Bakterien so groß wie Blauwale
Ein - aus. Ein - aus. Nur diese ständige Aktivität hält dich am Leben. Genau jetzt reagieren in deinen Zellen Glukosemoleküle mit Sauerstoff, um Energie bereitzustellen, damit du einen weiteren wertvollen Moment erlebst. Du atmest, um den dafür notwendigen Sauerstoff zu kriegen. Atmen löst ein ziemlich kniffliges Problem: Wie kommt alles, was eine Zelle zum Überleben braucht, von außen in die Zelle rein? Jedes Lebewesen muss dieses Problem irgendwie lösen. Ein Faktor hat dabei erstaunlich viel Einfluss: die Größe. Wir haben es in anderen Videos bereits erklärt. Die Größe beeinflusst ganz schön, wie sich die Gesetze der Physik auf die Bewohner des Universums auswirken. So simple Dinge wie Temperatur, Schwerkraft oder Oberflächenspannung können völlig egal oder eine Todesgefahr sein. Je nachdem, wie groß du bist. Zum Überleben brauchen Lebewesen viele verschiedene Dinge. Und die müssen sie irgendwie von außen nach innen transportieren. Ganz zu Beginn, als das erste Leben seinen Anfang nahm, war das ein riesiges Problem. Denn im Universum kostet alles, was wir tun wollen, Energie. Die ersten Lebewesen verfügten noch nicht über all die Werkzeuge und Techniken, die die Evolution über Milliarden Jahre entwickelt hat. Zu Beginn musste das Leben also einen Weg finden, um sich ganz ohne Energie Nützliches einzuverleiben, und Schädliches loszuwerden. Die ersten Lebensformen waren zum Glück so winzig klein, dass sie dafür einen kostenlosen Transportweg nutzen konnten: die sogenannte Diffusion. Diffusion basiert auf dem Naturgesetz, dass sich Moleküle konstant in Bewegung befinden, vor allem in flüssigem oder gasförmigem Zustand. Weil sie sich ständig bewegen, und dabei miteinander kollidieren, breiten sie sich aus. Gibst du z.B. ein Stück Würfelzucker in ein Glas Wasser, befindet sich zuerst an einer Stelle sehr viel Zucker und überall sonst keiner. Dann lösen sich die Zuckermoleküle im Wasser auf und prallen gegen Wassermoleküle und andere Zuckermoleküle. Dadurch breiten sich die Zuckermoleküle langsam aus. Sie durchlaufen verschiedene Phasen der Konzentration, bis der Zucker durch diese zufällige Bewegung irgendwann ganz gleichmäßig im Wasser verteilt ist. Das Beste an der Diffusion: Sie ist gratis. Denn sie kostet keine Energie. Und das Leben liebt Gratis-Geschenke. Deshalb funktioniert alles Leben auf der Erde mit Diffusion. Betrachten wir die kleinsten Lebewesen der Erde: Bakterien. Genauer: ihre Oberflächen. Zellwände machen den Austausch von bestimmten Molekülen möglich. Dieses Bakterium hier z.B. benötigt Sauerstoff, um zu überleben. Als Abfallstoff entsteht Kohlendioxid. Im Inneren gibt es also kaum Sauerstoff, aber sehr viel Kohlendioxid. Durch Diffusion breiten sich diese Moleküle mit der Zeit gleichmäßig aus. Und das Kohlendioxid diffundiert aus der Zelle, während Sauerstoff von außen hineingelangt. Aber diese Art der Atmung funktioniert nur im Kleinen. Für Bakterien, Amöben, deine Zellen, und ein paar sehr, sehr kleine Tiere. Insekten etwa haben ein sehr feines Netz von "Tracheen", Röhren, in denen ein Druckunterschied herrscht. Die umgebende Luft diffundiert langsam hinein, und kann Gase mit der Insektenzelle austauschen. Aber selbst Insekten scheinen ihre Tracheen zusammenziehen zu können. Und zumindest manche von ihnen haben spezialisierte Atemorgane wie Atemlöcher oder einen Luftsack. Ab einer bestimmten Größe ist die Diffusion schlicht zu langsam, um die Zellen am Leben zu erhalten. Das Hauptproblem ist, dass dieser Austausch nur an der Oberfläche geschieht, und der Stoffwechsel mittels Diffusion nur einen beschränkten Innenraum versorgen kann. Winzig kleine Lebewesen haben nur wenig Innenraum, sogenanntes Volumen, aber eine Menge Außenraum, also Oberfläche. Was aber, wenn wir mit einer praktischen Vergrößerungsmaschine ein Bakterium von der Größe eines Blauwals kreieren? Leider macht und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen einen Strich durch die Rechnung. Kurz gesagt: Wenn du ein Ding zehnmal größer machst, wird sein Äußeres, also die Oberfläche, zwar hundertmal größer, aber sein Inneres, also das Volumen, wird dabei tausendmal größer. Vergleichen wir das Bakterium Pseudomonas aeruginosa mit einem Blauwal, zeigt sich, dass das Bakterium im Verhältnis zu seinem Volumen zehn Millionen Mal mehr Oberfläche hat als der Wal. Das Bakterium hat also jede Menge Außenseite, während der Wal jede Menge Innenraum hat. Vergrößern wir nun unser Bakterium auf die Größe eines Wals, hat das Riesenbakterium jetzt zu viel Innenraum und der größte Teil des Innenraums ist zu weit weg von der Oberfläche. Dem Riesenbakterium würde der Sauerstoff ausgehen, bevor er weit genug nach innen gelangen könnte, und es würde ersticken. Größer zu sein hat aber auch seine Vorteile. Man wird z.B. nicht so leicht gefressen. Und hat es selber viel leichter, andere zu fressen. Die Zellgröße ist aber beschränkt durch die Distanz, über die das Zellinnere durch Diffusion noch ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden kann. Ein clevererer Weg, dieses Problem zu umgehen, sind mehrzellige Strukturen. Lebewesen, die nicht aus einer, sondern aus vielen Zellen bestehen. Diffusion funktioniert mit vielen kleinen Einheiten nämlich besser als mit einer großen. Mit der Zeit fingen diese Zellen an, die Arbeit aufzuteilen und sich zu spezialisieren. Manche Zellen sind darauf spezialisiert, die Umwelt wahrzunehmen, andere auf die Verdauung, wieder andere auf Bewegung. Aber das Problem von Diffusion und Oberfläche und Energieerzeugung war dadurch nicht gelöst und beschränkte immer noch die Größe der ersten vielzelligen Lebewesen. Um noch größer werden zu können, lösten Lebewesen das Diffusionsproblem mit Löchern, Kammern und Röhren, oder mit Falten, damit Diffusion in jeder Zelle geschehen konnte. Du selbst zum Beispiel. Was du als Außenseite ansiehst, deine Haut nämlich, hat eine Oberfläche von etwa zwei Quadratmetern. Deine Lunge hat aber eine Oberfläche von etwa 70 Quadratmetern. Sie ist also kein Luftballon, sondern eher so etwas wie ein Schwamm, aus vielen dicht gepackten Mikroballons, umgeben von Blutgefäßen. Wenn du einatmest, füllen sich all diese winzigen Ballons mit frischer Luft. Blut voller CO2 wird um diese Ballons gepumpt. Jetzt kommt die Magie der Diffusion ins Spiel. Sauerstoff diffundiert aus den Ballons ins Blut, wo rote Blutkörperchen ihn auflesen. Das CO2 diffundiert aus dem Blut in deine Lunge, von wo es ausgeatmet werden kann. Dein Blut transportiert den Sauerstoff bis in die hinterste Ecke deines Körpers und nimmt dort den CO2-Abfall wieder mit. Im Körper funktioniert Diffusion über etwa einen Millimeter. Jede einzelne Zelle deines Körpers ist also höchstens einen Millimeter von einem Blutgefäß entfernt. Mittelgroße Tiere wie du brauchen also eine ganze Menge Blutgefäße, um jede einzelne Zelle im Körper zu versorgen. Allein von den Kapillaren, den kleinsten Blutgefäßen, hat dein Körper etwa 100.000 Kilometer, mit einer Oberfläche von etwa 1.000 Quadratmeter. Das Gleiche gilt für jedes Organ, das irgendwas mit der Außenwelt austauschen muss. Dein Körper braucht Oberflächen, um Nährstoffe aus der Nahrung aufnehmen zu können. Dein Magen hat deshalb die Oberfläche eines halben Badmintonfeldes, etwa 40 Quadratmeter. Je größer ein Lebewesen ist, umso mehr versteckte Oberfläche wird benötigt. Ein Baum zum Beispiel. Zum Überleben stellt er aus Luft und Sonnenlicht Zucker her. Dazu braucht er so viel Oberfläche wie nur möglich. Ein Orangenbaum mit 2.000 Blättern hat äußerlich eine Oberfläche von 200 Quadratmetern. Die Oberfläche im Blattinneren, wo die Diffusion stattfindet, beträgt aber 6.000 Quadratmeter. Das Gleiche gilt für Wurzeln. Hier vergrößern Tausende kleine Härchen die Oberfläche, über die Wasser aus der Erde aufgenommen werden kann. Die Wurzeln von einem Quadratmeter Gras haben dadurch eine Oberfläche von etwa 350 Quadratmetern. Die Vielfalt des Lebens auf unserem Planeten scheint uns sehr, sehr groß. Und das ist sie auch. Aber einige Grundprinzipien gelten für alle und haben sich in Milliarden von Jahren nicht wirklich verändert. Ob winzig klein, oder riesengroß: Abfallstoffe müssen weg, frischer Treibstoff muss her. Nur ist das bei großen Tieren halt ein ziemliches Gebastel..
