Kommunikation (Biologie)
Der Kommunikationsbegriff in der Biologie kann sich zum einen auf die (zeichenvermittelten) Interaktionen zwischen Zellen, Geweben, Organen und Organismen zum Zwecke der Verhaltens­koordination aber auch auf die Informationsübertragung innerhalb eines Organismus beziehen, und auch auf die Übermittlung von Signalen und Nutzinformation zwischen zwei oder mehreren Einzelorganismen.[1]
1 Interne Kommunikationsvorgänge
1.1 Zellvermehrung
1.2 Neubildung von Zellorganismen
1.3 Kommunikation zwischen Zellverbänden
2 Externe Kommunikation
2.1 Sinnesorgane
2.2 Reiz-Reaktionsmuster
2.3 Menschenspezifische Besonderheiten
Interne Kommunikationsvorgänge[Bearbeiten]
Kommunikation ist eine Grundbedingung alles Lebendigen. Alle lebenden Systeme sind so beschaffen, dass sie in Kreisprozessen positiver Rückkopplung Energie gewinnen.[2] Träger dieser Prozesse sind Zellen. Bei höher organisierten Lebewesen bestehen sie aus einem in seinem Aufbau und seinen Funktionen hoch komplizierten Zellkern. Dieser ist umgeben von einer Zellflüssigkeit, in die eine Vielzahl hochorganisierter Körperchen, so genannte Organellen, eingebettet ist. Zwischen ihnen und dem Zellkern aber auch zwischen den Organellen selbst laufen in vielfältiger Weise Interaktionen ab; sie kommunizieren unentwegt miteinander. Umschlossen wird dieser Zellinhalt von einer Membran, die durch ihre Struktur und ihre spezifischen Durchlässigkeitseigenschaften das Zellinnere gegenüber Einflüssen seiner Außenwelt abschirmt, gleichzeitig aber einen kontrollierten Stoffaustausch ermöglicht,[3] letzteres eine weitere Form lebensfördernder Kommunikation. Sowohl die chemischen Bauelemente dieser Zellen als auch die in ihnen ablaufenden chemischen Prozesse sind bei allen Lebewesen im Wesentlichen die gleichen.[4] Die Vielfalt und Unterschiedlichkeit der Organismen, die sich aus ihnen entwickeln kann, hat ihren Ausgangspunkt in unterschiedlichen genetischen Festlegungen in den Zellkernen.[5] Das dort gespeicherte Entwicklungsprogramm hat mehrere Funktionen: Es ist der Bauplan für den gesamten Organismus – sei es nun ein Einzeller oder ein Mensch. Es enthält zugleich einen Netzplan, in dem der Prozess der Umsetzung dieses Bauplanes Schritt für Schritt festgelegt ist. Und schließlich spielt es die Rolle der Bauregie, indem es die Anweisungen für die 'netzplangerechten' Umsetzungsschritte des Bauplanes bereithält.[6] Diese Umsetzung des in den Genen gespeicherten Bauplanes geschieht – sehr vereinfacht gesprochen – dadurch, dass die Gene zu den jeweils netzplangerechten Zeitpunkten ihre Informationen im Wege chemischer Übersetzungsprozesse (Transkription und Translation) an bestimmte Komponenten im Zellplasma abgeben, die dann ihrerseits zu Veränderungen und Umbildungsprozessen innerhalb der Zelle oder zu bestimmten Reaktionen mit der Umgebung der Zelle, etwa Nachbarzellen, angeregt werden. Die Gerichtetheit und die Präzision, mit der diese zellulären Prozesse ablaufen, werden durch ein subtiles Geflecht kommunikativer Rückkopplungen ermöglicht und gewährleistet.[7][8][9] Die für komplexere Organismen wichtigsten Reaktionsweisen der Zellen sind die Zellvermehrung und die Neubildung von Zellorganismen.
Alle höher entwickelten Lebewesen sind mehrzellig. Die Entwicklung dorthin erfolgt durch Zellteilung (Mitose). Hierbei verdoppelt sich die ursprüngliche Zelle und bildet damit den Anfang eines Zellverbundes, der sich je nach dem in den Zellkernen niedergelegten Bau- und Netzplan in weiteren, auf gleiche Weise verlaufenden Zellteilungen fortsetzt. Wo dies geschieht, kann man in aller Regel beobachten, dass die sich replizierenden Zellen sich mehr und mehr ausdifferenzieren. Je nach ihrer Lage im entstehenden Gesamtorganismus bilden sie sich auf unterschiedliche Funktionen hin aus: Gleichartig spezialisierte Zellen verbinden sich dabei zu kooperierenden Zellverbänden, die als Gewebe (z. B. Binde-, Knochen-, Muskelgewebe) bezeichnet werden. Aus solchen, zumeist unterschiedlichen Geweben bauen sich sodann die einzelnen Organe auf, bei den höher sich entwickelnden Lebewesen beispielsweise ein Skelett, Haut, Muskulatur, Bindegewebe, Drüsen, Blut- und Lymphgefäße, Nerven und vieles mehr.[10] Wie unterschiedlich sich die Zellverbände in einem Organismus auch immer entwickeln, an der Struktur ihrer Zellkerne verändert sich dadurch nichts. Der in den Kernen aller Zellen des Zellverbundes gleich bleibende Bauplan initiiert aber über biochemische Kommunikationsprozesse einen Organismus mit differenzierten Funktionen. An jeder Stelle des sich entwickelnden Zellverbundes gibt es Rückkopplungen mit dem in den Kernen der Zellen niedergelegten Hauptplan für den Organismus, durch die es den einzelnen Zellen ermöglicht wird, ihre spezifischen, systemkonformen Ausprägungen zu entwickeln und sich an ihrem Platz zum jeweils passenden Bauelement zu machen.[11]
Neubildung von Zellorganismen[Bearbeiten]
In höher entwickelten Organismen hat sich ein Zelltyp (Keimzelle) herausgebildet, der zwar den gleichen Zellkern hat, wie die zuvor beschriebenen Zellen, der aber ein anderes Zellteilungsverhalten aufweist. Es ermöglicht die Neukombination der eigenen Erbinformationen mit denen einer art­spezifisch gleichen Zelle eines anderen Organismus und wird damit selbst zum Ausgangspunkt eines Lebewesens, das sich in einer im Einzelnen nicht vorhersehbaren Weise von den beiden Ausgangsorganismen unterscheidet. Zu der im Zuge der normalen Zellvermehrung in biochemischen Kommunikationsprozessen sich ausbildenden inneren Differenzierung der einzelnen Organismen kommt mit der Paarung von genetischen Entwicklungsprogrammen unterschiedlicher Herkunft ein neues kommunikatives Element, eine im wahren Sinne des Wortes innovative Interaktion von Zellen zu eigenständigen Zellverbänden hinzu.
Kommunikation zwischen Zellverbänden[Bearbeiten]
Wo immer sich Zellverbände bilden, geht deren Entwicklung in aller Regel Hand in Hand mit einer funktionalen Ausdifferenzierung. Spezialisierte Teilsysteme innerhalb eines Gesamtorganismus erweisen sich deshalb als lebensdienlich, weil sie eine bessere Ausnutzung von Lebenschancen gestatten, die seine Umgebung ihm bietet. Je höher der Grad seiner Arbeitsteiligkeit, desto unerlässlicher wird das aufeinander abgestimmte Zusammenwirken der spezialisierten Teilsysteme. Bei den Wirbeltieren als den höchstentwickelten Organismen wird das sachgerechte Zusammenspiel aller funktional spezialisierten Teilsysteme (Sinnes- und Körperorgane, Gliedmaßen) von drei voneinander unterscheidbaren aber vielfältig ineinander greifenden peripheren Netzwerken geleistet, dem endokrinen System und zwei, in ihren funktionalen Aufgaben unterscheidbaren neuronalen Systemen. Aller drei Funktionen werden in unterschiedlichem Umfang von einem Zentralorgan, dem Gehirn, gesteuert, koordiniert und kontrolliert.
Das endokrine System wacht darüber, dass die biophysikalischen und biochemischen Voraussetzungen hergestellt, aufrechterhalten und gebotenenfalls neu einjustiert werden, unter denen die Körperorgane ihre spezifischen Funktionen optimal erfüllen können. Dies wird mit Hilfe von Mechanismen erreicht, die man als Regelkreise mit negativer Rückkopplung oder als Homöostasen bezeichnet und deren Funktionsweise sich auf einfache Weise anhand einer zeitgemäßen Raumheizung veranschaulichen lässt: Sinkt die Temperatur an einem bestimmten Messfühler unter eine festgelegte Solltemperatur, öffnen sich an den Heizkörpern des temperaturgeregelten Raumes Ventile für den Zustrom warmen Wassers aus der Heizungsanlage. Sobald die von ihnen abgestrahlte Wärme die Temperatur des Raumes wieder auf ihren Sollwert gebracht hat, drosseln die Heizungsventile die Wärmezufuhr in die Heizkörper.[12] Das endokrine System ist ein Netzwerk, über das Zellverbände mittels chemischer Botenstoffe, so genannter Hormone, miteinander kommunizieren. Hormone werden überall im Organismus, vor allem aber in bestimmten, an unterschiedlichen Stellen im Körper verteilten Körperorganen, den Drüsen, produziert, gespeichert und in den Blutkreislauf ausgeschüttet. Über diesen werden sie im gesamten Körper verteilt, lösen aber nur an solchen Stellen Reaktionen aus, die genetisch hierauf eingerichtet sind. Hormone lassen sich demzufolge als chemisch kodierte Nachrichten beschreiben, die nur von den Zellen ihrer jeweiligen Zielorgane gelesen werden können. Hierfür sind sie mit besonderen Rezeptoren ausgestattet. Dies sind spezifische Moleküle, in die sich die Hormonmoleküle wie ein Schlüssel mit der jeweils eigenartigen Zahnung seines Bartes in ein Schloss einpassen.[13] Passt der Schlüssel ins Schloss, kann die hormonell verschlüsselte Botschaft Reaktionen in einzelnen Zellen oder Zellverbänden hervorrufen.
Die neuronalen Netzwerke bestehen jeweils aus einem besonderen Zelltyp: den Nervenzellen oder Neuronen. Nervenzellen haben drei unterschiedliche Funktionen: Sie können Informationen von außerhalb oder innerhalb des Organismus aufnehmen, sie können diese Informationen an Stellen im Organismus weiterleiten, wo sie artgerecht zweckmäßige Reaktionen auslösen und sie können, zu Netzwerken zusammengeschlossen, Informationen speichern, mit anderen Informationen zu neuen, komplexen Informationseinheiten verbinden und für den Bedarfsfall abrufbar bereithalten. Auf neuronaler Ebene wird das Zusammenspiel der Teilsysteme eines Organismus von zwei peripheren Netzwerken hergestellt: Das eine der beiden Netze, das so genannte autonome oder vegetative Nervensystem regelt in engem Zusammenwirken mit dem zuv