Chemische Evolution

1.2	Evolution von Pro-zur Euzyte
1.2.1	Voraussetzungen für die Entstehung von Leben

Zunächst wollen wir uns einen Überblick über diese fast unvorstellbar lange Zeit machen. Der nachfolgenden Abbildung liegen tausende von Forschungsergebnissen aus den verschiedensten Naturwissenschaften zugrunde.

Mehrere Erkenntnisse sind bemerkenswert:

Am Anfang fand die physikalische und chemische Evolution statt
Die biologische Evolution begann relativ früh vor ca. 3,7 Milliarden Jahren mit den ersten Zellen
Die Photosynthese wurde relativ früh erfunden; vor ca. 3,5 Milliarden Jahren
Die Differenzierung einfacher Zellen und die Entwicklung zu eukaryontischen Zellen hat sehr lange gedauert (ca. 2 Milliarden Jahre)
Seit 1 Milliarde Jahre besitzt die Erdatmosphäre ca. 20 % Sauerstoff; der Anstieg der O₂-Konzentration ging realtiv schnell.
Wirbeltiere sind erst in allerjüngster Zeit der Erdgeschichte entstanden
Vielzellige aerobe Pflanzen und Tiere gibt es erst seit kurzer Zeit (seit ca. 700 Millionen Jahren)
80% der Zeit, seit es Leben gibt herrschten Prokaryonten

Hadean nennt man das Zeitalter von der Entstehung der Erde bis vor 3,8 Milliarden Jahre. Hier fand im Wesentlichen die physikalische und chemische Evolution statt. Die physikalische Evolution haben wir schon zuvor besprochen.

Chemische Evolution
Die biologische Evolution beginnt ab dem Auftauchen der ersten Zellen vor ca. 3,7 Milliarden Jahren. Zuvor müssen die typischen organischen Moleküle einer Zelle, wie Proteine, Fette und Nukleinsäuren entstanden sein.

Zu Beginn der 50er Jahre machte Stanley L. Miller an der University of Chicago, ein Experiment, das uns verstehen läßt, wie zu Beginn der Erdgeschichte in dieser lebensfeindlichen Umgebung aus anorganischen Stoffen organische enstehen konnten.

Stanley L. Miller ist links mit seiner berühmten Apparatur abgebildet. Das Prinzip des Experiments kann man der Animation ganz links entnehmen.

Man spricht auch vom Miller-Experiment.
Die Apparatur bestand aus zwei Hauptreaktionsräumen.

Im Gefäß unten simulierte er die Urozeane mit Wasser, das er erhitzte. Das Wasser konnte durch die Apparatur zirkulieren. In In das Gefäß oben, das mit H₂, NH₃, Methan und Wasserdampf gefüllt war, ragten 2 Elektroden, mit denen er Blitze erzeugen konnte. Die w-förmige Konstruktion am Boden des Kreislaufs ( entgegen dem Uhrzeigersinn) diente zum Auffangen etwaiger wässriger Reaktionsprodukte die zuvor durch den Kondensor geleitet werden (links Mitte).

Die Produkte des Miller Experiments

Teer

85%

unbedeutende Carbonsäuren

13.0%

Glycin

1.05%

Alanin

0.85%

Glutaminsäure

Spuren

Asparaginsäure

Spuren

Valin

Spuren

Leucin

Spuren

Serin

Spuren

Prolin

Spuren

Threonin

Spuren

Das Experiment lieferte viele Aminosäuren. Je nach Zusammensetzung änderte sich die Konzentration der Produkte. Jahre nach diesem Experiment fand man 1969 einen Meteoriten bei Murchison in Australien, der dieselbe Zusammensetzung an Aminsäuren hatte wie das Ergebnis beim Miller-Experiment.

Seither haben viele Wissenschaftler Millers Experiment in unterschiedlichen Varianten wiederholt. Als Energiequellen wurden Hitze, UV-Licht, Neutronenstarahlen, Licht, Schockwellen und Katalysatoren verwendet.

Dabei entstanden verschiedene Kohlenhydrate, Nukleotide, Fettsäuren usw. Dies zeigt, daß lebenswichtige organische Stoffe aus anorganischen entstehen können.

Diese konnte man experimentell noch nicht nachvollziehen. Es gab dazu allerdings interessante Experimente wie z. B. folgendes:

1970 zeigte Fox, daß wenn man bestimmte Proteine erhitzt, spontan sogenannte Mikrosphären von einigen Mikrometern Durchmesser gebildet werden (siehe links). Jede Kugel bestand aus einer Doppelmembran mit Material dazwischen. Diese Membran war denen der Lipidmembranen sehr ähnlich.

Das Experiment zeigte theoretisch die Bildung von Kompartimenten, ähnlich Zellen. Lipide bilden diese Mizellen spontan.

Der chemische Ursprung des Lebens könnte in 4 Stufen abgelaufen sein:

Stufe I

abiotische Synthese und Akkumulation kleiner organsicher Moleküle wie Aminosäuren, Nukleoside und Fette

Stufe II

Moleküle aus Stufe I kondensieren zu Polymeren

Stufe III

Bildung eines Kompartiments (Urzelle)

Stufe IV

Die Elemente der Stufen I-III kommen zusammen und erlangen die Eigenschaft der Vererbung. Erste Erbsubstanz war vermutlich katalytische RNA (Ribozym).*

Dieser Prozess hat mindestens 100 Millionen Jahre gedauert.

* Man hat 1980 festgestellt, daß RNA katalytische Aktivität bestitzt und sich selbst replizieren kann. In Gegewart von Zink bilden sich Nukleotidketten mit einer Kettenlänge von 40.
Der Urorganismus auch Protobiont genannt muß anaerob, hyperthermophil, halophil und chemolithoautotroph gewesen sein, (Reduktion von H₂ und Schwefel, Kohlenstofffixierung mit CO₂). Solche Organismen hat man in den letzten Jahren aus heißen Quellen isoliert.

Die Urorganismen waren also Prokaryonten und die Photosynthese wurde schon relativ früh erfunden. Cyanobakterien sind dazu in der Lage.

Leben konnten die Wissenschaftler bisher allerdings synthetisch nicht erzeugen. So bleibt auch die Entstehung von Zellen damals vor ca. 3,7 Milliarden Jahren im Dunkeln.

Das Archaikum ist die Zeit, in der die ersten Zelle entstanden. Die Erdatmosphäre bestand aus Methan und Ammoniak, also toxischen Gasen für die Lebewesen unserer Zeit. Die Erdkruste war genügend abgekühlt, daß sich die Landmassen bildeten.

Die ersten Sedimente vor ca. 3,8 Milliarden Jahre waren grau, ein Zeichen für reduziertes Eisen.

Dies ist nur in einer Sauerstoff-armen Atmosphäre möglich.

Die Photosynthese und die Produktion von Sauerstoff oxidierte Fe²⁺ zu Fe³⁺. Ab 2, 6 Milliarden Jahren fand man die typischen gebänderten Eisenformationen (BIFs) mit abwechseln roten und grauen Eisenschichten im Silikat (siehe rechts).

Aus dieser Zeit stammen auch die ältesten Fossilien. Es sind Cyanobakterien in präkambrischem Gestein aus Australien. Sie sind 3,5 Milliarden Jahre alt. (siehe unten ELMI-Aufnahmen)

Diese Bakteriengruppe hat sich bis heute kaum geändert. Man kann sie als Fossilien leicht erkennen, da sie Abbauprodukte von Pigmenten hinterlassen.

Überhaupt findet man aus dieser Zeit nur Bakterien als Fossilien z. B in Australien oder Südafrika als Stromatolithe.(siehe Bild unten links; Stromatolith aus China, 2 Milliarden Jahre)

rezenter Stromatolith aus Australien (oben)

Stromatolithen sind steinartige Strukturen, die durch Kolonien von Cyanobacterien entstehen. Diese sind von einer schleimigen Schicht umgeben, in die Kalkstein aus dem Untergrund gebunden wird (siehe unten links). Auf diese Weise entstehen Schichten. Man findet sie heute noch z. B. in Australien (siehe oben rechts) und bezeichnet sie auch als lebende Felsen. Sie wachsen ca. 1mm pro Jahr. Im Präkambrium waren diese Bakterien für den ersten Sauerstoff der Atmosphäre verantwortlich.

Oben rechts ist der Kona Dolomit (Michigan, USA) zu sehen, der 2.2 Milliarden Jahre alt ist.

Links ist ein 3,6 Milliarden Jahre alter Meteorit vom Mars zu sehen, den man in der Antarktis gefunden hat. Man fand in ihm merkwürdige Bakterien-ähnliche Strukturen, die allerdings sehr klein sind (ca. 40-50 nm). Auf der Erde sind nur die Mycoplasmen derart klein. Man vermutet auf dem Mars damals eine ähnliche Atmosphäre wie auf der Erde. Denkbar wären Mikroorganismen wie die Cyanobakterien, die Wissenschaftler sind sich jedoch nicht einig.