Die Einheit des Lebens
Auf der zellulären Organisationsebene sind die wichtigsten chemischen Prozesse aller lebenden Materie ähnlich, wenn nicht sogar identisch. Dies gilt für Tiere, Pflanzen, Pilze oder Bakterien; wo Abweichungen auftreten (wie zum Beispiel bei der Sekretion von Antikörpern durch einige Schimmelpilze), sind die abweichenden Prozesse nur Variationen eines gemeinsamen Themas. So besteht die gesamte lebende Materie aus großen Molekülen, die Proteine genannt werden. Sie sorgen für die Unterstützung und koordinierte Bewegung sowie für die Speicherung und den Transport kleiner Moleküle und ermöglichen als Katalysatoren, dass chemische Reaktionen unter milden Temperaturen, relativ niedriger Konzentration und neutralen Bedingungen (d. h. weder sauer noch basisch) schnell und gezielt ablaufen. Proteine werden aus etwa 20 Aminosäuren zusammengesetzt, und so wie die 26 Buchstaben des Alphabets auf spezifische Weise zu Wörtern unterschiedlicher Länge und Bedeutung zusammengesetzt werden können, so können auch Dutzende oder sogar Hunderte der 20 Aminosäure-„Buchstaben“ zu spezifischen Proteinen zusammengefügt werden. Darüber hinaus bestehen die Teile der Eiweißmoleküle, die in verschiedenen Organismen ähnliche Funktionen erfüllen, oft aus denselben Aminosäuresequenzen.
Die Art und Weise, in der lebende Organismen ihre Individualität bewahren und an ihre Nachkommen weitergeben, ist bei allen Zelltypen gleich. Zum Beispiel ist die Erbinformation in einer bestimmten Abfolge von Basen kodiert, aus denen das DNA-Molekül (Desoxyribonukleinsäure) im Kern jeder Zelle besteht. Für die Synthese der DNA werden nur vier Basen verwendet: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. So wie der Morsecode aus drei einfachen Signalen besteht – einem Strich, einem Punkt und einem Leerzeichen -, deren genaue Anordnung ausreicht, um kodierte Nachrichten zu übermitteln, so enthält und übermittelt die genaue Anordnung der Basen in der DNA die Informationen für die Synthese und den Zusammenbau der Zellbestandteile. Einige primitive Lebensformen verwenden jedoch RNA (Ribonukleinsäure; eine Nukleinsäure, die sich von der DNA dadurch unterscheidet, dass sie den Zucker Ribose anstelle des Zuckers Desoxyribose und die Base Uracil anstelle der Base Thymin enthält) anstelle der DNA als primären Träger der genetischen Information. Die Replikation des genetischen Materials in diesen Organismen muss jedoch eine DNA-Phase durchlaufen. Mit kleinen Ausnahmen ist der genetische Code, der von allen lebenden Organismen verwendet wird, derselbe.
Auch die chemischen Reaktionen, die in lebenden Zellen ablaufen, sind ähnlich. Grüne Pflanzen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) in Kohlenhydrate (Zucker und Stärke), andere organische (kohlenstoffhaltige) Verbindungen und molekularen Sauerstoff (O2) umzuwandeln. Der Prozess der Photosynthese erfordert Energie in Form von Sonnenlicht, um ein Wassermolekül in ein halbes Sauerstoffmolekül (O2; das Oxidationsmittel) und zwei Wasserstoffatome (H; das Reduktionsmittel) zu spalten, von denen jedes in ein Wasserstoffion (H+) und ein Elektron dissoziiert. Durch eine Reihe von Oxidations-Reduktionsreaktionen werden Elektronen (mit e- bezeichnet) von einem abgebenden Molekül (Oxidation), in diesem Fall Wasser, auf ein aufnehmendes Molekül (Reduktion) übertragen; diese „reduzierende Kraft“ kann letztlich an die Reduktion von Kohlendioxid auf Kohlenhydratniveau gekoppelt sein. Lebewesen, die Sauerstoff benötigen, kehren diesen Prozess um: Sie verbrauchen Kohlenhydrate und andere organische Stoffe und verwenden den von den Pflanzen synthetisierten Sauerstoff, um Wasser, Kohlendioxid und Energie zu bilden. Der Prozess, bei dem Wasserstoffatome (die Elektronen enthalten) aus den Kohlenhydraten entfernt und an den Sauerstoff weitergegeben werden, ist eine Reihe von Reaktionen, die viel Energie liefern.
Bei Pflanzen sind alle Schritte bis auf zwei in dem Prozess, der Kohlendioxid in Kohlenhydrate umwandelt, die gleichen wie die Schritte, die bei Tieren, Pilzen und Bakterien Zucker aus einfacheren Ausgangsstoffen synthetisieren. In ähnlicher Weise sind die Reaktionsreihen, die aus einem bestimmten Ausgangsmaterial bestimmte Moleküle synthetisieren, die in anderen Synthesewegen verwendet werden, bei allen Zelltypen ähnlich bzw. identisch. Aus der Sicht des Stoffwechsels unterscheiden sich die zellulären Prozesse, die in einem Löwen ablaufen, nur geringfügig von denen, die in einem Löwenzahn ablaufen.