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Evolution

Chemische Evolution

Theorien zur Entstehung der ersten organischen Moleküle

Kosmische Theorien gehen davon aus, dass die ersten organischen Moleküle aus dem Weltraum stammen könnten. So fand die NASA-Sonde "Stardust" etliche organische Verbindungen im interstellaren Staub und im Schweif von Kometen, die über Kometeneinschläge auf die Erde gelangt sein könnten. Der Chemiker S. L. Miller simulierte Anfang der 50iger Jahre die chemische Evolution, wie sie in den Urozeanen stattgefunden haben könnte. In einem Gemisch aus Wasser und Gas, das der Uratmosphäre entsprechen sollte, der so genannten Ursuppe, entstanden nach mehreren Tagen unter elektrischer Spannung in Form von Blitzen zahlreiche organische Moleküle wie Aminosäuren, Zucker und niedere Carbon- und Fettsäuren. Die Theorie der Polykondensation geht einen Schritt weiter: Leslie Orgel zeigte, dass sich schon unter einfachen Versuchsbedingungen Nucleinsäureketten aus über hundert Nucleotiden synthetisieren lassen. Diese Nucleinsäuren sind sogar in der Lage, sich ohne eine Beteiligung von Enzymen zu verdoppeln. Dafür sind lediglich Metallionen (Zink, Magnesium) erforderlich. Auch Aminosäuren können Polykondensate bilden, die damit Vorformen von Proteinen entsprechen. Der Biochemiker Manfred Eigen postuliert, dass in dieser Anfangsphase des Lebens katalytisch aktive Proteinoide existierten, welche die ersten einfachen Replikationszyklen ermöglichten. In dem einfachsten Fall sind zwei RNA-Moleküle beteiligt, die sich in gegenseitiger Wechselwirkung vermehren (Replikation). Die enzymatische Aktivtät kommt dabei entweder aus der RNA selbst (Ribozyme), oder aber Nucleinsäuren (1 und 3) und Enzyme (2 und 4) bilden einen Autozyklus, der sich selbst erhalten und replizieren kann. Lipide in der Ursuppe bildeten möglicherweise die ersten Micellen, die einen abgeschlossenen Reaktionsraum von der Umwelt abtrennen und als Vorform einer Zelle mit einer Doppelmembran gelten können.

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Abb.1
Theorie zur Entstehung der ersten organischen Moleküle

Fast alle Lebewesen beziehen ihre Energie direkt oder indirekt von der Sonne. Die Sonnenenergie konnte aber erst nach der Kondensation des Wassers die Erde erreichen, so dass die Photosynthese erst relativ spät entstanden sein kann.

Für die chemische Evolution waren drei Randbedingungen wesentlich:

  1. nicht-oxidative, reduzierende Bedingungen, vornehmlich durch Blausäure, H2S, Wasserstoff und Fe2+,
  2. die Bildung des flüssigen Wassers und
  3. die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen Wasser und Gestein.

Die Besonderheit der Summe dieser Randbedingungen besteht in der Bildung organischer Moleküle durch abiotische Katalyse.

Man hat schon oft versucht, diese chemische Evolution experimentell nachzuvollziehen. Ein berühmtes Laborexperiment ist der Miller-Urey-Versuch. Hierbei wurde die ursprüngliche Erdatmosphäre simuliert. Tatsächlich konnten dafür zahlreiche organische Moleküle nachgewiesen werden. Daraus ergab sich die Frage, woher der Energiebedarf der nachgewiesenen Zelle gedeckt wurde und auf welcher Grundlage die Selbstorganisation der Zelle beruht. Für diese Fragen gibt es etwa seit 1970 erste Antworten. Während es L. Orgel gelang, Polymere abiotisch herzustellen, konnte G. Wächtershäuser zeigen, dass Eisen-Schwefel-Verbindungen auch unter abiotischen Bedingungen ein optimales Redox-System darstellen. Schließlich hat M. Eigen grundlegende Modelle zur Selbstorganisation von Biopolymeren vorgeschlagen.

Aminosäuren in Kometen und Meteoriten

1)ppb: parts per billion (Teilchen pro Milliarde)
2)Glavin, D. P.; Aubrey, A. D.; Callahan, M. P.; Dworkin, J. P.; Elsila, J. E.; Parker, E. T.; Bada, J. L.; Jenniskens, P.; Shaddad, M. H. (2010): Extraterrestrial amino acids in the Almahata Sitta meteorite. In: Meteoritics & Planetary Science. 45 (10-11) , 1695–1709
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