Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens (eBook)

Prof. Dr. Horst Rauchfuss absolvierte sein Chemiestudium an der Goethe-Universität in Frankfurt/Main, wo er in Biochemie diplomierte und promovierte. Anschließend arbeitete er am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt/Main. Er verfasste u.a. Arbeiten zur „Präbiotischen Chemie", wie z. B. „Proteinoide". Er wurde an die PH-Ruhr bzw. Universität Dortmund an den Lehrstuhl „Chemie und ihre Didaktik" berufen und ist Autor mehrerer Bücher. Mit seinen populärwissenschaftlichen Vorträgen zur Entstehung des Lebens ist er bundesweit bekannt.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 9
Einleitung 13
1 Historischer Überblick 15
1.1 Zeitalter der Mythen 15
1.2 Mittelalter 19
1.3 Neuere Zeit 23
1.4 Das Problem, „Leben“ zu definieren 26
Literatur 32
2 Kosmos, Sonnensystem und Urerde 33
2.1 Kosmostheorien 33
2.2 Bildung der Bioelemente 38
2.3 Entstehung des Sonnensystems 41
2.4 Entstehung der Erde 45
2.5 Atmosphäre der Urerde 51
2.6 Urozean (Hydrosphäre) 56
Literatur 61
3 Von den Planeten zur interstellaren Materie 65
3.1 Planeten und Satelliten 65
3.1.1 Merkur 66
3.1.2 Venus 66
3.1.3 Mars 67
3.1.4 Jupiter 70
3.1.5 Jupiter-Monde 71
3.1.6 Saturn und Saturnmond Titan 77
3.1.7 Uranus und Neptun 83
3.1.8 Pluto und Charon 84
3.2 Kometen 85
3.2.1 Ursprung und Herkunft der Kometen 85
3.2.2 Struktur der Kometen 86
3.2.3 Komet Halley 88
3.2.4 Kometen und Biogenese 89
3.3 Meteorite 93
3.3.1 Einteilung der Meteorite 94
3.3.2 Kohlige Chondrite 95
3.3.3 Mikrometeorite 100
3.4 Interstellare Materie 101
3.4.1 Interstellarer Staub 102
3.4.2 Interstellares Gas 106
3.4.3 Interstellare Moleküle 108
Literatur 111
4 „Chemische Evolution“ 117
4.1 Modellexperimente von Miller-Urey 118
4.2 Weitere Aminosäuresynthesen 120
4.3 Präbiotische Synthesen der Nucleinsäurebasen 124
4.4 Kohlenhydrate und Derivate 132
4.5 Blausäure und Derivate 136
4.6 Energiequellen für die chemische Evolution 141
4.6.1 Energie aus dem Erdinnern und Vulkanismus 142
4.6.2 UV-Strahlung von der Sonne 145
4.6.3 Energiereiche Strahlung 146
4.6.4 Elektrische Entladungen 147
4.6.5 Stoßwellen (Schockwellen) 148
4.7 Die Rolle der Phosphate 150
4.7.1 Allgemeines 150
4.7.2 Kondensierte Phosphate 152
4.7.3 Experimente zum „Phosphat-Problem“ 152
Literatur 158
5 Peptide und Proteine: die „Protein-Welt“ 163
5.1 Allgemeines 163
5.2 Aminosäuren und Peptidbindung 163
5.3 Aktivierung 165
5.3.1 Chemische Aktivierung 166
5.3.2 Biologische Aktivierung 166
5.4 Simulationsexperimente 170
5.4.1 Präbiotische Peptide 170
5.4.2 Präbiotische Proteine 178
5.5 Neue Entwicklungen 182
Literatur 187
6 „RNA-Welt“ 189
6.1 Einleitende Bemerkungen 189
6.2 Synthese von Nucleosiden 190
6.3 Synthese von Nucleotiden 191
6.4 Synthese von Oligonucleotiden 195
6.5 Ribozyme 209
6.6 Kritik und Diskussionen um die „RNA-Welt“ 213
6.7 „Prä-RNA-Welt“ 215
Literatur 227
7 Andere Theorien und Hypothesen 231
7.1 Anorganische Systeme 231
7.2 Hydrothermale Systeme 236
7.2.1 Allgemeines 236
7.2.2 Geologische Grundlagen 237
7.2.3 Synthesen an hydrothermalen Quellen 239
7.2.4 Andere Meinungen 241
7.2.5 Reaktionen in superkritischer Phase 243
7.2.6 Reaktionen vom Fischer-Tropsch-Typ 244
7.3 Chemoautotropher Lebensursprung 245
7.4 Die „Thioester-Welt“ von de Duve 257
7.5 Atomarer Kohlenstoff in Mineralien 263
Literatur 264
8 Genetischer Code und weitere Theorien 267
8.1 Zum Informationsbegriff 267
8.2 Genetischer Code 268
8.3 Die Biogenesetheorie von M. Eigen 275
8.4 Die Biogenese-Modelle von H. Kuhn 282
8.5 Die „Ursprünge“ des Lebens von F. Dyson 287
Literatur 292
9 Grundlegende Phänomene 295
9.1 Thermodynamik und Biogenese 295
9.2 Thermodynamik irreversibler Systeme 299
9.3 Selbstorganisation 302
9.4 Das Chiralitätsproblem 308
Literatur 316
10 Urzellen und Zellmodelle 319
10.1 Paleontologische Befunde 319
10.2 Zum Problem der Modellzellen 327
10.2.1 Einführende Bemerkungen 328
10.2.2 Historisches 329
10.2.3 Neue Entwicklungen 330
10.3 Der Stammbaum des Lebens 338
Literatur 347
11 Exo-/Astrobiologie und andere Themen 351
11.1 Extraterrestrisches Leben 352
11.1.1 Leben in unserem Sonnensystem 353
11.1.2 Extrasolares Leben 363
11.2 Künstliches Leben (KL) 381
11.3 Das „Wann“-Problem 383
Literatur 386
Epilog 389
Verzeichnis der Abkürzungen 391
Glossar 393
Sachwortverzeichnis 403

10 Urzellen und Zellmodelle (S. 307-308)


10.1 Paleontologische Befunde

Die frühe Phase der Erdgeschichte vor 4 bis etwa 3,8 Milliarden Jahren liegt, wie der Zeitraum vor dieser Periode, noch völlig im Dunkel unserer Unkenntnis. Mögliche Zeugen aus diesen archaischen Phasen der Erdgeschichte könnten helfen, das Dunkel aufzuhellen.

Es geht also um die Spurensuche nach möglichen Resten ersten primitiven Lebens auf unserem Planeten – die Suche nach Fossilien, genauer nach Mikrofossilien. Darunter versteht man die Reste ehemals lebender Zellen. Es sind meist nur die Zellwände, die erhalten blieben. Sie können aus dem umgebenden Sedimentgestein isoliert werden, wenn die silikathaltigen, sulfidischen und karbonatreichen Mineralien chemisch aufgelöst wurden. Der kohlenstoffhaltige Rückstand enthält dann die Mikrofossilien, von denen für die nachfolgenden mikroskopischen Untersuchungen transparente, dünne Plättchen hergestellt werden.

Eine weitere wichtige Methode, um frühes Leben aufzuspüren, führt über das Verhältnis der beiden Kohlenstoffisotope ¹²C und ¹³C. Bei biologischen Prozessen wird das leichtere Isotop¹²C (der „normale Kohlenstoff") bevorzugt in Biomoleküle eingebaut. Aus dem Verhältnis ¹³C/¹²C schließt man auf das Vorliegen von Material, das durch Lebensprozesse entstand. Entscheidend für eine gesicherte Aussage ist natürlich, daß andere, nicht-biologische Ereignisse völlig auszuschließen sind. Ob dies in jedem Falle möglich sein dürfte - ist fraglich. Vor allem dann, wenn nicht alle geologischen Prozesse, die vor 3–4 Milliarden Jahren abliefen, genau bekannt sind.

Es gibt drei Arten von Beweisen für das erste Leben auf unserer Erde. Diese drei sind voneinander unabhängig, verstärken sich aber gegenseitig:

– Stromatoliten,
– zelluläre Fossilien,
– biologisch gebildete C-haltige Materie.

Stromatoliten sind lamellenartig gelagerte kalkreiche Fossilien mit einer Feinschichtung im Millimeter-Bereich, die in vielerlei Formen auftreten können. Sie entstanden durch die Lebensfunktionen von Blaugrünalgen (Cyanobakterien).

Zelluläre Fossilien werden mikroskopisch und neuerdings mit Hilfe der Laser-Raman-Spektroskopie (siehe später) untersucht. Die Dünnschliffe der Gesteine zeigen oftmals Zellen in der Größe, Form, zellulären Struktur und Kolonieform, die den heutigen Mikroorganismen stark ähneln. Damit die zuvor bezeichneten Eigenschaften erhalten bleiben, durften die Gesteine niemals über 420 K erhitzt worden sein. Ebenso hätten zelluläre Fossilien höhere Druckbelastungen nicht überstanden.

Die Isotopenzusammensetzung des Kohlenstoffs in C-haltigem, organischem Material („Kerogen") in alten Sedimenten gestattet die Entscheidung, ob in der Phase der Gesteinsbildung photosynthetische Organismen vorhanden waren oder nicht. Dieses Indiz kann noch Auskunft über biologische Aktivitäten geben, falls zelluläre Strukturen bereits zerstört wurden. Das Element Schwefel kann in ähnlicher Weise für Aussagen genutzt werden (Schopf, 1999).

Die ältesten Gesteinsformationen der Erde findet man hauptsächlich in drei Regionen:

– Südafrika,
– West-Australien und
– Grönland.

Folgt man der historischen Entwicklung der Paleontologie, so begann sie zaghaft nach Darwins „Suche nach dem fehlenden Beweis", d. h. den fehlenden Fossilien aus dem Präkambrium, die Darwins Theorie beweisen konnten. 1865 entdeckte Sir John William Dawson (Kanada) die „Eozoön Pseudofossilien" und 1883 James Hall die „Crytozoon Stromatoliten" (Schopf, 1999). Aber die intensive Phase der Paleobiologie des Präkambriums begann in der Mitte des vorigen Jahrhunderts.