Grundbegriffe: Was sind Zellen, Moleküle und Atome überhaupt?

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"Denk nicht an das, was du siehst, sondern an das was nötig ist, um das Sichtbare zu produzieren" (Benoit Mandelbrot)

So jetzt ist mir doch gerade aufgefallen, dass ich schon ganz häufig Begriffe verwendet habe, die ja nur die großen Leser dieser Seite verstehen, nicht aber die kleinen. Und um das Ganze noch schlimmer zu machen, wollte ich doch gerade wieder damit anfangen - ein Glück habe ich es noch rechtzeitig gemerkt und kann meinen Fehler bei euch auch gleich wieder gut machen.  ...

Wo fangen wir an - beim kleinsten oder beim größten Begriff? Na, nehmen wir das Kleinste, da haben wir noch Platz nach oben :).

Was ist ein Atom?

Sicherlich habt ihr schon einmal festgestellt, dass ihr die Dinge, die weiter weg sind wesentlich ungenauer seht, als die Dinge, welche viel mehr in eurer Nähe sind. Seht ihr also zum Beispiel von Weitem einen kleinen Vogel auf der Straße, könnt ihr sagen, dass es ein Vogel ist, aber ihr erkennt nicht, was es für ein Vogel ist. Die genauen Farben des Gefieders, die wirkliche Größe und Proportionen könnt ihr erst, wenn ihr nah genug neben dem Vogel steht, erkennen. Steht ihr etwa 1 m von eurem Vögelchen entfernt seht ihr zwar, was es für ein Vogel ist, aber ihr könnt immer noch nicht sagen, wie die Federn im Detail aussehen. Das könnt ihr erst, wenn ihr entweder böse seid und dem Vogel eine Feder mopst oder eine Feder aufhebt, die der Vogel selber verloren hat und so noch näher betrachten könnt. Dann seht ihr, dass die Feder aus vielen kleinen "Zweigen" bestehen, mit kleinen Häkchen, die sich wie bei Reißverschlüssen ineinander verhakt haben. Leider könnt ihr dann nicht viel näher an die Feder heran um heraus zu finden, wie die einzelnen "Zweige" der Federn aufgebaut sind. Was ihr aber machen könnt, ist euch mit einer Lupe kleine Bereiche der Feder vergrößert an zu sehen. Dieses Spiel kann man sehr viel weiter fortsetzen und immer neue Techniken (Mikroskopietechniken) finden, um einen noch kleineren Ausschnitt der Feder wieder etwas genauer und größer zu sehen beziehungsweise abzubilden. Irgendwann kommt man zu kleinen "Kügelchen", die man Atome nennt. Diese kleinen Kugeln kann man nach Eigenschaften sortieren - eine der wichtigsten Eigenschaften ist die Zahl der Bindungsstellen, mit denen sie sich an anderen Atomen festhalten können und die Dicke ihres Bauches. Sortiert man alle Teilchen nach der Dicke ihres Bauches findet man etwa 118 verschieden dicke Teilchen (es werden manchmal neue solche Kügelchen hergestellt), welche man als die Elemente bezeichnet. Alle Elemente sortiert, findet ihr im Periodensystem der Elemente. Beispiele solcher Elemente sind Gold, Silber oder Kupfer. Man kann sich diese kleinen Kügelchen also wie kleine Männchen vorstellen die unterschiedlich dick sind und unterschiedliche Mengen an Ärmchen haben, wobei Elemente maximal 8 Ärmchen haben. Manche dieser Elemente haben die gleiche Zahl an Ärmchen, aber keines der Atome ist gleich dick. Besteht ein Gegenstand, wie eine Feder, nicht nur aus einem Element sondern aus Atomen verschiedener Elemente, dann nennt man das einen chemischen Stoff. Glas ist zum Beispiel ein Stoff oder auch Holz.
Das ist natürlich nur ein vereinfachtes Modell eines Atoms, denn eigentlich haben Atome keine Ärmchen und keinen Bauch, sondern einen Atomkern (=dem Bauch), der immer aus den gleichen Typen von Kügelchen Zusammengesetzt ist, den positiv geladenen Protonen und den neutralen (=nicht geladenen) Neutronen. Ganz genau genommen, bestimmt die Anzahl der Protonen und der Neutronen die Größe und das Gewicht des Atomkerns, jedoch ist nur die Zahl der Protonen wichtig für die Unterscheidung, welches Element das Atom ist. Das heißt alle Atome die man bisher gefunden hat, haben eine Protonenzahl zwischen einschließlich 1 und 118. Zu jedem Proton in einem Atomkern besitzt ein Atom ein negativ geladenes Teilchen, das Elektron, welches um den Kern schwirrt. Die Zahl der Elektronen, die am weitesten außen liegen sind dabei gleich den Ärmchen beziehungsweise den Bindungsstellen. Es ist allerdings so, dass sich nicht alle Ärmchen gleich gern an anderen Atomen festhalten, sondern manche Ärmchen lieber andere Ärmchen des eigenen Atoms festhalten und sich nur sehr widerwillig auf andere Atome einlassen.
Eine andere Möglichkeit euch Atome vorzustellen, ist ein ganz winziges Sonnensystem, wo die Sonne der Atomkern und die Planeten die Elektronen sind und um die Sonne kreisen. Es sollte euch jedoch bewusst sein, dass dieses Atommodell (Bohr'sche Atommodell) nur eine Vorstellung ist, mit der man bestimmte Phänomene (Dinge, die so auftreten) erklären kann. Die Wirklichkeit ist viel komplizierter. Zwei Beispiele: eigentlich kreisen die Elektronen nicht um den Atomkern, sondern es gibt verschiedene "Schalen" die unterschiedliche "Aufenthaltswahrscheinlichkeiten" der Elektronen beschreiben. Und ein zweites Beispiel ist, dass Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern auch als "Welle" betrachtet werden können. Das genau zu verstehen ist am Anfang aber gar nicht so wichtig. Ihr solltet euch nur nicht wundert, wenn manchmal bestimmte Dinge nicht mit euren Vorstellungen zusammen passen.

Was ist ein Molekül?

Beispiel für Moleküle: Kohlenwasserstoffnanoröhrchen
Bild: ↗Max-Planck-Forschung 07.08.2014;
Empa/ Juan-Ramon Sanchez

Da Atome freie Ärmchen, beziehungsweise freie Außenelektronen besitzen, können sie sich bei anderen Atomen "festhalten". Und alle Atome, welche keine vollen 8 Außenelektronen haben (bis aus Wasserstoff und Helium, die haben schon mit 2 Außenelektronen alle Hände voll) möchten gern andere Atome zum Festhalten finden. Nun sind es ja keine Ärmchen sondern Elektronen, die um den Atomkern schwirren, sodass sich die Atome gern mit anderen Atomen immer Elektronen "teilen" können. Dafür verringert sich der Abstand der Atome und beide, oder mehrere Atome, halten in etwa gleich stark an den verbundenen Elektronen fest, sodass es nach außen wie EIN Teilchen aussieht, welches man dann Molekül nennt. Es gibt auch andere Fälle: Ist ein Atom viel stärker als ein anderes kann es sich einfach ein ganzes Elektron mopsen, so dass 2 "geladene Atome" entstehen, die dann aber nicht mehr Atom, sondern Ionen heißen. Es gibt auch ganze "Moleküle" denen ein Elektron fehlt, oder die eines zuviel haben, auch diese nennt man Ionen. Ein Ion mit einem Elektron zu wenig ist einfach positiv geladen und ein Ion mit einem Elektron zu viel ist einfach negativ geladen.
Wie funktioniert das jetzt mit der Händchen- beziehungsweise Elektronenaufteilung? Die Elektronen schwirren nicht nur um den Atomkern, sondern "drehen" sich auch um sich selbst und dafür gibt es für jedes Elektron genau zwei Möglichkeiten, den so genannten Spin. Bei den Außenelektronen ist es dabei so, dass die ersten 4 möglichen Außenelektronen eines Atoms immer den gleichen Spin haben und sich deswegen nicht untereinander anfassen. Alle weiteren Außenelektronen (Außenelektron 5-8) besitzen hingegen den entgegen gesetzten Spinn, sodass sie gern Pärchen mit den ersten 4 Außenelektronen bilden. Diese Elektronenpärchen bleiben häufig lieber unter sich, als sie mit anderen Atomen neue Elektronenpärchen eingehen, es ist jedoch häufig möglich Verbindungen mit Außenelektronen anderer Atome zu bilden. Dies ist aber nur eine Information am Rande für spätere Erklärungen. 

Bei Gegenständen aus einem einzigen Element entscheidet das Element unglaublich viele Eigenschaften. Bei Gegenständen aus mehreren Elementen bestimmen zum einen die Elemente, aber auch die Anordnung der Atome und Moleküle zueinander einen großen Anteil der Eigenschaften. Beispiele dieser Eigenschaften sind Farbe, Leitfähigkeit für Wärme und Strom, Brennbarkeit, Biegsamkeit (=Elastizität), Dichte (Gewicht eines Gegenstandes pro Größe/Volumen), Sprödigkeit, Festigkeit, chemische Widerstandskraft und so weiter. 

Was ist eine Zelle? (+Bakterium und Virus)

Eine Makroaufnahme einer menschlichen dendritischen 

Zelle von ↗tpsdave auf pixabay

Jeder Gegenstand und jedes Lebewesen ist also aus Molekülen und Ionen aufgebaut. Die einen besitzen etwas kompliziertere Strukturen mit mehr unterschiedlichen Elementen, die anderen etwas einfachere. Was aber unterscheidet Leben von nicht Leben? Jeder ist als Kind davon fasziniert, dass es Dinge in unserem Alltag gibt, denen wir eindeutig die Eigenschaften lebendig zuordnen können. Was sagt die Wissenschaft dazu? Nun die Wissenschaft sagt dazu, dass wir bei allen größeren Strukturen wie Pflanzen, Hunde, Chinchillas oder Autos und Häusern das sehr eindeutig sagen können. Aber bei kleineren Strukturen ist das wieder schwieriger. Daher hat man die kleinste Einheit des Lebens, die Zelle, definiert. Eine Zelle besteht aus vielen tausend Molekülen und ist wieder wie ein Atom eine Art Baustein, aus dem jedes Lebewesen aufgebaut ist. Diese tausende einzelnen Moleküle arbeiten dabei so zusammen, wie das die Organe in unserem Körper auch tun, nur nennt man es in Zellen die Zellorganellen. Besteht ein Lebewesen nur aus einer einzigen Zelle, so nennt man es Einzeller. Hat das Lebewesen mehrere Zellen, sind es Vielzeller. Das gilt für alle Lebewesen, also auch für Pflanzen, Tiere und Pilze. Lustiger Weise gibt es aber auch z.B. Schleimpilze, die sowohl einzeln leben, als auch zu vielzelligen Lebewesen werden können, wenn sie das "wollen". Was kennzeichnet nun also so eine Zelle? Ein Lebewesen hat immer:

• einen sich selbst erhaltenen Stoffwechsel (es braucht also Nahrung und scheidet verwertete Nahrung wieder aus)
• einen Informationsaustausch mit seiner Umgebung (es kann Reize seiner Umgebung aufnehmen, verarbeiten und darauf reagieren)
• Wachstum
• die Fähigkeit zur Fortpflanzung
• und die Fähigkeit auf Evolution (Mutation und Selektion - jeder Nachwuchs kann also kleine Veränderungen hervorbringen)

Zellen haben daher immer eine Art Hülle, die Zellmembran und pflanzliche Zellen haben sogar noch eine zweite Hülle, die Zellwand. Außerdem haben Zellen immer eine Erbinformation, die DNA oder RNA, in ihrer Mitte, die etwas abgegrenzt zu den restlichen Bereichen der Zelle liegt. Diese Erbinformationen sind dabei ein (oder mehrere) ganz lange(s) Molekül(e), das aus Buchstaben wie eine Art Text ergibt, mit Informationen für den Rest der Zelle, die erklären was zu tun ist um zu leben. Sehr oft sind Zellen viel größer als die meisten Moleküle und manche kann man sogar mit dem bloßen Auge erkennen. Es gibt aber auch sehr kleine Zellen und einige sind so klein, dass sie Platz haben sich in größeren Zellen zu verstecken und damit krank machen. Besonders manche Bakterien können das. Bakterien sind nämlich ganz kleine einzellige Tiere, die überall auf der Welt vorkommen - manche helfen dabei den Menschen beim Leben, andere machen ihn krank oder schaden ihm und wieder andere kümmern sich völlig um ihren eigenen Kram. Und dann gibt es da noch Viren. Viren sind keine Lebewesen, obwohl sie den Einzellern sehr ähnlich sind und sogar eine Erbinformation haben. Jedoch sind Viren nicht in der Lage sich selber Fortzupflanzen oder zu wachsen und sie haben auch keinen Stoffwechsel. Viren können sich immer nur Fortpflanzen, indem sie ihre Erbinformation in eine lebende Zelle spritzen und die lebende Zelle dann einen neuen Virus bastelt, weil die Viruserbinformation die Erbinformation der Zelle so umschreibt, dass die Zelle "denkt", dass sie neue Viren bauen muss. Die Zelle baut dabei solange neue Viren bis sie platzt und die ganzen Viren in die Umgebung gelangen.

--anja--