Michael Kubi

Die Entstehung des Lebens Teil 4: Präbiotische Synthese von Nukleinsäuren, Zuckern, Fetten

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Der wohl historisch wichtigste Durchbruch in der Erforschung zur Entstehung des Lebens wurde 1953 durch Stanley Miller und Harold Urey erreicht (Miller 1953), indem sie aus einer Mischung aus Gasen wie Ammoniak, Methan, Stickstoff und CO2 Aminosäuren herstellen konnten. Damit war der Weg geebnet für die Erforschung zur Entstehung des Lebens. Natürlich haben Miller und Urey kein Leben erschaffen, konnten aber zeigen, dass die wichtigsten Baustoffe des Lebens – Aminosäuren – auf natürliche Wiese entstehen können. Doch wie sieht es mit den anderen Biomolekülen, also Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden aus? Können auch diese unter natürlichen Bedingungen entstanden sein? In diesem Beitrag gehen wir genau dieser Frage nach.

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Die Entstehung des Lebens Teil 3: Stanley Miller und die Synthese von Aminosäuren

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Im letzten Beitrag befassten wir uns mit den ersten wissenschaftlichen Vorstellungen zur Entstehung des Lebens. Gelehrte wie Wöhler konnten 1828 nachweisen, dass organische Moleküle wie Harnstoff synthetisch hergestellt werden können. Durch diese und andere Experimente konnten vitalistische Vorstellungen, also das belebte Materie irgendeine geheimnisvolle Lebenskraft habe, zunehmend widerlegt werden. Pasteur widerlegte den langen Streit um die Urzeugung. Er konnte durch sorgfältige Versuche zeigen, dass aus unbelebter Materie unter heutigen Bedingungen keine komplexen Lebensformen entstehen können. Die Betonung liegt aber auf den heutigen Bedingungen, in einer sauerstoffreichen Atmosphäre, und einem Planeten, auf dem schon Leben existiert. In unseren Beiträgen zur Entstehung des Universums und der Erde haben wir aber zeigen können, dass vor der Entstehung des Lebens andere Bedingungen herrschten (z. B. das Fehlen von atmosphärischem Sauerstoff). Diese anderen Bedingungen zu untersuchen und plausible Szenarien zur Entstehung des Lebens zu postulieren – damit befasst sich die Abiogenese. Weil der Fossilbericht aus dieser Zeit relativ spärlich ist – man fand Spuren von einzelligem Leben, welches auf ca. 3,5 – 3,8 Mrd. Jahren datiert wird – müssen wir einen experimentellen Ansatz wählen, bei dem wir die Beschränkungen nutzen, die uns durch unser Wissen über die Erdgeschichte und die Natur der organischen Chemie auferlegt werden, um mögliche Lösungen zu finden.

Damit Leben überhaupt existieren kann, müssen als erster Schritt die Grundbausteine entstehen, aus dem alle Lebewesen aufgebaut sind: Aminosäuren, Kohlenhydrate, Lipide und Nukleinsäuren. Ob das möglich ist und was bisher erreicht wurde, erfahrt ihr in diesem Beitrag am Beispiel der Aminosäuren.

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Die Entstehung des Lebens Teil 2: Forschungsgeschichte: Vitalismus – Urzeugung – Abiogenese

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Wir haben im letzten Beitrag festgestellt, dass Wissenschaftler sich die Frage stellten, was Leben eigentlich ist und wie dieses entstanden ist. Leben charakterisiert sich durch eine Reihe von Merkmalen:

Stoffwechsel, Reizbarkeit, Homöostase, Fortpflanzung und Vererbung, Vorhandensein von Nukleinsäuren, Fähigkeit zur Evolution und der Zelle als kleinste Einheit des Lebens. Wie das Leben und die damit verknüpften Eigenschaften entstanden sind, wird durch den Wissenschaftszweig der Abiogenese erforscht. Wie das Leben entstanden ist und wie es sich von der unbelebten Materie unterscheidet, darüber gab es schon Vorstellungen in der Antike. Wie es aber zur wissenschaftlichen Erforschung der Abiogenese kam, dass soll dieser kurze historische Überblick zeigen.

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Die Entstehung des Lebens Teil 1: Definition von Leben

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Unsere Erde unterscheidet sich von den anderen bekannten Planeten vor allem durch eines: Die Existenz von Leben. Natürlich wird es andere Planeten geben, die ebenfalls Leben beherbergen und wer weiß wann, wo und ob wir jemals Kontakt zu außerirdischem Leben haben werden. Doch bleiben wir erstmal auf dem Boden der Tatsachen, bzw. auf der Erde. Diese wird von einer schier unendlichen Vielfalt an Lebensformen bevölkert: Tiere, Pflanzen, Pilze, verschiedenste Formen der Einzeller und Bakterien (Abb. 1).

Abb. 1: Die Vielfalt des Lebens

Aber: wie entstand das Leben überhaupt?

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Fossilien Tutorial

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  Betritt man ein Naturkundemuseum fallen sie einem sofort ins Auge: Fossilien. Am bekanntesten und beliebtesten sind natürlich die Dinosaurier, Eiszeittiere wie Säbelzahnkatzen und Mammuts und natürlich unsere eigenen Vorfahren. Doch was sind Fossilien überhaupt? Wie entstehen sie und was kann man aus ihnen herauslesen? Diese Fragen wollen wir hier beantworten.   Was ist ein … Weiterlesen

Evolution der Erde 16: Klima und Atmosphäre der jungen Erde

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Wetter und Klima Text als pdf (deutsch) English Version (pdf) Die an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit auf der Erdoberfläche herrschenden Temperaturen, die Niederschläge, Wolkenbedeckung und Winde oder – ganz allgemein – den augenblicklichen Zustand der Atmosphäre bezeichnen wir als Wetter. Wir alle wissen, wie unterschiedlich das Wetter sein kann – an … Weiterlesen

Sind Mutationen zufällig?

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Eine Mutation ist eine dauerhafte Veränderung des Erbguts in einer Zelle oder eines gesamten Organismus. Text als pdf Video: Die Frage, die sich immer wieder stellt ist, ob Mutationen zufällig auftreten oder nicht? Denn es mehren sich Hinweise, dass nicht alle Abschnitte des Genoms gleich stark mutieren, es gibt also einen sogenannten „mutation bias“. Zum … Weiterlesen

Gradualismus und Punktualismus

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Verläuft Evolution langsam, unmerklich und in kleinen Schritten oder macht die Natur doch große Sprünge und Evolution verläuft schneller als gedacht?

Darwin, wie übrigens die meisten Menschen im viktorianischen England, war Teil einer Kultur, die an Fortschritt und allmähliche Veränderungen glaubte. Von den Revolutionen in Frankreich und Amerika erschüttert, vertraten die Briten stattdessen die Auffassung, dass langsame, stetige Veränderungen das beste Modell für gesellschaftliche Veränderungen und Reformen seien. Als enger Freund und Schüler von Charles Lyell wollte Darwin Lyells Ansatz der allmählichen, uniformen Umwandlung der Erde auf die Biologie ausweiten. Darwin war also ein Anhänger des Gradualismus. Darwins Freund und Förderer Thomas Huxley mahnte jedoch, dass Gradualismus kein notwendiger Bestandteil der Evolutionstheorie sein muss (vgl. Prothero 2017: S. 85-86).

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Playlist Molekulare Zellbiologie

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Playlist Evolution der Erde

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Evolution der Erde 15: Archaikum und Proterozoikum: Entstehung der Kontinente

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Einführung: Das Hadaikum, Zusammenfassung

 

Im letzten Beitrag befassten wir uns mit der Geburt der Erde und des Mondes. Diese fällt in die Zeit des Hadaikums, welcher die erste halbe Milliarde Jahre der Erdgeschichte ausmachte. Im Hadaikum entstanden auch der Erdkern und Erdmantel, sowie die Erdkruste und die Ozeane. In dieser Zeitepoche wurde die Erde auch ständig von Meteoriten bombardiert, da die Trümmer des frühen Sonnensystems ständig von der Schwerkraft der Erde angezogen wurden. Das Bombardement könnte sogar den Prozess der Bildung der kontinentalen Kruste beschleunigt haben. Geochemische Daten deuten darauf hin, dass die Kruste des Erdzeitalters extrem dünn und einfach war, ohne die geologische Komplexität, die wir in der modernen ozeanischen oder kontinentalen Kruste finden. Verschiedene Belege deuten darauf hin, dass sie nur etwa 20 km dick war, verglichen mit der etwa 30 bis 50 km dicken modernen kontinentalen Kruste (Abb. 1).

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Evolution der Erde 14: Entstehung der Erde und des Mondes

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Planetenbildung

 

In unserem letzten Beitrag befassten wir uns mit der Entstehung von Sternen. Sterne bilden sich aus einer Gas- und Staubscheibe. Diese Scheibe ist auch für die Bildung von Planeten verantwortlich. In diesem Beitrag wollen wir uns mit der Entstehung unserer Erde befassen.

Während sich die Scheibe weiterdrehte, kondensierte und abkühlte, stießen die kleinen Körner des kosmischen Staubs miteinander zusammen, verklumpten durch die Anziehungskraft und wurden immer größer. Schließlich war ihre Masse groß genug, dass sie eine beträchtliche Anziehungskraft ausübten, die noch mehr winzige Materieteilchen zu ihnen hinzog und sie weiter vergrößerte, wodurch sich ihre Anziehungskraft noch einmal erhöhte. Sobald diese wachsenden Materieklumpen einen Durchmesser von etwa 1 km erreicht haben, verfügen sie über genügend Schwerkraft, um sich wie „Gravitationsstaubsauger“ zu verhalten und den gesamten kosmischen Staub in ihrer Bahn einzusaugen, während sie um die Sonne kreisen (Abb. 1).

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Evolution der Erde 13: Entstehung der Elemente und der Sterne

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Vom Sternenstaub zum Sonnensystem

 

Der letzte Beitrag widmete sich der Entstehung des Universums, der Elementarteilchen und der Bildung der ersten Elemente des Universums (Abb. 1).

Abb. 1: Urknall und Expansion des Universums

Etwa 75 Prozent der Masse der Materie im Universum besteht aus Wasserstoff, und ungefähr 25 Prozent der Masse aus Helium. Alle schwereren Elemente, einschließlich des Kohlenstoffs, aus dem wir Menschen vorzugsweise bestehen, machen nur etwa ein Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Wenn Wissenschaftler dieses eine Prozent der Materie, das nicht aus Wasserstoff oder Helium besteht, genauer untersuchen, tauchen weitere Unterschiede auf. Einige Elemente wie Kohlenstoff oder Eisen sind relativ häufig, während andere wie Beryllium oder Gold selten sind. Warum ist das so? Nun, die Antwort hat mit der Art und Weise zu tun, wie die Elemente entstehen. Im letzten Beitrag haben wir kennengelernt, dass sich während der primordialen Nukleosynthese die ersten Wasserstoff- und Helium-Kerne bildeten (mit Spuren von Lithiumkernen), diese vereinigten sich vor ca. 380.000 Jahren mit den Elektronen und bildeten die Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium. Das sind die leichtesten Elemente im Universum (Abb. 2).

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Die Waffen nieder! Friedenslogik statt Kriegslogik!

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Wir veröffentlichen hier die Pressemitteilung und die Petition der „NaturwissenschaftlerInnen-Initiative – Verantwortung für Frieden und Zukunftsfähigkeit„, da wir diese unterstützen und unterschrieben haben. Denn nur Friedenslogik statt Kriegs“logik“ ist in der Lage unsere Welt vor einem dritten Weltkrieg zu retten. Nein zur NATO und nein zur Aufrüstung!

Aufruf gegen den Ukraine-Krieg und zu den Demonstrationen für Frieden und Abrüstung

NatWiss verurteilt den Angriff Russlands gegen die Ukraine, der nicht zu rechtfertigen ist und die Regeln des Völkerrechts verletzt, mit unabsehbaren Opfern und Schäden. Gleichzeitig vergessen wir nicht, dass im Vorfeld des Krieges Warnungen und Vorschläge ignoriert, Prinzipien von Kriegsvermeidung und Friedenssicherung missachtet wurden. Das Wissen über Kriegsursachen und Friedenslösungen muss genutzt werden, um die Kriegshandlungen zu beenden und weitere Eskalationsspiralen zu vermeiden. Daher demonstrieren wir für Frieden und gegen jeden Militarismus!

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Evolution der Erde 12: Urknall und Ursprung des Universums #3: der Urknall

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Wir wissen anhand der Rotverschiebung und der Mikrowellenhintergrundstrahlung, dass das Universum expandiert. Wir wissen, dass das Universum und alle Materie in einem einzigen kleinen Punkt angefangen hat. Wir sprechen vom sogenannten Urknall.

Aber wie ist der Urknall nach unserem heutigen Wissen zustande gekommen? Falsch ist die Vorstellung, es habe einen „Urknall“ gegeben und dann seien Materie, Sterne, Planeten und Galaxien einfach so entstanden. Es ist ein wenig komplizierter. Diesen Ablauf versuchen wir in diesem Beitrag zu rekonstruieren.

Abb. 1: zeitlicher Ablauf des Urknalls

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Evolution der Erde 11: Ursprung des Universums #2: Standardmodell der Teilchenphysik und die vier Grundkräfte

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Alle Materie – Menschen, Tiere, Pflanzen und Planeten – bestehen aus Atomen. Im Kern der Atome befinden sich die positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen und in der Atomhülle die negativ geladenen Elektronen. Wir haben uns schon an anderer Stelle mit dem Bau der Atome und dem Periodensystem der Elemente befasst. Doch auch Atome sind aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt. Physiker haben ihre Kenntnisse über die kleinsten Teilchen im so genannten Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst. Im Wechselspiel zwischen vielen experimentellen Ergebnissen und verschiedenen theoretischen Modellen ist in mehreren Schritten zwischen 1961 und 1973 das „Standardmodell der Teilchenphysik“ entstanden. Obwohl es diesen bescheidenen Namen behalten hat, gilt es heute, über 40 Jahre später, als die bisher tiefste Erkenntnis, die die Naturwissenschaft über Entstehung, Aufbau und Verhalten der Materie in unserem Universum hervorgebracht hat. Alle bisher beobachteten subatomaren Vorgänge entsprechen perfekt den Vorhersagen des Standardmodells.

In diesem Beitrag lernen wir also das Standardmodell der Teilchenphysik kennen.

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Evolution der Erde 10: Ursprung des Universums #1: Indizien für die Expansion des Universums

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Einleitung

 

Bis in die ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts hinein hielten die meisten Wissenschaftler das Universum für einen beständigen Ort, den ewigen Hintergrund, vor dem die Sterne und Planeten ihre Bahnen zogen.

Aber im Jahre 1916, als Einstein sich die Folgerungen seiner Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie klarmachte, kam er zu einem beunruhigenden Schluss. Die Gleichungen zeigten, dass das Universum dynamisch war, mit anderen Worten, dass es entweder zusammenstürzen oder expandieren sollte. Was immer er auch tat, das von Einsteins Gleichungen beschriebene Universum war nicht statisch.

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Evolution der Erde 9: Raumschiff Erde, die Physik von Newton bis Einstein

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Unser Bild vom Universum und vom Sonnensystem hat sich in den letzten 500 Jahren dramatisch verändert. Damals dachten die meisten Menschen, dass die Erde eine Scheibe sei und sich im Zentrum des Universums befinde und dass die Sterne winzige Lichtpunkte auf der Himmelskuppel seien.

Doch heute wissen wir, dass die Erde ein Planet ist, welcher die Sonne umkreist (Abb. 1). Unsere Sonne ist einer von über 250 Milliarden Sternen unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Von der Erde aus lassen sich mit aktueller Technik mehr als 50 Milliarden Galaxien beobachten. Seit 2016 geht die Forschung davon aus, dass sich im beobachtbaren Universum ca. eine Billion Galaxien befinden.

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