Stellen Sie sich vor, Sie reisen zurück zu den Anfängen der Erde, einer Welt, die so fremd und doch so vertraut ist. Eine Welt brodelnder Vulkane, tosender Stürme und einer Atmosphäre, die von einer lebensfeindlichen Mischung aus Gasen dominiert wird. In dieser scheinbar unbarmherzigen Umgebung bahnt sich ein Wunder an: die Entstehung des Lebens. Diese fesselnde Reise in die Vergangenheit enthüllt die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die unser Verständnis von diesem tiefgreifenden Ereignis geprägt haben. Beginnend mit antiken Vorstellungen von spontaner Entstehung, die von Aristoteles und Alchemisten wie Helmont vertreten wurden, verfolgen wir die Entwicklung des Denkens bis zu Louis Pasteurs bahnbrechender Widerlegung dieser Theorien. Erfahren Sie, wie die Urknalltheorie und die Entstehung der Erde aus kosmischem Staub die Bühne für die ersten chemischen Prozesse bereiteten. Entdecken Sie die Zusammensetzung der Uratmosphäre, die sich drastisch von der heutigen unterschied, und die entscheidende Rolle von Vulkanen bei der Formung der frühen Erdatmosphäre. Tauchen Sie ein in die faszinierende Theorie der "Ursuppe", die von Darwin, Oparin und Haldane entwickelt wurde, und erleben Sie Stanley Millers legendäres Experiment, das die Bausteine des Lebens aus anorganischen Stoffen erzeugte. Von Aminosäuren bis zu Nukleotidbasen, diese Entdeckung revolutionierte unser Verständnis der Abiogenese und untermauerte die Idee einer natürlichen Entstehung des Lebens. Verfolgen Sie, wie sich die Atmosphäre durch die Photosynthese der ersten autotrophen Organismen wandelte, Kohlendioxid in Sauerstoff umwandelte und schließlich zur Bildung der lebenswichtigen Ozonschicht führte. Diese schützte das Leben vor schädlicher UV-Strahlung und ebnete den Weg für die Besiedlung des Landes. Diese tiefgründige Erforschung der Ursprünge des Lebens enthüllt nicht nur die wissenschaftlichen Fakten, sondern auch die unaufhörliche menschliche Neugier, die uns antreibt, die größten Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln. Begleiten Sie uns auf dieser faszinierenden Reise und entdecken Sie, wie aus einer scheinbar lebensfeindlichen Welt das Wunder des Lebens entstehen konnte. Tauchen Sie ein in die Welt der Biologie, Chemie und Geologie, um die Evolution des Lebens auf unserem Planeten zu verstehen.
Entstehung des Lebens
Vorwort
Wir Menschen stehen heute an der Schwelle zur allumfassenden wissenschaftlichen
Erkenntnis. Nach fast 6000 Jahren Menschheitsgeschichte sind wir in der Lage, selbst
transzendente Phänomene rational erklären zu können und im Prinzip zu durchschauen.
Dieses Ergebnis des menschlichen Verstandes ermöglicht es uns, beispielsweise die
Entstehung des Kosmos, das Phänomen des "vierdimensionalen Raumes", die Entstehung des Lebens, sogar Anfang und Ende sowie das Wesen von Raum und Zeit, wenn nicht plastisch, so doch wenigstens mathematisch-abstrakt zu verstehen und nachzuvollziehen. Zwar bleiben viele Fragen unbeantwortet, viele Phänomene rätselhaft. Dennoch sind wir in der Lage, mittels experimentell überprüfbaren Theorien selbst dafür brauchbare Modelle zu entwickeln und diese, wenn nötig, immer wieder abzuändern und zu verfeinern.
Die Entstehung des Lebens
1. Frühere Ansichten über die spontane Bildung von Leben
Eines der Urgeheimnisse dieser Erde, die Entstehung des Lebens, war jahrtausendelang ein unlösbares Mysterium und wurde lange Zeit nur der Kraft einer geheimnisvollen göttlichen Schöpfung zugeschrieben. Rund 300 vor Christus war Aristoteles noch überzeugt, dass "Würmer, Motten und Kröten spontan durch göttliche Schöpfung aus nasser Erde, Bienen aus Exkrementen" entstünden. Die Beobachtung des Alchimisten Helmont schien etwa im Jahre 1577 die Theorie der spontanen Genese aller Kreaturen zu stützen. Er gab Getreidekörner und schmutzige Wäsche zusammen und beobachtete, dass nach einiger Zeit Mäuse daraus hervorgingen. Seine Schlussfolgerung war sehr simpel: Ein Stoff in der verschmutzten Wäsche musste unmittelbar zur Bildung von Mäusen führen. Diese These der "spontanen Schöpfung" schrieb man einer geheimnisvo llen Vitalkraft, der sogenannten vis vitalis zu, demzufolge Leben nicht aus anorganischer, toter Materie, sondern nur aus organischen Substanzen gebildet werden konnte.
Andere Wissenschaftler widersprachen derartigen Thesen heftig und vertraten statt dessen die Meinung, dass Lebewesen stets nur aus Lebewesen ihrer Art hervorgehen könnten. Erst im Jahre 1884 wurde dieser Disput entschieden, als der französische Arzt Louis Pasteur in einer Reihe von Versuchen zeigte, dass sich Mikroorganismen keinesfalls spontan bilden können: Omne vivumevivo, alles Leben stammt von Leben ab.
Es begann alles vor ca. 15 Milliarden Jahren als die Materie im Urknall zu expandieren begann. (Albert Einstein: 1915, Relativitätstheorie; u.a. der Weltraum expandiert, Zusammenhang Licht und Materie, Urknalltheorie) .
Als vor 4,6 Milliarden Jahren die Erde durch die Zusammenballung kosmischen Staubes entstand, musste die Oberflächentemperatur der Erde weit über 1000 Grad Celsius betragen haben und aufgrund radioaktiver Zerfallsprozesse und der Kontraktionswärme im Zustand des Entstehens glutflüssig gewesen sein. Diese hohe Temperatur bewirkte, dass sich die damals bereits vorhandene sogenannte Uratmosphäre ("Primordialatmosphäre") weitestgehend in den Weltraum verflüchtigte und dabei der Anteil an Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenoxiden und Edelgasen um mindestens den Faktor 1000 abnahm. Es gingen überwiegend Wasserstoff, Helium, Argon, Wasser, Ammoniak, Methan, und Kohlendioxid verloren. Spektralanalysen der erdferneren Planeten Jupiter und Saturn legen folgende Zusammensetzung der Atmosphären nahe: Neben Wasserstoff und Helium bilden Methan und Ammoniak die Hauptbestandteile. Auf der Erde verflüchtigten sich jedoch Wasserstoff und Helium, so dass Methan und Ammoniak in der Primordialatmosphäre verblieben sein dürften.
Vor etwa 4,2 Milliarden Jahren hatte sich die Erde soweit abgekühlt, dass sich flüssiges Wasser auf ihr halten konnte, das beständig aus dem Erdinnern ausgaste. Wie man heute weiß, waren die Gase dieser nachfolgenden ersten Atmosphäre allesamt vulkanischen Ursprungs. Nach der Abkühlung der Erdoberfläche setzte zudem eine Fragmentierung ein, die zu dem typischen Aufbau des Erdinnern führte. Zeitgleich bildeten sich das Weltmeer und die Atmosphäre aus.
Diese sogenannte erste Atmosphäre ging aus einem einen gewaltigen Hochofenprozess hervor, der zu einer Reduktion des Eisen- und Nickeloxids führte. Die reduzierten Metalle sanken in die Tiefe ab und bildeten den Erdkern. Dabei erhöhte sich im Gegenzug der oxidaktive Charakter der Atmosphäre, Methan und Ammoniak wurden durch den freiwerdenden Sauerstoff oxidiert. Daher ist nach den neuesten Erkenntnissen anzunehmen, dass die erste Atmosphäre nicht, wie zunächst angenommen, aus Methan und Ammoniak, sondern im wesentlichen aus Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff, Kohlenmonoxid neben Spuren von Methan und Ammoniak bestand. Heute geht man von dem Gedanken aus, dass die erste Atmosphäre etwa dieselbe Zusammensetzung gehabt hatte, wie die heute noch von Vulkanen ausgestoßenen Gase, so dass ungefähr folgende Konstitution als am wahrscheinlichsten gilt:
- 80% Wasser und Stickstoff, 10% Kohlendioxid, 7 % Schwefelwasserstoff, 0,5% Kohlenmonoxid, 0,5% Wasserstoff, Spuren an Methan und Ammoniak.
Durch die Kondensation des Wassers setzte ein etwa 40000 Jahre andauernder Regen ein, der zu einer relativen Anreicherung der übrigen Gase führte. Die Atmosphäre war schwach reduzierend, wobei das Augenmerk hauptsächlich auf Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasserstoff gerichtet werden muss .Bemerkenswert ist auch, dass man Vulkane und Geysire kennt, deren Exhalationsprodukte relativ reich an Methan und Ammoniak sind, so dass man annehmen muss, dass reduzierende Gase in Nischenbereichen der Urerde stellenweise höhere Konzentrationen erreicht haben dürften.
Vor etwa 3,4 Milliarden Jahren hatte sich diese sogenannte zweite Atmosphäre vollständig ausgebildet, die nun weder reduzierend, noch oxidierend war. Durch den Löseprozess des Kohlendioxids im Meer verringerte sich überdies auch der Treibhauseffekt, so dass sich die noch immer recht warme Erdatmosphäre weiter abkühlen konnte. Durch die Entstehung des Lebens wandelte sich die Atmosphäre schließlich ein drittes Mal. Aufgrund der Entwicklung der ersten primitiven Autotrophen (wie Cyanobakterien und blaugrüne Algen) vor etwa 3,5 Milliarden Jahren, wurde nach und nach das Kohlendioxid bis auf einen kleinen Rest beseitigt, denn sie "veratmeten" das Kohlendioxid, wodurch Sauerstoff entstand. Dieser Sauerstoff reicherte sich zunächst im Meerwasser an. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren entstanden infolge dessen riesige Eisenoxidablagerungen auf dem Meeresboden, die heute als Erzlagerstätten ausgebeutet werden. Vor etwa 2 Milliarden Jahren war fast das gesamte Eisen im Meer als Oxid ausgefällt und der Sauerstoff begann in die Atmosphäre auszugasen. Im Laufe der Evolution passten sich die Lebewesen nach und nach an die immer mehr oxidierend wirkende Atmosphäre mit deren "Stoffwechselgift"Sauerstoff an, und aerobe Einzeller begannen gar, den Sauerstoff zur effizienten "Nahrungsveratmung" zu nutzen. Mit zunehmender Konzentration des Sauerstoffs in der Atmosphäre, wurde dieser vermehrt durch die nach wie vor hohe UV- Einstrahlung der Sonne in atomaren Sauerstoff gespalten. Dieser "aktive" Sauerstoff verband sich mit molekularem, "normalem" Luftsauerstoff zu dreiatomigem Ozon. In rund 15-30 km Höhe bildete sich die stratosphärische Ozonschicht aus, die essentiell für die Evolution des Lebens war. Das stratosphärische Ozon filtert bis heute rund 70% der UV-Strahlung heraus und ermöglichte vor rund 350 Millionen Jahren die Entstehung der ersten Landlebewesen. Vor rund 400 Millionen Jahren hatte sich die Ozonschicht vollständig ausgebildet, so dass das Leben unter dem Schutz dieses UV-Filters eine explosionsartige Entwicklung erfuhr, die schließlich auch zur Entstehung des Menschen führte. Seit 350 Millionen Jahren ändert sich nur noch die Zusammensetzung der Spurengase und dies nur in sehr engen Grenzen. Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass kurz nach der Entstehung der Erde ganz andere Verhältnisse auf der Erde existierten als heute. Doch wie war es m ö glich, dass die Entstehung des Lebens in dieser scheinbar so lebensfeindlichen ersten Atmosphäre ü berhaupt entstehen konnte?
Die Entstehung der Theorie der ,,Ursuppe"
Bereits Charles Darwin stellte sich vor über 100 Jahren die Frage, wie aus leblosen abiotischen Kleinmolekülen Leben hatte entstehen können. Er dehnte seine Evolutionstheorie über die Entwicklung der Arten auch auf die unbelebte Natur aus und übertrug sie als umfassendes Prinzip auf alle physikalischen und chemischen Prozesse. Er brachte erstmals die Idee einer allumfassenden kosmischen Evolution ins Spiel, an dessen Ende die Entstehung der Lebewesen und die des Menschen stehen sollte. Fast alle Naturwissenschaftler griffen die Theorie auf, nach welcher auf chemischer Ebene aus den Spurengasen der ersten Atmosphäre, wie Methan, Ammoniak und Kohlenmonoxid, kompliziertere Substanzen hervorgehen sollten, aus denen sich immer komplexere Systeme bildeten, die schließlich zur Bildung der ersten Einzeller führten. In den 20er Jahren formulierten der russische Biochemiker Oparin und der Brite Haldane diese allgemeine Vermutung in ihrer bekannten "Theorie der Ursuppe". Danach sollten essentielle organische Verbindungen durch chemische Prozesse in der Atmosphäre entstehen, sich in den Weltmeeren anreichern und eine Art "Ursuppe" bilden, aus der sich durch Zusammenlagerung der organischen Komponenten im Laufe der Zeit komplexere Strukturen ergaben. Aus diesen könnten schließlich erste biologische Membranen mit stabilen Stoffwechselprozessen und durch biologische Evolution schließlich die ersten lebenden zellkernlosen Procaryonten entstanden sein, die sich im Laufe von Äonen zu höheren Lebewesen weiterentwickelten. Ein großes Problem war jedoch, dass diese Hypothese lange Zeit nicht zu beweisen war. Doch das Urgeheimnis der Entstehung der Lebewesen auf der Erde schien im Jahre 1953 durch ein berühmt gewordenes Experiment des Chemikers Stanley Miller enträtselt worden zu sein. Miller hatte mittels einer einfachen Apparatur organische Kleinmoleküle nachgebildet, welche die Bestandteile jeglicher belebter Materie darstellen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dem Text "Entstehung des Lebens"?
Der Text "Entstehung des Lebens" behandelt die Ursprünge des Lebens auf der Erde aus wissenschaftlicher Perspektive. Er untersucht frühere Theorien über spontane Lebensentstehung, die Zusammensetzung der frühen Erdatmosphäre und die Entwicklung der "Ursuppen"-Theorie.
Welche früheren Ansichten über die spontane Bildung von Leben werden im Text diskutiert?
Der Text erwähnt Aristoteles' Überzeugung, dass Würmer, Motten und Kröten spontan aus nasser Erde entstehen, sowie Helmonts Beobachtung, dass Mäuse aus Getreidekörnern und schmutziger Wäsche hervorgehen. Diese Ansichten basierten auf der Vorstellung einer "vis vitalis", einer geheimnisvollen Vitalkraft.
Wie beschreibt der Text die Entstehung der Erde und ihrer Atmosphäre?
Die Erde entstand vor 4,6 Milliarden Jahren durch die Zusammenballung kosmischen Staubes. Die ursprüngliche Uratmosphäre verflüchtigte sich weitgehend, und eine erste Atmosphäre vulkanischen Ursprungs bildete sich. Diese erste Atmosphäre bestand hauptsächlich aus Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff, Kohlenmonoxid sowie Spuren von Methan und Ammoniak.
Was ist die "Ursuppen"-Theorie und wie wird sie im Text erklärt?
Die "Ursuppen"-Theorie, formuliert von Oparin und Haldane, besagt, dass essentielle organische Verbindungen durch chemische Prozesse in der frühen Atmosphäre entstanden, sich in den Weltmeeren anreicherten und eine Art "Ursuppe" bildeten. Aus dieser Ursuppe entwickelten sich im Laufe der Zeit komplexere Strukturen und schließlich die ersten lebenden Zellen.
Welche Rolle spielte das Experiment von Stanley Miller bei der Unterstützung der Ursuppen-Theorie?
Stanley Millers Experiment aus dem Jahr 1953 simulierte die Bedingungen der frühen Erdatmosphäre und demonstrierte, dass aus anorganischen Gasen wie Methan, Ammoniak und Wasserstoff organische Kleinmoleküle wie Aminosäuren entstehen konnten. Dies lieferte experimentelle Unterstützung für die Ursuppen-Theorie.
Wie hat sich die Erdatmosphäre im Laufe der Zeit verändert?
Die erste Atmosphäre wurde durch eine zweite Atmosphäre ersetzt, die weder reduzierend noch oxidierend war. Durch die Photosynthese erster primitiver Autotrophen wurde Kohlendioxid abgebaut und Sauerstoff freigesetzt. Die Anreicherung von Sauerstoff führte zur Bildung von Eisenoxidablagerungen und schließlich zur Entstehung der Ozonschicht.
Warum ist die Ozonschicht wichtig für die Entwicklung des Lebens?
Die Ozonschicht filtert etwa 70% der schädlichen UV-Strahlung der Sonne heraus. Dies ermöglichte die Entstehung der ersten Landlebewesen vor rund 350 Millionen Jahren und eine explosionsartige Entwicklung des Lebens.
Welche Gase waren in der ersten Atmosphäre hauptsächlich vorhanden?
Die erste Atmosphäre bestand wahrscheinlich hauptsächlich aus Wasser (80%), Stickstoff (80%), Kohlendioxid (10%), Schwefelwasserstoff (7%), Kohlenmonoxid (0,5%) und Wasserstoff (0,5%) mit Spuren von Methan und Ammoniak.
Wie lange dauerte der Regen, nachdem sich die Erde abgekühlt hatte?
Nach der Abkühlung der Erdoberfläche setzte ein etwa 40000 Jahre andauernder Regen ein.
- Arbeit zitieren
- Sylvia Lewandowski (Autor:in), 2000, Entstehung des Lebens, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/99926
