Die Chemische Evolution

Als chemische Evolution bezeichnet man den weitgehend unbekannten Mechanismus der Entstehung von Lebewesen aus organischen Stoffen. Sie ging im Hadaikum (bis vor etwa 4 Milliarden Jahren) der Evolution zellulärer Organismen voraus. Seither bildet sich Leben aus Leben (Biogenese).

Kennzeichen der chemischen 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 Hypothese der chemischen Evolution löste in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts endgültig die Hypothese der spontanen Entstehung von Mikroben in Nährmedien ab,[1] die Thomas Huxley Abiogenese genannt hatte (und ablehnte). Die neuen Wissenschaften der Zellbiologie und der Biochemie 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.[2]

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

Sicher zu sein scheint, dass sich nur eine Form von Leben, nämlich die auf Nukleinsäuren (RNA und DNA) beruhende, durchgesetzt hat (falls es je mehrere verschiedene gegeben haben sollte). 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 20 Aminosäuren als Bausteine der Proteine) und der universell gültige genetische Code.

Übersicht

Hypothesen zur chemischen Evolution müssen verschiedene Aspekte erklären:

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 der Zelle.
Die Entstehung der gegenseitigen Abhängigkeit von Funktion (Enzyme) und Information (RNS, DNS).
Die Umweltbedingungen der Erde vor 4,5 bis 3,5 Milliarden Jahren (oder möglicherweise derzeit existierender vergleichbarer Himmelskörper wie Exoplaneten, Monde und Planemos).

Beiträge dazu kommen unter anderem von folgenden Wissenschaftlern:

Alexander Oparin: Koazervate (siehe unten)
Harold C. Urey und Stanley L. Miller 1953: Entstehung einfacher Biomoleküle in einer simulierten Uratmosphäre (siehe unten)
Sidney W. Fox: Mikrosphären aus Protenoiden (siehe unten)
Thomas R. Cech (Universität von Colorado) und Sidney Altman (Yale-Universität New Haven Connecticut) 1981: autokatalytisches RNA-Splicing: „Ribozyme“ vereinigen Katalyse und Information in einem Molekül. Sie vermögen sich aus einer längeren RNA-Kette selbst herauszuschneiden und die verbleibenden Enden wieder zusammenzufügen.
Walter Gilbert (Harvard-Universität Cambridge) entwickelt 1986 die Idee der RNA-Welt (siehe unten)
Günter von Kiedrowski (Ruhr-Universität Bochum) veröffentlicht 1986 das erste selbstreplizierende System auf der Grundlage eines Hexanukleotids (DNA), wichtige Beiträge zum Verständnis der Wachstumsfunktionen selbstreplizierender Systeme.
Manfred Eigen (Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie Göttingen): Evolution von RNA-Protein-Ensembles. Hyperzyklus.
Julius Rebek jr. (MIT Cambridge) stellt ein künstliches Molekül her (Aminoadenosintriazidester), das sich in Chloroformlösung selbst repliziert. Allerdings sind die Kopien identisch mit der Vorlage, so dass eine Evolution für diese Moleküle nicht möglich ist.
John B. Corliss (Goddard Space Flight Center der NASA): Hydrothermale Schlote der Meere liefern Energie und Chemikalien, die eine von Meteoriten-Einschlägen weitgehend ungestörte chemische Evolution ermöglichen. Heute noch sind sie Lebensraum für die in vielen Merkmalen sehr urtümlichen Archaebakterien (Archaea).
Günter Wächtershäuser (München): Die ersten sich selbst replizierenden Strukturen mit Stoffwechsel seien auf der Oberfläche von Pyrit entstanden. Das Eisensulfid des Pyrits habe hierzu die notwendige Energie geliefert. Mit den wachsenden und wieder zerfallenden Pyritkristallen hätten diese Systeme wachsen und sich vermehren können und die verschiedenen Populationen seien unterschiedlichen Umweltbedingungen (Selektionsbedingungen) ausgesetzt gewesen.
A. G. Cairns-Smith (Universität Glasgow) und David C. Mauerzall (Rockefeller-Universität New York) sehen in Tonmineralien ein System, das zunächst selbst einer chemischen Evolution unterworfen ist, wodurch viele verschiedene, sich selbst replizierende Kristalle entstehen. Diese Kristalle ziehen auf Grund ihrer elektrischen Ladung organische Moleküle an und katalysieren die Synthese komplexer Biomoleküle, wobei der Informationsgehalt der Kristallstrukturen zunächst als Matrize dient. Diese organischen Gebilde werden immer komplexer, bis sie sich ohne Hilfe der Tonmineralien vermehren können.
Wolfgang Weigand, Mark Dörr et al. (Friedrich-Schiller-Universität Jena) zeigen 2003, dass Eisensulfid die Synthese von Ammoniak aus molekularem Stickstoff katalysieren kann.

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

Vorüberlegungen


Entstehung und Funktion von Biomolekülen

Biomoleküle

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.
Entstehung der Grundbausteine (Einfachzucker, Aminosäuren, Pyrrole, Fettsäuren, Nukleotide) komplexer organischer Moleküle aus einfachen organischen Molekülen.
Entstehung der komplexen organischen Moleküle aus den Grundbausteinen.

Die Elementaranalyse dieser Moleküle führt zu der Frage, welche anorganischen Verbindungen zu ihrer Entstehung notwendig waren.
Zusammensetzung der Biomoleküle C H O N S P
Kohlenhydrate X X X
Lipide X X X X X
Proteine X X X X X
Nukleotide X X X X X
Porphyrine X X X X
mögliche anorganische Quelle der Elemente reduziert oxidiert
Kohlenstoff (C) Methan (CH4) Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO)
Wasserstoff (H) Wasserstoff (H2) Wasser (H2O)
Sauerstoff (O) Wasser (H2O) Sauerstoff (O2)
Stickstoff (N) Ammoniak (NH3) Nitrate (NO3−)
Schwefel (S) Schwefelwasserstoff (H2S) Sulfate (SO42−)
Phosphor (P) Phosphin (PH3) Phosphate (PO43−)

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, Wärme vulkanischer Prozesse, ionisierende Strahlen radioaktiver Prozesse und elektrische Entladungen angenommen. 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).

Weiteres dazu im Link:

https://de.wikipedia.org/wiki/Chemische_Evolution