Ursprung des Lebens und Evolution: Theorien, Belege und Prozesse

1.1 Erste Theorien über den Ursprung des Lebens

Die Entstehung (Schöpfungsmythen): Dieser Mythos bildet die Grundlage der meisten Religionen. Danach werden Lebewesen durch irgendeine Art schöpferischer Kraft hervorgebracht, die auf die Materie wirkt oder strategisch Land- oder Felsenformen gestaltet. Lange Zeit wurden solche Vorstellungen im Westen wörtlich mit dem Buch Genesis in Verbindung gebracht.

Spontane Generation: Im antiken Griechenland nahm man an, Leben könne spontan entstehen, wenn die Bedingungen geeignet sind. Aristoteles formulierte Bedingungen, die die Synthese von Vorstellungen über die Urzeugung prägten. Die Theorie der spontanen Generation herrschte mehr als zweitausend Jahre, bis Francesco Redi den ersten Schlag gegen die Anhänger dieser Lehre führte. Lazzaro Spallanzani führte ebenfalls Experimente durch, die diese Theorie infrage stellten. Louis Pasteur wies schließlich unwiderlegbar nach, dass Urzeugung nicht stattfindet: Lebewesen entstehen nur aus vorausgehenden Lebewesen.

Panspermie: Die panspermia-Theorie postuliert, dass das Leben auf die Erde in Form bakterieller Sporen aus dem Weltraum gelangte, getrieben von Strahlung und dem Druck, die durch Himmelskörper übertragen wurden. Panspermia ist die Hypothese eines außerirdischen Ursprungs des Lebens und erlebt derzeit wieder erhöhte Aufmerksamkeit.

1.2 Moderne Theorien über den Ursprung des Lebens

Chemische Evolution des Lebens: Die am meisten akzeptierte Hypothese besagt, dass lebende Materie das Ergebnis einer chemischen Evolution ist, die der Evolutionsbiologie vorausging. 1924 schlug Alexander Oparin vor, dass die chemischen Verbindungen in der ursprünglichen Atmosphäre als Rohstoffe für die Synthese einfacher organischer Verbindungen dienten. Aus diesen Verbindungen entstanden in einer langen präbiotischen Entwicklung die ersten lebenden Systeme.

Primitive Bedingungen der frühen Erdatmosphäre: Die frühe Erdatmosphäre war wahrscheinlich stark reduzierend und enthielt kaum freien Sauerstoff; sie bestand vermutlich aus Gasen wie Methan, Ammoniak, Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff.

Präbiotische Synthese organischer Moleküle: Gase in der Atmosphäre reagierten unter intensiver Strahlung und führten zur Bildung kleiner organischer Moleküle. Regen wusch die atmosphärischen Verbindungen in die Ozeane, wo sie sich in der sogenannten Ursuppe lösten. Diese organischen Moleküle reagierten mit Wasser und bildeten die Bausteine der Biochemie wie Aminosäuren. Polymere biologischen Interesses entstanden, und in der Ursuppe bildeten sich Mikrostrukturen und Polymere, die sich komplex zu selbstreproduzierenden Systemen zusammenlagerten. Solche primitiven lebenden Systemen entwickelten sich schließlich weiter zur biologischen Evolution.

Ton- oder Mineraloberflächen (Clay hypothesis): Wahrscheinlich wurden biologische Polymere synthetisiert und auf Ton- oder Sandoberflächen akkumuliert. Diese Oberflächen wirkten als Katalysatoren, zogen einfache Moleküle an, erhöhten deren Konzentration und erleichterten die Polymerisation zu ersten Polymere von biologischem Interesse. Kürzlich wurden auch Hypothesen vorgeschlagen, nach denen geschlossene Räume (z. B. Poren in Mineralen) die richtigen Bedingungen für präbiotische Chemie bereitgestellt haben könnten.

Hydrothermale Schlote: Für einige Wissenschaftler entstand das Leben in den Tiefen der Ozeane an hydrothermalen Quellen. Diese Quellen könnten lokale chemische Bedingungen bereitgestellt haben, die die ursprüngliche Atmosphäre ersetzten. Vorhandene Mineralien wie Pyrit lieferten geeignete Gerüste für die Bildung organischer Polymere.

RNA-Welt: Ein wichtiger Schritt in der präbiotischen Evolution war die Synthese von Polymeren biologischer Relevanz. Es wird angenommen, dass RNA das erste Biomolekül war, das sowohl genetische Information speichern als auch katalytische Funktionen ausüben konnte. RNA könnte in der primitiven Ursuppe gebildet worden sein; später übernahmen DNA und Proteine stabile funktionelle Rollen, während RNA weitgehend durch spezialisierte Moleküle ergänzt oder ersetzt wurde.

2 Die erste Zelle

Zelluläre Entwicklung: Alle Bodenorganismen werden als verwandt betrachtet und stammen von uralten Zellen ab. Man nimmt an, dass ein entscheidender Schritt bei der Entstehung der Zellen das Erscheinen einer biologischen Membran war. Eine Membran trennt das äußere Milieu vom inneren Milieu und ermöglicht das Bestehen eines primitiven Stoffwechsels, mit dem die Zelle Energie gewinnen, sich reproduzieren und auf Umweltveränderungen reagieren konnte.

Die ersten Zellen waren vermutlich anaerobe, fermentative, heterotrophe Bakterien, die Nahrung aus ihrer Umgebung aufnahmen und daraus Energie gewannen. Als die Nahrungsquellen erschöpft waren, entwickelten einige Zellen neue Mechanismen: Cyanobakterien entwickelten Fotosynthese und setzten dabei Sauerstoff frei. Die Freisetzung von Sauerstoff führte zur Ausbildung einer oxidierenden Atmosphäre ähnlich der heutigen. Da Sauerstoff für viele anaerobe Organismen toxisch war, mussten sich viele Organismen anpassen, indem sie ihren Stoffwechsel wandelten. Manche heterotrophe Formen entwickelten die Zellatmung und wurden primitive aerobe Bakterien. Eukaryotische Zellen entwickelten sich später vermutlich durch symbiotische Vereinigung, wie die Endosymbiontentheorie nahelegt.

3 Evolution der Lebewesen

3.1 Alte Theorien über den Ursprung der Arten

Fixismus oder Kreationismus: Der Fixismus ist die Theorie, die besagt, dass Arten sich nicht wesentlich ändern und im Wesentlichen unverändert bleiben. Linnaeus und andere Vertreter unterstützten frühe Formen dieser Sicht.

Katastrophismus: Nach dem Katastrophismus zerstören Katastrophen bestehende Lebensformen, und anschließend werden neue Arten geschaffen. Vertreter dieser Ideen waren u. a. Georges-Louis Leclerc (Comte de Buffon) und Georges Cuvier.

3.2 Evolutionismus

Lamarck: Lamarck war einer der ersten Naturforscher, der gegen die Unveränderlichkeit der Arten auftrat und eine wissenschaftliche Hypothese zur Entwicklung der Lebewesen formulierte. Seine evolutionäre Hypothese beruht auf zwei Hauptpunkten: 1) Gebrauch und Nichtgebrauch: Organe, die häufiger gebraucht werden, entwickeln sich weiter, während weniger genutzte Organe verkümmern; 2) Vererbung erworbener Eigenschaften: während des Lebens erworbene Änderungen könnten an die Nachkommen weitergegeben werden.

Darwin-Wallace: Im 19. Jahrhundert präsentierten Charles Darwin und Alfred Russel Wallace unabhängig voneinander ihre Erkenntnisse über die Evolution der Arten. Beide stellten ihre Ergebnisse der Linnean Society vor. Darwin veröffentlichte ein Jahr später sein Werk "On the Origin of Species by Means of Natural Selection", in dem er die Theorie der natürlichen Selektion als Mechanismus der Evolution formulierte. Die Grundprinzipien dieser Theorie sind: hohe Reproduktionsfähigkeit der Organismen, Variabilität innerhalb von Populationen, natürliche Auslese und daraus folgende Artveränderung. Die Theorie verbindet alle lebenden Wesen durch gemeinsame Abstammung; die heute existierenden Arten sind das Ergebnis schrittweiser, stetiger und adaptiver Divergenz aus früheren Arten.

Neo-Darwinismus (Synthetische Evolutionstheorie): Darwin wusste nicht, wie Erbanlagen von Generation zu Generation weitergegeben werden und wodurch Variabilität entsteht. Erst mit der Integration der Darwinschen Selektion und der Mendelschen Genetik entstand eine synthetische Theorie der Evolution. Vertreter des Neo-Darwinismus wie Theodosius Dobzhansky betonten zwei Aspekte: 1) die Existenz genetischer Variabilität in Populationen mit einer Vielzahl von Genotypen; 2) dass diese Variabilität durch Mutationen und Rekombinationen während der sexuellen Fortpflanzung erzeugt wird. Die natürliche Selektion wirkt dann auf diese genetische Variabilität, erhöht die Häufigkeit vorteilhafter Kombinationen und führt zu einer allmählichen Anpassung der Population an ihre Umgebung.

3.3 Neue Theorien der Evolution

Neutralismus (neutralistische Theorie): Nach der neutralistischen Theorie wirken nicht nur natürliche Selektion, sondern auch Zufallsprozesse. Demnach können bestimmte genetische Veränderungen in Populationen auftreten und sich verbreiten, ohne dass sie einen selektiven Vorteil bieten.

Unterbrochenes Gleichgewicht / Saltationismus: Das Modell des punctuated equilibrium (unterbrochenes Gleichgewicht) besagt, dass Evolution nicht immer kontinuierlich und graduell verläuft, sondern sich manchmal in schnellen Sprüngen vollzieht, gefolgt von langen Phasen relativer Stasis.

4 Wissenschaftliche Erkenntnisse: Belege der Evolution

4.1 Klassische Belege

Morphologie (vergleichende Anatomie): Aus dem Studium der vergleichenden Anatomie lassen sich Gemeinsamkeiten und Unterschiede derselben Organe in verschiedenen Arten ableiten. Homologe Organe sind das Ergebnis divergenter Entwicklung, während analoge Strukturen Beispiele konvergenter Evolution sind.

Paläontologie: Die Paläontologie untersucht Fossilien, also Reste oder Spuren von Organismen, die in Sedimentgesteinen erhalten sind. Fossilien erlauben es uns, die Lebensweise vergangener Organismen zu rekonstruieren und evolutionäre Veränderungen nachzuvollziehen.

Embryologie: Die Embryologie untersucht die frühe Entwicklung von Organismen. Vertreter wie Ernst Haeckel betonten, dass die embryonale Entwicklung eines Tieres Rückschlüsse auf seine evolutionäre und taxonomische Geschichte erlauben kann.

Systematik und Klassifikation: Das System der Klassifizierung der Lebewesen basiert auf der Gruppierung von Organismen, deren Körper ähnliche Eigenschaften aufweisen. Taxonomie ist der Zweig der Biologie, der sich mit der systematischen Einstufung der Lebewesen befasst.

4.2 Neuere Erkenntnisse

Vergleichende Biochemie und Zellbiologie: Alle Lebewesen teilen grundlegende chemische Prozesse. Wichtige Befunde sind: der genetische Code, der die Beziehung zwischen Nukleinsäuresequenzen und Proteinen herstellt; ATP als universelles Energiemolekül für Stoffwechsel und physiologische Prozesse; diese Gemeinsamkeiten stützen die Verwandschaft aller Lebensformen.

Protein- und DNA-Sequenzen: Der Vergleich von Nukleotidsequenzen desselben Gens oder Aminosäuresequenzen desselben Proteins in verschiedenen Arten zeigt Ähnlichkeiten. Die Anzahl der Unterschiede korreliert in der Regel mit dem evolutionären Abstand zwischen Arten.

DNA-Hybridisierung: Diese Methode beruht auf der Fähigkeit der DNA, nach Denaturierung wieder zu renaturieren. Der Grad der Renaturierung zwischen DNA-Proben verschiedener Arten gibt Aufschluss über ihre Verwandtschaft.

Chromosomen-Banding-Studien: Die zytogenetische Untersuchung von Chromosomenmustern ermöglicht die Differenzierung und Charakterisierung homologer Chromosomenpaare und liefert Hinweise auf evolutionäre Veränderungen.

Immunologische oder serologische Analysen: Durch die Einbringung eines Antigens in einen Organismus entstehen Antikörper, die mit dem Antigen reagieren können. Die Kreuzreaktivität von Antikörpern gegen Antigene verschiedener Arten liefert Informationen über biochemische Ähnlichkeiten und Verwandtschaftsverhältnisse.

5 Ergebnis der kontinuierlichen Weiterentwicklung der biologischen Vielfalt

Eine Art ist eine Gruppe von Organismen, die morphologische Ähnlichkeiten aufweisen und fruchtbare Nachkommen hervorbringen. Arten sind durch reproduktive Isolation voneinander getrennt: die Unfähigkeit, sich erfolgreich mit anderen Arten zu kreuzen. Wenn zwischen verschiedenen Populationen einer Art reproduktive Isolation entsteht, öffnet dies die Tür zum Prozess der Artbildung (Speziation).

5.1 Prozess der Speziation

Die Entstehung zweier oder mehrerer Arten aus einer anfänglichen Population wird durch verschiedene Faktoren begünstigt. Der wichtigste Faktor ist oft geografische Isolation, also die Trennung von Populationen durch physische Barrieren wie Berge, Flüsse oder Ozeane.

5.2 Klassifizierung der Lebewesen

Im binomialen Nomenklatursystem besteht der Artname aus zwei lateinischen Wörtern, die kursiv geschrieben werden: das erste entspricht der Gattung, das zweite der Art. So heißt die Art des Menschen Homo sapiens, wobei Homo die Gattung bezeichnet. Die Taxonomie ist der Zweig der Biologie, der sich mit dem Klassifikationssystem der Lebewesen befasst.