4 Geschichte des Lebens08hot!

4 Geschichte des Lebens (cornelsen S. 286-2979
Es stellen sich folgende Fragen:
a) Wie entstanden erste organische Moleküle?
b) Wie entstanden Makromoleküle (RNA, DNA und Proteine)?
c) Wie entstanden die ersten Stoffwechselwege?
d) Wie entstanden Zellen?
zu a) = 4.1 Chemische Evolution: Entstehung organischer Moleküle
In Simulationsexperimenten wie dem von Stanley Miller und Harold Urey (vgl. S. 288)
gelang es organische Moleküle wie Alkohole, Carbonsäuren, Aldehyde, Aminosäuren, Purine
(A und G), Zucker und Fettsäuren in einer „Uratmosphäre“ aus den Gasen CH3 (Methan),
NH4 (Ammoniak), H2 (Wasserstoff), CO (Kohlenmonoxid) und Wasserdampf, die
elektrischen Entladungen ausgesetzt wurde, entstehen zu lassen.
Doch Makromoleküle wie Proteine oder Nucleinsäuren wurden nicht nachgewiesen.
Wo könnte die chemische Evolution abgelaufen sein?
1) In der ersten (reduzierenden) Atmosphäre und den oberen Schichten der Ursuppe, wie
von Miller und Urey postuliert.
2) In der Nähe der vulkanischen schwarzen Raucher in der Tiefsee, wobei die Reaktion von
H2S (Schwefelwasserstoff) und Eisen (III)-Sulfid (FeS) zu Pyrit (FeS) die Energie lieferte, um
CO zu einfachen organischen Verbindungen zu reduzieren. Anschließend hätten die
Pyritoberflächen als Katalysatoren wirken können, sodass hier sich sogar Makromoleküle
hätten bilden können. Auch heute nutzen noch chemoautotrophe Bakterien an vulkanischen
Tiefseequellen die Energie liefernde Reaktion von H2S zu Schwefel und Sulfat, um mit dem
frei werdenden Wasserstoff im Calvinzyklus Kohlenstoff zu reduzieren.
3) Im ultrakalten, UV bestrahlten kosmischen Eis in Kometen und interstellaren Wolken.
Dieses Eis fließt und kann darum Stoffe wie Wasser lösen, so dass es möglich ist, dass
Verbindungen entstehen. Tatsächlich hat man in Kometen und interstellaren Wolken
organische Moleküle nachgewiesen (vgl. Spektrum der Wissenschaft Heft 10/2001, S. 28).
zu b) = 4.2 Entstehung von einfachen Makromolekülen
An mineralischen Oberflächen (z. B. Calcit) oder Eisenpyrit könnten sich Aminosäuren zu
Peptiden/Proteinoiden verknüpft haben, so wie dies unter bestimmten Bedingungen im
Experiment gelingt. Diese Proteinoide haben katalytische Eigenschaften und können Tertiärund Quartärstrukturen bilden und sich sogar im Wasser zu Hohlkugeln (Mikrosphären oder
Coarzervaten) zusammenlagern, aber es findet keine identische Reduplikation statt.
Evtl. war auch die spontane Bildung von Nucleinsäuren (RNA und DNA) möglich, aber es
bleiben noch viele Fragen offen, z. B. wie Fehler repariert wurden.
Nach der Theorie der „RNA-Welt“ (1986 von Walter Gilbert vorgeschlagen) ging die RNA
der DNA voraus, denn:
- RNA fungiert als Informationsspeicher (in RNA-Viren, in Form von mRNA)
- RNA kann katalytische Eigenschaften haben, d. h. als Enzym, fungieren, z. B. in den
Spleißosomen und den Ribosomen.
- RNA kann als Strukturelement dienen, z. B. ebenfalls in den Ribosomen.
Aber: Doppelstrang- DNA ist stabiler als RNA.
Zu c) = 4.3 Theorie zur Entstehung von Stoffwechselwegen: Die Hyperzyklustheorie
Heute werden die Funktionen von Katalyse und Replikation von zwei getrennten Klassen von
Makromolekülen wahrgenommen. Proteine scheinen bessere Katalysatoren zu sein, während
sich die Nucleinsäuren besonders zur Replikation eignen. Manfred Eigen entwickelte die
Hyperzyklustheorie (Schroedel S. 423), die die Evolution von Stoffwechselwegen, vor allem
den Zusammenhang von Enzymen und Informationsträgern erklären soll. Ein Hyperzyklus ist
nach Eigen nicht einfach ein Kreisprozess, sondern eine Reaktionskette in Form einer
Schraube mit Wachstum und Rückkopplung und somit Selbstverstärkung.
Zu d) = 4.4 Die Entstehung von Zellen
Geht man davon aus, dass Hyperzyklen von einer Lipid-Doppelschicht als Membran umgeben
waren, könnte man sie als eine einfache Form von Zelle (Protobionten) verstehen. Solche
Systeme hätten bereits die Lebenskennzeichen „Selbstvermehrung“ und
„Informationsweitergabe“, „Veränderlichkeit des Erbguts“ und „Stoffwechsel“ aufgewiesen.
Aber man weiß bis heute nicht genau, wie die erste Zelle tatsächlich entstanden ist.
Die einfachsten noch heute existierenden Lebensformen sind Prokaryoten, die keine
membranumhüllten Zellorganellen, 70s-Ribosomen, keine Kernhülle und einen andern
Genbau als Eukaryoten besitzen.
Während man früher die Archaebakterien für einen primitven Seitenzweig der Eubakterien
hielt, ordnet viele Biologen heute alle Lebewesen in die drei Domänen Archaea, Bacteria
und Eukarya, weil man festgestellt hat, dass die Unterschiede zwischen Bakterien und
Archaebakterien teilweise gravierend sind, sich andererseits Eukarya und Archaea in einigen
Punkten ähnlicher sind als Bacteria und Archaea. Man geht darum davon aus, dass sich die
Bakterien als erste der Domänen abgespalten haben.
Archaea findet man in ganz speziellen Biotopen, z. B. in heißen Quellen, im Verdauungstrakt
von Kühen, wo sie Methan bilden und in stark säure- und salzhaltiger Umgebung.
Die Eukaryoten schließlich sind vermutlich über verschiedene Entwicklungsschritte durch
Einfaltung der äußeren flexiblen Membran und die daraus folgende Entstehung einer
Kernhülle und von Verdauungsversikeln sowie durch die endosymbiontische Aufnahme von
Organellen entstanden. Durch genetische Analysen kann man inzwischen so gut nachweisen,
dass Mitochondrien ursprünglich Bakterien und Chloroplasten urprünglich Cyanobakterien
waren, dass man nicht mehr von der Endosymbiontenhypothese, sondern von der
Endosymbiontentheorie spricht. (Merke: Eine Theorie im naturwissenschaftlichen Sinne ist
im Unterschied zur Hypothese empirisch gut belegt.)
4.5 Stammesgeschichte der Lebewesen (Cornelsen S. 290 -294)
Stichworte:
Älteste Fossilien = Stromatolithen (versteinerte Matten aus Cyanobakterien)
Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre durch Fotosynthese betreibende Lebewesen
Entstehen von Eukaryoten und Vielzellern
Beispiele für sehr alte fossile Lebensgemeinschaften:
a) aus dem Präkambrium: Ediacara-Fauna (benannt nach der Fundstelle in Australien)
b) aus dem Kambrium: Burgess-Schiefer aus den kanadischen Rockies
Eroberung des Landes (Pflanzen im Silur: Rhynia; Wirbeltiere/Amphibien im Devon)
Verschiedene Massenaussterben, z. B. am Ende von Perm, Trias und Kreide (Dinosaurier)