4_Evolution des Lebens

J. Herlet; 2012-2016
Arbeit in 2 Teilen: I) Organisation des Lebendigen; II) Evolution des Lebens
1. Die kosmische Evolution bis zur Entstehung des Lebensraums Erde
Wie wir heute wissen, entstand das Universum vor etwa 14 Milliarden Jahren mit einem
„Urknall“ und dehnt sich seither aus. Damals war die gesamte Materie und Energie des
heutigen Universums in einer kosmischen Keimzelle auf unvorstellbar kleinem Raum
verdichtet. Der Urknall ist für uns nicht vorstellbar, er bezeichnet auch keine „Explosion“ in
einem bestehenden Raum, sondern die gemeinsame Entstehung von Materie, Raum und Zeit.
Aus diesem Urknall ist ein Universum hervorgegangen, in dem sich zunächst nur gasförmige
Wolken aus Wasserstoff (75%) und Helium (25%) bildeten, den beiden leichtesten
Elementen. Durch die Wirkung der Schwerkraft verdichteten sich die Wasserstoff- und
Helium-Gase des frühen Universums zu ersten Sternen und Galaxien. Das Innere der zu
Sternen kollabierenden Gaswolken erreichte durch den Gravitationsdruck so hohe
Temperaturen und Dichten, dass atomare Verschmelzungsprozesse zündeten, bei denen
Schritt für Schritt alle schwereren Elemente, wie z.B. Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff bis
hin zu Eisen entstanden. Massereiche Sterne verbrennen schnell, Sterne von 10-facher
Sonnenmasse haben ihren Brennstoffvorrat schon nach 100 Millionen Jahren aufgebraucht
und enden dann in einer gewaltigen Supernova-Explosion. Bei diesen Supernovae wird der
größte Teil des Sternes mit allen darin enthaltenen Elementen als Gas und Staub wieder an
den Weltraum abgegeben, wo er als Baumaterial für die Bildung nachfolgender
Sterngenerationen und Planeten verwendet werden kann. Alle Atome der lebenden Materie,
die schwerer als Wasserstoff sind, wurden daher im Inneren längst erloschener Sterne
gebrannt. Der Wasserstoff, der in Form von Wasser und anderen molekularen Verbindungen
in uns steckt, entstand jedoch bereits in den ersten Minuten nach dem Urknall.
So entstand auch das Sonnensystem mit seinen Planeten vor etwa 5 Milliarden Jahren aus
einem interstellarem Gas- und Staubnebel, der durch seine eigene Gravitation kollabierte.
Die Entstehung unseres Planetensystems ist noch nicht genau verstanden, grob muss sich
folgendes abgespielt haben: der in sich zusammenstürzende Gasnebel geriet analog einer
Pirouette in immer schneller Rotation, wobei sich die Materie im Zusammenspiel mit der
Schwerkraft in einer flachen, mit rotierenden Scheibe um das Zentrum zu konzentrierte. Diese
hat sich nach Geburt der Sonne unter Einfluss lokaler Gravitationszentren und Kollisionen
nach und nach weiter zu Protoplaneten und schließlich zu den Planeten verdichtet. Dies
erklärt auch, warum alle Planeten in Drehrichtung der Sonne um diese kreisen, und ihre
Umlaufbahnen annähernd in der Äquatorebene der Sonne liegen.So entstand vor ca. 4.600
Millionen Jahren auch die Erde als eine weißglühende Kugel aus zähflüssigem Magma.
Mit der Sonne entstand ein Stern vom Typ G, d.h. von einer Größe und Zusammensetzung,
die eine lange Lebensdauer von ca. 10 Milliarden Jahren gleichbleibender Ausdehnung und
gleichmäßiger Strahlungsleistung ermöglicht. Mit der Erde entstand ein Planet, dessen Bahn
genau in der begrenzten Sphäre der Sonne verläuft, in der die Oberflächen-Temperatur eines
Planeten im Rahmen der Toleranzgrenzen für Leben bleibt (auf dem es flüssiges Wasser
geben kann; die Venus ist dafür zu heiß, der Mars vermutlich zu kalt)
Das erste Äon der Erdgeschichte von vor etwa 4.600 bis etwa 4.000 Millionen Jahren wird
Hadaikum (auch „vorgeologische Ära“) genannt. In dieser Phase wurde die Erde zunächst
noch massiv von weiteren Materiebrocken und Kleinplaneten bombardiert, die durch das
junge Sonnensystem schwirrten. Relativ gesichert ist die Theorie der zufolge auch der Mond
vor 4,5 Milliarden Jahren durch Einschlag eines etwa Mars-großen Protoplaneten entstand,
der das Wegschleudern einer großen Magmamenge bewirkte. Der Mond hat daher eine
identische geochemische Zusammensetzung wie die Erdkruste. Das ständige Bombardement
führte zu einem Anwachsen und einer Aufheizung der Erdmasse. Das glutflüssige Gestein
differenzierte sich allmählich, die schwereren Elemente wie Eisen und Nickel sanken ab und
bildeten den Erdkern, die leichten, wie Silizium und in Mineralien gebundener Sauerstoff
formten allmählich Erdmantel und Erdkruste. Aus dieser Formationsphase ging die Erde vor
etwa 4,4 Milliarden Jahren als eine Kugel mit einer verfestigten Rinde aus nacktem Granitund Basaltfels sowie einem heißen, glutflüssigem Inneren, und - daraus resultierend - einer
heftigen vulkanischen Aktivität hervor. Das älteste Gestein der Erde aus dem Norden Kanadas
(Kanadisches Schild) wurde auf ein Alter von 4,3 Milliarden Jahren datiert.
Die Erde drehte sich damals noch so schnell, dass der Tag nur 10 Stunden hatte, der Mond
befand sich fast 7 mal näher an der Erde, die Sonneneinstrahlung war wesentlich schwächer.
(Die Abbremsung der Erdrotation seither durch die Gezeitenkräfte des Mondes resultierte in
einer entsprechenden Zunahme des Bahndrehimpulses und damit des Abstands des Mondes.)
Für die spätere Entstehung des Lebens auf dem Planeten Erde waren neben dem passenden
Sonnenabstand vor allem dessen Größe und chemische Zusammensetzung wichtig. Auf
Grund der richtigen Größe der Erde und des damit verbundenen Gravitationsdrucks konnte
sich in ihrem Inneren ein glutflüssiger äußerer Eisenkern bilden. (Der innere Eisenkern ist
wegen des zu hohen Gravitationsdruckes trotz einer Temperatur von ca. 6000 Grad Celsius
fest). Durch Anwachsen und weitere Verdichtung des inneren Kerns sowie durch den Zerfall
radioaktiver Elemente (wie Uran, Thorium oder Radium) in den Erdschalen wird das
Erdinnere bis heute und weit in Zukunft in einem Maß weiter aufgeheizt, dass es flüssig bleibt
und ständigen Wärmezirkulationen unterliegt. Ohne diese Konvektionsströmungen im
Erdinneren gäbe es kein Magnetfeld, das uns von dem energiereichen Sonnenwind abschirmt,
keinen Vulkanismus, der die Erdatmosphäre und die Erdozeane geschaffen hat, und keine
Wanderbewegungen der Erdplatten (Plattentektonik), welche die Gebirgsbildung in Gang hält
und das Abtragen der Kontinente und ihr Absinken in die Ozeane verhindert.
Die Ur-Atmosphäre der Erde und die Ur-Ozeane entstanden in einer relativ kurzen, nur einige
Jahrzehntausende dauernden Übergangsepoche als Folge dieser vulkanischen Aktivität.
Dabei wurden im Erdinneren eingeschlossener Wasserdampf und Gase in ungeheuren
Mengen herausgeschleudert. Wasserdampf kondensierte zu Regen und prasselte auf die noch
weit über 100 Grad heiße Erdoberfläche nieder um sofort wieder zu verdampfen. Während
dieser Abkühlungsphase besaß die Erde eine unglaublich dichte Atmosphäre aus kochendem
Wasserdampf und Gasen, der kein Schimmer Sonnenlicht durchdringen ließ, dazu
jahrtausendelang anhaltende gewaltige Wolkenbrüche und pausenlos tobende Gewitter.
Als die Erdoberfläche hinreichend abgekühlt war sammelte sich das Regenwasser in den
großen Senken der Erdoberfläche und bildete die Ur-Ozeane. Die Atmosphäre aus Gasen wie
Kohlendioxyd, Methan Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Stickstoff, und wurde klar und
durchsichtig, enthielt aber keinen freien Sauerstoff, was an den Verwitterungsspuren von
Gesteinen der damaligen Erdepoche erkennbar ist.
Entstammt alles irdische Oberflächenwasser vulkanischer Aktivität? Der über Jahrmilliarden
anhaltende Vulkanismus hat jedenfalls weiter enorme Mengen von Gestein und Wasser an die
Erdoberfläche gebracht. Auch heute stoßen die Vulkane der Erde pro Jahr noch ca. 3 km3
Gestein und große Mengen Wasserdampf aus. Einer anderen Theorie zu Folge entstammt
aber auch ein erheblicher Anteil des irdischen Wassers aus Einschlägen wasserreicher
Asteroiden in der Frühzeit der Erde. Weitgehend ungeklärt ist, warum auf den anderen
erdähnlichen Planeten wie Venus und Mars kaum oder kaum mehr Wasser zu finden ist.
2. Die Entstehung des Lebens auf der Erde durch chemische Evolution
Die Einheit des Lebens. Aus den Erkenntnissen der modernen Biochemie wissen wir heute,
dass alles Leben stammesgeschichtlich miteinander verwandt ist, also aus einer Urzelle
stammt, von deren Überleben einst alles abhing. Dies ergibt sich eindeutig aus der
Universalität zentraler Lebensstrukturen und Prozesse. Alle Lebewesen bauen DNA und RNA
aus den gleichen 5 Nukleotid-Bausteinen auf, alle nutzen die gleichen 20 genetisch
programmierten Aminosäuren für den Aufbau ihrer Proteine, alle steuern die ProteinBiosynthese über den universell gültigen genetischen Code, allen dient ATP als zentraler
Energiezwischenspeicher für Zellarbeit. Auch der Grad der Unterschiede bei den Proteinen
gleicher Funktion ist sehr gering.
Leben aus dem Kosmos? Wir wissen heute, dass im Weltraum organische Grundstoffe
vorkommen, dass es ferner in den obersten Schichten der Atmosphäre mikroskopische
Organismen gibt, die auch einen ungeschützten Aufenthalt im Weltraum überleben würden,
und dass es für diese kleinsten Organismen prinzipiell auch möglich ist, mittels des
Strahlendrucks der Sonne in Weltraum hinaus zu wandern. Also könnte auf diese Weise auch
Leben auf die Erde gelangt sein. Dies ist jedoch sehr unwahrscheinlich und würde das
Problem der Lebensentstehung nur an einen anderen Ort im Kosmos verlagern. Der
biochemische Aufbau des Lebens aus Proteinen und Nukleinsäuren spricht auch eindeutig
dafür, dass das Leben unter den spezifischen Bedingungen der frühen Erde entstanden ist.
Leben als Ergebnis einer chemischen Evolution: Man nimmt daher heute an, dass das
Leben auf der Erde in einem etwa 500 bis 700 Millionen Jahre dauernden Prozess einer
chemischen (abiotischen) Evolution entstand, der nach Formation des Planeten Erde, seiner
Uratmosphäre und der Urozeane vor ca. 4,4 Milliarden Jahren begann. Da alle heutigen und
auch alle fossil erhaltenen Lebewesen einer Abstammung sind, ist diese abiotische Entstehung
von Leben entweder ein sehr unwahrscheinlicher und daher einmaliger Akt gewesen, oder
Leben konnte sich deshalb nur einmal bilden, weil die Entstehung neuen Lebens unter dem
Konkurrenzdruck existierenden Lebens unmöglich ist; spätere Ansätze der Natur in diese
Richtung wurden einfach aufgefressen, bevor sie sie sich etablieren konnten.
Die ältesten bisher entdeckten fossilen Lebensformen sind 3,4 -3,5 Milliarden Jahre alte
Einschlüsse algenartiger Einzeller ähnlich heutigen Cyanobakterien sowie fossile Algenriffe,
sogenannte Stromatolithen, die aus Ablagerungen von Stoffwechselprodukten frühzeitlicher
Mikroorganismen in Gewässern entstanden sind.
(Mögliche Lebensspuren aus der Isua-Formation in Grönland, deren Alter auf 3,8 Mrd. Jahre
datiert wurde, sind umstritten. Bei diesen 3 µm großen Objekten deutet der C- Isotopenanteil
auf photosynthetisch aktive Mikroorganismen hin.)
Bei aller Primitivität stellen diese Organismen bereits ziemlich komplizierte Lebensformen
dar. Klar ist auch, dass die ersten Lebensformen viel einfacher gewesen sein müssen als das
einfachste heutige Bakterium. Auch im einfachsten heute bekannten Bakterium laufen
gleichzeitig Hunderte chemischer Reaktionen ab. Dieses komplexe Zusammenwirken hat sich
sicher über lange Zeiträume aus ursprünglicheren Lebensformen Schritt für Schritt entwickelt.
Aber auch die Urzelle muss bereits die Grundeigenschaften des Lebens besessen haben, einen
Stoffwechsel zur Energieversorgung und die Fähigkeit zur Vermehrung.
Für die Entstehung von Leben waren zwei entscheidende Voraussetzungen gegeben, das
Vorhandensein von Wasser und das Fehlen von freiem Sauerstoff in der Uratmosphäre.
Wasser ist der stoffliche Mittler für alle biochemischen Reaktionen und hat eine Reihe lebensstützender Eigenschaften (s. Teil 1, Kapitel 4). Das Leben ist im Wasser entstanden und hat
dieses auch nach seiner Entstehung für ca. 3 Milliarden Jahre nicht verlassen. Alle bekannten
Lebensvorgänge finden in Anwesenheit von Wasser statt. Auch unsere Zellen bestehen zum
größten Teil aus Wasser.
Freier Sauerstoff in der Uratmosphäre wäre mit dem Wasserkreislauf auch in die Meere
gelangt und hätte wegen seiner hohen chemischen Aktivität die Bildung und hinreichende
Beständigkeit komplexer organischer Moleküle gar nicht zugelassen. Er entstand erst später
durch das Leben selbst, und dieses musste dann lernen, die zersetzende Wirkung des
Sauerstoffs im Zellstoffwechsel auszuschalten und diesen in der Zellatmung zu nutzen.
Der Ablauf der chemischen Evolution bis zur Zündung des Lebens kann heute nur
ansatzweise skizziert werden, von einem wirklichen Verständnis ist man noch sehr weit
entfernt. Unterscheiden kann man dabei (wenigstens) 4 spezifische Phasen:
1. Die Entstehung organischer Grundbausteine (Nukleotide, Aminosäuren etc.) in
Uratmosphäre und Ur-Ozeanen und deren Anreicherung in den Ur-Ozeanen.
2. Die Entstehung komplexer Biomoleküle als elementare Grundbausteine des Lebens
durch Verkettung von Aminosäuren zu Proteinen und von Nukleotiden zu
Nukleinsäuren.
3. Die Entstehung präbiotischer Zellstrukturen, mit einem primitiven Stoffwechsel, der
diesen Strukturen aber eine gewisse Stabilität verlieh.
4. Die Entstehung einer ersten replikationsfähigen Urzelle
Die Entstehung organischer Grundbausteine aus anorganischen Verbindungen der
Atmosphäre und des Meeres wird durch das Miller-Urey-Experiment gestützt. Dabei setzt
man ein Gemisch aus Wasserdampf und Gasen der Uratmosphäre elektrischen Entladungen
aus, welche Gewitterblitze nachbilden sollen. Bei diesem und ähnlichen Experimenten
entstanden nach gewisser Zeit viele organische Grundbausteine heutiger Lebewesen (z.B.
Aminosäuren, Nukleotid-Basen wie Adenin, einfache Fettsäuren). Durch den Wasserkreislauf
haben sich diese Bausteine im Lauf der Zeit auch in den Ur-Ozeanen angereichert. Als
Energiequelle könnten auch vulkanische Wärme oder UV-Strahlen gedient haben.
Die Entstehung komplexer Biomoleküle:
Die Entstehung von Nukleotiden oder langkettigen Membran-bildenden Lipiden sowie die
Verkettung (Polymerisation) von Aminosäuren zu Proteinen bzw. von Nukleotiden zu
Nukleinsäuren ist jedoch durch diese Experimente kaum zu erklären. Die Entstehung und
Anreicherung dieser Biomoleküle in einer „Ursuppe“ von Lebensbausteinen hat sehr
wahrscheinlich eine kontinuierliche Energieversorgung auf chemischer Basis erfordert, die
beständig Energie zur Synthese dieser Biomoleküle geliefert hat. Geeignete Urerde-Szenarien
sind noch Gegenstand der Forschung. Die oberen Schichten der Ur-Ozeane wurden von dem
damals viel näher um die Erde kreisenden Mond derart aufgewühlt, dass sich darin kaum die
notwendige Konzentration an organischen Stoffen hätte ansammeln können. Heute werden
eher warme Flachgewässer oder am Boden des Urmeeres gelegene Hydrothermal Quellen
(schwarze Raucher) als die Orte vermutet, in denen das Leben entstand.
In Flachgewässern konnten sich komplexe Biomoleküle trotz der damals sehr intensiven UVStrahlung anreichern, ohne gleich wieder zerstört zu werden. Dies wird durch den nach
seinem Entdecker benannte Urey-Effekt gestützt. Danach hat das energiereiche UV-Licht der
Sonne, das die Atmosphäre wegen des Fehlens von Sauerstoff zunächst ungehindert
durchdringen konnte, die Wassermoleküle an der Oberfläche der Seen und Ozeane solange in
entweichenden Wasserstoff und sich in der Atmosphäre anreichenden Sauerstoff gespalten,
bis eine Sauerstoffkonzentration von 0,1 Prozent der heutigen erreicht war. Damit wurde die
Filterwirkung gegen das UV-Licht so stark, dass die Spaltung von Wassermolekülen zum
Abbruch kam. Sauerstoff absorbiert das UV-Licht der Sonne durch Bildung und Zerfall von
Ozon (3O2-> 2O3->3O2). Die sich so einpendelnde geringe Sauerstoffkonzentration bildete
mit den sonstigen Eigenschaften der damaligen Atmosphäre daher einen UV-Filter, der genau
in dem Strahlungsfenster optimalen Schutz bot, in dem Proteine und Nukleinsäuren, die
zentralen Lebensbausteine am strahlenempfindlichsten sind. Eine geeignete Energiequelle für
die Bildung komplexer Biomoleküle ist allerdings für Flachgewässer schwieriger zu erklären.
Als besonders interessanter Ansatz gilt heute die von Günter Wächtershäuser entwickelte
Theorie der Eisen-Schwefel-Welt, nach der das Leben auf der Erde an der Oberfläche von
Eisen-Schwefel-Mineralen entstanden ist, die sich heute noch durch geologische Prozesse an
Tiefsee-Vulkanen bilden und zur Frühzeit der Erde noch wesentlich häufiger auftraten. Das
Konzept bietet mehrere Vorteile: die Grundbausteine (Methan, Ammoniak, H2 etc.) der
Biosynthese kommen in vulkanischen Gasen vor, eine verlässliche Energiequelle für die
Entstehung komplexer Bio-Moleküle könnte durch Bildung von Pyrit (FeS2) und Wasserstoff
aus Schwefelwasserstoff und Eisenmonosulfid (H2S + FeS -> FeS2+ H2 + Energie) bestanden
haben. Organismen, die sich heute chemosynthetisch von Schwefel-Verbindungen ernähren
(oder fotosynthetisch auf Basis H2S und fotochemischer Eigenschaften von Pyritkristallen),
stehen dem Ursprung des Lebens möglicherweise sehr nahe. Zusätzlich bieten Pyrit und
andere Eisen-Schwefel-Minerale positiv geladene Oberflächen, an denen sich die
überwiegend negativ geladenen Biomoleküle konzentrieren und miteinander reagieren
können. Auch laufen chemische Umsetzungen bei erhöhter Temperatur viel schneller ab.
Die Bildung präbiotischer Strukturen (Zellvorläufer)
Wahrscheinlich war der Urozean über eine lange Phase der Entstehung des Lebens mit einer
großen Zahl von organischen Verbindungen angefüllt, die sich ständig in unterschiedlichen
Zusammensetzungen verklumpten und wieder zerfielen. Dabei entstanden irgendwann auch
Verklumpungen, die sich von ihrer Umgebung durch eine membranartige Grenzschicht
abgrenzten und durch diese zusammengehalten wurden, und die über einen einfachen
Stoffwechsel- und Energie-Austausch auch eine gewisse Stabilität erreichten. Durch
verschiedene Experimente konnte gezeigt werden, dass sich unter geeigneten Bedingungen
Proteinaggregate bilden können, die sich von ihrer Umwelt membranartig abgrenzen und mit
dieser Umwelt Stoffe austauschen (Koazervate, Mikrosphären).
Die Entstehung einer ersten replikationsfähigen Urzelle:
Aus einer solchen zellähnlichen Struktur muss dann irgendwann ein vermehrungsfähiges
System entstanden sein. Nach der sogenannten „RNA-Welt-Hypothese“ könnten einfache
RNA-Moleküle, die ihre eigene Replikation katalysierten und sich daher bevorzugt
vermehrten, Vorläufer der ersten Organismen gewesen sein. Einige von diesen erlangten die
Eigenschaft, die Synthese gewisser Proteine zu katalysieren, die selbst wieder die Synthese
der RNA katalysierten. Dieses sich gegenseitig bedingende Verhältnis zwischen
Nukleinsäuren (hier RNA) und Proteinen ist allem Anschein nach die elementare Wurzel
dessen, was wir Leben nennen. Immerhin hatte die Natur auch für diesen letzten Schritt der
chemischen Evolution von einer Ursuppe aus anorganischen Verbindungen zur ersten
vermehrungsfähigen Zelle hunderte von Millionen Jahren des Probierens.
Diese Theorie wird insbesondere durch die Entdeckung gestützt, dass RNA nicht nur (wie die
DNA) als Speicher der Erbinformation dient, sondern neben Proteinen an der katalytischen
Aktivität der Ribosomen zur Proteinsynthese entscheidend beteiligt ist. Die Ribosomen finden
sich bei allen Lebewesen und gelten daher als sehr ursprüngliche Zellbausteine. RNA wird
für älter gehalten als DNA, auch deshalb, weil die heutige DNA-Replikation mit der Bildung
eines RNA-Startmoleküls beginnt. Die Synthese von Proteinen ist ohne DNA, aber nicht ohne
RNA möglich.
3. Die Evolutionstheorie
Die biologische Evolutionstheorie erklärt und beschreibt die Entstehung der Arten als das
Ergebnis von Evolution. Sie wurde 1858 von Charles Darwin (zeitgleich und unabhängig
von Alfred Russel Wallace) begründet. In seinem berühmten 1859 erschienenen Buch
On the Origin of Species formulierte Darwin 2 revolutionäre Thesen:
(1) Alle Arten stammen durch Evolution von einem/wenigen gemeinsamen Vorfahren ab.
(2) Hauptursache der Evolution der Arten ist die natürliche Selektion der zufällig besser
angepassten Varianten.
Bis Mitte des 19. Jahrhunderts war die Schöpfungstheorie weit verbreitet, nach der Gott die
Welt und alle Lebensformen in einem Schöpfungsakt erschaffen hat, der einige Tausend oder
höchstens Millionen Jahre zurück liegen sollte. Erste Vorstellungen, dass sich die heutigen
Lebensformen aus Urformen über lange Zeiten entwickelt haben, finden sich aber schon bei
Empedokles (ca. 450 v. Chr.). Auch bei Kant finden sich Vermutungen zur Verwandtschaft
aller Lebensformen und zur Entstehung neuer Arten aus Vorläuferformen.
Darwins und Russels Theorie stützte sich auf zwei wesentliche Erkenntnisse:
1. Kampf ums Dasein: alle Lebewesen müssen sich in ihrem jeweiligen Lebensraum
einem ständigen Kampf um die zu knappen Überlebensressourcen stellen.
2. Selektion: Es überleben vor allem die Arten, die am besten an den jeweiligen
Lebensraum angepasst sind („survival of the fittest“), die also Eigenschaften besitzen,
die Ihnen die besten Überlebens- und Fortpflanzungschancen ermöglichen.
Die ständige Selektion der genetisch am besten an die jeweiligen Lebensräume angepassten
Lebensformen ist der Motor für die allmähliche Entstehung neuer Arten. Entscheidend für
diese sogenannte natürliche Selektion ist die Wahrscheinlichkeit der Fortpflanzung, die nicht
unbedingt auf physischer Stärke beruht. Eine wichtige Rolle spielt z.B. auch die Bevorzugung
von Sexualpartnern mit bestimmten Merkmalen (sexuelle Selektion), möglicherweise der
Grund für Ausbreitung der Blauäugigkeit seit ihrer Entstehung vor 8000 bis 10.000 Jahren.
Die Selektion setzt dabei an der genetischen Variabilität einer Population an. Die Ursachen
dieser Variabilität wurden aber erst in den Folgejahrzehnten im Rahmen der „synthetischen
Evolutionstheorie“ (August Weismann, Julian Huxley u.a.) begründet. Dabei werden alle
Prozesse („Evolutionsfaktoren“) betrachtet, durch die der Genpool einer Population, das ist
die Gesamtheit aller Erbanlagen in dieser Population, verändert wird. Der wichtigste
Evolutionsfaktor neben Selektion sind Mutationen, aber auch Rekombination, Gendrift,
Genfluss, geografische Isolation und vernetzte Evolution spielen eine Rolle.
Mutationen sind spontane (zufällige) Veränderungen der Erbinformation, also der BasenSequenzen der Zell-DNA. Durch Mutationen entstehen immer wieder Individuen mit
veränderten Eigenschaften. In manchen Fällen ermöglichen die neuen Eigenschaften eine
bessere Überlebenschance in dem betreffenden Lebensraum oder ein Ausweichen in einen
anderen Lebensraum. Die so begünstigten Individuen pflanzen sich zahlreicher fort.
Mutationen sind also die Voraussetzung dafür, dass immer wieder neue Selektionen
stattfinden können. Für die Evolution von Bedeutung sind nur Mutationen, die in der DNA
von Zellen stattfinden, aus denen Keimzellen hervorgehen. Nur dann wird die veränderte
Erbanlage über die befruchtete Eizelle auf die Nachkommen übertragen. Mutationen sind
meistens rezessiv (z.B. viele Erbkrankheiten). An einem rezessiven Merkmal kann die
Selektion nur dann ansetzen, wenn dieses von beiden Eltern übertragen wird. Außerdem
können die Zellen auf Grund der Redundanz der Erbinformation in der Doppelstrang- DNA
gewisse Gen-Mutationen auch reparieren.
Rekombination bezeichnet die Kombination männlicher und weiblicher Erbanlagen bei
sexueller Vermehrung. Dadurch wird der Genpool einer Population laufend durchmischt, es
entstehen immer wieder Individuen mit neuen Erbanlagen und Eigenschaften.
Unter Gendrift versteht man eine zufallsbedingte Änderung des Genpools, z.B. durch eine
Naturkatastrophe oder Seuche. Auch Genfluss, also die Durchmischung von 2 Populationen
der gleichen Art, oder eine durch veränderte Umweltbedingungen ausgelöste geografische
Isolation kann eine evolutionäre Weiterentwicklung begünstigen.
Vernetzte Evolution ist ein weiteres Muster in der Evolution vieler biologischer Arten.
Dabei entstehen biologische Verwandtschaftsverhältnisse nicht durch Abstammung sondern
z.B. durch horizontalen Gentransfer zwischen Bakterienarten (dies fördert die Verbreitung ,
der Antibiotika-Resistenz), durch virale Transduktion (Gen-Übertragung durch Viren ist
auch im menschlichen Genom nachgewiesen) oder durch Kreuzung (Hybridbildung)
zwischen hinreichend kompatiblen Arten.
Höherentwicklung - die Entwicklung des Lebens vom Einfachen zum Komplexen:
Hatten sich im Verlauf der Entwicklung vorteilhafte Strukturen herausgebildet, wurden sie
künftig nicht mehr aufgegeben. Dadurch addieren sich in den Organismen vorteilhafte
Eigenschaften. Das führt zu jener Tendenz, die mit „Höherentwicklung“ bezeichnet wird.
Gewisse vorteilhafte Konstruktionsprinzipien wurden dabei von der Natur auch mehrfach
unabhängig erfunden oder zumindest von elementaren Ansätzen unabhängig zu ausgereiften
Konstruktionen weiter entwickelt, so z.B. Mehrzelligkeit, sexuelle Vermehrung, Augen,
Zähne, Warmblütigkeit (bei Vögeln und Säugetieren).
Selbstorganisation, Emergenz und Seitensprünge der Evolution:
Emergenz und Selbstorganisation sind Begriffe, die hin und wieder im Zusammenhang mit
der Evolution eines Systems genannt werden. Selbstorganisation bezeichnet dabei die
Tendenz zu einer Strukturbildung auf Grund einer sich selbst verstärkenden Wirkung (z.B.
durch positive Rückkopplung). Mit Emergenz ist das überraschende Auftauchen einer neuen
Systemeigenschaft gemeint, die sich z.B. durch Zusammenwirkung unabhängig entwickelter
Merkmale oder auf Grund neuer externer Bedingungen herausbildet. Was den Zufall
genetischer Variationen so erfolgreich macht ist die Auslese. Gelegentlich beobachten wir
einen Seitensprung der Evolution: eine Struktur, die im Hinblick auf eine bestimmte Funktion
selektiert wurde, wird sekundär für eine neue Funktion brauchbar, so wie das Federkleid der
Vögel zunächst wohl der Wärmeregulierung und erst danach auch dem Fliegen diente.
Stammesentwicklung (Phylogenese) und biologische Systematik:
Die evolutionäre Entwicklung der Arten (Stammesentwicklung, Phylogenese) lässt sich in
Form eines „Abstammungsbaumes“ darstellen. Eine Art (Species) bezeichnet dabei eine
homogene Gruppe von Lebewesen, die – bei sexueller Vermehrung – miteinander fruchtbare
Nachkommen erzeugen können, oder - bei ungeschlechtlicher Vermehrung - in allen
wesentlichen biologischen Merkmalen übereinstimmen. Eine monophyletische Gruppe
enthält genau alle Nachfahren einer Stammart sowie die Stammart selbst. Die jüngste Art, die
gemeinsame Stammart zweiter Nachfolge-Arten ist, wird auch als „Link“ bezeichnet, bzw. als
„missing link“, wenn diese Art noch nicht bekannt oder fossil erfasst ist. Weiter lassen sich
die Arten nach dem Grad ihrer stammesgeschichtlich begründeten gemeinsamen Merkmale
klassifizieren. Diese Einteilung der Arten wird auch als biologische Systematik (Taxonomie)
bezeichnet. Eine Hierarchie solcher Klassen (Taxa) bilden hierbei: Art, Gattung, Familie,
Ordnung, Klasse, Stamm. Der Mensch (Art „homo sapiens“) z.B. gehört zur Gattung Homo,
zur Familie der Hominiden (Menschenaffen), zur Ordnung der Primaten, zur Klasse der
Säugetiere und zum Stamm der Chordatiere (Unterstamm: Wirbeltiere).
Das Tempo der Evolution:
Gibt es Zeiten und Umstände, in denen das Leben qualitative Sprünge machte, in denen
besonders viele neue Lebensformen entstanden?
Als „Makroevolution“ wird ein Evolutionsvorgang bezeichnet, der über Artgrenzen hinaus
führt, bei dem also eine neue Gattung, Familie, Ordnung, Klasse oder gar Stamm entsteht,
oder bei dem neue Anpassungszonen besiedelt werden oder ganz neue morphologische
Strukturen entstehen. Solche Evolutionssprünge sind nach Meinung der Mehrzahl der
Evolutionsbiologen meist jedoch nur eine Summierung von sehr vielen kleineren sogenannten
mikro- evolutionären Veränderungen über lange Zeiträume hinweg. Die Dynamik und
Richtung des Evolutionsprozesses wird aber sicher durch äußere Umweltbedingungen stark
beeinflusst. Beispiele hierfür sind:
1. Populationsgröße: Je kleiner eine Population ist, umso schneller können sich vorteilhafte
Mutationen durchsetzen. Ein über viele Fortpflanzungszyklen anhaltender, in eine
bestimmte Richtung wirkender Selektionsdruck auf eine kleine (z.B. in geografischer
Isolation lebende) Population kann daher den Genpool rasch in Richtung auf die
Herausbildung und Vervollkommnung des selektierten Merkmals verändern.
2. Massenaussterben: Von den Milliarden Tier- und Pflanzenarten, die einmal auf der Erde
gelebt haben, hat kaum eine die gesamte Erdgeschichte hindurch überlebt. 99,9 Prozent
aller jemals entwickelten Arten sind ausgestorben, viele eher sang und klanglos, andere in
katastrophalen Sterbewellen, die nicht nur eine Art, sondern gleich Tausende auslöschten.
Im Verlauf der Erdgeschichte kam es zu mehreren Massenaussterben, die den Verlauf der
Evolution entscheidend beeinflussten. Nach solchen Ereignissen wurden große potentielle
Lebensräume zur Neueroberung durch Leben frei. Es folgte für gewöhnlich eine Phase der
Expansion der überlebenden Organismen, oft durch Adaption an nicht besetzte
ökologische Nischen. Als Ursachen solcher Aussterben werden das Verschwinden von
Lebensraum durch abrupten Klimawandel, insbesondere durch Eiszeiten, oder als Folge
von starkem Vulkanismus oder von Meteoriteneinschlag angenommen.
Beim katastrophalsten Massenaussterben der Erdgeschichte vor circa 250 Millionen
Jahren starben 75-90% aller Arten aus. Die Dinosaurier, die danach entstanden, wurden
nach einem weiteren Massenaussterben vor etwa 200 Millionen Jahren zur dominierenden
Landwirbelgruppe und starben selbst beim großen Massenaussterben vor 66 Millionen
Jahren aus, zusammen mit fast allen anderen damals lebenden Saurierarten. Dies
wiederum begünstigte den Aufschwung und die Entfaltung der Säugetiere.
3. Das Erdmagnetfeld: Ein „Anheizen der Evolution“ ergab sich vermutlich in gewissen
Phasen der Erdgeschichte z.B. dadurch, dass sich das Magnetfeld der Erde etwa alle
300.000 Jahre umpolte (zuletzt vor 780.000 Jahren). Während solcher Phasen ist die Erde
dem Sonnenwind stärker ausgesetzt, was sicher zu höheren DNA-Mutationsraten durch
diese hochenergetische Strahlung führte, und die Evolution möglicherweise anheizte.
4. Die Kambrische Explosion: so wird die umfassende Umformung der Tierwelt zu Beginn
des Kambriums vor etwa 550 Millionen Jahren bezeichnet. In einem geologisch kurzen
Zeitraum von bis zu 5 bis 10 Millionen Jahren entstanden viele neue Arten, und es
entwickelten sich die grundlegenden Baupläne vieler mehrzelliger Tierstämme, die
seitdem die Erde bevölkern. Zu dieser Artenvervielfältigung hat sicher der im Zeitraum
seit 700 MYA (Million Years Ago) stark ansteigende Sauerstoffgehalt der Atmosphäre
und die damit verbundene Möglichkeit einer höheren Energieausbeute aus der Nahrung
entscheidend beigetragen, was auch die Entwicklung Energie-verbrauchenden Fähigkeiten
und die Entwicklung spezieller Organe zur Sauerstoffaufnahme (Tracheen, Kiemen,
Lunge) begünstigte. Nach jüngsten Forschungsergebnissen könnte aber auch eine
geologisch bedingte massive Zunahme der Kalziumkonzentration in den Urmeeren die
Entstehung von Hartschalen und Stützskeletten sowie das Zusammenlagern von Zellen in
dieser Epoche entscheidend gefördert haben.
Die anscheinende Beschleunigung des Evolutionstempos seit der kambrischen Explosion ist
vermutlich aber auch darauf zurückzuführen, dass alle fundamentalen Prinzipien, die höherem
Leben zugrunde liegen, in der unvorstellbar langen Zeit davor bereits als Keime oder Ansätze
entwickelt waren, so dass es bei der Ausbildung „höherer Lebensfunktionen nur noch um die
Perfektion von ansatzweise bereits vorhandenen Funktionen ging. (z.B. Augenflecken bereits
beim Einzeller). Ferner nahmen durch die Zunahme der Merkmale auch die Ansatzpunkte für
Mutationen immer weiter zu, was sicher auch zu einer Beschleunigung der Artenvielfalt und
zu einer kürzeren durchschnittlichen Lebensdauer einzelner Arten führte. Aus Fossilienfunden
kann man ableiten, dass die durchschnittliche Lebensdauer einer Art seit dem Kambrium
immer weiter abnahm von 2,7 Millionen Jahren bis einigen hunderttausend Jahren im Jura.
5. Methoden der Erforschung der Entwicklungsgeschichte des Lebens
1) Molekulargenetische Analysen
Dass alle heutigen Lebensformen einen gemeinsamen Ursprung haben, zeigt sich u.a. am
prinzipiell gleichen Aufbau aller Proteine aus 20 Aminosäuren und an der universell gültigen
Bauvorschrift zur Synthese von Proteinen (genetischer Code). Anhand der Unterschiede der
DNA oder funktionsspezifischer Proteine kann aber auch auf den Grad der Verwandtschaft
und auf den Zeitabschnitt beginnender Auseinanderentwicklung einzelner Arten geschlossen
werden. Das Atmungsenzym Citochrom c aus den Mitochondrien der Eukaryoten besteht aus
über 100 Aminosäuren. Es unterscheidet sich vom Menschen zum Rhesusaffen nur um 1
Aminosäure, die Unterschiede von den Säugern zu den Vögeln sind 10-15, zu den Fischen
etwa 20 zur einzelligen Hefe 40-50 Aminosäuren.
2) Vergleichende Individualentwicklung
Ernst Haeckel formulierte die Hypothese, dass die Embryonalphase eines Individuums die
Evolution seiner Art rekapituliert (Biogenetische Grundregel). Diese Regel wird heute
jedoch als zu starke Vereinfachung betrachtet. Wiederholt werden nicht die Adultstadien,
sondern die frühen Embryonalstadien der jeweiligen Vorformen einer Art. Beispiele einer
solchen Wiederholung sind das Auftreten von Kiemenspalten bei allen Wirbeltierembryonen.
Dies belegt, dass alle heutigen Wirbeltiere von Fischen abstammen.
3) Vergleichende Morphologie, d.h. die Auswertung von strukturellen (morphologischen)
und anatomischen Merkmalen von Fossilien und heutigen (rezenten) Lebewesen.
Schon Darwin sah in Ähnlichkeiten morphologischer Strukturen wichtige Hinweise für eine
entwicklungsgeschichtliche Verwandtschaft. Z.B. besitzen alle Säugetiere 7 Halswirbel, die
vorderen Extremitäten der Säugetiere, die Flügel der Vögel und die Flossen von Delphinen
haben die gleiche Skelettstruktur (1 langer Knochen - 2 Parallelknochen - 5 Endglieder).
Morphologische Stufenreihen ermöglichen den zeitlichen Ablauf der Evolution zu erkennen.
( z.B. die Stufenreihe von Herz und Blutkreislauf der Wirbeltiere: Fische: ein Vorhof, eine
Kammer, nur ein Blutkreislauf; Amphibien: zwei Vorhöfe, eine Kammer, starke Vermischung
von arteriellem (sauerstoffreichem) und venösem Blut; Reptilien: unvollständige Trennung
der Herzkammer; Vögel, Säugetiere: vollständige Trennung auch der Herzkammer, damit
keinerlei Vermischung von sauerstoffreichem und sauerstoffarmen Blut im Herzen.)
Von den homologen Strukturen und Merkmalen, die auf einen gemeinsamen evolutionären
Ursprung zurück zuführen sind, sind analoge Merkmale zu unterscheiden, die durch
Anpassung an eine ähnliche Funktion und ähnliche Umweltbedingungen entstanden sind.
Beispiele für eine solche biologische Konvergenz sind die Flossenbildung bei Fischen und
Walen oder die Flügel von Vögeln, Fledertieren und Flugsauriern.
4) Fossilienfunde
Da die Geschichte des Lebens zu einem guten Teil aus Fossilienfunden rekonstruiert wurde,
sollten wir uns zunächst klar machen, dass wir nur einen sehr kleinen Teil kennen. Der Grund:
„Ein Fossil zu werden, ist nicht einfach“ (Bill Bryson), nur einer von einer Milliarde Knochen
wird vermutlich zu einem Fossil. Von allen heute in Deutschland lebenden Menschen werden
also (bei 82 Millionen Menschen mit je 206 Knochen) nur ca. 17 Knochen zum Fossil
werden, nicht einmal ein Zehntel eines vollständigen Skeletts. Und das muss dann auf der
Fläche von gut 350.000 km² erst einmal gefunden werden. Von den geschätzt bis 50
Milliarden Arten, die die Erde in ihrer Geschichte hervorgebracht hat, sind ca. 250.000 als
Fossilien bekannt: eine unter 200.000 Arten. Außerdem ist das vermittelte Bild nicht neutral:
Tiere mit Gehäusen werden viel leichter als Weichtiere zu Fossilien, und große Organismen
sind leichter zu finden als mikroskopisch kleine.
Fossilien können entstehen, wenn der Zerfallsprozess der Materie aufgehalten wird, z.B.
durch Sauerstoffabschluss bei Einlagerung in Sedimente, allmähliche Anreicherung mit
Mineralkörnern und druckabhängige Verfestigung (Versteinerung).
Die Altersbestimmung von Gesteinen und Fossilien erfolgt in erster Linie mittels Methoden
der radiometrische Datierung. Dabei wird für bestimmte, natürlich vorkommende
radioaktive Isotope das Mengenverhältnis Mutter- zu Tochter-Isotop bestimmt. Da man oft
recht genau begründen kann, wie dieses Verhältnis zu Lebzeiten des Fossils oder bei
Entstehung des Gesteins gewesen sein muss, kann man aus den beiden Verhältnissen - heute
zu damals - und der bekannten Zerfallsrate des Isotops das Alter des Fossils bzw. Gesteins
bestimmen. Es gibt eine ganze Reihe solcher Datierungsverfahren. Die Uran-Blei-Datierung
beruht auf dem Zerfall von Uran235 / Uran238 in Blei und eignet sich z.B. zur
Altersbestimmung der Erde (Halbwertszeiten 704 MJ / 4500 MJ). Die Radion-KarbonMethode beruht auf dem Zerfall von C14 in N14 (Halbwertszeit 5.730 Jahre) und eignet sich
z.B. zur Altersbestimmung abgestorbener organischer Materialien bis zu einem Alter von
etwa 60.000 Jahren. Generell hängt die Genauigkeit dieser Verfahren davon ab, wie
zutreffend die Annahmen über die ursprünglichen Isotopenverhältnisse sind, und ob weitere
Effekte als nur die Zerfallsraten für das heutige Isotopenverhältnis zu berücksichtigen sind.
Sogenannte „Brückenfossilien“ zeigen Verzweigungsstellen im Baum der Evolution, sind
also Übergangsformen zwischen zwei Taxa (Stämmen, Ordnungen etc.). Beispiele sind der
Urvogel Archäopteryx (ca. 150 MYA/Million Years Ago), der Merkmale von Reptilien und
Vögeln aufweist, oder der Fischlurch Ichthyostega (360 MYA), der Fisch- und AmphibienMerkmale aufweist. Als lebende Fossilien werden gemeinhin Arten bezeichnet, die in
morphologisch gleicher oder sehr ähnlicher Form schon vor Hunderten von Jahrmillionen
gelebt haben. Oft haben sie einmal weite Bereiche der (damaligen) Erde besiedelt, kommen
jedoch heute nur noch in wenigen Regionen vor (Reliktvorkommen) und galten teilweise
bereits als ausgestorben. Geografische Isolation, passende Rückzugsgebiete und ein nicht zu
große Spezialisierung können zur Langlebigkeit dieser Arten beigetragen haben. Beispiele aus
dem Pflanzenreich sind Baumfarne und der Ginko-Baum, Beispiele aus dem Tierreich sind
Quastenflosser (Fossilien-Datierungen 400-70 MYA, Wiederentdeckung 1938) und
Lungenfische (Fossilien-Datierungen seit 400 MYA), beides die engsten Verwandten der
ausgestorbenen Stammart aller Landwirbeltiere.
6. Die biologische Evolution im Präkambrium
Fassen wir zusammen: vor etwa 4,4 Milliarden Jahren war die Abkühlung der Erdkruste
soweit fortgeschritten, dass sich Uratmosphäre und Ur-Ozeane bilden konnten, und in ihnen
die chemische Evolution einsetzen konnte. Vor etwa 3,7 bis 4 Milliarden Jahren dürften die
ersten kernlosen Zellen entstanden sein, dann hat sich die Natur nochmals 3 Milliarden Jahre
Zeit gelassen bis zum Beginn der Evolution höherer mehrzelliger Lebewesen vor rund 700
Millionen Jahren. Erst dann wagte das Leben auch den Sprung auf das Land, das in der langen
Zeit davor überwiegend aus Gestein, Geröll und Sand bestand und bar jeden Lebens war.
Kontinente entstanden und zerbrachen wieder, Gebirge formten sich und wurden abgetragen.
Die Tage wurden allmählich länger, denn die Drehung der Erde um ihre Achse verlangsamt
sich durch die Reibung der Gezeiten. Vor 700 Millionen Jahren betrug der Tag nur etwa 20 h.
Die etwa 4,6 Milliarden Jahre seit der Entstehung der Erde werden aus geologischer Sicht in
vier Äonen unterteilt. Als Hadaikum, auch „vorgeologische Ära“, wird das erste Äon der
Erdgeschichte von vor etwa 4.600 bis etwa 4.000 Millionen Jahren bezeichnet. Im Hadaikum
verfestigte sich die Erdkruste, die Ur-Ozeane entstanden, und einige hundert Millionen Jahre
chemischer Evolution liefen ab.
Das daran anschließende Archaikum erstreckte sich von vor ca. 4.000 bis ca. 2.500
Millionen Jahren. Im Archaikum entstand das Leben auf der Erde und es wurden
grundlegende Lebensprozesse wie Proteinbiosynthese, DNA-Replikation, Glykolyse und
Photosynthese erfunden (biochemische Grundlagen: siehe Teil-1, Kapitel 5 und 6).
Die biologische Evolution begann vor 3,7 bis 4 Milliarden Jahren mit der Entstehung der
ersten Zellen. Die oxygene Photosynthese wurde vor ca. 3,3 bis 3,5 Milliarden Jahren,
erfunden. Der dabei entstehende Sauerstoff wurde jedoch gleich wieder durch die noch in
großen Mengen vorhandenen leicht oxidierbaren Stoffe (z.B. Eisenerze) chemisch gebunden.
Erst nachdem diese Verbindungen vor etwa 2,5 Milliarden Jahren fast komplett oxidiert
waren, stieg der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und in den Ozeanen bis auf 2-3%, also
rund zehn Prozent des heutigen Werts von 21%.
Das Proterozoikum (gr. „frühe Lebewesen“) ist das dritte Äon der Erdgeschichte. Es reicht
vom Ende des Archaikums vor ca. 2.500 Millionen Jahren bis zum Beginn des Kambriums
vor ca. 550 Millionen Jahren, es umfasst also fast 2 Milliarden Jahre, oder fast die Hälfte der
erdgeschichtlichen Entwicklung. Kennzeichen des Proterozoikums ist die Entstehung einer
sauerstoffhaltigen Atmosphäre und damit einhergehend die Entwicklung aeroben, Sauerstoffnutzenden Lebens.
• Erste Bakterien mit aerober Zellatmung entwickelten sich als Reaktion auf die allmähliche
Anreicherung von freiem Sauerstoff in den Ur-Ozeanen vor 2,3 bis 2,5 Milliarden Jahren.
• Die ersten einfachen Mehrzeller (Zellkolonien) traten vor etwa 2,1 Milliarden Jahren auf.
• Vor 2,1 bis 1,5 Milliarden Jahren, entwickelten sich die ersten einzelligen Eukaryoten mit
Zellkern und spezialisierten Organellen, Mitochondrien zur Zellatmung und Plastiden zur
Photosynthese.
• Seit 1000 MYA (Million Years Ago) stieg der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre von
2%-3% zunächst allmählich, dann ab etwa 700 MYA stark bis auf etwa 12% zu Beginn
des Kambriums (550 MYA) an. Es bildete sich außerdem eine Ozon-Schicht und damit
eine Abschirmung der energiereichen UV-Strahlen.In Folge entwickelten sich vielzellige
Tiere, die sich fossil ab ca. 650 MYA nachweisen lassen. Das Leben begann sich aus dem
Wasser auch auf das Land auszubreiten. Mit Abschluss des Proterozoikums an der Wende
zum Kambrium scheinen auch die meisten Stämme des Tierreichs als Ausgang für die
folgende sogenannte kambrische Explosion bereits vorhanden gewesen zu sein.
Der blaue Planet: Durch die Zunahme des Sauerstoffs in der Atmosphäre gegen Ende des
Proterozoikums wurde das blau-wellige Licht stärker gestreut, was den Himmel und die UrOzeane allmählich in blauem Licht erscheinen ließ. (In der Frühzeit der Erde könnte der
Himmel – bedingt durch Methan in der Atmosphäre - für unser Auge eher orange-rötlich
gewirkt haben. Farben kamen allerdings erst mit der Entwicklung unseres Sehapparates in
die Welt. Das schmale Frequenzband sichtbaren Lichts, das die Erdatmosphäre durchlässt,
wird von unserem Sehapparat (Augen + Gehirn) in mit Farben unterlegte Teilfrequenzbänder
differenziert.)
Schneeball Erde: Fachwissenschaftlich umstritten ist eine Theorie, nach der die Erde vor
etwa 700 Millionen Jahren (und eventuell auch in früheren Phasen) komplett mit Eis bedeckt
und auch die Ozeane größtenteils zugefroren waren. Unstrittig ist, dass es im Lauf der
Erdgeschichte immer wieder weit verbreitete Eiszeiten gab.
Das Phanerozoikum (gr. „sichtbares Leben“) ist das jüngste Äon der Erdgeschichte, es
umfasst die jüngsten 550 Millionen Jahre bis heute und gliedert sich in drei Zeitalter, und
diese wiederum in mehrere Perioden:
• Paläozoikum (Erdaltertum): Kambrium bis Perm; Beginn vor ca. 550 Millionen Jahren.
• Mesozoikum (Erdmittelalter): Trias bis Kreide; Beginn vor ca. 250 Millionen Jahren.
• Känozoikum (Erdneuzeitalter): Beginn vor 65 Millionen Jahren bis heute
Das Erdaltertum ist geprägt von der Entfaltung höheren tierischen und pflanzlichen Lebens
und dem Auszug des Lebens aus dem Wasser, das Erdmittelalter ist das Zeitalter der Saurier,
die Erdneuzeit ist geprägt von der Entwicklung der Säugetiere bis hin zum Menschen. Die
erste Periode des Erdaltertums ist das Kambrium. Die Äonen vor dem Phanerozoikum fasst
man auch unter dem Begriff Präkambrium zusammen.
Die geochronologische Systematik der Perioden des Phanerozoikums wird durch das
Auftreten charakteristischer Leitfossilien in aufeinander aufbauenden Gesteins- und
Sedimentschichten der Erdkruste begründet und definiert. Die Bestimmung von Alter und
Dauer dieser Perioden erfolgt mittels radiometrischer Datierung.
Meilensteine der Evolution im Präkambrium:
(1) Erfindung der Photosynthese
Vermutlich gewannen die ersten Lebewesen ihre Energie aus dem Abbau von abiotisch
entstandenen organischen Nährstoffen oder chemosynthetisch aus einfachen anorganischen
Verbindungen, wie z.B. heutige Schwefelbakterien. Die Photosynthese, also der Aufbau von
energiereichen Kohlehydraten aus anorganischen Stoffen (CO2 und H2O oder H2S) mit Hilfe
von Lichtenergie, wurde sehr früh in der Geschichte des Lebens erfunden. Möglicherweise
geschah sie unter dem evolutionären Druck der ersten Ernährungskrise des Lebens, verursacht
durch eine rapide Abnahme abiotisch entstandener, organischer Nährstoffe in den Ozeanen.
Als gesichert gilt, dass zunächst, vermutlich bereits vor etwa 3,5-3,7 Milliarden Jahren, eine
einfachere, anoxygene Photosynthese (z.B. auf Basis Schwefelwasserstoff H2S) erfunden
wurde, die noch heute bei einigen Bakterien vorkommt. Zellen mit lichtabsorbierenden
Porphyrin-Molekülen bildeten dabei möglicherweise den Ausgangspunkt. Die oxygene
Photosynthese, bei der Wasser (H2O) statt H2S gespalten und Sauerstoff frei gesetzt wird,
wurde wahrscheinlich bereits vor 3,3 bis 3,5 Milliarden Jahren durch Vorgänger der heutigen
Cyanobakterien (Blaualgen) genutzt. Sie wird heute von allen Pflanzen, Algen und vielen
Bakterienarten praktiziert und erzeugt den gesamten in der Erdatmosphäre vorkommenden
Sauerstoff. (biochemische Grundlagen: s. Teil-1, Kapitel 6).
(2) Erfindung der Zellatmung
Die Zellatmung, also die energetische Auswertung von Nährstoffen mittels Sauerstoff, wurde
vor ca. 2,3 bis 2,5 Milliarden Jahren unter dem evolutionären Druck der Zunahme freien
Sauerstoffs in der Atmosphäre und den Ur-Ozeanen erfunden. Sauerstoff ist sehr
reaktionsfreudig, er reagiert leicht mit einigen empfindlichen organischen Biomolekülen, auch
mit freien organischen Substanzen, und zerstört diese. Für die anaeroben frühen Lebewesen
war die vor 2,5 Milliarden Jahren beginnende Freisetzung von Sauerstoff in die Atmosphäre
und im Wasser eine Katastrophe. Nur wenige dieser Organismen überlebten, konnten sich in
sauerstofffreie Lebensräume zurückziehen oder entwickelten Enzyme, die toxische
Sauerstoffverbindungen unschädlich machten. Schließlich entwickelten sich in einigen
Mikroorganismen Enzyme und Stoffwechselprozesse, die es erlaubten den Sauerstoff zur
kontrollierten chemischen Verbrennung (Oxydation) der Nährstoffe ausnutzen, um Energie
für das Wachstum der eigenen Zellen zu erzeuge. Damit war die Zellatmung geboren.
(biochemische Grundlagen: s. Teil-1, Kapitel 6).
(3) Evolution der Eukaryoten
Die ältesten Mikrofossilien, welche weitgehend unumstritten als Überbleibsel von Eukaryoten
anerkannt sind, fanden sich in etwa 1,5 Milliarden Jahre altem Gestein in Nordaustralien. Bei
den etwa 2,1 Milliarden Jahre alten Mehrzeller-Fossilien Gabonionta und Grypania (siehe
nächster Abschnitt) handelt es sich vermutlich um organisierte Zellkolonien von Prokaryoten.
Die bis zu 1,8 Milliarden Jahre alten Acritarcha-Mikrofossilien weisen zumindest eine für
Eukaryoten typische Zellgrößen auf. Als gesichert gilt, dass alle heutigen Eukaryoten einen
gemeinsamen Ursprung haben. Dieser Stammvater der Eukaryoten entstand vermutlich vor
1,5 -2,1 Milliarden Jahren.
Entscheidender Vorteil dieser neuen Lebensarchitektur ist die durch voneinander abgegrenzte
Zellbereiche und spezialisierte Organelle (Zellkern, Mitochondrien, Plastiden usw.) mögliche
Leistungssteigerung bzgl. Anzahl und Komplexität der Stoffwechselprozesse sowie die
dadurch mögliche höhere genetische Informationsvielfalt. Die Eukaryoten besitzen bis 1.000
Mal mehr Erbmaterial DNA als die kernlosen Prokaryoten. Sie sollten die sexuelle
Fortpflanzung „erfinden“, und aus ihnen sollten sich die großen Reiche der Pflanzen, Pilze
und Tiere entwickeln, die heute das Bild der Erde bestimmen. Protisten, d.h. ein- bis wenigzellige Eukaryoten, die keinem dieser 3 Reiche zugeordnet werden können, sind aber auch
heute noch sehr vielfältig vorhanden (z.B. die Gruppe der Amöben oder die Augentierchen).
Bis heute unverstanden ist die Entstehung des Zellkerns. Die meisten Theorien gehen von
einer Fusion eines Archaeon mit einem Bakterium aus, da das Genom der Eukaryoten sowohl
Übereinstimmungen mit dem von Archaeen als auch mit dem von Bakterien aufweist.
Möglicherweise war der Wirt der Fusion auch ein damals noch existierender Vertreter der
RNA-Welt, was die RNA-basierte Proteinsynthese außerhalb des Zellkerns erklären könnte.
Auch horizontaler Gentransfer könnte bei der Entstehung und Entwicklung der Eukaryoten
eine Rolle gespielt haben. Mit Loki (Lokiarchaeota) wurde in Atlantiksedimenten kürzlich ein
Archaeon entdeckt, dessen Erbgut viele spezifisch eukaryotische Gene enthält.
Weitgehend akzeptiert ist die Endosymbionten-Theorie, nach der zunächst die
Mitochondrien durch symbiotischen Einverleibung aerober Bakterien in frühen Eukaryoten
entstanden sind, sich dann bei einigen dieser Organismen, den Vorläufern der Grünalgen und
Pflanzen, auch die Chloroplasten (Plastiden) durch eine entsprechende Endosymbiose mit
Blaualgen-ähnlichen Prokaryoten entwickelt haben. Die dabei von der Wirtszelle
eingefangenen Prokaryoten wurden nicht sofort verdaut, sondern versorgten ihren Jäger mit
Energie bzw. stellten Glukose-Moleküle durch Photosynthese her. Die eingefangenen
Symbionten wurden dann im Laufe der Zeit zu Zellorganellen. Diese Theorie wird dadurch
gestützt, dass Mitochondrien und Plastiden von einer doppelten Zellmembran umgeben sind,
ein eigenes Genom (DNA) enthalten und über eine eigene Proteinbiosynthese verfügen; sie
können sich durch Teilung selbst vermehren.
(4) Erfindung der Mehrzelligkeit
Die Mehrzelligkeit ist im Laufe der Evolution mehrmals unabhängig entstanden. Echte
Mehrzeller bilden sich nicht durch Zusammenschluss selbständiger Zellen (obwohl heute
auch solche einfache Lebensformen bekannt sind), sondern aus einem Teilungsprozess ohne
Verselbständigung der Tochterzellen und durch eine zunehmende Arbeitsteilung und
Spezialisierung einzelner Zellgruppen. Der evolutionäre Vorteil liegt wohl zum einen in der
Körpergröße (schützt vor gefressen werden), dann in Effizienzsteigerung durch Arbeitsteilung
und Spezialisierung (z.B. schnellere Beweglichkeit, bessere Nährstoffspeicherung).
Dazu mussten die vielzelligen Organismen erst einen Mechanismus entwickeln, sich zu
spezialisierte Teilzellpopulationen und Zelltypen zu differenzieren. Vermutlich wird dies
durch zeitlich abgestimmte Aktivierungen und Blockierungen relevanter Gene gesteuert.
Ferner mussten Mechanismen des Zusammenhaltens (Adhäsion) von Zellen und der
Informationsübertragung zwischen Zellen entwickelt werden.
(Das Zusammenhalten der Zellen übernehmen “biologische Klebstoffe”. Neben diesem gibt
es außen an der Zellmembran spezifische “Nieten”, die dafür sorgen, dass sich nur Zellen
einer bestimmten Art verbinden, und “Rezeptoren”, die bestimmte Moleküle binden können auf diese Art übertragen Zellen Informationen.)
Der individuelle Alterstod: Vielzeller sind nicht mehr wie Einzeller potenziell unsterblich,
sondern ihr Körper stirbt nach einer gewissen Zeit aus Altersschwäche ab. Einzeller sterben
dagegen nur durch äußere Einwirkung, zum Beispiel wenn sie gefressen werden, austrocknen
oder verhungern, aber niemals aus inneren Ursachen von selbst.
Die ältesten fossil bekannten vielzelligen Lebewesen traten möglicherweise bereits vor etwa
2,1 Milliarden Jahren im Proterozoikum auf. Bei den etwa 1 cm langen spiraligen Fossilien
Grypania spiralis handelte es sich vermutlich um kettenförmige Zellkolonien aus Bakterien.
Die 2010 im afrikanischen Gabun entdeckten Gabonionta sind bis zwölf Zentimeter große,
morphologisch relativ komplex strukturierte Fossilien, möglicherweise aber auch noch keine
echten Mehrzeller mit differenzierten Zelltypen, sondern eine Kolonie gleichartiger Zellen,
die eine organisierte Morphologie verbunden mit einer Aufgabenteilung bildeten. Vielzellige
Tiere (Metazoa) lassen sich fossil erstmals ab einem Alter von etwa 650 Millionen
nachweisen (z.B. Ediacara-Fauna, Schwämme). Möglicherweise konnte sich komplexes
vielzelliges Leben erst dann entwickeln, als genug Sauerstoff in der Luft war, um durch
Zellatmung ausreichend Energie für das aufwändigere, da zu koordinierende vielzellige Leben
zu gewinnen.
(5) Erfindung der Sexualität
Die bloße Zellteilung als Methode der Vermehrung hat den großen Nachteil, dass unabhängig
voneinander entstandene Mutationen nicht in einem Individuum zusammen treffen können,
was die Variabilität des Genmaterials einer Art und damit die schnelle Anpassungsfähigkeit
an die Umwelt einschränkt. Selbst einfache Bakterien verfügen daher oft über einen
Konjugation genannten Mechanismus zum Austausch von Erbanlagen. Dieser horizontale
Gentransfer findet teilweise sogar zwischen verschiedenen Bakterienarten statt und trägt unter
anderem zur Ausbreitung von Antibiotika-Resistenzen bei. Mit der Entwicklung der
Eukaryoten und ihrer komplexeren DNS kam die Methode des Genaustausches aber offenbar
an Grenzen.
Die Erfindung der sexuellen Fortpflanzung beruht zunächst auf einer Verdopplung der
genetischen Information (Chromosomen) bei den eukaryotischen Einzellern. Das war auch
deswegen vorteilhaft, weil ein „Fehler“ auf einem Chromosom durch das andere Chromosom
ausgeglichen werden konnte. Bei sexueller Fortpflanzung werden aus solcher Zellen mit
doppeltem (diploiden) Chromosomensatz nun durch Halbierung (Reduktionsteilung) spezielle
Fortpflanzungszellen (Keimzellen) mit wieder einfachem Chromosomensatz gebildet; bei
Verschmelzung zweier solcher Keimzellen im Akt der Befruchtung entsteht dann der Kern
(die Zygote) eines neuen Lebewesens. In diesem sind die Chromosomensätze wieder diploid
und rekombiniert, d.h. zusammengesetzt aus 2 verschiedenen Keimzellen, vorhanden. Da die
sexuelle Fortpflanzung also spezialisierte Keimzellen braucht, ist sie nur bei echten
Vielzellern möglich. Die Spezialisierung der Keimzellen führte weiter, es entstanden große,
nährstoffreiche Eizellen und kleine, schwimmfähige Spermien-ähnliche Zellen – womit die
Unterscheidung zwischen männlich und weiblich erfunden war.
Die sexuelle Vermehrung bedeutete zunächst einen gravierenden Nachteil in Gestalt der
Männchen: nur etwa die Hälfte der Nachkommen kann wieder gebären und benötigt dafür
außerdem einen weiblichen Partner. Bei Zwittern wie dem Regenwurm kann ein Tier sowohl
männliche als auch weibliche Keimzellen bilden, was zwar die Variationsvielfalt einschränkt,
aber auch vom Zwang befreit, zur Fortpflanzung immer einen geeigneten Partner finden zu
müssen.
Bei Pantoffeltierchen, einzelligen Protisten, finden bereits sexuelle Vorgänge mit einem
vollständigen Austausch der genetischen Information statt. Dabei lagern sich – wie bei der
Konjugation von Bakterien – zwei Zellen aneinander an. Dann tauschen sie über einen
Verbindungskanal jeweils einen zuvor gebildeten haploiden Zellkern aus, der mit der
verbliebenen Zellkernhälfte wieder zu einem diploiden Kern verschmilzt. Anschließend
entstehen durch ungeschlechtliche Fortpflanzung (Zweiteilungen) Tochterzellen mit einer
neuen Eigenschaftskombination.
7. Die biologische Evolution seit dem Kambrium
Das vierte Äon der Erdgeschichte, das Phanerozoikum (Zeitalter des „sichtbaren Lebens“)
umfasst die jüngsten 550 Millionen Jahre der Erdgeschichte bis heute und gliedert sich in
Paläozoikum (Erdaltertum), Mesozoikum (Erdmittelalter) und Känozoikum (Erdneuzeit).
Das Erdalterum ist geprägt von der Entfaltung höheren tierischen und pflanzlichen Lebens
und dem Auszug des Lebens aus dem Wasser, das Erdmittelalter ist das Zeitalter der
Reptilien, die Erdneuzeit ist geprägt von der Entwicklung der Säugetiere bis hin zum
Menschen. Das Kambrium ist die erste geologische Epoche (Periode) des Erdaltertums.
In den letzten 150 Millionen Jahren vor Beginn des Kambriums stieg der Sauerstoffanteil der
Atmosphäre von zuvor etwa 3% auf 12% stark an. Dies ermöglichte eine bessere energetische
Verwertung von Nährstoffen und begünstigte in der Folge einen enormen Evolutionsschub
der Mehrzeller, die sogenannte kambrische Explosion. Ferner kam es zur Bildung von Ozon
(O3) in höheren Schichten der Atmosphäre und damit einer Abschirmung der Erdoberfläche
von UV-Strahlen, was für die Entwicklung des Lebens auf dem Land eine wichtige Rolle
spielte. Ursache dieser Sauerstoffzunahme könnten starke Algenblüten gewesen sein, die
durch eine geologisch ausgelöste, vermehrte Düngung der Urzeit-Ozeane durch Phosphor
angefacht wurden. Darauf deuten marine Ablagerungen von Phosphatgestein im Erdaltertum
hin, die immer dann auftraten, wenn Kontinentalverschiebung und Gletscher besonders starke
Erosion verursachten. Aber auch ein explosives Ergrünen der Landflächen durch Algen zu
Ende des Präkambriums könnte den Anstieg der Sauerstoffkonzentration bewirkt haben.
In einem geologisch kurzen Zeitraum entstanden viele neue Arten, und es entwickelten sich
die grundlegenden Baupläne vieler mehrzelliger Tierstämme mit echtem Zellgewebe, die
seitdem die Erde bevölkern, darunter die ersten Zweiseitentiere (Bilateria) mit einer zentralen
Körperachse, achsensymmetrischem Körperbau und einem Zentralnervenstrang vom Kopf
zum Rumpfende, von denen u.a. alle Gliederfüßer (u.a. Insekten, Spinnentiere, Trilobiten)
und Wirbeltiere abstammen. Ein entscheidender Schritt für die Evolution des Lebens zu dieser
Zeit stellt die Entwicklung einer schützenden Hartschale in Form eines Außenskeletts dar. Die
damit verbundene längere Erhaltung und bessere Fossilbildung der Hartteile hatte auch einen
plötzlichen Anstieg der bis in unsere Tage erhaltenen Fossilien zur Folge. Manche Forscher
interpretieren die kambrische Explosion deshalb auch als Explosion des Fossil-Aufkommens.
Landgang: Der Auszug aus dem Wasser und die Besiedlung von Landflächen durch lebende
Organismen begann bereits im Präkambrium. Der Landgang von Grünalgen, Cyanobakterien
und Pilzflechten wird anhand von Proteinsequenz-Analysen auf einen Zeitraum von vor 700
bis 1000 Millionen Jahren geschätzt. Im Erdaltertum nahmen dann auch Pflanzen und Tiere
nach und nach vom Land Besitz. Dies ist durch fossile Belege relativ gut dokumentiert.
Dem Landgang der Pflanzen (480-460 MYA/ Million Years Ago) folgte der der Gliederfüßer
(ca. 450 MYA). Der Landgang der Wirbeltiere (400-360 MYA) vollzog sich durch einen
evolutionären Übergang von Fischen zu Vorformen der heutigen Amphibien.
Durch den Landgang hat sich das Leben ein neues Ökosystem erschlossen, musste auch
inhärente Nachteile (höherer Energieverbrauch durch Tragen des eigenen Körpergewichts,
Ausgleich von großen Temperaturunterschieden, Wassermangel und damit das Problem,
Ballast und Giftstoffe effizient zu entsorgen) durch neue Formen der Adaption überwinden.
Begünstigt wurde der Landgang durch die Abschirmung der harten UV-Strahlung durch den
sich ausbildenden Ozonfilter. Eine größere Unabhängigkeit vom Wasser entwickelten ca. 300
MYA die Amniontiere (Vorfahren der Reptilien, Vögel und Säugetiere), bei denen sich der
Embryo in einer Fruchtwasser-gefüllten Blase – bei Vögeln und den meisten Reptilien
zusätzlich durch eine hartschalige Eihülle aus Kalk geschützt – entwickelt.
Perioden des Erdaltertums (Paläozoikum):
Kambrium (542- 485 MYA): Am Anfang steht die Entwicklung fast aller wirbellosen
Tierstämme in einem Zeitraum von 5 bis 10 Millionen Jahren (Kambrische Explosion);
erstmalig Tiere mit äußerem Skelett (Hartschalen), darunter viele muschel- und krebs- artige
Formen, wie die als Leitfossilien geltenden Trilobiten (ausgestorben 250 MYA) und erste
aquatische Räuber. Gegen Ende des Kambriums ereignete sich ein großes Massenaussterben,
etwa 80% aller Tierarten starben aus. Das Klima war gemäßigt mit zunehmender Erwärmung
und Anstieg des atmosphärischen CO2-Anteils bis auf das 12-fache (!) des heutigen Niveaus
(Sauerstoffgehalt nur ca. 12,5%); der große Südkontinent Gondwana umfasste die damals
zusammenhängenden Kontinente Südamerika, Afrika, Antarktika, Australien und Indien.
Ordovizium (485- 444 MYA): Landgang der Moose; erste marine Riffgemeinschaften, erste
noch kieferlose Fische (z.B Schleimaale); gegen Ende globale Abkühlung mit Vereisung der
Südhalbkugel, möglicherweise ausgelöst durch eine CO2-Reduktion in der Atmosphäre als
Folge der Ausbreitung der Landpflanzen; damit einhergehend großes Massenaussterben.
Silur (444- 419 MYA): Ausbreitung erster Gefäßpflanzen mit Wurzeln an den Ufern der
Meere und Flüsse; Landgang der Gliederfüßer wie Skorpione, Krebse; erste Wirbeltiere
(Kiefermäuler) und deren Weiterentwicklung zu ersten Knorpel- und Knochenfischen.
Global warmes Klima mit hohem atmosphärischen CO2 -Gehalt; Vereinigung kleinerer
Urkontinente zu Laurussia nördlich des Äquators; Kaledonische Gebirgsbildung (u.a.
Appalachen und Rumpfgebirge Skandinaviens).
Devon (419- 359 MYA): Zeitalter der Fische (dominierend: bis 10 m lange Panzerfische);
aus den Knochenfischen entwickeln sich Quastenflosser und Lungenfische, in einer
Schwesterlinie die Amphibien als erste Landwirbeltiere; erste geflügelte Insekten.
Massive Ausbreitung der Landpflanzen und damit Anstieg des atmosphärischen
Sauerstoffgehalts und Rückgang des CO2 -Gehalts; erste Wälder aus Bärlappgewächsen,
Urfarnen (Biomasse der ältesten Kohlevorkommen); Klima warm; gegen Ende großes
Massenaussterben (u.a. alle Panzerfisch-Arten).
Karbon (359- 299 MYA): Zeitalter der Farne und Bärlapp-Pflanzen mit bis zu 40 m hohen
baumartigen Formen; erste Samenpflanzen (Nacktsamer); Diversifikation der Insekten und
Amphibien; Entwicklung erster Amniontiere als Schwestergruppe der Amphibien mit einer
Fruchtwasserblase (Amnion) für die Embryo-Entwicklung, die sich damit unabhängig vom
Wasser fortpflanzen können. Spätere Aufspaltung dieser Amniontiere in Synapsiden
(Vorfahren der Säugetiere) und Sauropsiden (Vorfahren der Reptilien und Vögel); beide
Gruppen sind zunächst Reptilien-artig, aber mit unterschiedlichem Schädelbau.
Entstehung des letzten Superkontinents Pangäa durch Vereinigung der Urkontinente
Gondwana und Laurussia; dabei Bildung vieler heutiger Faltgebirge (u.a. Ural, Pamir,
europäische Mittelgebirge, Antiatlas); feucht-warmes Klima im Wechsel mit Eiszeiten;
Atmosphäre bis ca. 32% Sauerstoff, CO2 ca. 2-faches heutiges Niveau.
Perm (299-252 MYA): Die Synapsiden stellten die häufigsten und gleichzeitig größten
Landwirbeltiere; aus ihnen entwickeln sich „säugerähnliche Reptilien“ (Therapsiden) mit
einigen morphologischen Säuger-Merkmalen, welche die Stammart der Säugetiere enthalten.
Parallel entfalteten sich die Reptilien (Sauropsiden). Gegen Ende des Perms ereignete sich
das größte Massenaussterben der Erdgeschichte: in einem Zeitraum von ca. 200.000
Jahren starben etwa 95% aller meeresbewohnenden Arten, etwa 2/3 aller Reptilien- und
Amphibien-Arten sowie 1/3 aller Insektenarten aus. Als primäre Ursache werden gewaltige
Vulkanausbrüche im urzeitlichen Sibirien vermutet, welche große Mengen CO2 freisetzten
und damit eine starke Klimaerwärmung und eine Versauerung der Ozeane verursachten.
Perioden des Erdmittelalters (Mesozoikum):
Trias (252-201 MYA): Der bereits im Perm erfolgte Umschwung der Pflanzenwelt von
Farnen zu Nacktsamern setzte sich in der Trias weiter fort. Die Reptilien nahmen einen
ungeheuren Aufschwung. Es entstanden viele neue Ordnungen, u.a. die Dinosaurier (als
zunächst kleine Reptilien), Flugsaurier, Fischsaurier (Ichtyosaurier), Krokodile und Echsen.
Aber auch Übergangsformen zu den Säugetieren sind möglicherweise im späten Trias
entstanden. Der Superkontinent Pangäa, der fast die gesamte Landmasse enthielt und sich
vom Nordpol bis zum Südpol spannte, ermöglichte die uneingeschränkte Verbreitung der
Landtiere. Am Ende der Trias ereignete sich ein Massenaussterben, dem fast alle
Landwirbeltiere zum Opfer fielen, möglicherweise ausgelöst durch gewaltigen MagmaFreisetzungen des beginnenden Auseinanderbrechens von Pangäa. Das Klima der Trias war
warm bis heiß und trocken (atmosphärischer O2-Anteil ca. 16%).
Jura (201-145 MYA): Die in der Trias erschienenen Dinosaurier entfalteten sich und wurden
zur dominierenden Lebensform. Dabei entstanden auch die größten Landtiere aller Zeiten,
pflanzenfressende Sauropoden mit bis 40 m Länge und 70 Tonnen Gewicht.
Aus dem frühen Jura von China stammt der vermutet älteste Fund eines Säugetier-Fossils
(Hadrocodium), der „Urvogel“ Archäopteryx wurde in Gesteinsschichten des späten Jura
gefunden (Solnhofen, Eichstätt). Die Flora wurde von den Nacktsamern dominiert (darunter
Nadelholzgewächse wie Mammutbäume, aber auch Ginkgos und Palmfarne). Während des
frühen Jura zerfiel Pangäa in die Bruchstücke Nordamerika, Eurasien und den Südkontinent
Gondwana. Das Klima war warm (atmosphärischer O2-Anteil 26%).
Kreide (145- 66 MYA): Reptilien, speziell auch Saurier entwickelten neue Arten und
breiteten sich aus; es entstanden Riesenformen von Flugsaurier und Dinosaurier (u.a.
Tyrannosaurus Rex in Nordamerika). Die bereits in der Jura begonnene Aufspaltung der
Ursäuger und Vögel in verschiedene Entwicklungslinien setzte sich fort. Während der Kreide
entwickelten sich die ersten strauchigen Blütenpflanzen, darunter Laubbäume wie Ahorn,
Eiche und Walnuss. Dies begünstigte eine neue ökologische Nahrungskette Insekten-Vögelkleine Raubsäuger. Gräser breiteten sich auf dem Festland aus.
Der Zerfall von Gondwana, der bereits im Jura begonnen hatte, setzt sich in der Kreide fort.
Es kommt zur Trennung des noch zusammenhängenden Australien/Antarktika und des zu
Beginn der Kreide ebenfalls noch zusammenhängenden Afrika/Südamerika, auch Indien
spaltet sich ab. Beginn der alpidischen Gebirgsbildung. Das Klima in der Kreide war
allgemein warm und ausgeglichen. Die Pole waren eisfrei, entsprechend war der
Meeresspiegel sehr hoch (atmosphärischer O2-Anteil 30 %, auch hoher CO2 -Gehalt ).
Am Ende der Kreidezeit kam es zu einem weltweiten Massenaussterben, dem u.a. fast alle
Saurierarten zum Opfer fielen. Als Ursache wird der Einschlag eines Meteoriten nahe der
Halbinsel Yucatan angesehen, aber auch großflächige Vulkanausbrüche in Vorderindien
können zu einer Klimakatastrophe beigetragen haben. Ungeklärt ist, wieso nur bestimmte
Tiergruppen aussterben und andere nicht. So gingen zwei ganze Ordnungen mit allen ihren
Familien, Gattungen und Arten zugrunde - ohne Ausnahme, ohne Überlebende, darunter alle
Nicht-Vogel-Dinosaurier, Flugsaurier, Plesiosaurier und Fischsaurier, während alle anderen
Wirbeltiergruppen (Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säuger) überlebten. Nimmt man
eine Verdunkelung des Planeten und die fast vollständige Einstellung der Photosynthese an,
sollten alle Tierarten gleich betroffen sein. Auch das Überleben Blüten-bestäubender Insekten
kann nur schwer erklärt werden.
Perioden der Erdneuzeit (Känozoikum):
Paläogen (65 - 23 MYA): Nach dem Aussterben der großen Dinosaurier kam es zur
Entwicklung der Vögel und der höheren Säugetiere (Plazenta-Tiere). Letztere differenzierten
sich schnell und wurden zu den beherrschenden Landtieren. Im Paläogen nahmen die
Kontinente in etwa die heutigen Positionen ein. Die Indische Platte begann auf die Eurasische
zu treffen, es bildete sich der Himalaya und Karakorum. Durch plattentektonische Vorgänge
bildeten sich auch die amerikanischen Kordilleren und die Faltgebirge des alpidischen Gürtels
(u.a. Alpen, Karpaten, Kaukasus). Die einzelnen Kontinente waren anfangs isoliert, über eine
Landbrücke zwischen Afrika und Eurasien, die sich vor 27 Millionen Jahren bildete, konnten
sich die Tiere jedoch wieder weit verbreiten. Nur Australien nahm eine andere Entwicklung.
Neogen (23 MYA – 2,6 MYA): Das Neogen ist gekennzeichnet durch die Entfaltung der
Säugetiere und der Vögel. Zwischen den Kontinenten Nord- und Südamerika bildete sich eine
Landbrücke. Nachdem die Antarktis schon seit etwa 30 Millionen Jahren vergletschert war,
kam es im Zuge einer klimatischen Abkühlung vor 2,6 Millionen auch zu einer starken
Vergletscherung der Nordhemisphäre.
Quartär (2,6 MYA – heute): Das Quartär ist gekennzeichnet durch die Entwicklung der
Gattung Mensch (Homo) bis zum heutigen Homo sapiens. Es beginnt mit dem jüngsten
Eiszeitalters der Erdgeschichte (dem sogenannten Pleistozän), welches mit einem Wechsel
von Kaltzeiten und Warmzeiten bis zum Ende der letzten Eiszeit vor 11.700 Jahren andauerte.
Zu Ende des Pleistozäns, im Zeitraum von 50.000 bis 10.000 Jahren vor unserer Zeit, kam es
weltweit zu einem Massenaussterben von großen Säugetieren. Mit Ausnahme Afrikas und des
südlichen Asiens starben alle Arten mit über 1000 Kilogramm Gewicht und 80% aller Arten
mit 100 bis 1000 Kilogramm Gewicht aus. Inwieweit klimatische Veränderungen oder die
Bejagung durch den Menschen (Overkill-Hypothese) oder beides die Schuld dafür tragen, ist
immer noch umstritten. Heute ist sicher der Mensch für das sich beschleunigende Aussterben
vieler Arten verantwortlich. Nach neuesten Schätzungen liegt die derzeitige Aussterberate von
10 bis 150 Arten pro Tag um den Faktor 100 bis 1000 über der normalen Aussterberate
stabiler Ökosysteme. Dies und der Klimawandel sind wohl die gravierendsten Merkmale einer
neuen Epoche der Erdgeschichte, des Anthropozän.
Die Entwicklung höherer Arten:
Wirbeltiere: Die Wirbeltiere (Vertebrata) umfassen nahezu 58.000 rezente Arten, u.a. alle
Knorpel-und Knochenfische, die Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere. Dies sind nach
Schätzungen etwa ein Prozent aller jemals existierenden Arten von Wirbeltieren. Weltweit
sind bisher mehrere zehntausend fossile Arten entdeckt worden /(Wikipedia).
Ein wesentlicher Vorteil der Wirbeltiere ist, dass die innere Skelettstütze ein im Vergleich zu
Lebensformen ohne Skelett oder zu Schalen-Tieren enormes Größenwachstum ermöglicht.
Ferner werden Gehirn und Sinnesorgane der Wirbeltiere durch einen knöchernen Schädel
geschützt. Bei den Insekten setzt der Außenpanzer neben dem Atmungssystem der Tracheen,
einem Netzwerk kleiner Röhrchen und Kanäle mit punktuellen Öffnungen nach außen, dem
Größenwachstum dagegen sehr früh eine Begrenzung. Diese Sackgasse der Evolution wird
bei manchen Insektenarten durch eine Arbeitsteilung und Spezialisierung auf Ebene der
Gesamtpopulation kompensiert.
Die frühe Evolution der Wirbeltiere wird im obigen Abriss des Erdaltertums skizziert: Die
ältesten Kiefermäuler, von denen fast alle Fische und alle Landwirbeltiere abstammen
entwickelten sich vor ca. 450 Millionen Jahren. Der Auszug der Wirbeltiere aus dem Wasser
begann vor ca. 400-360 Millionen Jahren. Neueren Erkenntnissen nach ist die Stammart aller
Landwirbeltiere (Tetrapoden) ein ausgestorbener naher Verwandter der heutigen
Lungenfische und Quastenflosser, bei der sich aus je zwei Paar Brust- und Bauchflossen
bereits Knochen-verstärkte Bein-ähnlichen Gliedmaßen entwickelt hatten, mit denen sie sich
auf dem Sumpfboden von flachen Süßgewässern bewegten. Ein Fossil mit solchen
Merkmalen ist Tiktaalik (Fundort Ellesmere-Island, 380 MYA, Klasse: Fleischflosser).
Aus den Landwirbeltieren entwickelten sich die heutigen Amphibien und – seit dem Karbon
360-300 MYA - parallel dazu die Gruppe der Amnioten, deren Embryonen sich in einem mit
Fruchtwasser gefüllten Amnion entwickeln. Das Amnion schützt die Embryos vor dem
Austrocknen und unterstützt den embryonalen Stoffwechsel. Bei rezenten eierlegenden
Amnioten – alle Vögel, Krokodile, Schildkröten sowie die meisten anderen Reptilien - wird
das Amnion von der innersten Membran der Eihaut gebildet. Die Ernährung des Embryos
erfolgt durch den Eidotter. Die kalkige Eischale bietet zusätzlichen Schutz, auch gegen
Austrocknung. Alle Säugetiere bis auf die Kloakentiere sind dagegen lebendgebärend, bei
ihnen ist die Fruchtwasserblase das Amnion und der Embryo wird über den Stoffwechsel der
Mutter versorgt. Es gibt auch einige lebendgebärenden Echsen- und Schlangenarten, sowie
Zwischenformen, bei denen das Ei bis zum Schlüpfen der Jungen im Mutterleib verbleibt
(z.B. Kreuzotter, viele Seeschlangen). Auch Amphibien, Fische und Insekten sind
überwiegend eierlegend, den Eiern fehlt jedoch das Amnion, die Eiablage erfolgt in der Regel
im Wasser. Auch hier gibt es lebendgebährende Arten und Zwischenformen.
Die Amnioten spalteten sich etwa 300 MYA in zwei Evolutionslinien auf:
1) Synapsiden: aus ihnen entwickelten sich vor etwa 270 Millionen (im Perm) zunächst
„säugerähnliche Reptilien“ (Therapsiden), aus letzteren dann über einen Zeitraum von ca.
80 Millionen Jahren allmählich die ersten Säugetiere. Alle Reptilien-artigen Vorfahren der
Säugetiere sind ausgestorben.
2) Sauropsiden: aus diesen entwickelten alle heutigen Reptilien und Vögel. Dabei führen
getrennte Entwicklungslinien zu Schildkröten, Echsen und Schlangen, ausgestorbenen
Saurierarten (wie die Fischsaurier) und zu den sogenannten Archosauriern. Aus letzteren
spalteten sich ab ca. 230 MYA die Evolutionslinien der Krokodile, der Flugsaurier und
der Dinosaurier ab. Aus den Dinosaurier entwickelten sich ab einem Zeitraum vor circa
150- 200 Millionen Jahren die Vögel.
Warmblüter:
Warmblütige Organismen können ihre Körpertemperatur selbst regulieren. Bei warmblütigen
Organismen wie Vögeln und Säugetieren wird die gleichmäßige Körpertemperatur durch die
Stoffwechselaktivität der Tiere erzeugt. Dies äußert sich insbesondere in einem deutlich
höheren Energieverbrauch (pro Körpergewicht) als bei sogenannten wechselwarmen Tieren.
Warmblütige Tiere benötigen in der Regel daher eine besondere Wärmeisolierung in Form
eines Fell- oder Federkleides. Warmblüter können auch bei Kälte schnell fliehen bzw. jagen.
Heute lebende Reptilien sind wechselwarm (kaltblütig). Je nach Umgebungstemperatur
erwärmt sich ihr Körper oder kühlt sich ab, was sich auf die Geschwindigkeit ihres
Stoffwechsels und ihre Bewegungsfähigkeit auswirkt. Dasselbe wurde lange Zeit auch für die
Echsen des Erdmittelalters angenommen. Einige Hinweise sprechen dafür, dass auch die
Dinosaurier, flink wie sie waren, und als nahe Verwandte der warmblütigen Vögel, eine
gleichmäßige, wenn auch vergleichsweise niedrige Körpertemperatur aufrecht erhalten
konnten; das Gleiche wird für die Fischsaurier und die reptilienartigen Vorfahren der Säuger
angenommen. Die Warmblütigkeit bei Vögeln und Säugern hat sich daher vermutlich aus
einer einfachen Urform seit 300 Millionen getrennt weiter entwickelt.
„Der Schlaf der Landtiere ist möglicherweise eine Erinnerung unserer Gene an 300
Millionen Jahre nächtlicher Kältestarre.“ /(HvD) Fische schlafen nicht, Wale, Delphine und
auch bestimmte Vogelarten können abwechselnd mit jeweils einer Gehirnhälfte schlafen.
Säugetiere:
Zu ihren kennzeichnenden Merkmalen gehören das Säugen des Nachwuchses mit Milch, die
in den Milchdrüsen der Weibchen produziert wird, sowie Warmblütigkeit und ein Fell aus
Haaren. Die Säugetiere sind bis auf die Unterklasse der eierlegenden Ursäuger (Kloakentiere,
z.B. Schnabeltier, Ameisenbär) lebend gebärend. Die beiden anderen Unterklassen sind die
Beutelsäuger (z.B. Koala, Känguru) und die höheren Säugetiere (Plazenta-Tiere), die etwa
94% aller Säugetier-Arten umfassen.
Von den Säuger-ähnlichen Reptilien des Perms überlebte die Gruppe der Cynodontia das
große Massensterben am Ende des Perms. Diese meist Fleisch-fressenden Räuber mit
Körperlängen bis 1 m waren vermutlich bereits warmblütig und behaart. Die Entwicklung zu
ersten Säugern war ein graduell verlaufender Prozess, der vermutlich im späten Trias zu
ersten Brückenformen, im frühen Jura dann zu ersten echten Säugern führte. Fossilien, die als
mögliches „ältestes Säugetier“ diskutiert werden, sind bis zu 190 Millionen Jahre alt.
Die meisten Forscher gehen von einem gemeinsamen Urahn aller Säugetiere aus. Juramaia
sinensis (Spitzmaus-groß, 160 MYA, China) gilt als möglicher erster Vertreter der höheren
Säugetiere; zweifelsfrei mit heutigen Arten verwandte Säugetiere traten erst nach Aussterben
der Saurier zu Beginn der Erdneuzeit auf.
Die rezenten „höheren Säuger“ lassen sich verhältnismäßig eindeutig in rund 20 Ordnungen
einteilen; deren Verwandtschaftsgrad und Entwicklung über ausgestorbene Zwischenformen
ist teilweise noch umstritten. Die Ordnung der Primaten hat sich vermutlich bereits vor 80-90
Millionen Jahren herausgebildet. Die ältesten zweifelsfrei den Primaten zuzuordnenden
Fossilfunde (Archicebus achilles) sind etwa 55 Millionen Jahre alt und zeigen bereits die
Aufspaltung in die Unterordnungen Feuchtnasenaffen und Trockennasenaffen; aus letzteren
gingen vor18 Millionen Jahren die Familie der Menschenaffen (Hominidae) hervor. Diese
Familie spaltete sich später auf in die Entwicklungslinien der Orang-Utans etwa 15 MYA,
der Gorillas etwa 10 MYA, der Schimpansen und der Menschen, jeweils etwa 7 MYA.
Vögel:
Die Evolution der Vögel beginnt im Jura, vor 200-150 Millionen Jahren. Die Vorfahren der
Vögel waren nach Ansicht der Mehrzahl der Forscher kleine Raubdinosaurier. Archäopteryx
(„Urvogel“) gilt als "Brückenform" zwischen den Reptilien und den Vögeln und als Vorfahre
der heutigen Vögel. Er besaß Federn und beherrschte den Gleitflug. Die Länge des SchwanzSkeletts und der mit Zähnen besetzte Kiefer sind dagegen typische Reptilienmerkmale. Die
heutigen Vogelgruppen mit ihren zahnlosen Kiefern haben sich seit Beginn der Erdneuzeit
herausgebildet, erste Vertreter (nach Fossilienfunden in China) aber schon in der Kreidezeit
130 MYA.
Nach dem großen Massenaussterben am Ende der Kreidezeit vor 66 Millionen Jahren stellen
die Vögel zusammen mit den Krokodilen die einzigen überlebenden Archosaurier dar.
Obwohl sich die Entwicklungslinien der heutigen Vögel und Krokodile bereits vor etwa 250
Millionen Jahren trennten, lässt sich die Verwandtschaft beider Gruppen aufgrund einer
Reihe von Merkmalen (z.B. vollständige Trennung der Herzkammern) begründen.
Die Stoffwechselrate der Vögel liegt noch höher als die der Säugetiere. Generell ist der
Sauerstoffbedarf zur Nährstoffverbrennung bei kleineren Tieren wegen des relativ größeren
Wärmeverlustes (größeres Verhältnis Oberfläche zu Volumen) relativ größer als bei großen.
Dadurch dass Vögel einem starken Selektionsdruck zu Leichtigkeit ausgesetzt waren,
entwickelten sich besonders effiziente Lungen. Die Luft fließt bei ihnen nicht nur bei der
Einatmung in die Lunge, sondern sie fließt beim Ein- und Ausatmen durch die Lunge.
Dadurch kann in der Lunge ein Gegenstrom von Luft und Blut realisiert werden, was die O2Aufnahme weit effektiver macht. „Ein Spatz ist in der Lage, den Himalaya zu überfliegen,
während eine Maus dort oben ohnmächtig zusammen brechen würde.“
8. Die Geschichte des Lebens im Zeitraffer
Unser intuitives Zeitgefühl ist abgestimmt auf unsere Lebensspanne, die sich in Jahrzehnten
bemisst. Auch zivilisationsgeschichtliche Zeiträume scheinen wir noch ganz gut zu
überblicken, wir gliedern sie in Perioden, vor der Neuzeit das Mittelalter, das römische Reich,
die Antike usw. Aber machen wir uns einmal klar, was allein die letzten 2000 Jahre vor
unserer Zeit bedeuten? Etwa 120 Generationen liegen zwischen damals und uns, das sind
viele tausende verschiedene Ahnen in unserer direkten Ahnenkette; Menschen, die mit uns
verbunden sind, ohne die wir nicht da wären, wenn sie nicht gelebt und sich fortgepflanzt
hätten. Was wissen wir von diesen Personen, ihren Schicksalen?
Carl Sagan: „Der Widerstand gegen Darwin und Wallace geht zum teil auf unser Unvermögen
zurück, uns das Verstreichen von Jahrtausenden vorzustellen, ganz zu schweigen von Äonen.
Was bedeuten 70 Millionen Jahre für Wesen, deren Lebenszeit höchstens ein Millionstel
davon beträgt? Wir sind wie Schmetterlinge, die einen Tag lang umher flattern und denken, es
sei die Ewigkeit“
Wenn man die 13, 7 Milliarden Jahren der Geschichte des Universums auf 1 Jahr projiziert,
entsprechen 433 Jahre Echtzeit einer Sekunde. Das Lebensalter eines Menschen entspricht ca.
0,2 Sekunden, nur ein Wimpernschlag, aber immerhin noch eine messbare Größe.
Nach dieser verkürzten Zeitskala erfolgt der Urknall am 1 Januar 0.0h, das Universum wird
durchsichtig als das Jahr gerade mal 14 Minuten alt ist. Irgendwann zwischen dem 5. und dem
13. Januar entstehen die ersten Masse-reichen Megasterne. In den Sternen entstehen durch
Kernfusionen alle schweren Elemente bis zum Eisen, und aus den bereits nach einigen
Stunden Brennzeit erfolgenden Supernova-Explosionen, die durch Gravitationskollaps dieser
Mega-Sterne ausgelöst werden, noch schwereren Elemente. In den Tagen des 20. bis 23.
Januar haben die ältesten heute bekannten Galaxien und Quasare ihr Licht ausgesandt. Dann
geschieht lange Monate nichts weiter, als dass, angeheizt durch Zusammenstöße von Galaxien
und Supernova-Explosionen, immer neue Generationen von Sternen entstehen, und sich auch
immer mehr schwerere Elemente in den Gas- und Staubwolken der Galaxien ansammeln.
Anfang September entsteht auf diese Weise die Sonne und mit ihr unser Planetensystem.
Das erste Leben auf der Erde ist vermutlich am 19. September entstanden. In den folgenden 2
Monaten entwickelte sich das Leben in den Ur-Ozeanen zu allmählich immer komplexeren
Mikroorganismen, darin die Urformen der Pflanzen, Pilze und Tiere. Am am 16. Dezember
ereignet sich in die sogenannte kambrische Explosion, die ersten Pflanzen besiedeln das Land.
Am 21. Dezember kriechen erste Amphibien an Land. Ungefähr zu Weihnachten, beim
Übergang vom Perm zum Trias gab es auf der Erde das schlimmste von insgesamt 5
bekannten Massensterben, zwischen 70 und 90% aller Lebewesen starben zu dieser Zeit aus.
Nun treten die Saurier ihren Siegeszug an, bis zu ihrem plötzlichen Aussterben am 28.
Dezember beim Übergang von der Kreidezeit in die Erdneuzeit als Folge eines gewaltigen
Meteoriteneinschlags. Die Dinosaurier machten Platz für eine rasche Evolution der
Säugetiere. Durch Zusammenstoß von Kontinentalplatten falten sich nun auch die großen
Gebirge der heutigen Erdoberfläche auf, der Himalaya und die Alpen. Am 31. Dezember,
knapp 4 Stunden vor Mitternacht spaltet sich die Linie der Hominiden vom Entwicklungsast
der übrigen Primaten ab. Der moderne Mensch, Homo sapiens, entwickelt sich erst etwa 6
Minuten vor Mitternacht, die großen Weltreligionen entstehen in den letzten 15 Sekunden des
Kalenderjahres, die modernen Naturwissenschaften in der letzten Sekunde.
9. Leben - Zufall oder Notwendigkeit
Alle Lebensformen auf der Erde sind miteinander verwandt, stammen von der gleichen
Urzelle ab, die vor ca. 4 Milliarden Jahren auf der Erde entstand. Die Einheit und
Durchgängigkeit des Lebens zeigt sich in den biochemischen Grundprozessen der Zellen (z.B.
dem genetischen Code), welche allen Lebewesen gemeinsam sind.
Wie ist es aber zu erklären, dass alles Leben auf der Erde von einer ersten Urzelle abstammt
und dem Überleben dieser Urzelle abhing? Ist die Entstehung des Lebens ein so einmaliger
sich nie wiederholender Vorgang? Ist es ferner allein durch Mutation und Selektion erklärbar,
dass das Leben scheinbar zielgerichtet immer wieder so enorme qualitative Sprünge machte,
wie mit der Entstehung der Urzelle selbst, der Erfindung von Photosynthese und Zellatmung,
der Entwicklung höherer Lebewesen bis hin zur Entstehung von Intelligenz und Bewusstsein?
Auf diese Fragen gibt es 3 grundsätzlich mögliche Antworten (Hoimar von Ditfurth):
1. Leben hat sich zwangsläufig in der heutigen Form entwickelt, weil es eine dem Leben
innewohnende, naturgesetzlich nicht zu erklärende „schöpferische Kraft“ gibt, welche
die Entstehung und Entwicklung des Lebens treibt und lenkt.
2. Leben ist gebunden an die Grundbausteine und Formen nach denen es auf der Erde
entstanden ist. Jeder einzelne Entwicklungsschritt ist das Ergebnis des rein zufälligen
Aufeinandertreffens der diesen Schritt jeweils ermöglichenden Faktoren. In diesem
Fall wäre die Entstehung des Lebens so astronomisch unwahrscheinlich, dass die Erde
mit nahezu absoluter Sicherheit der einzige belebte Himmelskörper wäre und der
Mensch allein und einzigartig in dieser Welt (anthropozentrische Naturphilosophie)
3. Leben ist in vielen Formen denkbar (auch wenn uns andere Formen unbekannt und
nicht vorstellbar sind). Auf der Erde entwickelte sich Leben auf Basis von Proteinen
und Nukleinsäuren allein deshalb, weil dies die beiden einzigen Molekülarten von
ausreichender Kompliziertheit und Wandlungsfähigkeit waren, die in genügender
Menge zur Verfügung standen.
Vitalismus versus Mechanismus: Die erste dieser möglichen Antworten postuliert eine
naturgesetzlich nicht zu erklärende, Lebenskraft als eigenständiges Prinzip und damit einen
Wesensunterschied zwischen organischer und anorganischer Materie. Dieses schöpferische
Lebensprinzip, das man auch „Gott“ nennen kann, soll Grundlage alles Lebendigen sein.
Diese Auffassung nennt man Vitalismus (lateinisch: vita = Leben). Dagegen steht der
Mechanismus, der die Entstehung und Entwicklung des Lebens ausschließlich auf
naturgesetzliche, chemische und physikalische Grundprinzipien, also auf erkennbare und
messbare Eigenschaften der Materie zurückführt. Die Antworten 2 und 3 oben entsprechen
einer mechanistischen Naturphilosophie. Sie unterscheiden sich nur in der gegensätzlichen
Bewertung, ob die Entstehung von Leben auf Basis der geltenden Naturgesetze als
astronomischer Zufall anzusehen ist, oder angesichts vieler Möglichkeiten und astronomisch
vieler Versuche der Natur über unvorstellbar lange Zeiträume hinweg eher zwangsläufig
erfolgte. Die Wurzeln dieser naturwissenschaftlich wie weltanschaulich bedeutsame Frage
reichen bis in die griechische Philosophie zurück. Als ein Vorläufer des Vitalismus kann
Aristoteles gelten, der ein eigenständiges Lebensprinzip postulierte, das er Entelechie nannte.
Nach Platon dagegen ist die unzerstörbare Form (die Naturgesetze) das Primäre, der Stoff (die
Materie) folgt der Form. Dies entspricht dem Standpunkt, dass alle Erscheinungsformen der
Materie, also auch das Lebendige, aus den Naturgesetzen herleitbar sind.
Die Frage der Urzeugung: Bis zum 19. Jahrhundert glaubte man allgemein auf Grund der
Beobachtung, dass Maden oder Schimmelpilze scheinbar spontan auftraten, wenn organische
Stoffe sich selbst überlassen werden, dass die spontane Entstehung von Leben aus toter
Materie ein alltäglicher Prozess sei. Dies wurde im 19. Jahrhundert durch Louis Pasteur
widerlegt, der zeigte, dass auch diese Organismen aus biologischen Vorläuferorganismen
entstanden sind. Man hat auch bis heute nie beobachtet, dass Leben neu entstanden ist. Mit
der Erkenntnis, dass alles Leben aus dem Leben kommt (lat: Omne vivum ex vivo), stellte
sich gleichzeitig auch die Frage nach der Urzeugung des Lebens. Charles Darwin vermutete,
dass das Leben in einem „warmen, kleinen Teich, in dem alle Arten von Ammoniak und
Phosphor-Salzen, Licht, Hitze, Elektrizität usw. vorhanden waren“ begonnen haben könnte
und dass „heutzutage so etwas sofort verschlungen oder absorbiert würde, was nicht der Fall
war, bevor die lebenden Kreaturen entstanden.“ (Brief an Joseph Dalton Hooker, 1871)
Heute herrscht in den Naturwissenschaften die Auffassung vor, dass erste Leben auf der Erde
nicht spontan entstanden ist, sondern sich als Ergebnis einer Jahrmillionen Jahre andauernden
chemischen, also naturgesetzlichen Evolution herausgebildet hat. Diese mechanistische
Auffassung wird auch durch in-vitro Experimente gestützt, die zeigen, dass Teilprozesse von
Lebensprozessen auch außerhalb des Organismus unter geeigneten Laborbedingungen
ablaufen. 2002 gelang es erstmals, ein Poliovirus durch Reproduktion des genetischen
Bauplans im Labor künstlich herzustellen.
Kürzlich (SZ 21.5.2010) ist es erstmals gelungen ein Lebewesen „in vitro“ herzustellen, in
dem man in eine Bakterienhülle einen künstlich synthetisierten DNA-Strang einbrachte.
Das anthropische Prinzip: Das anthropische Prinzip (von griechisch anthropos» Mensch«),
besagt, dass das Universum, das wir beobachten, für die Entwicklung intelligenten Lebens
geeignet sein muss, da wir andernfalls nicht hier wären, es beobachten und physikalisch
beschreiben könnten. An diese an sich triviale Feststellung kann man jedoch eine Reihe
naturwissenschaftlicher und philosophischer Fragestellungen knüpfen:
1. Welche grundlegenden Eigenschaften des Universums und der Materie sind notwendige
Voraussetzungen für die Entwicklung intelligenten Lebens (wie wir es kennen)?
2. Welche anderen Formen von Leben sind im Universum denkbar?
3. Wie wahrscheinlich ist die Entwicklung von intelligentem Leben im Universum?
Diese Fragestellungen zielen über die Suche nach einer Erklärung für die Urzeugung des
Lebens auf der Erde hinaus. Nach heutigem Stand der Wissenschaften erfordern adaptive und
informationsverarbeitende Lebensprozesse die kontrollierte und doch schnelle Interaktion
hochkomplexer Moleküle und damit zumindest eine hinreichende Stabilität des Lebensraums
bei gemäßigten Temperaturen, möglicherweise auch Kohlenstoff und flüssiges Wasser.
Augenscheinlich mussten schon für das Sonnensystem und den Planeten Erde eine Menge
Dinge zusammen kommen, um die Entstehung von Leben auf der Erde zu ermöglichen, u.a.
• Eine ausreichend lange stabile Brenndauer des Sternes; massereichere Sterne haben viel
kürzere Lebensdauer, bei 10-facher Masse z.B. nur 10 Millionen Jahre.
• Eine habitable Zone der Galaxis (z.B. ausreichender Abstand zu Supernovae-Explosionen)
• Ein Planetensystem mit stabilen Planetenbahnen (daher auch kein Doppelstern-System).
• Der richtige Abstand zur Sonne: er ermöglicht gemäßigte Temperaturen, die Entstehung
der Ozeane, beständige komplexe Moleküle (5% näher oder 15% weiter entfernt wäre
außerhalb Ökosphäre der Sonne)
• Der richtiger Planet: die richtigen Elemente in den richtigen Mengen (z.B. Kohlenstoff,
Stickstoff, Wasser); ein schützendes Magnetfeld (durch flüssigen Eisenkern); die
Schaffung der Atmosphäre, von Meeren und Festlandgebieten durch Vulkanismus und
Plattentektonik; eine Uratmosphäre ohne freien Sauerstoff usw.
• Ein Verlauf der Evolution mit ausreichend langen Zeiten der Stabilität, unterbrochen von
Phasen mit starkem Anpassungsdruck, sowie das Ausbleiben vernichtender Katastrophen.
Ansätze, die Wahrscheinlichkeit weiterer (intelligenter) Lebensformen außerhalb der Erde zu
berechnen, sind sehr umstritten um kommen je nach Annahmen zu sehr unterschiedlichen
Ergebnissen von astronomisch unwahrscheinlich (rare-earth Hypothese) bis zu einigen 100
oder gar 1000 intelligenten Zivilisationen allein in unserer Galaxis (nach Modellen der DrakeGleichung). Zwar gibt es mindestens 100 Milliarden Sterne im Milchstraßensystem, und nach
neueren Beobachtungen und Hochrechnungen bis zu 20 Milliarden Planeten, die von ihrer
Masse und Umlaufdauer her eventuell als Lebenswelten in Frage kommen könnten, aber wie
viele davon erfüllen die vielen Voraussetzungen, die zur Entstehung von Leben auf der Erde
erfüllt sein mussten? Und wie viele extraterrestrische Lebensformen haben eine höhere, zu
technischer Kommunikation befähigten Intelligenz entwickelt? Von den Milliarden von
Arten, welche die Erde hervorgebracht hat, hat dies bisher nur der Mensch geschafft, und dies
auch nur in den letzten 150 Jahren einer 4 Milliarden Jahre umfassenden Evolution.
Feinabstimmung der Naturkonstanten: Schließlich bleibt die Frage nach den
Naturgesetzen selbst. Offensichtlich sind sie so beschaffen, dass die kosmische Evolution ein
Universum mit komplexen Formen der Materie in Form der vielfältigen Elemente und
Moleküle sowie Sternen und Planeten und Leben hervorbringen konnte. Das ist nicht
selbstverständlich. So werden die atomaren und molekularen Prozesse wesentlich durch die
Werte von 4 Naturkonstanten bestimmt; dies sind die Massen von Proton und Elektron sowie
die Stärken von elektromagnetischer und starker Kraft. Hätten diese Naturkonstanten nur
geringfügig andere Werte, gäbe es keine stabilen molekularen Systeme oder keine Sterne im
Universum. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der Feinabstimmung der
Naturkonstanten. Andere Beispiele dafür sind die Asymmetrie der Entstehung von Materie
und Anti-Materie beim Urknall ohne die keine Materie überlebt hätte, oder die Entstehung
von Kohlenstoff (12C) als Basis für Leben durch Fusion von 3 Helium-Atomen (Drei-AlphaProzess) im Inneren von Sternen, welche nur durch eine erstaunliche naturgesetzliche
Resonanz der Kernenergie-Niveaus der beteiligten Atomkerne zustande kommt.
Verbirgt sich hinter dieser „Feinabstimmung“ ein noch unbekannter naturgesetzlicher
Zusammenhang, gibt es – wie manche Wissenschaftler meinen - unendlich viele ParallelUniversen und darunter dann zwangsläufig auch solche, in denen sich komplexe Formen der
Materie bis hin zu beobachtendem Leben bilden können, oder gibt es doch hinter allen
Naturphänomenen eine innere Ziel- und Zweckgerichtetheit (teleologische Auffassung)?
Die Unwahrscheinlichkeit des Seins:
Jeder von uns ist mit der Urzelle durch eine ununterbrochene Kette von Lebensprozessen
verbunden. Alle Lebewesen sind miteinander verwandt, wir selbst und jeder Grashalm, jeder
Schmetterling haben irgendwo in der langen Lebenskette einen gemeinsamen Vorfahren. Die
Anzahl unserer Vorfahren geht in die Milliarden. Jeder Mensch, aber auch jede biologische
Art verdankt seine/ ihre Existenz dem unwahrscheinlichen Glücksfall, dass die Kette der zu
ihm/ zu ihr führenden Einzelleben nie abriss.
Unsere individuelle Existenz oder auch die spezielle Ausprägung unserer Art verdanken wir
daher wohl einem astronomischen Zufall, der Fortgang des Lebens und die zunehmende
Höherentwicklung und Diversifikation der Arten erfolgte dagegen wohl zwangsläufig nach
den Gesetzen der Evolution.
Der Begriff „Zufall“ an dieser Stelle soll bedeuten, dass für jedes zufällige Ereignis nur eine
bestimmte Wahrscheinlichkeit des Eintretens gegeben ist. Es bleibt natürlich eine offene,
philosophische Frage, ob uns dies nur subjektiv so erscheint, objektiv dagegen jedes Ereignis
(und damit z.B. auch jede „Willensentscheidung“) kausal determiniert ist.