Leben

Leben Zeitlicher Bereich: Archaikum - Gegenwart (möglicher Ursprung im Erdmittelalter) ⓘ
Vielfalt der Prokaryoten, darunter Archaea, Cyanobakterien, Bacillus, Campylobacteria, Enterobakterien, Diplococcus und Spirochäten.
Vielfalt der Eukaryonten, darunter Grauer Wolf, Riesenmammutbaum, Entodinium, Amanita caesarea, Pterois antennata, Algenblüten, Chrysotoxum verralli, Xanthoparmelia-Flechte, Dictyostelium und Säulenkoralle.
Wissenschaftliche Klassifizierung
Domänen und Übergruppen
Leben auf der Erde: Nicht-zelluläres Leben Viren Virusoide Viroide Zelluläres Leben Bereich Bakterien Bereich Archaea Bereich Eukarya Archaeplastida SAR Excavata Amöbozoen Opisthokonta

Leben ist ein Merkmal, das physische Einheiten, die über biologische Prozesse verfügen, wie z. B. Signalübertragung und selbsterhaltende Prozesse, von jenen unterscheidet, die nicht über solche Funktionen verfügen, entweder weil sie aufgehört haben (gestorben sind) oder weil sie nie über solche Funktionen verfügten und als unbelebt eingestuft werden. Es gibt verschiedene Formen von Leben, wie Pflanzen, Tiere, Pilze, Protisten, Archaeen und Bakterien. Die Biologie ist die Wissenschaft, die das Leben erforscht. ⓘ

Über die Definition von Leben gibt es derzeit keinen Konsens. Eine gängige Definition besagt, dass Organismen offene Systeme sind, die eine Homöostase aufrechterhalten, aus Zellen bestehen, einen Lebenszyklus haben, einen Stoffwechsel durchlaufen, wachsen können, sich an ihre Umwelt anpassen, auf Reize reagieren, sich fortpflanzen und sich weiterentwickeln. Andere Definitionen schließen manchmal auch nichtzelluläre Lebensformen wie Viren und Viroide ein. ⓘ

Abiogenese ist der natürliche Prozess der Entstehung von Leben aus unbelebter Materie, z. B. aus einfachen organischen Verbindungen. Die vorherrschende wissenschaftliche Hypothese besagt, dass der Übergang von nicht lebenden zu lebenden Wesen kein einmaliges Ereignis war, sondern ein allmählicher Prozess mit zunehmender Komplexität. Das erste Leben auf der Erde entstand bereits vor 4,28 Milliarden Jahren, kurz nach der Entstehung der Ozeane vor 4,41 Milliarden Jahren und nicht lange nach der Entstehung der Erde vor 4,54 Milliarden Jahren. Die frühesten bekannten Lebensformen sind Bakterien. Das Leben auf der Erde stammt wahrscheinlich von einer RNA-Welt ab, obwohl RNA-basiertes Leben möglicherweise nicht das erste Leben war, das es gab. Metallbindende Proteine, die den biologischen Elektronentransfer ermöglichten, haben sich möglicherweise aus Mineralien entwickelt. Das klassische Miller-Urey-Experiment von 1952 und ähnliche Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass die meisten Aminosäuren, die chemischen Bestandteile der in allen lebenden Organismen verwendeten Proteine, aus anorganischen Verbindungen unter Bedingungen synthetisiert werden können, die denen auf der frühen Erde entsprechen. Komplexe organische Moleküle kommen im Sonnensystem und im interstellaren Raum vor, und diese Moleküle könnten das Ausgangsmaterial für die Entwicklung des Lebens auf der Erde gewesen sein. ⓘ

Seit seinen Anfängen hat das Leben auf der Erde seine Umwelt in geologischen Zeiträumen verändert, aber es hat sich auch an die meisten Ökosysteme und Bedingungen angepasst. Einige Mikroorganismen, so genannte Extremophile, gedeihen in physikalisch oder geochemisch extremen Umgebungen, die für das meiste andere Leben auf der Erde schädlich sind. Die Zelle gilt als die strukturelle und funktionelle Einheit des Lebens. Es gibt zwei Arten von Zellen, prokaryotische und eukaryotische, die beide aus Zytoplasma bestehen, das von einer Membran umgeben ist, und viele Biomoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren enthalten. Zellen vermehren sich durch einen Prozess der Zellteilung, bei dem sich die Mutterzelle in zwei oder mehr Tochterzellen teilt. ⓘ

In der Vergangenheit gab es viele Versuche, den Begriff "Leben" durch überholte Konzepte wie die Odische Kraft, den Hylomorphismus, die spontane Entstehung und den Vitalismus zu definieren, die inzwischen durch biologische Entdeckungen widerlegt worden sind. Aristoteles gilt als der erste, der die Organismen klassifizierte. Später führte Carl Linnaeus sein System der binomischen Nomenklatur zur Klassifizierung der Arten ein. Im Laufe der Zeit wurden neue Gruppen und Kategorien von Lebewesen entdeckt, wie z. B. Zellen und Mikroorganismen, was zu einer erheblichen Überarbeitung der Struktur der Beziehungen zwischen lebenden Organismen führte. Obwohl derzeit nur auf der Erde bekannt, muss sich das Leben nicht auf die Erde beschränken, und viele Wissenschaftler spekulieren über die Existenz von außerirdischem Leben. Künstliches Leben ist eine Computersimulation oder eine vom Menschen geschaffene Rekonstruktion eines beliebigen Aspekts des Lebens, die häufig zur Untersuchung von Systemen verwendet wird, die mit dem natürlichen Leben in Zusammenhang stehen. ⓘ

Der Tod ist die endgültige Beendigung aller biologischen Prozesse, die einen Organismus aufrechterhalten, und somit das Ende seines Lebens. Aussterben ist der Begriff, der das Aussterben einer Gruppe oder eines Taxons, in der Regel einer Art, beschreibt. Fossilien sind die erhaltenen Überreste oder Spuren von Organismen. ⓘ

Leben ist ein Sammelbegriff für eine Vielzahl materieller Erscheinungen (Systeme) in der Natur, die sich in einem ständigen, geregelten Austausch von Energie, Materie und Informationen befinden. Diese Prozesse werden je nach Betrachtungsweise als unterschiedliche reale oder zugeschriebene Eigenschaften beschrieben, die sich unverwechselbar von der unbelebten Umwelt unterscheiden. Über diese Eigenschaften und ihre Entstehung oder ihren Umfang – ob selbst erhaltend und organisierend oder von göttlichen Kräften geschaffen und gelenkt – besteht allerdings keine Einigkeit, weder innerhalb der Wissenschaften noch unter Philosophen oder in den Religionen. ⓘ

1999 führte der israelische Chemiker Noam Lahav 48 verschiedene Definitionen von Experten der letzten 100 Jahre auf. ⓘ

Definitionen

Die Definition von Leben war lange Zeit eine Herausforderung für Wissenschaftler und Philosophen. Das liegt zum Teil daran, dass Leben ein Prozess und keine Substanz ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die Eigenschaften von Lebewesen, die sich möglicherweise außerhalb der Erde entwickelt haben, nicht bekannt sind. Es wurden auch philosophische Definitionen des Lebens vorgelegt, die ähnliche Schwierigkeiten bei der Unterscheidung von Lebewesen und Nicht-Lebewesen aufweisen. Auch juristische Definitionen des Lebens sind beschrieben und diskutiert worden, wobei sich diese im Allgemeinen auf die Entscheidung, einen Menschen für tot zu erklären, und die rechtlichen Auswirkungen dieser Entscheidung konzentrieren. Es wurden 123 Definitionen von Leben erstellt. Eine Definition scheint von der NASA bevorzugt zu werden: "ein sich selbst erhaltendes chemisches System, das zur darwinistischen Evolution fähig ist". Einfacher ausgedrückt, ist Leben "Materie, die sich selbst reproduzieren und weiterentwickeln kann, wenn es das Überleben erfordert". ⓘ

Biologie

Da es keine eindeutige Definition von Leben gibt, sind die meisten gängigen Definitionen in der Biologie beschreibend. Leben wird als eine Eigenschaft von etwas betrachtet, die seine Existenz in der gegebenen Umgebung bewahrt, fördert oder verstärkt. Diese Eigenschaft weist alle oder die meisten der folgenden Merkmale auf:

1. Homöostase: Regulierung des inneren Milieus zur Aufrechterhaltung eines konstanten Zustands, z. B. Schwitzen zur Senkung der Temperatur
2. Organisation: strukturelle Zusammensetzung aus einer oder mehreren Zellen - den Grundeinheiten des Lebens
3. Stoffwechsel: Umwandlung von Energie durch die Umwandlung von Chemikalien und Energie in Zellbestandteile (Anabolismus) und den Abbau von organischem Material (Katabolismus). Lebewesen benötigen Energie, um ihre innere Organisation (Homöostase) aufrechtzuerhalten und die anderen mit dem Leben verbundenen Phänomene hervorzubringen.
4. Wachstum: Aufrechterhaltung einer höheren Rate des Anabolismus als des Katabolismus. Ein wachsender Organismus nimmt in allen seinen Teilen an Größe zu, anstatt nur Materie anzuhäufen.
5. Anpassung: die Fähigkeit, sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf die Umwelt zu verändern. Diese Fähigkeit ist für den Evolutionsprozess von grundlegender Bedeutung und wird durch die Vererbung, die Ernährung und externe Faktoren des Organismus bestimmt.
6. Reaktion auf Reize: Eine Reaktion kann viele Formen annehmen, von der Kontraktion eines einzelligen Organismus auf äußere Chemikalien bis hin zu komplexen Reaktionen, an denen alle Sinne eines vielzelligen Organismus beteiligt sind. Eine Reaktion äußert sich häufig in einer Bewegung, z. B. wenn sich die Blätter einer Pflanze der Sonne zuwenden (Phototropismus), oder in der Chemotaxis.
7. Fortpflanzung: die Fähigkeit, neue individuelle Organismen zu erzeugen, entweder asexuell aus einem einzigen Elternorganismus oder sexuell aus zwei Elternorganismen. ⓘ

Diesen komplexen Prozessen, die als physiologische Funktionen bezeichnet werden, liegen physikalische und chemische Grundlagen sowie Signal- und Kontrollmechanismen zugrunde, die für die Erhaltung des Lebens unerlässlich sind. ⓘ

Alternative Definitionen

Aus physikalischer Sicht sind Lebewesen thermodynamische Systeme mit einer organisierten Molekularstruktur, die sich selbst reproduzieren und weiterentwickeln können, wenn das Überleben dies erfordert. Thermodynamisch gesehen wurde das Leben als offenes System beschrieben, das die Gradienten in seiner Umgebung nutzt, um unvollkommene Kopien von sich selbst zu schaffen. Diese Definition wurde von einem NASA-Komitee angenommen, das versuchte, Leben für die Zwecke der Exobiologie zu definieren, und sich dabei auf einen Vorschlag von Carl Sagan stützte. Eine große Stärke dieser Definition ist, dass sie das Leben durch den Evolutionsprozess und nicht durch seine chemische Zusammensetzung unterscheidet. ⓘ

Andere vertreten eine systemische Sichtweise, die nicht unbedingt von der Molekularchemie abhängt. Eine systemische Definition von Leben besagt, dass Lebewesen selbstorganisierend und autopoietisch (selbstproduzierend) sind. Zu den Variationen dieser Definition gehört Stuart Kauffmans Definition als autonomes Agenten- oder Multiagentensystem, das in der Lage ist, sich selbst zu reproduzieren und mindestens einen thermodynamischen Arbeitszyklus zu absolvieren. Diese Definition wird durch das Auftreten neuer Funktionen im Laufe der Zeit erweitert. ⓘ

Viren

Adenovirus unter dem Elektronenmikroskop ⓘ

Es ist umstritten, ob Viren als lebendig betrachtet werden sollten oder nicht. Meistens werden sie nur als genkodierende Replikatoren und nicht als Lebensformen betrachtet. Sie wurden als "Organismen am Rande des Lebens" bezeichnet, weil sie Gene besitzen, sich durch natürliche Selektion weiterentwickeln und sich durch Selbstorganisation vermehren, indem sie mehrere Kopien von sich selbst herstellen. Viren haben jedoch keinen Stoffwechsel und benötigen eine Wirtszelle, um neue Produkte herzustellen. Die Selbstorganisation von Viren in Wirtszellen hat Auswirkungen auf die Erforschung des Ursprungs des Lebens, da sie die Hypothese stützen könnte, dass das Leben als selbstorganisierende organische Moleküle entstanden sein könnte. ⓘ

Biophysik

Um die erforderlichen Mindestphänomene widerzuspiegeln, wurden andere biologische Definitionen von Leben vorgeschlagen, von denen viele auf chemischen Systemen beruhen. Biophysiker haben angemerkt, dass Lebewesen mit negativer Entropie funktionieren. Mit anderen Worten: Lebendige Prozesse können als eine Verzögerung der spontanen Diffusion oder Dispersion der inneren Energie biologischer Moleküle hin zu potentielleren Mikrozuständen betrachtet werden. Nach Ansicht von Physikern wie John Bernal, Erwin Schrödinger, Eugene Wigner und John Avery gehört das Leben zu der Klasse von Phänomenen, bei denen es sich um offene oder kontinuierliche Systeme handelt, die in der Lage sind, ihre innere Entropie auf Kosten von Stoffen oder freier Energie zu verringern, die aus der Umwelt aufgenommen und anschließend in abgebauter Form wieder abgegeben werden. Das Aufkommen und die zunehmende Popularität von Biomimetik oder Biomimikry (die Entwicklung und Herstellung von Materialien, Strukturen und Systemen, die biologischen Einheiten und Prozessen nachempfunden sind) wird die Grenze zwischen natürlichem und künstlichem Leben wahrscheinlich neu definieren. ⓘ

Theorien über lebende Systeme

Lebende Systeme sind offene, sich selbst organisierende Lebewesen, die mit ihrer Umwelt interagieren. Diese Systeme werden durch den Fluss von Informationen, Energie und Materie aufrechterhalten. ⓘ

Definition des zellulären Lebens nach Budisa, Kubyshkin und Schmidt. ⓘ

Budisa, Kubyshkin und Schmidt definierten das zelluläre Leben als eine Organisationseinheit, die auf vier Säulen/Eckpfeilern ruht: (i) Energie, (ii) Stoffwechsel, (iii) Information und (iv) Form. Dieses System ist in der Lage, den Stoffwechsel und die Energieversorgung zu regulieren und zu kontrollieren und enthält mindestens ein Teilsystem, das als Informationsträger (genetische Information) fungiert. Zellen als selbsterhaltende Einheiten sind Teil verschiedener Populationen, die an einem unidirektionalen und irreversiblen Prozess mit offenem Ende beteiligt sind, der als Evolution bezeichnet wird. ⓘ

Einige Wissenschaftler haben in den letzten Jahrzehnten vorgeschlagen, dass eine allgemeine Theorie lebender Systeme erforderlich ist, um die Natur des Lebens zu erklären. Eine solche allgemeine Theorie würde aus den ökologischen und biologischen Wissenschaften hervorgehen und versuchen, allgemeine Prinzipien für die Funktionsweise aller lebenden Systeme zu beschreiben. Anstatt die Phänomene zu untersuchen, indem man versucht, die Dinge in ihre Bestandteile zu zerlegen, untersucht eine allgemeine Theorie lebender Systeme die Phänomene im Hinblick auf die dynamischen Muster der Beziehungen zwischen den Organismen und ihrer Umwelt. ⓘ

Gaia-Hypothese

Die Idee, dass die Erde lebendig ist, findet sich in der Philosophie und in der Religion, aber die erste wissenschaftliche Auseinandersetzung damit stammt von dem schottischen Wissenschaftler James Hutton. Im Jahr 1785 erklärte er, dass die Erde ein Superorganismus sei und dass ihre eigentliche Untersuchung die Physiologie sein sollte. Hutton gilt als Vater der Geologie, aber seine Idee einer lebendigen Erde geriet im starken Reduktionismus des 19. Jahrhunderts in Vergessenheit. Die Gaia-Hypothese, die in den 1960er Jahren von dem Wissenschaftler James Lovelock aufgestellt wurde, besagt, dass das Leben auf der Erde als ein einziger Organismus funktioniert, der die für sein Überleben notwendigen Umweltbedingungen definiert und aufrechterhält. Diese Hypothese diente als eine der Grundlagen der modernen Erdsystemwissenschaft. ⓘ

Nicht-Bruchteiligkeit

Robert Rosen widmete ab 1958 einen großen Teil seiner Karriere der Entwicklung einer umfassenden Theorie des Lebens als selbstorganisierendes komplexes System, das einer effizienten Verursachung verschlossen ist. Er definierte eine Systemkomponente als "eine Organisationseinheit; ein Teil mit einer Funktion, d. h. einer bestimmten Beziehung zwischen Teil und Ganzem". Als grundlegenden Unterschied zwischen lebenden Systemen und "biologischen Maschinen" bezeichnete er die "Unteilbarkeit der Komponenten in einem Organismus". Er fasste seine Ansichten in seinem Buch Life Itself zusammen. Ähnliche Ideen finden sich auch in dem Buch Living Systems von James Grier Miller. ⓘ

Leben als eine Eigenschaft von Ökosystemen

In einer systemischen Sichtweise des Lebens werden Umweltströme und biologische Ströme zusammen als "wechselseitige Beeinflussung" behandelt, und eine wechselseitige Beziehung zur Umwelt ist für das Verständnis des Lebens wohl ebenso wichtig wie für das Verständnis von Ökosystemen. Wie Harold J. Morowitz (1992) erklärt, ist Leben eine Eigenschaft eines ökologischen Systems und nicht eines einzelnen Organismus oder einer einzelnen Art. Er argumentiert, dass eine ökosystemische Definition von Leben einer rein biochemischen oder physikalischen vorzuziehen ist. Robert Ulanowicz (2009) hebt den Mutualismus als Schlüssel zum Verständnis des systemischen, Ordnung schaffenden Verhaltens von Leben und Ökosystemen hervor. ⓘ

Biologie komplexer Systeme

Die Biologie komplexer Systeme (Complex Systems Biology, CSB) ist ein Wissenschaftsbereich, der die Entstehung von Komplexität in funktionellen Organismen aus der Sicht der Theorie dynamischer Systeme untersucht. Letztere wird oft auch als Systembiologie bezeichnet und zielt darauf ab, die grundlegendsten Aspekte des Lebens zu verstehen. Ein eng mit der VSB und der Systembiologie verbundener Ansatz, die so genannte relationale Biologie, befasst sich hauptsächlich mit dem Verständnis von Lebensprozessen im Hinblick auf die wichtigsten Beziehungen und Kategorien solcher Beziehungen zwischen den wesentlichen funktionellen Komponenten von Organismen; für mehrzellige Organismen wurde dies als "kategorische Biologie" oder als Modelldarstellung von Organismen als Kategorientheorie biologischer Beziehungen sowie als algebraische Topologie der funktionellen Organisation lebender Organismen im Hinblick auf ihre dynamischen, komplexen Netzwerke von Stoffwechsel-, Gen- und epigenetischen Prozessen und Signalwegen definiert. Alternative, aber eng verwandte Ansätze konzentrieren sich auf die Interdependenz von Zwängen, wobei Zwänge entweder molekularer Art sein können, wie z. B. Enzyme, oder makroskopischer Art, wie die Geometrie eines Knochens oder des Gefäßsystems. ⓘ

Darwinsche Dynamik

Es wurde auch argumentiert, dass die Evolution der Ordnung in lebenden Systemen und bestimmten physikalischen Systemen einem gemeinsamen Grundprinzip gehorcht, das als darwinsche Dynamik bezeichnet wird. Die darwinistische Dynamik wurde formuliert, indem zunächst untersucht wurde, wie makroskopische Ordnung in einem einfachen, nicht-biologischen System fernab des thermodynamischen Gleichgewichts entsteht, und dann die Betrachtung auf kurze, sich replizierende RNA-Moleküle ausgedehnt wurde. Es wurde festgestellt, dass der zugrundeliegende Prozess der Ordnungserzeugung für beide Arten von Systemen grundsätzlich ähnlich ist. ⓘ

Operatortheorie

Eine andere systemische Definition, die so genannte Operatortheorie, besagt, dass "Leben ein allgemeiner Begriff für das Vorhandensein der typischen Verschlüsse von Organismen ist; die typischen Verschlüsse sind eine Membran und ein autokatalytischer Satz in der Zelle" und dass ein Organismus jedes System mit einer Organisation ist, die einem Operatortyp entspricht, der mindestens so komplex ist wie die Zelle. Das Leben kann auch als ein Netz von untergeordneten negativen Rückkopplungen von Regelungsmechanismen modelliert werden, die einer übergeordneten positiven Rückkopplung untergeordnet sind, die durch das Potenzial der Expansion und Reproduktion gebildet wird. ⓘ

Geschichte des Studiums

Materialismus

Pflanzenwachstum im Hoh-Regenwald

Zebra- und Impalaherden versammeln sich in der Maasai Mara-Ebene

Ein Luftbild der mikrobiellen Matten um die Grand Prismatic Spring im Yellowstone National Park

Einige der frühesten Theorien über das Leben waren materialistisch und gingen davon aus, dass alles, was existiert, Materie ist und dass das Leben lediglich eine komplexe Form oder Anordnung von Materie ist. Empedokles (430 v. Chr.) vertrat die Ansicht, dass alles im Universum aus einer Kombination von vier ewigen "Elementen" oder "Wurzeln von allem" besteht: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Alle Veränderungen werden durch die Anordnung und Neuordnung dieser vier Elemente erklärt. Die verschiedenen Formen des Lebens entstehen durch eine geeignete Mischung der Elemente. ⓘ

Demokrit (460 v. Chr.) vertrat die Auffassung, dass das wesentliche Merkmal des Lebens darin besteht, eine Seele (Psyche) zu haben. Wie andere antike Schriftsteller versuchte auch er zu erklären, was etwas zu einem Lebewesen macht. Seine Erklärung lautete, dass feurige Atome eine Seele bilden, genau so wie Atome und Leere jedes andere Ding ausmachen. Er geht auf das Feuer ein, weil es einen offensichtlichen Zusammenhang zwischen Leben und Wärme gibt und weil sich das Feuer bewegt. ⓘ

Platons Welt der ewigen und unveränderlichen Formen, die in der Materie durch einen göttlichen Handwerker unvollkommen repräsentiert werden, steht in scharfem Kontrast zu den verschiedenen mechanistischen Weltanschauungen, von denen der Atomismus zumindest im vierten Jahrhundert die bedeutendste war ... Diese Debatte setzte sich in der gesamten Antike fort. Der atomistische Mechanismus erhielt durch Epikur Auftrieb ... während die Stoiker eine göttliche Teleologie annahmen ... Die Wahl scheint einfach: entweder zeigen, wie eine strukturierte, regelmäßige Welt aus ungerichteten Prozessen entstehen kann, oder dem System Intelligenz einhauchen.

- R.J. Hankinson, Ursache und Erklärung im antiken griechischen Denken ⓘ

Der mechanistische Materialismus, der seinen Ursprung in der griechischen Antike hat, wurde von dem französischen Philosophen René Descartes (1596-1650) wiederbelebt und überarbeitet, der die Ansicht vertrat, dass Tiere und Menschen aus Teilen zusammengesetzt sind, die zusammen wie eine Maschine funktionieren. Diese Idee wurde von Julien Offray de La Mettrie (1709-1750) in seinem Buch L'Homme Machine weiterentwickelt. ⓘ

Im 19. Jahrhundert wurde diese Auffassung durch die Fortschritte der Zelltheorie in der Biologie gestützt. Die Evolutionstheorie von Charles Darwin (1859) ist eine mechanistische Erklärung für die Entstehung der Arten durch natürliche Selektion. ⓘ

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts vertrat Stéphane Leduc (1853-1939) die Auffassung, dass biologische Prozesse physikalisch und chemisch verstanden werden können und dass ihr Wachstum dem anorganischer Kristalle ähnelt, die in Natriumsilikatlösungen eingetaucht sind. Seine Ideen, die er in seinem Buch La biologie synthétique darlegte, wurden zu seinen Lebzeiten weitgehend abgelehnt, haben aber durch die Arbeiten von Russell, Barge und Kollegen ein neues Interesse geweckt. ⓘ

Thales postulierte vor 2500 Jahren, dass das Leben aus dem Wasser entstanden und eng mit der Frage nach der Archē („Urgrund“) allen Seins und allen Geschehens verknüpft sei. Das Wasser als wandlungsfähiger und weit verbreiteter Stoff erfülle den Anspruch, allem zugrunde zu liegen und jegliche Gestalt annehmen zu können. ⓘ

Anaximander (um 610–547 v. Chr.) suchte den Ursprung des Lebendigen im Wasser als eine spontane Entstehung aus dem feuchten Milieu. Die ersten Lebewesen seien im Feuchten entstanden. ⓘ

Anaximenes (um 585–528/524 v. Chr.) sah die Luft (ἀήρ aer) als Archē (ἀρχή) und Apeiron (ἄπειρον ‚Unbeschränktes‘) an. Auch das Göttliche komme entweder aus der Luft oder sei die Luft. Das belebende Prinzip liege im Stoff selbst. ⓘ

Für Anaxagoras (499–428 v. Chr.) war der Same (σπέρμα sperma) als unendlich kleiner Bestandteil aller Dinge (z. B. Fleisch, Blumen) von Anfang an vorhanden. ⓘ

Heraklit (um 520–460 v. Chr.) sah im Urfeuer den Beginn auch des Lebens: „Diese Weltordnung, dieselbige für alle Wesen, hat kein Gott und kein Mensch geschaffen, sondern sie war immer da und ist und wird sein ewig lebendiges Feuer, nach Maßen erglimmend und nach Maßen erlöschend.“ Aus allem Feuer soll alles hervorgegangen sein. ⓘ

Hylomorphismus

Die Struktur der Seelen von Pflanzen, Tieren und Menschen, nach Aristoteles ⓘ

Der Hylomorphismus ist eine Theorie, die erstmals von dem griechischen Philosophen Aristoteles (322 v. Chr.) aufgestellt wurde. Die Anwendung des Hylomorphismus auf die Biologie war für Aristoteles wichtig, und die Biologie wird in seinen erhaltenen Schriften ausführlich behandelt. Nach dieser Auffassung hat alles im materiellen Universum sowohl Materie als auch Form, und die Form eines Lebewesens ist seine Seele (griechisch psyche, lateinisch anima). Es gibt drei Arten von Seelen: die vegetative Seele der Pflanzen, die dafür sorgt, dass sie wachsen und vergehen und sich ernähren, aber keine Bewegung und Empfindung hervorruft; die tierische Seele, die dafür sorgt, dass Tiere sich bewegen und fühlen; und die rationale Seele, die die Quelle des Bewusstseins und der Vernunft ist und die es (nach Aristoteles' Ansicht) nur im Menschen gibt. Jede höhere Seele verfügt über alle Eigenschaften der niederen Seelen. Aristoteles glaubte, dass die Materie zwar ohne Form, die Form aber nicht ohne Materie existieren kann, und dass daher die Seele nicht ohne den Körper existieren kann. ⓘ

Diese Auffassung stimmt mit teleologischen Erklärungen des Lebens überein, die Phänomene mit einem Zweck oder einer Zielgerichtetheit erklären. So wird das Weiße des Eisbärenfells durch seinen Zweck der Tarnung erklärt. Die Richtung der Kausalität (von der Zukunft in die Vergangenheit) steht im Widerspruch zu den wissenschaftlichen Beweisen für die natürliche Selektion, die die Folge durch eine vorherige Ursache erklärt. Biologische Merkmale werden nicht durch die Betrachtung zukünftiger optimaler Ergebnisse erklärt, sondern durch die Betrachtung der vergangenen Evolutionsgeschichte einer Art, die zur natürlichen Selektion der fraglichen Merkmale geführt hat. ⓘ

Die griechische Philosophie (z. B. Platon und Aristoteles) unterscheidet begrifflich zwei Aspekte von Leben, die in der mittelalterlichen Philosophie beide unter den Begriff vita gefasst werden: ζωή (zoḗ, siehe Zoe) und βίος (bíos, auch im Sinne der Lebensdauer). Ζωή meint Beseeltheit, die Tieren und Menschen als psycho-physische Natur gemeinsam ist, βίος hingegen die Lebensweise des durch eine Vernunftseele ausgezeichneten Menschen. Für Platon ist die Selbstbewegung ein Kennzeichen des Lebendigen, Aristoteles spricht Leben auch dem ersten unbeweglichen Beweger zu. An diesen Widerspruch knüpfen die späteren Betrachtungen der Neuplatoniker an. Für Plotin entfernt sich die Bewegung vom Einen und geht auf einen Zustand der Vielfalt und Zerstreuung hin. ⓘ

Aristoteles erklärte in De anima das Belebte als das Beseelte. Er unterscheidet grob drei verschiedene Stufen von Leben, die er nach ihren Seelenvermögen hierarchisch anordnet: Auf der untersten Stufe stehe das allein durch Ernährung und Fortpflanzung bestimmte Leben der Pflanzen, darauf folge das zusätzlich durch Sinneswahrnehmung und Fortbewegung bestimmte Leben der Tiere, auf der obersten Stufe das darüber hinaus durch Denken bestimmte Leben der Menschen. ⓘ

Aristoteles vertrat auch die Vorstellung, dass Leben nicht nur aus sexueller und vegetativer Fortpflanzung entstand, sondern sich auch aus Unbelebtem immer wieder neu bilde. Diese Theorie wurde auch in der frühen Neuzeit vertreten und als Spontanzeugung bezeichnet. Sie erfuhr sogar eine scheinbare Bestätigung durch die Erfindung des Mikroskops, durch das Kleinstlebewesen sichtbar wurden, die man für Vorstufen höherer Lebensformen hielt. Erst Louis Pasteur und andere Naturwissenschaftler konnten diese Annahme experimentell endgültig widerlegen. ⓘ

Spontane Entstehung

Spontane Entstehung war die Vorstellung, dass sich lebende Organismen ohne Abstammung von ähnlichen Organismen bilden können. Typischerweise ging man davon aus, dass bestimmte Formen wie Flöhe aus unbelebter Materie wie Staub entstehen können oder dass Mäuse und Insekten saisonal aus Schlamm oder Müll entstehen. ⓘ

Die Theorie der spontanen Entstehung wurde von Aristoteles vorgeschlagen, der die Arbeiten früherer Naturphilosophen und die verschiedenen antiken Erklärungen für das Auftreten von Organismen zusammenstellte und erweiterte; sie galt zwei Jahrtausende lang als die beste Erklärung. Sie wurde durch die Experimente von Louis Pasteur im Jahr 1859, der die Untersuchungen von Vorgängern wie Francesco Redi erweiterte, endgültig widerlegt. Die Widerlegung der traditionellen Vorstellungen von der spontanen Entstehung ist unter Biologen nicht mehr umstritten. ⓘ

Vitalismus

Der Vitalismus ist die Überzeugung, dass das Lebensprinzip nicht materiell ist. Er geht auf Georg Ernst Stahl (17. Jahrhundert) zurück und war bis Mitte des 19. Jahrhunderts populär. Er fand Anklang bei Philosophen wie Henri Bergson, Friedrich Nietzsche und Wilhelm Dilthey, bei Anatomen wie Xavier Bichat und bei Chemikern wie Justus von Liebig. Zum Vitalismus gehörte die Vorstellung, dass es einen grundlegenden Unterschied zwischen organischem und anorganischem Material gibt, und die Überzeugung, dass organisches Material nur aus Lebewesen gewonnen werden kann. Dies wurde 1828 widerlegt, als Friedrich Wöhler Harnstoff aus anorganischen Stoffen herstellte. Diese Wöhler-Synthese gilt als der Ausgangspunkt der modernen organischen Chemie. Sie ist von historischer Bedeutung, da zum ersten Mal eine organische Verbindung durch anorganische Reaktionen hergestellt wurde. ⓘ

In den 1850er Jahren wies Hermann von Helmholtz auf Anregung von Julius Robert von Mayer nach, dass bei der Muskelbewegung keine Energie verloren geht, was darauf hindeutet, dass zur Bewegung eines Muskels keine "Vitalkräfte" erforderlich sind. Diese Ergebnisse führten dazu, dass das wissenschaftliche Interesse an vitalistischen Theorien nachließ, insbesondere nachdem Buchner gezeigt hatte, dass alkoholische Gärung in zellfreien Hefeextrakten stattfinden kann. In pseudowissenschaftlichen Theorien wie der Homöopathie, die Krankheiten als Folge von Störungen einer hypothetischen Vital- oder Lebenskraft interpretiert, ist dieser Glaube jedoch immer noch vorhanden. ⓘ

Ursprung

Das Alter der Erde beträgt etwa 4,54 Milliarden Jahre. Es gibt Hinweise darauf, dass das Leben auf der Erde seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren existiert, wobei die ältesten physischen Spuren von Leben auf 3,7 Milliarden Jahre zurückgehen. Einige Hypothesen, wie z. B. die des späten schweren Bombardements, legen jedoch nahe, dass das Leben auf der Erde sogar noch früher begonnen hat, nämlich vor 4,1 bis 4,4 Milliarden Jahren, und dass die Chemie, die zum Leben geführt hat, kurz nach dem Urknall, vor 13,8 Milliarden Jahren, begonnen hat, während einer Epoche, in der das Universum nur 10-17 Millionen Jahre alt war. ⓘ

Es wird geschätzt, dass mehr als 99 % aller Arten von Lebensformen, d. h. über fünf Milliarden Arten, die jemals auf der Erde gelebt haben, ausgestorben sind. ⓘ

Obwohl die Zahl der katalogisierten Arten von Lebensformen auf der Erde zwischen 1,2 Millionen und 2 Millionen liegt, ist die Gesamtzahl der Arten auf dem Planeten ungewiss. Die Schätzungen reichen von 8 Millionen bis 100 Millionen, mit einer engeren Spanne zwischen 10 und 14 Millionen, aber sie könnte bis zu 1 Billion betragen (wobei nur ein Tausendstel eines Prozents der Arten beschrieben ist), wie eine Studie vom Mai 2016 ergab. Die Gesamtzahl der verwandten DNA-Basenpaare auf der Erde wird auf 5,0 x 10³⁷ geschätzt und wiegt 50 Milliarden Tonnen. Im Vergleich dazu wird die Gesamtmasse der Biosphäre auf bis zu 4 TtC (Billionen Tonnen Kohlenstoff) geschätzt. Im Juli 2016 berichteten Wissenschaftler über die Identifizierung von 355 Genen aus dem letzten gemeinsamen Vorfahren (LUCA) aller auf der Erde lebenden Organismen. ⓘ

Alle bekannten Lebensformen teilen grundlegende molekulare Mechanismen, die ihre gemeinsame Abstammung widerspiegeln. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen versuchen Hypothesen über den Ursprung des Lebens, einen Mechanismus zu finden, der die Entstehung eines universellen gemeinsamen Vorfahren erklärt, von einfachen organischen Molekülen über präzelluläres Leben bis hin zu Protozellen und Stoffwechsel. Die Modelle wurden in die Kategorien "Gene zuerst" und "Stoffwechsel zuerst" eingeteilt, aber ein neuerer Trend ist das Aufkommen von Hybridmodellen, die beide Kategorien kombinieren. ⓘ

Derzeit gibt es keinen wissenschaftlichen Konsens darüber, wie das Leben entstanden ist. Die meisten anerkannten wissenschaftlichen Modelle stützen sich jedoch auf das Miller-Urey-Experiment und die Arbeiten von Sidney Fox, die zeigen, dass die Bedingungen auf der Urerde chemische Reaktionen begünstigten, durch die Aminosäuren und andere organische Verbindungen aus anorganischen Vorläufern synthetisiert werden, und dass Phospholipide spontan Lipiddoppelschichten bilden, die Grundstruktur einer Zellmembran. ⓘ

Lebende Organismen synthetisieren Proteine, d. h. Polymere aus Aminosäuren, anhand von Anweisungen, die von der Desoxyribonukleinsäure (DNA) kodiert werden. Bei der Proteinsynthese werden Ribonukleinsäure (RNA)-Polymere zwischengeschaltet. Eine Möglichkeit für die Entstehung des Lebens ist, dass zuerst die Gene und dann die Proteine entstanden sind; die andere Möglichkeit ist, dass zuerst die Proteine und dann die Gene entstanden sind. ⓘ

Da jedoch sowohl Gene als auch Proteine erforderlich sind, um das jeweils andere zu produzieren, ist die Frage, was zuerst da war, wie die Frage nach dem Huhn oder dem Ei. Die meisten Wissenschaftler haben die Hypothese aufgestellt, dass es daher unwahrscheinlich ist, dass Gene und Proteine unabhängig voneinander entstanden sind. ⓘ

Eine Möglichkeit, die zuerst von Francis Crick vorgeschlagen wurde, ist daher, dass das erste Leben auf RNA basierte, die die DNA-ähnlichen Eigenschaften der Informationsspeicherung und die katalytischen Eigenschaften einiger Proteine besitzt. Diese Hypothese wird als RNA-Welt-Hypothese bezeichnet und wird durch die Beobachtung gestützt, dass viele der kritischsten Komponenten von Zellen (die sich am langsamsten entwickeln) größtenteils oder vollständig aus RNA bestehen. Auch viele wichtige Kofaktoren (ATP, Acetyl-CoA, NADH usw.) sind entweder Nukleotide oder eindeutig mit ihnen verwandte Substanzen. Die katalytischen Eigenschaften der RNA waren zum Zeitpunkt der Aufstellung der Hypothese noch nicht nachgewiesen, wurden aber 1986 von Thomas Cech bestätigt. ⓘ

Ein Problem der RNA-Welt-Hypothese ist, dass die Synthese von RNA aus einfachen anorganischen Vorläufern schwieriger ist als bei anderen organischen Molekülen. Ein Grund dafür ist, dass die RNA-Vorstufen sehr stabil sind und unter Umgebungsbedingungen nur sehr langsam miteinander reagieren, und es wurde auch vorgeschlagen, dass lebende Organismen vor der RNA aus anderen Molekülen bestanden. Die erfolgreiche Synthese bestimmter RNA-Moleküle unter den Bedingungen, die vor dem Leben auf der Erde herrschten, wurde jedoch durch die Zugabe alternativer Vorstufen in einer bestimmten Reihenfolge erreicht, wobei die Vorstufe Phosphat während der gesamten Reaktion vorhanden war. Diese Studie macht die RNA-Welt-Hypothese plausibler. ⓘ

Geologische Funde aus dem Jahr 2013 zeigten, dass reaktive Phosphorspezies (wie Phosphit) im Ozean vor 3,5 Ga reichlich vorhanden waren und dass Schreibersit leicht mit wässrigem Glycerin reagiert, um Phosphit und Glycerin-3-Phosphat zu erzeugen. Es wird vermutet, dass Schreibersit-haltige Meteoriten aus dem späten schweren Bombardement frühen reduzierten Phosphor geliefert haben könnten, der mit präbiotischen organischen Molekülen reagieren konnte, um phosphorylierte Biomoleküle wie RNA zu bilden. ⓘ

Im Jahr 2009 wurde in Experimenten die darwinistische Evolution eines Zweikomponentensystems von RNA-Enzymen (Ribozyme) in vitro nachgewiesen. Die Arbeit wurde im Labor von Gerald Joyce durchgeführt, der erklärte: "Dies ist das erste Beispiel außerhalb der Biologie für eine evolutionäre Anpassung in einem molekulargenetischen System." ⓘ

Präbiotische Verbindungen könnten außerirdischen Ursprungs sein. NASA-Ergebnisse aus dem Jahr 2011, die auf Studien mit auf der Erde gefundenen Meteoriten beruhen, legen nahe, dass DNA- und RNA-Bestandteile (Adenin, Guanin und verwandte organische Moleküle) im Weltraum entstanden sein könnten. ⓘ

Im März 2015 berichteten NASA-Wissenschaftler, dass zum ersten Mal komplexe organische DNA- und RNA-Verbindungen des Lebens, einschließlich Uracil, Cytosin und Thymin, im Labor unter Weltraumbedingungen gebildet wurden, wobei Ausgangschemikalien wie Pyrimidin, die in Meteoriten gefunden wurden, verwendet wurden. Pyrimidin, wie auch die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK), die kohlenstoffreichste Chemikalie im Universum, könnten in Roten Riesen oder in interstellaren Staub- und Gaswolken entstanden sein, so die Wissenschaftler. ⓘ

Die Panspermie-Hypothese besagt, dass mikroskopisch kleines Leben - verteilt durch Meteoroiden, Asteroiden und andere kleine Körper des Sonnensystems - überall im Universum existieren könnte. ⓘ

Umweltbedingungen

Die Cyanobakterien haben die Zusammensetzung der Lebensformen auf der Erde dramatisch verändert, indem sie zum Beinahe-Aussterben der sauerstoffintoleranten Organismen führten. ⓘ

Die Vielfalt des Lebens auf der Erde ist das Ergebnis des dynamischen Zusammenspiels von genetischen Möglichkeiten, Stoffwechselkapazitäten, Umweltbedingungen und Symbiosen. Die meiste Zeit ihres Bestehens wurde die bewohnbare Umwelt der Erde von Mikroorganismen beherrscht und war deren Stoffwechsel und Evolution unterworfen. Als Folge dieser mikrobiellen Aktivitäten hat sich die physikalisch-chemische Umwelt auf der Erde in geologischen Zeiträumen verändert und damit den Evolutionspfad des späteren Lebens beeinflusst. So führte beispielsweise die Freisetzung von molekularem Sauerstoff durch Cyanobakterien als Nebenprodukt der Photosynthese zu globalen Veränderungen in der Umwelt der Erde. Da Sauerstoff damals für die meisten Lebewesen auf der Erde giftig war, stellte dies eine neue Herausforderung für die Evolution dar und führte schließlich zur Entstehung der wichtigsten Tier- und Pflanzenarten der Erde. Diese Wechselwirkung zwischen Organismen und ihrer Umwelt ist ein inhärentes Merkmal lebender Systeme. ⓘ

Biosphäre

Die Biosphäre ist die globale Gesamtheit aller Ökosysteme. Sie kann auch als die Zone des Lebens auf der Erde bezeichnet werden, ein geschlossenes System (abgesehen von solarer und kosmischer Strahlung und Wärme aus dem Erdinneren), das sich weitgehend selbst reguliert. Nach der allgemeinsten biophysiologischen Definition ist die Biosphäre das globale ökologische System, das alle Lebewesen und ihre Beziehungen, einschließlich ihrer Interaktion mit den Elementen der Lithosphäre, Geosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre, umfasst. ⓘ

Lebensformen leben in jedem Teil der Biosphäre der Erde, einschließlich des Bodens, heißer Quellen, in Felsen in mindestens 19 km Tiefe unter der Erde, in den tiefsten Teilen der Ozeane und in mindestens 64 km Höhe in der Atmosphäre. Unter bestimmten Testbedingungen wurden Lebensformen beobachtet, die in der Beinahe-Schwerelosigkeit des Weltraums gedeihen und im Vakuum des Weltraums überleben können. Im Marianengraben, dem tiefsten Punkt der Weltmeere, scheinen Lebensformen zu gedeihen. Andere Forscher berichteten von ähnlichen Studien, wonach Lebensformen in Gesteinen bis zu 580 m unter dem Meeresboden in einer Tiefe von 2.590 m vor der Küste der nordwestlichen Vereinigten Staaten sowie in 2.400 m unter dem Meeresboden vor Japan gedeihen. Im August 2014 bestätigten Wissenschaftler die Existenz von Lebensformen, die 800 m unter dem Eis der Antarktis leben. Einem Forscher zufolge "findet man Mikroben überall - sie sind extrem anpassungsfähig und überleben, wo immer sie sind". ⓘ

Es wird angenommen, dass sich die Biosphäre vor mindestens 3,5 Milliarden Jahren in einem Prozess der Biopoesie (Leben, das auf natürliche Weise aus unbelebter Materie, wie z. B. einfachen organischen Verbindungen, entstanden ist) oder Biogenese (Leben, das aus lebender Materie entstanden ist) entwickelt hat. Zu den frühesten Belegen für Leben auf der Erde gehören biogener Graphit, der in 3,7 Milliarden Jahre altem Metasedimentgestein aus Westgrönland gefunden wurde, und mikrobielle Mattenfossilien, die in 3,48 Milliarden Jahre altem Sandstein aus Westaustralien gefunden wurden. Erst kürzlich, im Jahr 2015, wurden in 4,1 Milliarden Jahre alten Gesteinen in Westaustralien "Überreste biotischen Lebens" gefunden. 2017 wurde bekannt gegeben, dass in hydrothermalen Schlotausfällungen im Nuvvuagittuq-Gürtel in Quebec, Kanada, mutmaßlich versteinerte Mikroorganismen (oder Mikrofossilien) entdeckt wurden, die 4,28 Milliarden Jahre alt sind, die älteste Aufzeichnung von Leben auf der Erde, was auf eine "fast sofortige Entstehung von Leben" nach der Ozeanbildung vor 4,4 Milliarden Jahren und nicht lange nach der Entstehung der Erde vor 4,54 Milliarden Jahren hindeutet. Der Biologe Stephen Blair Hedges meint dazu: "Wenn das Leben relativ schnell auf der Erde entstanden ist, dann könnte es im ganzen Universum verbreitet sein." ⓘ

Im allgemeinen Sinne sind Biosphären alle geschlossenen, sich selbst regulierenden Systeme, die Ökosysteme enthalten. Dazu gehören künstliche Biosphären wie Biosphere 2 und BIOS-3 und möglicherweise auch solche auf anderen Planeten oder Monden. ⓘ

Bereich der Toleranz

Deinococcus radiodurans ist ein Extremophiler, der extremer Kälte, Austrocknung, Vakuum, Säure und Strahlung widerstehen kann. ⓘ

Die trägen Komponenten eines Ökosystems sind die für das Leben notwendigen physikalischen und chemischen Faktoren: Energie (Sonnenlicht oder chemische Energie), Wasser, Wärme, Atmosphäre, Schwerkraft, Nährstoffe und Schutz vor ultravioletter Sonnenstrahlung. In den meisten Ökosystemen variieren die Bedingungen im Laufe des Tages und von einer Jahreszeit zur nächsten. Um in den meisten Ökosystemen leben zu können, müssen die Organismen also in der Lage sein, eine Reihe von Bedingungen zu überleben, die als "Toleranzbereich" bezeichnet werden. Außerhalb dieses Bereichs liegen die "Zonen physiologischen Stresses", in denen das Überleben und die Fortpflanzung möglich, aber nicht optimal sind. Jenseits dieser Zonen liegen die "Zonen der Intoleranz", in denen das Überleben und die Fortpflanzung des Organismus unwahrscheinlich oder unmöglich sind. Organismen mit einer breiten Toleranzspanne sind weiter verbreitet als Organismen mit einer engen Toleranzspanne. ⓘ

Extremophile

Um zu überleben, können ausgewählte Mikroorganismen Formen annehmen, die sie in die Lage versetzen, Gefrieren, vollständigem Austrocknen, Verhungern, hoher Strahlenbelastung und anderen physikalischen oder chemischen Herausforderungen zu widerstehen. Diese Mikroorganismen können unter solchen Bedingungen Wochen, Monate, Jahre oder sogar Jahrhunderte überleben. Extremophile sind mikrobielle Lebensformen, die außerhalb der Bereiche gedeihen, in denen üblicherweise Leben zu finden ist. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich ungewöhnliche Energiequellen zunutze machen. Obwohl alle Organismen aus nahezu identischen Molekülen bestehen, hat die Evolution diese Mikroben in die Lage versetzt, mit dieser großen Bandbreite an physikalischen und chemischen Bedingungen zurechtzukommen. Die Charakterisierung der Struktur und der Stoffwechselvielfalt mikrobieller Gemeinschaften in solch extremen Umgebungen ist noch nicht abgeschlossen. ⓘ

Mikrobielle Lebensformen gedeihen sogar im Marianengraben, dem tiefsten Punkt der Ozeane der Erde. Mikroben gedeihen auch in Felsen, die bis zu 580 m (1.900 Fuß) unter dem Meeresboden in 2.600 m (8.500 Fuß) Tiefe liegen. Expeditionen des International Ocean Discovery Program fanden einzelliges Leben in 120 °C heißem Sediment, das sich 1,2 km unter dem Meeresboden in der Subduktionszone des Nankai-Trogs befindet. ⓘ

Die Erforschung der Zähigkeit und Vielseitigkeit des Lebens auf der Erde sowie das Verständnis der molekularen Systeme, die einige Organismen nutzen, um solche Extreme zu überleben, ist wichtig für die Suche nach Leben außerhalb der Erde. Flechten könnten zum Beispiel einen Monat lang in einer simulierten Marsumgebung überleben. ⓘ

Chemische Elemente

Alle Lebensformen benötigen bestimmte chemische Kernelemente, die für das biochemische Funktionieren notwendig sind. Dazu gehören Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel - die elementaren Makronährstoffe für alle Organismen -, die häufig mit dem Akronym CHNOPS bezeichnet werden. Zusammen bilden sie die Nukleinsäuren, Proteine und Lipide, den Hauptbestandteil der lebenden Materie. Fünf dieser sechs Elemente bilden die chemischen Bestandteile der DNA, die Ausnahme ist Schwefel. Letzterer ist ein Bestandteil der Aminosäuren Cystein und Methionin. Das biologisch am häufigsten vorkommende dieser Elemente ist Kohlenstoff, der die wünschenswerte Eigenschaft hat, mehrere stabile kovalente Bindungen zu bilden. Dadurch können (organische) Moleküle auf Kohlenstoffbasis eine immense Vielfalt an chemischen Anordnungen bilden. Es wurden alternative hypothetische Arten der Biochemie vorgeschlagen, bei denen eines oder mehrere dieser Elemente wegfallen, ein Element durch ein anderes ersetzt wird, das nicht auf der Liste steht, oder bei denen die erforderlichen Chiralitäten oder andere chemische Eigenschaften verändert werden. ⓘ

DNA

Die Desoxyribonukleinsäure ist ein Molekül, das die meisten genetischen Anweisungen für das Wachstum, die Entwicklung, das Funktionieren und die Fortpflanzung aller bekannten lebenden Organismen und vieler Viren enthält. DNA und RNA sind Nukleinsäuren; neben Proteinen und komplexen Kohlenhydraten gehören sie zu den drei wichtigsten Arten von Makromolekülen, die für alle bekannten Lebensformen unerlässlich sind. Die meisten DNA-Moleküle bestehen aus zwei Biopolymersträngen, die sich zu einer Doppelhelix umeinander winden. Die beiden DNA-Stränge werden als Polynukleotide bezeichnet, da sie aus einfacheren Einheiten, den Nukleotiden, zusammengesetzt sind. Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Nukleobase - entweder Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) oder Thymin (T) - sowie aus einem Zucker namens Desoxyribose und einer Phosphatgruppe. Die Nukleotide sind durch kovalente Bindungen zwischen dem Zucker eines Nukleotids und dem Phosphat des nächsten Nukleotids zu einer Kette verbunden, so dass ein abwechselndes Zucker-Phosphat-Grundgerüst entsteht. Nach den Regeln der Basenpaarung (A mit T und C mit G) verbinden Wasserstoffbrücken die stickstoffhaltigen Basen der beiden getrennten Polynukleotidstränge zu einer doppelsträngigen DNA. Die Gesamtmenge der verbundenen DNA-Basenpaare auf der Erde wird auf 5,0 x 10³⁷ geschätzt und wiegt 50 Milliarden Tonnen. Im Vergleich dazu wird die Gesamtmasse der Biosphäre auf bis zu 4 TtC (Billionen Tonnen Kohlenstoff) geschätzt. ⓘ

Die DNA speichert biologische Informationen. Das DNA-Rückgrat ist widerstandsfähig gegen Spaltung, und beide Stränge der doppelsträngigen Struktur speichern dieselbe biologische Information. Die biologische Information wird repliziert, wenn die beiden Stränge getrennt werden. Ein erheblicher Teil der DNA (beim Menschen mehr als 98 %) ist nicht kodierend, was bedeutet, dass diese Abschnitte nicht als Muster für Proteinsequenzen dienen. ⓘ

Die beiden DNA-Stränge verlaufen in entgegengesetzter Richtung zueinander und sind daher antiparallel. An jeden Zucker ist eine von vier Arten von Nukleobasen (informell: Basen) gebunden. Die Abfolge dieser vier Nukleobasen entlang des Rückgrats kodiert die biologische Information. Im Rahmen des genetischen Codes werden RNA-Stränge übersetzt, um die Abfolge der Aminosäuren in den Proteinen festzulegen. Diese RNA-Stränge werden zunächst unter Verwendung von DNA-Strängen als Vorlage in einem Prozess namens Transkription erstellt. ⓘ

In den Zellen ist die DNA in langen Strukturen, den Chromosomen, angeordnet. Bei der Zellteilung werden diese Chromosomen im Prozess der DNA-Replikation verdoppelt, wodurch jede Zelle ihren eigenen vollständigen Chromosomensatz erhält. Eukaryotische Organismen (Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten) speichern den größten Teil ihrer DNA im Zellkern und einen Teil ihrer DNA in Organellen, wie Mitochondrien oder Chloroplasten. Im Gegensatz dazu speichern Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) ihre DNA nur im Zytoplasma. Innerhalb der Chromosomen verdichten und organisieren Chromatinproteine wie Histone die DNA. Diese kompakten Strukturen lenken die Wechselwirkungen zwischen der DNA und anderen Proteinen und tragen dazu bei, zu steuern, welche Teile der DNA transkribiert werden. ⓘ

Die DNA wurde erstmals von Friedrich Miescher im Jahr 1869 isoliert. Ihre molekulare Struktur wurde 1953 von James Watson und Francis Crick identifiziert, die sich bei ihrer Modellbildung auf die von Rosalind Franklin gewonnenen Röntgenbeugungsdaten stützten. ⓘ

Klassifizierung

Antike

Der erste bekannte Versuch, Organismen zu klassifizieren, wurde von dem griechischen Philosophen Aristoteles (384-322 v. Chr.) unternommen, der alle damals bekannten lebenden Organismen entweder als Pflanze oder als Tier klassifizierte, und zwar hauptsächlich aufgrund ihrer Fähigkeit, sich zu bewegen. Er unterschied auch zwischen Tieren mit Blut und Tieren ohne Blut (oder zumindest ohne rotes Blut), was mit den Begriffen Wirbeltiere bzw. Wirbellose verglichen werden kann, und teilte die bluttragenden Tiere in fünf Gruppen ein: lebendgebärende Vierbeiner (Säugetiere), eierlegende Vierbeiner (Reptilien und Amphibien), Vögel, Fische und Wale. Die blutlosen Tiere wurden ebenfalls in fünf Gruppen eingeteilt: Kopffüßer, Krebstiere, Insekten (zu denen neben den heutigen Insekten auch Spinnen, Skorpione und Tausendfüßler gehören), Tiere mit Schalen (wie die meisten Weichtiere und Stachelhäuter) und "Zoophyten" (Tiere, die Pflanzen ähneln). Obwohl Aristoteles' zoologisches Werk nicht fehlerfrei war, stellte es die großartigste biologische Synthese seiner Zeit dar und blieb auch noch viele Jahrhunderte nach seinem Tod die höchste Autorität. ⓘ

Linnaean

Die Erkundung Amerikas brachte eine große Anzahl neuer Pflanzen und Tiere hervor, die beschrieben und klassifiziert werden mussten. In der zweiten Hälfte des 16. und zu Beginn des 17. Jahrhunderts wurde das sorgfältige Studium der Tiere aufgenommen und allmählich ausgeweitet, bis ein ausreichender Wissensstand erreicht war, der als anatomische Grundlage für die Klassifizierung dienen konnte. ⓘ

In den späten 1740er Jahren führte Carl Linné sein System der binomischen Nomenklatur zur Klassifizierung der Arten ein. Linnaeus versuchte, die Zusammensetzung zu verbessern und die Länge der bis dahin verwendeten wortreichen Namen zu verringern, indem er unnötige rhetorische Ausdrücke abschaffte, neue beschreibende Begriffe einführte und deren Bedeutung genau definierte. Die Klassifizierung nach Linnaeus umfasst acht Stufen: Domänen, Königreiche, Phyla, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art. ⓘ

Die Pilze wurden ursprünglich wie Pflanzen behandelt. Für kurze Zeit hatte Linnaeus sie in das Taxon Vermes in Animalia eingeordnet, später aber wieder in Plantae. Copeland ordnete die Pilze in seine Protoctista ein, womit er das Problem teilweise umging, aber ihren besonderen Status anerkannte. Das Problem wurde schließlich von Whittaker gelöst, als er ihnen in seinem Fünf-Königreiche-System ein eigenes Reich zuwies. Die Evolutionsgeschichte zeigt, dass die Pilze enger mit den Tieren als mit den Pflanzen verwandt sind. ⓘ

Mit den neuen Entdeckungen, die ein detailliertes Studium von Zellen und Mikroorganismen ermöglichten, wurden neue Gruppen von Lebewesen entdeckt, und es entstanden die Bereiche Zellbiologie und Mikrobiologie. Diese neuen Organismen wurden ursprünglich getrennt als Protozoen (Tiere) und Protophyta/Thallophyta (Pflanzen) beschrieben, aber von Haeckel im Reich der Protista zusammengefasst; später wurden die Prokaryonten in das Reich der Monera abgespalten, das schließlich in zwei separate Gruppen, die Bakterien und die Archaea, aufgeteilt wurde. Dies führte zum Sechs-Königreich-System und schließlich zum heutigen Drei-Königreich-System, das auf evolutionären Beziehungen beruht. Die Klassifizierung der Eukaryoten, insbesondere der Protisten, ist jedoch nach wie vor umstritten. ⓘ

Mit der Entwicklung der Mikrobiologie, der Molekularbiologie und der Virologie wurden nichtzelluläre Fortpflanzungsorganismen entdeckt, wie z. B. Viren und Viroide. Es ist umstritten, ob diese als lebendig angesehen werden können; Viren fehlen Merkmale des Lebens wie Zellmembranen, Stoffwechsel und die Fähigkeit zu wachsen oder auf ihre Umgebung zu reagieren. Viren können aufgrund ihrer Biologie und Genetik immer noch in "Arten" eingeteilt werden, aber viele Aspekte einer solchen Klassifizierung bleiben umstritten. ⓘ

Im Mai 2016 berichteten Wissenschaftler, dass es derzeit schätzungsweise 1 Billion Arten auf der Erde gibt, von denen nur ein Tausendstel eines Prozents beschrieben ist. ⓘ

Das ursprüngliche Linnaeus-System wurde im Laufe der Zeit wie folgt modifiziert:

Linnaeus 1735	Haeckel 1866	Chatton 1925	Copeland 1938	Whittaker 1969	Woese et al. 1990	Cavalier-Smith 1998	Cavalier-Smith 2015 ⓘ
2 Königreiche	3 Reiche	2 Reiche	4 Reiche	5 Königreiche	3 Domänen	2 Reiche, 6 Königreiche	2 Reiche, 7 Königreiche
(nicht behandelt)	Protista	Prokaryota	Monera	Monera	Bakterien	Bakterien	Bakterien
					Archaeen		Archaeen
		Eukaryota	Protoctista	Protista	Eukaryonten	Protozoen	Protozoen
						Chromista	Chromista
Vegetabilia	Pflanzen (Plantae)		Pflanzen (Plantae)	Pflanzen (Plantae)		Pflanzen (Plantae)	Pflanzen (Plantae)
				Pilze		Pilze	Pilze
Tierwelt	Tierwelt		Tierwelt	Tierwelt		Tierwelt	Tierwelt

Kladistik

In den 1960er Jahren entstand die Kladistik: ein System, das Taxa auf der Grundlage von Kladen in einem evolutionären oder phylogenetischen Baum anordnet. ⓘ

Zellen

Zellen sind die grundlegende Struktureinheit eines jeden Lebewesens, und alle Zellen entstehen durch Teilung aus bereits vorhandenen Zellen. Die Zelltheorie wurde von Henri Dutrochet, Theodor Schwann, Rudolf Virchow und anderen zu Beginn des 19. Jahrhunderts formuliert und hat sich in der Folgezeit weitgehend durchgesetzt. Die Aktivität eines Organismus hängt von der Gesamtaktivität seiner Zellen ab, wobei der Energiefluss in und zwischen den Zellen stattfindet. Die Zellen enthalten Erbinformationen, die bei der Zellteilung in Form eines genetischen Codes weitergegeben werden. ⓘ

Es gibt zwei Haupttypen von Zellen. Prokaryoten haben keinen Zellkern und keine anderen membrangebundenen Organellen, besitzen aber eine zirkuläre DNA und Ribosomen. Bakterien und Archaeen sind zwei Bereiche der Prokaryonten. Der andere primäre Zelltyp sind die Eukaryonten, die einen ausgeprägten, durch eine Kernmembran gebundenen Zellkern und membrangebundene Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, Lysosomen, raues und glattes endoplasmatisches Retikulum und Vakuolen besitzen. Darüber hinaus besitzen sie organisierte Chromosomen, die das genetische Material speichern. Alle Arten großer komplexer Organismen sind Eukaryonten, einschließlich Tiere, Pflanzen und Pilze, obwohl die meisten Eukaryontenarten protistische Mikroorganismen sind. Das herkömmliche Modell besagt, dass sich Eukaryoten aus Prokaryoten entwickelt haben, wobei die Hauptorganellen der Eukaryoten durch Endosymbiose zwischen Bakterien und der eukaryotischen Vorläuferzelle entstanden sind. ⓘ

Die molekularen Mechanismen der Zellbiologie beruhen auf Proteinen. Die meisten von ihnen werden von den Ribosomen durch einen enzymkatalysierten Prozess synthetisiert, der als Proteinbiosynthese bezeichnet wird. Auf der Grundlage der Genexpression der Zellnukleinsäure wird eine Sequenz von Aminosäuren zusammengesetzt und miteinander verbunden. In eukaryotischen Zellen können diese Proteine dann durch den Golgi-Apparat transportiert und verarbeitet werden, um sie an ihren Bestimmungsort zu transportieren. ⓘ

Zellen vermehren sich durch einen Prozess der Zellteilung, bei dem sich die Mutterzelle in zwei oder mehr Tochterzellen teilt. Bei Prokaryonten erfolgt die Zellteilung durch einen Prozess der Spaltung, bei dem die DNA repliziert wird und die beiden Kopien dann an Teile der Zellmembran angeheftet werden. Bei Eukaryonten wird ein komplexerer Prozess, die Mitose, durchgeführt. Das Endergebnis ist jedoch dasselbe: Die entstehenden Zellkopien sind untereinander und mit der ursprünglichen Zelle identisch (abgesehen von Mutationen), und beide sind nach einer Interphase zu einer weiteren Teilung fähig. ⓘ

Mehrzellige Organismen haben sich möglicherweise zunächst durch die Bildung von Kolonien identischer Zellen entwickelt. Diese Zellen können durch Zelladhäsion Gruppenorganismen bilden. Die einzelnen Mitglieder einer Kolonie sind in der Lage, allein zu überleben, während die Mitglieder eines echten mehrzelligen Organismus Spezialisierungen entwickelt haben, die sie für ihr Überleben vom Rest des Organismus abhängig machen. Solche Organismen bilden sich klonal oder aus einer einzigen Keimzelle, die in der Lage ist, die verschiedenen spezialisierten Zellen zu bilden, aus denen sich der erwachsene Organismus zusammensetzt. Dank dieser Spezialisierung können vielzellige Organismen Ressourcen effizienter nutzen als Einzelzellen. Im Januar 2016 berichteten Wissenschaftler, dass vor etwa 800 Millionen Jahren eine geringfügige genetische Veränderung in einem einzigen Molekül, genannt GK-PID, es den Organismen ermöglicht haben könnte, sich von einem einzelligen Organismus zu einem vielzelligen zu entwickeln. ⓘ

Die Zellen haben Methoden entwickelt, um ihre Mikroumgebung wahrzunehmen und darauf zu reagieren, was ihre Anpassungsfähigkeit erhöht. Die zelluläre Signalübertragung koordiniert die zellulären Aktivitäten und steuert somit die grundlegenden Funktionen von mehrzelligen Organismen. Die Signalübertragung zwischen Zellen kann durch direkten Zellkontakt mittels juxtakriner Signalübertragung oder indirekt durch den Austausch von Wirkstoffen wie im endokrinen System erfolgen. In komplexeren Organismen kann die Koordination der Aktivitäten durch ein spezielles Nervensystem erfolgen. ⓘ

Extraterrestrisch

Obwohl Leben nur auf der Erde bestätigt ist, halten viele außerirdisches Leben nicht nur für plausibel, sondern für wahrscheinlich oder unvermeidlich. Andere Planeten und Monde im Sonnensystem und in anderen Planetensystemen werden auf Anzeichen dafür untersucht, dass sie einst einfaches Leben beherbergt haben, und Projekte wie SETI versuchen, Funksprüche möglicher außerirdischer Zivilisationen zu entdecken. Andere Orte im Sonnensystem, die mikrobielles Leben beherbergen könnten, sind der Untergrund des Mars, die obere Atmosphäre der Venus und die unterirdischen Ozeane auf einigen Monden der Riesenplaneten. Außerhalb des Sonnensystems ist die Region um einen anderen Hauptreihenstern, die erdähnliches Leben auf einem erdähnlichen Planeten beherbergen könnte, als bewohnbare Zone bekannt. Die inneren und äußeren Radien dieser Zone variieren mit der Leuchtkraft des Sterns, ebenso wie das Zeitintervall, in dem die Zone überlebt. Sterne, die massereicher sind als die Sonne, haben eine größere bewohnbare Zone, verbleiben aber für einen kürzeren Zeitraum auf der sonnenähnlichen "Hauptreihe" der Sternentwicklung. Kleine Rote Zwerge haben das gegenteilige Problem: Sie haben eine kleinere bewohnbare Zone, die einer stärkeren magnetischen Aktivität und den Auswirkungen der Gezeitenverriegelung durch enge Umlaufbahnen ausgesetzt ist. Daher haben Sterne im mittleren Massenbereich wie die Sonne eine größere Wahrscheinlichkeit, dass sich erdähnliches Leben entwickelt. Auch die Lage des Sterns innerhalb einer Galaxie kann die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Leben beeinflussen. Sterne in Regionen mit einem größeren Reichtum an schwereren Elementen, aus denen sich Planeten bilden können, in Kombination mit einer niedrigen Rate an potenziell lebensraumzerstörenden Supernova-Ereignissen, haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, Planeten mit komplexem Leben zu beherbergen. Die Variablen der Drake-Gleichung werden verwendet, um die Bedingungen in Planetensystemen zu erörtern, auf denen am ehesten eine Zivilisation existieren kann. Die Verwendung der Gleichung zur Vorhersage der Anzahl außerirdischen Lebens ist jedoch schwierig; da viele der Variablen unbekannt sind, fungiert die Gleichung eher als Spiegel dessen, was der Benutzer bereits denkt. Infolgedessen kann die Anzahl der Zivilisationen in der Galaxie auf 9,1 x 10-13 geschätzt werden, was auf einen Mindestwert von 1 schließen lässt, oder auf 15,6 Millionen (0,156 x 10⁹); zu den Berechnungen siehe Drake-Gleichung. ⓘ

Es wurde eine "Confidence of Life Detection"-Skala (CoLD) für die Meldung von Beweisen für Leben außerhalb der Erde vorgeschlagen. ⓘ

In einem Meteoriten vom Planeten Mars wurden Spuren gefunden, die man zunächst als versteinerte Bakterien deutete. Ein definitiver Beweis für außerirdisches Leben ließ sich trotz intensiver Forschung bisher nicht erbringen (siehe auch Leben auf dem Mars, Astrobiologie, chemische Evolution und Kosmochemie). ⓘ

Im April 2007 wurde der zwanzig Lichtjahre von der Erde entfernte Gliese 581 c als erster Planet mit erdähnlichen Bedingungen entdeckt. Er wurde als „zweite Erde“ bezeichnet und gab Anlass zu vagen Spekulationen über dort vorkommendes Leben. ⓘ

Wissenschaftler fanden mit Hilfe der Sonde Cassini-Huygens Hinweise, dass auf dem Saturnmond Titan eine primitive Lebensform existieren könnte. Messungen ergaben, dass weniger Wasserstoff und Ethin auf Titan vorhanden war, als die Modelle vorausgesagt hatten. Dies wäre mit einer Lebensform auf Methanbasis erklärbar. (→ Leben auf Titan) ⓘ

Der theoretische Physiker Gerald Feinberg und der Chemiker Robert Shapiro begründeten in ihrem bereits 1980 erschienenen Buch Life Beyond Earth die folgende alle Lebensformen im Kosmos erfassende Definition: Leben entsteht durch Wechselwirkungen zwischen freier Energie und Materie, die imstande ist, auf diese Weise eine größere Ordnung innerhalb des gemeinsamen Systems zu erreichen. Demnach wäre Leben in eisigen Ammoniakseen ebenso denkbar wie in Ölmeeren, es könnte auf der Basis elektromagnetischer oder Gravitationsfelder existieren. Es gibt vielleicht Siliziumwesen in geschmolzenem Gestein, Plasmaleben im Inneren von Sternen oder Strahlungsorganismen in interstellaren Staubwolken. Mögliche Lebewesen mit wissenschaftlich-technischer Organisation im Sinne außerirdischer Zivilisationen auf extrasolaren Planeten sind Gegenstand von Spekulationen und Hochrechnungen innerhalb der Astrobiologie und der Exosoziologie. Über die Wahrscheinlichkeit der Existenz und möglichen Häufigkeit solcher Zivilisationen wird vor allem mit Hilfe der Drake-Gleichung diskutiert, die auch als Green-Bank-Formel bekannt ist. ⓘ

Künstliches Leben

Unter künstlichem Leben werden die Herstellung eines bekannten Lebewesens im Labor sowie die Herstellung neuer, auch nicht organischer Lebensformen aus nicht-lebenden Ausgangselementen verstanden. Die züchterische oder gentechnische Veränderung von Lebewesen stellt also keine Herstellung von künstlichem Leben dar. ⓘ

Idee und Herstellungsanweisungen für künstliches Leben sind Jahrtausende alt. Sie beruhen auf tradierten religionsübergreifenden Überzeugungen, dass zumindest einfache Lebensformen spontan entstehen können. Ethisch-religiöse Einwände gab es nicht. Das 20. Jahrhundert war durch eine Vielzahl von Ankündigungen geprägt, künstliches Leben sei im Labor geschaffen worden oder man stünde kurz davor. 2010 gaben Forscher um Craig Venter die Herstellung des künstlichen Bakteriums Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 bekannt. Zuvor hatten sie erfolgreich das 1,08 Millionen Basenpaare umfassende Erbgut eines Laborstammes von Mycoplasma mycoides aus chemischem Rohmaterial synthetisiert und in ein zuvor von der DNA befreites Bakterium von Mycoplasma capricolum übertragen. Damit haben sie aber nicht Leben künstlich erschaffen, sondern ein natürlich entstandenes Lebewesen darin verändert, dass seine genetische Information zu einem großen Teil künstlich ist. ⓘ

Fiktionale, d. h. belletristische und filmische Darstellungen künstlicher Lebewesen mit einer künstlichen Intelligenz findet man unter anderem in Werken wie Ich, der Robot, Ghost in the Shell, 2001: Odyssee im Weltraum, Raumschiff Enterprise: Das nächste Jahrhundert, Träumen Androiden von elektrischen Schafen? (bekannter als Blade Runner), Battlestar Galactica und Mass Effect. ⓘ

Simulationen von Lebensäußerungen:

• Conways Spiel des Lebens ist ein Beispiel für die Simulation von Populations­entwicklung.
• Daisyworld ist eine Computersimulation eines hypothetischen Planeten, auf dem abhängig von der Sonneneinstrahlung Gänseblümchen (engl. daisy) wachsen, deren Wachstum als Rückkopplungs­prozess die Strahlungsabsorption beeinflusst.
• ELIZA von Joseph Weizenbaum simuliert einen Gesprächspartner, indem es Verhaltensweisen nachahmt, die ursprünglich von Psychotherapeuten entwickelt wurden, um ihre Patienten zu Reaktionen zu animieren. ⓘ

Die synthetische Biologie ist ein neuer Bereich der Biotechnologie, der Wissenschaft und Biotechnik miteinander verbindet. Das gemeinsame Ziel ist die Entwicklung und Konstruktion neuer biologischer Funktionen und Systeme, die in der Natur nicht vorkommen. Die synthetische Biologie umfasst eine umfassende Neudefinition und Erweiterung der Biotechnologie mit dem Ziel, biologische Systeme zu entwerfen und zu bauen, die Informationen verarbeiten, Chemikalien manipulieren, Materialien und Strukturen herstellen, Energie erzeugen, Nahrungsmittel liefern und die menschliche Gesundheit und die Umwelt erhalten und verbessern. ⓘ

Der Tod

Tierkadaver, wie dieser afrikanische Büffel, werden vom Ökosystem wiederverwertet und liefern Energie und Nährstoffe für lebende Kreaturen ⓘ

Der Tod ist das Ende aller Lebensfunktionen oder Lebensprozesse in einem Organismus oder einer Zelle. Er kann als Folge eines Unfalls, einer Gewalteinwirkung, einer medizinischen Erkrankung, einer biologischen Interaktion, einer Unterernährung, einer Vergiftung, des Alterns oder eines Selbstmordes eintreten. Nach dem Tod treten die Überreste eines Organismus wieder in den biogeochemischen Kreislauf ein. Organismen können von einem Raubtier oder einem Aasfresser verzehrt werden, und das übrig gebliebene organische Material kann dann von Detritivoren weiter zersetzt werden, d. h. von Organismen, die Detritus recyceln und in die Umwelt zurückführen, um ihn in der Nahrungskette wieder zu verwenden. ⓘ

Eine der Herausforderungen bei der Definition des Todes besteht darin, ihn vom Leben zu unterscheiden. Der Tod scheint sich entweder auf den Moment zu beziehen, in dem das Leben endet, oder auf den Beginn des Zustands, der auf das Leben folgt. Es ist jedoch schwierig zu bestimmen, wann der Tod eingetreten ist, da das Aufhören der Lebensfunktionen oft nicht in allen Organsystemen gleichzeitig erfolgt. Eine solche Bestimmung erfordert daher eine begriffliche Abgrenzung zwischen Leben und Tod. Dies ist jedoch problematisch, da es kaum einen Konsens darüber gibt, wie Leben zu definieren ist. Das Wesen des Todes ist seit Jahrtausenden ein zentrales Anliegen der religiösen Traditionen der Welt und der philosophischen Forschung. Viele Religionen glauben entweder an eine Art Leben nach dem Tod oder an die Reinkarnation der Seele oder an die Wiederauferstehung des Körpers zu einem späteren Zeitpunkt. ⓘ

Aussterben

Das Aussterben ist der Prozess, durch den eine Gruppe von Taxa oder Arten ausstirbt, wodurch die Artenvielfalt verringert wird. Der Zeitpunkt des Aussterbens wird im Allgemeinen mit dem Tod des letzten Individuums dieser Art gleichgesetzt. Da das potenzielle Verbreitungsgebiet einer Art sehr groß sein kann, ist die Bestimmung dieses Zeitpunkts schwierig und erfolgt in der Regel rückwirkend nach einem Zeitraum, in dem die Art offensichtlich nicht vorhanden war. Eine Art stirbt aus, wenn sie nicht mehr in der Lage ist, in einem sich verändernden Lebensraum oder gegen eine überlegene Konkurrenz zu überleben. In der Erdgeschichte sind über 99 % aller Arten, die jemals gelebt haben, ausgestorben. Massenaussterben kann jedoch die Evolution beschleunigen, indem es neuen Organismengruppen die Möglichkeit zur Diversifizierung gibt. ⓘ

Fossilien

Fossilien sind die erhaltenen Überreste oder Spuren von Tieren, Pflanzen und anderen Organismen aus der fernen Vergangenheit. Die Gesamtheit der entdeckten und unentdeckten Fossilien und ihre Anordnung in fossilhaltigen Gesteinsformationen und Sedimentschichten (Strata) wird als Fossilbericht bezeichnet. Ein konserviertes Exemplar wird als Fossil bezeichnet, wenn es älter ist als das willkürliche Datum von vor 10 000 Jahren. Die Altersspanne der Fossilien reicht also von den jüngsten Exemplaren zu Beginn des Holozäns bis zu den ältesten aus dem Archäikum, die bis zu 3,4 Milliarden Jahre alt sind. ⓘ

Naturwissenschaft

Entstehung des Lebens

Wird für Lebewesen ein genetisches Programm, seine Funktionalität und seine Entwicklung als essenziell angenommen, dann ergibt sich für den Beginn des Lebens der Zeitpunkt, zu dem Moleküle als Träger des Programms und weitere Hilfsmoleküle zur Realisierung, Vervielfältigung und Anpassung dieses Programms erstmals so zusammentreten, dass ein die charakteristischen Eigenschaften des Lebens tragendes System entsteht. ⓘ

Die derzeit populärste (autotrophe) Theorie zur Entstehung des Lebens postuliert die Entwicklung eines primitiven Stoffwechsels auf Eisen-Schwefel-Oberflächen unter reduzierenden Bedingungen, wie sie im Umfeld vulkanischer Ausdünstungen anzutreffen sind. Während dieser Phase der Evolution auf der Erde, die im Hadaikum, vor 4,6 bis 4,0 Milliarden Jahren stattfand, war die Erdatmosphäre wahrscheinlich reich an Gasen, vor allem Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, während die heißen Ozeane relativ hohe Konzentrationen an Ionen von Übergangsmetallen wie Eisen (Fe²⁺) oder Nickel (Ni²⁺) enthielten. Ähnliche Bedingungen finden sich heute in der Umgebung hydrothermaler Schlote, die in plattentektonischen Störzonen auf dem Meeresgrund entstanden sind und noch entstehen. In der Umgebung solcher als Schwarze Raucher bezeichneten Schlote gedeihen thermophile methanogene Archaeen auf der Grundlage der Oxidation von Wasserstoff und der Reduktion von Kohlenstoffdioxid (CO₂) zu Methan (CH₄). Dieses extreme Biotop zeigt, dass Leben unabhängig von Sonnenlicht als Energiequelle gedeihen kann, eine grundlegende Voraussetzung für die Entstehung und Aufrechterhaltung von Leben vor dem Aufkommen der Photosynthese. ⓘ

Die phylogenetische Perspektive auf die Entstehung des Lebens enthält die Fragen, ob Leben auf der Erde oder auf einem anderen Himmelskörper entstanden ist und auf welche Art die ersten lebenden Systeme in einer unbelebten Umwelt entstanden sind (siehe den vorhergehenden Abschnitt). Der heutige Wissensstand in den Naturwissenschaften reicht nicht aus, um zu erklären, wie das Leben entstand. Mithin wird sogar bestritten, dass die von den Naturwissenschaften bereitgestellten materialistischen Konzepte überhaupt geeignet sind, die Entstehung des Lebens erklären zu können. So etwa richtet sich die Kritik am Erkenntnisanspruch der Naturwissenschaften gegen deren Erklärungsansätze in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit, dass sich selbst reproduzierende Lebensformen allein aufgrund physikalischer und chemischer Zufälle entstanden sind. Jedoch erweist sich eine solche Kritik als kaum haltbar. So etwa hat die naturwissenschaftliche Forschung längst überzeugend dargelegt, dass der Ursprung des genetischen Codes mitsamt der Eigenschaft sich zu vervielfältigen nicht, wie etwa noch 1968 von Francis Crick angenommen, auf zufällige Ereignisse zurückgeht, sondern statistisch erklärbar ist. ⓘ

Die ontogenetische Perspektive richtet sich auf die Entwicklung eines Individuums, nicht auf die erstmalige Entstehung von Lebewesen. Sie stellt die Frage, wie sich ein Organismus entwickelt (z. B. aus einer befruchteten Eizelle). Man spricht hier fälschlich auch vom „Beginn des Lebens“, obwohl es sich um eine Kontinuität des Lebens im Laufe von Generationen und um das Entstehen eines Individuums handelt, nicht um die erstmalige Entstehung eines lebenden Systems. Aus der Ontogenese ergibt sich eine Möglichkeit zur Definition von Beginn und Ende eines individuellen Lebens: Das Leben endet, wenn die charakteristischen Eigenschaften von Lebewesen verschwinden, also der Tod eintritt. Der Beginn wird verschieden definiert, oft wird bei Lebewesen mit sexueller Fortpflanzung die Vereinigung zweier Gameten als Beginn des Lebens eines Individuums angesehen. ⓘ

Philosophie

Neuere Zeit

In der neueren Zeit entwickeln sich zwei gegensätzliche Grundauffassungen:

• Mechanizismus: Leben lässt sich allein aus den Gesetzmäßigkeiten der Bewegung der Materie vollständig erklären (siehe auch: Materialismus und Physikalismus).
• Vitalismus: Leben kommt nur den „organischen Erscheinungsformen“ (dem Organischen) zu und unterscheidet sich qualitativ von „anorganischen Erscheinungsformen“ (dem Anorganischen): Alles Lebendige zeichnet sich durch eine zielgerichtet formende Lebenskraft (vis vitalis) aus (siehe auch: Idealismus). In Anlehnung an religiöse Vorstellungen wurde angenommen, dass es belebte und unbelebte Materie gebe. ⓘ

Der Organizismus stellt eine Synthese beider Ansätze dar: Lebensvorgänge lassen sich zwar durch Prinzipien der Physik und Chemie erklären. Lebewesen würden aber auch Eigenschaften besitzen, die unbelebte Materie nicht aufweist. Dies wären emergente Eigenschaften, die sich einerseits aus der Komplexität von Lebewesen, andererseits durch die besondere Rolle ihres genetischen Programms ergeben sollen. ⓘ

Wilhelm Dilthey (1833–1911) formulierte in seinen späteren Schriften: „Leben ist nun die Grundtatsache, die den Ausgangspunkt der Philosophie bilden muss. Es ist das von innen Bekannte; es ist dasjenige, hinter welches nicht zurückgegangen werden kann.“ ⓘ

Georg Simmel (1858–1918) betonte 1918 in Lebensanschauung. Vier metaphysische Kapitel: „Das Leben ist Mehr-Leben und Mehr-als-Leben“. ⓘ

Karl Popper (1902–1994) formulierte: „Ich glaube, wir könnten das Leben nicht wirklich schätzen, wenn es immer weitergehen würde. Gerade die Tatsache (…), dass es endlich und begrenzt ist, (…) erhöht den Wert des Lebens und damit sogar den Wert des Todes(.)“ ⓘ

Nach Ernst Mayr (1904–2005) ist der Begriff „Leben“ nur der zum Ding gemachte Vorgang und existiert nicht als selbstständige Entität. ⓘ

Ferdinand Fellmann (1939–2019) meinte, Leben fungiere als absolute Metapher, die den biologischen Zugang mit dem subjektiven Standpunkt verbindet. ⓘ