Eisen-Schwefel-Welt

Archaikum: Von der Urzelle zum Bakterium
Wiederholung Biogenese:
Monomere Grundbausteine (z.B. Aminosäuren) entstanden durch chemische
Prozesse in Lösungen sowie an katalytisch aktiven Oberflächen von
Mineralen. Ein nicht unbeträchtlicher Teil stammte wahrscheinlich aus Meteoriteneintrag (Kometenkerne) und hatte sich schon in der präsolaren Gas- und Staubwolke gebildet.
Die Bedingungen für chemische Reaktionen, die zu organischen Polymeren
führten, waren wahrscheinlich auf Pyrit-Oberflächen ideal
--> Eisen-Schwefel-Welt im Bereich untermeerischer heißer Quellen
• Oberflächen – Metabolismus (Stoffwechsel ohne genetische Information)
• Entstehung eines autokatalytisch wirkenden Informationsmoleküls in Form
einer RNA (genauer eines Ribozyms) --> RNA-Welt
--> stetige Verbesserung durch molekulare Hyperzyklen (Selbstorganisation)
--> Reaktionsräume in Urzellen, die sich aus den Biomembranen auf PyritOberflächen gebildet haben
Nach Dyson ist es denkbar, dass es zu einer Art „Symbiose“ zwischen Eiweißen
mit der Fähigkeit des Metabolismus und den RNA-Enzymen gekommen ist.
Am Ende der Entwicklung stand eine Urzelle, die zum Metabolismus fähig
war, sich teilen konnte und in Form von RNA Aufbau- und enzymatische
Proteine verschlüsselte und in der Lage war, sie primitiv zu synthetisieren.
--> besaß wesentliche Lebensmerkmale
--> konnte sich in Konkurrenz zu anderen Zellen nach den Regeln
der Darwinschen Evolution (Replikation, Mutation, Selektion)
in Generationsfolgen selbst optimieren
Weitere Entwicklungsschritte:
• Umschreiben der brüchigen RNA in stabile DNA (DNA-Welt).
• Übergang der (autotrophen) Energiegewinnung durch anorganische
Reduktion (Eisen-Schwefel-Welt) über Gärung zur optimal wirkenden
Photosynthese (ATP als universeller Energiespeicher)
• Entstehung des Genaustauschs (Sex) als wesentliche Methode zur
Minderung von Mutationsproblemen durch Neukombination und zur
Beschleunigung von Anpassungsleistungen an geänderte Umweltbedingungen
--> methanogene Bakterien mit Fähigkeit zur Methanatmung
--> Cyanobakterien mit Chlorophyll (vor 3.5 Milliarden Jahren)
Entstehung der ersten Eukaryonten vor 1700
Millionen Jahren
„Reich der Monera“
3000: Verstärkte Diversifikation von Bakterien
3300: Erste Spuren von Sauerstoff in der
Atmosphäre
3500: Photosynthese wird erfunden
3600: Erste Mikrofossilien von Bakterien
4000 – 3900: Entstehung des Lebens - Biogenese
Es gibt zwei Wege zur Erforschung der Evolution des Lebens auf der Erde:
a) durch die Untersuchung von Fossilien
b) durch die Untersuchung der Gene (molekulare Phylogenie)
Die Theorie der Biogenese legt nahe:
1. es gibt einen „unsterblichen“ Bestandteil des Lebens, welches von
Generation zu Generation weitergegeben wird --> Gene
2. in Bezug auf die Gene gibt es eine ununterbrochene Linie von der
Urzelle bis zum heutigen Lebewesen als Individuum (Ahnenreihe)
3. die heutigen DNA-Sequenzen sind jeweils das Produkt ihrer individuellen
Ahnenreihen
4. DNA-Sequenzen ändern sich mit der Zeit durch Mutationen, wobei in der
Tendenz nur Mutationen überleben, die einen Überlebensvorteil liefern
5. Durch Vergleich von DNA-Sequenzen zwischen verschiedenen Arten
kann der jeweils jüngste gemeinsame Vorfahre ihrer Ahnenreihen
(most recent common ancestor, MRCA) bestimmt werden.
Phylogenetische Stammbäume
?
monophyletischer Stammbaum ?
Endosymbiontentheorie
•Spirochäten
•Mitochondrien
•Plastide
Übergang Prokaryonten - Eukaryonten
Hatena spec.
Nephroselmis
Lynn Margulis, 1980
Spirochäten
Auflösung des monophyletischen Stammbaums durch Endosymbiose
Im frühen und mittleren Proterozoikum bestand das Leben auf der Erde aus
relativ primitiven prokaryontischen Lebewesen (z.B. Archaebakterien) und
aus hochkomplexen eukaryontischen Lebewesen (Protozoa, Algen).
--> Der (biologische) Unterschied zwischen Prokaryonten und Eukaryonten
ist größer als der zwischen Pflanzen und Tieren.
Entstehung mehrzelliger Lebewesen
 Es konnten nur Organismen im Bereich ökologischer Nischen überleben
- heiße Quellen am Meeresgrund (Isolierung von Populationen)
- Unterseite der Eisflächen im Bereich der Tropen (Cyanobakterien)
(proterozoische Vereisungszyklen)
 Der Übergang zum Treibhausklima führte zu „biologischen Streß“ mit
erhöhter Mutationsrate und Besiedlung zuvor ungenutzer Lebensräume
Metazoa
Totalvereisungen der Erde führten zum Massenaussterben (Extinktionen) von
Organismen
Paläoproterozoische Vereisungen (vor ca. 2.3 Milliarden Jahren)
 Procaryota – Eucaryota
Neoproterozoische Vereisungen (vor ca, 0.7 Milliarden Jahren)
 Eucaryota – Metazoa -- kambrische Explosion --