Ursprung des Lebens: Chemie, Definitionen und Evolutionstheorien

Die chemischen Grundlagen des Lebens

Das Rezept des Lebens: Es gibt 90 natürliche chemische Elemente, von denen nur etwa 20 Elemente am Leben beteiligt sind. Es besteht eine Beziehung zwischen der Erdkruste und dem menschlichen Körper. Lebende Materie besteht im Wesentlichen aus Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff.

Wasser: Das universelle Lösungsmittel

Wasser ist ein Lösungsmittel und muss die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen ermöglichen, die hoch genug sind, um Leben zu erhalten.

Kohlenstoff: Baustein komplexer Moleküle

Kohlenstoff hat die Oxidationszahl IV, was bedeutet, dass es vier mögliche Bindungen eingehen kann. Dies ermöglicht die Bildung von sehr langen Ketten und die Schaffung von Tausenden verschiedener Verbindungen (Lipide, Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren).

Energie für das Leben und Ernährungsformen

Lebewesen gewinnen Energie aus chemischen Reaktionen mit organischen Stoffen. Diese organischen Stoffe stammen ursprünglich aus der Photosynthese. Die Art und Weise, wie Organismen Nährstoffe erhalten, unterteilt sie in autotrophe und heterotrophe Lebewesen.

Autotrophie

Autotrophe transformieren anorganische Stoffe mithilfe von Sonnenenergie in organische Substanzen.

Heterotrophie

Heterotrophe ernähren sich von organischer Substanz, die zuvor von anderen Organismen (Autotrophen) hergestellt wurde.

Historische Definitionen des Lebens

Die Definition des Lebens

Alte Kulturen assoziierten autonome Bewegung mit dem Leben. Aristoteles betrachtete die Existenz von Leben als abhängig von einer Seele. Für ihn war es möglich, mit einer Seele zu existieren und in einer Welt ohne Materie zu leben.

Mechanistische Sichtweise

Die Mechanisten sahen keinen Unterschied zwischen Lebewesen und Maschinen.

Vitalistische Sichtweise

Die Vitalisten postulierten einen „wichtigen Impuls“ oder eine übernatürliche Kraft, die das Leben von der physischen Welt abgrenzte.

Wesentliche Merkmale lebender Organismen

Die Merkmale des Lebens:

• Der Organismus ist aus Zellen gebildet.
• Er ist von zellulären Membranen umgeben, die das Innere von der Außenwelt trennen.
• Jede Zelle wird genährt, reproduziert sich und reagiert auf die Umwelt.
• Die molekulare Struktur besteht aus wichtigen Proteinen, die nach den Anweisungen in den Nukleinsäuren gebildet werden.
• Die wichtigste Eigenschaft ist die Möglichkeit der Organismen, sich zu reproduzieren, entweder allein oder als Sexualpartner.
• Es gibt Organismen, die sich nicht fortpflanzen, aber alle Organismen stammen aus Reproduktion.

Der Ursprung des Lebens auf der Erde

Die Erde war ursprünglich eine Kugel, die total heiß und ionisierender Strahlung ausgesetzt war. Doch anders als die Sonne, die im Wesentlichen aus Wasserstoff und Helium besteht, wimmelte es auf dieser primitiven Erde bereits von Chemikalien, die die „Zutaten des Lebens“ sind (z. B. Kalzium, Magnesium, Eisen). Unter diesen Bedingungen und der kosmischen Strahlung konnten sich Moleküle auf tausend verschiedene Arten rekombinieren und komplexe Moleküle erzeugen. Ein einzigartiger evolutionärer Weg führte zu einer geeigneten Mischung von Molekülen, aus denen die erste Zelle entstand – eine Eigenschaft der Materie, die neues Leben hervorbrachte.

Die ersten Organismen ähnelten möglicherweise den Archaeen, die an sehr unwirtlichen Orten vorkommen, wie vulkanischen Meeresgebieten oder extrem kalten Standorten wie der Antarktis.

Herkunft von Wasser und Kohlenstoff

Die Kondensation von Wasser in der frühen Atmosphäre war aufgrund der hohen Temperatur schwierig. Die am häufigsten akzeptierte Hypothese besagt, dass Wasser durch den Einschlag von Kometen oder Meteoriten auf die Erde gelangte.

Anfangs war das Land nicht übermäßig reich an Kohlenstoff. Die Kohlenstoffquelle muss in der Erde gesucht werden, beispielsweise durch Vulkanausbrüche. Lebewesen haben diesen Kohlenstoff als Kohlendioxid assimiliert.

Die Umweltbedingungen der frühen Erde

Wichtige Umweltfaktoren für die Entstehung des Lebens:

• Das Innere der Erde war sehr heiß.
• Die Erde war ein ozeanischer Planet mit Unterwasservulkanismus. An den Mündungen der Vulkane erschienen die ersten Organismen, die Kohlendioxid assimilierten.
• Die Atmosphäre war sauerstofffrei (anoxisch). Es gab kein Ozon (Ozon filtert UV-Strahlung). Dies war schädlich für die frühen Lebewesen.

Von der Spontanen Generation zur modernen Hypothese

Spontane Generation (Abiogenese)

Von Aristoteles bis zum neunzehnten Jahrhundert herrschte die Idee der Spontanen Generation vor, dass einige Lebewesen spontan entstehen könnten. Die Abiogenese war leicht anfechtbar, wurde aber durch Beobachtungen gestützt. Die Erfindung des Mikroskops im 17. Jahrhundert entlarvte die Abiogenese, verstärkte aber paradoxerweise die Beobachtung von Mikroorganismen.

Das Miller-Urey-Experiment

Miller versuchte, die reduzierende, sauerstofffreie Atmosphäre der frühen Erde im Labor zu simulieren.

Aktuelle Hypothesen zur Entstehung des Lebens

Wir haben derzeit zwei Haupt-Hypothesen:

• Stoffwechsel-Hypothese: Moleküle treten in isolierten, einzelnen Umweltbereichen (durch Membranen) auf. Anschließend wird dieser Apparat reproduziert.
• RNA-Welt-Hypothese: RNA-Moleküle entstanden zufällig (Replikation führte durch Mutationen zur Evolution).

Panspermie: Leben aus dem All

Die Panspermie-Theorie

Panspermie: Anaxagoras postulierte eine unendliche Anzahl von Keimen, die im gesamten Universum verteilt sind und die Ursache allen Lebens sind. Svante Arrhenius schlug vor, dass das Leben von anderen Himmelskörpern stammen müsse. Das Hauptproblem dieser Theorie ist die Frage, ob die Keime der kosmischen Strahlung standhalten können.

Meteoriten enthalten Aminosäuren außerirdischen Ursprungs. Teleskope haben die Anwesenheit geringer Konzentrationen von organischen Molekülen außerhalb unseres Planeten nachgewiesen. Die Panspermie erklärt, wie das Leben außerhalb unseres Planeten entstanden sein könnte, beantwortet jedoch nicht die Frage, wie das Leben ursprünglich gebildet wurde.

Datierung und Evolutionstheorien

Datierung der ersten Lebensformen

Die Präsenz von Carbonat-Sedimentgesteinen, die mit dem Kohlenstoffisotop 12C angereichert sind (häufiger in Lebewesen als in der Natur), liefert Hinweise. Sedimente, die in Grönland gefunden wurden, sind 3,85 Milliarden Jahre alt. Man geht allgemein davon aus, dass das Leben vor 4 Milliarden Jahren erschienen ist.

Lamarckismus

Beim Lamarckismus ändern Individuen ihre Gewohnheiten oder passen ihre Anatomie an ihre neue Umgebung an, wenn sich die Umgebung ändert. Organe, die häufiger genutzt werden, werden gestärkt, während ungenutzte Organe verschwinden oder reduziert werden. Die Funktion schafft das Organ. Diese Veränderungen werden an die Nachkommen vererbt. Arten transformieren sich und verbessern sich.

Fehler in der Theorie

Lamarck nahm an, dass die ursprüngliche Anzahl der Arten nach und nach bis in die Gegenwart transformiert wurde. Es ist ein einzigartiger Evolutionsprozess, bei dem Arten nicht verschwinden, sondern in andere umgewandelt werden.

Darwinismus

Der Darwinismus wurde von Charles Darwin und Alfred Wallace entwickelt. Beide Naturforscher kamen unabhängig voneinander zu denselben Ideen und schlugen die Theorie der natürlichen Selektion vor.