Die junge Erde und die Entstehung des Lebens
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Biozusammenfassung Kapitel 26 (deutsches Buch 24) Die junge Erde und die Entstehung des Lebens Geologische Ereignisse verändern sowohl die Umwelt als auch den Verlauf der biologischen Evolution (z.B. Auseinanderbrechen von Kontinenten). Aber auch das Leben prägt die Erde (z.B. photosynthetisierende Organismen beeinflussen den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre; der Homo SapiensStrassen usw.) Die Erde ist 4.6 Milliarden Jahre alt. Vor 3.5 – 4 Mia. Jahren entstand das Leben auf der Erde älteste Mikroorganismen ca. 3.5 Mia. Jahre alt, zur Zeit als sich die Erdkruste verfestigte. Man nimmt an, dass es sich dabei um Bakterien gehandelt hat ( einfacherer Bauplan als Eukaryoten). Zeugnisse für diese alten Prokaryoten wurden in Gesteinen gefunden, genannt Stromatolithen ( gr. Stroma = Lager, lithos = Gestein). Es sind geschichtete, kuppelförmige Gebilde aus Sedimenten. Diese Schichten entstehen durch Sedimente, die an den geleeartigen Hüllen der beweglichen Mikroben kleben bleiben. Diese Bakterien wandern stetig nach oben, bilden immer neue Schichten. Die ersten Zellen könnten durch chemische Evolution auf der jungen Erde entstanden sein Viele Biologen sind der Meinung das Leben ist aus lebloser Materie entstanden, die zuerst molekulare Aggregate bildete. Heutiger Wissensstand: keine spontane Bildung von Leben aus unbelebter Materie möglich. Aber: früher herrschten andere Bedingungen! Atmosphäre enthielt kaum Sauerstoff Radioaktivität, Einstrahlung (UV), Vulkanismus, Meteoriteneinschläge waren viel intensiver. in dieser Uratmosphäre konnte Leben entstehen, sonst wären wir heute nicht hier. Hypothetisches Szenario zeigt die Entstehung der ersten Organismen im Verlauf einer chemischen Evolution: 1. abiotiosche Synthese und Akkumulation kleiner organischer Moleküle (Biomonomere: wie etwa Aminosäuren und Nucleotide) 2. Verknüpfung der Monomere zu polymeren Makromolekülen (Proteine, Nucleinsäure) 3. Aggregation abiotisch entstandener Makromolekülen zu sphärischen Gebilden, genannt Protobionten ( besitzen im Vergleich zu ihrer Umgebung spezielle chemische Eigenschaften) 4. Entwicklung eines Vererbungsmechanismus in Laborexperimenten kann chemische Evolution getestet werden Die spontane abiotische Entstehung von Biomonomeren ist eine überprüfbare Hypothese Oparin (Russe) und Haldane (GB) behaupteten: spezielle Bedingungen auf der primitiven Erde hätten bestimmte chemische Reaktionen begünstigt. Heute könne das Leben nicht spontan gebildet werden, da zu viel Sauerstoff in der Atmosphäre ist. 1 Biozusammenfassung Kapitel 26 (deutsches Buch 24) Die Sauerstoff-Atmosphäre ist für die spontane Synthese komplexer Moleküle ungünstig, da Sauerstoff chemische Bindungen durch Elektronenentzug attackiert. Vor Photosynthese reduzierende (elektronenspendende) Atmosphäre, bestand hauptsächlich aus vulkanischen Gasen. Diese Atmosphäre fördert die Assoziation einfacher Moleküle zu komplexeren Verbindungen. Energie für Synthese wahrscheinlich von UV-Licht. Junge Sonnen emmitieren mehr UVStrahlung als ältere; früher noch keine Ozonschicht (Ozon = spezielle Form von Sauerstoff) Oparin und Haldane entwickelten Apparatur, welche ur-erdliche Bedingungen schuf Resultat: Apparatur produzierte Vielzahl von Aminosäuren und anderen organischen Verbindungen. Die Atmosphäre im Urey-Miller Versuch bestand aus H2O (Dampf), H2, CH4 und NH3 man nahm an: häufigste Gase in der Urwelt. (Seite 494 E; Seite 536 D) Aber. Vulkangase CO,CO2, N2 nicht beachtet, obwohl wahrscheinlich erhebliche Konzentration davon in der Uratmosphäre vorhanden. Bei den experimentellen Simulationen der Urerde gebildet: - alle 20 Aminosäuren - Proteine, Lipide, Zucker - Bestandteile der Nucleotide der DNA und RNA Bei experimenteller Simulation der Bedingungen auf der Urerde kondensieren Biomonomere zu Makromoleküle Biopolymere = aneinander gereihte Biomonomere z.B. Proteine Zwei Monomere verbinden sich durch Abspaltung eines Wassermoleküls (Dehydratisierung) in lebender Zelle machen dies spezielle Enzyme (Katalysatoren) in abiotischer Synthese: ohne Katalysatoren, zudem waren diese Monomere wahrscheinlich noch in wenig Wasser gelöst. In wässriger Lösung werden spontane Kondensationsreaktionen, bei denen noch mehr Wasser entsteht (Dehydratisierung), nicht begünstigt. Aber: Polymerisation erfolgreich, wenn verdünnte Lösung von Biomonomeren auf heissen Stein, Ton oder Sand getröpfelt werden. Wasser wird verdampft und Monomerkonzentrat auf fester Unterlage! Mit dieser Methode Proteinoide hergestellt (= abiotische Polypeptide) Urerde: vielleicht spülten Wellen oder der Regen verdünnte Lösungen von Abiomeren auf frische Lava oder heisses Gestein. Ton könnte gutes Substrat für Polymerisationsreaktionen gewesen sein. Kann Aminosäuren und andere Biomonomere aus verdünnter Lösung anreichern werden an geladene Gruppen der Tonpartikel gebunden an solchen Bindungsorten: Metallatome können als Katalysator wirken, welche Bindungsreaktionen zwischen Monomeren erleichtert Ton brachte Monomere eng zusammen (hat viele solcher Bindungsorte) und Monomere konnten so zu Polymeren vervbunden werden. Alternative zu Ton: Pyrit (FeS2) als Substrat für organische Synthese - hat geladene Oberfläche - Eisen und Schwefel (FeS2) wirken reduzierend 2 Biozusammenfassung Kapitel 26 (deutsches Buch 24) In experimenteller Simulation assoziieren sich Makromoleküle spontan zu Modellen von Protobionten Vorläufer von lebenden Zellen Protobionten Gebildet durch Aggregation von abiotisch entstandenen Makromolekülen Protobionten: deine exakte Reproduktion Bildung eines chem. Reaktionsraum, welcher von der Umgebung getrennt ist Stoffwechsel und Erregbarkeit (wichtige Eigenschaften des Lebens) Mikrosphären sind winzige Hohlkugeln (Proteinoide können aus sich solche Kugeln machen). Sie werden durch eine semipermeablen Proteinmembran begrenzt sind fähig osmotisch bedingte Schwellungen oder Schrumpfungen zu machen manche speichern Energie in Form eines Membranpotentials manche Protobionten können diese Spannung ähnlich den Nervenzellen entladen Protobiont lebt aber noch nicht, obwohl er einige typische Merkmale besitzt! Protobionten-Modelle Falls organische Bestandteile des Versuchsansatzes bestimmte Lipide enthalten, bilden sich andersartige Tröpfchen, sogenannte Liposome. Liposome organisieren sich an der Oberfläche des Tröpfchens in einer Doppelschicht wie Fetttropfen auf der Suppe Falls Polypeptide, Nucleinsäure und Polysaccharide geschüttelt werden, entstehen Koazervate können Substrate ihrer Umgebung absorbieren. Das erste genetische Material war vermutlich RNA, nicht DNA Aussehen der jungen Erde: Pfützen, Wasserlöcher u.a. wirkten zusammen mit Uratmosphäre wie chemische Labors. Nach mehreren 100 Mio. Jahren bildeten sich dort Protobionten. Verschiedene Protobionten, verschiedene Eigenschaften. Protobionten, welche am schnellsten wuchsen: waren sehr stabil konnten Makromoleküle gut akkumulieren verteilten ihre chemischen Komponenten auf Ableger Erfolgreiche Strukturen konnten noch nicht für längere Zeit fixiert werden, und waren damit noch nicht gesichert. Protobionten: wachsen, teilen sich, wachsen,... Diese Vorläufer der Zellen konnten aber ihre Identität nicht bewahren, denn ein Informationsträger fehlte. Mechanismen für... Replikation von Informationen Vererbung mussten ausgebildet werden. Lebende Zelle: speichert Information in DNA, transkribiert die Info in RNA und translatiert dann die Information an Ribosomen in Enzyme und Proteine. DNA RNA Protein = zelluläre Kontrollkette Selbstreplizierende RNA-Stränge könnten in Urzeit Aminosäuren miteinander verknüpft haben. Szenario einer RNA-Welt (Simulationsexperiment) 3 Biozusammenfassung Kapitel 26 (deutsches Buch 24) kurze Polymere aus Ribonucleotiden wurden abiotisch hergestellt Zugabe von RNA-Strang in Nucleotidlösung. Ergebnis: RNA kopiert sich ohne Katalysator Cech bewies (Mitte 1980): RNA Moleküle können als Katalysator wirken, denn RNAKatalysatoren sind Ribozyme (Seite 496 E; Seite 539 D) Ribozyme sind in Zellen vorhanden: Entfernung des Introns aus der RNA Helfen RNA zu synthetisieren (v.a. tRNA und rRNA) RNA wirkt also autokatalytisch Einzelsträngige RNA-Moleküle bilden Vielfalt dreidimensionaler Strukturen. Jede RNA Variante faltet sich zu einer bestimmten, einmaligen Konformation, welche durch Wasserstoffbrücken festgelegt wird. Molekül besitzt: „GENOTYP“ seine Nucleotidsequenz „PHÄNOTYP“ Interaktionen mit benachbarten Molekülen Beste Sequenz (welche Konkurrenzkampf gewinnt): ist am stabilsten und hat grösste autokatalytische Aktivität. Kopierfehler dieser stabilster Form können zu noch stabileren Molekülen führen, aber auch nicht. Selektion. Diese Selektion gelingt im Reagenzglas, ist also prinzipiell möglich. RNA funktionierte als einfache Matrize, welche Aminosäuren verknüpfte (heute wissen wir: rRNA macht das) vielleicht entstand ein kurzes Polypeptid, welches enzymatische Aktivität hatte half mit, RNA zu replizieren. Vielleicht entstand dadurch erste molekulare Kooperation in der Urzeit, obwohl Proteine und RNA noch nicht in Membran verpackt waren. Sobald aber diese Produkte in membranumhüllte Vesikel verpackt Weiterentwicklung (Seite 497 E / Seite 540 D) Kompartimierung (Zusammenschluss der RNA als Infoträger und eines Enzyms als Aktionsmolekül in demselben Vesikel) bringt viele Vorteile. Zusammenarbeit von Nucleinsäuren und Proteinen ermöglicht die biologische Evolution Wie durch zyklische Reaktionsfolgen zwischen präbiotischen Nucleinsäuren und Proteine replikative Systeme sein könnten, und damit chem. Evolution in eine biologische Evolution überging, beschreibt der Hyperzyklus (theoretisches Modell). Von nun an Evolution gemäss Darwin (survive of the fittest) zunächst Verfeinerung des primitiven Metabolismus und der Vererbung führte zu DNA als Vererbungsmolekül DNA dank Doppelhelix stabiler als RNA RNA fortan als Informationsvermittler bei Translation Die Diskussion über die Entstehung des Lebens geht weiter Laborsimulationen beweisen nicht, dass es so war, sondern dass es so geschehen sein könnte! Spekulationen Vielleicht brauchte es gar keine Entstehung einer abiotischen Synthese, denn möglicherweise erreichten organische Moleküle aus dem Weltraum die Erde. ( extraterrestrische organ. Verbindungen wurden in Meteoriten gefunden) 4 Biozusammenfassung Kapitel 26 (deutsches Buch 24) Viele Biologen von RNA-Welt nicht überzeugt: es ist sehr schwierig, RNA ohne Enzyme herzustellen, auch mit optimalen Bedingungen. Zudem: RNA-Stränge seien zu kompliziert. Es muss auch nicht sein, dass das Leben in Pfützen oder seichten Stellen begonnen hat. Aber: Der Sprung von einer sich selbst reproduzierenden Molekülaggregation zur einfachsten prokaryotischen Zelle ist enorm gross, braucht viele winzige Evolutionsschritte! Das Einteilen von Organismen in Reiche ist ein noch unvollendetes Werk Systematik hier um stammesgeschichtliche Verwandtschaften zwischen den Grossgruppen der Organismen zu rekonstruieren, die aus den ersten Lebewesen entstanden sind. Zuerst nur 2 Reiche: Tiere und Pflanzen man sah nur das Makroskopische Etwas später: Bakterien zu den Pflanzen zugeordnet (wegen starrer Zellwand); Pilze zu den Pflanzen (weil sie ortsgebunden sind) Einzellige, bewegliche Lebewesen zu den Pflanzen Lebewesen, die sich bewegen und Nahrung aufnehmen können zu den Tieren (auch Linné war ein Vertreter dieses 2-Reiche-Systems) 1969 (Whittaker): 5 Reiche (Monera/ Protista/ Plantae/ Fungi/ Animalia) unterscheidet Pro- von Eukaryoten, Prokaryoten bei Monera eingeteilt Pflanzen autotroph Pize heterotroph, die sich saprobiontisch ernähren (durch Absorption von Nährstoffen ihrer Ungebung) zersetzen ihre Nahrung. Tiere heterotroph, nehmen organische Nahrung auf Protista: Organismen, welche man nicht eindeutig zu Plantae oder Animalia zuteilen Kann (z.B. Euglena) Diese Einteilung ist aber künstlich und beruht nicht auf natürlichen Gegebenheiten. In den letzten Jahren: Vergleich der Nucleinsäure oder Proteine Verwandtschaftsgrad herausfinden Prokaryoten einzige Organismen über 2 Mia Jahre alt! 5
