entstehung des Lebens

Evolution des genetischen Codes: Ein uraltes Rätsel

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Intro Wie entstand der genetische Code und die Ribosomen? Tauchen Sie ein in deren evolutionären Ursprünge und die RNA-Welt. Was hat Rizin mit Ribosomen zu tun? Im Osten Afrikas wächst eine Pflanze — Ricinus communis, auch Wunderbaum genannt. Aus ihren Samen wird Rizinusöl gewonnen. Doch dieselben Samen enthalten auch eines der giftigsten natürlichen Substanzen, die … Weiterlesen

Wie entstand dein Herz? – Die Evolution des Kreislaufsystems | Bauplan des Lebens #02

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Intro[1] Vögel und Säugetiere haben dasselbe vierkammerige Herz. Gleiche Architektur. Gleiche Kammern. Gleiche Aufteilung in Lungen- und Körperkreislauf. Aber ihre gemeinsamen Vorfahren — frühe Reptilien — hatten es noch nicht. Das bedeutet: Das Vierkammerherz entstand nicht einmal. Es entstand zweimal. Unabhängig voneinander, in zwei völlig verschiedenen Tierlinien, unter demselben Selektionsdruck. Das ist konvergente Evolution. Und … Weiterlesen

Warum du ohne Bakterien nicht existieren würdest – Endosymbiontentheorie| von LUCA zum Menschen #02

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Intro: Du bist nicht nur Du Du bestehst nicht nur aus deinen eigenen Zellen. Ein Teil von dir… war einmal ein eigenständiges Lebewesen. Und nicht nur irgendeines – sondern ein Bakterium, das vor Milliarden Jahren von einer anderen Zelle verschluckt wurde. Normalerweise endet so etwas mit Verdauung. Aber in diesem Fall… ist etwas völlig anderes … Weiterlesen

Woher kommt alles Leben? LUCA und die drei Domänen | Von LUCA zum Menschen #01

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Intro: Der seltsamste Verwandte der Welt[1] Es gibt ein Lebewesen, das in kochend heißen Vulkanspalten lebt, in konzentrierter Säure gedeiht und ohne Sauerstoff überlebt. Es ist kein Science-Fiction-Konstrukt — es lebt gerade jetzt, auf diesem Planeten. Und es ist mit dir verwandter als mit einem Bakterium. Alles Leben auf der Erde geht auf einen einzigen … Weiterlesen

Von Luca bis Eva – die komplette Evolution des Menschen Teil 0: Die Entstehung des Lebens (Transkript)

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Dieses ist das Transkript des Videos. Einführung   Wenn man über die Evolution des Menschen spricht, beginnt man normalerweise mit der Trennung unserer gemeinsamen Vorfahren mit Schimpansen und Bonobos vor 6-7 Mio. Jahren oder mit Auftreten der ersten Primaten in der späten Kreidezeit. Da wir Menschen zu den Primaten gehören, klingt dieser Startpunkt einleuchtend. Doch … Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 15: Von der RNA-Welt zur DNA-Welt

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Die RNA-Welt und Spiegelmans Monster Text als pdf Mitte der 1980er Jahre machte man die überraschende Entdeckung, dass RNA sich wie ein Katalysator verhält. RNA bildet nur selten eine Doppelhelix, stattdessen aber kleiner kompliziert geformte Moleküle, die sich gegenseitig einander zur Katalyse bereitstellen. In einer hypothetischen RNA-Welt übernimmt diese gleichzeitig die Rolle der Proteine und … Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 14: Die RNA-Welt

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Allgemeiner Aufbau der Nukleinsäuren Text als pdf Eine wichtige Frage, die sich mit dem Ursprung des Lebens beschäftigt, ist der Ursprung des genetischen Materials. In den letzten Episoden hatten wir uns mit den Ursprüngen des Stoffwechsels befasst in den hydrothermalen Schloten der Tiefsee. Doch erst mit der „Erfindung“ der Vererbung konnte sich das Leben aus … Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 13: Evolution der ATP-Synthase

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ATP ist sowas wie die Währung des Stoffwechsels (Abb. 1). Ohne ATP läuft nichts. ATP steht für Adenosin-Tri-Phosphat und speichert quasi die Energie, die wir zum Leben brauchen. Synthetisiert wird ATP mittels der ATP-Synthase, einem Transmembranprotein. ATP ist eine energiereiche Verbindung, deren Bildung der Zufuhr von Energie bedarf. Um diese Energie aufzubringen, koppelt die ATP-Synthase … Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 12: Wie entstand die erste Zelle?

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Im letzten Beitrag lernten wir die ersten Stoffwechselprozesse der Protozellen kennen, die in den hydrothermalen Schloten einen natürlichen Protonengradienten ausnutzten, um den Energie- und Kohlenstoffwechsel anzutreiben.

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Entstehung des Lebens Kapitel 11: Der steinige Weg zu LUCA

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Im  letzten Beitrag haben wir mithilfe der Phylogenetik ermitteln können, über welche Eigenschaften LUCA verfügte. LUCA war chemiosmotisch, mit einer ATP-Synthase, hatte aber weder eine moderne Membran noch einen der großen Atmungskomplexe, die moderne Zellen zum Pumpen von Protonen verwenden. LUCA verfügte tatsächlich über DNA und den universellen genetischen Code, Transkription, Translation und Ribosomen, aber hatte keine moderne Methode der DNA-Replikation entwickelt. Diese seltsame Phantomzelle lebte nicht im offenen Ozean, sondern in der Umgebung der alkalischen hydrothermalen Schlote. Der entscheidende Aspekt ist aber, wie LUCA seine Energie für den Stoffwechsel gewonnen hat. Phylogenetische Untersuchungen sind wegen des horizontalen Gentransfers schwierig, es gibt aber Hinweise darauf, dass LUCA aus CO2 und H2 organische Stoffe herstellte und dafür den reduktiven Acetyl-Coenzym-A-Weg nutzte.

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Die Entstehung des Lebens  Kapitel 9: Die Bedeutung und Ursprünge des Stoffwechsels

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Im letzten Beitrag haben wir festgestellt, dass die Weißen Raucher in der Tiefsee ideale Bedingungen für die Entstehung von Leben liefern können: ein hoher Kohlenstoff- und Energiefluss, der physikalisch über anorganische Katalysatoren geleitet wird und so eingeschränkt ist, dass sich hohe Konzentrationen an organischen Stoffen ansammeln können. Die hydrothermalen Fluide sind reich an gelöstem Wasserstoff und enthalten geringe Mengen anderer reduzierter Gase wie Methan, Ammoniak und Sulfid (Russel et al. 1988, 1994, 1998, 2003, 2013, Russel 2003, 2011, Russel & Hall 1997, 2002, Herschy 2014, Herschy et al. 2014, Lane et al. 2010, Lane 2017, Martin et al., 2008, 2014, Martin & Russel 2003, 2007, Martin 2012, Nitschke & Russel 2009, Branscomb & Russel 2018a,b). Lost City und andere bekannte alkalische Schlote (Kelley et al. 2001, 2005, 2007) sind mikroporös – es gibt keinen zentralen Schornstein, sondern das Gestein selbst ist wie ein mineralisierter Schwamm, mit dünnen Wänden, die miteinander verbundene Poren von Mikrometern bis Millimetern Größe voneinander trennen und insgesamt ein riesiges Labyrinth bilden, durch das die alkalischen hydrothermalen Fluide sickern (Abb. 1). Da diese Fluide nicht durch Magma überhitzt werden, begünstigen ihre Temperaturen nicht nur die Synthese organischer Moleküle, sondern auch langsamere Fließgeschwindigkeiten. Die Fluide werden nicht mit rasender Geschwindigkeit herausgepumpt, sondern schlängeln sich sanft über katalytische Oberflächen. Und diese Schlote bleiben Jahrtausende lang bestehen, im Fall von Lost City mindestens 100.000 Jahre.

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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

Entstehung des Lebens Teil 7: Panspermie

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Darwin und die Fossilien aus dem All

Text als pdf

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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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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