Chemische Evolution

Als chemische Evolution oder Abiogenese bezeichnet man die Entstehung von Lebewesen aus anorganischen und organischen Stoffen. Unbekannte Mischungen anorganischer Substanzen, welche die Entstehung von Leben ermöglicht haben mögen, werden häufig als Ursuppe (), Urschleim oder auch Urschlamm bezeichnet. Für die Zeit, seit etwa Mitte des Paläoarchaikums hingegen (vor 3465 Millionen Jahren) gelten Prokaryoten als nachgewiesen. Seit dieser Zeit entsteht Leben aus Leben (Biogenese).

Kennzeichen chemischer Evolution ist die spontane Strukturbildung durch Autokatalyse, einschließlich der Entstehung der Homochiralität. Voraussetzung sind Fließgleichgewichte fernab des thermodynamischen Gleichgewichts. Als wahrscheinlicher Antrieb gelten thermische und chemische Gradienten heißer Quellen im Meeresboden. Die darwinschen Mechanismen der biologischen Evolutionstheorie (Variation, Selektion und Reproduktion) liegen den meisten Hypothesen hingegen nicht zugrunde.Georg Toepfer: Generelle Evolutionstheorie. In: Philipp Sarasin, Marianne Sommer (Hrsg.): Evolution: Ein interdisziplinäres Handbuch. Metzler Verlag 2010. ISBN 978-3-476-02274-5, S. 127

Zum Ablauf der chemischen Evolution existieren diverse Hypothesen. Sie werden hauptsächlich durch Experimente gestützt, die auf geologischen Erkenntnissen über die damalige chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre, der Hydrosphäre und der Lithosphäre sowie klimatische Bedingungen beruhen. So konnte zwar bereits die chemische Entstehung komplexer Moleküle beobachtet werden, die für biologische Abläufe notwendig sind, jedoch noch keine Bildung eines lebenden Systems. Die Experimente reichen momentan nicht zur Formulierung einer geschlossenen Theorie aus, die erklären kann, wie das Leben entstand.

Sicher scheint zu sein, dass sich nur eine Form von Leben, nämlich die auf Nukleinsäuren (RNA und DNA) beruhende, durchgesetzt hat (falls weitere existiert haben sollten bzw. überhaupt möglich sind). Wesentliche Indizien für diese Theorie sind die Gleichheit der Bausteine der zwei wesentlichsten lebenstypischen Makromoleküle in allen bekannten Lebensformen (die fünf Nukleotide als Bausteine der Nukleinsäuren und die 21 Aminosäuren als Bausteine der Proteine) und der universell gültige genetische Code.

Vorüberlegungen Grundlage für jede Überlegung zur Entstehung von Lebewesen aus anorganischen Stoffen ist ein klares Verständnis darüber, was Leben überhaupt ist. Eine präzise Definition, die über eine allgemeine Beschreibung hinausgeht, ist offenbar nicht möglich., S. 1. Auch für Lebewesen haben wir hier eine Definition, die ohne ein „unter anderem“ nicht auskommt. Hier werden zwar Fähigkeiten beschrieben, über die „organisierte Einheiten“ verfügen müssen, um als Lebewesen gelten zu können. Eine Abgrenzung, wann eine solche Einheit mit den genannten Fähigkeiten als Lebewesen gilt und wann nicht, findet nicht statt.

Angesichts der Vielzahl von unterschiedlichen Definitionen, die bislang für Leben, oder Lebewesen vorgeschlagen wurden,vgl. , S. 2–5. wird hier nur dargestellt, welche Hürden zur Entstehung von Leben, wie wir es kennen, überwunden werden mussten. Die Schritte im Einzelnen sind: Die abiogene Entstehung der Biomoleküle, das heißt ihre Entwicklung aus nichtlebenden beziehungsweise nichtorganischen Vorläufern (Kosmochemie). Die Entstehung sich selbst replizierender und variierender chemischer Informations-Systeme, das heißt die Entstehung von Zellen (vermutlich in Koevolution mit Viren). Die Entstehung der gegenseitigen Abhängigkeit von Funktion (Enzyme) und Information (RNA, DNA).

Betrachtet werden dabei insbesondere auch die Umweltbedingungen der Erde vor 4,5 bis 3,5 Milliarden Jahren (oder möglicherweise auf vergleichbaren anderen Himmelskörpern in unserem oder anderen Planetensystemen – wie Monde, Exoplaneten, Exo-Monde oder gar Planemos, jetzt oder früher).

Ältere Vorstellungen zur Spontanzeugung waren 1860 durch Experimente von Louis Pasteur nun auch für die Mikrobiologie widerlegt.D. Huizuga: Zur Abiogenesis-Frage. In: E.F.W. Pflüger (Hrsg.): Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere. Band 7, Cohen, Bonn 1873, S. 549–574, (). Die neuen Wissenschaften der Zellbiologie, Virologie und der Biochemie (Molekularbiologie) konnten zwar die Evolutionstheorie erhärten, erhellten aber auch die enorme Komplexität der Lebensvorgänge, sodass eine Beantwortung der Frage nach dem Beginn hoffnungslos schien und zunächst weitgehend ausgeblendet wurde.Iris Frey im Interview mit Chris Impey (Hrsg.): Talking about Life: Conversations on Astrobiology. Cambridge 2010, ISBN 978-0-521-51492-7, S. 13–21, ().

Noch steht ein einheitliches Modell zur chemischen Evolution aus, möglicherweise weil grundlegende Prinzipien noch nicht entdeckt wurden.

Biomoleküle

Die Entstehung der wichtigsten Naturstoffe (Biomoleküle) und ihre Funktionen lassen sich für einige Beispiele schematisch wie folgt darstellen: 550px|Entstehung und Funktion von Biomolekülen

Für ihre Präbiotische Entstehung sind ihre Zusammensetzung und mögliche anorganische Quellen ihrer Bestandteile wichtig. Sie bestehen zumeist allein aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S) und Phosphor (P):

C H O N S P Herkunft und Verwendung der Elemente in BiomolekülenKohlenhydrateXXX   LipideXXXXXProteineXXXXXNukleotideXXXXXPorphyrineXXXX reduziert oxidiertmögliche anorganische QuellenPhosphin (PH3)Phosphate (PO43−)Schwefelwasserstoff (H2S)Sulfate (SO42−)Ammoniak (NH3)Nitrate (NO3−)Wasser (H2O)Sauerstoff (O2)Wasserstoff (H2)Wasser (H2O)Methan (CH4)Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO)

Die präbiotische Entstehung der komplexen organischen Moleküle kann in drei Schritte unterteilt werden:

Entstehung einfacher organischer Moleküle (Alkohole, Säuren, Heterozyklen wie Purine und Pyrimidine) aus anorganischen Stoffen (auch in Molekülwolken im All). Weitere Energiezufuhr und Radikalbildung leiten den nächsten Schritt ein.Prebiotic Chemistry and Origins of Life. Auf: Nature Index. Abgerufen am 18. August 2026.Widicus Weaver Research Group: Prebiotic Astrochemistry. University of Wisconsin–Madison (wisc.edu). Abgerufen am 18. August 2026. Entstehung der Grundbausteine (Einfachzucker, Aminosäuren, Pyrrole, Fettsäuren, Nukleotide) aus einfachen organischen Molekülen. Entstehung der komplexen organischen Moleküle aus den Grundbausteinen.

Alle Hypothesen gehen davon aus, dass neben Wasser und Phosphat zunächst nur die reduzierten Formen der heute üblichen chemischen Verbindungen in ausreichender Menge zur Verfügung standen, da die Uratmosphäre kaum molekularen Sauerstoff enthielt.

Als Energiequelle werden UV-Strahlen und Blitze angenommen.Horst Rauchfuß: Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens. Springer, 2006, ISBN 3-540-27666-1, (). Nach einigen sehr beachtenswerten neueren Theorien käme die nötige Energie für die Entstehung von Bio-Molekülen alternativ dazu auch aus anaeroben Redoxprozessen zwischen reduzierten vulkanischen Gasen und sulfidischen Mineralien wie Pyrit (FeS2).

Rolle der Erdatmosphäre

Die Erdatmosphäre war zur Zeit der Abiogenese kühl, siehe das sogenannte Paradoxon der schwachen jungen Sonne. Sie hatte reduzierenden Charakter, war also weitgehend frei von molekularem Sauerstoff und ohne Ozonschicht. In der Atmosphäre sammelte sich bei heißen Temperaturen Wasserdampf. Dieser kondensierte und Wasser sammelte sich an der Oberfläche der Erde.

Die Rolle des Wassers für die Evolution des Lebens mini|H2O ist eine chemische Verbindung, die auf der Erde unter natürlichen Bedingungen in allen drei Aggregatzuständen vorkommt. Leben, wie wir es kennen (bzw. definieren), benötigt Wasser als universelles Lösungsmittel. Es hat Eigenschaften, die nach akzeptiertem naturwissenschaftlichem Verständnis die Entstehung von Leben ermöglichen (siehe auch anthropisches Prinzip). Möglicherweise kann Leben unabhängig von Wasser entstehen und existieren, viele Wissenschaftler nehmen aber an, dass die Anwesenheit von flüssigem Wasser (in einem bestimmten Gebiet oder auf einem bestimmten Planeten, wie dem Mars) unsere Art Leben nicht nur ermöglicht, sondern sein Entstehen sogar sehr wahrscheinlich macht.

Für die Entstehung des Lebens sind folgende Eigenschaften des Wassers relevant:

Wasser ist in einem Temperaturbereich flüssig, in dem organische Moleküle stabil sind. Wasser ist als polares Medium für chemische Reaktionen besonders geeignet, da es eine homogene Durchmischung ermöglicht, Protonen für Katalysen zur Verfügung stellen kann und eine hohe Wärmekapazität hat und somit überschüssige Reaktionswärme aufnimmt. Die Anomalie des Wassers verhindert, dass Gewässer vom Grund aus vereisen, und sorgt für einen Bereich gleichmäßiger Temperatur. Wasser, in dem Stoffe gelöst sind, wie Meerwasser, bildet beim Ausfrieren Bereiche unterschiedlicher Stoffkonzentrationen, die von Eismembranen umgeben sind. Nach der umstrittenen Meereis-Hypothese des Physikers Hauke Trinks seien so nicht nur Biomoleküle, sondern auch das Leben entstanden.

Hypothesen und Experimente zur chemischen Evolution Erste Theorien zum Urschleim Nachdem die vormodernen Überlegungen der Spontanzeugung widerlegt waren, vertraten dennoch Biologen wie Jean-Baptiste de Lamarck die Überzeugung, dass es zumindest eine Urzeugung gegeben haben müsse. Auch Lorenz Oken vertrat 1805 die Theorie, dass alles Leben aus Ansammlungen kleiner Bläschen bestünde (dies war der Vorläufer der Zelltheorie) und mit Urschleim gefüllt sei, welcher sich aus anorganischer Materie zusammensetzte. Diese deutschen Fachbegriffe wurden durch Oken geprägt.Uta Henschel: Porträt Lorenz Oken: Ein Forscher wird entdeckt. In: Geo-Magazin, April 2001, S. 158–176

Oparin-Haldane-Hypothese In den 1920er Jahren veröffentlichten der britische Wissenschaftler J. B. S. Haldane und der sowjetische Biochemiker Aleksandr Oparin unabhängig voneinander eine der bekanntesten Hypothesen zur Entstehung des Lebens auf der Erde. Die Theorie besagt, dass die Bedingungen der Erde schon damals bestimmte chemische Reaktionen begünstigten. Beide Forscher waren der Ansicht, dass organische Moleküle aus abiogenen Materialien unter Einwirkung einer äußeren Energiequelle (z. B. die sehr intensive ultraviolette Strahlung) gebildet werden können und dass die Uratmosphäre, die unter anderem Ammoniak, Wasserdampf und einen geringen Anteil freien Sauerstoff enthielt, dabei reduzierend gewirkt haben könnte. Beide vermuteten auch, dass die ersten Lebensformen im warmen Urozean auftraten und nicht autotroph, sondern heterotroph waren.

Oparin glaubte, dass sich das Leben aus Koazervaten – spontan gebildeten, kugelförmigen Aggregaten aus Lipidmolekülen – entwickelte, die durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten wurden und die Vorläufer der Zellen gewesen sein könnten. Oparins Arbeit mit Koazervaten bestätigte, dass Enzyme, welche fundamental für biochemische Reaktionen des Stoffwechsels sind, eingeschlossen in einer Membranhülle effizienter arbeiteten als freischwimmend in wässrigen Lösungen. Haldane, der mit Oparins Koazervaten nicht vertraut war, glaubte, dass sich zuerst einfache organische Moleküle bildeten, die durch Einwirkung von ultraviolettem Licht zunehmend komplexer wurden, bis sich letztendlich Zellen herausbildeten. Haldanes und Oparins Ideen bildeten die Grundlage für einen Großteil der Forschung, die sich in den nächsten Jahrzehnten mit der Abiogenese beschäftigte.

Das Miller-Urey-Experiment

mini|Der Versuchsaufbau des Miller-Urey-Experiments