Robert Hooke und die Entdeckung der Zelle

Nach dieser Folge kannst du drei Fragen beantworten. Woher kommt eigentlich der Begriff der Zelle? Warum haben unsere zellulären Kraftwerke ein eigenes Erbgut? Und wie schafft es die Lunge, uns jede Minute mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen? Willkommen bei PodThis und Study Session. Wir steigen direkt ein mit der Geburtsstunde der Zellbiologie. Damals blickte Robert Hooke durch sein Mikroskop auf ein Stück Kork. Er sah winzige Hohlräume.

Wir schauen uns jetzt die Entdeckung der Zelle an. Das war die erste große Erkenntnis, nachdem man angefangen hatte, das Leben überhaupt allgemein zu definieren. Im Jahr sechzehnhundertfünfundsechzig untersuchte der englische Naturforscher Robert Hooke die Welt in einem Maßstab, den vor ihm kaum ein Mensch gesehen hatte. Er nutzte dafür ein frühes Lichtmikroskop. Das ist ein optisches Gerät, das mit sichtbarem Licht und geschliffenen Glaslinsen arbeitet. So werden winzige Objekte für das menschliche Auge stark vergrößert. Hooke gehörte zu den Ersten, die diese Technik einsetzten, um die verborgenen Strukturen der Natur zu erforschen. Für seine Untersuchung suchte er sich Kork aus. Das ist dieses leichte und wasserabweisende Material aus der Rinde der Korkeiche. Hooke schnitt mit einem scharfen Messer hauchdünne Scheiben vom Kork ab. Das musste er tun, damit das Licht des Mikroskops die Probe überhaupt durchdringen konnte. Als er diese Proben dann unter die Linse legte, sah er etwas völlig Neues. Er hielt diesen Anblick später in seinem berühmten Buch mit dem Titel Micrographia fest. Hooke sah keine durchgehende Masse, sondern unzählige winzige Hohlräume. Er beschrieb diese Strukturen in seinen Texten als kleine Poren oder Kästchen. Man merkt seinen Aufzeichnungen an, wie sehr ihn diese regelmäßige Anordnung beeindruckt hat. Er verglich das Muster mit den Waben in einem Bienenstock. Weil er nach einem passenden Namen für seine Entdeckung suchte, griff er auf ein Bild aus seinem Alltag zurück. Die kleinen Kammern erinnerten ihn an die schlichten Wohnräume der Mönche im Kloster. Diese Räume nannte man Zellen. Der Begriff kommt vom lateinischen Wort cellula, was übersetzt kleiner Raum bedeutet. Hooke übertrug diesen Namen einfach auf die Biologie und nannte die Hohlräume im Kork ebenfalls Zellen. Dieser Name hat sich bis heute gehalten und prägt die gesamte biologische Forschung bei PodThis. Man muss sich aber klarmachen, was Hooke in diesem Moment wirklich vor sich hatte. Kork ist totes pflanzliches Gewebe. Er sah also keine lebenden Zellen mit einem aktiven Kern, sondern nur die stabilen, leeren Zellwände. Diese Wände bleiben übrig, wenn die Zellen absterben. Die Zellwand ist die feste äußere Hülle, die Pflanzenzellen ihre Form gibt. Hooke konnte damals noch nicht wissen, dass das Innere dieser Kammern bei lebenden Wesen der Ort ist, an dem alles Wichtige passiert. Trotzdem war seine Beobachtung der Moment, in dem die Wissenschaft begriff, dass Lebewesen aus kleineren Bausteinen bestehen. Er beschrieb die Zellen als winzige Schachteln, die scheinbar mit Luft gefüllt waren. Auch wenn er die genaue Funktion damals noch nicht verstehen konnte, legte er den Grundstein für alles Weitere. Jede spätere Entdeckung über Bakterien, Pflanzen oder den menschlichen Körper baut auf diesem ersten Blick auf die zelluläre Struktur auf. Diese Beobachtung im siebzehnten Jahrhundert war das Fundament für unser heutiges Wissen über alles Lebendige. Sie markiert den Punkt, an dem man aufhörte, die Natur nur von außen zu betrachten. Von da an erforschte man ihre inneren, mikroskopischen Bausteine. Damit begann eine Entwicklung, die uns am Ende zu der Erkenntnis führte, dass die Zelle die kleinste lebende Einheit jedes Organismus ist.

Die Endosymbiontentheorie erklärt uns, wie die Mitochondrien entstanden sind. Sie baut auf der Entdeckung auf, dass die Zelle der Grundbaustein allen Lebens ist. Man kann sich diese Mitochondrien wie winzige Kraftwerke in unseren Zellen vorstellen. Diese spezialisierten Strukturen nennen wir Zellorganellen. Sie sind dafür verantwortlich, uns mit Energie zu versorgen. Ohne sie könnten sich unsere Muskeln nicht bewegen und unser Gehirn könnte keine Gedanken fassen. Die Mitochondrien verbrauchen Sauerstoff, um Nährstoffe in eine Form umzuwandeln, die der Körper für alle Lebensvorgänge nutzen kann. Ein entscheidendes Merkmal dieser Kraftwerke ist ihr eigenes Erbgut. Der Großteil unserer Erbinformationen liegt gut geschützt im Zellkern. Die Mitochondrien besitzen jedoch eine eigene, ringförmige DNA. Diese Struktur unterscheidet sich grundlegend von den fadenförmigen Chromosomen im Kern. Sie ähnelt stattdessen verblüffend stark dem Erbgut von Bakterien, die heute noch leben. Hier setzt die Endosymbiontentheorie an. Sie besagt, dass diese Organellen vor vielen Millionen Jahren eigenständige, einzellige Lebewesen waren. Eine größere Urzelle umschloss diese kleinen Bakterien mit ihrer eigenen Hülle und nahm sie in ihr Inneres auf. Normalerweise dient so ein Vorgang der Nahrungsaufnahme. In diesem speziellen Fall bei PodThis wurden die Bakterien jedoch nicht verdaut. Stattdessen entstand eine dauerhafte Lebensgemeinschaft, von der beide Seiten profitierten. Wir nennen das heute eine Symbiose. Die aufgenommenen Bakterien waren in der größeren Zelle geschützt und bekamen ständig Nährstoffe geliefert. Im Gegenzug versorgten sie die Wirtszelle mit einer enormen Menge an Energie, die sie durch ihren Stoffwechsel erzeugten. Dieser Vorgang war ein Wendepunkt in der Geschichte des Lebens auf der Erde. Durch die zusätzliche Energie konnten Zellen viel größer und komplexer werden. Neben dem Erbgut gibt es noch weitere Belege für diesen bakteriellen Ursprung. Wenn man ein Mitochondrium unter einem starken Mikroskop betrachtet, erkennt man eine doppelte Membran. Die innere Membran zeigt Merkmale, die typisch für die Oberflächen von Bakterien sind. Die äußere Membran gleicht dagegen der Hülle der Zelle, die das Bakterium damals umschlossen hat. Ein weiterer Hinweis ist die Art, wie sie sich vermehren. Mitochondrien entstehen nicht einfach aus dem Nichts. Sie vermehren sich durch eine einfache Teilung, genau wie man es von Bakterienkulturen kennt. Wenn sich eine Körperzelle teilt, werden die vorhandenen Mitochondrien einfach auf die neuen Tochterzellen verteilt. Die Energie aus den Mitochondrien wird in Form eines Moleküls bereitgestellt, das man Adenosintriphosphat nennt. Man kann sich dieses Molekül wie eine voll aufgeladene Batterie vorstellen. Diese Batterie kann ihre Energie überall in der Zelle abgeben. Dieser chemische Prozess findet an den stark gefalteten inneren Membranen der Mitochondrien statt. Durch die Faltung wird die Oberfläche viel größer. So können auf kleinstem Raum sehr viele Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Es ist beeindruckend, wie effizient diese ehemaligen Bakterien in das System der Zelle eingebunden wurden. In manchen Zellen finden sich besonders viele dieser Kraftwerke. Das Herz braucht zum Beispiel ständig Energie und besitzt deshalb eine besonders hohe Dichte an Mitochondrien. Diese Erkenntnis verändert den Blick auf unseren eigenen Körper. Wir sind im Grunde aus einer uralten Zusammenarbeit verschiedener Lebensformen entstanden. Jede einzelne Zelle beherbergt hunderte oder sogar tausende dieser winzigen Untermieter. Sie sorgen unermüdlich für unseren Antrieb. Die Endosymbiontentheorie ist heute ein fester Bestandteil der Biologie. Sie schließt die Lücke zwischen einfachen Bakterien und komplexen Zellen. Das zeigt uns, dass Kooperation in der Natur eine genauso starke Kraft ist wie der Wettbewerb. In der Wissenschaft gilt dieser Nachweis als einer der wichtigsten Belege für die Entwicklung des Lebens. Frage. Welcher Naturforscher prägte den Begriff der Zelle und welches Material untersuchte er dabei? Antwort. Robert Hooke prägte den Begriff, als er hauchdünne Korkscheibchen unter dem Mikroskop betrachtete.

Wie Enzyme funktionieren, zeigt uns sehr deutlich, wie der Körper die Energie aus seinen Kraftwerken für chemische Reaktionen nutzt. Diese speziellen Eiweißmoleküle wirken in uns als Biokatalysatoren. Ein solcher Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion, ohne dass er sich dabei selbst abnutzt. Ohne diese Helfer würden die meisten Abläufe in Ihrem Körper viel zu langsam vorangehen. Die normale Körpertemperatur reicht nämlich nicht aus, um die nötigen chemischen Bindungen schnell genug zu lösen. Das ist lebenswichtig. Ohne diese Beschleunigung könnten wir weder atmen noch unsere Nahrung verdauen. Enzyme senken die sogenannte Aktivierungsenergie. Das ist die Menge an Energie, die man braucht, damit eine Reaktion überhaupt erst losgeht. Dabei ist jedes Enzym ein Fachmann für eine ganz bestimmte Aufgabe. In der Wissenschaft nennt man das Substratspezifität. Das Substrat ist dabei der Ausgangsstoff, den das Enzym bearbeitet. Man kann sich das wie ein Schloss und den passenden Schlüssel vorstellen. Nur wenn die Form des Substrats exakt in das Zentrum des Enzyms passt, passiert etwas. Sobald der Stoff angedockt hat, wird er umgewandelt und das fertige Produkt wird freigesetzt. Danach ist das Enzym sofort wieder bereit für das nächste Molekül. Ein beeindruckendes Beispiel für diese Genauigkeit ist die Katalase. Dieses Enzym kommt in fast allen Lebewesen vor, die Sauerstoff verbrauchen. Bei vielen Vorgängen im Körper entsteht nämlich Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt. Für die Zelle ist das ein gefährliches Gift. Es kann wichtige Strukturen wie das Erbgut oder die Zellwände angreifen und zerstören. Hier greift die Katalase sofort ein. Sie bewahrt die Zelle vor diesen schweren Schäden. Sie schnappt sich die Moleküle des Wasserstoffperoxids und zerlegt sie in zwei harmlose Teile. Aus dem aggressiven Gift werden durch diese Reaktion ganz einfaches Wasser und Sauerstoff. Wie schafft ein so winziges Teilchen solche Mengen? Die Geschwindigkeit ist für uns kaum vorstellbar. Ein einziges Molekül der Katalase kann in nur einer Sekunde bis zu fünf Millionen Giftmoleküle umwandeln. Dieses enorme Tempo ist nötig, weil das Gift im Körper ständig neu produziert wird. Diese Hochleistung sorgt dafür, dass sich das Gift niemals in einer gefährlichen Menge ansammelt. Besonders viel Katalase sitzt in der Leber, weil dort viele Stoffe abgebaut und entgiftet werden. Wenn Sie einen Tropfen Wasserstoffperoxid auf eine kleine Wunde geben, können Sie das Enzym oft direkt bei der Arbeit beobachten. Es schäumt weiß auf. Das liegt am Sauerstoff, der dabei frei wird und kleine Blasen bildet. Das ist ein sichtbares Zeichen für die chemische Schwerstarbeit, die in Ihren Zellen ständig im Hintergrund läuft. Jedes Enzym im Körper braucht eine ideale Umgebung zum Arbeiten. Das betrifft vor allem die Wärme und den Säuregehalt. Was passiert aber, wenn diese Bedingungen nicht mehr passen? Wenn es zu heiß wird, verformt sich die Struktur der Enzyme dauerhaft. Fachleute nennen das Denaturierung. Ein verformtes Enzym verliert seine Passform. Es kann seine Aufgabe dann nicht mehr erledigen. Deshalb ist hohes Fieber für uns Menschen lebensgefährlich. Die wichtigen chemischen Reaktionen bleiben dann einfach stehen. Bei PodThis schauen wir uns deshalb genau an, wie empfindlich diese Systeme sind. Enzyme steuern, welche Stoffe wann und wie schnell umgewandelt werden. Ohne diese biologischen Beschleuniger wäre Leben physikalisch gar nicht möglich. Frage. Welches Hauptmerkmal der Mitochondrien belegt, dass sie ursprünglich eigenständige Bakterien waren? Antwort. Sie verfügen über ein eigenes, ringförmiges Erbgut.

Nachdem wir uns die Geschwindigkeit der Enzyme angeschaut haben, kommen wir nun zur Platzersparnis. Die D-N-A ist so geschickt angeordnet, dass unser Erbgut sicher verwahrt bleibt. In jeder einzelnen Zelle steckt ein vollständiger Bauplan für deinen gesamten Körper. Dieser Plan besteht aus der Desoxyribonukleinsäure, die alle Erbinformationen dauerhaft speichert. Man kann sich diesen Stoff wie einen extrem dünnen und langen Faden vorstellen. Er enthält die Anweisungen für jede einzelne Funktion deines Organismus. Jedes Lebewesen besitzt diesen Speicher. Er bildet die Grundlage für das Wachstum, den Stoffwechsel und die Fortpflanzung. In jeder Zelle liegt dieser umfangreiche Bauplan bereit und ist dort gut vor äußeren Einflüssen geschützt. Das Besondere an diesem Faden ist seine Länge im Vergleich zur Umgebung. Wenn man den Faden aus dem Kern einer einzigen menschlichen Zelle vorsichtig herauslösen und entwirren würde, wäre er etwa zwei Meter lang. Das klingt erst einmal nach nicht viel. Doch man muss sich die Größenverhältnisse vor Augen führen. Ein Zellkern ist so winzig, dass man ihn mit bloßem Auge gar nicht sehen kann. In diesen mikroskopisch kleinen Raum müssen zwei Meter Faden hineinpassen. Dabei darf kein heilloses Durcheinander entstehen. Die Natur vollbringt hier eine enorme Leistung, um das Material auf engstem Raum unterzubringen. Um diese extreme Verdichtung zu schaffen, nutzt die Zelle eine Methode der mehrfachen Windung. Der Faden wird dabei sehr eng gefaltet. Er wird um bestimmte Stützproteine gewickelt, sodass er nur noch einen winzigen Bruchteil seines ursprünglichen Volumens einnimmt. Dieser Vorgang ähnelt einem langen Garn, das fest auf eine kleine Spule aufgewickelt wird. Nur durch diese strenge Ordnung bleibt die Information jederzeit lesbar und geschützt. Wenn man diese Leistung nun auf den gesamten menschlichen Körper hochrechnet, entstehen Zahlen, die unsere Vorstellungskraft sprengen. Dein Körper besteht aus vielen Billionen Zellen. Jede einzelne trägt diesen zwei Meter langen Faden in ihrem Kern. Legt man alle diese Fäden aus deinem Körper lückenlos hintereinander, ergibt sich eine Strecke, die weit über unsere Atmosphäre hinaus in den Weltraum reicht. Diese Kette würde nicht nur bis zum Mond und wieder zurück reichen. Die Gesamtlänge deines Erbguts würde ausreichen, um mehrmals von der Erde zur Sonne und wieder zurück zu gelangen. Es ist kaum zu fassen, dass eine so gewaltige Menge an Material in einem einzigen Menschen Platz findet. Diese enorme Distanz verdeutlicht die organisatorische Meisterleistung in deinem Inneren. Jeder Zentimeter dieser riesigen Strecke muss präzise gefaltet sein. Nur so kann die Zelle jederzeit auf die richtigen Abschnitte zugreifen. Würde diese Ordnung verloren gehen, könnten die Informationen nicht mehr fehlerfrei abgelesen werden. Das würde die Lebensvorgänge sofort stören. Die Verpackung ist also kein Zufall. Sie ist eine lebensnotwendige Struktur, die aus einem scheinbar unendlichen Faden ein handliches Paket für jede Zelle macht. So bleibt der riesige Datensatz des Lebens auf kleinstem Raum stabil. Frage. Wie viele Moleküle Wasserstoffperoxid kann das Enzym Katalase pro Sekunde unschädlich machen? Antwort. Das Enzym Katalase kann pro Sekunde bis zu fünf Millionen Moleküle zerlegen.

Das Prinzip der Oberflächenvergrößerung sorgt dafür, dass Stoffe so effizient wie möglich ausgetauscht werden. Das passt genau zu dem, was wir schon bei der Struktur des Erbguts gesehen haben: Es geht immer um die beste Raumnutzung. In der Biologie begegnet uns dieses Muster ständig, wenn auf engstem Raum Höchstleistungen erbracht werden müssen. Man kann sich das als eine Strategie vorstellen, bei der die Grenzflächen eines Organs massiv ausgedehnt werden. Das Besondere ist, dass das Organ selbst dabei kaum mehr Platz einnimmt. Dieser Vorgang ist für jedes Lebewesen überlebenswichtig. Fast jeder biologische Prozess findet nämlich an so einer Grenzfläche statt. Ein Organismus muss ja ständig Stoffe mit seiner Umwelt austauschen, um zu überleben. Er nimmt Sauerstoff und Nährstoffe auf und gibt gleichzeitig Abfallprodukte wie Kohlendioxid ab. Je größer die Kontaktfläche für diesen Austausch ist, desto mehr Teilchen können gleichzeitig in den Körper hinein oder wieder heraus gelangen. Ein sehr anschauliches Beispiel dafür ist unsere Lunge. Sie hat die Aufgabe, das Blut in jeder Sekunde mit frischem Sauerstoff zu versorgen. Würde die Lunge in deinem Brustkorb nur aus zwei glatten Beuteln bestehen, wäre ihre Oberfläche viel zu klein für deinen Energiebedarf. Um das zu lösen, nutzt die Natur eine extrem feine Verästelung. Die Atemluft strömt durch die Luftröhre in die Bronchien, die sich wie die Zweige eines Baumes immer weiter verzweigen. Am Ende dieser feinen Äste sitzen die Lungenbläschen, die man in der Fachsprache Alveolen nennt. In deiner Lunge befinden sich etwa dreihundert Millionen dieser winzigen, luftgefüllten Säckchen. Durch diese enorme Anzahl entsteht eine gewaltige innere Fläche für den Gasaustausch. Würde man die Wände all dieser dreihundert Millionen Bläschen vorsichtig nebeneinander auslegen, käme man auf etwa einhundert Quadratmeter. Um sich diese Größe besser vorzustellen, hilft ein Vergleich: Das ist fast so groß wie ein halbes Volleyballfeld. Dieser ganze Platz ist in deinem Brustkorb untergebracht, ohne dass die Lunge dadurch sperrig oder schwer wird. Diese riesige Fläche ist absolut notwendig, um den Körper jede Minute mit genug Sauerstoff zu beliefern. Die Sauerstoffmoleküle müssen aus der Atemluft durch die dünnen Wände der Bläschen in die Blutgefäße wandern. Das passiert durch Diffusion. Das heißt, die Teilchen bewegen sich von selbst dorthin, wo ihre Konzentration niedriger ist. Da dieser Vorgang über weite Strecken sehr langsam abläuft, muss die Kontaktfläche so groß und die Barriere so dünn wie möglich sein. Die Oberflächenvergrößerung stellt also sicher, dass der Stoffwechsel auch bei Anstrengung reibungslos läuft. Ohne diese Meisterleistung der Natur könnten große Lebewesen wie wir Menschen nicht existieren. Unsere Zellen würden schlichtweg ersticken. Frage. Wie lang wäre der DNA-Faden aus dem Kern einer einzigen menschlichen Zelle, wenn man ihn vollständig entwirren würde? Antwort. Der Faden wäre etwa zwei Meter lang.

Jetzt beginnt unser kleiner Rückblick. Überleg dir die Antwort auf jede Frage am besten kurz selbst, bevor ich sie auflöse. Wir gehen die fünf wichtigsten Punkte von heute noch einmal Schritt für für Schritt durch. So bleibt das Gelernte auch wirklich im Gedächtnis. Frage. Warum nannte Robert Hooke die winzigen Hohlräume im Kork bei seinen Beobachtungen im siebzehnten Jahrhundert ausgerechnet „Zellen“? Antwort. Nach Hookes eigener Beschreibung in seinen Aufzeichnungen erinnerten ihn diese regelmäßigen Strukturen an die schlichten Wohnkammern von Mönchen, die im Lateinischen als cellulae bezeichnet werden. Frage. Was besagt die Endosymbiontentheorie über die ursprüngliche Herkunft der Mitochondrien innerhalb unserer Zellen? Antwort. Diese Theorie geht davon aus, dass Mitochondrien früher eigenständige Bakterien waren, die von einer größeren Urzelle aufgenommen wurden und fortan eine dauerhafte Lebensgemeinschaft mit ihr bildeten. Frage. Welches gefährliche Zellgift wird durch das Enzym Katalase in einer extrem hohen Geschwindigkeit innerhalb der Zelle unschädlich gemacht? Antwort. Die Katalase ist darauf spezialisiert, das bei Stoffwechselprozessen entstehende Wasserstoffperoxid blitzschnell in die harmlosen Bestandteile Wasser und Sauerstoff zu spalten. Frage. Welche gewaltige Strecke ergäbe sich, wenn man die DNA aus sämtlichen Zellen eines menschlichen Körpers vollständig entwirren und aneinanderlegen würde? Antwort. Die gesamte Erbinformation eines einzelnen Menschen ist so lang, dass sie aneinandergereiht die Entfernung von der Erde zur Sonne mehrmals hin und wieder zurück abdecken würde. Frage. Welchem bekannten sportlichen Spielfeld entspricht die gesamte innere Oberfläche der menschlichen Lunge in etwa? Antwort. Durch die feine Verästelung der Millionen von Lungenbläschen entsteht eine Fläche für den Gasaustausch, die fast die Größe eines halben Volleyballfeldes erreicht.

Wie viele von fünf? Hör dir für jede verpasste Frage das Kapitel noch einmal an.