Prinzip "Kompartimentierung"
Ein wichtiges zellbiologisches Konzept, das an dieser Stelle herausgehoben werden muss, ist das der Kompartimentierung. Es beschreibt die Unterteilung des Zellinneren in verschiedene Räume, die jeweils von einer Membran umgeben sind. Diese Räume werden Kompartimente genannt. Das Konzept der Kompartimentierung ist fundamental für das Verständnis der Zellen und ihrer Funktionen.
Fangen wir noch mal bei den Bakterien an: Bakterien sind so klein, dass man sie nicht so ganz einfach untersuchen kann. Hat man jedoch die richtigen Mikroskope und Techniken, stellt man fest, dass sie im Inneren praktisch nur aus einem Raum bestehen, nämlich dem Cytoplasma. Das einzelne Chromosom, die Plasmide und Ribosomen schwimmen frei im Cytoplasma herum.
Pflanzen- und Tierzellen sind dagegen nun bekanntlich in Mitochondrien, Zellkern, Chloroplasten, Endoplasmatisches Retikulum, Vakuolen und und und untergliedert. Bei all diesen Organellen handelt es sich um membranumschlossene Räume. Abgesehen von den teilweise merkwürdigen Namen handelt es sich also gewissermaßen um die Inneneinrichtung der Zelle, die Bakterien fehlt. Das heißt nicht, dass in ihnen nun nichts passiert, aber eben alles in einem Raum. Und das ist von großer Bedeutung.
Betrachten wir zum besseren Verständnis einmal das System "Schule": Früher gab es ganz kleine Dorfschulen – heute auch noch in anderen Ländern. Da werden alle Altersstufen gleichzeitig in einem Raum unterrichtet, und zwar von der gleichen Lehrkraft. Fünf Schülerinnen und Schüler lernen das 1×1, sieben den Satz von Pythagoras, und drei bereiten sich auf die Abschlussprüfung vor. Hinten im Raum steht ein Kopierer und ein Computer. Die Lehrkraft ist gleichzeitig Schulleitung, und daher hat sie auch immer das Telefon bei sich, falls mal jemand von der Stadt anruft, weil die Fensterputzer kommen. Auch die Bestellung des Mittagessens kann die Lehrkraft noch mal eben nebenbei aufgeben.
Alles findet in einem Raum statt, und weil der so klein ist, geht das auch gut. Gerade darin liegt eine Stärke. Eine Minischule kann man ruckzuck überall einrichten. Dafür braucht es nicht viel, außer vielleicht einen großen Raum, Tische, Stühle und Tafel. Falls das Gebäude mal anderweitig genutzt werden soll, kann die Schule schnell umziehen. Gibt es neue Lehrpläne, muss nur eine Lehrkraft umgeschult werden.
Würde man das Gymnasium Westerstede mit seinen über 1000 Lernenden und über 100 Lehrkräften in einem Raum einrichten – es gäbe heilloses Chaos. Das kann sich jede(r) selbst vorstellen. Das System "Gymnasium" ist nur leistungsfähig, wenn man verschiedene spezielle Räume einrichtet. Die Fünftklässler lernen besser in einem anderen Raum als die Elftklässler. Wenn die einen Physik und die anderen Sport machen ... das würde sich wohl doch nicht so gut in einem Raum vertragen. Die einen stören die anderen. Hat man dagegen getrennte Fachräume, so kann man diese zielgerichtet ausstatten. Ein Bio-Raum hat eine andere Einrichtung als ein Chemieraum, und ein Musikraum eine andere als die Mensa. Auch Kopier- und PC-Räume können speziell auf die Erfordernisse ausgerichtet werden. Und letztendlich ist es auch ganz gut, wenn das Sekretariat nicht hinten im Unterrichtsraum sitzt und von dort aus die vielen Telefongespräche führen muss, die am Tag so nötig sind.
Die Unterteilung einer Schule in viele Räume ist für uns selbstverständlich. Niemand kann sich das anders vorstellen. Es ist die Voraussetzung für die Größe und Komplexität eines Gymnasiums. Es ist aber auch ein sehr träges System. Wer weiß das besser als die Lernenden. Der Umzug eines Gymnasiums in ein neues Gebäude ist fast schon eine Jahrhundertaufgabe, und selbst kleinere Änderungen, wie digitale Endgeräte oder neue Lehrpläne, können nicht so ganz schnell von heute auf morgen erfolgen.
Bakterienzellen funktionieren ähnlich wie Dorfschulen und Pflanzen- oder Tierzellen ähnlich wie Gymnasien. Beide Varianten haben auf ihre Weise jeweils Stärken und Schwächen. Bakterienzellen können sich gerade aufgrund ihrer kleinen und einfachen Strukturen unheimlich flexibel auf unterschiedliche Bedingungen einstellen und rasend schnell vermehren. Größere Strukturen können sie jedoch nicht effizient aufbauen, weshalb es eben keine bakteriellen Mehrzeller gibt. Dafür braucht es eine bessere Strukturierung und Organisation, wie sie die Unterteilung des Cytoplasmas in verschiedene Räume ermöglicht. Die Evolution des Zellkerns, der Mitochondrien, Chloroplasten usw. war daher kein Zufall, sondern ermöglichte, dass die jeweils daran gekoppelten Prozesse deutlich besser ablaufen können. Die Vorteile liegen auf der Hand:
- Zueinander gegenläufige oder sich störende Prozesse können voneinander abgetrennt werden. So wird z. B. in den Chloroplasten Glucose aufgebaut und in den Mitochondrien abgebaut. Beide Prozesse stehen eng miteinander in Verbindung, aber würden sie direkt nebeneinander ablaufen, käme es zu Behinderungen, die den Stoffumsatz verringern.
- Für jeden Prozess können in den jeweiligen Räumen die optimalen Bedingungen genau eingestellt werden. Das gilt z. B. für den pH-Wert oder das Vorhandensein der jeweils nötigen Stoffe und Enzyme, die in einem Raum konzentriert werden können – wie Computer im PC-Raum oder Reagenzgläser im Chemieraum.