Ein schwieriger Betrachtungsgegenstand
Leben ist aus der toten Natur entstanden. Chemisch gesehen ist auch Leben letztlich nur ein Verbund komplexer Kohlenwasserstoffe, die sich im Einklang mit den Gesetzen der Physik durch Raum und Zeit bewegen. Doch was unterscheidet es dann von den toten Bio-Polymeren der organischen Chemie? Die Antwort auf diese Frage ist alles andere als leicht. Lehrbücher der Biologie zählen bis zu acht verschiedene (und teilweise voneinander abweichende) Kriterien auf, die allesamt erfüllt sein müssen, damit etwas als „lebendig“ gilt. Wie den Mathematikern ist es auch den Biologen bis heute nicht gelungen, ihren Betrachtungsgegenstand mit einer allgemein akzeptierten Definition zu versehen.
Drei fast immer übereinstimmend genannte Merkmale sind Stoffwechsel, Selbstorganisation und Reizbarkeit. Allerdings finden sich diese Eigenheiten auch in der unbelebten Natur. Stoffwechsel versorgt ein System durch eine unablässige Folge chemischer Reaktionen mit Energie – was aber ebenfalls auf eine Flamme zutrifft. Selbstorganisation steuert Regelkreise und stellt aus physikalischer Sicht die kontrollierte Abfuhr von Entropie sicher – doch auch anorganische Reaktionen kennen solche Rückkopplungsmechanismen, ohne dass es uns in den Sinn käme, sie deshalb als lebendig zu bezeichnen. Reizbarkeit ist das Vermögen, Informationen situationsabhängig verarbeiten zu können – eine Fähigkeit, die zweifelsohne auch Computer haben.
Entropievernichtungsmaschinen
Allein das Leben vermag es, diese drei Eigenschaften in sich zu vereinen. Das Zusammenspiel von Stoffwechsel, Selbstorganisation und Reizbarkeit erlaubt es komplexen Riesenmolekülen ein thermodynamisches Ungleichgewicht aufzubauen und mithilfe von Steuerungsmechanismen für die Dauer eines Lebens gegen die Entropie zu verteidigen, indem es geordnete Energie in ungeordnete Wärmeenergie umwandelt.
Die Nichtgleichgewichtssysteme der Ordnung mögen noch so raffiniert sein, die Physik lehrt uns, wie wir in einem der kommenden Physik-Blogs noch genauer sehen werden, dass am Ende stets die Entropie gewinnt. Geordnete Systeme, wie das Leben, können nur befristet bestehen, denn über kurz oder lang nimmt gemäß dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik die Unordnung in einem System mit der Zeit zu. Und doch hat das Leben einen Weg gefunden, diesem fatalistischen Gesetz auf eine ganz besondere Art und Weise zu trotzen.
Es geht um Fressen und Sex
Diesen sehr speziellen Weg beschreiben drei weitere Lebensmerkmale: Fortpflanzung, Differenzierung und die Fähigkeit zur Evolution. Ihnen ist zu verdanken, dass die Kette des Lebens in fast vier Milliarden Jahren auf unserem Planeten kein einziges Mal abgerissen ist.
Fortpflanzung ist die Voraussetzung für Differenzierung und Evolution. Sie basiert auf der Fähigkeit der Zelle, der kleinsten Lebenseinheit, sich teilen zu können. Der Teilungsprozess erlaubt vielzelligen Lebewesen Differenzierung, das heißt, die Fähigkeit, verschiedene Zelltypen hervorzubringen, die arbeitsteilig zusammenwirken können. Das dritte Merkmal, die Fähigkeit zur Evolution, beruht auf einem konstruktiven Knirschen im Getriebe der Vervielfältigungsmaschine: Quantenmechanische Zufälle erzeugen winzige Kopierfehler. Sie sind die Triebfeder der erstaunlichen Artenvielfalt.
Lebensmerkmale haben also entweder stets mit Selbsterhalt oder Reproduktion zu tun. Salopp formuliert: Es geht um Fressen und Sex. Damit können wir einen Definitionsversuch wagen:
Leben ist ein abgrenzbares System kohlenstoffbasierter Moleküle, das in der Lage ist, ein thermodynamisches Ungleichgewicht für eine gewisse Zeit aufrechtzuerhalten und sich innerhalb dieser Zeit zu reproduzieren.
Das ist keine offizielle Definition – eine solche gibt es wiegesagt auch nicht. Beispielhaft liste ich drei weitere Definitionsversuche auf, diesmal von namhaften Biologen: „Leben ist jede Population von Einheiten, die einer Vermehrung, Vererbung und Variation fähig sind“ (John Maynard Smith); „Leben ist ein zu erwartendes kollektives Vermögen katalytischer Polymere zur Selbstorganisation“ (Stuart Kauffman); „Leben ist ein Netzwerk tiefer stehender negativer Rückmeldungen, das einer höherstehenden positiven Rückmeldung untergeordnet ist." (Bernard Korzeniewski).
Was genau ist Leben?
Hilft uns das weiter? Leben bleibt ein unscharfer Begriff, der sich keiner mechanistischen Betrachtung unterordnen will; ein Phänomen ohne eindeutige Trennlinien, mit Grauzonen und Widersprüchen. Nehmen wir beispielsweise Viren. Sie verfügen über fast alle Kennzeichen des Lebens. Bei Stoffwechsel und Vermehrung sind sie allerdings auf Unterstützung durch eine lebende Zelle angewiesen. Die meisten Biologen sprechen ihnen deshalb den Status des Lebendigen ab. Das ist nicht ohne Willkür, denn auch Mensch und Tier sind auf den Stoffwechsel anderer Lebewesen angewiesen, um überleben zu können.
Andererseits würde kein Biologe bestreiten, dass Ameisen Lebewesen sind. Doch den allermeisten von ihnen – Arbeiterinnen und Soldatinnen – fehlt ein entscheidendes Lebensmerkmal: Sie können sich nicht reproduzieren. Der Insektenstaat kann sich nur als arbeitsteiliges Kollektiv fortpflanzen. Das, was das Leben letztlich auszeichnet, ist seine Fähigkeit, Informationen über Generationen hinweg bewahren zu können – das können Viren und Ameisen gleichermaßen.
Aus einer Handvoll Elemente baut die Natur mithilfe des Elektromagnetismus eine atemberaubende Fülle von replikationsfähigen Entropiebekämpfungsmaschinen. Leben (einschließlich seiner Fähigkeit, ein Bewusstsein zu entwickeln) ist Ausdruck dessen, wozu Atome alles in der Lage sind. Es ist eine faszinierende Erkenntnis, dass die Artenvielfalt als Möglichkeit bereits im Moment des Urknalls angelegt war.
Weiterführende Literatur:
Hawking, Stephen (2016): „Das Universum in der Nussschale“, dtv.
Probst, Wilfried / Schuchardt, Petra (Hrsg): (2011): „Biologie“, Duden Schulbuchverlag.