Chemische Evolution

Vorwort
5
Inhaltsverzeichnis
9
Einleitung
13
1 Historischer Überblick
15
1.1 Zeitalter der Mythen
1.2 Mittelalter
1.3 Neuere Zeit
1.4 Das Problem, „Leben“ zu definieren
Literatur
15
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32
2 Kosmos, Sonnensystem und Urerde
33
2.1 Kosmostheorien
2.2 Bildung der Bioelemente
2.3 Entstehung des Sonnensystems
2.4 Entstehung der Erde
2.5 Atmosphäre der Urerde
2.6 Urozean (Hydrosphäre)
Literatur
3 Von den Planeten zur interstellaren Materie
3.1 Planeten und Satelliten
3.1.1 Merkur
3.1.2 Venus
3.1.3 Mars
3.1.4 Jupiter
3.1.5 Jupiter-Monde
3.1.6 Saturn und Saturnmond Titan
3.1.7 Uranus und Neptun
3.1.8 Pluto und Charon
3.2 Kometen
3.2.1 Ursprung und Herkunft der Kometen
3.2.2 Struktur der Kometen
3.2.3 Komet Halley
3.2.4 Kometen und Biogenese
3.3 Meteorite
3.3.1 Einteilung der Meteorite
3.3.2 Kohlige Chondrite
3.3.3 Mikrometeorite
3.4 Interstellare Materie
3.4.1 Interstellarer Staub
3.4.2 Interstellares Gas
3.4.3 Interstellare Moleküle
Literatur
4 „Chemische Evolution“
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4.1 Modellexperimente von Miller-Urey
4.2 Weitere Aminosäuresynthesen
4.3 Präbiotische Synthesen der Nucleinsäurebasen
4.4 Kohlenhydrate und Derivate
4.5 Blausäure und Derivate
4.6 Energiequellen für die chemische Evolution
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141
4.6.1 Energie aus dem Erdinnern und Vulkanismus
4.6.2 UV-Strahlung von der Sonne
4.6.3 Energiereiche Strahlung
4.6.4 Elektrische Entladungen
4.6.5 Stoßwellen (Schockwellen)
142
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148
4.7 Die Rolle der Phosphate
4.7.1 Allgemeines
4.7.2 Kondensierte Phosphate
4.7.3 Experimente zum „Phosphat-Problem“
Literatur
5 Peptide und Proteine: die „Protein-Welt“
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5.1 Allgemeines
5.2 Aminosäuren und Peptidbindung
5.3 Aktivierung
163
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5.3.1 Chemische Aktivierung
5.3.2 Biologische Aktivierung
166
166
5.4 Simulationsexperimente
5.4.1 Präbiotische Peptide
5.4.2 Präbiotische Proteine
5.5 Neue Entwicklungen
Literatur
6 „RNA-Welt“
6.1 Einleitende Bemerkungen
170
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189
6.2 Synthese von Nucleosiden
6.3 Synthese von Nucleotiden
6.4 Synthese von Oligonucleotiden
6.5 Ribozyme
6.6 Kritik und Diskussionen um die „RNA-Welt“
6.7 „Prä-RNA-Welt“
Literatur
7 Andere Theorien und Hypothesen
7.1 Anorganische Systeme
7.2 Hydrothermale Systeme
7.2.1 Allgemeines
7.2.2 Geologische Grundlagen
7.2.3 Synthesen an hydrothermalen Quellen
7.2.4 Andere Meinungen
7.2.5 Reaktionen in superkritischer Phase
7.2.6 Reaktionen vom Fischer-Tropsch-Typ
7.3 Chemoautotropher Lebensursprung
7.4 Die „Thioester-Welt“ von de Duve
7.5 Atomarer Kohlenstoff in Mineralien
Literatur
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264
8 Genetischer Code und weitere Theorien
267
8.1 Zum Informationsbegriff
8.2 Genetischer Code
8.3 Die Biogenesetheorie von M. Eigen
8.4 Die Biogenese-Modelle von H. Kuhn
8.5 Die „Ursprünge“ des Lebens von F. Dyson
Literatur
267
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275
282
287
292
9 Grundlegende Phänomene
9.1 Thermodynamik und Biogenese
9.2 Thermodynamik irreversibler Systeme
9.3 Selbstorganisation
9.4 Das Chiralitätsproblem
Literatur
10 Urzellen und Zellmodelle
10.1 Paleontologische Befunde
10.2 Zum Problem der Modellzellen
10.2.1 Einführende Bemerkungen
10.2.2 Historisches
10.2.3 Neue Entwicklungen
10.3 Der Stammbaum des Lebens
Literatur
11 Exo-/Astrobiologie und andere Themen
11.1 Extraterrestrisches Leben
11.1.1 Leben in unserem Sonnensystem
11.1.2 Extrasolares Leben
11.2 Künstliches Leben (KL)
11.3 Das „Wann“-Problem
Literatur
295
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299
302
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353
363
381
383
386
Epilog
389
Verzeichnis der Abkürzungen
391
Glossar
393
Sachwortverzeichnis
403
10 Urzellen und Zellmodelle (S. 307-308)
10.1 Paleontologische Befunde
Die frühe Phase der Erdgeschichte vor 4 bis etwa 3,8 Milliarden Jahren liegt, wie der Zeitraum vor dieser Periode, noch völlig im
Dunkel unserer Unkenntnis. Mögliche Zeugen aus diesen archaischen Phasen der Erdgeschichte könnten helfen, das Dunkel
aufzuhellen.
Es geht also um die Spurensuche nach möglichen Resten ersten primitiven Lebens auf unserem Planeten – die Suche nach
Fossilien, genauer nach Mikrofossilien. Darunter versteht man die Reste ehemals lebender Zellen. Es sind meist nur die
Zellwände, die erhalten blieben. Sie können aus dem umgebenden Sedimentgestein isoliert werden, wenn die silikathaltigen,
sulfidischen und karbonatreichen Mineralien chemisch aufgelöst wurden. Der kohlenstoffhaltige Rückstand enthält dann die
Mikrofossilien, von denen für die nachfolgenden mikroskopischen Untersuchungen transparente, dünne Plättchen hergestellt
werden.
Eine weitere wichtige Methode, um frühes Leben aufzuspüren, führt über das Verhältnis der beiden Kohlenstoffisotope 12C und
13C. Bei biologischen Prozessen wird das leichtere Isotop12C (der „normale Kohlenstoff") bevorzugt in Biomoleküle eingebaut.
Aus dem Verhältnis 13C/12C schließt man auf das Vorliegen von Material, das durch Lebensprozesse entstand. Entscheidend für
eine gesicherte Aussage ist natürlich, daß andere, nicht-biologische Ereignisse völlig auszuschließen sind. Ob dies in jedem Falle
möglich sein dürfte - ist fraglich. Vor allem dann, wenn nicht alle geologischen Prozesse, die vor 3–4 Milliarden Jahren abliefen,
genau bekannt sind.
Es gibt drei Arten von Beweisen für das erste Leben auf unserer Erde. Diese drei sind voneinander unabhängig, verstärken sich
aber gegenseitig:
– Stromatoliten,
– zelluläre Fossilien,
– biologisch gebildete C-haltige Materie.
Stromatoliten sind lamellenartig gelagerte kalkreiche Fossilien mit einer Feinschichtung im Millimeter-Bereich, die in vielerlei
Formen auftreten können. Sie entstanden durch die Lebensfunktionen von Blaugrünalgen (Cyanobakterien).
Zelluläre Fossilien werden mikroskopisch und neuerdings mit Hilfe der Laser-Raman-Spektroskopie (siehe später) untersucht.
Die Dünnschliffe der Gesteine zeigen oftmals Zellen in der Größe, Form, zellulären Struktur und Kolonieform, die den heutigen
Mikroorganismen stark ähneln. Damit die zuvor bezeichneten Eigenschaften erhalten bleiben, durften die Gesteine niemals über
420 K erhitzt worden sein. Ebenso hätten zelluläre Fossilien höhere Druckbelastungen nicht überstanden.
Die Isotopenzusammensetzung des Kohlenstoffs in C-haltigem, organischem Material („Kerogen") in alten Sedimenten gestattet
die Entscheidung, ob in der Phase der Gesteinsbildung photosynthetische Organismen vorhanden waren oder nicht. Dieses Indiz
kann noch Auskunft über biologische Aktivitäten geben, falls zelluläre Strukturen bereits zerstört wurden. Das Element Schwefel
kann in ähnlicher Weise für Aussagen genutzt werden (Schopf, 1999).
Die ältesten Gesteinsformationen der Erde findet man hauptsächlich in drei Regionen:
– Südafrika,
– West-Australien und
– Grönland.
Folgt man der historischen Entwicklung der Paleontologie, so begann sie zaghaft nach Darwins „Suche nach dem fehlenden
Beweis", d. h. den fehlenden Fossilien aus dem Präkambrium, die Darwins Theorie beweisen konnten. 1865 entdeckte Sir John
William Dawson (Kanada) die „Eozoön Pseudofossilien" und 1883 James Hall die „Crytozoon Stromatoliten" (Schopf, 1999).
Aber die intensive Phase der Paleobiologie des Präkambriums begann in der Mitte des vorigen Jahrhunderts.