Entstehung des lebens
Entstehung des Lebens
Vorwort Wir Menschen stehen heute an der Schwelle zur allumfassenden wissenschaftlichen Erkenntnis. Nach fast 6000 Jahren Menschheitsgeschichte sind wir in der Lage, selbst transzendente Phänomene rational erklären zu können und im Prinzip zu durchschauen. Dieses Ergebnis des menschlichen Verstandes ermöglicht es uns, beispielsweise die Entstehung des Kosmos, das Phänomen des "vierdimensionalen Raumes", die Entstehung des Lebens, sogar Anfang und Ende sowie das Wesen von Raum und Zeit, wenn nicht plastisch, so doch wenigstens mathematisch-abstrakt zu verstehen und nachzuvollziehen. Zwar bleiben viele Fragen unbeantwortet, viele Phänomene rätselhaft. Dennoch sind wir in der Lage, mittels experimentell überprüfbaren Theorien selbst dafür brauchbare Modelle zu entwickeln und diese, wenn nötig, immer wieder abzuändern und zu verfeinern.
Die Entstehung des Lebens
1.
Frühere Ansichten über die spontane Bildung von Leben Eines der Urgeheimnisse dieser Erde, die Entstehung des Lebens, war jahrtausendelang ein unlösbares Mysterium und wurde lange Zeit nur der Kraft einer geheimnisvollen göttlichen Schöpfung zugeschrieben. Rund 300 vor Christus war Aristoteles noch überzeugt, dass "Würmer, Motten und Kröten spontan durch göttliche Schöpfung aus nasser Erde, Bienen aus Exkrementen" entstünden. Die Beobachtung des Alchimisten Helmontschien etwa im Jahre 1577 die Theorie der spontanen Genese aller Kreaturen zu stützen. Er gab Getreidekörner und schmutzige Wäsche zusammen und beobachtete, dass nach einiger Zeit Mäuse daraus hervorgingen. Seine Schlussfolgerung war sehr simpel: Ein Stoff in der verschmutzten Wäsche musste unmittelbar zur Bildung von Mäusen führen. Diese These der "spontanen Schöpfung" schrieb man einer geheimnisvollen Vitalkraft, der sogenannten vis vitalis zu, demzufolge Leben nicht aus anorganischer, toter Materie, sondern nur aus organischen Substanzen gebildet werden konnte.
Andere Wissenschaftler widersprachen derartigen Thesen heftig und vertraten statt dessen die Meinung, dass Lebewesen stets nur aus Lebewesen ihrer Art hervorgehen könnten. Erst im Jahre 1884 wurde dieser Disput entschieden, als der französische Arzt Louis Pasteur in einer Reihe von Versuchen zeigte, dass sich Mikroorganismen keinesfalls spontan bilden können: Omne vivum e vivo, alles Leben stammt von Leben ab.
Es begann alles vor ca. 15 Milliarden Jahren als die Materie im Urknall zu expandieren begann. (Albert Einstein: 1915, Relativitätstheorie; u.a.
der Weltraum expandiert, Zusammenhang Licht und Materie, Urknalltheorie) . Als vor 4,6 Milliarden Jahren die Erde durch die Zusammenballung kosmischen Staubes entstand, musste die Oberflächentemperatur der Erde weit über 1000 Grad Celsius betragen haben und aufgrund radioaktiver Zerfallsprozesse und der Kontraktionswärme im Zustand des Entstehens glutflüssig gewesen sein. Diese hohe Temperatur bewirkte, dass sich die damals bereits vorhandene sogenannte Uratmosphäre ("Primordialatmosphäre") weitestgehend in den Weltraum verflüchtigte und dabei der Anteil an Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenoxiden und Edelgasen um mindestens den Faktor 1000 abnahm. Es gingen überwiegend Wasserstoff, Helium, Argon, Wasser, Ammoniak, Methan, und Kohlendioxid verloren. Spektralanalysen der erdferneren Planeten Jupiter und Saturn legen folgende Zusammensetzung der Atmosphären nahe: Neben Wasserstoff und Helium bilden Methan und Ammoniak die Hauptbestandteile. Auf der Erde verflüchtigten sich jedoch Wasserstoff und Helium, so dass Methan und Ammoniak in der Primordialatmosphäre verblieben sein dürften.
Vor etwa 4,2 Milliarden Jahrenhatte sich die Erde soweit abgekühlt, dass sich flüssiges Wasser auf ihr halten konnte, das beständig aus dem Erdinnern ausgaste. Wie man heute weiß, waren die Gase dieser nachfolgenden ersten Atmosphäre allesamt vulkanischen Ursprungs. Nach der Abkühlung der Erdoberfläche setzte zudem eine Fragmentierung ein, die zu dem typischen Aufbau des Erdinnern führte. Zeitgleich bildeten sich das Weltmeer und die Atmosphäre aus. Diese sogenannte erste Atmosphäre ging aus einem einen gewaltigen Hochofenprozess hervor, der zu einer Reduktion des Eisen- und Nickeloxids führte. Die reduzierten Metalle sanken in die Tiefe ab und bildeten den Erdkern.
Dabei erhöhte sich im Gegenzug der oxidaktive Charakter der Atmosphäre, Methan und Ammoniak wurden durch den freiwerdenden Sauerstoff oxidiert. Daher ist nach den neuesten Erkenntnissen anzunehmen, dass die erste Atmosphäre nicht, wie zunächst angenommen, aus Methan und Ammoniak, sondern im wesentlichen aus Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff, Kohlenmonoxid neben Spuren von Methan und Ammoniak bestand. Heute geht man von dem Gedanken aus, dass die erste Atmosphäre etwa dieselbe Zusammensetzung gehabt hatte, wie die heute noch von Vulkanen ausgestoßenen Gase, so dass ungefähr folgende Konstitution als am wahrscheinlichsten gilt:
· 80% Wasser und Stickstoff, 10% Kohlendioxid, 7 % Schwefelwasserstoff, 0,5% Kohlenmonoxid, 0,5% Wasserstoff, Spuren an Methan und Ammoniak.
Durch die Kondensation des Wassers setzte ein etwa 40000 Jahre andauernder Regen ein, der zu einer relativen Anreicherung der übrigen Gase führte. Die Atmosphäre war schwach reduzierend, wobei das Augenmerk hauptsächlich auf Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasserstoff gerichtet werden muss .Bemerkenswert ist auch, dass man Vulkane und Geysire kennt, deren Exhalationsprodukte relativ reich an Methan und Ammoniak sind, so dass man annehmen muss, dass reduzierende Gase in Nischenbereichen der Urerde stellenweise höhere Konzentrationen erreicht haben dürften.
Vor etwa 3,4 Milliarden Jahren hatte sich diese sogenannte zweite Atmosphäre vollständig ausgebildet, die nun weder reduzierend, noch oxidierend war. Durch den Löseprozess des Kohlendioxids im Meer verringerte sich überdies auch der Treibhauseffekt, so dass sich die noch immer recht warme Erdatmosphäre weiter abkühlen konnte. Durch die Entstehung des Lebens wandelte sich die Atmosphäre schließlich ein drittes Mal. Aufgrund der Entwicklung der ersten primitiven Autotrophen (wie Cyanobakterien und blaugrüne Algen) vor etwa 3,5 Milliarden Jahren, wurde nach und nach das Kohlendioxid bis auf einen kleinen Rest beseitigt, denn sie "veratmeten" das Kohlendioxid, wodurch Sauerstoff entstand. Dieser Sauerstoff reicherte sich zunächst im Meerwasser an. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren entstanden infolge dessen riesige Eisenoxidablagerungen auf dem Meeresboden, die heute als Erzlagerstätten ausgebeutet werden.
Vor etwa 2 Milliarden Jahren war fast das gesamte Eisen im Meer als Oxid ausgefällt und der Sauerstoff begann in die Atmosphäre auszugasen. Im Laufe der Evolution passten sich die Lebewesen nach und nach an die immer mehr oxidierend wirkende Atmosphäre mit deren "Stoffwechselgift" Sauerstoff an, und aerobe Einzeller begannen gar, den Sauerstoff zur effizienten "Nahrungsveratmung" zu nutzen. Mit zunehmender Konzentration des Sauerstoffs in der Atmosphäre, wurde dieser vermehrt durch die nach wie vor hohe UV-Einstrahlung der Sonne in atomaren Sauerstoff gespalten. Dieser "aktive" Sauerstoff verband sich mit molekularem, "normalem" Luftsauerstoff zu dreiatomigem Ozon. In rund 15-30 km Höhe bildete sich die stratosphärische Ozonschicht aus, die essentiell für die Evolution des Lebens war. Das stratosphärische Ozon filtert bis heute rund 70% der UV-Strahlung heraus und ermöglichte vor rund 350 Millionen Jahren die Entstehung der ersten Landlebewesen.
Vor rund 400 Millionen Jahren hatte sich die Ozonschicht vollständig ausgebildet, so dass das Leben unter dem Schutz dieses UV-Filters eine explosionsartige Entwicklung erfuhr, die schließlich auch zur Entstehung des Menschen führte. Seit 350 Millionen Jahren ändert sich nur noch die Zusammensetzung der Spurengase und dies nur in sehr engen Grenzen. Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass kurz nach der Entstehung der Erde ganz andere Verhältnisse auf der Erde existierten als heute. Doch wie war es möglich, dass die Entstehung des Lebens in dieser scheinbar so lebensfeindlichen ersten Atmosphäre überhaupt entstehen konnte? Die Entstehung der Theorie der ,,Ursuppe" Bereits Charles Darwin stellte sich vor über 100 Jahren die Frage, wie aus leblosen abiotischen Kleinmolekülen Leben hatte entstehen können. Er dehnte seine Evolutionstheorie über die Entwicklung der Arten auch auf die unbelebte Natur aus und übertrug sie als umfassendes Prinzip auf alle physikalischen und chemischen Prozesse. Er brachte erstmals die Idee einer allumfassenden kosmischen Evolution ins Spiel, an dessen Ende die Entstehung der Lebewesen und die des Menschen stehen sollte.
Fast alle Naturwissenschaftler griffen die Theorie auf, nach welcher auf chemischer Ebene aus den Spurengasen der ersten Atmosphäre, wie Methan, Ammoniak und Kohlenmonoxid, kompliziertere Substanzen hervorgehen sollten, aus denen sich immer komplexere Systeme bildeten, die schließlich zur Bildung der ersten Einzeller führten. In den 20er Jahren formulierten der russische Biochemiker Oparin und der Brite Haldane diese allgemeine Vermutung in ihrer bekannten "Theorie der Ursuppe". Danach sollten essentielle organische Verbindungen durch chemische Prozesse in der Atmosphäre entstehen, sich in den Weltmeeren anreichern und eine Art "Ursuppe" bilden, aus der sich durch Zusammenlagerung der organischen Komponenten im Laufe der Zeit komplexere Strukturen ergaben. Aus diesen könnten schließlich erste biologische Membranen mit stabilen Stoffwechselprozessen und durch biologische Evolution schließlich die ersten lebenden zellkernlosen Procaryonten entstanden sein, die sich im Laufe von Äonen zu höheren Lebewesen weiterentwickelten. Ein großes Problem war jedoch, dass diese Hypothese lange Zeit nicht zu beweisen war. Doch das Urgeheimnis der Entstehung der Lebewesen auf der Erde schien im Jahre 1953 durch ein berühmt gewordenes Experiment des Chemikers Stanley Miller enträtselt worden zu sein.
Miller hatte mittels einer einfachen Apparatur organische Kleinmoleküle nachgebildet, welche die Bestandteile jeglicher belebter Materie darstellen. Miller simulierte dazu im Mikromaßstab die atmosphärischen Bedingungen, die nach dem damaligen Verständnis auf der Urerde vor rund 4 Milliarden Jahren geherrscht haben mussten. In einem Kölbchen brachte er Wasser zum sieden. Der Wasserdampf gelangte über ein Glasrohr in einen Rundkolben auf der rechten Seite seiner Apparatur, der zuvor mit einem Gemisch aus Methan, Ammoniak und Wasserstoff befüllt worden war.Über zwei Wolframelektroden wurde eine hochenergetische Funkenentladung erzeugt, die im Kern der Reaktionszone eine Temperatur von bis zu 600 Grad Celsius erzeugte. Die Funkenstrecke simulierte die ungeheuren elektrischen Entladungen, die in der Frühzeit der Erde geherrscht haben mussten, als die noch heiße Atmosphäre mit Wasserdampf gesättigt war und gewaltige Unwetter entstanden.
Überdies konnte die harte UV-Strahlung der noch jungen Sonne die Erde ungehindert erreichen, da eine schützende Ozonschicht aufgrund fehlenden Sauerstoffs noch sehr unvollkommen ausgebildet war; diese Strahlung ermöglichte ebenfalls komplexe Reaktionen. Die thermodynamisch sehr instabilen Verbindungen Methan und Ammoniak reagierten unter diesen Bedingungen mit Wasserdampf und Wasserstoff der Atmosphäre und brachten, wie Miller überzeugend zeigen konnte, eine Fülle organischer, biologisch wichtiger Verbindungen hervor. Im Laufe mehrerer Tage sammelten sich in der Vorlage infolge der Reaktionstemperatur (analog den atmosphärischen Entladungen und der intensiven Sonneneinstrahlung) neben Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser bedeutsame organische Klein- und Makromoleküle. In zahlreichen Simulationen wurde Miller′s Versuch in der ganzen Welt nachvollzogen, wobei stets unter anderem Cyanide, Aldehyde, Carbamate Carbodiimide und Aminenachgewiesen wurden. Aus diesen reaktiven Komponenten kondensierten im Laufe mehrerer Tage in der Apparatur schließlich alle wesentlichen Komponenten belebter Materie aus, nämlich u. a.
Aminosäuren, niedere Carbon- aber auch Fettsäuren, Zucker, Purine (Nucleotidbasen), Porphyrine und Isoprene. Damit war die Ursuppentheorie eindrucksvoll experimentell untermauert und die Entstehung des Lebens auf natürliche Weise erklärt, ohne auf die Hypothese einer mysteriösen göttlichen Schöpfung oder einer undefinierbaren "vis vitalis" zurückgreifen zu müssen. Folglich war dieses Urgeheimnis über die Entstehung des Lebens der Lösung einen wesentlichen Schritt näher gerückt.
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