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Die Entstehung des Lebens auf der Erde Teil 1

Dieser Teil 1 befasst sich mit der chemischen Evolution und den Theorien wie sich das erste Leben, die ersten Zellen gebildet haben. Teil 2 geht auf die biologische Evolution von den ersten Zellen vor zirka 3.5 Mrd. Jahren bis zu den echten Mehrzellern vor 2 Mrd. Jahren ein.

Was wissen wir?

Die Kenntnisse über die Entstehung des Lebens und die ersten Mikroorganismen sind sehr gering. Obwohl über 80 % der Zeit in der es Leben auf unserem Planeten gab, vor dem Kambrium liegt, wissen wir fast nichts darüber. Grund dafür sind das wir es hier mit einzelligen Organismen zu tun haben, die selbst kaum fossil in Erscheinung treten und wenn können wir nur ihre Gestalt betrachten, nicht jedoch ihre Biochemie, auf die es in dieser Phase sehr ankommt.

Dieser Aufsatz soll das bisherige Wissen über die Bildung des Lebens bis zu den ersten Vielzellern darstellen. Ich werde dabei zwischen harten Fakten, Deutungsversuchen und Hypothesen trennen, den vieles sind nur Überlegungen, deren Wahrheit wir noch nicht kennen. Der Schwerpunkt liegt dabei gerade auf den offenen Fragen der ersten 4 Mrd. Jahre, d.h. die Evolution bis zu den ersten "echten Zellen".

Wann begann das Leben auf der Erde?

Die Erde vor 3.9 Mrd JahrenDas Sonnensystem ist nach Untersuchungen des Alters von Meteoriten ca. 4.57 Mill. Jahre alt, zumindest hat dieses Alter das bisher älteste bekannte Meteoritengestein. Erde und Mond sind wahrscheinlich etwas jünger und entstanden vor 4.5 Mrd. Jahren. Aus Beobachtungen beim Mond, anderen Planeten und ihren Monden wissen wir, das in der Frühzeit ein wahrer Regen an Meteoriten und Asteroiden auf die Erde und die anderen Planeten niedergegangen ist. Die dabei freiwerdende kinetische Energie wird sicher die Ur-Erde sehr lange an der Oberfläche flüssig gehalten haben. Selbst der Mond, der - im Gegensatz zur Erde - heute keinen flüssigen (heißen) Kern mehr hat, bildete das erste feste Gestein vor ca. 4.2 Mrd. Jahren, d.h. die Oberfläche war ca. 350 Mill. Jahre flüssig. Noch lange danach war allerdings die Oberfläche einem starken Bombardement ausgesetzt. Auch hier zeigt der Mond wie lange und intensiv es war. Die Phase des intensiven Bombardements durch Asteroiden dauerte bis zu 3.9 bis 3.8 Mrd. Jahre, nahm dann rapide ab auf ein kleineres Niveau, welches dann ab 3.2 Mrd. Jahre langsam auf das heutige Niveau abfiel.

Wie lange es dauerte bis auf der Erde annehmbare Bedingungen herrschten wissen wir nicht, da durch die tektonischen Bewegungen Gestein wieder aufgeschmolzen wurde. Es kann sein das so das älteste Gestein verloren ging, es kann allerdings auch sein, das die derzeit ältesten Gesteine (auf Grönland) mit einem Alter von 3.83-3.9 Mrd. Jahren die ersten auskristallisierten der Erde sind. Eine Reihe von Wissenschaftler meint, das die Erde durch das intensivere Bombardement als der Mond (größere Gravitationskraft und Auffangfläche) länger eine flüssige Oberfläche hatte und die Abkühlung bis zu diesem Zeitpunkt dauerte, andere halten diesen Zeitraum für zu lang.

Jedoch war auch nach der Bildung der Kruste noch kein Leben möglich, da noch die Temperatur an der Oberfläche zu hoch war, erst mit dem Kondensieren von Wasser aus der Uratmosphäre sanken die Temperaturen unter 100 Grad Celsius. Wenn wir davon ausgehen, das flüssiges Wasser die Grundvoraussetzung für Leben ist, so war dann der Startzeitpunkt gegeben.

Die ersten Sedimentgesteine, also Gesteine, die durch Erosion durch Wasser entstanden sind, sind etwa 100 Mill. Jahre jünger als die ältesten Gesteine. Zu diesem Zeitpunkt muss die Oberfläche schon flüssiges Wasser aufgewiesen haben. Die meisten Forscher gehen davon aus, dass sich flüssiges Wasser erst vor 4.0 - 3.8 Mrd. Jahren bilden konnte, vorher war die Oberfläche so heiß, dass jeder Niederschlag wieder verdampfte..Damals sanken die Temperaturen auf der Oberfläche unter 100 °C. Vorher verdampfte jeder Niederschlag wieder und die Atmosphäre war durch den Wasserdampf viel dicker als heute. Auch wenn einige Theorien davon ausgehen, dass die Ozeane sich zumindest zum Teil später erst durch Einschläge von Kometen bildeten, so ist zumindest ein Teil des Wassers das heute die Ozean bildet in der Atmosphäre war. Dies zeigen auch Untersuchungen der Venusatmosphäre, die zeigten, dass dieser heute trockene Planet in etwa so viel Wasser wie die Erde heute aufwies, es jedoch verlor. Dies wurde durch Isotopenuntersuchungen festgestellt (das schwerere Wasserstoffisotop hat größere Chancen zu verbleiben und die Menge ist daher deutlich angereichert).

Noch lange war die Erde jedoch heiß. Zum einen war die Erde immer noch innen vollkommen aufgeschmolzen und innerhalb der ersten Milliarde Jahre begann die Differenzierung der Gesteine. Es sanken die schweren Elemente zum Kern. Es bildete sich die Mantelkonvektion aus. Dadurch war auch die erste Kruste noch nicht beständig. Der Zerfall radioaktiver Elemente heizte dies noch an. Zahlreiche kurzlebige Isotope, die heute längst nicht existieren, zerfielen damals. Dazu kam die Zerfallswärme von Uran-235, dass heute nur noch 0,72% des Urans ausmachte. Ursprünglich waren es einmal 50% - der Rest ist zerfallen. Denkt man an die enorme Wärme die bei Atomreaktoren frei wird, so wird klar wie dies damals die Erdkruste aufheizte. Durch eine lokale Ablagerung von Uranerz bildete sich sogar in dieser Zeit ein natürlicher Urreaktor bei dem die lokale Konzentration von U-235 ausreichte eine Kernreaktion am laufen zu halten.

Wo begann das Leben?

Dies ist eine der am stärksten diskutierten Fragen. Das Grundproblem ist, das vor ca. 3.5 Mrd. Jahren die ersten Lebensfossilien auftauchen und man keine Zwischenstufe von der unbelebten organischen Materie kennt. Dieser Zeitpunkt rückte in den letzten Jahrzehnten immer näher an die Phase des intensiven Bombardements bis vor 3.9 Mrd. Jahre heran. Die ältesten zuverlässig datierbaren Fossilien sind 3.5 Mrd. Jahre alt, ein Kohlepartikel mit einer Anreicherung von C12 in grönländischem Gestein ist 3.9 Mrd. Jahre alt - C12 wird von Organismen leichter aus der Umwelt aufgenommen und somit akkumuliert, während bei chemischen Reaktionen C12 gleich oft wie C13 umgesetzt wird. Doch da nur Kohle und keine Zellen überliefert ist diese Lebensspur noch ungewiss. Gleich wie: Die Zeit der chemischen Evolution ist in den letzten Jahren von 1 Mrd. Jahre auf 400 Millionen gesunken und sind die Funde aus Grönland eindeutig, so dürfte das Leben fast sofort nach Abkühlung der Erde entstanden sein.

Theorie 1: aus der Ursuppe

Versuch von UreyDie Uratmosphäre der Erde enthielt lange Zeit keinen Sauerstoff. Aufgrund der heute noch bei vulkanischen Eruptionen freigesetzten Gase, vermutet man, das die allererste Atmosphäre der Erde aus Wasserdampf, Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestand. Spurengase waren Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Über die genaue Zusammensetzung wird aber auch heute noch diskutiert. Unstrittig ist allerdings, das die Bestandteile einer solchen Atmosphäre bei den damals noch herrschenden Bedingungen (hohe Temperatur, ungefilterte UV Strahlung, Blitze) reagieren und eine Reihe von organischen Verbindungen bildet. Derartige Experimente wurden mit verschiedenen Atmosphären und Umweltbedingungen durchgeführt und es bildeten sich eine Reihe von organischen Molekülen, darunter einfache Aminosäuren, Purine und Zucker, mithin also auch Bausteine des heutigen Lebens. Bekannt wurden die Versuche von Urey und Miller (links) in den fünfziger Jahren. Dabei wurde in einem Glaskolben ein Gasgemisch das der Uratmosphäre glich mit Methan, Ammoniak, Wasser und Kohlendioxid erhitzt und durch elektrische Entladungen wurden zusätzliche Reaktionen induziert (sie sollten Blitze simulieren). Der dabei entstehende Schlamm an der Glaswand wurde analysiert und er enthielt zahlrieche organische Moleküle wie Formaldehyd, Blausäure, Actonitril, Glycin. Variation der Versuchsbedingungen und Beimischungen anderer Gase erzeugen andere Moleküle wie Milchsäure, Alanin, Asparagainsäure und Glutaminsäure. Schon Urey und Miller fanden vier der 20 Aminosäuren. Es entstanden Moleküle mit Kohlenstoffketten von bis zu 6 Atomen Länge.

Heute gilt als gesichert, das zahlreiche organische Moleküle aus der Uratmosphäre entstehen. Das diese organische Moleküle bis heute Bausteine des Lebens sind kann daher so erklärt werden, dass sie als Baustoffe schon vorlagen. Allerdings gibt es einen Unterschied zum heutigen Leben: Zahlreiche Biomoleküle weisen eine besondere Art von Isomeren auf, die Stereoisomere. Das Molekül ist chemisch und physikalisch das gleiche, aber die räumliche Anordnung der Bindungen ist unterschiedlich. Es ist wie bei unseren Händen: rechte und linke Hand haben die gleiche Funktionalität, aber sie sind nicht deckungsgleich, wie sie beim Anziehen von Handschuhen leicht feststellen können. (Das gleiche gilt auch für Füße und Schuhe). Bei den chemischen Experimenten entstehen von beiden Formen immer 50%. Lebewesen dagegen, egal ob Bakterie oder hochentwickelte, produzieren jeweils nur eine der beiden Formen. Bei den Aminosäuren z.B. die bei der die NH2-Gruppe nach links schaut, bei den Zuckern die bei der die erste -OH Gruppe nach rechts schaut. Allerdings können Lebewesen beide Formen als Energieträger verstoffwechseln. So geht man davon aus, dass das frühe Leben die nicht benötigten anderen Isomere einfach aufgefressen hat.

Zu einem kommt es aber in der Ursuppe nicht: Die Grundbausteine reagieren im Wasser nicht zu Kettenmolekülen, die erst eine Zelle ausmachen, eine Funktion ausüben können. Lange Zeit nahm man an, am besten ginge dies in einer Grenzzone an der durch Ebbe und Flut Trockenheit (Reaktion zu Kettenmolekülen) und Flut (neue Moleküle werden angeschwemmt) vorherrschen.

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. Selbst wenn der gesamte heutige Luft-Stickstoff sich in Aminosäuren befunden hätte, so wäre dies nur die Konzentration eines Teelöffels "Suppe" auf 10 l Wasser. Analoges gilt auch für Kohlenhydrate und andere Verbindungen. Lokal (in austrocknenden Gewässern oder an Tongesteinen) kann die Ursuppe aber konzentriert worden sein, entweder durch Austrocknen oder durch die chemische Affinität bestimmter Mineralien zu den organischen Molekülen.

Ein Problem ist in jedem Falle, dass in einem Ozean sich alle Moleküle verteilen, so das es in den Meeren so nicht zu Leben kommen kann. Doch damals war der Mond näher und die Gezeiten stärker. Es muss damals sehr große Brandungszonen gegeben haben in denen Tümpel über Stunden von dem Meer abgeschlossen waren. Hier ist eine chemische Reaktion wahrscheinlicher, zumal die Sonne Tümpel austrocknet und so die Reaktionspartner konzentriert werden und auch die Temperatur des Wassers ansteigt. Als letztes liegt mit der Gesteinsoberfläche eine Matrix vor, die gleichzeitig katalysiert wie auch Moleküle bindet, so das neue Verbindungen zusammen bleiben und weiter reagieren können.

Theorie II: In der Tiefsee

Heute überlegt man, ob das Leben nicht auch in der Tiefsee entstanden sein könnte. Seit man in den achtziger Jahren in der Tiefsee schwarze Raucher - Schlote die mineralhaltiges heißes Wasser aus dem Erdinneren nach oben befördern - entdeckte und an diesen eine reiche Fauna fand, die sich letzten Endes auf urtümliche Bakterien gründet, ist auch eine Entstehung dort zu überdenken.

Die Energie für die Reaktionen liefert das heiße Wasser, zugleich auch Mineralien die teilweise reaktionsbeschleunigend wirken. Die Moleküle können an der Oberfläche der Mineralien haften und so neue Monomere anketten. Zudem ist der Lebensraum geschützt: Solare UV Strahlung und noch vorkommende vereinzelte Meteoriteneinschläge machen tief im Meer dem Leben nichts aus. Als Problem bleibt jedoch wie sich Kettenmoleküle im Wasser von alleine bilden, heute werden Kettenmoleküle durch Wasser nur gespalten. Man hat inzwischen Hinweise auf Leben in der Tiefsee gefunden, die 3.2 Mrd. Jahre alt sind. Dies ist zwar deutlich mehr als noch vor einigen Jahren, Funde aus dem Flachwasser sind aber 3.5-3.7 Mrd. Jahre alt. Der stärkste Hinweis auf die Entstehung des Lebens in der Tiefsee, in der Nähe von austretendem heißem Wasser, sind Archaebakterien. Archaebakterien sind von ihrem Bauplan die ältesten Lebensformen die wir kennen. Alle Arten kommen nur in sehr unwirtlichen Biotopen vor wie im Sickerwasser von Kohlenhalden, in Geysiren oder eben in der Tiefsee wo sie Basis für eine ganze Lebensgemeinschaft sind. Alle Archaebakterien haben die Eigenschaften anorganische Materie als Nahrung zu nehmen wie Eisen(II)salze, Schwefel oder Sulfid. Gerade diese dürften aber auf der urtümlichen Erde viel häufiger vorgekommen sein, als heute.

Theorie III: Im All

Man findet in Meteoriten zahlreiche Bausteine des Lebens: Aminosäuren, Zucker, Purine. Für viele Meteoriten kann man ausschließen, dass diese durch Kontamination in den Stein kamen, z.B. gibt es auf der Erde nur L-Aminosäuren, da alle Lebewesen nur die L-Form bilden, in Meteoriten hat man allerdings D und L Form - wie sie bei einer chemischen Synthese entstehen - gefunden.

Dies brachte einige Wissenschaftler auf die Idee, das Leben könnte in Meteoriten oder noch besser in Kometen (sie enthalten mehr Wasser und organisches Material) entstehen. In der Tat bilden sich, wenn man eine Mischung der Bestandteile - die man in Kometen vermutet - mit UV Strahlung bestrahlt organische Moleküle.

Das Leben auf einem Kometen könnte früher als auf der Erde beginnen, denn dieser ist nicht die ersten 700 Millionen Jahre noch glühend, zudem liegen die Stoffe konzentrierter als in der Uratmosphäre vor, Gestein könnte katalytisch auf die Bildung wirken. Allerdings hat das Leben auch mit einem Handicap zu kämpfen, nur einen kleinen Zeit ihres elliptischen Umlaufs sind die Kometen so nahe der Sonne, das es zu Reaktionen kommen kann, zudem verdampfen alle Gase rasch, so das ein flüssiges Reaktionsmedium nicht vorherrscht und auch das Leben kann schnell von einer schützenden Eisschicht befreit werden, wenn diese verdampft und den Kometenschweif bildet. Der größte Teil der Kometen hat keine elliptische Umlaufbahn, und nur selten kollidiert einer mit der Erde, auch wenn in der frühen Phase des Sonnensystems es vielleicht mehr Kometen als heute gab.

Manche Befürworter dieser These weisen auch auf die schnelle Verbreitung des Lebens hin, die nur mit schon gebildetem Zellen in einem Kometen erklärbar wäre. Doch so einfach ist dies nicht. Zum einen sind die frühen Beweise für Leben noch sehr vereinzelt und die ältesten noch umstritten, zum anderen haben wir hier Unsicherheiten in der Bestimmung der Zeiträume von 10-100 Mill. Jahren, also mehr als genug Zeit für eine Ausbreitung auf globaler Ebene. Um einen Vergleich zu nehmen: Eine einzelne Bakterie kann nach 100 Teilungen so viele Nachkommen haben, das diese genauso viel wiegen wie die heutige Biomasse. Es reicht also aus wenn sich die Population alle 100.000- 1 Mill. Jahre verdoppelt. Dagegen verdoppelt sich die Erdbevölkerung in zirka 30 Jahren.

Zusammenfassung: Es ist offen

Allen Theorien ist eines gemeinsam, die Lebensentstehung ist nur unvollständig erklärbar, die Theorien gehen von Bausteinen des Lebens aus, können aber die Bildung des Lebens aus den Bausteinen nur schwer erklären. Am umstrittensten ist die All Theorie. Vor allem aber verlagert sie nur das Problem, denn man weiß dann immer noch nicht, wie Leben in Kometen entstanden sein soll.

Die Umgebung in der Leben entstand

Wir wissen heute nur wenig über die urtümliche Erde, doch können wir sehr vieles rekonstruieren. Die allererste Erdatmosphäre die sich aus den flüchtigen Elemente bildete, die nach der Entstehung der Erde übrig blieben, wurde wahrscheinlich von der Sonne "weggepustet": Sterne machen bei ihrer Entstehung eine Phase durch, in der sie 1000 mal mehr hochenergetische Teilchen emittieren als heute. Diese trugen die Uratmosphäre fort. Dies kann man heute noch daran erkennen, dass unser Planet sehr wenige Edelgase mit Atommassen ab dem Neon in der Atmosphäre hat. Edelgase gehen keine chemischen Verbindungen ein und können so nicht in Gesteinen fixiert sein. Umgekehrt sind sie zu schwer, als das die Erde sie heute verlieren könnte. Ihr Fehlen wird damit begründet das die Uratmosphäre der Erde verloren ging.

Die Folgeatmosphäre der Erde bestand vornehmlich aus vulkanischen Gasen: Wasserdampf, Kohlendioxid werden meist als Hauptbestandteile genannt, über den Anteil an anderen Komponenten wird diskutiert. Bei den hohen Temperaturen, der hohen Vulkanischen Aktivität und der noch ungefilterten UV Strahlung ist dies aber nicht so wesentlich. Durch Photolyse bilden sich bei diesen Bedingungen eine Reihe von Spurengasen die wiederum die Bausteine der Ursuppe bilden, von alleine durch Reaktionen von Wasser, Stickstoff und Kohlenmonoxid..Genannt werden als Bestandteile der Atmosphäre Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Salzsäure, Chlor, Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Fluorwasserstoff, Wasserstoff, Methan, Ammoniak und Argon. Sie ist reduktiv, enthält keinen Sauerstoff und sie ist hoch reaktiv. Zahlreiche Bestandteile reagieren mit den Gesteinen.

Doch auch diese Uratmosphäre macht einen langsamen Wandel durch. Stickstoff reichert sich an. Er geht keine Reaktionen mit dem Gestein ein. Er entsteht aus dem Ammoniak, wenn dieser reagiert. Kohlendioxid bildet sowohl unter dem Einfluss mit Wasser wie auch alleine mit Gesteinen und bildet Karbonate. Das Wasser selbst reagiert ebenfalls mit dem Gestein, löst aber auch die leicht löslichen Chloride und Karbonate auf  Mit abklingender Aktivität der Oberfläche wird ein Teil des bei der Wasseraufspaltung durch UV Strahlen freiwerdenden Sauerstoffs nicht mehr chemisch gebunden. Bis dahin enthält die Atmosphäre keinen Sauerstoff, dies belegen Erzfunde aus jener Zeit die nur unter Sauerstoffabschluss entstehen konnten. Der Sauerstoff oxidiert Oberflächengesteine. Mit dem Abklingen dieser Oxidation aber kann ein kleiner Teil des Sauerstoffs in der Atmosphäre verweilen, ca. 0.1 % des heutigen Gehaltes. Dies reicht jedoch für eine kleine Ozonschicht aus, die zumindest die extrem harten UV Strahlen stoppt. Damit dürfte die Bildung von organischen Materialien in der Atmosphäre langsam abgenommen haben. Der Zeitpunkt zu dem dies geschah wird auf etwa vor 3.5 Mrd. Jahre geschätzt. Damals wird die Erde eine Atmosphäre aus Stickstoff, Kohlendioxid und Argon besessen haben. Die Spurengase Chlor, Chlorwasserstoff, Methan, Schwefelwasserstoff und Ammoniak werden weniger, durch Lösung im Wasser oder durch chemische Reaktionen welche die "Ursuppe" bilden.

Wenig wissen wir auch über die Rolle des Wassers, wie warm es damals war, welchen Treibhauseffekt es ausübte. Sicher ist das erste Auftreten von Wasser in Form von Regen vor 3.6 Mrd. Jahren, sicher ist auch das spätestens vor 2 Mrd. Jahren die Ozeane ihre heutige Größe erreicht haben, wie lange das Ausregnen dauerte und welche Temperaturen herrschten bleibt unklar. Modelle über den Treibhauseffekt sagen die Lebensentstehung unter Temperaturen von 70° C voraus. Temperaturen die man lange als zu hoch ansah bis man die Archaebakterien genauer betrachtete und feststellte, das viele bei diesen Temperaturen munter existieren. Die Ozeane werden sehr lange relativ salzarm gewesen sein, die Erosion von Festlandsgesteinen wird aber nach und nach leicht lösliche Salze in die Ozeane getragen haben.

Ähnliches wie über die Ozeane und die Atmosphäre gibt es auch über die Erde zu berichten. Diese brauchte noch länger für die Abkühlung. Noch heute ist nur die oberste Schicht fest, schon der Erdmantel ist flüssig. Man vermutet das sich die Bildung der Kontinentalschollen sehr langsam vollzogen hat und erst vor 2.5 Mrd. Jahren sich die letzten gebildet haben. Solange war die Erdoberfläche sicherlich vulkanisch aktiver als heute. Die ältesten Gesteine sind Granite, das sind ist eine Gesteinsklasse die im Erdmantel entstand und aus drei Mineralien (Quarz, Feldspat, Glimmer) besteht. Granit zählt nicht nur zu den häufigsten Gesteinen, es ist auch ein Gestein, dass kaum durch Säuren angreifbar ist. Es verwundert nicht, dass daher Granite die rauhen Bedingungen der Uratmosphäre recht gut überstand.

Wie das Klima damals war kann man heute nur schwer nachvollziehen. Es gibt nur indirekte Spuren. Es scheint aber schon damals sehr variablen und lokal unterschiedlich gewesen zu sein. So entstanden zwischen 3000 und 2100 Millionen Jahren zahlreiche Goldlagerstätten. Dabei wurde goldhaltiges Gestein hydrothermal (durch überhitzten Wasserdampf) gelöst und beim Abkühlen fiel unter anderem das Gold aus. Analog gab es zwischen 2900 und 2800 Millionen Jahre Lagerstädte mit der Ausscheidung von Antimonid aus überhitzen Wasser Hier war also lokal die Erdoberfläche sehr heiß, vielleicht vergleichbar einigen Zonen in Island heute. Auf der anderen Seite gibt es zwischen 3000 und 2500 Millionen Jahre vor unserer Zeitrechnung die erste Bildung von Kies. Kies entsteht durch Gletschertätigkeit bei denen Gletscher das Gestein abschleifen und zerkleinern bis der Kies entsteht. Es wurde also deutlich kälter. Auch die Antimonidbildung hörte vor 2800 Millionen Jahren auf, und setzte erneut vor 500 Millionen Jahren ein, als wiederum die Bedingungen geben waren und es deutlich wärmer war.

Durch die Abscheidung von Dolomit aus dem Wasser wissen wir umgekehrt, dass vor etwa 2000 Millionen Jahren es deutlich wärmer im Wasser war als vorher und es auf der Erde wohl global wärmer wär als heute.

Von den Biomolekülen zum ersten Leben

Nun kommt ein sehr großer Schritt. Während wir im Labor aus der Uratmosphäre einfache Kohlenhydrate, Purine oder Aminosäuren bilden können, sind unseren experimentellen Möglichkeiten daraus Leben zu bilden Grenzen gesetzt. Hier können wir nur Überlegungen anstellen. Selbst das einfachste Leben unterscheidet sich in seiner Komplexität enorm von einfachen Molekülen. Die folgende Übersicht soll die grundlegenden Schritte vom Molekül zum Lebewesen aufzeigen, wobei jeder Schritt den vorhergehenden voraussetzt

Die Entstehung von Polymeren

Die Zelle besteht heute aus Polymeren also Ketten einfacher Moleküle wie Eiweiße (aus Aminosäuren), Kohlenhydrate (aus Zuckern) und natürlich auch die Erbsubstanz DNA. Diese können kurz sein (einige Aminosäuren für ein Ur-Enzym) oder lang (die DNA mit den Genen)

Die Entstehung einer Zellmembran

Zellen sind durch eine Membran von ihrer Umwelt abgekapselt. Ein Großteil der Vorgänge in den Zellen kann nur bei Bedingungen geschehen, die sich von der Umgebung unterscheiden. Die Membran ist so etwas wie eine Schutzhülle für die Zelle. Membranen können sich spontan bilden wenn Fett und Emulgatoren, also Mittler zwischen Fett und Wasser vorliegen. Es kommt dann zu einer Fettmembran die einen kleinen Hohlraum umgibt.

Bildung von Enzymen

Enzyme bewerkstelligen heute alle Stoffwechselvorgänge. Dadurch wird Energie gewonnen, die weiteren Enzymen zum Aufbau von Zellmaterial dienen kann. Ohne Enzyme kann eine Zelle weder wachsen noch leben. Einige Antibiotika und Gifte blockieren nur ein Enzym welches dann zum Tod des gesamten Organismus führen kann.

Bildung der Erbsubstanz

Ohne Erbsubstanz kann eine Zelle zwar leben, aber sich nicht vermehren. Wichtig ist natürlich das die Erbsubstanz die Bestandteile der Zelle codiert und sich ein Apparat gebildet hat der die Information wieder in Proteine umsetzt.

Die Bildung von Polymeren

Schon der erste Punkt zeigt sich sehr schwierig. Anders als bei den Biomolekülen der Ursuppe bilden sich Polymere nicht spontan aus den Monomaner (Bausteinen). Der Grund liegt darin, dass bei allen Polymeren die das Leben bei uns einsetzt, bei der Bildung Wasser abgespaltet wird. In der Ursuppe mit viel Wasser ist es daher wahrscheinlicher das ein Polarem durch Wasser gespalten wird als das es gebildet wird. Es ist so als erwartet man, dass aus einer Zuckerlösung spontan Zuckerkristalle entstehen würden! Versuche Proteine aus den Lösungen herzustellen gelangen - allerdings nur bei 130-180° C. Solche Bedingungen herrschen allerdings noch heute in der Tiefsee an unterirdischen Vulkanen. Durch den hohen Druck des Wassers, bleibt das Wasser auch bei diesen Temperaturen flüssig. Für die DNA, Kohlenhydrate oder Fette sind bisher keine spontanen Bildungen beobachtet worden. Diskutiert werden auch Bildungen durch Katalyse von Gesteinen oder durch die chemische Umsetzung von anderen Biomolekülen. Letzteres setzt eine sehr hohe Konzentration voraus, die nur in einem kleinen Areal erreicht wird. Ob in einem Tümpel aber sich dann das Leben ausbreiten konnte?

Die Entstehung der Zellmembran

Die Entstehung der Zellmembran ist ein sehr wichtiger Punkt, ohne sie würden alle spontan gebildeten Moleküle , die Vorläufer für weitere Entwicklungen sind, weggeschwemmt oder zerstört. Heute bestehen Zellmembranen aus Fetten und Proteinen. Fettbausteine wurden bislang allerdings noch nicht in der Ursuppe gefunden. Daher beschränken sich heutige Versuche auf Hüllen aus Proteinen. In der Tat bilden sich 2 µm große Kügelchen spontan aus Proteinlösungen wenn man geeignete Bedingungen vorlegt. Diese können sich auch durch Knospung teilen und zeigen Eigenschaften die darauf hindeuten das nicht alle Moleküle die Membran passieren können, wie es auch heute bei Zellen wichtig ist. Die spontane Bildung solcher Kügelchen zeigt das sich zumindest einfache Membranen spontan bilden können.

Enzyme

Enzyme machen heute alles in der Zelle: Aufbau, Abbau, Energiegewinnung. Hier tappen wir weitgehend im Dunkeln. Die vernünftigste Vorstellung ist, das sich spontan ein Eiweiß gebildet hat welches eine schwache enzymatische Aktivität besitzt, eventuell unter Zuhilfenahme von Metallen die auch heute noch Coenzyme sind. Dies ist denkbar und vorstellbar. Die Problematik liegt darin, das ein Enzym einer Zelle gar nichts nützt. Ein Enzym welches Energie aus der Umgebung gewinnen kann nützt nichts, wenn nicht anderen Enzyme diese Energie zum Aufbau von Zellmaterial nützen. Ein einfacher Abbau von Traubenzucker zu Alkohol benötigt etwa ein Dutzend Enzyme! Hier haben wir das Problem, das die spontane Bildung all dieser Enzyme extrem unwahrscheinlich ist. Zusammen könnten diese Proteine nur gekommen sein, indem die Zelle diese aus der Umgebung aufgenommen hat, doch wie und woher nimmt die Zelle die Energie dafür? (Die Konzentration von Stoffen erfordert Energie)

Die Vererbung

Das nun größte Rätsel kommt noch. Eine Zelle hat neben den Enzymen ein zweites hochkompliziertes System: Die DNA. Die DNA kodiert alle Erbinformationen und Enzyme lesen sie ab, kopieren Teile des Inhalts und bauen nach diesen DNA Bauplänen benötigte Stoffe. Dieses System ist so perfekt, das man sich nicht vorstellen kann wie es sich spontan bilden könnte. Wie konnten Informationen über die Zusammensetzung der Ur-Zelle in die DNA gelangen (es gibt bis heute keinen Weg dafür)? Oder falls es zuerst die DNA gab, wie konnte sie abgelesen werden ohne Enzyme? Es gleicht der Frage nach der Henne und dem Ei, wir wissen nicht was zuerst da waren, heute sehen wir nur ein hochkomplexes verbundenes System, über die Entstehung können wir nur spekulieren.

Wie wahrscheinlich ist Leben?

Nach den Experimenten an der Ursuppe Anfang der fünfziger Jahre machte sich die Überzeugung breit, Leben entstehe spontan: "Eine Ursuppe und ein paar Milliarden Jahre Zeit" nannte einmal ein Forscher als Bedingungen für die Entstehung des Lebens. Diese Meinung wird auch heute noch von vielen geteilt, zum Zeitpunkt als ich diesen Artikel schreibe (1997), wird spekuliert ob es Leben auf dem Mars oder dem Jupitermond Europa geben könnte. Der Grundgedanke: Leben entsteht automatisch bei den richtigen Startbedingungen

Andererseits gibt es doch einem zu denken, dass alle Lebewesen auf dieser Erde molekular gesehen denselben Bauplan haben: Enzyme sind identisch, Stoffwechselvorgänge und sogar die genetische Codierung. Dies erlaubt es, das Bakterien menschliches Insulin bilden, es zeigt aber auch das wir aus einer Urzelle stammen.

Vorstellbar wäre es sicher das verschiedene Lebensformen die gleichen Biomoleküle als Nahrung wählen, aber warum bilden sie alle dieselben Enzyme aus? Vielleicht weil sie die besten sind, aber warum ist die Struktur dann so einheitlich? Enzyme haben ein Zentrum welches die Reaktion durchführt und einen Rest drum herum. Bei diesem Rest können durch Mutationen Aminosäuren ausgetauscht sein. Dies wird heute benutzt um die Abstammung von Arten zu datieren. Bei verschiedenen urzeitlichen Lebensformen erwarten wie in diesem Rest alle möglichen Variationen zu finden, doch dies ist nicht der Fall.

Am wichtigsten ist der genetische Code. Dieser ist eine Art Übersetzungstabelle von DNA Basen in Aminosäuren. Es gibt keinerlei Grund warum dieser bei allen Lebensformen identisch sein sollte außer einem: Sie alle stammen von einer Urlebensform ab.

Das alles lässt nur zwei Schlüsse zu:

Urbakterie, 3.5 Mrd Jahre altDas erste geht davon aus, das sich Leben nur einmal bei uns gebildet hat. Es ist auch die Ansicht des Autors. Demnach ist die Lebensentstehung zumindest nicht selbstverständlich, vielleicht steht auch diesem Prozess nur ein bestimmter Abschnitt in der Geschichte eines Planeten zur Verfügung, und bei uns hat es eben geklappt. Vielleicht hat aber auch die Urzelle alle organischen Bestandteile der Ursuppe so schnell aufgefressen, das kein anderes Leben entstehen konnte. Dies ist unwahrscheinlich, siehe dazu weiter unten.

Für die zweite Theorie sind zwei mögliche Szenarien denkbar:

Die erste Urzelle hat anderen Lebensformen schon vor 3.5-3.2 Mrd. Jahren vertilgt. Das hört sich zuerst einleuchtend an, ist aber unwahrscheinlich:

Hinzu kommt das wir es hier mit Einzellern zu tun haben. Bei keiner anderen Lebewesengruppe existiert eine solche Fähigkeit zur Anpassung an verschiedene ökologische Bedingungen, kein andere Gruppe kann sich aus einer einzelnen Zelle wieder regenerieren. Nur eine einzige Art soll überlebt haben?

Meine (persönliche) Meinung ist daher das wir vielleicht doch einmal die Wahrscheinlichkeit der Lebensentstehung neu überdenken sollten. Ich schließe aus dem molekularen Grundlagen der Biochemie aller heutigen Lebewesen, das diese alle von einer Urzelle abstammen und denke, das sich Leben genau einmal auf der Erde entwickelt hat. Die Entstehung von Leben aus organischer Materie halte ich daher nicht für selbstverständlich und bei den nötigen Startbedingungen einfach vorkommend. Weiter nun im Teil 2.



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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