Evolution

Entstehung des Lebens

Chemische Evolution (+ Versuch von Miller)

Die Chemie unterscheidet grundsätzlich zwischen anorganischen und organischen Stoffen, wobei organische Verbindungen auf einem Grundgerüst aus Kohlenstoff beruhen. Bis ins 19. Jahrhundert glaubte man, dass Organik und Anorganik strikt getrennte Bereiche seien – bis der Chemiker Friedrich Wöhler 1828 erstmals die organische Substanz Harnstoff aus dem anorganischen Ammoniumcyanat herstellte. Damit war belegt, dass organische Stoffe auch aus anorganischem Material entstehen können. Nach heutigem Forschungsstand geht man davon aus, dass die ersten Lebensformen tatsächlich aus chemischen Reaktionen mit unbelebter, anorganischer Materie entstanden sind.

Diesen Vorgang bezeichnet man als chemische Evolution: die Bildung biologischer Moleküle und ihrer Vorläufer aus anorganischen Substanzen – die Grundvoraussetzung für die Entstehung und Entwicklung des Lebens. Der Biochemiker Aleksandr Oparin 1924 und der Biologe John Haldane 1929 äußerten unabhängig voneinander die Hypothese, dass in der Uratmosphäre der Urerde durch chemische Reaktionen organische Verbindungen entstanden sein könnten. Diese Uratmosphäre bestand hauptsächlich aus Wasserdampf (H₂O), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Ammoniak (NH₃), Spuren von Schwefelwasserstoff (H₂S), Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH₄), Stickstoff (N₂), Wasserstoff (H₂) und Edelgasen – entscheidend war das vollständige Fehlen von freiem Sauerstoff. Als Energiequellen für die Reaktionen dienten radioaktive und UV-Strahlung, Vulkanismus sowie Blitze aus heftigen Gewittern. Man nimmt an, dass sich die ersten einfachen Lebensformen in der sogenannten Ursuppe der damaligen Ozeane gebildet haben.

Um diese Hypothese experimentell zu prüfen, simulierten die Chemiker Stanley Miller und Harold Urey die Bedingungen der Uratmosphäre in einem Glaskolben: Acht Tage lang leiteten sie kontinuierlich ein Gasgemisch aus Methan, Wasserstoff, Ammoniak und großen Mengen Wasserdampf ein, während elektrische Entladungen (als Analogon zu Blitzen) im Inneren des Kolbens stattfanden – strikt unter Ausschluss von Sauerstoff. Die kondensierte Flüssigkeit wurde nach den acht Tagen mittels Gaschromatographie untersucht: Sie enthielt organische Stoffe wie Harnstoff, Milchsäure und sogar Aminosäuren. Damit hatten Miller und Urey erstmals im Labor gezeigt, dass aus rein anorganischen Ausgangsstoffen durch abiotische Synthese organische Moleküle entstehen können.

Biogenese und Protobionten

Die RNA-Welt-Hypothese besagt, dass unserem heutigen, DNA-basierten Leben eine Welt vorausging, in der Ribonukleinsäuren (RNA) sowohl zur Informationsspeicherung als auch zur Katalyse chemischer Reaktionen dienten. Prominentestes heutiges Indiz für diese Hypothese sind die Ribosomen: Sie bestehen aus rRNA und Proteinen, wobei die Peptidbindung von der rRNA selbst geknüpft wird und nicht von den Proteinen – solche RNA-basierten Katalysatoren nennt man Ribozyme. Im Laufe der Evolution wurde die RNA als Informationsspeicher zunehmend durch die chemisch stabilere DNA und als Reaktionskatalysator durch die biochemisch anpassungsfähigeren Proteine ersetzt.

Dass “alles Lebendige nur aus Lebendigem” entstehen kann, ist ein Grundsatz, den Louis Pasteur 1861 mit seinen Gärungsstudien gegenüber der bis dahin verbreiteten Vorstellung der Spontanerzeugung (Abiogenese) durchsetzte. Dieser Grundsatz – Biogenese, also das Entstehen neuer Organismen aus bereits bestehenden Lebensformen – widerspricht der chemischen Evolution nicht wirklich: Während Biogenese sich auf die (im Vergleich kurzen) Zeiträume bezieht, in denen wir heute Fortpflanzung beobachten, brauchte die chemische Evolution Millionen von Jahren, um aus unbelebter Materie erste Lebensformen hervorzubringen.

Als Protobionten bezeichnet man Vorläufer der Prokaryoten: Ansammlungen organischer Moleküle und Biomoleküle, die von einer Lipidmembran umschlossen sind. Diese Membran verschafft der Vorläuferzelle einen abgeschlossenen Reaktionsraum – da für chemische Reaktionen eine gewisse räumliche Nähe der Substrate essenziell ist, begünstigt dieser Raum die Bildung eines Stoffwechsels, einer der Grundeigenschaften des Lebens. Protobionten bilden das Verbindungsstück zwischen den losen organischen Stoffen der Ursuppe und den ersten prokaryotischen Zellen; zeitlich lassen sie sich während bzw. nach der RNA-Welt einordnen. Aus ihnen entstanden die ersten Prokaryoten, und aus diesen ging im Lauf der Evolution LUCA (Last Universal Common Ancestor) entwickelte – jene gemeinsame Stammform, von der alle heute lebenden Organismen abstammen.

Endosymbiontentheorie

Die Endosymbiontentheorie erklärt, wie Eukaryoten aus prokaryotischen Vorläuferzellen entstanden sein könnten. Vor der Entstehung der Eukaryoten gab es mindestens zwei Ernährungstypen unter den prokaryotischen Zellen: chemotrophe (Energiegewinnung durch chemische Reaktionen) und phototrophe (Energiegewinnung aus Licht). Diese kleineren prokaryotischen Zellen wurden von größeren prokaryotischen Zellen – wahrscheinlich Archaeen – mittels Phagozytose aufgenommen, jedoch nicht verdaut oder lysiert, sondern verblieben funktionsfähig im Inneren der Wirtszelle. Diesen wechselseitigen Nutzen im Inneren der Wirtszelle bezeichnet man als Endosymbiose; den resultierenden Komplex als eukaryotische Vorläuferzelle. Im Laufe der Zeit entwickelten sich die phagozytierten Zellen zu den heutigen Zellorganellen Mitochondrium (tierische Zellen) bzw. Plastid (Pflanzenzellen).

Mehrere zellbiologische Tatsachen gelten als Indizien für diese Theorie: Mitochondrien und Plastide besitzen eine eigene, ringförmige DNA, die der DNA von Bakterien sehr ähnlich ist, sowie eigenständige, histonähnliche DNA-Proteine (HLPs). Mitochondrien sind mit einer Doppelmembran ausgestattet – die äußere Membran entstand durch die Umhüllung bei der Phagozytose, die innere entspricht der ursprünglichen Prokaryotenmembran. Zudem findet die Reproduktion von Mitochondrien und Plastiden losgelöst von der Zellteilung der Wirtszelle statt – sie teilen sich autonom und ausschließlich aus ihresgleichen. Das Genom der Plastiden weist auf eine Abstammung von Cyanobakterien hin, während Mitochondrien wahrscheinlich von aeroben Proteobakterien abstammen. Wichtig: Auch heutige Pflanzenzellen besitzen sowohl Mitochondrien als auch Plastide.