Die Entstehung des Lebens und die Evolutionstheorie

Ursprung des Lebens

Die Erde ist vor etwa 4500 Millionen Jahren entstanden. Sie besaß eine feste Kruste, eine reduzierende Atmosphäre und war praktisch frei von Sauerstoff. Man geht davon aus, dass die Zusammensetzung der Atmosphäre hauptsächlich aus CH₄, NH₃, H₂ und Wasserdampf bestand. Man nimmt an, dass diese Gase durch Sonnenstrahlung, vulkanische Aktivität, elektrische Entladungen und Explosionen aktiviert wurden. So begann die Phase der abiotischen, physikalisch-chemischen Evolution, in der einfache organische Moleküle entstanden, die später als Nahrung für die ersten Lebewesen dienten.

Durch biochemische Veränderungen entstanden aus anorganischen Molekülen die ersten organischen Biomoleküle. Wie genau sich daraus das erste Leben entwickelte, ist nicht geklärt; dies bleibt eine offene Hypothese.

Das Miller-Urey-Experiment

In den 1950er Jahren reproduzierten Miller und Urey die angenommenen Bedingungen der primitiven Erde. Sie leiteten CH₄, NH₃, H₂ und Wasserdampf in ein geschlossenes Gefäß und erzeugten elektrische Entladungen. Dabei entstanden organische Moleküle wie Aminosäuren. Später wiederholte Fox das Experiment und erhielt Monosaccharide, Monomere, Harnstoff und Nukleinsäuren. Als Ergebnis dieser Experimente nimmt man an, dass sich unter ähnlichen Bedingungen aus der primitiven Atmosphäre organische Moleküle bildeten, die sich auf der Erdoberfläche ablagerten und ins Meer gespült wurden. Dort entstand die sogenannte primitive Ursuppe.

Die Hypothese der Koazervate

Oparin postulierte, dass die chemische Evolution eine Voraussetzung für die Entstehung des Lebens war. Er schlug vor, dass Koazervate die Vorläufer des lebenden Organismus waren. Dies sind mikroskopisch kleine Tröpfchen, die sich aus Makromolekülen bildeten und eine innere Umgebung besaßen, in der Enzyme wirken konnten. Oparin konnte jedoch nicht erklären, wie sich aus den Koazervaten Enzyme entwickelten.

Die Hypothese der Mikrosphären

Fox schlug vor, dass Mikrosphären (Proteinoide) die Vorläufer lebender Zellen waren. In vulkanischen Regionen bildeten sich aus Proteinoiden mikrosphärische Strukturen. Diese besaßen katalytische Fähigkeiten: Befanden sich Enzymmoleküle im Inneren, konnten sie Energie gewinnen und sich teilen oder vermehren. Die Protobionten waren somit noch keine echten Lebewesen, aber Vorläufer, denen Informationsübertragung und genetische Entwicklung fehlten.

Die Hypothese der RNA-Welt

Man nimmt an, dass zunächst keine Gene vorhanden waren, da die ersten Moleküle keine Selbstreplikation durchführen konnten. Möglicherweise konnte katalytische RNA sich entwickeln, bevor die DNA entstand.

Die Panspermie-Hypothese

Diese Hypothese vertritt die Auffassung, dass das Leben seinen Ursprung außerhalb der Erde hat. Sie erklärt jedoch nicht, wie das Leben selbst entstanden ist.

Fossilfunde

Die ältesten Fossilien stammen aus Australien und Südafrika und sind etwa 3500 Millionen Jahre alt. In den Felsen fand man sehr einfache prokaryotische Mikroorganismen, Cyanobakterien. Man vermutet, dass es vor etwa 4000 Millionen Jahren die ersten prokaryotischen Zellen gab. Eukaryotische Zellen entstanden vor etwa 2000 Millionen Jahren, mehrzellige Organismen vor etwa 1000 Millionen Jahren.

Abiotische Evolution

Man schätzt, dass das Leben vor etwa 4000 bis 3500 Millionen Jahren entstand. Es ist wahrscheinlich, dass die ersten prokaryotischen, heterotrophen Fermentierer die Ursuppe aufbrauchten. Einige Organismen entwickelten die Fähigkeit, Licht zur Synthese von ATP zu nutzen. Die Existenz photosynthetischer Prokaryoten führte zur Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre.

Die Hypothesen zur Entstehung der eukaryotischen Zelle

Autogene Hypothese: Die eukaryotische Zelle entstand aus einer großen prokaryotischen Zelle, die durch Membranen Fächer bildete, aus denen Zellkern und Zellorganellen hervorgingen.

Endosymbiontenhypothese: Eine eukaryotische Zelle entstand, indem eine prokaryotische Zelle von einem anderen Prokaryoten verschlungen wurde und es zu einer dauerhaften Symbiose kam, aus der sich verschiedene Organellen entwickelten.

Evolutionstheorien und Biodiversität

Die taxonomischen Tests bestehen aus evolutionären Studien, die Arten anhand gemeinsamer Merkmale vergleichen. Die biologische Diversität zeigt, dass Arten, die auf entlegenen Inseln leben, sich unterscheiden, etwa bei Pflanzen und Fauna. Die verschiedenen Finkenarten auf den Galapagos-Inseln stammen vermutlich von einer einzigen Art ab, die die vulkanischen Inseln besiedelte. Ihre Nachkommen isolierten sich und diversifizierten sich entsprechend den vorhandenen Bäumen und Nahrungsmöglichkeiten.

Die pathologischen Tests basieren auf dem Studium von Fossilien. Man kann beobachten, dass die Anzahl der Arten und die Diversität im Laufe der Zeit zunehmen und die strukturelle Komplexität der Organismen wächst.

Theorien zur Artentstehung

• Fixismus: Arten sind unveränderlich. Nach dem Kreationismus schuf Gott jede Art einzeln.
• Lamarckismus: Arten verwandeln sich im Laufe der Zeit in andere. Es existiert eine Tendenz zur Zunahme der Komplexität. Erworbene Anpassungen an die Umwelt oder der Gebrauch bzw. Nichtgebrauch von Organen werden vererbt. Diese Theorie wurde jedoch in zwei Punkten widerlegt: Erworbene Merkmale werden nicht vererbt, und es gibt keine Belege für eine Tendenz zur Zunahme der Komplexität.
• Darwinismus: Darwin schlug vor, dass Arten durch natürliche Selektion entstehen, die begünstigte Individuen bevorzugt. Als Naturforscher reiste er über 22 Jahre an Bord der Beagle. Auf den Galapagos-Inseln fand er zahlreiche unterschiedliche Arten. Beispielsweise besaß jede Insel eine eigene Art von Landschildkröte. Darwin erkannte, dass die Vielfalt der Arten das Ergebnis der Anpassung an unterschiedliche Lebensräume auf jeder Insel war. Im Laufe der Zeit und durch Isolation entstanden neue Arten. Nach Darwin beruht die Evolution auf der Fähigkeit von Individuen zur Fortpflanzung und Überlebensfähigkeit. Die Vererbung bildet die Grundlage der Variabilität, deren Ursache bis heute die Mutation und genetische Rekombination ist.
• Neo-Darwinismus: Die Variabilität der Nachkommen wird durch genetische Mutationen erklärt. Mutationen treten zufällig auf und können im Hinblick auf eine Anpassung günstig oder ungünstig sein. Zwischen 1920 und 1930 gelang ein weiterer großer Fortschritt für das Verständnis des Evolutionsmechanismus. Hardy und Weinberg zeigten, dass aus evolutionärer Sicht Populationen wichtiger sind als Individuen. Individuen sterben, während sich die Gene in der Population fortsetzen und sich die Häufigkeiten einzelner Merkmale verändern.

Evolutionsfaktoren

Fischer, Haldane und Wright zeigten, dass folgende Faktoren die Genfrequenzen einer Population verändern und damit die Evolution auslösen:

1. Natürliche Selektion
2. Mutationen
3. Gendrift

Genetik und Isolation

Ein weiteres Problem war die Frage, warum sich zwei Populationen unterschiedlich entwickeln. Sie müssen voneinander isoliert sein, damit es keine Kreuzungen gibt. Andernfalls würde sich der gemeinsame genetische Hintergrund vermischen, und die Differenzierung zwischen beiden Populationen wäre verhindert.

Der evolutionäre Prozess beruht auf den darwinschen Prinzipien der Variabilität der Nachkommen und der natürlichen Selektion. Die Variabilität entsteht durch Mutation und genetische Rekombination: Mutationen erzeugen neue Gene, während die Rekombination nur neue Kombinationen bestehender Gene erzeugt.

Die Evolution betrifft die Population, nicht die Einzelpersonen. Populationen bestehen fort, während sich die Genhäufigkeit verändert. Einzelne Individuen behalten hingegen ihren Genotyp von der Geburt an.