Urknall

Die Entstehung der Erde und des Lebens auf der Erde
Die Ausgangsbedingungen
Eines ist sicher, die Frage nach der Entstehung der Materie, des Weltalls und unserer Erde und die Frage nach der Lebensentstehung ist nicht endgültig zu beantworten. Es handelt sich hierbei nämlich um Vorgänge, die lange, sehr lange vor der heutigen Zeit schon abgeschlossen waren.

Aus den Erkenntnissen vieler Fachrichtungen, z. B. Astrophysik, Kernphysik, Kosmochemie und auch der Biochemie, lassen sich Aussagen mit hoher Wahrscheinlichkeit herleiten, die Antworten auf die Frage nach der Entstehung von Universum, Sonne, Erde und dem Leben geben können. Allerdings nur unter der Annahme, dass heute gültige Gesetzmäßigkeiten auch damals gültig waren,
Das Universum ist nach der heute weit verbreiteten Theorie aus einem "Urknall" hervorgegangen. In dessen Folge wurden riesige, unvorstellbar große Energiemengen frei. Das Weltall begann sich auszudehnen und abzukühlen, wobei Materie an verschiedensten Teilen des Universums kondensierte. So entstand auch unser Sonnensystem mit der Erde.

Das Alter unserer Sonne und ihres Planetensystems (auch unserer Erde) wird aufgrund von Altersbestimmungen an Gesteinsproben auf 4,5 bis 5 Milliarden Jahre geschätzt.

Um zu verstehen, wie das Leben auf unserer Erde entstanden ist, ist es notwendig, sich die Situation auf der Früherde zu vergegenwärtigen. Die Erde muss zunächst einige hundert Millionen Jahre lang als Protoplanet existiert haben.

Dieser verdichtete sich und muss durch den Einfluss der heißer werdenden Sonne mehr als ein Tausendstel seiner ursprünglichen Masse verloren haben. Aus der Erde wurde durch die zunehmende Verdichtung ein glühender Feuerball, der sich erst nach und nach abkühlte.

An der Oberfläche entstand eine feste "Kruste". Dieser Vorgang hat vermutlich einige hundert Millionen Jahre angedauert. Die ältesten bisher datierten Gesteine der Erde sind etwa 3,7 bis 3,8 Milliarden Jahre alt.

Auf dieser Erde konnte sich zunächst kein Leben entwickeln, es existierte allerdings schon eine Reihe einfacher chemischer Verbindungen.

Die chemische Evolution
Zur chemischen Evolution werden die Vorgänge gezählt, bei denen infolge chemischer Reaktionen verschiedene Stoffe entstanden sind. Diese waren die Voraussetzung für die Entstehung von Leben. Es sind dies Reaktionen in der Gashülle, im Wasser und auf dem Land.

Die Evolution der Erdatmosphäre
Nach ihrer Kondensation war die Erde zunächst ohne Gashülle. Diese erste (primäre) Atmosphäre, die überwiegend aus den gasförmigen Elementen Wasserstoff und Helium bestand, entschwand nämlich durch den Einfluss der Sonne in den Weltraum. Es entwickelte sich dann eine zweite (sekundäre) Atmosphäre aus der Freisetzung von Wasserdampf und anderen Gasen aus Gesteinen. Diese Gase bestanden vor allem aus Wasserstoff (), Methan (), Ammoniak (), Wasserdampf () und Hydrogensulfid () . Daneben bildeten sich auch die ersten Ozeane (Urozeane).

Die Gase mit geringer Dichte, vor allem Wasserstoff, diffundierten in den Weltraum. Zwischen den anderen Gasen spielten sich unter dem Einfluss von UV-Strahlung und radioaktiver Strahlung auch chemische Reaktionen ab. So bildete sich eine dritte (tertiäre) Atmosphäre, die vor allem durch einen hohen Anteil an Kohlenstoffdioxid (), Kohlenstoffmonooxid (CO) und Stickstoff () gekennzeichnet war. Freier Sauerstoff fehlte hier mit großer Sicherheit noch, da frühe Mineralien, z. B. Pyrit (), bei Anwesenheit von Sauerstoff leicht oxidiert worden wären.

Vor etwa 4 Milliarden Jahren war die Uratmosphäre also weitgehend sauerstofffrei. Später, vor etwa 1,5 Milliarden Jahren, bildeten sich erste voll oxidierte Mineralien, z. B. Eisenoxide
(). Ab dieser Zeit war also Sauerstoff hinzugekommen. Die Menge muss zu diesem Zeitpunkt mindestens ein Hundertstel der heute in der Atmosphäre befindlichen Sauerstoffmenge betragen haben.

Fassen wir die bisherigen Bedingungen zusammen, so war die Situation auf der Urerde vor etwa 4 Milliarden Jahren die folgende:
In einer für heutige Verhältnisse äußerst giftigen Uratmosphäre befand sich eine Mixtur von Kohlenstoffoxiden, Methan, Ammoniak, Hydrogensulfid und Wasserdampf sowie einige weitere einfache gasförmige Verbindungen. Weiterhin existierten einige Urozeane und sicherlich einige kleinere stehende Gewässer, die vermutlich unterschiedliche Ionengehalte und Zusammensetzungen aufwiesen. Die Sonne strahlte zu diesem Zeitpunkt mit einer wahrscheinlich deutlich geringeren Energie als heute, allerdings weitgehend ungehindert durch die Atmosphäre, auf die Erde.

Es handelte sich um äußerst lebensfeindliche Bedingungen. Trotzdem war dies nach den Vorstellungen der Wissenschaftler die "Brutstätte" für das Leben auf der Erde.

Entstehung von Makromolekülen
Die wesentliche Frage, die sich vielen Wissenschaftlern stellte und noch stellt, ist, wie sich aus einfachen chemischen Verbindungen kompliziertere gebildet haben könnten, die als Voraussetzung für die Bildung lebender Strukturen angesehen werden können.

In verschiedensten Modellexperimenten wurde versucht, die damaligen Bedingungen zu simulieren.

Die bekannteste Experimentreihe wurde von STANLEY L. MILLER (1930 – 2007) durchgeführt. Die entsprechenden Gase der sekundären Atmosphäre waren bekannt. Als Energiequellen kamen neben der Strahlung der Sonne noch Vulkanismus, die Radioaktivität des jungen Gesteins und Gewitter infrage. Entsprechend baute MILLER seine Experimentanordnung auf. Er füllte in eine Glasapparatur die Gase der Uratmosphäre und führte sie in einen Kreislaufprozess, wobei er elektrische Entladungen einwirken ließ und Teile der Apparatur beheizte. Durch nachfolgende Abkühlung kondensierte der Dampf. Dieser klassische Versuch, der im Jahr 1952 durchgeführt wurde, brachte ein interessantes Ergebnis. In der simulierten Ursuppe fand man nach einiger Zeit etwa zwanzig verschiedene chemische Verbindungen, unter denen sich neben Kohlenstoffoxiden auch organische Verbindungen wie Aminosäuren, Essigsäure und Harnstoff befanden. In der Folge wurden vergleichbare Experimente mit verschiedensten Modifizierungen durchgeführt. So wurden die Gase und deren Konzentration sowie die Art der Energiequellen und die Feuchtigkeit im Versuchsansatz variiert. Weiterhin setzte man Mineralien zu, von denen man eine Wirkung als Katalysator chemischer Reaktionen erwartete. Es gelang über hundert verschiedene organische Stoffe aus einfachen Ausgangsstoffen herzustellen.

All diesen Versuchsaufbauten war und ist gemeinsam, dass sie nur in reduzierenden Atmosphären nennenswerte Ergebnisse bei den organischen Synthesen liefern, d. h. bei Abwesenheit von Sauerstoff. So gesehen war die Uratmosphäre tatsächlich das ideale Labor zur Synthese organischer Substanzen, denn in der heutigen oxidierenden Atmosphäre wäre die abiotische Bildung organischer Substanzen nicht mehr möglich. Der erste Schritt war getan. Aus "unbelebter" Materie lassen sich also organische Substanzen herstellen, die sonst von Lebewesen gebildet werden.

So könnte es auch damals vor etwa vier Milliarden Jahren gewesen sein, als sich in kleinen stehenden Gewässern oder abgeschirmten Buchten die gebildeten Substanzen anreicherten und als Ursuppe dafür sorgten, dass diese Makromoleküle untereinander in Wechselwirkung treten konnten.
Aber war das auch so?

Bis heute ist es nicht gelungen, experimentell Lebewesen zu erzeugen. Wie die Entstehung von ersten Lebewesen auf der Früherde aus den organischen Stoffen erfolgt ist, kann wieder nur durch Simulationsexperimente und Beobachtungen verdeutlicht werden.

Entstehung von Biomembranen
Biomembranen haben die Aufgabe, Räume zu bilden, die gegen die Umwelt mehr oder weniger abgegrenzt sind.
Im einfachsten Fall kann man sich diese Membranen als bewegliche Doppelschichten von größeren Molekülen vorstellen. Es sind in der Regel Proteine und Lipide an der Bildung beteiligt, die eine bestimmte Anordnung besitzen.

Wenn man wasserunlösliche Stoffe, z. B. Fettsäuremoleküle, in Wasser gibt, dann bildet sich ein einschichtiger Film von Fettsäuremolekülen an der Wasseroberfläche. Durch mögliche Wellenbewegungen lagern sich die Moleküle zu Lipid-Doppelschichten zusammen, die auch Tröpfchenformen annehmen und hierbei auch verschiedene Substanzen einschließen können. Solche Lipid-Doppelschichten können als Modelle für erste Biomembranen dienen.
Koazervate und Mikrosphären als Vorläufer der Zelle
In einigen Modellexperimenten gelang es unter anderem ALEXANDER IWANOWITSCH OPARIN (1894 – 1980), erste Anzeichen für Wachstums- und abbauende Stoffwechselprozesse zu erhalten, als er unter gezieltem Einsatz von bestimmten Makromolekülen Löse- und Entmischungsexperimente durchführte. Es bildeten sich in der Lösung Tröpfchen von Makromolekülen. Diese wurden Koazervate genannt. Sie waren in der Lage, Stoffe aus der Umgebung durch ihre Membranen aufzunehmen und auszuscheiden.

Der amerikanische Forscher SIDNEY W. FOX (1912 – 1998) berichtete von seinen Versuchen, dass es ihm gelungen war, aus einem Gemisch von Aminosäuren Stoffe herzustellen, die von Eiweiß abbauenden Enzymen zerstört werden konnten. Diese seien aufgrund ihrer Struktur als eiweißähnliche Substanzen aufzufassen, als sogenannte Proteinoide. Im Jahre 1959 gelang FOX die Bildung von kugeligen Partikeln, die die Größe von Kokken hatten. Er bezeichnete diese bei der Abkühlung von Proteinoid-Lösungen erhaltenen Partikel als "microspheres" (Mikrosphären). Die Mikrosphären waren relativ stabil und zeigten eine Doppelmembran. Auch in diesen Mikrosphären konnten Anzeichen für Stoffwechselaktivität und Wachstum gefunden werden.

Gegenüber echten Zellen kann man diese Modelle der Zellbildung allerdings nur als abgegrenzte, mit verschiedenen Substanzen gefüllte Reaktionsräume bezeichnen. In der Literatur ist dafür die Bezeichnung "einfache Beutel voller Chemikalien" zu finden.
Vom Makromolekül zum Mikroorganismus
Hinter der bekannten und durchaus witzig anmutenden Frage, was zuerst da war, das Huhn oder das Ei, verbirgt sich ein Problem, das erst durch die Versuche von LOUIS PASTEUR (1822 – 1895) im Jahr 1860 in einem ersten Schritt beantwortet wurde. Er konnte nachweisen, dass Organismen, selbst ganz einfach gebaute wie die Bakterien, nicht einfach aus dem Nichts oder aus Dreck entstehen können, sondern lebende Vorfahren haben müssen.
Der Beginn der biologischen Evolution ist ebenso wie die chemische Evolution nur aufgrund von Simulationen oder vergleichenden Betrachtungen möglich. Ihr Beginn ist dadurch gekennzeichnet, dass sie auf ein Lebewesen bezogen ist, also auf ein komplexes Gebilde, das mehr ist als die Summe von Molekülen. Durch das Zusammenwirken von Molekülen entstanden erste lebende Systeme. Sie nahmen organische Stoffe auf und zersetzten organische Stoffe; sie waren heterotroph. Um zu überleben, mussten die einfachen Organismen neue Energiequellen erschließen. Man nimmt an, dass einige erste Lebensformen, z. B. Bakterien, durch Fotosynthese Lichtenergie in chemische Energie umwandeln konnten, dass bei ihnen verschiedene Formen von Chlorophyll entstanden waren. Sie ernährten sich autotroph. Für viele Lebewesen bedeutete der Sauerstoff in der Atmosphäre den Tod, andere waren in der Lage, den Sauerstoff zu verwerten. So veränderte sich durch Fotosynthese und Atmung das Leben in der Ursuppe.