Die Grundlagen des Lebens: Von Elementen zur Evolution und zum Menschen
Elementare Bausteine des Lebens (CHON)
Die Art und Weise, wie das Leben konstituiert ist, basiert grundsätzlich auf C, H, O, N (Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff). Andere Elemente sind in sehr geringen Mengen vorhanden (Spurenelemente):
- Ohne Eisen (Fe) könnten wir kein Hämoglobin für unser Blut herstellen.
- Ohne Selen (Se) würde unsere Leber nicht funktionieren.
- Schwefel (S) ist ein wichtiger Bestandteil von Haaren und Nägeln.
- Kalium (K) ist entscheidend für die Nervenimpulse.
Energiequellen und Stoffwechsel
Das Leben benötigt Energie aus chemischen Reaktionen. Organische Substanzen werden durch Photosynthese (Pflanzen, Algen und einige Bakterien) erzeugt. Die in der Photosynthese gespeicherte Energie (Kohlenhydrate) wird durch die Zellatmung freigesetzt, welche für das Leben notwendig ist.
Man unterscheidet zwischen:
- Autotrophen Organismen: Organismen, die organische Stoffe aus anorganischen Stoffen und Solarenergie herstellen (photosynthetisch).
- Heterotrophen Organismen: Organismen, die sich von organischen Substanzen ernähren, die zuvor von autotrophen Organismen produziert wurden.
Einige Bakterien gewinnen Energie aus Reaktionen mit anderen Elementen und Verbindungen (z. B. Schwefel aus Vulkanen) – diese sind chemosynthetisch.
Die Herkunft der Grundelemente
Die Herkunft des Kohlenstoffs
Kohlenstoff ist das grundlegende Element für das Leben. Die ursprüngliche, nebelartige Materie, aus der die Erde und andere Planeten des Sonnensystems entstanden, war nicht reich an Kohlenstoff. Die Erde enthält im Allgemeinen weniger Kohlenstoff als die Biosphäre.
Woher kam der Kohlenstoff? Er sammelte sich im Erdinneren an, als unser Planet entstand. Wenn ein Vulkan Kohlendioxid in die Atmosphäre emittiert, wird es von Lebewesen aufgenommen (assimiliert).
Woher stammt das Wasser?
Die akzeptierte Hypothese besagt, dass das Wasser von Asteroiden stammt, die die junge Erde umkreisten.
Die Bedingungen für den Ursprung des Lebens
Die Kulisse für das frühe Leben
Ein sehr heißes Erdinneres: Intensiver Vulkanismus herrschte, die Kontinente waren noch nicht vollständig geformt, und vieles war von Wasser bedeckt. Viele primitive Organismen (Bakterien und Ähnliches) lebten in sehr heißem, mineralreichem Wasser, ohne die Notwendigkeit von Sonnenenergie.
Eine dichte, sauerstofffreie Atmosphäre auf einem ozeanischen Planeten: Die Protoatmosphäre enthielt keinen Sauerstoff und somit auch keine Ozonschicht, die die Oberfläche vor tödlichen UV-Strahlen schützt. Dies hätte das Leben an der Oberfläche zerstört. Das Leben konnte nur gedeihen, weil es unter dem Wasser geschützt war.
Das Miller-Urey-Experiment
Das Miller-Experiment simulierte die Synthese von Aminosäuren aus Ammoniak, Methan und Wasserdampf, die als Gase der primitiven Atmosphäre angenommen wurden. Es wurde angenommen, dass diese Synthese auf der frühen Erde stattfand und die ersten Schritte zur Entstehung des Lebens darstellte.
Heute wissen wir jedoch, dass die primitive Atmosphäre wahrscheinlich nicht so viel Methan enthielt. Daher hat das Miller-Experiment zwar historischen Wert, erklärt aber nicht vollständig den Ursprung des Lebens. Es war jedoch der erste erfolgreiche Versuch, organische Stoffe aus anorganischen Stoffen zu synthetisieren. Zuvor konnte organische Substanz nur aus lebenden Organismen gewonnen werden.
Evolution und Selektionsmechanismen
Definition der Art (Spezies)
Eine Art ist eine Gruppe von Organismen, die sich miteinander fortpflanzen und fruchtbare Nachkommen zeugen können.
Natürliche Selektion vs. Lamarckismus
- Charles Darwin schlug die natürliche Selektion als Mechanismus der Evolution vor, basierend auf dem Überleben der am besten Angepassten.
- Jean-Baptiste Lamarck erklärte die Artenvielfalt damit, dass Organismen neue Merkmale erwerben, um sich an neue Anforderungen anzupassen (Anpassung).
Gene sind die genetischen Faktoren, die die Vererbung bestimmen.
Das Tempo der Evolution
Eine neue Art kann sich aus einer anderen Art entwickeln. Es kann Millionen von Jahren dauern, oder es kann relativ schnell geschehen, wenn eine kleine Population von Individuen einer Art isoliert wird und Mutationen auftreten. Die Entstehung neuer Arten kann durch Makromutationen ermöglicht werden, die viele Merkmale gleichzeitig verändern.
Künstliche Selektion
Die künstliche Selektion ist die Auswahl von Tieren oder Pflanzen durch den Menschen aufgrund von Merkmalen, die als vorteilhaft erachtet werden (z. B. bei Haustieren oder Nutzpflanzen). Dabei wird über Generationen hinweg nur den Individuen mit den gewünschten Merkmalen die Fortpflanzung ermöglicht.
Massensterben und ihre Ursachen
Das Perm-Trias-Massensterben (252 Mya)
Das Perm-Trias-Massensterben vor 252 Millionen Jahren (Mya) führte zum Verschwinden der Hälfte aller Arten auf der Erde. Die Hypothese für dieses Ereignis ist eine Katastrophe, die durch Sauerstoffmangel im Meerwasser (Anoxie) verursacht wurde, ausgelöst durch die Erwärmung der Atmosphäre nach einer langen Zeit intensiven Vulkanismus.
Dieses Phänomen wird als Dominoeffekt bezeichnet, bei dem eine Veränderung eine Kette weiterer Effekte auslöst:
(Vulkanismus → Erwärmung → Sauerstoffmangel → Massensterben)
Das Aussterben der Dinosaurier (65 Mya)
Das berühmteste Massensterben ist das der Dinosaurier vor 65 Millionen Jahren (Kreide-Paläogen-Grenze). Ein großer Asteroid, so groß wie ein Berg, schlug in Mexiko ein und verursachte eine Umweltkatastrophe.
Das Rätsel des Überlebens
- Die Dinosaurier (Pflanzenfresser und Fleischfresser) dominierten. Kleine Säugetiere und Vögel spielten nur eine marginale Rolle.
- Nach dem Einschlag des Asteroiden brach die Photosynthese zusammen, und damit verschwand die Vegetation. Dies führte zu Brüchen in der Nahrungskette. Nur Tiere, die Insekten, Samen, Aas oder Detritus fraßen, überlebten.
- Als das Licht zurückkehrte, keimten die Samen, Pflanzen entstanden neu, und die Nahrungskette strukturierte sich mit den überlebenden Arten neu. Unter diesen Überlebenden gab es keine großen Pflanzenfresser oder großen Fleischfresser mehr.
Die Ursprünge des Menschen
Die Vorfahren der Hominiden (zu denen der Mensch gehört) waren Gruppen von Affen und Menschenaffen im Dschungel. Vor 4 Millionen Jahren gab es bereits die ersten zweibeinigen (bipeden) Australopithecinen.