Die Biologie hat es mit Strukturen und Funktionen zu tun
Ein weiteres wichtiges Kennzeichen der Biologie ist es, dass es in biologischen Systemen immer um Strukturen und Funktionen geht. Dieses Grundprinzip zeigt sich auf allen Organisationsebenen von den Molekülen bis zu den Lebensgemeinschaften und Ökosystemen. Die Analyse einer biologischen Struktur gibt uns Hinweise darauf, wofür sie geeignet ist und in welchem Funktionszusammenhang sie steht. Umgekehrt erleichtern die Erkenntnisse über die biologische Funktion das Verständnis für die Strukturen.
Zellen sind die grundlegenden Struktur- und Funktionseinheiten eines Lebewesens
In der strukturellen Hierarchie des Lebens nimmt die Zelle einen besonderen Platz ein, da sie die unterste Struktur- und Organisationsebene darstellt, die alle charakteristischen Eigenschaften des Lebens aufweist. Eine Zelle ist die kleinste lebende Einheit, die wir kennen. Darüber hinaus hängen alle Lebensprozesse der Organismen von ihren Zellaktivitäten ab. Beispielsweise ist die Teilung von Zellen und die Bildung neuer Zellen die Grundlage jeglicher Fortpflanzung und sie ist ebenso von entscheidender Bedeutung für Wachstum und Zellregeneration bei mehrzelligen Lebewesen (=> Abbildung 1.2).
Alle Zellen besitzen eine Reihe gemeinsamer Merkmale. So ist jede Zelle von einer Membran umgeben, die den Durchtritt von Stoffen aus der Zelle in die Umgebung und umgekehrt kontrolliert und reguliert. Und jede Zelle enthält Desoxyribonucleinsäure (DNA) als Erbgut zur Speicherung der Erbinformationen. Grundsätzlich lassen sich zwei Zelltypen unterscheiden: prokaryotische und eukaryotische Zellen (Abbildung 1.3).
Abbildung 1.3: Gegenüberstellung einer eukaryotischen und einer prokaryotischen Zelle hinsichtlich Größe und Komplexität.
Abbildung 1.4: Die DNA steuert die Entwicklung eines Lebewesens.
Abbildung 1.5: Regulation durch Rückkopplung.
Die Kontinuität des Lebens beruht auf vererbbarer Information in Form von DNA
Innerhalb der sich teilenden Zelle von Abbildung 1.2 erkennen Sie Strukturen, die als Chromosomen bezeichnet werden und die hier mit einem blau leuchtenden Farbstoff angefärbt worden sind. Die Chromosomen enthalten fast das gesamte Erbgut der Zelle - ihre DNA (Desoxyribonudeinsäure, engl. deoxyribonucleic acid). Die DNA ist die Substanz, aus der Gene (Erbfaktoren) bestehen, die die Einheiten der Vererbung von Eltern auf ihre Nachkommen darstellen (=» Abbildung 1.4). So ist Ihre Blutgruppe (A, B, AB oder 0) eine Folge des Besitzes bestimmter Gene, die Sie von Ihren Eltern ererbt haben.
Biologische Systeme werden über Rückkopplungsmechanismen reguliert
In vielen biologischen Systemen herrscht das Prinzip von Angebot und Nachfrage. Betrachten wir beispielsweise unsere Muskeln. Wenn unsere Muskelzellen mehr Energie benötigen, weil wir eine anstrengende Tätigkeit ausführen, erhöhen sie den Verbrauch an Traubenzucker (Glucose), der als „Brennstoff" für die Zellen dient. Befinden wir uns im Ruhezustand, wird über andere chemische Reaktionen überschüssiger Traubenzucker in (große) Speichermoleküle umgewandelt, die als Energievorrat dienen.
Wie bei den meisten biochemischen Vorgängen in einer Zelle wirken bestimmte Proteine, die als Enzyme bezeichnet werden, als Katalysatoren beschleunigend auf chemische Reaktionen. Dies ist auch der Fall, wenn die Zuckermoleküle abgebaut oder als Speicherstoffe eingelagert werden. Jeder Enzymtyp katalysiert nur eine bestimmte, für ihn typische chemische Reaktion. In vielen Fällen sind solche Reaktionen zu Reaktionsketten zusammengefasst; man spricht dann von Stoffwechselwegen. Jeder Umwandlungsschritt hat in der Regel sein eigenes Enzym. Wie koordiniert nun die Zelle all die verschiedenen chemischen Reaktionen und Stoffwechselwege? Die Antwort liegt in der Fähigkeit vieler biologischer Prozesse zur Selbstregulation durch einen auch in der Technik bekannten Mechanismus, der als Rückkopplung bezeichnet wird.
Die Regulation durch Rückkopplung ist ein in der Biologie immer wiederkehrendes Prinzip, das sich auf allen ihren hierarchischen Ebenen findet -von den Molekülen in einer Zelle über Ökosysteme bis hin zur gesamten Biosphäre (=» Abbildung 1.5). Diese Art der Regulation ist ein Beispiel für die Integrationsleistungen, die zu den oben diskutierten Eigenschaften führen können, durch die belebte Systeme in ihrer Gesamtheit weitaus mehr sind als die Summe ihrer Teile.
