Chapter 33: Evolutionary History

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33.2:

Verhältnisse auf der frühen Erde

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Conditions on Early Earth

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Wie sind Zellen auf dem Planeten Erde entstanden? Basierend auf experimentellen Beobachtungen glauben Wissenschaftler, dass bestimmte Bedingungen auf der frühen Erde in mehreren Schritten zur Bildung von Zellen führten. Vor rund vier Milliarden Jahren ereignete sich eine Reihe von Vulkanausbrüchen auf der Erde, die Ammoniak, Methan, Wasserstoff und andere Gase in eine Atmosphäre voller Wasserdampf brachten. Als die Erde abkühlte, kondensierte der Wasserdampf zu Ozeanen. In den 1920er Jahren vermuteten Wissenschaftler, dass UV-Strahlung oder Licht die Bildung kleiner organischer Moleküle in diesen Ozeanen verursacht haben könnte. 1952 testeten Stanley Miller und Harold Urey diese Idee im Labor. Das Miller-Urey-Experiment simulierte die frühe Atmosphäre und die Ozeane der Erde. In Gegenwart von Elektrizität beobachteten sie die Bildung von Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen. Seitdem haben Wissenschaftler vermutet, dass sich diese Bausteine in der Nähe von Hydrothermalquellen im Ozean, in der Nähe von vulkanischen Aktivitäten oder als Folge von Meteoriten auf der Erde gebildet haben. Wie haben sich die heute bekannten komplexen Moleküle gebildet? Jüngste Studien haben gezeigt, dass sich Nukleotide spontan zu Nukleinsäuren verbinden können. Dies deutet darauf hin, dass sich die frühesten Biomoleküle aus kleineren Bausteinen selbst zusammensetzen. Eine andere Klasse von Makromolekülen, Lipide genannt, kann sich selbst organisieren und Vesikel bilden, die das Innere des Vesikels von der äußeren Umgebung trennen. Die konstante Umgebung in den Vesikeln hat möglicherweise die Bildung von Protozellen erleichtert, ein entscheidender Schritt in der Evolution des Lebens. Diese Protozellen enthielten wahrscheinlich RNA als genetisches Material. Die RNA replizierte sich selbst und wurde an nachfolgende Generationen weitergegeben. Die extremen Bedingungen auf der frühen Erde ermöglichten die Bildung dieser RNA-haltigen Protozellen, aus denen sich wahrscheinlich DNA-haltige Zellen entwickelten.

33.2:

Verhältnisse auf der frühen Erde

Vor rund 4 Milliarden Jahren begannen die Ozeane der Erde zu kondensieren, während Vulkanausbrüche Stickstoff, Kohlendioxid, Methan, Ammoniak und Wasserstoff in die Uratmosphäre freisetzten. Allerdings waren zu diesem Zeitpunkt Organismen mit den Eigenschaften des Lebens noch nicht auf der Erde zu finden. Wissenschaftler führten Experimente durch um zu bestimmen wie sich Organismen entwickelten, die wachsen, sich vermehren und eine innere Umgebung erhalten konnten.

In den 1920er Jahren stellten die Wissenschaftler Oparin und Haldane die Hypothese auf, dass sich einfache biologische Verbindungen auf der frühen Erde gebildet haben könnten. Mehr als 30 Jahre später testeten Stanley Miller und Harold Urey an der Universität von Chicago diese Hypothese, indem sie die Bedingungen der frühen Erdatmosphäre und der Ozeane in einem Laborgerät simulierten. Mit Hilfe von Elektrizität als Energiequelle erzeugte das Miller-Urey-Experiment Aminosäuren und andere organische Moleküle und zeigte, dass die Umgebung der frühen Erde die Bildung biologischer Moleküle förderte. Neuere Experimente haben vergleichbare Ergebnisse erbracht und legen nahe, dass sich Aminosäuren in der Nähe von Gebieten mit vulkanischer Aktivität oder hydrothermalen Quellen im Ozean gebildet haben könnten.

Aminosäuren und kleine organische Moleküle können sich dann zu komplexeren Makromolekülen zusammengesetzt haben. Zum Beispiel führt das Tropfen von Aminosäuren oder Nukleotide in heißen Sand zu der Bildung von entsprechenden Polymere, Proteinen und Nukleinsäuren. Eine Klasse der Makromolekülen, die Lipide, könnte dann Vesikel gebildet haben und somit eine separate, innere Umgebung zur Verfügung gestellt haben. Diese Fähigkeit, das Innere vom Äußeren zu trennen, ist eine der wichtigsten Eigenschaften des Lebens. Ein weiteres Merkmal des Lebens ist der Besitz von genetischem Material. Die RNA stellte wahrscheinlich die erste vererbbare genetische Information dar. Spezialisierte Vesikel (Protozellen) enthielten wahrscheinlich RNA, die sich selbst replizieren konnte. Diese einfachen Protozellen konnten auch wachsen und sich entwickeln und damit die Voraussetzungen für die Entstehung des zellulärem Lebens der Erde schaffen.

Suggested Reading

Joyce, Gerald F., and Jack W. Szostak. “Protocells and RNA Self-Replication.” Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 10, no. 9 (September 1, 2018): a034801. [Source]

Ma, Wentao, and Yu Feng. “Protocells: At the Interface of Life and Non.” Life 5, no. 1 (March 2015): 447–58. [Source]