Das Leben

Die Entfaltung des Lebens auf der Erde 1

Prokaryoten (Bakterien und Archaeen, links) waren die ersten Lebewesen auf der Erde; die Entstehung
der Eukaryoten (rechts eine Pflanzenzelle) schuf die Basis für die Entstehung höheren Lebens. Die Abbildung ist nicht maßstäblich, Eukaryotenzellen sind etwa 10.000 Mal so groß wie Prokaryotenzellen. Abbildungen aus wikipedia, siehe >> hier und >> hier.

Die Welt der Bakterien

Heute gliedert sich das Leben auf der Erde in drei große Bereiche: Die Bakterien, die Archaeen und die Eukaryoten, zu denen Pflanzen, Pilze und Tiere gehören. Die Archaeen wurden erst im Jahr 1977 von dem amerikanischen Mikrobiologen Carl Woese entdeckt, der damals erkannte, dass die Organismen, die man bis dahin alle für Bakterien gehalten hatte, aus zwei grundverschiedenen Abstammungslinien bestehen, den „echten Bakterien“ und den Archaeen (das Wort stammt vor griechischen archaĩos, uralt, ursprünglich). Gemeinsam ist beiden, dass sie aus einer einzigen Zelle bestehen und ihre DNS nicht in einem Zellkern eingeschlossen ist; die Unterschiede zwischen Bakterien und Archaeen liegen vor allem in der Zellmembran, den Ribosomen und im Stoffwechsel, sind also selbst im Mikroskop äußerlich nicht zu erkennen, was ihre späte Entdeckung erklärt. Diese Unterschiede können aber wichtige Hinweise auf die Entstehung des Lebens geben. Beispielsweise unterscheiden sich die Membranen, die die Zellen umgeben, deutlich. Bill Martin, den wir bereits in der >> vorigen Seite kennengelernt haben, und der amerikanische Biochemiker Eugene Koonin etwa sehen darin einen Beleg, dass eine erste Lebensstufe, der gemeinsame Vorfahre dieser beiden Gruppen, noch gar keine Membran gehabt hat, wohl aber den beiden Gruppen gemeinsamen DNS-Protein-Apparat. Wie könnten aber diese komplexen Reaktionen ohne Membran, die die Chemikalien heute im Zellinneren beisammen hält, funktioniert haben? Martin und Koonin glauben, dass die Eisen-Sulfid-Bläschen der Hydrothermalquellen der Erdfrühzeit als „anorganische Zellwände“ gewirkt hätten. Der gemeinsame Vorfahre hätte also seinen DNS-Protein-Apparat in diesen Bläschen entwickelt, und erst im Anschluss daran ist es zweimal unabhängig voneinander zur Entstehung der Membran gekommen – und damit wären die grundlegenden Unterschiede zwischen Bakterien und Archaeen erklärt.

Die Archaeen rufen heute großes Interesse hervor, denn sie besiedeln – neben Meeren, Süßwasserseen und Böden – auch zahlreiche extreme Lebensräume, etwa heiße Quellen oder konzentrierte Säuren und Salzlösungen. Dort kommen sie unter Bedingungen vor, die denen auf der Erde zu Beginn des Lebens (>> mehr) nahe kommen; und daher hoffen die Forscher, durch ihre Untersuchung Hinweise auf das frühe Leben auf der Erde zu erhalten. Heute sieht man - vor allem durch die verbesserte Kenntnis der Vorgänge auf biochemischer Ebene - die Bakterien ohnehin ganz anders als noch vor einigen Jahren: Die Archaeen werden neben den Echten Bakterien und den Eukaryoten (siehe >> unten) als eine der drei fundamentalen “Domänen” des Lebens eingestuft (>> mehr); den drei großen Reichen der Vielzeller (Pflanzen, Tieren und Pilzen) stehen mehrere Dutzend Reiche der Bakterien gegenüber, die sich untereinander und von Pflanzen, Tieren und Pilzen ebenso stark voneinander unterscheiden wie Pflanzen, Tiere und Pilze.

Bakterienzelle. Das Erbmaterial DNS ist nicht in einem Zellkern
eingeschlossen. Abbildung von Mariana Ruiz Villarreal, aus wikipedia
commons, >> Abb. Prokaryot (abgerufen 23.7.2008), Public Domain

Wie aber ist aus diesen bescheidenen Ursprüngen die heutige Vielfalt des Lebens entstanden? Die Antwort lautet: Darwinsche Evolution. Charles Darwin veröffentlichte im Jahr 1859 das wohl wirkungsmächtigste Buch in der Geschichte der Biologie: „Die Entstehung der Arten“ (>> mehr). Dieses Buch ist noch heute die Grundlage für alle Erklärungen der Veränderung von Lebewesen und der Entstehung neuer Arten. Was Darwin damals nicht kennen konnte, waren die genetischen Grundlagen für diese Vorgänge; diese wurden ab den 1930er und 40er Jahren durch Theodosius Dobzhansky, Ernst Mayr und andere in Darwins Theorie eingearbeitet, wodurch die moderne „synthetische Evolutionstheorie“ entstand (>> mehr). Darwin wusste, dass alle Individuen einer Art sich voneinander unterscheiden und dass diese Unterschiede erblich sind (was die Grundlage der Tier- und Pflanzenzucht ist; Darwin war Taubenzüchter); und dass in der Natur ein Überschuss an Nachwuchs produziert wird. Die Zahl der Individuen nimmt aber nicht im gleichen Maß zu, nur ein Teil des Nachwuchses überlebt also. Wer überlebt, war nach Darwin nicht rein zufällig: vielmehr übernahmen selektive Kräfte der Natur wie Nahrungsangebot oder Raubtiere die Rolle des Züchters in der Tier- und Pflanzenzucht – die Auswahl der „besten“ Exemplare. Daher sprach Darwin von natürlicher Auslese. Die Ursache der anfänglichen Veränderungen wurde später von den Genetikern entdeckt: Es sind kleine Veränderungen („Mutationen“) an der DNS, die durch Kopierfehler oder Umwelteinflüsse entstehen. Entscheidung für unsere Überlegungen: Sobald in den ersten Vorstufen des Lebens RNS und Proteine so zusammenwirkten, dass Reaktionen hiervon gesteuert wurden und die Steuerung auch in Tochterzellen überging (also „erblich“ wurde), begann diese natürliche Selektion. Neue Arten können dann entstehen, wenn eine „Reproduktionsgemeinschaft“ (gemeint sind alle Organismen, die Erbmaterial untereinander austauschen) getrennt wird: dann kann die natürliche Auslese in unterschiedliche Richtungen führen. Meist geschieht dies durch räumliche Trennung der Organismen (die Biologen nennen dies „geographische Artbildung“), die Trennung kann aber auch durch eine Spezialisierung an bestimmte Umweltfaktoren erfolgen („sympatrische Artbildung“). Aus den Schloten der Hydrothermalquellen dürften beispielsweise immer wieder Lebensformen ins Meer gespült worden sein. Wahrscheinlich hatten sie hier keine Überlebenschance, da es ihnen im Meer an Energiequellen mangelte. Anders könnte die Lage am Meeresboden gewesen sein: Hier gab es Wasserstoff und Kohlendioxid, wenn auch weniger als an den Schloten. So könnte sich die Biosphäre in der Erdkruste unter dem Ozean entwickelt haben (ein Lebensraum, der erst vor wenigen Jahren erforscht und entdeckt wurde: Selbst im Tiefengestein der Erde bis in eine Tiefe von über 3.000 Metern leben Bakterien und Pilze, >> mehr).

Archaeen sind beide sehr klein und nur in Ausnahmefällen mit dem bloßen Auge zu erkennen; aber sie kommen in riesigen Zahlen vor können sich sehr schnell vermehren. In dem riesigen Zeitraum, in dem sie das Leben auf der Erde alleine bestimmten, konnten Bakterien und Archaeen ungezählte Möglichkeiten biochemischer Reaktionen „ausprobieren“ - aus den Lösungen, die die natürliche Selektion überstanden, und die vor allem auf 20 Aminosäuren und aus diesen gebildeten ein- bis zweihundert Eiweißstrukturen beruhen, die die anderen Reaktionen katalysieren, besteht das Leben im wesentlichen noch heute. Spätere Lebensformen sollten die biochemischen Lösungen, die die Bakterien erfunden hatten, kombinieren; aber kaum noch Neues hinzufügen (>> mehr). Dabei entstand die oben beschriebene Vielfalt der Bakterien. Bakterien sind sicherlich ein “Erfolgsmodell” der Evolution: Bakterien, auch solche aus der sauerstofffreien Frühzeit der Erde, machen auch heute schätzungsweise mehr als die Hälfte aller Biomasse auf der Erde aus; sie spielen eine zentrale Rolle in vielen Lebensvorgängen: Unter anderem leben sie im Pansen von Rindern und Kühen, wo sie Zellulose aus Gras abbauen und die damit die Nährstoffe den Tieren erst zugänglich machen; sie reinigen unser Wasser; besorgen die Verrottung organischer (und vieler anderer) Abfälle; erzeugen Vitamine in unserem Darm und holen den Stickstoff aus der Luft, den die Pflanzen sonst nicht verwerten könnten. Ihre große Stärke scheint die schnelle Fortpflanzung zu sein: Wenn genug Nahrung vorhanden ist, können sich manche Arten alle 20 Minuten verdoppeln. Ein winziges Bakterium könnte theoretisch in zwei Tagen mehr Biomasse erzeugen, als die ganze Welt wiegt... (praktisch kann dies natürlich nie passieren, da es dafür nicht genug Nahrung gibt).

Leben oder nicht Leben? - Viren

Vermutlich bereits mit den ersten Bakterien und Archaeen entwickelten sich die Viren, die noch hundertfach kleiner sind als Bakterien: Viren bestehen eigentlich nur aus Erbmaterial und einer Proteinhülle, verfügen aber nicht über einen eigenen Stoffwechsel (weshalb sie je nach Definition nicht immer als Lebewesen gelten, >> hier). Sie können sich aber an Zellen “andocken” und ihr Erbmaterial in diese injizieren, worauf es dann sozusagen das Kommando in der Zelle übernimmt und neue Viren produziert. Über die Entstehung der Viren gibt es verschiedene Hypothesen: So könnten sie Reste der ersten selbstreplizierenden Moleküle sein, die nach der Entstehung der ersten Zellen zu “Parasiten” wurden; sie könnten eine Schwundstufe ehemaliger Lebewesen sein (z.B. von Parasiten, die alle überflüssigen Elemente verloren haben”) oder aber sie könnten “selbstständig” gewordene RNS-Moleküle der Wirtszelle sein. Einige Viren sind Krankheitserreger (Grippe, Pocken, AIDS, ...), viele Viren schaden jedoch nicht. Im menschlichen Erbgut findet sich ein erheblicher Anteil von Erbsubstanz, die offenbar von Viren abstammt, die die Keimzellen infiziert hatten. Manche dieser Gene haben inzwischen sogar Funktionen im menschlichen Körper übernommen, so ist ein Virengen an der Herstellung des menschlichen Blutfarbstoffs Hämoglobin beteiligt. Auch können Viren gelegentlich genetisches Material von einer Art auf eine andere übertragen; mit ihrer Hilfe können Gene also Artgrenzen überwinden.

Eine der wichtigsten Erfindungen der Bakterien, und die erste Erfindung des Lebens, die die ganze Welt verändern sollte, war die Fotosynthese. Sie sollte dafür sorgen, dass aus dem rötlichen Planeten vor 4 Milliarden Jahren der blau-grüne Planet wurde, den wir heute alle von Satellitenfotos kennen.

Die Erfindung der wichtigsten chemischen Reaktion der Welt:
Die Fotosynthese

Die ersten Bakterien gewannen Energie aus organischen Stoffen oder aus einfachen chemischen Verbindungen. Heute steckt hinter dem Leben auf der Erde vor allem die Energie des Sonnenlichts. Die Umwandlung des Sonnenlichts in nutzbare chemische Energie (>> mehr) und gleichzeitig die Umwandlung anorganischen Kohlendioxids in die organischen Kohlenstoffverbindungen des Lebens erfolgt durch die Fotosynthese. Aus Wasser und dem Gas Kohlendioxid entstehen bei diesem Vorgang Energie und Zucker, die die Ausgangsstoffe für alle weiteren Reaktionen des Lebens sind: die Fotosynthese ist fraglos die wichtigste chemische Reaktion der Welt. Um zu verstehen, wie die Erfindung der Fotosynthese gelingen konnte, müssen wir uns zunächst einmal ansehen, was das genau ist und wie sie funktioniert. Wir hatten >> hier gesehen, dass die Energiegewinnung in Lebewesen auf der Reaktion von Wasserstoff mit Kohlendioxid beruht. Die Fotosynthese ist die Reaktion, die mit Hilfe von Sonnenstrahlung Wasserstoff aus Wasser freisetzt. Das ist eine großartige Leistung, die uns technisch noch nicht gelungen ist: Alle technischen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser kosten mehr Energie, als sie ergeben; wenn wir dereinst lernen, was die Natur sein Milliarden Jahren kann – Wasserstoff mit Sonnenenergie aus Wasser zu gewinnen – wäre die Lösung unserer Energieprobleme absehbar… (>> mehr). Die Natur hat hierzu einen Katalysator erfunden, der mit minimalem Energieeinsatz Wasser, eine sehr stabile Verbindung, in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen kann, den “sauerstoffproduzierenden Komplex”. Bei der Fotosynthese werden bei einer Reihe von Redoxreaktionen (was eine Redoxreaktion ist? >> hier) in zwei Photosystemen Elektronen transportiert und mit Hilfe der dabei entstehenden Energie Protonen (positiv geladene Wasserstoffatome) auf eine Seite einer Membran gepumpt, zum anderen das Reduktionsmittel NADPH erzeugt, das Kohlendioxid zu organischen Kohlehydraten reduziert (detaillierte Darstellung >> Die Fotosynthese). Entscheidend sind dabei die Photosysteme, denn diese können ihr Redoxpotenzial unter Lichteinwirkung ändern. Photosystem II wirkt also als Oxydationsmittel (Elektronen werden freigesetzt), Photosystem I als Reduktionsmittel. Damit wird verständlich, warum es zwei Photosysteme geben muss: Ein System kann nicht gleichzeitig ein starkes Oxydations- und Reduktionsmittel sein. Wie konnte aber so ein komplexes System durch die Evolution entstehen?

Die Erfinder der Fotosynthese sind die Cyanobakterien (früher blaugrüne Algen genannt). Photosysteme kommen aber auch in anderen Bakterien vor, nie Photosystem I und II zusammen. Photosystem I dient dort ebenfalls als Reduktionsmittel und erzeugt NADPH, wobei die Elektronen von Molekülen stammen, die sie leichter abgeben als Wasser, z.B. aus Schwefelwasserstoff. Photosystem II dient dazu, mit Hilfe der elektrischen Energie der Elektronen ATP zu erzeugen. Beide Photosysteme nutzen Lichtenergie: Das ist chemisch kein großes Kunststück – die Färbung aller Pigmente beruht darauf, dass Elektronen durch Lichtstrahlung angeregt werden, und die Pigmentgruppe, zu der Chlorophyll gehört, wurde sowohl im Weltall gefunden als auch im Labor unter den Bedingungen der Erdfrühzeit hergestellt. Die Strukturen von Photosystem I und II ähneln sich derart, dass es als gesichert gilt, dass beide aus einem gemeinsamen Vorläufer entstanden sind. Die spannendste Frage an dieser Stelle ist: Wie kamen die Lebewesen, die wir ja bisher nur an Tiefseequellen und am Meeresboden finden konnten, an Licht? Eine mögliche Antwort sind die geologischen Vorgänge der >> Plattentektonik: Die Bewegung der ozeanischen Krustenplatten bewegte den Meeresboden in Richtung der Kontinente; bei der Subduktion wurden Teile abgehobelt und an die Kontinente angelagert. Dabei gelangten sie in küstennahe Flachwasserbereiche, in denen es Sonnenlicht gab.

Damit die Fotosynthese entstehen konnte, mussten aber Photosystem I und II noch zusammenkommen, und wie dies geschehen ist, wissen die Forscher noch nicht. Ein viel diskutierte Hypothese ist die des britischen Biochemikers John Allen: Er vermutet, dass es einst Bakterien gegeben habe, die in instabilen Umwelten zeitweise sowohl Photosystem I - zur Verarbeitung von Schwefelwasserstoff und den Aufbau von organischer Substanz – als auch Photosystem II – in schlechten Zeiten, um mit Hilfe von Elektronen ATP zur Erhaltung des Organismus zu erzeugen. Damals, als noch keine Ozonschicht in der Atmosphäre die energiereiche UV-Strahlung abschirmte, war die energiereiche Strahlung aber auch zerstörend. Glücklicherweise gab es im Wasser der Urozeane aber auch viel Mangan, und Mangan absorbiert UV-Strahlung, wobei ein Elektron freigesetzt wird. Lebewesen, die Mangan aufnahmen, waren vor UV-Strahlung besser geschützt; die Elektronen würden aber das Photosystem II mit den freigesetzten Elektronen „verstopfen“. Die Lösung: Wenn es eine Struktur gegeben hätte, die Photosystem II und I über einen Elektronentransport verbinden könnte, wären fast bei der Fotosynthese … Fast, dann Mangan muss ja noch als Elektronenlieferant durch Wasser ersetzt werden. Ein möglicher Weg wurde 2006 durch die Aufklärung der Struktur des „sauerstoffproduzierenden Komplexes“ aufgezeigt: in seinem Herzen erhält er ein Mangancluster mit vier Manganatomen. Möglicherweise wurden also einst die manganhaltigen Mineralien in das Photosystem II eingelagert; und diese konnten – wie heute der Komplex – wenn sie ihre Elektronen unter Lichteinwirkung abgegeben hatten, Wasser zerlegen und sich so ihre Elektronen „zurückholen“. Fest in einen Enzymkomplex eingebunden, wurde dieser Mechanismus erblich; und damit hätten wir, einen plausiblen Weg zur Fotosynthese. Bisher ist all dies nur eine Hypothese, aber eine, die zeigt, dass komplexe Reaktionen wie die Fotosynthese durch einfache Schritte entstehen können, also durchaus mit der Evolution erklärbar sind.

Die Fotosynthese ist die wohl wichtigste chemische Reaktion in der Natur. Sonnenlicht ist auf der Erde reichlich vorhanden, und so wurde die Fotosynthese bald zum vorherrschenden Weg, wie in der Natur organische Substanz aufgebaut wird (>> mehr). Zur Fotosynthese fähige Organismen, einige Bakterien und die meisten Pflanzen, werden photoautotroph genannt. Gemeinsam mit den chemoautotrophen Bakterien (>> hier) bilden die photoautotrophen Organismen die Primärproduzenten, die Basis aller anderen Lebensprozesse (mehr >> hier). Noch heute wird etwa die Hälfte des Luftsauerstoffs von Bakterien erzeugt (und beruht die Erzeugung der anderen Hälfte im Grunde auf “eingewanderten Bakterien, siehe >> hier); und auch die fossilen Brennstoffe (>> mehr), die die Industrielle Revolution ausgelöst haben und bis heute unsere Gesellschaft maßgeblich versorgen, sind durch die Fotosynthese gespeicherte Sonnenenergie.

Cyanobakterien (21), und damals begann die Freisetzung von Sauerstoff ins Meerwasser (>> hier). Sauerstoff war der “Abfall”, der bei der Fotosynthese entstand, und er sollte die Welt verändern (>> hier). Vorher enthielt die Erdatmosphäre und das Wasser nur Spuren von freiem Sauerstoff (der beispielsweise aus Wasser stammt, das durch die starke UV-Strahlung der Sonne in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wurde), und es gibt biochemische Hinweise, dass das Leben bereits sehr früh lernte, diesen Sauerstoff mittels Zellatmung zur Energiegewinnung zu nutzen. Ohne Sauerstoff waren die Organismen zur Energiegewinnung auf die Gärung angewiesen, z.B. nach der folgenden Formel:

• Gärung: Glucose (C₆H₁₂O₆) -> Ethanol (2 C₂H₅OH) + Kohlendioxid (2 CO₂) + Energie (2 ATP)

Steht Sauerstoff zur Verfügung, kann die Zellatmung stattfinden, die eine Art “chemische Verbrennung” der Nahrungsmittel ist (was nebenbei auch erklärt, warum der Energieinhalt von Nahrungsmitteln in der alten Wärmeeinheit “Kalorie” (>> mehr) angegeben wird):

• Zellatmung: Glucose (C₆H₁₂O₆) + Sauerstoff (6 O₂) -> Kohlendioxid (6 CO₂) + Wasser (6 H₂O) + Energie (38 ATP)

Diese Zellatmung ist chemisch gesehen die Umkehrung der Fotosynthese; letztlich wird Sonnenenergie also durch die Fotosynthese (bei der ebenfalls ATP entsteht) und die Zellatmung in den chemischen Energieträger ATP umgewandelt. Mit der Zellatmung stand den Organismen fast zwanzigmal so viel Energie zur Verfügung wie bei der Gärung: 38 ATP statt 2 ATP, also 19 Mal so viel Energie alleine aus der Verbrennung der Nahrungsmittel. (Mehr zur Fotosynthese >> hier). Damit das Leben die Zellatmung in großem Umfang nutzen konnte, musste sich freilich erst genug Sauerstoff in Meerwasser und Atmosphäre ansammeln, was vor 2,7 Milliarden Jahren geschah (>> Die Geschichte des Lebens auf der Erde). Dann hatte dieser Energiegewinn aber Folgen für das Leben auf der Erde: Es stand genug Energie zur Verfügung, komplexere Lebensformen auszubilden - Eukaryoten und später innerhalb dieser Gruppe vielzellige Organismen, deren Entwicklung ohne die Energie aus dem Sauerstoff nicht möglich gewesen wäre.

Weiter mit:
>> Teil 2: Die Eukaryoten entstehen

© Jürgen Paeger 2006 - 2011

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