Das Leben

Die Geschichte des Lebens auf der Erde

Dickinsonia cristata lebte vor 560 bis 540 Millionen Jahren und ist damit einer der
ältesten fossil erhaltenen Vielzeller. Er gehört zu den >> Ediacara-Organismen.
Abbildung: Smith609 in >> wikipedia (abgerufen 19.7.2008), Lizenz cc-by-2.5

In der ersten Phase der Erdentwicklung (>> Die Entstehung von Sonne und Erde) wurde die Erde intensiv von Himmelskörpern bombardiert. Die damit einhergehende Hitzeentwicklung dürfte die Erde regelrecht sterilisiert haben – in der >> geologischen Zeitskala hatte dieses Zeitalter früher den schönen Namen Hadaikum; das Wort stammt vom Hades, der griechischen Unterwelt. Der größte Teil des Festlands bestand aus nacktem Gestein und war mit Vulkanen überseht; nach Regenfällen bremste kein Boden, keine Pflanzendecke plötzliche Fluten, die sich über das Gestein ausbreiteten. Über das Klima in dieser Zeit wird noch gerätselt: Die Sonne war nämlich in der ersten Phase ihres Leben deutlich schwächer als heute (>> mehr), und nach dem Ende der Aufheizung der Erde durch die Einschläge von Himmelskörpern hat möglicherweise der hohe Anteil des Treibhausgases Kohlendioxid in der frühen Atmosphäre ein Auskühlen verhindert.

Das folgende Zeitalter der Erdgeschichte ist das Archaikum, die „Erd-Antike“, die mit dem Ende der intensiven Meteoriten-Einschläge beginnt. In dieser Zeit entstanden die alten Kontinentalschilde; und wenn das Leben nicht bereits im Hadaikum entstanden ist, ging es jetzt offenbar recht schnell. Organismen, die heute an den Schlammlöchern des Yellowstone Nationalparks, nahe den Kaminen des Ätna oder an kochenden Tiefseeschloten von Schwefel leben, stehen dem Ursprung des Lebens vermutlich sehr nahe; sie zeigen, dass das Leben bereits in einer beinahe kochenden Umwelt entstanden sein könnte. Leben gab es möglicherweise schon vor 3,8 Milliarden Jahren, fast sicher aber seit 3,5 Milliarden Jahren (>> Die Entstehung des Lebens). Die ersten drei Milliarden Jahre blieb es auf den Ozean (einschließlich der Gesteine unter dem Ozean) beschränkt.

Bakterien veränderten die Welt

Als (vermutlich) die Cyanobakterien die Fotosynthese erfanden (>> mehr), begann eine Entwicklung, die die Erde tief greifend verändern sollte: Aus einem unwirtlichen, nur für einfache Lebensformen geeigneten Planeten wurde mit der Zeit der Planet, den wir heute kennen. Auslöser war der Sauerstoff, ein „Abfall“ der Fotosynthese. Die Cyanobakterien dürften in flachen Stellen der Urozeane schleimige Matten gebildet haben, wie man sie heute noch in salzigen Tropenlagunen finden kann. Solche Matten wachsen, in der schleimigen Hülle werden Staub- und Tonpartikel eingefangen, und im Laufe der Zeit entstanden unter ihnen knollenförmige steinerne Blöcke – die Stromatolithen. Stromatolithen, die frühesten allgemein anerkannten Fossilien, wurden über die ganze Erde verteilt gefunden. Seit in Westaustralien in der Shark Bay lebende Stromatolithen gefunden wurden, weiß man, dass diese das wohl erste Ökosystem der Erde waren: Unter den Cyanobakterien der Außenseite leben Bakterien, die die Abfallprodukte der oberen Schicht durch Gärung zur Energiegewinnung nutzen, und die Staub- und Tonpartikel liefern notwendige Mineralstoffe. Kooperation und Koexistenz prägten das Leben in seiner frühen Phase. Heute sind Stromatolithen sehr selten, neben den australischen Vorkommen wurden sie auch in der Baja California (Mexiko) und um die Bahamas entdeckt. Sie sollten zum Opfer ihres eigenen Erfolges werden: Durch den von ihnen erzeugten Sauerstoff konnten Tiere entstehen (>> mehr), die sie heute meistens abfressen. Nur in wenigen heißen, salzreichen Lebensräumen, die diese Tiere fernhalten, konnten sie überleben.

Seit dem ersten Auftreten dominierten die Stromatolithen aber das Leben auf der Erde. Aus dem Archaikum sind bisher 21 Fundorte bekannt; vor 2,6 Milliarden Jahren nahm ihre Häufigkeit zu, und vor 2 Milliarden Jahren bildeten Stromatolithen ganze Wälder oder Riffe, die sich über viele hundert Kilometer erstreckten und bis zu hundert Meter hoch waren. Sie lebten im flachen Wasser, nie in der Tiefsee: ein Hinweis darauf, dass sie bereits Fotosynthese betrieben. Das Wasser schützte sie vor der ultravioletten Sonnenstrahlung, aber wo es zu tief wurde, reichte das Licht nicht mehr zur Fotosynthese. Wir wissen aber, dass die Atmosphäre und die Ozeane während der Erdfrühzeit und im frühen Proterozoikum kein Sauerstoff enthielten – das Proterozoikum ist das vor 2,5 Milliarden Jahren beginnende nächste Erdzeitalter, das „Zeitalter der Einzeller“. Mit der Zunahme der Stromatolithen muss die Anzahl der sauerstoffproduzierenden Cyanobakterien riesig gewesen sein – wo ist der Sauerstoff geblieben? Einen Hinweis gibt die Tatsache, dass die Erde vor 3,5 Milliarden Jahren zu “rosten” begann: In Sedimenten aus dem älteren Archaikum findet sich mitunter Pyrit (“Katzengold”, Eisensulfid), in jüngeren Gesteinen nicht mehr. Pyrit zerfällt bei Kontakt mit Sauerstoff. Dafür finden sich zunehmend Bändereisenerze, die typisch für Gesteine mit einem Alter von 2,6 – 1,8 Milliarden Jahren sind und in nahezu jedem alten Kontinentalschild vorkommen: sie enthalten Eisenoxid; und dies deutet auf die Anwesenheit von Sauerstoff bei ihrer Entstehung hin. (Bändereisenerze sind heute eine überaus wichtige Rohstoffquelle: Sie machen über 90 Prozent des wirtschaftlich genutzten Eisenerzes aus.) Die wahrscheinliche Antwort auf die Frage nach dem Verbleib des Sauerstoffs wäre also: Es oxidierte im Wasser gelöstes Eisen; Eisenoxid ist aber schlecht löslich und fällt daher aus – der Ursprung der Bändereisenerze. Neben Eisen oxidierte der Sauerstoff auch andere in den Urozeanen gelöste Substanzen wie Schwefelverbindungen.

Im Laufe der Jahrmillionen nahmen die Cyanobakterien aber so zu, dass nicht mehr aller Sauerstoff in den Ozeanen gebunden werden konnte: Er gelangte nun als freier Sauerstoff ins Wasser und in die Atmosphäre. Auch dies kann man an Gesteinen nachvollziehen: Die Eisenmineralien auf den Kontinenten oxidierten zu dem roten Eisenerz Hämatit (Fe₂O₃), der die „Rotschichten“ in Sedimenten färbt. Diese Freisetzung in die Atmosphäre begann vor etwa 2,4 Milliarden Jahren; der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre erreichte offenbar nach 300 Millionen Jahren bereits mindestens 15 Prozent des heutigen Gehalts, also etwa drei Volumenprozent der Erdatmosphäre.

Die Bedeutung dieser Anreicherung für das heutige Leben kann gar nicht überschätzt werden. Mit ihr entstand aus der sekundären Uratmosphäre (siehe >> hier) eine Stickstoff-Sauerstoff-Atmosphäre, die bis heute die Lebensbedingungen auf der Erde bestimmt. Mit dem Sauerstoffgehalt von drei Prozent war eine Schwelle erreicht, die zur Ausbildung einer Ozonschicht in der Stratosphäre (>> mehr) führte: diese Ozonschicht schirmte kurzwellige, lebensfeindliche UV-Strahlung der Sonne ab und ermöglichte damit später die Entwicklung des Lebens an Land. Vor einer Milliarde Jahre begann der Sauerstoffgehalt weiter zu steigen; das heutige Niveau war vor ca. 350 Mio. Jahren erreicht, seither beträgt der Sauerstoffgehalt relativ konstant etwa 21 Prozent der Erdatmosphäre.

(Siehe auch: >> Bohrung soll Sauerstoff-Rätsel lösen. Spiegel online 29.07.2007)

Der Himmel wird blau

Die Anreicherung mit Sauerstoff sorgte dafür, dass der Himmel blau wurde: Es ist der Sauerstoff in der Luft, der kurzwellige Strahlung stärker bricht und damit für die Farbe des Himmels verantwortlich ist. Mit dem Himmel wurden auch die Meere blau, deren Farbe ja nur eine Spiegelung des Himmels ist. Das Festland dagegen war immer noch eine Gesteinswüste. Mit der Sauerstoffanreicherung wurde aber die Grundlage für das heutige Leben gelegt. Für die damaligen Organismen war sie eine ökologische Katastrophe: Sauerstoff ist ein aggressives Gas, und seine Freisetzung hätte vermutlich das Leben beinahe ausgelöscht. Aber einige Arten schafften es, sich an dieses Gas anzupassen und es sogar positiv zu nutzen (>> mehr); aus ihnen sollten sich schließlich Pflanzen, Pilze und Tiere entwickeln, die heute das Bild der Erde bestimmen.

Das Proterozoikum – das „Zeitalter der Einzeller“

Die Stromatolithen veränderten nicht nur die Welt, auch ihre Welt wurde verändert. Das Proterozoikum dauerte von 2.500 Millionen Jahre bis 543 Millionen Jahre vor unserer Zeit; also fast 2 Milliarden Jahre, oder fast die Hälfte der Erdgeschichte. In dieser Zeit wurden die Tage länger, denn die Drehung der Erde um ihre Achse verlangsamt sich (hierfür ist vor allem die Reibung durch die Gezeiten verantwortlich); vor 400 Millionen Jahren betrug der Tag nur etwa 22 Stunden. Die Plattentektonik war längst aktiv, und die Entzifferung der Gesteine formt langsam auch ein Bild für die frühen Zeitalter der Erde: Es scheint vor Pangäa (>> mehr) weitere Superkontinente gegeben haben; vor 2.500 Millionen Jahren, vor 1.500 Millionen Jahren, Rodinia vor 1.000 Millionen Jahren und Gondwana vor 625 Millionen Jahren. Je weiter wir in die Zeit zurückschauen, desto weniger wissen wir naturgemäß; die ersten beiden Superkontinente sind daher noch umstritten. Der Superkontinent vor 2.500 Millionen Jahren hat schon einen Namen (Kenorland), der vor 1.500 Millionen Jahren nicht; zu dieser Zeit wurde auf jeden Fall der Vorläufer des heutigen Nordamerika, der Kontinent Laurentia, zusammengefügt (hierüber gibt es einen Aufsatz des Geologen Paul Hoffmann mit dem schönen Titel „The United Plates of America“ – Die Vereinigten Platten von Amerika). Rodinia wird von den meisten Geologen anerkannt, wobei seine Position und die Lage der einzelnen Schilde umstritten sind. Bei der Kollision der Vorläuferkontinente entstand die Grenville-Gebirgskette; sie durchzieht des Osten des heutigen Nordamerikas und liegt heute im östlichen Kanada und in den Adirondacks im US-Bundesstaat New York an der Oberfläche.

Vor rund 800 Millionen Jahren zerfiel der Superkontinent Rodinia wieder; die entstehenden Platten wurden vom Südpol zum Äquator bewegt und spalteten kleine Splitter ab; warme und flache Meeresgebiete bildeten sich. Danach kamen die Platten wieder zusammen und bildeten vor etwa 600 Millionen den Superkontinent Gondwana, der die heutigen (Teil-) Kontinente Südamerika, Afrika, Antarktis, Australien, Madagaskar und Indien vereinigte.

Mindestens ebenso einschneidend wie diese geologischen Umwälzungen scheint eine Serie von Eiszeiten während des Proterozoikums gewesen zu sein (>> mehr). Eine wurde vor allem wegen ihres Namens berühmt: Die „Schneeball-Erde“ vor 590 Millionen Jahren. Nach dieser Hypothese war zu dieser Zeit fast die ganze Erde von Eis überzogen – und hätte vom Weltraum aus daher wie ein Schneeball ausgesehen. Hinweise gibt wieder das Gestein: Von Gletschern abgelagertes Gestein besteht aus Brocken und Blöcken verschiedener Art und Größe und ist daher leicht zu erkennen; und eben solches Gestein gibt es auf vielen Orten der Welt vor 590 Millionen Jahren. Einige Geologen glauben gar, dass es im Zeitraum von 900 Millionen Jahren bis 590 Millionen Jahren vier solcher extremer Eiszeiten gab; und dazu noch eine vor 2,3 Milliarden Jahren. Auch wenn noch umstritten ist, ob die Eiszeiten wirklich so umfassend waren wie der „Schneeball“-Begriff nahe legt: Das Klima der Erde kann offenbar schnell umschlagen, wie auch spätere Eiszeiten beweisen. Dabei ist die Atmosphäre eng mit den anderen Bestandteilen der Erde wie der Lithosphäre, den Ozeanen und auch den Lebewesen verknüpft; diese Komplexität erschwert es, die genauen Ursachen für diese Eiszeiten zu erkennen. Möglicherweise entstanden sie, als durch die mit der Abkühlung der Erde dünner werdenden ozeanischen Kruste die Meerestiefe zunahm, und größere Teile der kontinentalen Kruste über den Meeresspiegel herausragten, wodurch mehr Gestein der Verwitterung ausgesetzt war und über die Umwandlung in Bikarbonat der Atmosphäre Kohlendioxid entzogen wurden (>> Der Kohlenstoffkreislauf); beim Zerbrechen des Superkontinents Rodinia nahm die Verwitterung noch einmal zu - zum einen, da auf kleineren Kontinenten im Durchschnitt mehr Niederschläge fallen als auf Superkontinenten; zum anderen, da hierbei Vulkane ausbrachen, deren Staub die Sonnenstrahlung zurückhielt. Aber die Vulkane setzen auch Kohlendioxid frei, und dieses Treibhausgas könnte den Eiszeiten wieder ein Ende gemacht haben.

Die aus Stromatolithen und anderen Bakterien sowie den Archaeen gebildeten Lebensgemeinschaften dominierten die Erde über den größten Zeitraum der Erdgeschichte, etwa von 2,6 bis 1 Milliarde Jahre vor der Gegenwart. Nachdem die Eukaryoten entstanden waren, wurden diese Gemeinschaften durch Algen ergänzt, die wie die Cyanobakterien Sauerstoff erzeugten. Komplexere, vielzellige Organismen mit höherem Energiebedarf konnten sich erst durchsetzen, nachdem Cyanobakterien und Algen die Atmosphäre mit ausreichend Sauerstoff für die Oxidation der Nährstoffe angereichert hatten (>> mehr). Wann das war, ist eine der ungelösten Fragen der Biologie; fast ebenso rätselhaft ist die Frage, wie das Leben die Schneeball-Eiszeiten überstanden hat (gab es vielleicht eisfreie Refugien? Oder konnte das Leben in dünnem Eis überdauern?). Welche Auswirkungen hatte der “Schneeball” auf das Leben? Hat er vielleicht sogar die Entstehung vielzelligen Lebens gefördert? Wir wissen es nicht - die ersten vielzelligen Organismen hatten weiche Körper, und sie haben kaum fossile Spuren hinterlassen, anders als die Cyanobakterien mit ihren auffälligen Stromatolithen und anders als spätere Tiere mit Kalkgehäusen oder Skeletten.

Die Entstehung vielzelliger Organismen

Molekularbiologische Untersuchungen stützen heute die Theorie, dass die heutigen Reiche der Pflanzen, Pilze und Tiere aus jeweils eigenen einzelligen Vorläufern entstanden sind. Vielzellige Organismen sind vermutlich aus Kolonien von Einzellern hervorgegangen - eine Theorie, die auf den deutschen Zoologen Ernst Haeckel (>> mehr) zurückgeht. Als erstes der heutigen Reiche entstanden wohl die Vorfahren der Pflanzen. Die Pflanzen umfassen noch heute auch einzellige und koloniebildende Arten, zu den letzteren gehört die Kugelalge Volvox. Zu den Pflanzen gehören neben Grünalgen und den grünen Pflanzen auch die etwa 5.000 Arten umfassenden Rotalgen, nicht aber die Kieselalgen und Braunalgen. (Auch bei den Braunalgen hat sich Vielzelligkeit entwickelt, etwa beim bis zu 100 Meter lang werdenden Seetang. Systematisch gehören Kiesel- und Braunalgen zu den “Chromalveolata”, eine der drei weiteren Gruppen, die neben Pflanzen, Pilzen und Tieren die Eukaryoten ausmachen.) Die Pflanzen überziehen heute große Teile der Landoberfläche mit einem grünen Überzug und sind daher die Lebewesen, die das Angesicht der Erde am deutlichsten bestimmen. Pilze sind enger mit Tieren als mit Pflanzen verwandt; als ursprüngliche Gruppe gelten die meist einzelligen Töpfchenpilze, die sich über die Bildung begeißelter Sporen ungeschlechtlich fortpflanzen können (“Geißeln” sind fadenartige Gebilde, die bei Eukaryoten peitschenähnlich schlagen und der Fortbewegung dienen). Die Töpfchenpilze sind vermutlich aus begeißelten Einzellern hervorgegangen, ebenso wie die Tiere. Aus dieser Gruppe entstanden zahlreiche einzellige (etwa die Hefen) und vielzellige Pilzgruppen (etwa die Schimmel- und Speisepilze). Der essbaren Speise”pilz” stellt als sporenproduzierender Fruchtkörper nur einen kleinen Teil des großteils unterirdisch wachsenden Pilzes dar. Das unterirdische, fadenförmige “Mycel” ist eine Art ausgelagerter Darm des Pilzes: Es durchbohrt die Nahrung und gibt Verdauungssäfte ab, verdaut seine “Beute” also gleichsam vor Ort. In vielen Fällen lebt der Pilz auch in Symbiose mit Pflanzenwurzeln, mit denen er Nährstoffe austauscht; diese Gemeinschaft nennen die Biologen “Mykorrhiza”. Mykorrhizen (so der Plural) sind ein wichtiger Bestandteil vieler Ökosysteme. In anderen Regionen bilden Pilze Symbiosen mit Algen oder Cyanobakterien: die Flechten. Flechten können extreme Lebensräume besiedeln. Heute sind etwa 100.000 Pilzarten bekannt, ihre tatsächliche Zahl wird auf 1,5 Millionen Arten geschätzt (>> mehr). Als möglicher Kandidat für den Vorläufer der Tiere gelten die “Kragengeißeltierchen” (Choanoflagellaten), begeißelte Einzeller, die den “Kragengeißelzellen” (Choanocyten) der Schwämme ähneln - das sind die mit Geißeln versehenen Zellen, die den Wasserstrom erzeugen, aus dem die Schwämme ihre Nahrung filtern. Die Kragengeißelzellen wiederum können sich in alle anderen bei Schwämmen vorkommenden Zelltypen umwandeln. (Schwammzellen verbinden sich zudem spontan zu Zellansammlungen, wenn sie durch eine Sieb gestrichen werden; aus den Ansammlungen wachsen vollständige neue Schwämme heran.) Die Fähigkeit, dass sich die Zelltypen ineinander umwandeln können, verliert sich später bei den Tieren, dafür enstehen spezialisierte Gewebe und Organe.

Wann ging das Leben an Land?

Nach weit verbreiteter Ansicht ging das Leben vor etwa 470 Millionen Jahren, im Silur, an Land (>> mehr). Molekularbiologen vermuten aber, dass die ersten Landpflanzen schon vor 600 Millionen Jahren entstanden sein könnten. Da es dafür keine fossilen Belege gibt, bleibt diese Vermutung umstritten. Inzwischen wurden jedoch in China (Doushantuo-Lagerstätte) etwa 600 Millionen Jahre alte Flechten gefunden - Flechten sind symbiotische Lebewesen, die von einem Pilz und einer Alge oder einem Cyanobakterium gebildet werden. Auch heute bilden Cyanobakterien grüne Krusten an Land, und die Flechten von Doushantuo deuten an, dass bereits im Präkambrium zumindest die Ränder der Meere von einer grünen Kruste umgeben gewesen sind.

Die Ediacara-Organismen

Fossile Funde aus der Zeit nach der Schneeball-Eiszeit sind überhaupt erst seit 1947 bekannt; nach dem ersten Fundort, den Ediacara Hills in den südaustralischen Flinders Mountains, werden diese Organismen als Ediacara-Organismen bezeichnet. Viele Wissenschaftler glauben, dass diese Organismen das Ergebnis der Entwicklung waren, die nach dem Ende der Krisen eingesetzt hat, die der “Schneeball Erde” für das Leben bedeutet haben muss.

Es ist nicht klar, ob diese Organismen im heutigen Sinne Tiere oder Pflanzen waren; einige Funde ähneln den heutigen Quallen. Häufiger als solche schwebenden Arten waren aber auf den Meeresböden verankerte Organismen, ähnlich den heutigen Seeanemonen. Offenbar weideten diese Organismen noch nicht die Matten aus Cyanobakterien und Algen ab – sie wären vermutlich in diesen Matten als fossile Abdrücke erhalten geblieben. Die meisten der Organismen aus der Ediacara-Zeit haben das Proterozoikum nicht überlebt; aber klar ist mit diesen Funden, dass das Proterozoikum eigentlich einen falschen Namen hat: Spätestens an seinem Ende war es kein Zeitalter der Einzeller mehr. Ediacara-Organismen wurden seither in der ganzen Welt gefunden; und 1997 wurde in China ein versteinerter Embryo in 580 Millionen Jahre altem Gestein gefunden: Ein Beleg für die Existenz von Tieren in dieser Zeit. Auch molekulare Uhren deuten darauf hin, dass die heutigen Tierstämme bereits in der Zeit von 650 bis 600 Millionen Jahren vor unserer Zeit entstanden sind. (Diese Zeitangaben sind umstritten, da unklar ist, ob die Mutationsrate im Präkambrium mit der späteren Mutationsrate vergleichbar ist; wenn sie dies wäre, müssten die molekularen Uhren anders kalibriert werden und würden noch höhere Zahlen liefern - von bis zu 1.000 Millionen Jahren wäre dann zu reden.) Wenn diese Vermutung stimmt, hatten die Tierstämme bereits mindestens 60 Millionen Jahre Evolution hinter sich, bevor sie als Fossilien sichtbar wurden (>> Das Zeitalter der Fossilien); einen Zeitraum also, der mit der Zeit vom Aussterben der Dinosaurier bis heute vergleichbar ist. Die Entstehung der Tiere war mit größter Wahrscheinlichkeit keinesfalls so plötzlich, wie früher einmal gedacht.

Tiere stellten eine neue Stufe des Lebens dar: Sie sind die erste Organismengruppe, die ausschließlich davon lebte, andere Organismen zu fressen. Um diese Organismen zu finden, brauchten sie gute Sinnesorgane; um zu ihrer Beute zu gelangen, brauchten sie Muskeln. Aus ökologischer Sicht kamen zu den Produzenten nun auch bei den Vielzellern die Konsumenten hinzu (mehr dazu >> hier).

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>> Das Zeitalter der Fossilien

© Jürgen Paeger 2006 - 2009

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