Zellen physikalisch erklärt.

Eine Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens. Im gewissen Sinne das Elementarteilchen der Biologie. Zellen physikalisch erklärt bedeutet, ihre Funktion nicht nur biologisch, sondern auch mechanisch und energetisch zu verstehen.

Betrachten wir einmal, wie die Zellen von physikalischer Seite her funktionieren. 

Jedes Lebewesen ist aus Zellen aufgebaut, den mikroskopisch kleinen Bausteinen des Lebens. Die kleinsten Lebewesen bestehen nur aus einer Zelle, Bakterien zum Beispiel. Pflanzen und Tiere sind aus deutlich mehr Zellen zusammengesetzt.

Der menschliche Körper besteht aus der unglaublichen Menge von zirka 80.000.000.000.000 Billionen Zellen. Diese teilen sich ungefähr in 200 verschiedene Zelltypen auf, die sich in Ihren Funktionen und Aussehen unterscheiden. Rote Blutzellen oder Blutkörperchen sind beispielsweise scheibenförmig, Nervenzellen länglich und verästelt. Das heißt Zellen in unserem Körper, obwohl sie alle das gleiche Genom tragen und die gleichen Moleküle benutzten, können doch sehr unterschiedlichen Formen annehmen, die eben mit ihrer physikalischen Funktion im Körper zu tun haben. Durch ihre abgeplattete Form haben rote Blutkörperchen Zellen eine große Oberfläche und können so schneller und viele Sauerstoffmoleküle aufnehmen und abgeben. Zudem sind sie dadurch stark verformbar und passen so durch kleinste Gefäße. Sie müssen jede Körperzelle mit dem lebenswichtigen ionisierten und molekular reinen Sauerstoff versorgen. Nervenzellen verbinden sich durch ihre Verästelungen und können so mehr und schnell Elektronen und Photonen weiterleiten. Auf diese Art und Weise ist jede Zelle für Ihre Aufgabe spezialisiert.

Entstehen können Zellen nur durch Zellteilung. Das bedeutet eigentlich, dass wir alle aus der gleichen Zelle hervorgegangen sind. Es erklärt auch, warum in allen Zellen, egal ob bei Bakterien, Tieren oder Pflanzen, im Grunde immer die gleichen Moleküle aktiv sind. Diese Moleküle formen alle wichtigen Strukturen der Zelle. Von der schützenden, intelligenten Zellmembran, über das Zellskelett, bis hin zum Genom mit der Erbinformation. Die für Ihre Funktion notwendige Energie gewinnen die Zellen, indem sie Nährstoffe von außen aufnehmen und die darin enthaltene chemische Energie verwerten. Adenosintriphosphat Moleküle entstehen in den menschlichen Zellen so aus Glukose und ionisiertem und molekular neutralem Sauerstoff. Die Zelle hat durch ihre ATP-Energiemoleküle die Möglichkeit, ihre bestimmungsgemäße Funktion auszuführen. Auch Pflanzen und alle Lebewesen benötigen ATP-Moleküle. 

So lassen sich biochemische Prozesse im Inneren einer jeden Zelle antreiben, aber auch entscheidend mechanische Kräfte aufbringen. Bei den elementaren Zellprozessen, vor allem bei Zellteilungen, Migration und Anhaftung werden immer physikalische Kräfte benötigt. Um auf zellulärer Ebene zu verstehen, wie sich Zellen teilen, bewegen oder aneinanderhaften, müssen sehr viele Moleküle, so bis zu 10.000 Moleküle, zusammenarbeiten, um beispielsweise die Kräfte aufzubringen, die eine Zelle verformt und zur Zellteilung einschnürt. Das wird mit einem komplizierten Muskelartigen Gebilde gemacht, wo bis zu 10.000 sogenannte Motorproteine versammelt werden. Diese molekularen Maschinen wandeln chemische Energie in Form von energiereichen Molekülen in mechanische Energie beziehungsweise in eine gerichtete Bewegung um. Ein einzelnes Motorprotein kann eine Kraft von wenigen Piko Newton erzeugen. Um eine Zelle jedoch einzuschnüren und zu bewegen, bedarf es jedoch einer tausendfach größeren Kraft im Mikro Newton Bereich. Daher müssen innerhalb der Zelle viel Motorproteine intelligent zusammenwirken. Auch beim Transport von Stoffen innerhalb der Zelle, zum Beispiel durch die langen Verästelungen der Nervenzellen, spielen die molekularen Maschinen eine wichtige Rolle. 

Die Motorproteine ermöglichen einer Zelle, Kräfte auf Ihre Umgebung auszuüben. Die Zellen messen auf die eine Art und Weise die Auswirkungen dieser Kräfte, sozusagen die Federkonstante der Umgebung. Es ist wie wenn sie zwei Luftballons gegeneinanderdrücken. Dazu benötigt die Zelle immer Energie und gewinnt dadurch ihre Informationen. Durch Auslesen spezieller Moleküle, die sich unter Kräften anders verhalten als ohne Krafteinwirkung, kann die Zelle zum Beispiel feststellen, ob ihre Umgebung hart oder weich ist. Dazu müssen die Zellen jedoch in direktem Kontakt mit der anderen Zelle stehen. Das ist insbesondere dort der Fall, wo Zellen durch die Zelladhäsion sich zu Geweben verbinden. Durch die Zelladhäsion, also der Möglichkeit an anderen Zellen anzuhaften, bilden Zellen einen funktionalen Verband. Würde jedoch jede Zelle an jeder anderen Zelle anhaften, würde das zu chaotischen Strukturen führen und Zellen könnte ihre Aufgaben nicht mehr erfüllen. Die Natur hat das Problem intelligent über die spezifische Adhäsion gelöst. Bestimmte Zelltypen haben bestimmte Oberflächenmoleküle, die mit bestimmten Oberflächenmolekülen von andren Zelltypen reagieren können.

Damit können unsere Zellen genau entscheiden, mit wem sie eine Verbindung eingehen oder nicht eingehen. Lungen und Hautgewebezellen haften zum Beispiel sehr gut aneinander, denn diese Bereiche stehen unter starker mechanischer Belastung. Wenn man sich in die Haut schneidet, dann klafft diese auf, was ein mechanisches Signal auslöst, welches über große Distanzen reicht und den Zellen in der Umgebung mitteilt, dass sie jetzt die Wunde schließen müssen. Bestimmte Zellen kriechen dann in die Wunde rein und verschließen diese. Die Bewegung von Zellen ist nicht nur bei der Wundheilung relevant, sondern auch beispielsweise bei den Immunzellen. Diese bewegen sich durch den Körper, um zum Beispiel Erreger aufzuspüren und unschädlich zu machen. Prinzipiell könne Zellen sich auf verschieden Art und Weise fortbewegen. Schwimmen und Kriechen sind jedoch die wichtigsten Fortbewegungsarten. Schwimmen ist typisch für Bakterien, die sich mit propellerartigen Proteinfäden vorantreiben. Die kriechende Bewegung, die einem Kettenfahrzeug ähnlicher Bewegung gleicht, findet immer dort statt, wo die Zellen nicht genügend Platz für eine schwimmende Bewegung haben. Eine beengte Umgebung ist in den meisten Fällen in unserm Körper der Fall. Die Zellen müssen sich an den Oberflächen festmachen und dann darauf mit Kräften die kriechende Bewegung ausführen. Die kriechende Bewegung ist typischerweise nur 1 Mikrometer pro Minute im Gegensatz zur schwimmenden Bewegung, die 100 Mikrometer pro Sekunde sein kann. Diese Unterschiede zeigen eindrucksvoll, wie vielfältig und komplex die Mechanismen sind, wenn man Zellen physikalisch erklärt und ihre Bewegungsarten analysiert.