Ursprung des Lebens: Chemie, Energie und Evolution

Chemische Bestandteile der lebenden Materie

In der Natur wurden etwa 90 chemische Elemente nachgewiesen; nur etwa 20 sind Teil lebender Organismen. Es ist deutlich, dass die in der Erdkruste am häufigsten vorkommenden Elemente (z. B. Silizium und Aluminium) nicht die dominierenden Elemente der lebenden Materie sind.

Vielmehr bilden Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff zusammen den Großteil der Biomasse. Wasserstoff und Sauerstoff kommen außerdem als Wasser vor.

Die übrigen Elemente unseres Körpers treten nur in sehr geringen Mengen auf; einige davon sind jedoch essentiell, beispielsweise Eisen, Kalium und Selen.

Energie für das Leben

Leben benötigt neben materiellen Bestandteilen auch Energie. Diese Energie wird durch chemische Reaktionen gewonnen. Organische Substanz wird vor allem durch die Photosynthese von Pflanzen und Algen aus anorganischen Stoffen synthetisiert.

Um die für das Leben notwendige Energie bereitzustellen, wird organische Materie durch einen Prozess abgebaut, der als Zellatmung bezeichnet wird. Je nach Herkunft der organischen Materie lassen sich Organismen in zwei Haupttypen einteilen:

• Autotroph: Organismen, die ihre organische Substanz selbst herstellen (z. B. Pflanzen, Algen).
• Heterotroph: Organismen, die organische Substanz aus ihrer Umwelt aufnehmen (z. B. Tiere, viele Bakterien).

Ursprung des Lebens

Woher stammt der Kohlenstoff?

Die Gas- und Staubwolken (Nebel), aus denen die Erde und die anderen Himmelskörper des Sonnensystems entstanden, waren nicht besonders kohlenstoffreich: ihr Verhältnis an Kohlenstoff war etwa 30-mal geringer als das der heutigen Biosphäre. Ein Teil des Kohlenstoffs der Biosphäre könnte daher aus inneren Quellen der Erde stammen.

Woher kommt das Wasser?

Während der Entstehung des Sonnensystems konnte Wasser in Bahnen nahe an der Sonne kaum kondensieren, weil die Temperaturen dort sehr hoch waren. Die am weitesten akzeptierte Hypothese besagt, dass Wasser später von Körpern aus kälteren Regionen (z. B. Asteroiden und Kometen) zur Erde gebracht wurde.

Die Bühne des Lebens

Die frühe Erde war im Inneren sehr heiß und durch intensiven Vulkanismus geprägt. Da die meisten Kontinente noch nicht ausgebildet waren, dominierte Vulkanismus große Teile der Oberfläche und prägte so die Umweltbedingungen, unter denen das Leben entstehen konnte.

Ein Experiment

Sobald Szenarien beschrieben sind, stellt sich die Frage: Wie wandelte sich anorganische Materie in lebende Materie? 1953 synthesisierten Stanley Miller und sein Kollege Aminosäuren aus einer Mischung von Ammoniak, Methan, Wasserdampf und elektrischen Entladungen, unter der Annahme, dass dies Atmosphärengase der frühen Erde waren. Das Miller‑Urey‑Experiment zeigte, dass organische Verbindungen aus anorganischen Vorstufen entstehen können.

Heute weiß man, dass die Atmosphäre der frühen Erde wahrscheinlich nicht so methanreich war, wie im Experiment angenommen. Dennoch bleibt Millers Arbeit ein bedeutender Hinweis darauf, dass abiogene Synthese organischer Stoffe möglich ist, auch wenn sie nicht den gesamten Ursprung des Lebens erklärt.

Die Evolution

Es gibt drei grundlegende Arten von Belegen, die die Evolution unterstützen: paläontologische, biologische und molekulare Belege.

Biologische Belege

Zahlreiche biologische Befunde stützen die Idee gemeinsamer Abstammung. Dazu gehören die Struktur und Anordnung von Knochen und Organen: homologe Strukturen treten in sehr unterschiedlichen Tieren auf (z. B. Flügel der Fledermaus, Flosse des Wals, Arm des Menschen) und deuten auf einen gemeinsamen Vorfahren hin.

Ebenso sprechen rudimentäre Organe oder Körperteile, die in einer aktuellen Art keine eindeutige Funktion mehr besitzen, für frühere Funktionen bei Vorfahren und damit für evolutionäre Veränderungen über lange Zeiträume.