Sascha Korsunsky 5.c Klasse 2003/2004 Entstehung des Lebens Betreuungslehrer: Mag. Dr. Eva Gergely Inhaltsverzeichnis Einleitung ........................................................................................................ 3 1. Die Entstehung der Atmosphäre .............................................................. 4 2. Die Entstehung der Ur-Ozeane ................................................................. 4 3. Entstehung organischer Moleküle ............................................................ 4 4. Entstehung der ersten lebenden Zellen .................................................... 6 4.1. Von der Urzelle zum Bakterium ........................................................ 8 4.2. Mutation – das Lebenselixier des Fortschritts .................................. 9 4.3. Die erste große Umweltkatastrophe ................................................. 10 5. Wie es weitergeht ..................................................................................... 11 Quellenverzeichnis ....................................................................................... 12 Korsunsky Sascha 5.c 2003/04 3 Einleitung Um die Entstehung des Lebens ranken sich viele Mythen und Legenden. Manche Ideen von der Entstehung des Lebens waren so radikal, dass wir sie heute als „sehr seltsam“ bezeichnen würden: Bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts hielt sich die im Weltbild von Aristoteles vertretene Theorie, dass Lebewesen direkt aus unbelebter Materie entstehen können. Denis Diderot nahm z.B. an, dass Tiere einfach aus dem Erdboden auskristallisieren können und noch Goethe antwortete im Jahre 1826, dass man Flöhe aus einer Mischung aus Sägemehl und Urin erzeugen könne.1 Nach dem christlichen Glauben Menschen vor unserer Zeit eine einfache Erklärung: Das Huhn und alles Leben auf der Erde wurde eindeutig von einer höheren Macht geschaffen. Natürlich hatte man damals keine Ahnung von einer Ursuppe, von den katalytischen Eigenschaften bestimmter Mineralien oder von der Veränderung der Lebensformen durch Mutation und Selektion. Viele Forscher wie Urey, Miller und Darwin haben trotz der Missgunst der Kirche gezeigt, dass das Leben nicht einfach vom Himmel fiel. Ihren langen und wurde alles Leben im Garten Eden mühsamen geschaffen, mit Adam und Eva als haben wir es zu verdanken, dass wir ersten Menschen. nicht mehr an solchen Mythen Der jüdische Glaube besagt, dass festhalten Forschungsarbeiten müssen, um unsere Menschen und Tiere von Gott aus Herkunft zu erklären. Wir alle, die Lehm gefertigt worden sind. Tiere, Die Menschen damals konnten Insekten bewohner, und Pflanzen, Meeres- Pilze, und sich nicht vorstellen, dass das Leben Bakterien sind das Ergebnis einer auf andere Weise geschaffen wurde, 3,5 denn: „Was war zuerst da? Das Evolution, die sich vollkommen Huhn oder das Ei?“. Als Ausweg nach den Naturgesetzen abgespielt aus diesem Dilemma wählten die hat, und nicht das Erzeugnis eines Milliarden Jahre langen übernatürlichen Wesens, das uns aus 1 Theorien zum Ursprung des Lebens aus Historischer Sicht. Online im Internet: URL: www.nano.geo.unimuenchen.de/external/research/publications /ownpapers/TheorienLeben.pdf [14.03.2004] Korsunsky Sascha Ton geformt und uns einfach so zum Leben erweckt hat. 5.c 2003/04 4 1. Die Entstehung der Atmosphäre Die Atmosphäre 2. Die Entstehung der UrOzeane entstand wahrscheinlich durch die Gase, die Da der Regen nun nicht mehr aus den zahlreichen Vulkanen der sofort wieder verdampfte, wenn er Ur-Erde austraten. Diese hatten die auf die Erde auftraf, sammelte sich gleiche wie in den Becken der Ur-Erde langsam Gase, die aus heutigen Vulkanen das Regenwasser, und es entstanden austreten, also 80% aus Wasser- die ersten riesigen Ozeane. Zusammensetzung dampf und Stickstoff, die restlichen 20 % aus CO2, Methan, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und anderen Gasen. Der Wasserdampf ver- flüssigte sich nach und nach und fiel als ein gigantischer Regen, der wahrscheinlich 40000 Jahre lang dauerte, auf die Erde nieder. Da die Temperatur der Erdoberfläche zu dem Zeitpunkt noch immer bei weit über 100 Grad lag, verdampfte der Regen sofort wieder und So oder ähnlich könnte die Ur – Erde vor 4Milliarden Jahren ausgesehen haben. 3. Entstehung organischer Moleküle Die Ur-Atmosphäre war voll- verflüchtigte sich allmählich in den kommen durchlässig für jede Art Weltraum. der von Licht, wie z.B. auch UV- Licht, Verdampfungsprozess dem Medium das so viel Energie besitzt, dass es Wärmeenergie entzieht, um den sogar Wassermoleküle in Sauerstoff Aggregatzustand (fest, flüssig oder und Wasserstoff aufspalten kann. gasförmig) zu ändern, führte dieser Genau das geschah auch an der Effekt zur deutlichen Abkühlung der Wasseroberfläche der Ur-Ozeane. Da Erdoberfläche. bekanntlich 2 Aus diesem Grund sammelten sich in der Atmosphäre langsam (im 2 Vgl. V. DITFURTH, Hoimar: Im Anfang war der Wasserstoff. 1. Aufl. Hamburg: Korsunsky Sascha Hoffman und Campe Verlag, 1972 S.69, 70, 5.c 2003/04 5 Laufe von Jahrmillionen) geringe die wichtigsten Bausteine heutiger Mengen an Sauerstoff (O2) an. Zellen. Entdeckt hatte das 1953 der Dieser bietet aber den besten Schutz damalige Student Stanley Miller: Die ersten überzeugenden Experimente hierzu führte Stanley Miller im Jahre 1953 durch. Er schickte elektrische Entladungen durch eine Mischung aus Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf in einem dicht verschlossenen Glasbehälter.4 gegen UV- Licht und so wurde die Produktion von O2 Allmählich pendelte gestoppt. sich der Sauerstoffgehalt der Ur-Erde bei einem Bruchteil des heutigen ein. Dieser Vorgang von Wasser- aufspaltung und UV–Abschirmung wurde nach seinem Entdecker Harold C. Urey benannt.3 Dieser grobe Schutz gegen das UV-Licht ermöglichte die Bildung größerer Moleküle, die ohne diesen Schutz sofort aufgespaltet worden wären. Die tatsächliche Bildung aber erfolgte durch die - nicht mit unseren zu vergleichenden - Blitze der Ur-Erde; die Moleküle der Atmosphäre und wurden durch des Wassers die gewaltigen Elektrizitätsentladungen oder durch die– geringere, aber vorhandene - Millers Versuch erbrachte den Beweis, dass organische Moleküle auch abiotisch entstehen konnten. UV-Strahlung in ihre Atome zerlegt und diese fügten sich dann zu komplizierteren zusammen. Verbindungen Einige dieser Verbindungen waren Aminosäuren, Selbst nach der kurzen Frist von 24 Stunden enthielt das Gemisch unter anderen komplizierten Ver- bindungen drei der insgesamt 20 4 71 3 vgl. V. DITHFURTH, Hoimar: A.a.O., S79, 80 Korsunsky Sascha WILLIG, Hans Peter: Die Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: http://www.willighp.de/evo/thema/evolutionprint.htm [14.03.2004] 5.c 2003/04 6 Sonnenenergie zum Aufbau neuer Substanzen zu verwenden.6 wichtigen Aminosäuren, die das Leben heute verwendet. Andere Forscher kopierten das Heute Prinzip, variierten die Dauer des meint man, dass das Experiments und die Inhaltstoffe, unmöglich wäre, da die Urozeane kamen aber immer zu ähnlichen dafür einen Biopolymeranteil von Ergebnissen, solange der Versuch mindestens nur Kohlenstoff, Wasserstoff und müssten. Dies ist aber gänzlich Stickstoff enthielt. unwahrscheinlich, da man heute 10% gehabt haben Es wurden nach und nach viele glaubt, dass die UV-Strahlung einen Biopolymere wie z.B. Aminosäuren, Großteil der Aminosäuren zerstört Lipide, Purine (Nucleotidbasen) und haben würde: Zucker entdeckt, die heute Wenn wir heute von Ursuppe sprechen, so deswegen weil die meisten Moleküle darin auch in einer Fleischbrühe vorkommen. Was man allerdings nicht glauben sollte, ist das damals die Ozeane die Konzentration einer Suppe gehabt hätten. Die Schätzungen für die Ozeane liegen bei weit unter einem Gramm organische Moleküle pro m3.7 in lebenden Zellen vorkommen.5 4. Entstehung der ersten lebenden Zellen Weiters meinte Miller, dass sich die Aminosäuren durch Zufall zu Eine plausiblere Erklärung für die Nukleinsäuren zusammenschlossen und somit den Anfang des Lebens bildeten. Entstehung der größeren organischen Verbindungen ist, dass bestimmte Tone von Natur aus Ein mit organischen Substanzen angefüllter Ozean ist natürlich noch lange kein Lebewesen. Zu den zentralen Merkmalen des Lebens gehört, daß lebende Systeme in der Lage sind, energiereiche Substanzen abzubauen und die chemische Energie oder, wie die grünen Pflanzen, die kleine Hohlräume bilden, die normalerweise mit Wasser gefüllt sind. Dieses Wasser kann aber leicht durch Aminosäuren verdrängt 6 RABL, Julius: Die Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: http://www.juliusrabl.de/leben/grund.html [14.03.2004] vgl. V. DITHFURTH, Hoimar: A.a.O., S. 120 - 125 Korsunsky Sascha [Stand 16. 04. 2004] 7 Die Entstehung des Lebens auf der Erde. Online im Internet: URL: http://www.berndleitenberger.de/leben.html [17.04.2004] 5.c 2003/04 7 noch heute heißes, schwefelhaltiges Wasser ins mineralienhaltige Meerwasser strömt. Der schwarze Niederschlag aus Eisen-Monosulfid in Form kleiner Bläschen hätte sich an der Austrittsstelle zu dreidimensionalen, wabenartigen Strukturen zusammengeschlossen. In den winzigen Hohlräumen – so die Forscher – sammelten sich, wie in einem Fangnetz, große Mengen von Lebensbausteinen an; zum Beispiel Ribonukleinsäure (RNS). Die Hitze aus dem Erdinneren habe die für die Katalyse von Biomolekülen notwendige Energie geliefert. Im Lauf von Jahrmillionen hätten sich dann die Urorganismen schließlich ein eigenes „Kleid“ geschaffen und sich aus der geliehenen Hülle befreien können. Und warum entsteht das Leben heute nicht mehr auf diese Weise? Martin: „Die katalytisch aktiven Eisensulfid-Zellen bilden sich nur wenn zweiwertige Eisenionen in der Mehrheit sind. Heute gibt es im Meerwasser jedoch durch den reichlich vorkommenden Sauerstoff in der Atmosphäre hauptsächlich dreiwertige Eisenionen.“ Die Initialzündung des Lebens funktionierte aber nur unter den damals herrschenden, sauerstoffarmen Umweltbedingungen. [...] 9 werden. Die Aminosäuren haben sich dann durch die katalytische Wirkung des Tones zu längeren Ketten zusammengeschlossen und Proteine gebildet.8 Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass das Leben auf dem Grund des Meeres bei den sogenannten „Black Smokers“, also Schwarzen Rauchern, entstanden ist: Erst Die Zelle, dann das Leben Eine neue Theorie besagt: Nicht in einer „Ursuppe“, sondern in einer steinartigen Zelle seien lebende Organismen entstanden Das jedenfalls behaupten William Martin von der Universität Düsseldorf und Michael Russel vom Scottish Environmental Research Centre in Glasgow. Damit widersprechen die beiden Wissenschaftler der These, dass sich vor etwa vier Milliarden Jahren in der Atmosphäre aus anorganischen Bestandteilen ein Sud aus organischen Verbindungen bildete, der sich in den flachen Zonen der Ozeane angesammelt und im Laufe der Zeit zu lebenden Zellen formiert habe. Martin und Russel sehen das anders: zuerst hätten sich Urzellen aus Stein gebildet, in denen sich das Leben entwickeln konnte. Das Stützgewebe habe sich am Grund der Urozeane rund um das Gebilde geformt, die den so genannten „Black Smokers“ ähnlich sind. Dies sind Öffnungen, aus denen 8 vgl. NEUKAMM, Martin (1999): Evolution und Entstehung von Leben. Online im Internet: URL: http://www.martinneukamm.de/leben.html [Stand 03. 04. 2004] Korsunsky Sascha Erst die Zelle, dann das Leben. In GEO – Das neue Bild der Erde.Juni 2003, S.191192 9 5.c 2003/04 8 Mit der Bildung der ersten selbstreproduzierenden moleküle endet die Makrosogenannte Chemische Evolution und es beginnt die Biologische Evolution, die noch heute andauert und auch andauern wird, solange es Leben gibt. Um die Erläuterung der Entstehung der ersten lebenden vervollständigen, Zellen möchte zu ich an dieser Stelle noch eine Theorie hinzufügen, die ich für weniger wahrscheinlich halte, da das Problem in diesem Fall nur verlagert wird. Die Kernsaussage der PanspermiaTheorie ist hingegen, dass das Leben als solches nicht auf der Erde entstanden ist, sondern irgendwo im All. Und es schon als fertige Keimzelle auf die Erde gefallen ist, etwa eingeschlossen im Eis eines Meteoriten. Offensichtlich vermag diese Theorie zwar die Entstehung des Lebens auf der Erde zu erklären, nicht aber die des Lebens als solchem.10 „Die ältesten Fossilien sind fädige zelluläre Gebilde, die in Gesteinen der auf 3,5 Mrd. Jahre geschätzten Onverwacht-Serie entdeckt wurden.“11 Die so genannten Mikrosphären waren wahrscheinlich die ersten als belebt anzusehenden Strukturen. Sie hatten einen primitiven Stoffwechsel und konnten sich durch Knollenbildung vermehren. Die Hülle dieser Urzellen besteht aus 4.1. Von der Urzelle zum Bakterium Die ersten Zellen, die man Südafrikas zwei Schichten von Fettmolekülen, die man auch Lipide nennt. Die Bildung dieser Schicht ist sehr einfach zu erklären: Die tatsächlich belebt nennen konnte, Lipidmoleküle haben und ein waren primitive Zusammenschlüsse wasseranziehende eine von Nukleinsäuren, Enzymen und wasserabweisende Seite. Da die einer einfachen Hülle. Nukleinsäuren von einem Wasserfilm umgeben werden, legen 10 Theorien zur Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: www.ra.informatik.tudarmstadt.de/lehre/seminare/studpublik/bio morphe/node4.html [14.03.2004] Korsunsky Sascha 11 Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: 5.c 2003/04 9 sich die Lipide mit der wasseranziehenden Seite an die Individuums und dessen erhöhter Chance zur Vermehrung.13 Nukleinsäure an. Andere Lipide „docken“ mit ihrer wasserab- Die damals äußerst einfachen weisenden Seite an die wasser- Zellen ernährten sich ausschließlich abweisende anderen von den Aminosäuren und anderen Lipides an. So entsteht eine Art Stoffen, die in den Urozeanen primitive, vorkamen. Diese Rohstoffe, die in Seite des halbdurchlässige Membran.12 Millionen von Jahren auf die bereits beschriebene 4.2. Mutation – das Lebenselixier des Fortschritts Weise entstanden, wurden nun von den - durch Vermehrung - zahlreichen Zellen aufgebraucht. Die Zellpopulationen Bei der Reproduktion der ersten begannen in großer Zahl Zellen traten manchmal durch die auszusterben, und es überlebten nur radioaktive Strahlung Erde sehr wenige Arten: die Zellen, die Mutationen, also vollkommen dazu übergegangen waren andere zufällige Fehler in der Erbanlage, Zellen zu schlucken und sie zu auf. zersetzen, und die, die „gelernt“ der Meistens entstanden dadurch für hatten aus CO2, Wasser und die Zelle Nachteile, selten aber Sonnenlicht Nährstoffe herzustellen. wurden diese Zellen durch den (diesen „Fehler“ begünstigt, und sie hatten Photosynthese.) Dadurch war das mehr Erfolg bei der Reproduktion primitive Ökosystem wieder ins als andere Lebewesen. Gleichgewicht gebracht worden. Vorgang nennt man Dies ist der eigentliche „Motor“ Die Entwicklung zur heutigen der Evolution: zufällige Erbsprünge „modernen“ Zelle war aber kaum in führen 3,5 Milliarden Jahren zu bewältigen. zur Begünstigung des Zu lange hätte es gedauert, die heutigen Bestandteile wie Ribosomen, Mitochondrien, Geißeln www.pinselpark.de/geschichte/einzel/a01_0 450sonnerde /230_enstleb.htm 12 vgl. V. DITFURTH, Hoimar A.a.O. S. 164, 165 Korsunsky Sascha 13 vgl. V. DITHFURTH, Hoimar: A.a.O., S. 239- 241 5.c 2003/04 10 und Chloroplasten entstehen zu lassen. Ihr Erscheinen ist einfach zu erklären: die Organellen, wie diese Bestandteile auch genannt werden, wurden nicht neu gebildet, sondern sie entstanden separat und wurden dann von geschluckt, größeren aber nicht Zellen verdaut. Wenn das Zusammenleben für beide Zellen ein Vorteil war, dann bildeten sie eine solche Symbiose. So war es auch bei den Ribosomen und Geißeln der Fall. Die Ribosomen genossen den Schutz der Mutterzelle, und die Mutterzelle bekam dafür das, was sie dem Ribosom herzustellen befahl. Bei den Geißeln war es genauso: Die Geißel bekam Futter im Das Chlorphyll ist in der Lage Wasser und CO2 mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und Glucose umzuwandeln. Es bildet die Grundlage zur Ernährung allen Lebens. Übermaß und musste dafür nichts tun, außer die Mutterzelle dahin zu tragen, wohin sie wollte. Das war 4.3. Die erste große Umweltkatastrophe bei den Chlorplastenhaltigen meist helle Bereiche, und bei räuberischen Zellen die Beute. den Da die Photosynthese im Laufe der 14 Zeit durch die Evolution verbessert wurde, stieg auch ihre Effizienz. Das „Abfallprodukt“ war der chemisch sehr aktive Sauerstoff. Seine oxidierende Kraft, die die weniger stabilen Verbindungen an 14 V. DITHFURTH, Hoimar A.a.O. S. 205208 Korsunsky Sascha sich band und sie somit einfach 5.c 2003/04 11 „verbrannte“, bildete eine große Inneres war nur ansatzweise strukturiert. Höchstwahrscheinlich war die Urzelle von einer festen, schützenden Zellwand umgeben, etwa wie eine Nuss.15 Bedrohung für das Leben. Die Zellen wurden dadurch meist zerstört. Der anwachsende Sauerstoff wurde Gehalt an durch die 5. Wie es weitergeht Die Evolution ist an diesem Punkt verstärkte Photosynthese der Zellen, die Chloroplasten enthielten, noch der Zusammenschluss der hervorgerufen. Die Rettung war eine neue Art von Zelle: das Mitochondrium. Es besaß bestimmte Enzyme, die die tödliche Kraft des Sauerstoffs neutralisierten. Die Energieproduktion der Zelle wurde dadurch sogar optimiert, da ohne Sauerstoff die Nahrung nicht optimal abgebaut werden konnte. Wie bei den noch keineswegs zu Ende, es folgt Geißeln und Ribosomen wurde die Organelle einverleibt und nicht verdaut, was Zellen zu größeren Gebilden, die Eroberung die ersten Urbakterien, die manchen Heutigen noch ähneln. Bakterien sind die einfachsten Lebensformen der Erde und sie sind auch die ältesten. Einige Bakterienkolonien, die vor über dreieinhalb Milliarden Jahren entstanden sind, blieben bis heute als versteinerte Fossilien erhalten. Sie lassen vermuten, daß der gemeinsame Vorfahre aller Lebewesen den heutigen Bakterien ähnelte: Ihm fehlte ein abgegrenzter Zellkern und sein Korsunsky Sascha die die Entwicklung des individuellen Bewusstseins. Diese Weiter- entwicklungen beweisen uns, das wir auf keinen Fall das Endprodukt der Evolution sind. Wieso sollte die Entwicklung auf einmal bei uns Halt machen, wenn sie doch sonst keine Grenzen kannte? Die soeben beschriebenen Schritte sind natürlich höchst interessant, den Sauerstoff immun machte. entstanden Festlandes, „Erfindung“ der Warmblütigkeit, nun auch die Mutterzellen gegen Daraus des vielleicht sogar noch interessanter als die Entstehung des Lebens, doch ist es aus Platzgründen nicht möglich, diese zweifellos wichtigen Schritte im Rahmen dieser Arbeit zu beschreiben. 15 BIESEN, Uwe (2001): Evolution der ersten Organismen. Online im Internet: URL: http://home.tonline.de/home/uwe.biesen/evo.htm [16. 03. 2004] 5.c 2003/04 12 Quellenverzeichnis Literaturverzeichnis V. DITFURTH, Hoimar: Im Anfang war der Wasserstoff. 1. Aufl. Hamburg: Hoffman und Campe Verlag, 1972 Seite 3: Theorien zum Ursprung des Lebens aus Historischer Sicht. Online im Internet: URL: www.nano.geo.unimuenchen.de/external/research/publications/ownpapers/TheorienLeben.pdf [14.3.2004] Seite 5: WILLIG, Hans Peter: Die Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: http://www.willighp.de/evo/thema/evolution-print.htm [14.03.2004] Seite 6: Entstehung der ersten lebenden Zellen: NEUKAMM, Martin (1999): Evolution und Entstehung von Leben. Online im Internet: URL: http://www.martinneukamm.de/leben.html [Stand 03. 04. 2004] Seite 6: RABL, Julius: Die Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: http://www.julius-rabl.de/leben/grund.html [Stand 16. 04. 2004] Seite 6: Die Entstehung des Lebens auf der Erde. Online im Internet: URL: http://www.bernd-leitenberger.de/leben.html [17.04.2004] Seite 7: Erst die Zelle, dann das Leben: Erst die Zelle, dann das Leben. In GEO – Das neue Bild der Erde. Juni 2003, S.191-192 Seite 7: Theorien zur Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: www.ra.informatik.tudarmstadt.de/lehre/seminare/studpublik/biomorphe/node4.html[14.03.2004] Seite 8: Entstehung des Lebens. Online im Internet: URL: www.pinselpark.de/geschichte/einzel/a01_0450sonnerde /230_enstleb.htm [14.03.2004] Seite 11: BIESEN, Uwe (2001): Evolution der ersten Organismen. Online im Internet: URL: http://home.t-online.de/home/uwe.biesen/evo.htm [16. 03. 2004] Bildquellenverzeichnis Seite 1: www.stmwfk.bayern.de/kunst/ museen/graphik.html am 10.3.2004 Seite 2: http://www.nfi.at/waterfacts/wasser/VOTING/BRG_Woergl/site2.html am 8.3.2004 Seite 4:http://www.vobs.at/bio/evol/e05-millerurey.htm am 26.2.2004 Korsunsky Sascha 5.c 2003/04 13 Seite 5: http://www.nirgel.net/ori_life1.html am 26.2.2004 Seite 7: http://www.martin-neukamm.de/leben2.html am 3.4.2004 Seite 9: http://www.julius-rabl.de/leben/grund.html am 26.2. 2004 Korsunsky Sascha 5.c 2003/04