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Dies ist der zweite Teil über die Entstehung des Lebens auf der Erde. Teil 1 befasst sich mit der chemischen Evolution die zu den ersten Zellen führte. Dieser Teil 2 beschreibt die biologische Evolution von der ersten Zelle bis zu den Mehrzellern.
Die ältesten sicheren Fossilien stammen aus einer Zeit vor 3.4 Mrd. Jahren. Aus einer Schicht vor 3.5 Mrd. Jahren gibt es Ablagerungen, die als Produkt von als Bakterien gedeutet werden, sicher ist diese Deutung aber noch nicht. In grönländischen Gesteinen wurde eine Anreicherung von C13 festgestellt. Diese könnte durch Stoffwechseltätigkeit von Bakterien herrühren. Diese sind sogar 3.8 Mrd. Jahre alt, aber zu Zuordnung zu Lebenden Zellen ist noch gewagter. Die meisten Geologen gehen davon aus, dass erst im Zeitraum zwischen 4.0 und 3.9 Mrd. Jahren die Erde soweit abgekühlt war, das Wasser sich flüssig an der Oberfläche halten konnte.
Die ersten Lebensformen waren einzellig, die ersten fossil überlieferten Einzelbakterien vor 3.1 Mrd. sehen heutigen Bakterienzellen in Stäbchenform ähnlich. Es wird vermutet, dass sich das erste Leben durch einen Gärungsstoffwechsel ernährt hat. Der Gärungsstoffwechsel baut die Nährstoffe ohne Verwendung von Sauerstoff ab. Heute nutzen wir Gärungen zur Herstellung von Alkohol aus Zucker oder Milchsäure aus Milchzucker bei der Weingärung, Bierherstellung, Sauermilch und Jogurtherstellung.
Sauerstoff stand damals nicht im Wasser und der Atmosphäre zur Verfügung. Zudem ist er für eine Zelle giftig wenn sie keine Enzyme hat, welche die Zellbestandteile vor den durch Sauerstoff verursachten Oxidationen schützen.
Ein Gärungsstoffwechsel hat aber für eine Zelle einen großen Nachteil: Der Energiegewinn ist sehr gering. Obwohl heute eine Zelle ein Dutzend Enzyme braucht um Zucker zu Alkohol abzubauen kann sie nur ein 1/10 der Energie nutzen, die bei dem vollständigen Abbau frei wird.
Viele Autoren gehen davon aus, dass sich die ersten Urzellen von den Molekülen ernährt haben, die in der Ursuppe übrig blieben. Doch wie lange mögen diese gereicht haben? Kann man sich Hunderte von Millionen Jahren aus der Ursuppe ernähren und dabei vermehren? Nun man darf eines nicht vergessen: Die Bedingungen waren damals auch andere. So brauchte man anstatt Sauerstoff andere Stoffe die man reduzieren konnte. Das heißt Stoffe, die den Wasserstoff der bei der Gewinnung von Energie anfällt, chemisch binden konnten. Gott sei Dank gab es diese in der reduzierten Atmosphäre damals reichlich: Es sind Metallsalze, Schwefel und im Wasser gelöste einfache organische Verbindungen wie Kohlenmonoxid. Wie viel chemisch gelöste Metalle es damals im Wasser gab, darüber weiß man heute erstaunlich gut Bescheid: Als nämlich vor 2.3-2 Mrd. Jahren die Anreicherung des Sauerstoffes im Wasser einsetzte wurde das Eisen im Wasser oxidiert und wasserunlöslich. Es bildeten sich damals 90 % der heute bekannten Eisenerzvorkommen mit einer Gesamtmasse von 1015 t, das entspricht 10g Eisen pro Kubikmeter Wasser.
Heute scheint es wahrscheinlicher das die ersten Zelle anorganische Verbindungen nutzten. Man kennt seit langem eine spezielle Gruppe von Bakterien, die Archaebakterien. Charakteristisch für diese Bakterien ist, das sie unter extremen Lebensbedingungen hervorragend gedeihen: In konzentrierten Salzlösungen leben die salzliebenden Archaebakterien, die z.B. in Salzseen vorkommen. Die Methanbakterien bauen aus Methan, Wasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid ihre Nahrung auf - Das sind die Bestandteile der Uratmosphäre. Sie kommen in Sümpfen und den Mägen von Wiederkäuern vor und vertragen keinen Sauerstoff (anaerobe Lebensweise). Am interessantesten sind aber die schwefelabhängigen Archaebakterien, die z.B. die Lebensgrundlage der Oasen an den schwarzen Schloten der Tiefsee sind. Sie vertragen Temperaturen von über 100 °C und ernähren sich von Schwefel den sie zu Schwefelwasserstoff reduzieren.
Schon aufgrund dieser Lebensweise ist man geneigt, diese als Nachfahren der ersten Zellen zu sehen, sind sie doch ideal an die Bedingungen die damals herrschten angepasst. Speziell die schwefelliebenden Bakterien könnten in der Nähe von unterseeischen Vulkanischen Zonen entstanden sein, einem der möglichen Entstehungsorte des Lebens. Sie vertragen die dortigen Bedingungen und nutzen den vulkanischen Schwefel als Energiequelle. Damit sind sie ebenso wie die Methanbakterien nicht auf organische Stoffen zur Energiegewinnung angewiesen (jedoch immer noch zum Zellaufbau). Diese Bakterien sind auch die Lebensgrundlage der Fauna rund um heiße Quellen in der Tiefsee, denn als einzige Organismen können sie aus dem gelösten Schwefel und den Metallen Energie gewinnen.
Neuere Genuntersuchungen haben diese Vermutung bestätigt. Analysiert man die Gene eines Archaebakteriums und vergleicht den Genbestandteil mit dem eines Bakteriums oder eine "Echten" Zelle so stellt man fest, das diese weder mit den Bakterien noch echten Zellen nah verwand sind (mit echten Zellen aber etwas näher, wir werden darauf noch zurück kommen). Aufgrund der Evolutionären Entwicklung bedeutet dies, dass sie älter als beide Zelltypen sein müssen. Sie sind daher "heiße" Kandidaten für die Urzelle. Bakterien sind im Vergleich zu den Archaebakterien auch dahingehend fortschrittlicher, weil die meisten Bakterien den Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen können und wenn nicht, ihn zumindest vertragen. Diese Eigenschaft kann nur gebildet worden sein als es Sauerstoff im Wasser und der Atmosphäre gab.
Die Tatsache das Archaebakterien anorganische Verbindungen als Energiequelle nutzen, spricht dafür, dass das erste Leben nicht seinen Lebensraum zerstörte, indem es die Ursuppe auffraß. Es wäre sonst nicht sehr weit gekommen.
Schon vor 3.1 Mrd. Jahren kam es zu
einem entscheidenden Schritt. Aus dieser Zeit stammen die ersten Stromatolithen. Stromatolithen
sind knollenförmige Kalkknollen, die im Querschnitt eine deutliche Schichtung zeigen. Diese
werden auch heute noch gebildet: Von Blaualgen. Blaualgen sind keine Algen, sondern Bakterien.
(Algen sind "echte" Zellen mit Zellkern). Sie werden so genannt weil sie als Überlebenskünstler
überall blaugrüne Beläge finden - Ob auf Feuchter Baumrinde, in Blumentöpfen oder in heißen
Salzseen, Blaualgen sind überall Zuhause.
Es wird vermutet, dass die Blaualgen damals - wie auch heute - die Urheber der Stromatolithen sind. Blaualgen sind die einfachsten Photosynthese treibenden Organismen die man kennt. Bei der Photosynthese wird dem Wasser Kohlendioxid entzogen, was zur Abscheidung von Kalk und damit zur Bildung der Knollen führt.
Die erste Photosynthese war aber noch unvollkommen. Heute hat eine Zelle zwei Photosynthesesysteme. Das eine spaltet das Kohlendioxid und das andere das Wasser:
6 CO2 + 6 H2O + Lichtenergie » C6O6H12 + 6 O2
So verläuft heute die Photosynthese, dabei wird Sauerstoff frei. Die ersten Zellen werden aber nicht Wasser sondern Schwefelwasserstoff gespalten und dabei Schwefel freigesetzt haben :
6 CO2 + 12 H2S + Lichtenergie » C6O6H12 + 12 S + 6 H2O
Dazu benötigt die Zelle nur ein Photosystem anstatt zwei, da Schwefelwasserstoff leichter als Wasser zu spalten ist und zudem wird kein - für die einfachen Zellen toxischer - Sauerstoff frei. Noch heute finden sich unter den Blaualgen Arten, die genau diese Art von Photosynthese betrieben. Diese nutzen diese Art der Photosynthese auch heute noch um Energie zu gewinnen, die zur Fixierung des Luftstickstoffes benötigt wird. Damit sind diese Zellen auch noch abhängig von organischen Stickstoffverbindungen und können ihre gesamte Zellsubstanz selbst aufbauen. Der im Wasser unlösliche Schwefel bildet vor 3.5-3.4 Mrd. Jahre die ersten ausgedehnten Schwefellagerstätten.
Damit war nun auch der Weg frei für die Gärung auf Basis organischer Substanzen. Mit den Blaualgen standen aber nun zum ersten mal Organismen als Nahrung zur Verfügung die sich ohne organische Substanzen vermehren konnten.
Doch auch die echte Photosynthese haben die Blaualgen entwickelt. Schwefelwasserstoff ist rar im Gegensatz zu dem allgegenwärtigen Wasser. Er muss durch die starke vulkanische Tätigkeit der frühen Erde zwar in viel größerer Konzentration als heute vorgekommen sein, doch war es eine erschöpfliche Ressource. Es gibt wenige chemische Prozesse die aus Schwefel wieder Schwefelwasserstoff bilden. Vor 2500 Mill. Jahren muss die echte Photosynthese entwickelt worden sein, den ab diesem Zeitpunkt finden wir die gebänderten Eisenerze.
Eisen ist heute nur noch in dreiwertiger Form als Rost präsent. Das liegt darin, dass das zuerst gebildete wasserlösliche Eisen (2+) vom Sauerstoff zum Eisen (3+) oxidiert wird. Dieses ist aber unlöslich im Wasser. So bewirkte die Sauerstofffreisetzung durch die echte Photosynthese ein Ausfallen der Eisenverbindungen aus dem Wasser. Die Erzvorkommen lassen sogar eine jahreszeitliche Schichtung erkennen: Im Sommer wurde vorwiegend Eisen abgelagert (O2 durch Photosynthese), im Winter Kieselsäure (ausgefüllt durch CO2 das bei der Gärung im Winter gebildet wurde).
Parallel dazu nehmen auch die Vorkommen von Stromatolithen zu. Die Bildung der Stromatolithen und die Abscheidung von Eisen nimmt vor 2300 Mill. Jahren explosionsartig zu. Dies lässt vermuten, dass es wieder die Blaualgen waren, die eine neue Stoffwechselfunktion entdeckten. Noch heute sind Blaualgen die einzigen Bakterien die Photosynthese treiben und Fossilien von den größeren Echten Zellen, den Vorläufern der Pflanzen finden sich erst vor 1.45 Mrd. Jahren.
Für die bisher gärenden Bakterien bedeutete der Sauerstoff nach und nach eine Vergiftung ihrer Umwelt. Solange genügend Eisen im Wasser war spielte dies eine untergeordnete Rolle, gebildeter Sauerstoff wurde zur Oxidation von Eisen und anderen reduzierten Metallen verbraucht. Diese Bildung klang aber vor 2000 Mill. Jahren aus, während gleichzeitig nun auch festländische Eisenvorkommen begannen zu Eisen 3+ zu oxidieren. Dies ist relativ einfach zu deuten: Nach dem Verbrauchen des reduzierenden Eisens im Wasser wird Sauerstoff frei, da Atmosphäre und Wasser im Austausch stehen, steigt auch der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, wodurch auch hier Eisenverbindungen oxidieren beginnen. Die Menge des Eisens die dadurch abgeschieden wurde ist nicht gering: Es sind 90 % der heutigen Vorkommen, durchschnittlich muss 1 m³; Wasser 10 g Eisen vor dem einsetzen der oxidativen Photosynthese besessen haben.
Aus dieser Zeit haben wir auch Hinweise über die Temperaturen und die Dichte der Atmosphäre. 1.8 Mrd. Jahre alte Regentropfenabdrücke in Südafrika lassen erkennen, das die Atmosphäre damals die gleiche Dichte wie heute gehabt haben muss. Die Oberflächentemperatur kann nun auch so niedrig gewesen sein, das vor 2500-1900 Mrd. Jahren erste Gletscherspuren gefunden wurden, also die Temperaturen den Gefrierpunkt unterschritten haben.
Wird Sauerstoff zum Abbau von organischen Stoffen genutzt so wird dabei viel mehr Energie frei als bei der Gärung. Baut ein Bakterium z.B. Traubenzucker zu Milchsäure ab so nutzt es von den 17 KJ Energie die ein Gramm Traubenzucker liefert nur 3 KJ. Ab 2000 Mill. Jahre dürften die Bakterien die Sauerstoff nicht vertrugen, sich in sauerstofffreie Bereiche zurückgezogen haben, z.B. in den Schlamm am Boden der Ozeane, sehr viele Bakterien hatten sicher Enzyme entwickelt, die Sauerstoff als Zellgift entschärfen konnten. Wir können nur vermuten, das solche Enzyme vielleicht der Vorläufer zu Enzymen gewesen sind, die Sauerstoff als Energielieferant für Abbauvorgänge nutzten.
Wann es soweit gewesen ist, ist noch umstritten. Allgemein wird davon ausgegangen das ein Sauerstoffgehalt der Atmosphäre 1 % des heutigen Wertes erreichen musste, damit genügend Sauerstoff für eine Atmung zur Verfügung steht. Manche Autoren meinen das dieser Pegel bereits vor 2000 Mill. Jahren erreicht wurde, andere gehen von 900 Mill. Jahren aus. Aufgrund der raschen Oxidation des Eisens auf dem Festland wird der ein Wert von etwa 1400-1500 Mill. Jahren für wahrscheinlich gehalten.
Vor 1700 Mill. Jahren haben wir im Wasser schon Fossilienfunde von Lebensgemeinschaften aus 50 Arten von Bakterien und Blaualgen, das Land bleibt noch lange unbewohnbar, bis der Sauerstoffanteil in der Ozonschicht so hoch ist, das er auch die mittlere UV Strahlung absorbiert. Dies ist erst 1000 Millionen Jahre später der Fall.
Lange Zeit habe ich von "echten"
Zellen gesprochen und nun kommt endlich die Erklärung: Was eigentlich sind echte Zellen? Nun
echte Zellen oder im Fachjargon "Eukaryonten" sind Zellen mit einem Zellkern. Dieser ist aber nur
ein, wenn auch wichtiges, Unterscheidungskriterium zu den Bakterien.
Bakterien sind sehr einfach aufgebaut: Eine Membranhülle in der ungeordnet Erbmaterial, Enzyme und Ribosomen herumschwimmen. Ribosomen sind 20-30 nm große Protein/RNA Kügelchen welche die Proteinsynthese bewerkstelligen. Die Ribosomen sind das einzige Zellorganell, das man in den Bakterien finden kann.
Eukaryonten sind nicht nur viel größer als Bakterien, sie sind auch komplexer aufgebaut: In ihnen schwimmen verschiedene Zellorganellen, die jeweils spezialisierte Funktionen ausüben. Uns interessieren hier aber nur vier. Ein Zellorganell kann man als ein "Organ" einer Zelle bezeichnen. Es ist eine Subzelle die nur eine bestimmte Aufgabe hat, ähnlich wie der Mensch verschiedene Organe mit Aufgaben hat. Im folgenden sollen die vier Zellorganellen über die nur Eukaryonten verfügen erklärt werden.
Der Zellkern beinhaltet die gesamten Gene der Zelle, er hat eine eigene Membran und zwar eine Doppelmembran. Warum eine Doppelmembran? Selbst die Zellmembran ist doch nur einfach. Nun wenn eine Zelle eine andere frisst, aufnimmt umhüllt sie die Nahrung mit ihrer Membran. Sie bildet also eine Membran um die Zellmembran der aufgenommenen Zelle - Eine Doppelmembran. Ist der Zellkern eine aufgenommene nicht verdaute Zelle? Auf jeden Fall ist der Zellkern heute sehr spezialisiert: Er beinhaltet nur die Gene und macht sonst nichts für die Zelle, dafür hat er die Fähigkeit zur Vermehrung erworben. Er kann Zellen mit dem halben Chromosomensatz bilden. Damit ist die Grundlage für die sexuelle Evolution gegeben, was den Eukaryonten innerhalb kurzer Zeit zu einer enormen Artenfülle verhalf.
Innerhalb jeder Eukaryontenzelle findet man "Mikrotuboli" genante Spindeln. Das sind lange röhrenförmige Moleküle, die das Stützskelett für die Zelle bilden und bei Zellen mit Geiseln oder Haaren auch diese. Erstaunlich ist, dass die Mikrotuboli nicht nur die Ausmaße eines spindelförmigen Bakteriums haben, sondern auch aus denselben Proteinbausteinen wie diese Bakterien bestehen...
Innerhalb der Eukaryontenzelle finden alle Stoffwechselvorgänge bei Eukaryonten nur im Gärungsstoffwechsel statt. Der Abbau unter Sauerstoffverbrauch findet in den Mitochondrien statt. Diese sehen aus wie Bazillen (stäbchenförmige Bakterien), sind genauso groß wie Bazillen und wie der Zellkern von einer Doppelmembran umgeben - Offensichtlich hat sich auch hier die Eukaryontische Urzelle "verschluckt". Mitochondrien sind aber noch merkwürdiger. Mitochondrien werden nicht von der Zelle aufgebaut sondern vermehren sich selbst innerhalb der Zelle. Dazu haben sie sogar eigene Gene! (Diese reichen allerdings nur für 10 % der Proteine eines Mitochondriums). Ein weiterer Unterschied zu dem Zellplasma sind die Ribosomen. Im Zellplasma haben diese eine Masse von 80 S (S ist eine Einheit in der beim Zentrifugieren die Absetzung gemessen wird, die wiederum von der Masse abhängt). In Bakterien haben die Ribosomen nur 70 S. Die Ribosomen der Mitochondrien haben ebenfalls 70 S Masse.
Aus diesen biochemischen Tatsachen wird heute folgende Theorie verfolgt: Die Ur-Eukaryontische Zelle hatte einen Gärungsstoffwechsel und fraß andere Zellen. Ob aus Zufall oder aus Absicht - einige gefressene Zellen hat sie nicht verdaut, sondern lebte mit diesen in Symbiose. Die Mitochondrien zum Beispiel führten die gesamte Oxidation der Gärungsprodukte mit Sauerstoff durch und verhalfen der Zelle so zu mehr Energie. Auch für die Mitochondrien - die wohl vorher aerobe Bazillen waren - hatte es Vorteil: Sie waren geschützt und wurden mit Nahrung versorgt. Im Laufe der Zeit wurde Kooperation enger so das keiner ohne den anderen mehr auskommen konnte. Die Wirtszelle übernahm die Gene der Mitochondrien und diese perfektionierten die Stoffwechselprozesse.
Ähnliche Aufnahmevorgänge vermuten wir beim Zellkern. Das aufgenommene Bakterium hatte offensichtlich eine überlegene genetische Speicherung und Verdopplung entwickelt. Analog vermutet man, dass die Mikrotuboli, wohl einmal sich schlängelnd fortbewegende Bakterien waren. Sie gaben der neuen Zelle Halt und auch durch Geiseln Mobilität. Bei den Pflanzen wurden zusätzlich Blaualgen aufgenommen, welche die Chloroplasten bildeten.
Noch heute können wir Ansätze für derartige Symbiosen beobachten. Wenn man Amöben (einfache Eukaryonten) auf Blaualgen loslässt so werden diese normalerweise verdaut. Ist eine Amöbe aber sehr ausgehungert und gibt man ihr nur eine Blaualge zum Fressen, so geschieht etwas anderes: Die Blaualge wird nicht verdaut sondern beginnt sich zu teilen, die Amöbe gibt ihr sogar von ihren Reserven noch etwas ab, bis die Amöbe so etwa 10 Blaualgen in sich trägt. Dann stellt die Blaualge das Teilen ein. Die Amöbe kann nun ohne Nahrung auskommen, frisst aber andere Blaualgen wenn sie welche findet nach wie vor. Wobei sie nur fremde - nicht die schon aufgenommenen - verdaut. Sie kann also die eignen Blaualgen erkennen. Diese Symbiose ist zuerst reversibel: Befreit man die Blaualgen aus der Amöbe, leben beide weiter. Nach einigen Generationen aber ist sie irreversibel, bei der Trennung sterben Blaualgen wie Amöbe ab. Relativ rasch hat sich also ein Abhängigkeitsverhältnis entwickelt, sind beiden Partnern Fähigkeiten verloren gegangen.
Vor 1.45 Mrd. Jahren vermutet man traten Eukaryonten auf. Damals traten auf einmal viel größere Zellen als bisher auf. "Echte" Zellen sind alleine schon durch die eingeschlossenen Organellen viel größer als Bakterien. Bakterien waren zwischen 5-13 µm groß, einige Blaualgen erreichten 60 µm. Plötzlich wurden die Zellen 100 µm groß und erreichten bald 500 µm. Wir wissen aber, das sich die Eukaryonten schon viel früher von den Bakterien abgespalten haben müssen. Dies kann man auch dem Vergleich des Genbestandes von Bakterien mit einfachen Eukaryonten feststellen. Vor 2 Mrd. Jahren müssen sich Eukaryonten von den Bakterien getrennt haben, sie brauchten wohl 500-600 Mill. Jahre, um die ersten Komponenten zu integrieren die ihnen dann das Wachstum zu der neuen Zellgröße ermöglichten. Die Chloroplasten müssen zuletzt integriert worden sein, denn Pflanzen und Tiere trennten sich erst vor 1.1 Mrd. Jahren.
Ein wesentlicher Fortschritt der echten Zelle ist aber ihre Vermehrung: Bakterien teilen ihr Erbgut und dann die ganze Zelle. Jede Zelle enthält also denselben Gensatz wie die Ursprungszelle. Evolution kommt hier nur durch spontane Mutationen zustande und verläuft sehr langsam. Die echten Zellen dagegen bilden bei der Vermehrung einen einfachen Chromosomensatz. Zwei verschiedene Elternzellen verschmelzen zu einer neuen Zelle. Dadurch wird der Chromosomensatz neu durchmischt, auch ohne eine Mutation entstehen zahlreiche Veränderungen durch immer neue Kombinationen des Erbguts. Dieses Konzept führte zu einer erheblich schnelleren Evolution. 2 Mrd. Jahre lang hatten sich Zellen nur langsam weiterentwickelt, mit der sexuellen Fortpflanzung bildeten sich in den folgenden 1.45 Mrd. Jahren alle Arten der höheren Lebewesen - Pflanzen, Tiere, Pilze in erheblich schnellerer Evolutionsrate aus.
Eine sehr frühe Vorform gibt es heute bei einigen einzelligen Algen. Diese können miteinander verschmelzen, so dass aus zwei Zellen eine wird. Dies geschieht vor allem bei Stress (Nahrungsknappheit). Wenn sich die Zellen wieder trennen, so wurde das Erbgut beider Zellen durcheinander gewürfelt.
Die erfolgreiche Symbiose auf zellulärer Ebene nutzten die Eukaryonten bald auch zwischen den Zellen. Man kennt einfache Eukaryonten-Organismen die aus Zellhaufen bestehen. Während die einfacheren von Ihnen in Einzelzellen teilbar sind, zeigen sich bei größeren Spezialisierungen : Äußere Zellen haben Geiseln zur Fortbewegung, innere produzieren kleine Tochterkugeln als Nachkommen. Diese Zellhaufen gehen bei Abgabe der Nachkomme zugrunde und sind nicht mehr in Einzelzellen teilbar. Bakterien und Blaualgen bilden zwar auch Kolonien, wenn die Zellwände bei der Teilung aneinander haften bleiben, aber es bleiben immer Einzellebewesen. Nur bei den Blaualgen findet man heute die Spezialisierung, das einzelne Zellen die Stickstoff aus der Luft aufnehmen, nur die Photosynthese ohne Wasserspaltung durchführen. Diese werden von den Nachbarzellen mit Nährstoffen versorgt und geben die gebildeten Aminosäuren weiter.
Die Bildung spezialisierter Zellen bei Vielzellern führte bald zu einer noch schnelleren Evolution, da nun eine Zelle nur bestimmte Aufgaben ausführen musste konnten, diese um so besser perfektioniert werden. Alle Vielzeller - Tiere, Pflanzen, Pilze sind heute Nachfahren der Eukaryonten. Die sexuelle Fortpflanzung, d.h. die Durchmischung der Gene von verschiedenen Organismen ermöglichte nach der Entstehung der Eukaryonten eine schnellere Entwicklung als bisher. Bakterien vererben immer ihr Erbgut als 1:1 Kopie und sind daher auf Fehler bei der Weitergabe oder Mutationen als evolutionäre Triebkraft angewiesen, was eine sehr langsame Evolution ergibt.
Eine zweite Triebkraft vermuten Forscher in der Knappheit von Ressourcen. Zahlreiche einzelligen Organismen schließen sich bei Nahrungsmangel zusammen und bilden einen vielzelligen, Organismus. Bei viel Nahrung zerfällt dieser wieder in Einzelzellen. Das könnte der Anfang der Vielzeller gewesen sein. Der nächste Schritt ist dann die Arbeitsteilung: Die äußern Zellen spezialisieren sich auf die Fortbewegung und die Nahrungsgewinnung und die inneren auf die Energieverwertung.
Nachdem sich vor 1500 Mill. Jahren die ersten Echten Zellen bildeten, fand man in dieser Zeit auch schon einfache nadelförmige vielzellige Schwämme - nach unsere heutigen Vorstellung unbewegliche Tiere. Es gibt allerdings einen 1.8 Mrd. alten fossilen Kothaufen. Man weiß allerdings nicht wer ihn hinterlassen hat. Man setzt die Trennung von Tieren und Pflanzen zu etwa 1.1 Mrd. Jahre an, vorher gab es keine Pflanzen, kurz darauf erscheinen vor 900 Mill. Jahren die ersten mobilen einzelligen Urtierchen und dann kam es zur der Explosion tierischen Lebens, so das bis zum Anfang des Kambriums vor 590 Mill. Jahren fast alle heute noch existierenden Stämme gebildet wurden.
Ein Problem der vielzelligen Tiere ist das es lange keine Fossilien davon gab. Man
kannte erst Vielzeller aus dem Kambrium - vor 590 Millionen Jahren als die ersten Außenskelette
gebildet wurden die fossiliert wurden. Vorher gab es nur Tiere ohne Skelette wie Würmer, Quallen
etc. die nur selten fossiliert wurden. Inzwischen hat man aber einige seltene Vorkommen der
Erhaltung dieser Weichteile gefunden als ganze Faunen durch eine Schlammlawine begraben wurden.
Es gibt zum einen den Burgess Schiefer (540 Millionen Jahre alt) und die Edicara Fossilien
(650-590 Millionen Jahre al), die auch eine Fülle von fossil erhaltenen Weichtieren beinhalten.
Die meisten Mehrzeller hatten vor dem Kambrium einfach keine Chance ohne Kalkskelett fossil
erhalten zu bleiben. Dadurch scheint es als wären im Kambrium zahlreiche neue Tiere entstanden.
Die weite Verbreitung von größeren Tieren setzt man heute mit 800 Mill. Jahre an, als zeitgleich
die Stromatolithen rapide zurück gingen. Wie schon erwähnt sind Stromatolithen Blaualgen
Kulturen, die zu den ältesten Lebewesen gehören. Blaualgen sind sehr widerstandsfähig, aber ihre
primitive Art der Photosynthesebildung bewirkt, dass ihre Kolonien nur langsam wachsen. Heute
gibt es Stromatolithen nur in Ökosystemen ohne größere Räuber die sie abweiden können. Das
Auftreten von größeren Tieren mit größerem Appetit bewirkte den Rückzug auf solche Ökosysteme vor
800 Mill. Jahren.
Das Land konnten Pflanzen erst erobern als der Sauerstoffgehalt etwa die Hälfte des heutigen Wertes aufwies. Dies war vor 410 Mill. Jahren. Als die Tiere 100 Mill. Jahre später an Land kamen fanden sich schon den gleichen Sauerstoffgehalt wie heute vor.
Zum Schluss ein Aspekt der vielleicht Ihnen beim Lesen gekommen ist: Wir haben nur über "Ersttaten" gesprochen. In der Tat scheinen sich alle wesentlichen Vorgänge genau einmal entwickelt zu haben. Das ist auch bei anderen Dingen so: Augen wurden nur einmal erfunden und dann immer mehr perfektioniert. Vier Gliedmassen entwickelte die Evolution auch nur einmal: Bei Wirbeltieren, bei diesen wurden aus Flossen Beine, Flügel, aber selbst Wale haben noch rudimentär 4 Gliedmassen.
So auch bei der Evolution der Zelle. Jede Pflanze trägt in sich Nachfahren von Blaualgen und Bakterien: Als Chloroplasten und bestimmte Pflanzen auch stickstoffbindende Knöllchenbakterien. Kein anderer Organismus hat die Fähigkeit entwickelt aus Luftstickstoff sonst Proteine aufzubauen. Die grundlegenden Stoffwechselkreisläufe zum Abbau der Nahrung sind in Einzellern wie Menschen dieselben, die Zusammensetzung der Gene und sogar ihre Umsetzung - wenn dies anders wäre, dann gäbe es keine Gentechnik.
Die methanogenen Archaebakterien sind die auch einzigen geblieben die Methan als Nahrung nutzen. Heute machen sie das in Kuhmägen und Reisfeldern. Ihre Schwefelabhängigen Verwandten besiedeln Kohlenhalden und man versucht sie neuerdings zur Rauchgasreinigung einzusetzen.
Wenn sich nächstes mal ein grüner Rasen auf ihrem Blumentopf bildet, so haben sie etwas mehr Respekt: Die dort sitzenden Organismen sind 3.5 Mrd. Jahre alt und haben sich seit 2.5 Mrd. Jahren nicht wesentlich verändert. Und ohne sie gäbe es wohl kein Leben auf diesem Planeten mehr, denn ohne den Stickstoff der Atmosphäre den die Blaualgen fixiert haben wären auch die Archaebakterien irgendwann ausgestorben.
Das wesentliche an beiden Meinungen ist das damit auch philosophische Anschauungen verbunden sind. Bis zum 16.ten Jahrhundert meinte die Menschheit einmalig zu sein, mitten im Weltall zu sein, abgehoben von den Tieren, Gottes Krone der Schöpfung. Seitdem erfuhren wir, das wir weder in der Mitte des Sonnensystems sind, das alle Sterne Sonnen sind. Die Sonne weder im Zentrum der Milchstraße liegt, noch die Milchstraße besonders groß ist oder im Zentrum des Universums. Zudem lernten wir, das wir noch eine von vielen Arten sind, und noch dazu eine relativ junge. Derzeit ist also eine philosophische Meinung, die darauf basiert, das auch das Leben etwas ganz normales ist, eindeutig beliebter.
Dafür spricht auch, das sich das Leben auf der Erde, wie schon gezeigt sehr rasch entwickelte. Obgleich dann für die Bildung aller Stoffwechselkreisläufe noch einige Milliarden Jahre nötig waren, bildeten sich die ersten Zellen schon vor 3.5-3.1 Mrd. Jahren. Daher wird heute die Meinung vertreten, das überall dort wo sich Leben bilden kann es sich bildet.
Leben kann sich am besten in einem flüssigen Medium bilden. Wasser ist dafür ideal. Es kommt im Universum häufig vor (ganze Monde in unserem Sonnensystem bestehen daraus), und ist zwischen 0 und 100 Grad Celsius flüssig, dieser Bereich ist sehr groß und wird von anderen Lösungsmitteln nicht erreicht. Man kann davon ausgehen, das Wasser auf einem Planeten vorkommt, allerdings kann er es wieder verlieren. Beispiele dafür sind Merkur, Venus und Mars. Merkur und Mars waren zu klein, Venus zu heiß um das Wasser zu halten.
Ein Planet muss sich in einem bestimmten Abstand befinden um das Wasser flüssig zu halten. Bei der Erde beträgt dies etwa -10 % bis + 5 % des derzeitigen Abstandes. Sicher werden sich nicht alle Planeten in dieser idealen Zone aufhalten, wie man auch in unserem Sonnensystem sieht. In unserem System ist die Erde der einzige Planet mit flüssigem Wasser.
Auch die richtige Größe ist wichtig. So besaß der Mars durch eine Treibhausatmosphäre früher flüssiges Wasser, konnte diese Atmosphäre und das Wasser nicht halten, weil er zu klein ist. Andererseits neigen große Planeten dazu auch die leichten Gase Helium und Wasserstoff zu binden und werden dann zu Riesenplaneten wie Jupiter und Saturn.
Nicht alle Sterne leben gleich lange. Sehr große Sterne gehen äußerst verschwenderisch mit dem Brennstoff um und leben nur 30 Millionen Jahre, andere kleine Sterne glühen nur leicht und leben 100 mal länger als die Sonne. Für das Leben sollte der Stern mindestens einige Milliarden Jahre lang leben - damit scheiden zirka 5-10 % der Sterne aus, die nicht so alt werden. Wenn der Stern aber besonders sparsam mit seinem Brennstoff umgeht, dann muss der Planet so nahe an den Stern, dass die Teilchen die ein Stern auch emittiert nicht mehr vom Magnetfeld aufgehalten werden können, damit scheiden zirka 80 % der besonders langlebigen Sterne auch aus. Übrig bleiben Sterne mit mittlerer Lebensdauer - zirka 10-20 % der Sterne.
Zirka die Hälfte davon ist in Doppelsternen gebunden - diese können keine Planeten halten, so bleiben 5-10 % der Sterne übrig, alleine in unserer Milchstraße also zirka 5-10 Milliarden.
Leben besteht aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Ein paar katalytisch wirkende Metalle wären auch nicht schlecht. Auch wenn wir theoretisch überlegen könnten wie Leben auf der Basis von Silizium aussehe könnte, spricht vieles für Leben aus der Basis von Kohlenstoff. Kein anderes Element hat so viele mögliche Verbindungen mit den anderen Elementen. Von den anderen 90 stabilen Elementen gibt es zirka 400,000 bekannte Verbindungen, von dem Kohlenstoff aber über 10 Millionen bekannte. Glücklicherweise sind die Elemente die das Leben verwendet sehr häufig. Sie entstehen als Abfallprodukte in den Sternen und werden von Ihnen freigesetzt. Lediglich die Sterne der ersten Generation besitzen diese Elemente noch nicht.
Dann fehlt eben noch der Zufall. Wir wissen nicht welche Rolle er spielt. Bildet sich Leben automatisch wenn diese Voraussetzungen gegeben sind oder nur in einem Bruchteil der Fälle ? Sind weitere Bedingungen notwendig? - wir wissen es nicht.
Durch die instrumentellen Fortschritte hat man in den letzten Jahren einige Dutzend neue Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Vorher vermuteten wir nur, das Planeten normal in Sternen sind - heute wissen wir es. Derzeit können nur sehr große Planeten (schwerer als Jupiter) bestimmt werden, die keine Ähnlichkeit mit der Erde haben, doch sind die Forscher zuversichtlich, das bald auch erdähnliche Planeten gefunden werden können.
Auch wenn damit noch kein Leben gefunden ist, so ist zumindest beruhigend, das Planetensysteme ganz normal im Universum sind - warum sollte dies nicht auch für das Leben gelten?
| Bildung der Urerde | 4500-470 Mill. Jahre |
|---|---|
| erste Abkühlung der Oberfläche auf unter 100°C | zirka 4000 Millionen Jahre |
| Ältestes Gestein | 3850 Millionen Jahre |
| erste ungesicherte Lebensspur | 3500 Millionen Jahre |
| erste gesichertes Leben | 3100 Millionen Jahre |
| erstes Vorkommen von Stromatolithen | 3100 Millionen Jahre |
| Abscheidung von Schwefel durch Photosynthese | 3500-3400 Millionen Jahre |
| Abscheidung von Eisen aus dem Meerwasser durch freien Sauerstoff durch die Photosynthese |
beginnend vor 3100 endend vor 2000 Millionen Jahre |
| Bildung von Dolomit durch photosynthetisch erzeugtes CO2 | 2500 Millionen Jahre |
| Auftauchen von modernen Cyanobakterien und Spaltpilzen | 2300 Millionen Jahre |
| Erstes Auftauchen von Sauerstoff in der Atmosphäre | 1450 Millionen Jahre |
| Auftauchen der Zellen mit echtem Zellkern und sexueller Vermehrung | 1500 Millionen Jahre |
| Trennung von Pflanzen und Tieren | 1100 Millionen Jahre |
| erste fossile Überlieferung von Mehrzellern, Massensterben der Stromatolithen |
900 Millionen Jahre |
Es gibt einige Zeitgenossen, die nicht die Evolutionstheorie akzeptieren, da sie im Widerspruch zu der Bibel steht. Nun was ist dazu zu sagen? Schon 1654 hat der anglikanische Bischof James Ussher das Alter der Erde berechnet, nachdem er genauestens alle Altersangaben der Bibel überprüft hat und diese in Beziehung zueinander setzte. Er kam auf die Erschöpfung der Welt für den 23 Oktober 4004 vor Christus. um 8:00 morgens. Man hat seine Angaben später nochmals nachgeprüft und festgestellt, das er sich um 3 Tage verrechnet hat (26 anstatt 23 Oktober). Andere Autoren kamen auf ähnliche Zahlen die allesamt um 3900-4100 vor Christus. liegt, je nachdem wie man Bibelangaben auslegt und in Bezug zu bekannten archäologischen Daten setzt.
Leute welche die Evolutionstheorie nicht glauben, aber an die Bibel nennt man Kreationisten. Eigentlich muss man nachdem selbst die Kirchen nicht mehr diesen Standpunkt mehr vertreten nichts dazu sagen. Wer jemals das Tal des Grand Canyons gesehen hat oder sich Gedanken gemacht hat wie lange es gedauert haben muss bis Flüsse das ganze Salz ins Meerwasser transportiert haben (würden die Meere verdunsten, so wäre es eine 8-10 m dicke Salzschicht!) , so weiß man das dies nicht in 6000 Jahren geht. Der Grand-Canyon hat sich mehrere Hundert Meter tief durch massiven Fels gegraben. Bei 6000 Erdjahren wären das 5-10 cm pro Jahr! Schon im 18.ten Jahrhundert hat man errechnet das es etwa 1 Mrd. Jahre dauert um das ganze Salz in die Meere zu befördern.
Heute müssen Kreationisten noch blinder durch die Welt laufen als vor 20 Jahren. Denn die Gentechnik ist keine Theorie, sondern praktische Technologie. Diese basiert aber darauf, dass alle Lebewesen denselben Genetischen Code haben, mehr noch Schlüsselenzyme in allen Lebewesen identisch sind (weil wir von einer "Ur" Zelle abstammen). Heute produzieren Bakterien menschliches Insulin, weil Sie menschliche Gene eingeschleust bekommen haben. Das ist keine Theorie mehr, das ist praktisch angewandte Technik. Doch wer geistig noch im Mittelalter lebt, hat sicher davon auch noch nichts gehört.
SphärenSelbst fossil nicht erhaltene Organismen, sind nachweisbar durch ihre Abscheidungsprodukte. So sind Blaualgen (Cyanobakterien) einzellige Organismen die sich zu größeren Matten zusammenschließen. Sie scheiden aber durch ihren Stoffwechsel dauernd Kalk ab, so das sie geschichtete Knollen die Stromatolithen bilden. Daher vermutet man das die Blaualgen sehr alt sind, denn diese Knollen kennt man vereinzelt schon vor 3100 Millionen Jahren. In Massen treten Sie vor 2300 Millionen Jahren auf. Andere Bakterienkolonien bilden andere charakteristische Sphären aus, die zu komplex für eine anorganische Entstehung sind. Dazu gehören auch die Ramsay Sphären vor 3400 Millionen Jahren - die ältesten bekannten Fossilien.
Organismen verändern die Erde mit der Veränderung des Milieus. Der Urozean und die Uratmosphäre waren sauerstofffrei und der Ozean enthielt durch die Millionen Jahre dauernde Auswaschung durch Niederschläge auf heißem Gestein, sehr viele gelöste Mineralien. Die erste Veränderung die Organismen machen war, das sie eine Photosynthese ohne Sauerstoff entwickelten. Dazu wurde Schwefel als Wasserstoffdonator verwendet und es bildeten sich vor 3400 Millionen Jahre ausgedehnte Schwefellagerstätten und erste Sulfiderzvorkommen.
Etwa vor 3100 Millionen Jahre erfanden dann die ersten Lebewesen die Photosynthese auf Basis des Sauerstoffs. Damit reicherte sich Sauerstoff langsam im Wasser an. Er oxidierte das gelöste Eisen und andere Metalle. Es bildeten sich geschichtete Eisenerze: Auf eine Schicht Eisenoxid kommt eine Schicht von Calciumcarbonat und Eisensilikat: Im Sommer produzieren Algen Sauerstoff und bilden Eisenoxid, im Winter dagegen verbrauchen Sie Sauerstoff und bilden Kohlendioxid. Dieses scheidet sich lokal als Calciumcarbonat aus und erniedrigt den p.H. Wert des Wassers, so das Eisensilikat mit ausfällt.
Der Höhepunkt dieser Bildung war vor 2300-2000 Millionen Jahren, danach war das Eisen weitgehend ausgefällt, und der Sauerstoff reicherte sich zuerst im Meerwasser an. Noch vor 1800 Millionen Jahren war aber die Atmosphäre sauerstofffrei, wie Sedimentablagerungen mit reduzierten Metallen zeigen. Erst vor 1450 Millionen Jahren gibt es erste Gesteinsfunde vom Festland die oxidiertes Eisen enthalten.
Organismen die nicht Sauerstoff erzeugen, sondern diesen verbrauchen ergeben auch Ablagerungen: Als Produkt wird Kohlendioxid frei, welches mit gelöstem Calcium und Magnesium im Wasser Kalk und Dolomit bildet. Die ersten dieser Spuren findet man vor 2500 Millionen Jahren, was auf Organismen hindeutet die den Sprung von der Gärungsatmung zu der Verwendung von Sauerstoff gefunden haben. Das erklärt auch warum es über 1 Mrd. Jahre dauerte, bis der Sauerstoff sich in der Atmosphäre anreicherte: es kam schon früh zu einem Gleichgewicht zwischen Atmung und Photosynthese.
Ganz sicher organischen Ursprungs sind die ersten Erdöl und Erdgasvorkommen die vor 900-600 Millionen Jahren sind Ölsanden z.B. in Kanada sich bildeten. Damit dies möglich ist, muss es schon eine große Fauna gegeben haben.
Ein grundsätzliches Problem ist das zur Entstehung von Leben so viel nötig ist. Es scheint unmöglich das dies alles in so kurzer Zeit entstehen konnte und heute nur perfekte Zellen ohne irgendwelche Vorgänger oder primitiven Organismen übrig geblieben sind. Es ist wie in anderen Fragen der Evolution: Wo ist das "Missing Link"?
Da schienen die Viren vor einigen Jahrzehnten ein Ausweg zu sein. Viren unterscheiden sich selbst von einfachsten Bakterienzellen total: Die kleinsten menschlichen Zellen sind zirka 6 µm groß. Die kleinsten Bakterien 0.4 µm. Die kleinsten Viren dagegen nur 0.02 µm. 0.02 µm, das sind nur 150 Atomdurchmesser. Viren sind so klein, das ihre DNA - obwohl sehr kurz - 30 % der Zellmasse ausmachen kann, der Rest ist eigentlich nur eine Proteinverpackung für diese DNA. Viren haben keine Organellen um Stoffwechsel zu machen, sie haben auch keine Enzyme die dies bewerkstelligen. Ihre Wand besteht aus Proteinen, die mehr einem Kristall als einer Zellwand ähneln, nicht der aus mehrlagigen Lipid-Kohlenhydrat-Protein von anderen Zellen.
Viren können nur eines: sich an andere Zellen anhaften, ihre DNA ins Innere sezieren. Die DNA wird von der Wirtszelle eingebaut und bewirkt, das diese nur die Viren-DNA bilden und die Hülle der Viren. Die Zelle stirbt durch Gifte die sich angesammelt haben (weil der Stoffwechsel eingestellt wurde) oder platzt durch die vielen Viren im innern. Ein Virus kann sich also nicht selbst vermehren, er hat keinen Stoffwechsel und kann auch nicht abgetötet werden (Es helfen keine Medikamente).
Es gibt nun drei Vorstellungen wie Viren entstanden sein können und welche Rolle sie bei der Lebensentstehung spielen.
Es neben Viren auch Viroide. Das sind nur DNA Stücke. Sie alleine wirken infektiös und verursachen einige Pflanzenkrankheiten. Die Stücke sind extrem kurz: 300-600 Nukleotide, das reicht anscheinend gerade aus, um sich selbst zu replizieren indem man eine Wirtszelle als Kopiermaschine benutzt. Wir haben hier den extremen Fall vor uns, das DNA alleine sich vermehren kann. Zusammen mit einigen DNA Bausteinen die Proteine kodieren wird dann eine Hülle daraus. Bei einfachen Viren, wie dem Tabakmosaikvirus, bildet sich die Hülle spontan aus der Proteinkette. Irgendwann später soll dann die Stoffwechseltätigkeit dazu gekommen sein. Immerhin haben komplexere Viren auch einige Enzyme um die Membran von Zellen zu zerstören oder die DNA durch Kontraktion zu injizieren. Die Einfachheit der Viren zeigt sich auch darin, das sie nur RNA oder DNA haben, nie jedoch wie in anderen Zellen beide Nukleinsäuren. Dazu kommt, das in vielem die Viren anders sind als Bakterien. Sie haben z.B. eine Proteinhülle anstatt einer Bakterienmembran aus Lipiden, Kohlenhydraten und Proteinen. Diese ähnelt mehr einem Eiweißkristall als einer Membran.
Diese Hypothese basiert vor allem darauf, das Viren sich nicht selbst vermehren können. Sie sind also zwingend auf Lebewesen zur Vermehrung angewiesen und können unmöglich eine Vorstufe sein, denn wie sollten sie sich vermehren? Dazu kommt, das je höher ein Lebewesen in der Evolution steht um so mehr Viren gibt es. Es gibt z.B. über 1000 Viren die Wirbeltiere befallen oder Bedecktsamer, aber nur etwa 100 die Insekten, Pilze oder Bakterien befallen. Ein Organismus der sich zeitlich vor den Bakterien entwickelt hat, müsste vor allem diese befallen. Mit mehr und mehr Kenntnissen der Biochemie und der Gene von Viren, ist man von dieser Hypothese aber mittlerweile abgekommen.
Wenn Viroide nur nackte DNA Stücke sind, dann ist es denkbar, das bei der Zerstörung einer Zelle ein DNA Stück, dass sich selbst replizieren kann in eine andere Zelle kam. Es vermehrte sich dort - Damit waren die Viroide geboren. Da man von Viren weiß, dass sie nicht besonders selektiv sind und bei der Replikation ihrer DNA auch gerne DNA des Wirts mitkopieren (Sie werden daher auch als Genfähren in der Gentechnik genutzt). Könnte es sein, dass eine solche Viroide DNA auch ein Proteingen mitkopiert hat, das bei der Infektion der nächsten Zelle ein Hüllenprotein gebildet hat, bei weiteren evolutionären Anpassungen (die bei Viren in einem 30 Minutenzyklus zwischen Infektion und Zelltod ablaufen können), wurde das Virus immer reicher um Gene die bei der Vermehrung hilfreich waren. Andere evolutionäre Anpassungen führten dazu, dass das Virus nicht mehr infektiös wurde - es überlebten also nur die welche immer bessere Gene übernommen hatten. (Grippeviren z.B. wechseln ihre Hüllenproteine ständig, so das es keine dauerhafte Schutzimpfung gibt).
Ich halte diese Hypothese für die derzeit am besten passende. Sie erklärt sehr gut, warum Viren Proteinhüllen haben (die meisten Gene in der Zelle enthalten Baupläne für Proteine) und nicht Bakterien ähneln, oder warum sie nur einen Typ von Erbinformation haben - die Zelle repliziert genau das was sie als Vorlage bekam.
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