Bausteine des Lebens

Chichen Itza.jpg

Was sind Zellen?

Am Anfang des Lebens bestandest du aus einer einzigen Zelle. Jeder beginnt sein Leben so. Erst durch Zellteilung wurdest du zu der Person, die du bist. Zellteilung produziert die vielen speziellen Zellen, aus denen der menschliche Körper besteht.

Aufgabe

Ein Mikroskop benutzen, um Zellen zu sehen
Du brauchst:

  • ein Mikroskop
  • die folgenden Fertigpräparate (frage deine Lehrerin oder deinen Lehrer):
  1. Rote Blutkörperchen
  2. Weiße Blutkörperchen
  3. Hautzellen
  4. Lungenzellen
  5. Herzmuskelzellen
  6. Skelettmuskelzellen
  7. Knochenzellen

Versuche zunächst, die Zellen auf dem Objektträger mit bloßem Auge – ohne die Hilfe des Mikroskops – zu erkennen. Lege im Anschluss den Objektträger bei geringer Belichtung unter das Mikroskop. Erhöhe nun die Belichtung, um die Zelle im Detail zu erkennen. Zeichne, was du durch das Mikroskop siehst. Hierbei solltest du auf Beschaffenheit, Form und alles, was du bei einer Zelle für wichtig hältst, eingehen.



Die Zelle ist die kleinste grundlegende Einheit eines Lebewesens. Wir alle sind aus Zellen gemacht. Zellen können eine Kopie von sich selbst erstellen. Einige Zellen können Zellarten produzieren, die anders sind als sie selbst. Zellen sind klein, und es gibt sie in verschiedenen Formen und Typen. Zellen haben unterschiedliche Funktionen. Zellen können sich bewegen, schwimmen, kriechen.

Zellenfasern 01.jpg



Hinweis

Wusstest du schon?
Einige Zellen werden bei der Zellteilung dazu programmiert zu sterben. Dies erklärt, wie Blutgefäße zu hohlen Röhren werden. Blutgefäße sind nämlich zunächst nicht hohl. Die Zellen im Inneren der Röhre sterben ab und werden entsorgt, sodass sie einen Hohlraum in der Röhre schaffen, durch den das Blut fließen kann. In den ersten Stufen ihrer Entwicklung ist die menschliche Hand paddelförmig. Die Zellen, die dort liegen, wo sich später die Lücken zwischen den einzelnen Fingern befinden, werden dazu programmiert zu sterben.



Zellen können Signale an andere Zellen senden. Manche Zellen benötigen Kontakt zu benachbarten Zellen, um ein Signal zu senden. Einige Zellen haben hierfür eine Verlängerung, mit der sie Signale über größere Strecken senden können. Andere Zellen wiederum senden chemische Signale, die über das Blut durch den gesamten Körper transportiert werden können. Sobald das Signal die Zielzelle erreicht, kann sie es interpretieren und entscheiden, was zu tun ist. Die Zelle kann sich dazu entschließen sich zu teilen. Sie kann auch zu einer spezialisierten Zelle werden, wie z.B. zu einem roten Blutkörperchen, indem sie ihren Zellkern (Nukleus) entfernt. Sie kann auch zu einer Augen-Nervenzelle oder eine Herzmuskelzelle werden. Eine Zelle kann sich auch dazu entschließen zu sterben.

Die wichtigsten Komponenten, aus denen sich der menschliche Körper zusammensetzt, sind aus Zellen gemacht. Knochen und Blut bestehen zum Beispiel aus Zellen. Sogar jedes Organ deines Körpers, auch das Gehirn und dein Herz, setzen sich aus speziellen Zellen zusammen. Zellen stellen die Grundeinheit des Lebens dar.

Jede Komponente einer Zelle ist dynamisch. Die Bilder, die du von Zellen gesehen hast, stellt sie als unbewegt dar. Das liegt daran, dass die Zelle von einem Wissenschaftler oder Labortechniker so präpariert wurde, dass sie unter dem Mikroskop gut betrachtet werden kann. In einem lebenden Körper ist die Zelle allerdings sehr aktiv. Zellen und auch ihre Bestandteile können sich bewegen.

Zellen enthalten viel Flüssigkeit, in der die Zellbestandteile, die Organellen und gelösten Stoffe, schwimmen. Jedes Organell hat eine spezielle Aufgabe. Zellen besitzen zum Beispiel eine äußere Grenze – die Zellmembran. Die Membran kann bestimmte Materialien in die Zelle hereinlassen und andere ausschließen, wie die Grenze eines Landes. Die Membran besitzt viele Kanäle und Tore, die einige Materialien herein- und andere herauslassen. Die meisten Zellaktivitäten werden vom wichtigsten Organell der Zelle, dem Zellkern, gesteuert. Die genetischen Informationen einer menschlichen Zelle sind im Zellkern enthalten. Du wirst in diesem Kapitel mehr über diese und andere Zellbestandteile erfahren.

Vertiefung

Die Existenz von Zellen wurde erst durch die Erfindung des Mikroskops bekannt. Schau in Büchern nach, wer der Erfinder des Mikroskops war und welche Wissenschaftler, neben Robert Hooke, wichtige Entdeckungen über Zellen gemacht haben.



Schon vor über 300 Jahren kamen Wissenschaftler zu ersten Erkenntnissen über die Existenz von Zellen. In den 1660er Jahren baute der englische Wissenschaftler Robert Hooke ein einfaches Mikroskop aus Vergrößerungsgläsern (Lupen). Als er seine Erfindung benutzte, um eine dünne Scheibe Kork zu betrachten, machte er die Entdeckung, dass der Kork aus verschiedenen kleinen, leeren Schachteln besteht. Er nannte diese Schachteln Zellen. Das Wort Zelle kommt aus dem Lateinischen und bedeutet "kleiner Raum".

Vertiefung

Viele wissenschaftliche Entdeckungen entstanden daraus, dass eine Person etwas aus purer Neugier erforschen wollte. Hast du jemals eine Ameisenstraße längere Zeit beobachtet oder die Maserung der Mondoberfläche betrachtet? Beschreibe detailliert, welche Beobachtungen du aus reiner Neugier gemacht hast.



Robert Hookes Erfindung trug dazu bei, dass Wissenschaftler von der Existenz von Zellen erfuhren. Allerdings wurden sich erst 1830 einige Wissenschaftler darüber klar, von welch großer Bedeutung Robert Hookes Erfindung wirklich gewesen war. Damals beobachteten Wissenschaftler, dass alle Pflanzen und Tiere aus Zellen bestehen. Etwa 20 Jahre später stellten Wissenschaftler fest, dass alle Zellen aus anderen Zellen entstehen. Mit anderen Worten: Zellen pflanzen sich fort. Diese beiden Ideen bilden die Grundlage einer der wichtigsten Theorien der Biologie - der Zelltheorie. Diese Zelltheorie beschreibt, was Zellen sind und wie sie funktionieren. Sie besagt, dass Zellen Einheiten der Struktur und Funktion aller Organismen sind. Darüber hinaus sagt die Zelltheorie, dass alle Zellen von vorher existierenden Zellen stammen.

Die Organisation von Lebewesen

Manche Lebewesen, wie die Amöbe, bestehen aus nur einer einzigen Zelle. Diese Organismen werden auch Einzeller genannt. Die meisten Lebewesen sind allerdings aus vielen Zellen aufgebaut. Solche Lebewesen werden Vielzeller genannt. Menschen sind zum Beispiel Vielzeller. Dein Köper besteht aus Billionen von Zellen!

Anmerkung

Wenn du dir die verschiedenen Funktionen der Blutkörperchen, Nervenzellen und Muskelzellen vor Augen hältst:
(a) Glaubst du, dass alle diese Zellen gleich aussehen? Warum? Warum nicht?
(b) Glaubst du, dass eine bestimmte Zelle die Funktion einer anderen Zelle übernehmen könnte? Warum? Warum nicht?



Vielzeller bestehen aus vielen Zellen und vielen Zelltypen. Diese verschiedenen Zelltypen arbeiten zusammen und übernehmen viele verschiedene Funktionen, die dich am Leben halten. Zum Beispiel: Ein Zelltyp ist das Blutkörperchen. Rote Blutkörperchen transportieren Sauerstoff zu verschiedenen Körperteilen und transportieren Kohlenstoffdioxid von verschiedenen Körperteilen weg. Andere Blutkörperchen attackieren Viren und Bakterien, die in unseren Körper eindringen. Es gibt auch Teile von Blutkörperchen, die dabei helfen, dass Wunden wieder verheilen. Ein anderer Zelltyp ist die Nervenzelle. Nervenzellen kontrollieren unsere Körperreaktionen auf Ereignisse, die innerhalb und außerhalb unseres Körpers passieren. Nervenzellen senden Signale an unsere Muskelzellen, um diese sich zusammenziehen zu lassen. Andere Zellen sind dazu da, dass du hören und sehen kannst.

Manchmal arbeiten ähnliche Zellen zusammen, um eine bestimmte Funktion auszuführen. Eine solche Zellgruppe, die zusammenarbeitet, um eine bestimmte Tätigkeit auszuführen, heißt Gewebe. So sind die Skelettmuskelzellen in deinem Arm ein Gewebe, das aus vielen Muskelzellen besteht. Jede einzelne Muskelzelle kann sich zusammenziehen und entspannen, um deinen Arm zu bewegen. Allerdings reicht es nicht aus, dass nur eine einzige Muskelzelle kontrahiert, um den Arm zu bewegen. Alle Muskelzellen müssen zusammenarbeiten. Einige kontrahieren, währen sich andere gleichzeitig entspannen. Nur durch diese Zusammenarbeit des Gewebes können die Muskelzellen deinen Arm auf eine bestimmte Art und Weise bewegen.

Gewebe.jpg



Alle Zellen können in vier Gewebegruppen unterteilt werden. (1) Muskelgewebe besteht aus Zellen, die kontrahieren können. (2) Epithelgewebe besteht aus Deckgewebe. Dies Zellschichten bedecken beispielsweise deine Atmungs- oder Verdauungsorgane, bilden die Oberfläche der Organe deines Körpers und bilden deine Haut. (3) Bindegewebe besteht aus Zellen, die verschiedene Körperteile zusammenhalten, wie Knorpel, Sehnen und Knochen. Blutzellen gehören ebenfalls zum Bindegewebe. (4) Nervengewebe besteht aus Zellen, die Informationen verarbeiten und elektrische Signale durch den Körper senden können.

Gewebetypen.jpg



Organe, die zusammenarbeiten, bilden ein System. Dein Körper hat zehn verschiedene Organsysteme, die jeweils eine unterschiedliche Aufgabe haben. Du kannst beispielsweise Nahrung durch dein Verdauungssystem verdauen. Das Verdauungssystem setzt sich aus verschiedenen Organen zusammen, wie dem Magen, dem Dünndarm, dem Dickdarm und der Leber. Dein Herz mit allen Blutgefäßen bildet das Herz-Kreislauf-System, welches die Aufgabe hat, das Blut durch deinen gesamten Körper zu pumpen und zu zirkulieren.

Verdauungssystem.png



All diese unterschiedlichen Zellen, Gewebe, Organe und Systeme arbeiten zusammen und schaffen so ein passendes "inneres Milieu" für all deine Zellen. Jede Zelle hat Bedürfnisse. Durch das Zusammenspiel der inneren Organsysteme wird ein im Körper ein Milieu geschaffen, das jedem Bedürfnis jeder Zelle deines Körpers nachkommt. Das Wissen darüber, was Zellen sind und wie sie arbeiten, hilft uns, mehr über den menschlichen Körper und seine Funktionsweisen zu lernen.

Die Größe von Zellen

Warum kann eine Person nicht eine einzige große Zelle sein? Wieso sind wir aus so vielen mikroskopisch kleinen Zellen zusammengesetzt? Warum sind Zellen so klein? Warum braucht man so viele Billionen von Zellen, um einen menschlichen Körper zu bauen? Wir wollen nun über einen alternativen Bauplan nachdenken. Könnte ein Mensch nicht statt aus vielen Billionen winziger Zellen einfach aus einer riesengroßen Zelle bestehen?

Alveolarzelle.jpg



Ein Problem dieses einzelligen Menschen wäre eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen. Darüber hinaus hätte so ein Mensch auch Probleme, Abfälle - zum Beispiel Kohlenstoffdioxid - zu entsorgen. Der Austausch an Nährstoffen, Sauerstoff und Abfällen wie Kohlenstoffdioxid müsste über die äußere Zellmembran erfolgen. Je größer die Zelle, desto höher muss der Austausch mit ihrer Umgebung sein. Dieser Austausch müsste über eine große Membran erfolgen. Diese würde allerdings eine Situation erzeugen, die wir Oberfläche-Volumen-Problem nennen. Das Oberfläche-Volumen-Problem kann am besten mathematisch erklärt werden, wie du in Übung 1-1 sehen wirst.

Aufgabe

Übung 1-1: Warum sind Zellen so klein?

Einführung

Was passiert, wenn eine Zelle größer wird? Wie würde diese Vergrößerung die Leistungsfähigkeit der Zellfunktion verändern, insbesondere die Funktion der Membran? Du solltest in der Lage sein, diese Fragen nach der Fertigstellung dieser Übung zu beantworten.

Das Ziel dieser Übung ist es, dir zu veranschaulichen, was mit einer Zelle passieren würde, wenn sie größer wäre. Bei der Übung wirst du dich mit Zellen beschäftigen, die wie Würfel (kubisch) geformt sind. Diese würfelförmigen Kuboidzellen findet man normalerweise in den Nieren, in der Schilddrüse und den Speicheldrüsen.

Wenn du mit der Übung fertig bist, solltest du in der Lage sein, Fragen zu beantworten wie z.B.: Warum sind Zellen so (mikroskopisch) klein? Warum teilen sich Zellen?

Materialien

  • Weißes Papier, um ein Würfelmodell zu bauen
  • Schere
  • Maßband oder Zollstock
  • Tesafilm
  • Logbuch



Durchführung

Schritt 1: Verwende die gegebenen Materialien, um folgender Frage nachzugehen: Wie groß sind Oberfläche und Volumen einer würfelförmigen Zelle? Wenn du jede 1 cm breite Seite eines Würfels auseinanderfaltest und flach auf den Tisch legst, sieht das ca. so aus, wie in in Abb. 1.6. Verwende diese Information, um Teil A Deines Tätigkeitsberichts zu vervollständigen.

Schritt 2: Fertige ein Modell einer doppelt so großen, würfelförmigen Zelle an. Wenn du die 2 cm langen Seiten des Würfels nun auseinander faltest und flach auf den Tisch legst, sieht das so aus wie in der Zeichnung 1.7. Verwende die Abbildung, um Teil B Deines Tätigkeitsberichts fertig zu stellen.

Schritt 3: Falte den 2 cm Würfel auseinander. Was passiert mit dem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wenn sich eine würfelförmige Zelle in ihrer Größe verdoppelt? Vervollständige Teil C deines Tätigkeitsberichts.

Blastocyst.jpg



Zelloberflaeche.jpg

Warum sind Zellen wichtig?

Deine Gesundheit hängt teilweise von der Gesundheit deiner Zellen ab. Krankheiten wie Krebs oder Herzkrankheiten sind auf Funktionsveränderungen der Zellen zurückzuführen. Zellen leben und arbeiten in einem dynamischen Verhältnis mit dem gesamten Körper. Zellen bestimmen, ob Gewebe, Organe und Systeme gut funktionieren und stehen in einem sensiblen Gleichgewicht zueinander. Das Leben einer Zelle hängt von den Ereignissen innerhalb und außerhalb der Zelle.

Zellen und Gewebe leben in einem flüssigen Milieu. Alle Zellen des Körpers sind in Körperflüssigkeiten eingebettet. Zellen bekommen Sauerstoff und Nahrungsstoffe aus diesen Körperflüssigkeiten. Sie entsorgen Abfälle, wie Kohlenstoffdioxid, in die Körperflüssigkeiten. Auf diese Weise verändern Zellen ihr Milieu. Allerdings hängt die Gesundheit der Zellen von einem ausreichenden Sauerstoff- und Nahrungsgehalt und einem nicht zu hohen Abfallgehalt der Umgebung ab. Wie kann dieses Problem gelöst werden? Die verschiedenen Zelltypen, Gewebe und Organe können in unterschiedlicher Art und Weise dazu beitragen, die flüssige Zellumgebung konstant zu halten. Dieses Gleichgewicht deines inneren Milieus zu halten, wenn sich die Bedingungen ändern, nennt man Homöostase.

Aufgabe

Fragen zur Überprüfung
Du brauchst:
- ein Mikroskop
- die folgenden Fertigpräparate (frage deine Lehrerin oder deinen Lehrer):
1. Rote Blutkörperchen
2. Weiße Blutkörperchen
3. Hautzellen
4. Lungenzellen
5. Herzmuskelzellen
6. Skelettmuskelzellen
7. Knochenzellen

1. Beschreibe vier Merkmale oder Funktionen von Zellen.
2. Beschreibe die Zelltheorie in deinen eigenen Worten.
3. Was ist der Zusammenhang zwischen Zelle, Gewebe, Organ und System? Gib ein Beispiel.
4. Warum sind Zellen so klein?
5. Warum ist Homöostase wichtig für die Zellen?

Einzelnachweise