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10.2 – Herkunft und Entwicklung des Lebens

Eine der zentralen Fragen in der Geschichte des Ökosystems Erde ist die nach der Herkunft des Lebens. Wie, wann und wo hat sich das Leben auf der Erde entwickelt? Zu diesem Thema existieren zahlreiche, zum Teil widersprüchliche Theorien.

Unsere heutige Lebenswelt kann nur bedingt dabei helfen, diese Frage zu klären, denn mögliche Vorformen sind nicht bekannt. Die Bausteine des Lebens können auf der Erde zwar auch ohne Zutun von Lebewesen gebildet werden, aber nur unter Ausschluss von Sauerstoff. Daher wird angenommen, dass das Leben in einer präbiotischen Phase entstand, während der die Erde noch sauerstofffrei war.

Frühe Entwicklungsgeschichte

Wie das erste Leben auf der Erde entstanden ist und wie die ersten Organismen aussahen, ist noch immer unklar. Es gibt jedoch eine Reihe interessanter Hypothesen, die unterschiedliche Reaktionen zwischen Mineralien und den Bausteinen des Lebens in Betracht ziehen. Schon bevor sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, entwickelte sich eine Vielfalt anaerober Bakterien und Archaeen und erster Eukaryoten. In den ersten mikrobiellen Gemeinschaften gab es vermutlich Einzeller, die die Sonnen­energie nutzten, ohne dabei Sauerstoff herzustellen. Es waren Fermentierer vorhanden, die organisches Material zersetzten, und chemolithotrophe Mikroben, die die chemische Energie reaktionsfreudiger Verbindungen nutzten. Diese Mikroben begründeten die biogenen Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und anderen Elementen. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren entwickelten Cyanobakterien die aerobe Photosynthese. Dadurch reicherte sich erstmals Sauerstoff auf der Erde an – ein Vorgang, der das Gesicht des Planeten veränderte. Fossilfunde belegen, dass frühe Algen vor ungefähr 1,4 Milliarden Jahren verbreitet waren. Von diesem Zeitpunkt bis zur so genannten kambrischen „Explosion” brachte die Evolution zahlreiche Innovationen hervor. Sie entwickelte zum Beispiel größere Vielzeller und diverse Körperbaupläne. Diese Innovationen waren die Grundlage der biologischen Vielfalt im Phanerozoikum, das vor 542 Millionen Jahren mit der Verbreitung höherer Tiere begann.

Erste Organismen

Wie das Leben entstanden ist und wie sich sein Ursprung auf das System Erde ausgewirkt hat, lässt sich durch Experimente und Feldarbeiten erforschen. So können frühe Formen des Lebens, Stoffkreisläufe und Umweltbedingungen rekonstruiert werden. Ein Ansatz besteht darin, lebende Vertreter ursprünglicher Mikroorganismen und ihre Lebensräume zu untersuchen, um Rückschlüsse auf das frühe Leben zu ziehen. Bei solchen Experimenten ergeben sich zahlreiche Schnittpunkte mit den Biowissenschaften. Die Suche nach dem Ursprung des Lebens ist Gegenstand einer stetig an Bedeutung gewinnenden Forschungsrichtung, der Astrobiologie.

Von filamentösen Mikroorganismen besiedelter extremer Lebensraum in Blasenhohlräumen von Pillow-Basalten. Links: Mineralisierte Mikroorganismen auf im Blasenhohlraum gebildeten Kalzit aufwachsend; Devon, Rheinisches Schiefergebirge. Rechts: Mineralisierte Mikroorganismen in rezentem Basalt des Kolbeinsey Rückens; nördlich Island, 1110 m Wassertiefe (Quelle: Jörn Peckmann, MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

Wissenschaftliche Herausforderungen

In seinem bahnbrechenden Ursuppen-Experiment gelang es Stanley Miller 1953 erstmals, aus anorganischen Verbindungen Aminosäuren, die Grundbausteine des Lebens, herzustellen. Heute weiß man, dass die frühe Erde eine reduzierende, CO2- und CH4-reiche Atmosphäre hatte. In Experimenten lassen sich die Wege ein­fachster Bausteine hin zu höheren molekularen Gruppen nachvollziehen – sowohl unter kalten wie auch unter heißen Bedingungen. Manche Theorien gehen davon aus, dass Moleküle auf Pyrit­kristallen oder Tonmineralien hafteten und dort eine Art Schablone bildeten. Durch wiederholte Keimbildung konnte die Information gespeichert und wiedergegeben werden. Solche selbstorganisierten Prozesse auf der Oberfläche von Kristallen lassen sich mit den modernen Methoden der Rastertunnelmikroskopie untersuchen. In Experimenten haben sich auf der Oberfläche von Kristallen des Tonminerals Montmorillonit einzelne Bausteine der Nukleinsäuren RNA und DNA gebildet, so genannte Nukleotide. Anschließend schlossen sich diese Bausteine zu Ribozymen zusammen. Das sind RNA-Fragmente, die ähnlich wie Enzyme katalytisch aktiv sind. Diese Versuche belegen, dass eine RNA-Welt als Vorstufe der DNA-Welt existiert haben könnte. Das RNA-Welt-Konzept wurde Mitte der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts vorgestellt. Es legt nahe, dass RNA-Moleküle gleichzeitig als Genom, also als Speicher der Erbinformation dienten und als Enzyme ihre eigene Synthese steuerten. Die Nukleinsäure RNA weist also selbstreplizierende Eigenschaften auf. Neue Theorien auf dem Gebiet der Molekulargenetik liefern interessante Ansätze, um die Vervielfältigung vererbter Information in einer präbiotischen Welt zu verstehen. Wie Membranlipide entstanden und vererbt wurden, bleiben ebenfalls spannende Themen in der Erforschung der Evolution des Lebens.

RNA und DNA

Bevor sich das Leben auf der Erde in die drei Domänen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten aufspaltete, gab es einen letzten gemeinsamen Vorfahr, „LUCA“ genannt, den „Last Universal Common Ancestor“. Um Informationen über dieses Wesen zu erhalten, vergleichen Molekularbiologen die DNA heutiger Lebewesen. Neue molekulare Methoden erlauben es, einen verbesserten Stammbaum der Mikroorganismen herzustellen und ihre funktionellen Gene, Proteine und Membranlipide zu entschlüsseln. Eine neue Herausforderung besteht darin, extreme Lebensräume und die Grenzen des Lebens zu erforschen. Die Geowissenschaften haben eine Reihe weiterer Methoden entwickelt, um zu erfahren, wie das frühe Leben entstanden ist und sich verbreitet hat. So kann die chemische, isotopische und mineralische Zusammensetzung winziger organischer Einlagerungen in altem Gestein untersucht werden, um Hinweise auf biotische oder abiotische Prozesse zu erlangen. Neue analytische Methoden erlauben es, die Verteilung von Isotopen, Elementen und Molekülen in modernen und fossilen Proben auf einer Skala von wenigen Nanometern zu untersuchen. Diese Methoden lassen in Zukunft erhebliche Fortschritte erwarten. Dabei ist es entscheidend, dass die Geschichte des Gesteins bekannt ist, eine genaue Datierung möglich ist und mögliche Verunreinigungen abgeschätzt werden können.

Abiotische und Biotische Prozesse

Allerdings ist weiterhin unklar, welche Spuren überhaupt eindeutig dem Leben zuzuordnen sind und welche Spuren Leben im Gestein, im Sediment oder in der Atmosphäre hinterlässt. Ähnliche Spuren könnten auch Hinweise auf frühere oder derzeitige Lebensformen auf anderen Körpern des Sonnensystems liefern. Nach solchen Spuren könnte zum Beispiel auf Meteoriten oder auf jenen Monden gefahndet werden, deren Umweltbedingungen denen der frühen Erde ähneln. Aus der Suche nach Spuren des Lebens ist ein weiteres Forschungsfeld der Geo- und Biowissenschaften entstanden: die Erforschung extremer und unbekannter Habitate auf der Erde. Lebensräume wie die tiefe Biosphäre, das antarktische Eis, heiße Quellen und Gashydrate können als Modell für die Erdfrühzeit, aber auch für Leben auf anderen Planeten dienen. Die Frage nach den Grenzen des Lebens auf der Erde ist aber auch ein interessantes Thema der Ökosystemforschung.

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:06 durch Jana Stone | Impressum