Allgemein

Kladistik Tutorial 5: die Phylogenie der Wale

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Ein evolutionärer Stammbaum stellt die verwandtschaftlichen Beziehungen einer Gruppe von Organismen dar, wie sie nach Darwins Theorie der Abstammung mit Modifikation von gemeinsamen Vorfahren verstanden werden.

In unserem letzten Tutorial hatten wir das Prinzip der Maximum Parsimonie kennengelernt und am Beispiel von drei fiktiven Antilopenarten mittels Parsimonieverfahren ein Kladogramm erstellt. Dieses Mal gehen wir einen Schritt weiter und lernen weitere Methoden der Stammbaumrekonstruktion kennen und üben dies anhand eines realen Beispiels: der Evolution der Wale

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Entstehung des Lebens Teil 8: Entstand das Leben in der Tiefsee?

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Das Problem mit der Ursuppe   Die letzten Beiträge befassten sich mit der Herstellung von Biomolekülen unter präbiotischen Bedingungen. Wir konnten zeigen, dass nahezu alle organischen Moleküle unter natürlichen Bedingungen entstehen können. Doch das ist nur der erste Schritt auf dem langen Weg zur ersten Zelle. Tatsächlich reicht es definitiv nicht aus, einige Moleküle miteinander … Weiterlesen

Kreationismus und die Arche Noah

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Kreationisten und das Grundtypenmodell ein Großteil des Textes basiert auf Martin Neukamm: Die kreationistische Grundtypenbiologie in der Kritik Unser blauer Planet ist voller Leben. Heute sind etwa 2 Mio. Tier- und Pflanzenarten wissenschaftlich beschrieben worden. Wir wissen, dass neue Arten durch Evolution immer wieder aufs Neue entstehen oder aussterben. Religiöse Fundamentalisten sind da aber anderer … Weiterlesen

Kladistik Tutorial 4: Maximum Parsimonie

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Die Logik der Erstellung von Stammbäumen

 

Ein evolutionärer Stammbaum, auch phylogenetischer Baum genannt, ist ein Diagramm, das die Geschichte der Divergenz und des evolutionären Wandels zeigt, die von einer einzigen Vorfahrenlinie zu einer Reihe von Nachkommen führt. Mit anderen Worten, er stellt die verwandtschaftlichen Beziehungen einer Gruppe von Organismen dar, wie sie nach Darwins Theorie der Abstammung mit Modifikation von gemeinsamen Vorfahren verstanden werden.

Wir beginnen bei der Erstellung von Stammbäumen mit der Betrachtung eines Idealfalls. Anschließend gehen wir auf Komplikationen ein, die in der realen Welt auftreten.

Stellen wir uns vor, dass wir die evolutionären Beziehungen zwischen den vier fiktiven Vogelarten ableiten wollen, die wir in Abb. 1 sehen.

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Entstehung des Lebens Teil 7: Panspermie

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Darwin und die Fossilien aus dem All

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Die ältesten Fossilien, die die Existenz von frühem Leben auf der Erde bezeugen, sind etwa 3,4-3,8 Mrd. Jahre alt (Schidlowski et al. 1979, Mojzsis et al. 1996, Nutman et al. 2016). Als Charles Darwin mit seiner Theorie der natürlichen Selektion die Bildung neuer Arten erklärte, waren ihm diese frühen Spuren des Lebens nicht bekannt. Während man in Gesteinsschichten des Kambriums, also im Zeitraum von 541 bis vor 485,4 Mio. Jahren, komplexe Organismen mit Schalen, wie Muscheln und Trilobiten, findet, waren zu Darwins Zeiten aus älteren Gesteinsschichten keine Fossilien bekannt. Dementsprechend stellten sich einige Naturforscher, unwissend über die Fossilbelege aus den älteren Gesteinsschichten, die Frage, wie sich Arten anscheinend aus dem Nichts entwickeln konnten.

Otto Hahn, eigentlich Rechtsanwalt, jedoch mit einem Interesse für Naturkunde und Amateurgeologe, hatte Ende der 1870er Jahre eine Lösung: Das Leben auf der Erde stammt aus dem Weltall.

Erst wenige Jahre vorher hatte der kanadische Staatsgeologe John William Dawson (1820–1899) aus einem präkambrischen Kalkstein, der entlang des Ottawa River gefunden wurde, das Eozöon canadensis (das kanadische Tier der Morgenröte des Lebens Abb. 1) beschrieben. Deutlich grünlich-weiß geschichtete Lagen und Knollen im Kalkstein erinnerten Dawson an die Schalen von Foraminiferen, einzellige Organismen, die aus Kalzit oder Quarz einen ihren weichen Körper umhüllende Schalen bilden können. Bald darauf glaubte der Geologe Carl Wilhelm von Gümbel (1823–1898), Begründer der systematischen geologischen Landesaufnahme in Bayern, mit Eozöon bavaricum (das bayerische Tier der Morgenröte, Abb. 1) die älteste Lebensform der Erde entdeckt zu haben. Gümbel rekonstruierte Eozöon als eine Art beschalte Riesenamöbe. Hahn war von dieser Entdeckung dermaßen begeistert, dass er sich auf die Suche nach ähnlichen Fossilien in vergleichbar alten Gesteinen machte. Bald schon wurde er fündig, und nicht nur in Sedimentgesteinen. Hahn beschreibt organische Strukturen aus metamorph überprägten Gesteinen und sogar magmatischen Gesteinen, die direkt aus einer abgekühlten Schmelze entstehen (Bressan 2023).

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Kladistik-Tutorial 3: Homologie und verschachtelte Hierarchien in Kladogrammen

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Ein Kerngedanke der Evolution ist, dass alle Arten von Tieren, Pflanzen, Pilzen und Mikroorganismen, die jemals auf der Erde gelebt haben, auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Das heißt, alle Lebewesen sind miteinander verwandt und lassen sich in einem evolutionären Stammbaum darstellen. Ein solcher Stammbaum stellt die verwandtschaftlichen Beziehungen einer Gruppe von Organismen dar, wie sie nach Darwins Theorie der Abstammung mit Modifikation von gemeinsamen Vorfahren verstanden werden.

Im letzten Beitrag befassten wir uns damit, wie man einen evolutionären Stammbaum richtig lesen kann. In diesem Beitrag wollen wir klären, nach welchen Kriterien diese gemeinsame Abstammung überhaupt geschlossen wird.

Die entscheidende Evidenz für die universelle gemeinsame Abstammung ist die Homologie. Als sich in den frühen 1800er Jahren die vergleichende Anatomie und die vergleichende Embryologie entwickelten, war eines der auffälligsten Ergebnisse, dass den offensichtlichen physischen Unterschieden zwischen den Arten grundlegende Ähnlichkeiten zugrunde liegen. Die frühen Forscher nannten dieses Phänomen Homologie – wörtlich: das Studium der Ähnlichkeit.

Richard Owen, der führende britische Anatom, definierte Homologie als „dasselbe Organ bei verschiedenen Tieren in jeder Form und Funktion“.

Wie kommt es zu diesen Ähnlichkeiten im Aufbau trotz der Unterschiede in Form und Funktion? Darwin argumentierte, dass die Abstammung von einem gemeinsamen Vorfahren die logischste Erklärung ist. Mithilfe von Homologien lassen sich evolutionäre Stammbäume rekonstruieren.

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Kladistik Tutorial 2: Stammbäume richtig lesen

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Das Konzept der biologischen Evolution ist wohl eine der wichtigsten Disziplinen, die jemals durch die Anwendung wissenschaftlicher Methoden auf die natürliche Welt entstanden sind. Die Evolution aller Organismen, die heute auf der Erde leben und aus ihren Vorfahren entstanden sind, ist der Kern der Genetik, Biochemie, Neurobiologie, Physiologie, Ökologie und anderer biologischer Disziplinen.

Ein Kerngedanke der Evolution ist, dass alle Arten von Tieren, Pflanzen, Pilzen und Mikroorganismen, die jemals auf der Erde gelebt haben, auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Das heißt, alle Lebewesen sind miteinander verwandt und lassen sich in einem evolutionären Stammbaum darstellen.

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Die Entstehung des Lebens Teil 6: Chiralität und Enantiomere

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Isomerie

 

Bei vielen organischen Molekülen findet sich das Phänomen der Isomerie. Isomerie bedeutet, dass die Summenformel des Moleküls die gleiche ist, die Strukturformel jedoch eine andere. Das heißt, dass ein Molekül die gleiche Anzahl von Atomen haben kann, diese aber unterschiedlich angeordnet sein können.

Sehen wir uns hierfür als Beispiel das Propanol an (Abb.1). Propanol gehört zur Familie der Alkohole, welche durch eine OH-Gruppe als funktionelle Gruppe gekennzeichnet sind. Propanol ist ein Alkohol mit drei Kohlenstoffatomen. Beim Propanol kann die OH-Gruppe entweder an einem der äußeren Kohlenstoffatome verbunden sein, dann bezeichnet man diese Form des Propanols als Propan-1-ol (bzw. n-Propanol). Die OH-Gruppe kann aber auch am mittleren Kohlenstoffatom verbunden sein. Die Zahl der Atome, also die Summenformel, ist die gleiche (C3H8O; bzw. auch als C3H7OH). Die Position der funktionellen Gruppe jedoch eine andere, womit wir eine andere Strukturformel haben. Dieses Isomer des Propanols bezeichnet man als Propan-2-ol. Solche Strukturisomere haben dann auch andere chemische und physikalische Eigenschaften.

Abb. 1: Isomere von Propanol

Chiralität

 

Neben diesen Strukturisomeren kommt bei organischen Molekülen auch etwas vor, dass man als Chiralität bezeichnet (Abb. 2).

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Die Entstehung des Lebens Teil 5: Polymerisation von Biomolekülen

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Einleitung: Grundlagen der Polymerisation

 

In den letzten beiden Episoden haben wir das Experiment von Miller und weitere Ursuppenexperimente gezeigt, die bestätigen, dass unter abiotischen Bedingungen die Grundbausteine des Lebens: Aminosäuren, Nukleinsäuren, Zucker und Lipide auf natürliche Weise entstehen können. Diese Grundbausteine bezeichnen wir als Monomere. Man konnte belegen, dass sich praktisch alle relevanten Biomoleküle abiotisch, auf der Grundlage physiko-chemischer Gesetze bilden können.

Der nächste Schritt ist es, dass sich die einzelnen Monomere zu komplexeren Makro-Molekülen vereinigen. Man spricht hier von Polymerisation.

Aminosäuren verbinden sich zu Proteinen, Nukleotide zu RNA und DNA. Monosacharide verbinden sich zu komplexeren Kohlenhydraten. Lipide vereinen sich zu komplexeren Lipidschichten, die wir z. B. in Zellmembranen haben (Abb. 1).

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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

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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