Die Evolution der bioenergetischen Prozesse
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Die Evolution der bioenergetischen Prozesse 1. Vorbemerkung Unsachlich motivierte Feindseligkeit gegen den Darwinismus gewinnt neuerdings in Form des sogenannten Kreationismus an Boden. Er wird in mehreren Staaten der USA den Schulen aufgezwungen, d. h. die Lehrer müssen im Unterricht der Lehre von der gesonderten Schöpfung aller Arten von Lebewesen ebensoviel Raum geben wie der Entwicklungslehre, ob sie nun die gesonderte Schöpfung aller Arten von Lebewesen (4 Millionen) für richtig halten oder nicht. Auch die Schulbücher müssen entsprechenden Vorschriften Genüge tun, wenn sie zugelassen werden sollen. Daher stehen Verlage unter Druck, keine wissenschaftlich einwandfreien Schulbücher mehr herauszubringen. Angesichts dieser bedauerlichen Rückentwicklung sei im vorliegenden Beitrag dargelegt, wie die Wissenschaft auf einem bestimmten Gebiet, dem der Evolution der bioenergetischen Prozesse, im Rahmen der darwinistischen Vorstellungswelt Arbeit leistet. Natürlich sei gerne zugegeben, daß wir von einer befriedigenden Erklärung aller Erscheinungen innerhalb dieses Wissensgebietes weit entfernt sind. Mit Umwälzungen, oft auch für den Kenner überraschend, ist gewiß noch zu rechnen. Alle Meinungskämpfe laufen jedoch innerhalb des Rahmens der evolutionistischen Gedankenwelt ab. Keinem ernsthaften Forscher würde es einfallen, die allmähliche Entwicklung der bioenergetischen Prozesse anders als durch das Wirken von Mutation, Selektion und genetischer Rekombination zu begründen. Auf dieser Grundlage soll dargelegt werden, wie die Lebewesen in ihrer Entwicklung über Milliarden Jahre gelernt haben, ihren Energiebedarf zu decken. Es wird sich zeigen, daß belebte Natur und menschliche Technik durchaus verschiedene Wege gegangen sind. Die Fragestellungen müssen gerade auch an einer Technischen Universität interessieren. In der Gegenwart ermöglicht die Sonnenenergie durch die Photosynthese das Leben auf der Erde. Man schätzt, daß die Pflanzen alljährlich 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid der Luft assimilieren. Die Größe dieser Menge sei durch eine Überlegung veranschaulicht. Kohle und Öl enthalten zersetzte Biomasse. Die Menge an Kohle auf der Erde, die wirtschaftlich ausgebeutet werden kann, dürfte sich auf 7,6 Billionen (10 12), an Öl auf 0,6 Billionen Tonnen belaufen. Mit der gegenwärtigen Geschwindigkeit der Kohlenstoff-Assimilation könnten die angegebenen enormen Mengen an Kohle und Öl bereits in 50 bzw. 5 Jahren gebildet werden. Die Belege für diese Zahlenwerte findet man in einem Buch des Verfassers.' Übrigens ist noch nicht sicher, inwieweit die Vortrag beim Symposium zum 100. Todestag von Charles Darwin "Das Phänomen Evolution", Außeninstitut der Technischen Universität Wien, Mai 1982; erscheint im Sammelband "Das Phänomen Evolution", M. Horvat (Hrsg.), Literas Verlag, Wien 1986. Abdruck hier ohne Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis. 46 Kohlenwasserstoffe (Öl und vor allem Gas) ausschließlich biotischen und daher solaren oder aber zum Teil präsolaren (galaktischen) Ursprungs sind.' Offenbar kann die Assimilation nicht immer mit dieser riesenhaften Geschwindigkeit erfolgt sein. Die Erde war anfangs frei von Leben. Die ursprünglichen Lebensformen waren wahrscheinlich nicht photosynthetisch, da der Mechanismus der Photosynthese kompliziert ist, und die Geschwindigkeit muß zunächst bescheiden gewesen sein. Nun sollen einige zeitgenössische Ansichten über die Entwicklung der bioenergetischen Prozesse, also auch über die Entstehung und Entwicklung der Photosynthese, dargelegt werden - wie sie vom Verfasser ausgearbeitet wurden.' Die Vorstellungen sind freilich zum Teil hypothetisch und werden nicht in jeder Hinsicht von jedermann geteilt. 2. Ursprung des Lebens Nach Oparin J · ' und Haldane,'·5 deren Gedankengänge im allgemeinen, wenn auch nicht in jeder Einzelheit, von der Fachwelt angenommen werden, entwickelten sich die Lebewesen aus organischen Stoffen, die durch abiotische Prozesse gebildet worden waren. Nach diesen Autoren war die Atmosphäre, die mit der Hydrosphäre im Gleichgewicht stand, ursprünglich reduzierend und enthielt große Mengen an Wasserstoffverbindungen wie H 2 0, CH 4 , NHJ und H 2 • Die Erdkruste enthielt ebenfalls reduzierende Gase, die allmählich abgegeben wurden. Andere Autoren meinen, daß auf der Erde fast von Anfang an "redoxneutrale" Stoffe wie CO 2 und N2 vorherrschten, aber auch nach dieser Auffassung waren zur Zeit der Lebensentstehung Reduktionsmittel wenigstens in einem gewissen Ausmaß anwesend. Oxidationsmittel wie O2 waren jedenfalls in der Atmosphäre nicht vorhanden, in der sich das Leben entwickelte. Auf anderen Planeten, die kein Leben aufweisen, wird auch noch heute keine nennenswerte Menge an O2 gefunden. Während langer Zeit ging freier Wasserstoff allmählich in den Weltraum verloren, und das gleiche Schicksal hatte der Wasserstoff, den das kurzweilige Ultraviolett (UV) des Sonnenlichts durch photochemische Zersetzung aus seinen Verbindungen freimachte. Mangels einer absorbierend wirkenden Ozonschicht über der Erde war die UV-Strahlung intensiv. Daher ging die Atmosphäre allmählich aus einem reduzierenden in einen redoxneutralen Zustand über. Soweit photochemisch auch Spuren von Oxidationsmitteln, wie 02, entstanden, reagierten sie rasch mit den anfänglich reichlich vorhandenen Reduktionsmitteln und verschwanden wieder. Der Aufbau komplizierter organischer Stoffe in der frühen Atmosphäre und Hydrosphäre aus einfachen Stoffen erforderte Energie. Diese wurde wohl durch die UV-Strahlung und/oder durch elektrische Entladungen geliefert. Miller6 hat in klassischen Experimenten seit 1953 gezeigt, daß in reduzierenden Mischungen geeigneter Gase Aminosäuren und andere "Biomoleküle" in guter Ausbeute gebildet werden, wenn sie elektrischen Entladungen ausgesetzt werden. Seither sind von anderen Forschern Hunderte ähnliche Experimente ausgeführt worden. Möglicherweise wurden relativ einfache organische Moleküle auch während oder nach der Bildung der Erde aus dem Weltraum aufgenommen, und zwar über Meteoriten oder auf andere Weise. Organische Moleküle, die in den Urgewässern gelöst oder auch an Gesteine adsorbiert waren,' reagierten miteinander, wobei schließlich Polymere wie Proteine oder Nukleinsäuren entstanden. Nach Ansicht Oparins können sich solche Polymere zusammen mit anderen 47 Stoffen aus der "Ursuppe" (Haldanes Bezeichnung) als Tröpfchen ("Koazervate") abgeschieden haben. Solche Tröpfchen können sich zu "Protozellen"8 und sodann zu Vorläufern einzelliger Lebewesen, zu sogenannten Eobionten, entwickelt haben. Andere Autoren" schlagen vor, daß sich unter Beteiligung von Vorläufern von Proteinen und Nukleinsäuren "Hyperzyklen" gebildet haben. Die beiden Vorstellungen schließen einander übrigens nicht aus. Wie immer es gewesen sein mag, war diese "chemische Evolution" ebenso wie die anschließende biologische Evolution darwinisch. Im Kampf ums Dasein überlebten vorzugsweise die widerstandsfähigeren und besser angepaßten "Wesen", um einen neutralen Ausdruck zu gebrauchen. Dies galt insbesondere für jene Wesen, die imstande waren, sich auf Kosten von organischen Substanzen im Medium zu vermehren. Selektion ermöglichte weitere Entwicklung. Offenbar wird für das Überleben von Eobionten oder von weiter fortgeschrittenen Wesen stets Energie benötigt, ob sie nun unverändert bleiben oder sich entwickeln, d. h. es muß Arbeit geleistet werden. Die Formen der Arbeitsleistung werden alsbald aufgezählt werden. Die vorhandene Energie war zu Beginn galaktischen, vorwiegend aber wohl solaren Ursprungs, d. h. die reaktionsfähigen organischen Stoffe waren entweder im Weltraum oder durch die solare UV-Strahlung oder die elektrischen Entladungen aufgebaut worden, die durch atmosphärische Prozesse nach Einstrahlung von Sonnenlicht ermöglicht wurden. Dieser Aufbau erfolgte lange Zeit, bevor der biotische Prozeß auftrat, der als Photosynthese bezeichnet wird. 3. Energie aus Gärung Alle derzeit existierenden Lebewesen bestehen aus Zellen, die durch Membranen begrenzt sind. Wir kennen auch heute noch viele Arten von Zellen, die ihren Energiebedarf durch nichtphotosynthetische Umsetzungen organischer Stoffe unter anoxischen Bedingungen (in Abwesenheit von 02) decken, bei denen also Atmung im üblichen Sinn nicht möglich ist. Gemeint sind die anaeroben Bakterien, unter denen die Clostridien und die Methanbildner am bekanntesten sind. Man findet sie etwa in sauerstofffreien Tiefen von Gewässern oder innerhalb des Verdauungstraktes von höheren Tieren. Nach Pasteur bezeichnet man die bioenergetischen (Energie erzeugenden) Prozesse solcher Lebewesen als Gärungen oder Fermentationen. In der Technik werden diese Namen jedoch weniger restriktiv als in der biochemischen Wissenschaft verwendet. Zum Beispiel erfordert die bakterielle Essiggärung Oxidation des Alkohols durch Luftsauerstoff, d. h. der Prozeß ist nicht anaerob, sondern aerob. Vielleicht sind unter den heute noch überlebenden Bakterien die Clostridien den ursprünglichen Lebewesen am ähnlichsten. Auch die Methanbildner lO werden vielfach als entwicklungsgeschichtlich besonders alt betrachtet, doch sollten weitere experimentelle Resultate über ihre Eigenschaften, auch ihre bioenergetischen Prozesse, abgewartet werden, bevor ein Urteil gefällt wird; die Methanbildner weichen in ihren Eigenschaften von anderen Anaerobiern überraschend stark ab. Natürlich sei keinesfalls behauptet, daß die Anaerobier (oder andere Lebewesen) über geologische Zeiträume in jeder Hinsicht unverändert geblieben sind. Mit "alt" ist bloß gemeint, daß Eigenschaften von zentraler Bedeutung aus alter Zeit erhalten geblieben sind. Im gegebenen Zusammenhang denkt man an die Grundprinzipien der Energieproduktion. 48 Wenn der Biophysiker oder Biotechnologe von Energieproduktion spricht, so meint er natürlich nicht Produktion von Energie aus nichts, sondern Umwandlung von Energie in eine nützliche Form. In den gegenwärtigen Lebewesen wird die aus primären Quellen gewonnene Energie gewöhnlich zuerst in Form besonderer chemischer Verbindungen gespeichert und dann zur Anwendung gebracht. Sie wurden von Fritz Lipmann 11 energiereich genannt. Der bei weitem wichtigste dieser Stoffe ist das Adenosintriphosphat (ATP), das deshalb auch die universelle Energiewährung genannt wird. ATP ist ein weißes, kristallines Pulver mit dem Molekulargewicht 507, kann leicht abiotisch synthetisiert werden und ist billig im Handel. Die Zusammensetzung ist ClOH16013NsP3, und die Struktur kann durch das Schema (keine chemische Formel im üblichen Sinn) A-R-PC\lPC\lP wiedergegeben werden. A ist die heterozyklische Base Adenin, also ein organischer Stoff, der innerhalb eines Ringes neben Kohlenstoff auch andere Atome, in diesem Fall Stickstoff, enthält. R ist Ribose, ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen im Molekül, und P bezeichnet eine Einheit Phosphorsäure (genauer: eine Phosphorylgruppe). Das Zeichen C\l zeigt an, daß die Bindung energiereich ist. Nach Definition bedeutet dies, daß die Lösung dieser Bindung zu einer besonders starken Abnahme der freien Energie führt, die dann zur Verfügung steht. Natürlich werden die dabei freiwerdenden chemischen Valenzen durch Anlagerung anderer Atome abgesättigt. Falls es sich dabei um die Atome aus dem Molekül von Wasser handelt, spricht man von Hydrolyse. Die stationäre Konzentration von ATP in den Zellen ist immer gering, doch kann der Stoff rasch umgesetzt werden. So werden etwa in der Reaktion A - R - P C\l P C\l P + H 2 0 = A - R - P C\l P + P (1) d. h. ATP + H 20 = ADP [Adenosindiphosphat] + P [freies Orthophosphat], unter Standardbedingungen etwa 8 Kilokalorien je Mol verfügbar. Die Biochemiker und Biophysiker haben gefunden, daß die im ATP gespeicherte Energie für chemische Arbeit (Aufbau von Biomolekülen), osmotische Arbeit (Konzentrierung gelöster Stoffe), elektrische Arbeit (Ladungstrennung, etwa in Nervenzellen) und für mechanische Arbeit (Bewegung) verwendet werden kann. Grob gesprochen, ist ATP für derartige Prozesse sogar notwendig. Daher "bemühen" sich alle Zellen, in ihrem Energiestoffwechsel jederzeit hinreichende Mengen von energiereichen Stoffen, besonders von ATP, zu erzeugen. Dazu wird die ATPHydrolyse umgekehrt, und es findet Aufbau aus ADP + P statt. Für alle diese Aufbau- und Abbauprozesse benötigt die Zelle spezifische Enzyme als Katalysatoren. Die Gärungen bestehen im wesentlichen aus Reduktions-Oxidations-("Redox"-)Reaktionen, die exergon sind, also unter Abnahme des Gehaltes an freier Energie ablaufen und durch Koppelung mit Enzymen zum gleichzeitigen Aufbau von ATP aus seinen Komponenten führen. Es sei in Erinnerung gerufen, daß in Redox-Reaktionen Elektronen von Reduktionsmitteln auf Oxidationsrnittel übertragen werden. Falls gleichzeitig Wasserstoffionen übertragen werden, kann man von Transhydrogenierung sprechen, da ja H+ + e- = H. In wässerigen Systemen sind H+-Ionen stets gegenwärtig. Die am besten bekannte Gärung ist die Milchsäuregärung, die in vielen Arten von Bakterien, auch in Clostridien, außerdem aber auch in den Zellen höherer Organismen gefunden wird: (2) 49 Obwohl diese Form der Gärung über ein Dutzend Stufen verläuft, jede durch ein spezifisches Enzym katalysiert, besteht die Gesamtreaktion einfach in der Spaltung eines Moleküls Glukose in 2 Moleküle Milchsäure. Gleichzeitig werden "zwangsweise" 2 Moleküle ATP aufgebaut, d. h. die beteiligten Enzyme werden nur wirksam, wenn diese Voraussetzung erfüllt werden kann. Die genauere Untersuchung lehrt, daß die Spaltung zu einer Verschiebung von H-Atomen innerhalb der organischen Substanz, also zu einer Redox-Reaktion führt. In diesem Fall verläuft die Verschiebung intramolekular. Die alkoholische Gärung, etwa durch Hefe, ist bloß eine Variante der Milchsäuregärung. Es gibt aber auch Gärungen, die sich von der Milchsäuregärung viel stärker unterscheiden. Die Gärungen und auch die übrigen bioenergetischen Prozesse verlaufen isotherm. Temperaturdifferenzen innerhalb von Zellen sind gering. Soweit sie bestehen, werden sie nicht ausgenützt. Darin liegt ein grundlegender Unterschied gegenüber den wichtigsten technischen Verfahren zur Erzeugung von Energie. Man kann daher auch von chemodynamischen statt von thermodynamischen Prozessen sprechen, obwohl die Gesetze der Thermodynamik natürlich eingehalten werden. 4. Photosynthetische Bakterien Nachdem die Gärer sich in der Ursuppe stark vermehrt hatten, drohte Erschöpfung des ursprünglichen Vorrats an Stoff und Energie. Die Biomasse als Produkt von Lebewesen tendierte zu exponentiellem Wachstum, während die abiotische Produktion von organischen Substraten des Energiestoffwechsels mehr oder weniger gleichmäßig verlief. Daher waren Organismen, die eine neue, zusätzliche Quelle von Energie verwerten konnten, im Vorteil. Im Rückblick kommt man leicht zum Urteil, daß die einzige in Betracht kommende neue Energiequelle im Licht bestand. Wir können wohl kaum erwarten, daß Bakterien imstande waren, Kernenergie zu verwerten! So entstanden scWießlich durch Mutation und Selektion, also nach Darwinschen Mechanismen, die photosynthetischen Bakterien. Die heute noch existierenden Arten photosynthetischer Bakterien verwenden sichtbares und bis zu einem gewissen Grad infrarotes (IR), aber kein ultraviolettes Licht. Wahrscheinlich wurde letzteres niemals durch irgendwelche Lebewesen verwendet, d. h. das Licht, das von photosynthetischen Bakterien ausgenützt wurde (und wird), unterschied sich qualitativ von jenem Licht, das die Ursuppe erzeugt hatte. Dies ist insofern verständlich, ais die UVQuanten wegen ihres hohen Energiegehalts komplizierte Verbindungen zerstören und sich daher für geordnete, konstruktive Photochemie wenig eignen. Übrigens übertrifft der Fluß der Sonnenenergie im Sichtbaren und im IR den im UV bei weitem. Es ist ein glücklicher Umstand, daß wir diese relativ einfachen und primitiven photosynthetischen Lebewesen, die photosynthetischen Bakterien, noch studieren können. Aber im Haushalt der Natur wurden sie schon vor langer Zeit durch die Pflanzen überholt, die weiter fortgeschrittene photochernische Mechanismen verwenden und von denen später die Rede sein wird. Die Bakterien und die Pflanzen fangen Lichtquanten durch Arten von Chlorophyll ein. Dies ist eine Gruppe nahe verwandter Stoffe bekannter Struktur. Bakteriochiorophyil A ist in den Bakterien und Chlorophyll A in den Pflanzen photochemisch aktiv. Wir kennen die "purpurnen" und die "grünen" photosynthetischen Bakterien, die zwar morphologisch verschieden sind, sich aber in ihren bioenergetischen Prozessen weitgehend gleichen. Die 50 Farben stammen von akzessorischen Pigmenten, die neben dem Bakteriochlorophyll vorliegen. Die bioenergetischen Prozesse in den Gärern mußten ATP erzeugen. Daher ist anzunehmen, daß die erste, ursprüngliche Aufgabe der Photosynthese gleichfalls die Erzeugung von ATP war. Es ist plausibel, daß in den frühen photosynthetischen Bakterien die Gesamtwirkung des Lichts insofern in einer Umkehr der Gärungsreaktion bestand, als einerseits Oxidations- und andererseits Reduktionsmittel gebildet wurden. In diesem Zusammenhang ist interessant, daß durch die sogenannten Krasnovsky-Reaktionen '2 Lösungen von Chlorophyll (in nichtwässerigen Lösungsmitteln; Chlorophyll löst sich nicht in Wasser) im Licht die Verschiebung von Elektronen oder H-Atomen zwischen verschiedenen Verbindungen bewirken. Zum Beispiel gilt Askorbinsäure + NAD+ ~ Dehydroaskorbinsäure + NADH + H+. (3) NAD+ ist Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid, ein biogenes Oxidationsmittel von größter Bedeutung, und NADH ist seine reduzierte Form. * In gemeinsamer Lösung unterliegen Oxidations- und Reduktionsmittel spontanen Rückreaktionen, so daß keine hohen stationären Konzentrationen dieser Stoffe auftreten. Größere Mengen können vorliegen, falls die Photoreaktion innerhalb einer Membran erfolgt, die zwei "Kompartimente" (Räume) in solcher Weise voneinander trennt, daß das neu gebildete Oxidationsmittel auf der einen, das Reduktionsmittel auf der anderen Seite der Membran erscheint. Es ist vorstellbar, daß ein anisotropes System dieser Art so gestaltet wird, daß die Rückreaktion nur entlang eines bestimmten Reaktionsweges erfolgt, und,zwar so, daß sie zwangsweise mit ATP-Synthese verknüpft ist. Dabei müssen Enzyme mitwirken. Derartige "asymmetrische" Membranen, die zu "vektoriellen" Reaktionen befähigt sind, existierten (und existieren) schon in nichtphotosynthetischen Anaeroben, wo sie "aktiven Transport" bewirken. Dies ist der gerichtete Transport gelöster Stoffe entgegen ihrer natürlichen Flußrichtung auf Kosten zellulärer Energie; dabei wird osmotische Arbeit geleistet. Es gibt anscheinend überhaupt keine lebende Zelle ohne aktiven Transport. Die Theorie der vektoriellen Reaktionen in Membranen, die zu aktivem Transport und zu ATPSynthese führen, beruht auf den radikal neuartigen Gedanken von Peter Mitchell,13 die nun von den meisten Bioenergetikern angenommen werden. Auch die Maschinerie für die Photosynthese, also die durch Chlorophyll "photokatalysierte" endergone Redox-Reaktion, ist tatsächlich in Membranen lokalisiert. Diese haben eine dauernd wohl orientierte Struktur. ATP-Synthese durch Lichtenergie wird photosynthetische Phosphorylierung oder kurz Photophosphorylierung genannt, weil dem ADP eine Phosphorylgruppe zugefügt wird, wie oben gezeigt wurde. In Bakterien wurde dieser Prozeß durch Frenkel" und in Pflanzen durch Arnon 1' aufgefunden. Wann immer ATP das einzige Produkt der Photosynthese ist, gibt es im schließlichen Gesamteffekt keine RedoxReaktion, d. h. alle Elektronen kehren schließlich zu ihrer Quelle zurück. Dann spricht man von zyklischem Elektronenfluß und von zyklischer Photophosphorylierung. • Zur Vereinfachung im Druck wird das Pluszeichen in NAD+ oft weggelassen. In vielen Organismen wird NAD durch eine eng verwandte Verbindung, sogenanntes NADP, ersetzt; die reduzierte Form ist NADPH. Wann immer beide Verbindungen gemeint sind, kann man NAD(P) bzw. NAD(P)H schreiben. 51 Nach der Erfindung der Photophosphorylierung in ihrer zyklischen Form konnte das Leben im Prinzip in alle Zukunft weiterbestehen. Die Sonne konnte stets den Energiebedarf decken. Jedoch war die Menge der Biomasse noch immer dadurch begrenzt, daß zunächst im wesentlichen nur jene Menge an organischem Kohlenstoff verfügbar war, die abiotisch in reduzierte Form gebracht worden war. Vermutlich war aber viel mehr Kohlenstoff in Form von CO z, z. T. in Form von Salzen (Bikarbonat im Ozean), als in Form von organischen Stoffen vorhanden. Daher hatten die Lebewesen einen starken Anreiz zur Verwendung von Lichtenergie nicht nur zur ATP-Synthese, sondern auch zur Reduktion von CO z zum Zweck der "Assimilierung" oder "Fixierung" von Kohlenstoff. Dazu mußte allerdings in der Umgebung ein Reduktionsmittel gefunden werden, das die zur Reduktion nötigen Elektronen lieferte; der zyklische Prozeß genügte nicht. Ein häufig vorliegendes Reduktionsmittel bestand im reduzierten Schwefel (schematisch: HzS), obwohl nicht auszuschließen ist, daß zunächst Hz angewendet wurde. Das Prinzip der photochemischen Gesamtreaktion mit HzS ist 2 HzS + CO z = (CHzO) + HzO + 2 S (4) wobei (CHzO), in Klammer, die Einheitsmenge an Kohlehydrat und nicht etwa Formaldehyd, CHzO, bedeutet. Kohlehydrat ist der Hauptbestandteil von Biomasse. Zum Beispiel bestehen Baustoffe (Zellulose) und bioenergetische Speicherstoffe (Stärke, Glykogen) oft aus Polymeren, die durch Kondensation von Glukose unter Austritt von HzO gebildet werden. Glukose wird durch die Formel C6H 1Z 0 6 - im bioenergetischen Schema einfacher: 6 (CHzO) - repräsentiert. Reaktion (4) ist unter Standardbedingungen im Ausmaß von 115 kcal endergon, sie benötigt also freie Energie. Die Energie, durch die die Reaktion durchgezogen wird, stammt wieder von der Sonne. Diesen photosynthetischen Prozeß beobachtet man in den purpurnen und grünen Bakterien, die deshalb auch als gefärbte Schwefelbakterien bezeichnet werden. Die meisten Lagerstätten von Schwefel beruhen auf Prozeß (4). Einige Arten machen in ihrem lichtgetriebenen Redox-Prozeß nicht nur elementaren Schwefel, sondern sie erzeugen in einem weiteren Schritt auch Sulfat: 0,5 HzS + CO z + HzO = (CHzO) + 0,5 H ZS0 4 • (5) Die Reihe von lichtunabhängigen ("Dunkel"-)Reaktionen, die der Lichtabsorption folgen und schließlich zu Kohlenstoff-Assimilation aus CO z führen, also zur Synthese von (CHzO), wird als Calvin-Zyklus l6 bezeichnet. Der Zyklus ist in allen photosynthetischen Organismen, die ein Chlorophyll verwenden, identisch oder wenigstens sehr ähnlich. Für den Calvin-Zyklus werden zwei Produkte der Lichtreaktion benötigt, nämlich Reduktionsmittel [NAD(P)H] und ATP. Nur für deren Herstellung ist Energie nötig. (In Klammer: In "Halobakterien" , die in konzentriertem Salzwasser leben, wurde kürzlich ein neuartiger photosynthetischer Prozeß entdeckt, bei dem ein Carotenoid ["Bakteriorhodopsin"] statt eines Porphyrinderivats [Chlorophyll] als Photokatalysator verwendet wird. Bei dieser Art der Photosynthese wird wohl ATP, aber kein Reduktionsmittel erzeugt. Der Kohlenstoff der Biomasse entstammt daher nicht dem CO z, sondern organischen Verbindungen der Umgebung. Entwicklungsgeschichtlich kann der Prozeß nicht mit der gewöhnlichen Photosynthese zusammenhängen. Er dürfte neueren Ursprungs sein.) 52 Kontroverse besteht über den Mechanismus der Produktion des primären Reduktionsmittels NADH durch die gefärbten Schwefelbakterien, das dann die Assimilation von CO 2 ermöglicht. Erzwingen sie die Reaktionen (4) und (5) durch Einsatz von ATP, das in einem zyklischen Prozeß photosynthetisch erzeugt wird? Oder heben sie Wasserstoff mit direkter Hilfe von Lichtenergie aus dem Energieniveau des H 2S in das Niveau des Reduktionsmittels NADH? Im letzteren Fall würde man von "nichtzyklischem" oder "offenendigern" Elektronenfluß sprechen. Vermutlich arbeiten beide Prozesse nebeneinander, und ihre relative Bedeutung hängt von den Umständen ab. Vielleicht wurde die erstere Möglichkeit in der Natur früher verwirklicht. 5. Blaualgen Wie immer es damit stehen mag, jedenfalls war eine Zunahme der Biomasse durch die Tätigkeit der gefärbten Schwefelbakterien oder verwandter Organismen nur möglich, solange ein Vorrat von reduzierten Schwefelverbindungen oder anderen geeigneten Elektronenquellen vorhanden war. Früher oder später mußte der Vorrat an leicht zugänglichen Reduktionsmitteln erschöpft und eine neue Grenze für die Expansion der Biomasse erreicht werden. Abermals hatten die Lebewesen einen starken Anreiz, durch Hervorbringung neuer bioenergetischer Maßnahmen auf dem Wege von Mutation und Selektion eine Grenze zu überwinden. Die Lösung wurde durch die Blaualgen gefunden. Diese urtümlichen Algen ähneln in ihrer Morphologie noch den Bakterien, so daß viele Forscher sie lieber als Blaubakterien bezeichnen. (Sie sind übrigens keineswegs immer blau oder auch nur bläulich; die Farbe hängt wieder von akzessorischen Pigmenten ab.) Sie sind aber jedenfalls von den gefärbten Schwefelbakterien durch die Grundtatsache scharf unterschieden, daß sie H 2 0 statt H 2S als Elektronenquelle verwenden können. Freilich können einige Arten von Blaualgen im Bedarfsfall noch immer H 2S statt H 20 anwenden, sich also auf eine Photosynthese bakteriellen Typs zurückziehen. Die Gesamtreaktion mit H 20 kann in einer Form angeschrieben werden, durch die die Analogie mit (4) betont wird: (6) Vertrauter ist die inhaltlich identische Form: (7) Dieser photosynthetische Gesamtprozeß liegt auch in den höheren Algen (Grünalgen u. a.) und überhaupt in allen Pflanzen vor. Daher kann die Art des Prozesses auch zur Definition der Pflanze verwendet werden, wobei man freilich farblose Pflanzen, die den Prozeß durch saprophytische oder parasitische Lebensweise nachträglich wieder verloren haben, einschließen wird. Falls man nun die Blaualgen ebenso wie sonstige, höhere Algen Pflanzen nennt, trennt man sie natürlich von den Bakterien. Man kann sie dann nicht Blaubakterien nennen. Es wäre nämlich höchst unzweckmäßig, Bakterien und Pflanzen zusammenzufassen, wie dies früher oft geschah. Vom Standpunkt der Bioenergetik ist die Bezeichnung "Blaualgen" vorzuziehen. 53 Die entscheidend wichtige Ähnlichkeit zwischen (4) und (6) wurde von C. B. van Niei" entdeckt. Natürlich wird nur durch die pflanzliche, nicht aber durch die bakterielle Photosynthese Sauerstoff freigesetzt; dies ist die direkte Folge der Verwendung von Wasser als Quelle von Elektronen. Daher muß die Erdatmosphäre vor der Entstehung der Blaualgen im wesentlichen anoxisch geblieben sein. Photolytischer O 2 aus der photochemischen Zersetzung von Wasserdampf durch UV kann nicht viel ausgemacht haben. Die Blaualgen waren und sind außerordentlich erfolgreich. Sie entstanden spätestens etwa 1,5 Gigajahre ("GJ": 1,5 Milliarden Jahre) nach der Bildung der Erde und existieren daher schon während 3,2 GJ. Während dieser langen Zeit änderten sich einige der Arten morphologisch nur wenig. Allerdings traten später "filamentöse" (Faden-)Algen auf. Sie bestehen statt aus Einzelzellen aus zusammenhängenden Reihen von Zellen, so daß Differenzierung möglich wurde. Obwohl die Reaktionen (4) und (6) in Analogie stehen, unterscheiden sie sich doch stark in ihrer Energetik. Die freie Energie, die in (6) investiert werden muß, beträgt 115 kcal und übertrifft jene für (4) um eine Größenordnung. Die Fähigkeit der Algen zur Erzwingung einer so stark endergonen Reaktion durch Sonnenlicht war eine erstaunliche Errungenschaft. Tatsächlich erforderte sie ein neues Prinzip. Zur energetischen Hebung jedes Elektrons aus der Urquelle, H 20, bis zum Ziel, NADP, genügt nicht 1 Lichtquant, wie dies bei Bakterien mit der Urquelle H 2S zutrifft, sondern es müssen in einem wohlgeordneten Prozeß nacheinander 2 Quanten absorbiert werden. Diese Tatsache drückt sich im sogenannten Z-Schema aus, welches zuers(von HilI und Bendal1'8 vorgeschlagen wurde. Nach diesem Schema wird ein Quant zuerst durch "Photosystem 2" absorbiert und ein Elektron auf ein höheres (nach Definition stärker negatives) Potential gehoben. Es wird dabei von einer Art Chinon aufgenommen, dessen Molekül durch zwei Elektronen (und 2 H+-Ionen) zu einem Molekül Hydrochinon reduziert wird. Sodann fließen die Elektronen "bergab", d. h. zu Stoffen abnehmenden negativen Potentials. Dieser Fluß erfolgt in einer Kette von exergonen ("dunklen") Redox-Reaktionen. Schließlich wird jedes Elektron in ein "Loch" in "Photosystem 1" aufgenommen. Das Loch war vorher durch photochemische Hebung eines Elektrons aus diesem Photosystem entstanden. Man beachte, daß die beiden Photosysteme sozusagen verkehrt numeriert sind, d. h. entgegen der zeitlichen Reihenfolge im Elektronenfluß. Die Elektronen aus Photosystem 1 landen im Ferredoxin. Dies ist eine Art Protein, die außerdem noch Eisen sowie anorganisch gebundenen Schwefel enthält und sich durch besonders hohes negatives Potential auszeichnet. (Ferredoxine verschiedener Art werden übrigens auch in photosynthetischen und anderen Bakterien gefunden.) Das reduzierte Ferredoxin schließlich überträgt Elektronen auf NADP und macht daher (unter Beteiligung von H-Ionen) NADPH. Der exergone Elektronenfluß über die "Brücke" zwischen den beiden Photosystemen ist mit der Synthese von ATP verknüpft, d. h. im beschriebenen nichtzyklischen 2-QuantenProzeß wird nicht nur Reduktionsmittel (reduziertes Ferredoxin und sodann NADPH), sondern auch energiereicher Stoff gewonnen. Belichtete Pflanzen sind jedoch ebenso wie Bakterien auch zu zyklischem Elektronenfluß mit ATP-Aufbau befähigt, also zu zyklischer Photophosphorylierung. Das quantitative Verhältnis zwischen dem nichtzyklischen und dem zyklischen Prozeß kann offenbar je nach dem unter den herrschenden Verhältnissen bestehenden Bedarf an NADPH und ATP geregelt werden. 54 Die beiden Phot 0 systeme der Pflanze beruhen beide auf Chlorophyll A, die reaktiven Moleküle dieser Art müssen sich aber in den beiden Fällen in unterschiedlichen Zuständen mit verschiedenen Potentialen befinden. Sie sind unter Mitbeteiligung von Proteinen in verschiedene Festkörperstrukturen eingebettet, ähnlich wie dies auch für das einzige Photosystem der photosynthetischen Bakterien zutrifft. Die beiden pflanzlichen Photosysteme haben unterschiedliche photochemische Aktionsspektren; Photosystem 1 spricht stärker auf "fernrotes" Licht (längere Wellen) an als Photosystem 2. Daher ist die Ausbeute an Biomasse nur dann optimal, wenn die beiden Photosysteme gleichzeitig genügend Licht geeigneter Wellenlänge bekommen, wenn also das Licht, das besser von dem einen Photosystem verwertet wird, durch Licht ergänzt wird, auf das das andere Photosystem stärker anspricht. Diese superadditive Ausnützung von Licht führt zum sogenannten Emerson-Effekt. '9 6. Atmende Organismen Die Pflanzen sind das Nonplusultra der Bioenergetik. Für grenzenlose Vermehrung brauchen sie nichts als Licht, Salze, H 2 0 und CO 2 • Nach der Erfindung der pflanzlichen Photosynthese konnte das Leben fast die ganze Erde in Besitz nehmen. Während der Ausbreitung der Blaualgen verwandelten sie die Atmosphäre, die ursprünglich reduzierend und später redoxneutral, jedenfalls aber anoxisch gewesen war, in eine oxidierende (oxische) Atmosphäre. So wurden für das Leben ganz neue Bedingungen geschaffen. In den Ozeanen erschien von den Blaualgen erzeugtes O2 viel früher als vor 2 GJ, wobei es freilich durch lange Zeit durch dortige Reduktionsmittel, etwa Ferroion, beseitigt wurde, in der Atmosphäre vor weniger als 2 GJ. Diese Schätzungen sind dadurch möglich, daß O 2 Eisen aus der Wertigkeit 2 in die Wertigkeit 3 überführt. Dreiwertiges Eisen findet sich in marinen Ablagerungen viel früher als in kontinentalen Gesteinen. In der oxischen Biosphäre mußten alle Organismen sehen, wie sie mit dem aggressiven Sauerstoff fertig wurden. Für manche Lebewesen ist Sauerstoff ein gefährliches Gift geblieben. Das sind die obligat anaeroben Bakterien, die schon erwähnt wurden. Andere Lebewesen bildeten Mechanismen zur Verteidigung gegen O2 aus. Viel besser war natürlich, wenn O2 bioenergetisch ausgenützt werden konnte. Vom Standpunkt der Biochemie und Biophysik, der freilich mit dem der gewöhnlichen Stoffwechseiphysioiogie nicht zusammenfällt, ist dies das Wesen der Atmung oder Respiration. Zum Beispiel kann die Verwertung von Glukose durch die Gleichung (8) dargestellt werden, also durch Umkehrung von (7). Die freigesetzte Energie beträgt daher 115 kcal je Mol Kohlenstoff oder 690 kcal je Mol Glukose - eine große Menge. Die wichtigsten Wesenszüge der Atmung sind stets die gleichen, doch werden unter den aeroben Bakterien im einzelnen auch Verschiedenheiten festgestellt. Wahrscheinlich hat sich die Atmung in verschiedenen Gruppen von Bakterien und auch in den Blaualgen unabhängig und parallel entwickelt. Die Mechanismen der Atmung wurden am gründlichsten an den Mitochondrien studiert, besonderen intrazellulären Organellen, die allerdings in Bakterien und Blaualgen nicht vorkommen. Man findet sie aber in beinahe allen höheren Zellen. Festgestellt wurde, daß 55 Glukose, das als typisch betrachtete Substrat, zunächst ebenso wie bei der Milchsäuregärung zu Pyruvat abgebaut wird. Dieses wird dann in den "Zitronensäure"- oder "Krebs"Zyklus eingeführt und dort zu CO 2 und H 20 aufoxidiert. Gleichzeitig werden in diesen vorbereitenden Prozessen Reduktionsmittel, besonders NADH, erzeugt. Diese beliefern dann die sogenannte Atmungskette mit Elektronen. Diese Kette besteht aus einer Reihe von Redoxstoffen, die in Membranen eingebaut sind. Der exergone Fluß von Elektronen zwischen diesen Stoffen ist mit ATP-Synthese gekoppelt. Im Gesamtprozeß der "Verbrennung" von 1 Glukose zu 6 CO 2 + 6 H 2 0 werden vermutlich 38 Moleküle ATP synthetisiert, also fast zwanzigmal soviel wie bei der Verwertung von Glukose bei der Milchsäuregärung. Der Zahlenwert 38 ist zwar neuerdings wieder zur Diskussion gestellt worden, doch kann an der enormen energetischen Überlegenheit der Atmung über die Gärung kein Zweifel bestehen. Fast alle Zellen höherer Lebewesen sind zur Atmung befähigt, wenn auch die grünen Teile der Pflanzen bei Tageslicht ihren ATP-Bedarf vorwiegend durch Photosynthese decken. Die gegenwärtige Biosphäre wird durch die antagonistischen Prozesse einerseits der pflanzlichen Photosynthese mit Erzeugung von O2 und andererseits der Atmung mit Verbrauch von O 2 beherrscht. Beiderlei Prozesse werden zum ATP-Aufbau verwendet. Es wurde schon erwähnt, daß bei der Photosynthese der Elektronenfluß in Membranen durch photosynthetische Phosphorylierung ATP ergibt. Jetzt haben wir bei der Atmung einen ähnlichen Prozeß gefunden; er heißt oxidative Phosphorylierung. Überdies sind die Redox-Stoffe, die in den beiden Fällen den Elektronenfluß vermitteln, chemisch ähnlich und manchmal sogar identisch. Diese auffallende Übereinstimmung muß entwicklungsgeschichtlich erklärt werden. Ein unabhängiger Ursprung beider Systeme ist auf Grund der großen Übereinstimmung gewiß abzulehnen. Mindestens in der beschriebenen Form, in der O2 als schließlicher (terminaler) Elektronenakzeptor diente, konnte die Atmung erst nach der pflanzlichen Photosynthese auftreten. Offenbar erfolgte eine Anpassung an die bereits vorher vorliegende Maschinerie für Photosynthese, d. h., die Maschinerie wurde "konvertiert" ("Konversions-Hypothese").' Es ist allerdings möglich, daß das Prinzip des mit ATP-Synthese gekoppelten Elektronenflusses in primitiver Form schon vor der Einführung der Photosynthese vorhanden war. 20 Dann müssen freilich wegen des Fehlens von O2 andere terminale Elektronenakzeptoren verwendet worden sein, etwa bei Gärungen entstandenes Fumarat." Bei dessen Reduktion entsteht Succinat. Für das Studium des Übergangs von der Photosynthese zur aeroben Atmung eignen sich besonders Zellen, die die beiden Arten von Prozessen in einem und demselben Raum ausführen, nämlich gewisse fakultativ aerobe purpurne Schwefelbakterien sowie die Blaualgen. Dabei scheint sich zu zeigen, daß Teile der Strukturen, die dem Elektronenfluß dienen, wahlweise im Rahmen des Gesamtprozesses der Photosynthese oder auch der Atmung verwendet werden können. Andere Organismen verloren nach der Erwerbung der Fähigkeit zur Atmung die Fähigkeit zur Photosynthese. Ein Beispiel für solche chlorophyllfreie Lebewesen sind die Coli-Bakterien. In einigen Gruppen von Bakterien werden andere terminale Elektronenakzeptoren als O 2 verwendet, etwa Nitrat, Sulfat oder, wie schon erwähnt, Fumarat ("Nitrat-Atmung" usw.). Diese Organismen werden "chemosynthetisch" genannt. In all diesen Fällen wird ebenfalls durch oxidative Phosphorylierung ATP erhalten. Die Frage des Ursprungs solcher Prozesse ist von Interesse. Zum Beispiel kann die Nitrat-Atmung erst entstanden sein, 56 nachdem Nitrat in der Biosphäre häufig geworden war; dies traf wohl nur auf die spätere, oxische Biosphäre zu. In bezug auf Fumarat ist die Lage, wie bemerkt, anders. In einer weiteren interessanten Gruppe von Atmungs(Elektronenfluß-)prozessen bestehen die Reduktionsmittel (Elektronenquellen) nicht aus organischen, sondern aus anorganischen Stoffen, etwa Sulfiden, während O2 oder Nitrat als terminale Elektronensenken dienen. Eine derartige Oxidation von Sulfid mit ATP-Synthese wird durch die weißen ("farblosen") Schwefelbakterien, die Thiobacilli, durchgeführt. Sie können in oxidierenden Bedingungen aus den gefärbten Schwefelbakterien entstanden sein, wieder mit Konversion einer photosynthetischen in eine respiratorische Elektronenflußkette, die ja beide der ATPProduktion dienen. Abschließend sei nochmals nachdrücklich betont, daß die Atmungsprozesse im Gegensatz zu den gleichfalls ohne Teilnahme von Licht ablaufenden Gärungsprozessen nur in und an Membranen, also nicht in homogener Lösung stattfinden. Sie erfordern also einen viel höheren Organisationsgrad der Zellen. Immerhin gibt es, wie erwähnt, auch schon atmende (aerobe) Bakterien. In Abwesenheit von Elektronenakzeptoren (0 2 oder Nitrat) können sie oft das zum Leben nötige ATP durch Gärung erzeugen, also auf diesen älteren Prozeß zurückgreifen (fakultative Anaerobier). 7. Eukaryoten aus Prokaryoten Die Entstehung höherer Organismen war nur bei reichlicher Energieversorgung möglich, nachdem sich also die pflanzliche Photosynthese und die Atmung entwickelt hatten. Tatsächlich erschienen, wie man der Untersuchung von Mikrofossilien entnimmt, die ersten Zellen, welche die radikal verbesserte innere Organisation von "Eukaryoten" zeigen, vor etwa 1,5 GJ. Eukaryoten haben abgegrenzte Zellkerne und die schon erwähnten der Atmung dienenden Mitochondrien sowie, wenn es sich um photosynthetische Organismen handelt, auch Chloroplasten. Die älteren "Prokaryoten", also Bakterien und Blaualgen, enthalten alle keine solchen "Organellen". Die Kompartimentierung von Zellen bezüglich der bioenergetischen Prozesse bietet bei deren gesonderten Regelung große Vorteile. Man beachte aber, daß die verschiedenen bioenergetischen Prozesse, also Gärung, Photosynthese und Atmung, in ihren Grundlagen schon durch Prokaryoten hervorgebracht worden waren. Fixierung von Stickstoff (N 2) ist bisher sogar überhaupt nur als Eigenschaft von Prokaryoten bekannt. Entweder konnten jene prokaryotischen Zellen, aus denen sich die eukaryotischen Zellen entwickelten, N 2 nicht binden, oder es ging diese Fähigkeit später verloren. Die bemerkenswerte Hypothese des Ursprungs der Eukaryoten durch Symbiose kann nur kurz genannt werden. 22 Es wird vorgeschlagen, daß die Mitochondrien ursprünglich aus endosymbiontischen aeroben Bakterien entstanden sind, die in die (ebenfalls prokaryotischen) Wirtszellen eingedrungen waren. Ähnlich können die Chloroplasten ursprünglich aus endosymbiontischen Blaualgen entstanden sein, die die Wirtszellen mit Photosynthat versorgten. Später verloren die Endosymbionten einige ihrer ursprünglichen Fähigkeiten und ihre genetische Unabhängigkeit. Die Organeilen der gegenwärtigen Eukaryoten enthalten nur mehr wenig Erbmasse, also DNA. Aus den eukaryotischen Einzellern entwickelten sich die Vielzeller. In ihnen sind Differenzierung und Arbeitsteilung möglich. Bei den höchsten Lebewesen, etwa Insekten 57 und Wirbeltieren, wurde die Arbeitsteilung sehr weit getrieben. Dagegen wird bei Prokaryoten Differenzierung nur gelegentlich und ansatzweise beobachtet, so bei den filamentösen Blaualgen, wo es Zellen gibt, die auf die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff spezialisiert sind. Aufbau und Abbau von ATP erfolgen auch bei Vielzellern stets intrazellulär, da der Stoff nicht durch die Zellmembran durchtreten kann. Jede Zelle sorgt für die eigene Energie. So enthält etwa ein Wirbeltier, das aus 1013 Zellen besteht, ebenso viele "Kraftwerke". Anders als in der menschlichen Energiewirtschaft ist daher die natürliche Energiewirtschaft völlig dezentral. Offenbar war den Vielzellern eine Zentralisierung der Energieerzeugung nicht mehr möglich, auch wenn sie Vorteile gebracht hätte. Die Umstellung wäre zu schwierig gewesen. Fossile vielzellige Tiere (Metazoa) mit weichen Körpern werden erstmals in der Ediacara-Periode (vor 0,68 GJ) gefunden. 23 Doch sind natürlich Überreste von Tieren mit harten Bestandteilen, zunächst Schalen und später auch Knochen, viel reichlicher. Sie erscheinen zuerst, vor 0,58 GJ, im unteren Kambrium. Die ersten vielzelligen Pflanzen (Metaphyta) finden sich ebenfalls im Kambrium. Alle frühen Organismen lebten in Gewässern. Die dauernde Eroberung des Landes fand erst im Silur (vor 0,4 GJ) statt. Die Hauptursache der Verzögerung war, daß das Leben in einer nassen Umgebung mit nur wenig wechselnden Eigenschaften grundsätzlich leichter ist als das Leben zu Lande, daher an der Luft. Überdies schützte das Wasser die frühen Organismen vor der solaren UV-Strahlung. Die frühe, anoxische Atmosphäre ließ die Strahlung durch, so daß die Lebewesen die Absorption im Wasser brauchten. Erst die verbesserte Energieversorgung durch die Atmung ermöglichte schließlich die Bewältigung der Schwierigkeiten im Leben zu Lande. Auch bildete sich in der oxischen Atmosphäre in großer Höhe die bekannte Ozonschicht, die das kurzweilige UV fast vollständig verschluckt.>' Während bei der weiteren Entwicklung der Vielzeller, also der Tiere, Pflanzen und Pilze, keine grundlegenden Änderungen in den Verfahren zur Erzeugung von Energie erfolgten, wurden die Methoden zu ihrer Verwendung fortlaufend verbessert. Dies setzte Ausbau der Informationsübertragung innerhalb der immer komplizierter werdenden Organismen voraus. Sie erfolgte zunächst hormonal und bei Tieren später vorwiegend neural. Fähigkeit zu Reflexen, sodann Gedächtnis, also geistige Funktionen, entstanden. Dadurch ergaben sich auch in einigen Tierstämmen, besonders bei Insekten und Wirbeltieren, Möglichkeiten zum sozialen Zusammenwirken von mehreren, ja vielen Individuen. Mit der Ausbildung von Bewußtsein und freiem Willen 25 wurde schließlich die höchste Stufe erreicht. Wir haben keinen Grund, an irgendeiner Stelle dieser langen Entwicklungsreihe vom Eobionten zum Menschen eine Diskontinuität anzunehmen. Mutation, Selektion und später auch genetische Rekombination (in hochentwickelter Form: Sexualität) sind stets die maßgebenden Mechanismen gewesen. 8. Die Entwicklung des atmosphärischen Stickstoffs Die bisher angestellten Überlegungen führen auch zu Hypothesen über den Einfluß der bioenergetischen Evolution auf den Oxidationszustand des atmosphärischen und hydrosphärischen Stickstoffs. 25,26,27,28,29,30.31 In der ursprünglichen reduzierenden Biosphäre konnte 58 der Stickstoff teilweise als NH 3 vorliegen, doch hatte er wegen der leichten photochemischen Zersetzung dieses Stoffes durch UV gewiß meist die Form von Nz. Bereits die frühesten Bakterien benötigten NH3 zur Synthese von Aminosäuren und anderen Biomolekülen. Nachdem aber spätestens in der redoxneutralen Biosphäre Mangel an NH 3 auftrat, mußten Bakterien die Assimilation von Nz auf dem Wege über seine Reduktion (Fixierung) lernen. Viele Arten von gärenden, photosynthetischen und atmenden Prokaryoten fixieren N z; in jedem Fall muß viel ATP aufgewendet werden. Das notwendige Enzymsystem, Nitrogenase genannt, könnte sich aus Enzymen des Hz-Stoffwechsels entwickelt haben. Diese Entwicklung dürfte lange Zeit beansprucht haben. In der späteren, oxischen Biosphäre hat NH3 ähnlich wie HzS chemosynthetischen Bakterien als Substrat, also als Elektronendonor für oxidative Phosphorylierung durch Elektronenfluß gedient. Dieser Prozeß heißt Nitrifikation und führt zu Nitrit und Nitrat. Andererseits dienen diese Stoffe, wie erwähnt, als terminale Elektronenakzeptoren bei der Nitrat-(Nitrit-)Atmung, auch als "dissimilatorische" Nitrat-(Nitrit-)Reduktion bekannt, wobei abermals ATP-Synthese durch Elektronenfluß erfolgt. Die für diese Reduktion verantwortlichen Organismen werden als Denitrifikanten bezeichnet. Die Produkte sind Nz oder NzO, aber der letztere Stoff ergibt bald Nz. So funktioniert in unserer Biosphäre ein Zyklus des anorganisch gebundenen Stickstoffs zwischen den Wertigkeitsstufen - 3 (NH3), ± 0 (Nz) und + 5 (NO}). (Neben der dissimilatorischen Nitrat-Reduktion mit ATP-Erzeugung gibt es auch eine assimilatorische Nitrat-Reduktion, die zum Einbau von Stickstoff in vollständig reduziertem Zustand in Biomasse führt. Der Prozeß verläuft oft in Lösung, erfordert also keine Membranen und liefert kein ATP. Auf ihn soll hier nicht weiter eingegegangen werden. Analog kennt man bei Prokaryoten auch eine dissimilatorische und eine assimilatorische Sulfat-Reduktion.) Die globale Umsatzzeit im genannten Stickstoffzyklus kann mangels an genauen experimentellen Unterlagen nur grob geschätzt werden: etwa 10-100 Millionen Jahre. Zum Vergleich: Die Umsatzzeit des Wasserstoffs im Wasser der Ozeane auf Grund der Photosynthese beträgt 15 Millionen Jahre, jene des Sauerstoffs der Atmosphäre bloß 6000 Jahre und jene des Kohlenstoffs im verfügbaren CO z (COz-Gas und Bikarbonat in Lösung) sogar nur 500 Jahre. Obwohl Nz ebenso wie 0z immer wieder durch die Tätigkeit von Organismen ergänzt wird, besteht ein grundsätzlicher Unterschied zwischen den Rollen der beiden Elemente. In Abwesenheit von Leben, d. h. auch nach dem Ende allen Lebens, würde die Atmosphäre zwar weiterhin Nz, aber nach einer gewissen Zeit kaum mehr 0z enthalten. Dieses würde mit Reduktionsmitteln in der Erdkruste reagieren, während Nz inert ist. 9. Ausblick Die hier vorgelegten Gedanken über bioenergetische Evolution sind meistens auf Grundlage von Deduktion formuliert worden, d. h. ein entwicklungsgeschichtlicher Stammbaum wurde nach Betrachtung der bioenergetischen Prozesse in den derzeit existierenden Lebewesen entworfen. Das Schema wurde mit Hilfe dreier Kriterien gestaltet. Jeder Schritt in der Evolution mußte 1) thermodynamisch möglich, 2) biologisch nützlich oder mindestens neutral und 3) mechanistisch plausibel sein. Kriterium 3 beinhaltet auch, daß die einzelnen Schritte nicht zu groß sein durften. 59 Natürlich darf der deduktiv erhaltene Stammbaum nicht der induktiven Beweislage widersprechen. Induktive Beweisstücke wurden durch die Sequenzanalyse bei Proteinen und Nukleinsäuren, 32,33 durch mikropaläontologische34 und geochemische3s • 36, 37 Untersuchungen sowie durch Arbeiten über die Isotopenzusammensetzung von abgelagerten Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen38 ,39 geliefert. Die Aufklärung der Evolution der bioenergetischen Prozesse hat erstens enormes wissenschaftliches Interesse, das man zunächst als akademisch bezeichnen könnte. Zweitens haben die evolutionistischen Ideen große Bedeutung für eine natürliche Klassifikation der Organismen. Drittens hilft das Verständnis der evolutionären Möglichkeiten und Wege bei der Suche nach noch unentdeckten Gruppen von Lebewesen, besonders von Prokaryoten. Viertens erleichtert Kenntnis des Stammbaums die Didaktik, da der Lernende die so vielfältigen bioenergetischen Prozesse und ihre Träger nicht mehr mechanisch auswendig lernen muß. Schließlich, also fünftens, kann die Betrachtung der bioenergetischen und ihrer evolutionären Zusammenhänge auch technologische Studien fördern. Erinnert sei an die Verbesserung der Leistungen der vielen Mikroorganismen, die zur Herstellung von Stoffen verwendet werden, durch Züchtung. 40 Auch denkt man an die technische Nutzbarmachung der Sonnenenergie auf dem Weg über die Photolyse des Wassers.'"42. 43 Diese ist, wie man gesehen hat, der Kernpunkt der pflanzlichen Photosynthese. Für technische Zwecke müßte man künstliche Systeme aufbauen, in denen statt reduziertem FerredQ)cin H 2 entsteht. Da die Standard-Redox-Potentiale der beiden Stoffe gleich sind, sie also gleich leicht oder gleich schwer erzeugt werden können, besteht theoretisch die Möglichkeit zu solchen Systemen. Ein sehr kleiner Teil der Energie des auf die Erde auftreffenden Sonnenlichts würde genügen, alle vernünftigen Bedürfnisse der Menschheit zu befriedigen; die gesamte auftreffende Energieleistung beträgt 40 000 Kilowatt pro Kopf. Wenn es uns gelingt, nach diesem Verfahren die Energieprobleme zu lösen, so hat die Menschheit im Kampf ums Dasein im Sinne Darwins einen wichtigen Schritt vorwärts getan. 1 E. Broda: The Evolution of the Bioenergetic Processes, Pergamon Press, Oxford 1975; durchgesehene Auflage, Oxford 1978. 2 T. Gold, S. Soter: The deep-earth-gas hypothesis, Scient. Amer. 242 (6), 130 (1980). 3 A.1. Oparin: The Origin of Life, Macmillan, London 1938, und spätere Ausgaben. Die ursprüngliche Arbeit Oparins erschien 1924 in Russisch. 4 Siehe J. D. Bemal: The Origin of Life, Weidenfeld and Nicolson, London 1967. 5 J. B. S. Haldane: The Origin of Life, The Rationalist Annual (1929). 6 S. L. Miller: Production of some organie compounds under possible primitive Earth conditions, J. 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