DNA, Evolution des Lebens und des Menschen

Bau und Vergleich von DNA und RNA

Bau der DNA

Es sind zwei schraubig gewundene Einzelstränge, bei denen die Phosphatmoleküle nach außen und die Basen nach innen gerichtet sind. Beim DNA-Doppelhelixmolekül erkennt man, dass beide Einzelstränge gegenläufig umeinander gewunden sind und durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der Einzelstränge zusammengehalten werden. Ein DNA-Nukleotid besteht aus Zucker (Desoxyribose), Phosphat und einer Base (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin).

DNA: Desoxyribonukleinsäure

RNA: Ribonukleinsäure

Vergleich: DNA vs. RNA

Der Triplett-Code

Drei aufeinanderfolgende Basen verschlüsseln eine Aminosäure (AS).
4³ = 64 Tripletts ↔ 20 AS.
Eine AS wird durch mehrere Tripletts verschlüsselt → redundanter Code.

Mutationen: Veränderungen des Erbmaterials

(Plötzliche, sprunghafte Veränderung des Erbmaterials)

• Genmutation (eine chemische Veränderung auf der Ebene des Gens)
  • Leserastermutation (es werden Basen zusätzlich eingefügt (Insertion) oder entfernt (Deletion))
  • Punktmutation (eine einzelne Base wird ausgetauscht)
• Genommutation (Veränderung der Gesamtzahl der Chromosomen)
• Chromosomenmutation (Veränderung am Chromosom selbst)

Mutationen und die Codesonne

Bei der Replikation von DNA können geringfügige Fehler zu Punktmutationen führen. Andere Fehler führen zu Rasterverschiebungen, Abbrüchen oder Nonsens-Sequenzen. Hierfür ist der genetische Code mit einer gewissen Fehlertoleranz ausgestattet. Es werden für manche AS mehrere Codes verwendet; diese unterscheiden sich dann in der Regel in nur einer der drei Basen (→ minimaler Abstand im Coderaum).

Uratmosphäre und die Entstehung des Lebens

Die Uratmosphäre

Man nimmt an, dass sich die Atmosphäre im Lauf der Erdgeschichte dreimal wesentlich in ihrer Zusammensetzung verändert hat. Die Zusammensetzung der ersten Atmosphäre vor etwa 4 Milliarden Jahren war vom Abkühlungsprozess der Erdkruste und vom Vulkanismus geprägt. Sie bestand aus Kohlenstoffmonoxid, Methan, Stickstoff, Ammoniak, Wasser, Schwefelwasserstoff und Sauerstoff (aber nur in Verbindungen).

Der Urozean war eine Lösung aus vielen einfachen organischen und anorganischen Stoffen.

Die Ursuppe

Im Zusammenhang mit Hypothesen zur Erklärung der Entstehung der ersten organischen Makromoleküle auf der Erde wurde der Begriff „Ursuppe“ geprägt. Organische Makromoleküle werden als Ursubstanzen am Beginn der Evolution des Lebens vermutet. Eine klassische Vorstellung geht davon aus, dass das Leben in einem wässrigen Medium, dem Urmeer, seinen Anfang genommen hat. Das mit dieser Hypothese verknüpfte Experiment ist der Miller-Urey-Versuch.

Das Miller-Urey-Experiment

Stanley Miller und Harold Urey bewiesen schon 1953, dass unter bestimmten Umständen aus anorganischen Stoffen organische Stoffe entstehen können. Um die Uratmosphäre zu rekonstruieren, stellte Miller in seinem System den Ozean als einen Kolben brodelnden Wassers und die Atmosphäre als einen mit elektrischen Entladungen durchzogenen Kolben, gefüllt mit Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf, dar.

Grenzen des Miller-Experiments

• Es entstehen nicht alle AS-Formen, die in Organismen vorkommen.
• Es entstehen auch AS, die in Organismen nicht vorkommen.

Hominisation: Die Entwicklung des Menschen

Entwicklung der Bipedie

Es gibt viele Hypothesen dazu, wie und warum sich bei den frühen Vorfahren der Gattung Homo die Bipedie (der aufrechte Gang) entwickelt hat. Aufgrund von Fossilfunden wie „Little Foot“ und „Lucy“ gilt als gesichert, dass schon die Vertreter der Gattung Australopithecus über größere Strecken hinweg aufrecht gehen konnten. So brauchten sie nicht so viel Energie bei der Bewegung und konnten Nahrung oder Werkzeuge mit den Händen nehmen.

Entscheidende Hinweise geben aber auch Skelettmerkmale der Australopithecinen: ein zur Schädelmitte verlagertes Hinterhauptsloch zum Balancieren des Kopfes auf der Wirbelsäule; Oberschenkelknochen (Femur) mit großem Kopf und langem Oberschenkelhals; leichte X-Beinigkeit, wodurch die streckfähigen Kniegelenke unter dem Körperschwerpunkt liegen; Fuß mit Fußgewölbe und in einer Reihe stehenden Zehen (bei Menschenaffen ist die Großzehe opponierbar); Becken mit kurzen, breiten, nach innen gedrehten Darmbeinschaufeln zum Abstützen innerer Organe und mit großen Ansatzflächen für den großen Gesäßmuskel, der die Beinstreckung ermöglicht; S-Form der Wirbelsäule, verbunden mit einer Schwerpunktsverlagerung ins Becken.

Entwicklungstendenzen der Gattung Homo

Die Gattung Homo hat ihren Ursprung in Afrika, und man spricht von der Out-of-Africa-Theorie, weil sie sich von dort über die ganze Welt verbreitet hat. Die Entwicklungslinie wird oft wie folgt dargestellt: Homo rudolfensis → Homo habilis → Homo ergaster (wanderte vor ca. 1,5 Mio. Jahren nach Asien aus) → Homo erectus (in Asien und Europa, aus europäischen Populationen entwickelte sich der Neandertaler, der später ausstarb) → Homo heidelbergensis → Homo sapiens.

Vergleichende Anatomie: Schimpanse und Mensch

Rumpfskelett

Wirbelsäule

Schimpanse: einfach gebogen.

Mensch: doppelt S-förmig, federnd. Folge: aufrechter Gang, Abfederung von Kopf und Rumpf.

Becken

Schimpanse: länglich.

Mensch: breit, schüsselförmig.

Brustkorb

Schimpanse: kielförmig.

Mensch: verbreitert und abgeflacht. Folge: Verlagerung des Schwerpunkts in Richtung Körperachse; Schulterblätter aus seitlicher Lage nach hinten verlagert ermöglichen größere Beweglichkeit der Arme.

Extremitäten

Armlänge im Verhältnis zur Beinlänge

Schimpanse: Arme länger oder gleich lang wie Beine.

Mensch: Beine länger als Arme.

Beine

Schimpanse: Kletterlaufbeine, Knie nach außen.

Mensch: Verstärkt, verlängert und durchgestreckt – Standsäulenbeine.

Fuß

Schimpanse: Großzehe opponierbar, Fußwurzelknochen kurz. Funktion: Kletterfuß, der nur an der Außenkante zum Laufen benutzt werden kann.

Mensch: Großzehe liegt den übrigen Zehen an, lange Fußwurzelknochen, kurze Zehen, Fußgewölbe.

Arme

Schimpanse: Fortbewegungsorgane, Unterarmdrehung gering.

Mensch: weite seitliche Auslenkung, Unterarmdrehung groß.

Hand

Schimpanse: Daumen klein, übrige Finger lang und gekrümmt.

Mensch: Daumen groß und opponierbar, Zeigefinger frei beweglich. Funktion: Greiforgan, „Werkzeughand“.

Schädel

Proportionen

Schimpanse: Dominanz des Gesichtsschädels.

Mensch: Dominanz des Gehirnschädels.

Gehirnvolumen

Affen: Gorilla 350-685 cm³, Orang-Utan 295-575 cm³, Schimpanse 320-480 cm³.

Mensch: 1350-1500 cm³. Folge: Zerebralisation, evolutiver Vorteil.

Stirn

Schimpanse: niedrig und fliehend.

Mensch: steil.

Überaugenwulst

Schimpanse: kräftig entwickelt.

Mensch: fehlend oder schwach entwickelt.

Hinterhauptsloch

Schimpanse: nach hinten gerichtet, am Hinterende des Schädels.

Mensch: nach unten gerichtet, Kopf wird nahe am Schwerpunkt unterstützt.

Gebiss

Schimpanse/Affe: kräftige Eckzähne, Lücke im Oberkiefer (Diastema).