportiert, über eine Drüsenzelle, die Hormone produziert bis hin zur Nervenzelle, die Informationen vom Gehirn in andere Körperteile weiterleitet. Zusammenschlüsse bestimmter Zelltypen bilden Gewebe und Organe.

Jetzt aber erstmal genug der Zahlen, bevor der Kopf schwirrt.

Warum sind Zellen klein?

Warum muss ein größerer Organismus überhaupt aus so vielen Zellen bestehen?

Wieso kann er nicht einfach aus ein paar großen oder sogar einer riesigen Zelle aufgebaut sein?

Die Antwort ist eigentlich ganz einfach: eine solche riesige Zelle kann nicht genug Nahrung aufnehmen und Abfälle abgeben, und innen sind die Wege viel zu weit. Die Zelle würde verhungern oder sich innerlich vergiften oder beides.

Der Grund dafür liegt im Verhältnis von Volumen und Oberfläche. Je größer ein Objekt ist, desto kleiner ist seine Oberfläche im Vergleich zum Volumen.

Verhältnis Volumen und Oberfläche
Ein kleineres Objekt hat im Verhältnis zu seinem Rauminhalt eine größere Oberfläche als ein großes Objekt. Zellen haben eine optimale Größe, um sowohl ausreichend Stoffe aus der Umgebung aufnehmen und wieder abgeben zu können und gleichzeitig häufige Zusammentreffen der Moleküle im Inneren sicherzustellen.

Vom Volumen der Zelle hängt ab, wie viele chemische Reaktionen in einer bestimmten Zeit stattfinden können. Bei kleinerem Volumen – also einem kleineren Raum – ist die Chance größer, dass sich passende Moleküle schneller treffen. Eine bestimmte Zahl von Menschen in einer U-Bahn stößt auch eher zusammen als die gleiche Zahl von Menschen auf einem Sportplatz.

Die Größe der Oberfläche bestimmt, wie viele Nährstoffe die Zelle in einer bestimmten Zeit aufnehmen kann und wie viele Abfallprodukte sie ausscheiden kann. Nehmen wir doch wieder die U-Bahn als Beispiel. Normalerweise sind die Türen sehr schmal, und so dauert es lange, bis alle aus- und eingestiegen sind und es geht auch nicht beides gleichzeitig. Würde sich nicht nur die Tür öffnen, sondern die ganze Seite des Waggons hochklappen, ginge das ganze viel schneller. 

Wenn eine Zelle wächst, braucht sie mehr Nährstoffe und hat mehr Abfallprodukte. Irgendwann wird die Oberfläche der Zelle im Verhältnis zu klein, um den Stoffaustausch schnell genug zu ermöglichen, im Inneren ist einfach zu viel Platz. Die Zelle kann nicht genug Nährstoffe aufnehmen und der Abfall sammelt sich im Inneren. Zellen können also nicht überleben, wenn sie zu groß werden.

Die Größe von Zellen liegt in einem Bereich, in dem der Stoffaustausch mit der Umgebung und die Reaktionen im Inneren optimal funktionieren.

Vielzellige Lebewesen besitzen durch die Vielzahl an Zellen in ihrem Inneren riesige Oberflächen – so kann auch ein großer Organismus effizient Stoffe mit der Umgebung austauschen.

Spezielle Organe und Strukturen (wie der Blutkreislauf und das Verdauungssystem) sorgen dafür, dass Nährstoffe und Sauerstoff zu den Zellen und Abfallstoffe wieder nach außen transportiert werden.

Die perfekte Hülle

Um sich von ihrer Umgebung abzugrenzen, braucht die Zelle zuerst einmal eine geeignete Hülle. Diese Hülle muss die Zelle zwar von ihrer Umgebung trennen, aber gleichzeitig auch durchlässig für bestimmte Stoffe sein. Diese Hülle wird Zellmembran genannt. Sie ist so zusammengesetzt, dass Stoffe kontrolliert aufgenommen und abgegeben werden können. Außerdem ist sie sehr flexibel. Ausnahmslos alle Zellen haben eine Zellmembran, und alle Zellmembranen sind aus den gleichen Bausteinen aufgebaut.

Bei Pflanzen, vielen Pilzen und auch manchen Einzellern hat die Zelle noch eine äußere feste Zellwand. Diese Zellwand gibt den Zellen und damit dem ganzen Körper Festigkeit.

Mit Kern oder ohne Kern – das ist hier die Frage

Zellen kann man in zwei große Gruppen einteilen: Prokaryoten (Zellen ohne Zellkern) und Eukaryoten (Zellen mit Zellkern). Leider führt hier kein Weg an den Fachbegriffen vorbei – es gibt kein deutsches Wort dafür.

Prokaryoten – eine Erfolgsgeschichte

Prokaryoten sind immer Einzeller. Sie sind den ersten Zellen, die je existiert haben, am ähnlichsten und recht einfach aufgebaut. Alle Bakterien sind Prokaryoten. Das Erbmaterial (DNA) dieser Zellen ist ein einziges Molekül, das frei in der Zellflüssigkeit liegt und zu einem Ring geschlossen ist. Von einigen Bakterien ist bekannt, dass das ganze Molekül etwa 1 mm lang ist (also viel länger als die Zelle). Es muss stark zusammengefaltet sein, damit es hinein passt.

Prokaryoten sind extrem erfolgreich. Die Zahl ihrer Arten kann nur geschätzt werden. Sie liegt mindestens bei mehreren Millionen, vielleicht auch im Bereich der Milliarden oder darüber.

Ihren Erfolg verdanken Prokaryoten ihrer extremen Anpassungsfähigkeit. Sie kommen mit Lebensräumen zurecht, in denen man Leben kaum für möglich halten würde. So können sie den ganzen Planeten bis in die letzten Winkel besiedeln. Manche Arten leben in heißen Quellen, andere ertragen extreme Kälte. Manche leben in Salzseen, andere in Säuren oder Laugen. Es gibt sogar Arten, die mit mehreren dieser Extreme zurechtkommen. Wie „Conan, das Bakterium“.

Prokaryoten haben auch viele Stoffwechsel-Möglichkeiten entwickelt, mit denen sie ihre Energie gewinnen. Sie können Energie aus Licht  gewinnen (Photosynthese) oder durch Zellatmung. Manche Arten können Stickstoff oder Schwefel zur Energiegewinnung nutzen. Einige brauchen zum Leben Sauerstoff, andere können in einer Umgebung mit Sauerstoff nicht überleben. Und manche können beides.

Prokaryot
Bestandteile einer prokaryotischen Zelle (wie z.B. Bakterien) und ihre Funktionen. Zum Vergrößern bitte das Bild anklicken!

Eukaryoten – noch eine Erfolgsgeschichte

Eukaryoten sind Zellen mit Zellkern. Der Zellkern wird von einer Membran umschlossen, die der äußeren Hülle der Zelle ähnelt. Im Inneren des Zellkerns befindet sich das Erbmaterial, das dort extrem stark zusammengefaltet und in Chromosomen organisiert liegt. Würde man die DNA aus einer einzigen Zelle eines Menschen auseinander falten, wäre sie ca. 2 m lang.

Die gesamte Zelle wird durch weitere Membranen in verschiedene Räume unterteilt. Jeder Raum hat eine eigene Aufgabe – wie Organe in einem Körper. Deshalb werden sie Organellen genannt.

Die Unterteilung in verschiedene Räume ist notwendig, da die Zellen viel größer sind als bei den Prokaryoten und die Strecken für die Moleküle dadurch ebenfalls größer sind. Durch die Einteilung wird ein schneller und reibungsloser Ablauf der verschiedenen chemischen Reaktionen garantiert. Außerdem können manche Reaktionen und ihre Zwischenprodukte für die Zelle schädlich oder giftig sein. Auch diese Reaktionen finden geschützt in ihren eigenen Räumen statt.

Aufgaben der Organellen sind die Vervielfältigung des Erbmaterials, die Produktion wichtiger Substanzen, der Transport der hergestellten Moleküle und die Gewinnung von Energie in einer Form, die die Zelle nutzen kann – z.B. für die Herstellung von Proteinen und anderen Stoffen. Und noch viel mehr.

Eukaryotische Zellen sind also viel komplexer aufgebaut als prokaryotische Zellen. In der Geschichte des Lebens sind sie deutlich später entstanden. 

Zu der Zeit, als die Eukaryoten entstanden, war die Welt schon durch Prokaryoten besiedelt. Die Eukaryoten schlugen im Laufe der Zeit einen anderen Weg ein: die Vielzelligkeit. Diese Lebensweise bietet unter bestimmten Bedingungen Vorteile und so schlugen auch die Eukaryoten einen Erfolgsweg ein. Im Gegensatz zu den Prokaryoten benötigen alle vielzelligen Eukaryoten Sauerstoff zum Überleben. Es gibt aber auch heute noch einzellige Eukaryoten.

Alle vielzelligen Lebewesen sind Eukaryoten – sie haben also komplex aufgebaute Zellen mit einem Zellkern. Genau diese komplexen Zellen ermöglichen die hohe Spezialisierung auf bestimmte Aufgaben in verschiedenen Teilen des Körpers.

Eukaryotische Zelle
Eine eukaryotische Zelle und ihre Organellen. Das Bild zeigt die Zelle eines Tieres. Pflanzenzellen haben zusätzlich Chloroplasten, in denen die Fotosynthese (Energiegewinnung aus Licht) stattfindet, eine Vakuole (ein mit Flüssigkeit gefülltes Organell, in dem Stoffe gelagert werden und das die Zelle prall hält)  und eine äußere feste Zellwand, die die Zelle stabilisiert. Dafür haben sie keine Intermediärfilamente. Zum Vergrößern bitte das Bild anklicken.

Symphonie des Lebens

Das Zusammenspiel der Zellen in einem vielzelligen Organismus gleicht einem gigantischen Orchester – jeder Teil weiß genau, wann und was er im Zusammenspiel mit den anderen zu tun hat. Und so spielen unsere Zellen ohne Unterlass die großartige Symphonie des Lebens.

Wimpertierchen
Die Schönheit des Lebens. Ein Wimpertierchen, ein eukaryotischer Einzeller, unter dem Mikroskop.

 

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Quellen
Markl, J., Sadava, D., Orians, G., Heller, H. C., Hillis, D., & Berenbaum, M. R. (2011). Purves, Biologie. Aufl. Heidelberg: Spektrum Akad. Verlag.

O’Connor, C. M. & Adams, J. U. Essentials of Cell Biology. Cambridge, MA: NPG Education, 2010 (2014)

Wehner, R., & Gehring, W. J. (2007). Zoologie, 24. Auflage. Stuttgart, Deutschland: Thieme.

 

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