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6. Kapitel

DIE GESCHICHTE DER MATERIE

5. Zyklus

Die ersten Bausteine des Lebens vor 4 Milliarden Jahren.
Üd.:04.2004

Heute gibt es gefestigte Theorien über die Entstehung des Lebens, doch einen gesicherten Beweis wie und wodurch die erste lebende Zell sich entwickelte hat haben wir bis heute nicht. Wahrscheinlich war es ein biologischer Zufall dessen Zeitpunkt, Ort und Anlass bis heute niemand beweiskräftig rekonstruieren kann.
Angesichts der höllischen Zustände in den Anfängen der Erdgeschichte stellte sich überhaupt die Frage nach der Möglichkeit für die Entstehung des Lebens. Viele Millionen Jahre kreiste die Erde als brodelnden Klumpen um die Sonne. Doch vorn circa 3,6 Milliarden Jahre bildeten sich im Wasser der frühen Ozeane erste organische Moleküle. Doch zu den größten Herausforderung der Evolutionsforschung zählte Anfang des 20.Jahrhunderts das Rätsel über die Ursache für diesen biologischen Urknall?
Stanley Miller stellte sich diese Frage in den 50er Jahren, und somit war er einer der ersten Forscher der dieses Rätsel im Experiment lösen wollte.
1953 konstruierte der Chemie-Doktorand  in seinem Labor, der Universität von Chicago, eine Uratmosphäre aus Wasserstoff, Methan, Ammoniak und Wasserdampf. Dieses Gasgemisch füllte er in einen abgeschlossenen Behälter mit kochendem Wasser, der mit vielen Messgeräten versehen war.
Nach seiner Meinung war diese Ur-Atmosphäre in Verbindung mit dem kochendem Wasser der Ozeane der Indikator für die Entstehung des Lebens. Mit elektrischen Entladungen simulierte er die gewaltigen Gewitter, die in der damaligen Atmosphäre unablässig stattfanden. Die Folge war, dass sich in dieser chemischen Ursuppe, durch elektro-chemische Reaktionen, Eiweißbruchstücke in Form von Aminosäuren angreicherten. Dies war das erste Modell, dass den Beweis erbrachte, dass die Entstehung des Lebens durch einen chemischen Vorgang möglich ist. Die Testergebnisse waren zu dieser Zeit eine Sensation und erbrachten zumindest die Möglichkeit aus Wasser und Gas grundlegende Lebensbausteine herzustellen. Tausendfache Laborversuche bestätigten Millers Nachweis und stellten alle damaligen religiösen und wissenschaftlichen Theorien, über die Geburt des Lebens, in Frage. 
Doch die experimentelle Ursuppe hätte noch tausend Jahre vor sich hinköcheln können, ohne dass sich aus den ersten Proteinschnipseln nur ein einziges komplexes Protein oder RNA-Molekül gebildet hätte. 

Günter Wächterhauser Chemie-Professor aus  München vermutet  vielmehr, dass die Entstehung ersten organischen Subtanzen am Meeresboden entstanden sind, und zwar durch die elektrischen Entladung  der "Pyritkristalle".
Aus dem Erdinneren der Urmeere  stießen die  sogenannten "Schwarzen Raucher" (vulkanische Bodenöffnungen) Schwefelgase mit gelöstem Eisensulfid aus dem kochenden Wasser aus. Dieses Eisensulfid reagiert mit freiem Sulfid zu Pyrit, besser bekannt als Katzengold. Noch heute bildet sich “Pyrit” aus dem Schwefel- und Mineralreichem Wasser, das mit einer Temperatur von über 100°C am Boden der Ozeane zu finden ist. An der Oberfläche des positiv geladenen Metalls, sammeln sich viele frei, im Meerwasser herumschwimmende,  negativ geladene Moleküle. Durch die Anreicherung  chemischer Verbindungen kommt es, nach Wächtershäusers Theorie, zu vielfältigen Reaktionen, bei denen Stoffe wie: Essigsäure, Pyruvat, aber auch Aminosäuren und Lipide entstehen; Stoffe die in allen Lebewesen von entscheidender Bedeutung sind. Durch die ionisierte Bindungsenergie blieb der Molekular-Zyklus auch ohne Zellhülle in seinem Verbund. Schon bei geringen Temperaturänderungen trennen bzw. reißen sich Nukleotide der RNA-Moleküle von ihrem Basisstrang los und gehen neue Verbindungen ein. So war den Evolutionsforscher auch klar, das kein irdisches leben  ohne Eiweiße und Gene existieren können, beide sind innig verbunden. "Gene machen Eiweiße und Eiweiße machen Gene"
Ein weiterer Beweis für die selbstreplizierende Fähigkeit von Molekülen gelang den  amerikanische Biologen 1982 durch die Entdeckung der "Ribonukleinsäure".
siehe: Ribozyme 

Panspermie-These DIE ERSTEN Lebensbausteine aus den Weltraum?
Erneute Untersuchungen über organische Substanzen erbrachten die These, dass in der Anfangszeit der Erdentwicklung Lebensbausteine aus dem Weltraum auf unseren Planeten gelangten, die für die Evolution des Lebens entscheidend waren. Wie schon erwähnt, enthält der interstellare Staub, der das All durchzieht, eine Reihe potenziell lebenserzeugender Moleküle die sich u.a. aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel zusammensetzen.  Meteoriten die auf die Erde niedergehen sind somit Träger solcher organischern Subtanzen. Über eine halbe Milliarden Jahre wurde die Erde nach ihrer Entstehung unablässig von Meteoriteneinschläge überschüttet. Schon bald überzog den leblosen jungen Planeten eine dunkle organische schmierige Schicht, ein kohlenstoffreicher Film der vom Regen und den Meteoriten abgelagert wurde. Nach Ansicht des belgischen Biochemikers und Nobelpreisträger Christian de Duve formten sich irgendwo auf dieser Urerde, in diesem organischen Schmierfilm, größere Molekularanordnungen aus den Kohlenstoff- und Eiweißverbindungen, die sich irgendwann vervielfältigten und schließlich zu den ersten Einzellern führte. Möglicherweise gelangte dieser tiefgekühlte Sternenstaub schon während die Erde noch von glutflüssiger Lava bedeckt war in den Urozean wo sich dann die ersten Zellstrukturen entwickelten.
Obwohl nur 1/1000stel dieser Mitreisenden Aminosäuren überlebten, konnten sie die Entwicklung der organischen Natur in Gang gebracht haben. Noch heute, so schätzt man, rieseln mehrer 100 Tonnen dieser organischen Molekühle auf die Erde, so dass eine permanente Chance für eine biologische Weiterentwicklung bestand. 
Aber können Lebewesen überhaupt die Wucht und die Hitze eines Aufpralls, sowie die Reise durch die eisige Leere des Universums mit seinen tödlichen UV- und Gammastrahlen überleben und dies womöglich über Hundertausenden von Jahren?
Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Günter Fuhr (Humboldt- Universität Berlin) und Forscher von Cloude-Alain Roten am Institut de Genetique et de Biologie Microbiennes der Universität Lausanne (Schweiz) haben zahlreiche Mikroben und Bakterien wie z.B. die Archaea, Schneealgen und Bärtierchen (Tardigardia) untersucht und staunten über ihre Widerstandsfähigkeit. Diese urtümlichen Lebensformen fühlten sich in kochendem Wasser genauso wohl wie unter einer kilometerdicken Eisdecke. Tödliche Gammastrahlen von 250facher stärke widerstanden sie ebenso wie den Aufprall einer Kanonenkugel, oder den 6000fachen Atmosphärendruck. So ist zumindest der Beweis erbracht, dass die Urformen des irdischen Lebens auch den Anforderungen im schutzlosen Vakuum des Universums widerstehen können.

1999 ist die Panspermie-Hypothese durch Experimente, unter der Leitung des NASA - Astrologen Lou Allamdala erneut  bestätigt worden. Danach entsteht, in den Staub- und Gaswolken explodierenden Sterne, unter Einfluss von UV-Strahlen "Wasser". In diesem Weltraumwasser formen sich  Kohlenwasserstoffe zu Zellgroßen Tröpfchen, welche die tödliche Strahlung resorbierten und somit die organischen Moleküle in ihrem Inneren vor der Zerstörung schützten. Da Kometen zum größten Teil aus Wasser besten, dass nur schmilzt wenn sie in der Nähe einer glühenden Sonne kommen, könnten Zellen, Mikroben oder chemische Verbindungen viele Millionen Jahr in den Kometen überleben. Auf unsere Erde regnet es täglich Tonnen des kosmischen Staubs herab, so dass der Mythos: 

Vom Himmel -"Uranos" der die Erde "Gaia" befruchtet- in seiner modernen Version sich als realistisch bewahrheiten.

Die Geschichte über das Lebens aus dem Weltraum ist bis heute wohl auch noch nicht zu Ende gedacht.
siehe Link: 
"Hinweise auf Organismen auf Mars und Jupitermond"

"Sind wir allein im Universum"

Kohlenstoff-12-Isotop: BAUSTEIN DES LEBENS
WIE aber wurde aus Molekülen lebende Organismen?
1995 entdeckte der US-Geologe Steven Mojzsis in den Einöden Grönlands in dem ältesten Gestein der Erde, winzige Kohlenstoffkörner die in den Eis- und Erdschichten seit Urzeiten  eingeschlossen waren. Mit Hilfe der Ionensonde konnte man die verschiedenen Kohlenstoff-Isotope Analysieren. Lebende Organismen verwenden bevorzugt, zum Bau ihrer  Aminosäuren und DNS, dass Kohlenstoff-12-Isotop, da dieses etwas leichter reagiert  als Kohlenstoff-13, das in seinem Kern ein Neuron mehr besitzt. Tatsächlich enthielten die Proben aus Grönland außergewöhnlich hohe Anteile an Kohlenstoff-12. Somit waren diese urzeitlichen Kohlenstoffpartikel der sensationelle Beweis für die Überreste von Kleinstlebewesen vor 3,9 Milliarden Jahren.
In diesem frühen Entwicklungsstadium der Erde begann die Endphase der schweren und zahlreichen Einschläge der Meteoriten und Asteroiden. Die Uratmosphäre bestand zu diesem Zeitpunkt aus Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Wasserdampf und Stickstoff (Ammoniak wie H. Miller vermutete enthielt die Atmosphäre nicht). Dennoch gab es zu dieser Zeit Leben in Form von Bakterien.
Ein weiteres Beispiel, dass in dieser Zeit der kochenden Ozeane, die Vorboten des Lebens aufgekeimten, zeigen  die Analysen des gemeinsamen Gen-Codes aller irdischen Kreaturen, die der Göttinger Physikchemiker und Nobelpreisträger Manfred Eigen durchgeführt hat. Er konnte nachweisen, dass die Sprache des Erbgutes schon vor 3,8 Milliarden Jahren entstanden ist.

Wie war das möglich?
Die häufigsten Subtanzen auf der Urerde bestanden aus einfachen Strukturen und Verbindungen: Gase mit nur einem Kohlenstoffatom pro Molekül, wie z.B. Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Die wichtigsten Bausteine des Lebens sind aber Kohlenhydrate (Zucker), Lipide (Fette) und Aminosäuren (Eiweiße), sie enthalten Dutzend von Kohlenstoffatome. Viele dieser Molekühle müssen sich ihrerseits zu Polymerketten und anderen Molekülanordnungen verbinden, um somit die Voraussetzung für das Leben zu schaffen.
Durch die harte UV-Strahlung waren die damaligen Voraussetzungen für solche stabile chemische Reaktionen recht ungünstig. Die Strahlung spaltete die Molekülverbindungen ebenso schnell auf, wie sie sich bildeten. Die ersten komplexen Kohlenstoffverbindungen brauchten also Schutz vor der Sonnenstrahlung.
Neuere Forschungen belegen, dass offenbar "Minerale" an allen wichtigen Schritten bei der Entstehung des Leben passiv und aktiv beteiligt waren. So haben Forscher nachgewiesen, dass Elemente aus gelösten Mineralien, etwa Schwefel, als biologische Moleküle eingebaut wurden. Schutz vor der zerstörerischen UV-Strahlung boten zunächst unzählige winzige Kammern im Gestein. Das alleine reichte aber nicht aus um Molekülschnipsel zu komplexen Veränderungen zu organisieren. Der aktive Ur-Katalysator, so stellten die Wissenschaftler fest, war die elektrisch geladene Oberfläche einiger Mineralien, wie zum Beispiel "Ton" oder der "Pyritkristall". Durch die ionisierte Anziehung der Mineralstoffe kam es zur Zwischenlagerung von organischen Molekülen. Diese erzwungene Annäherung erzeugte wiederum chemische Reaktionen die zu komplexen molekularen Verbindungen
führte.
In einer Aufsehen erregenden Versuchsserie wiesen amerikanische Forscher vom "Rensselaer Polytechnic Institute" im Staat New York nach: "Tone" können als Gerüst für die Bausteine der RNA dienen. Aus diesen chemischen Reaktionen wurde aus kosmischen oder irdischen Molekülklumpen zellähnliche Strukturen die unter anderem auch zu Fettsäuren führte, sogenannte "Micellen". Chemische Analysen ergaben, dass Misellen bereits Verbindungen  enthielten, die der späteren RNS (Ribonukleinsäure) ähnlich waren und somit genetische Informationen speichern konnten. Dies wäre die wichtigste biologische Voraussetzung für eine organische Vermehrung.
So nehmen viele der Evolutionswissenschaftler an:

- Das die Evolution des Leben mit einem replizierende Molekül, unter dem aktiven Schutz der Mineralien, ihren Anfang nahm -

Gene bearbeiten Untereinheiten von DANN. Die DNA ist eine beträchtliche chemische Informationen Datenbank, die das komplette Set der Anweisungen für alle Proteine trägt, die, eine Zelle überhaupt benötigt.  Jedes Gen enthält ein bestimmtes Set Anweisungen für ein bestimmtes Protein sind normalerweise codiert. Die DNA existieret als zwei lang, zusammengepasste Fasern in Form der berühmten doppelten Schnecke. Jede Faser besteht aus Millionen der chemischen Bausteine, die Basen genannt werden.  Während es nur vier unterschiedliche chemische Basen  (Adenin, thymine, Cytosin und Guanin) existieren. Durch die Anordnung der Basispaare lässt sich feststellen, wie viele spezifische Zeichen des Alphabetes kombiniert wurden, welche vorhandenen Informationen in Form von Wörter und Programmsätze sich bilden.

Es stellte sich nun die Frage, wie konnten die ersten RNA-Moleküle sich selbst vervielfältigen?
Ein Einzelstrang RNA kann seine Basenpaare komplementär an ein zweites Basenpaar andocken. Wenn dieser zweite Strang nun wiederum einen dritten Strang mit dessen Basenpaar ebenfalls komplementär anzieht, liegt das erste RNA-Molekül in seiner Ausgangsform vor. So kopierte sich die erste RNA selbst und diente als Vorläufer-DNA für zukünftige Erbinformationen, allerdings mit vielen Fehlern und Ungenauigkeiten gegenüber der Ausgangsmatrize. Die bahnbrechende Neuerung in der Entstehung des Lebens war, die Verdoppelung der Moleküle mit der Möglichkeit zu entwicklungsgeschichtlicher Verbesserung durch Variationen, Konkurrenz und Selektion. Die Chance der Evolution war die Selektion durch fehlerhafte Kopien, dessen Varianten sich zum Beispiel als stabiler oder angepasster und somit als vorteilhafter erwiesen
- Eine Darwinsche Evolution auf molekularer Ebene-
 

Bei den Evolutions-Wissenschaftlern bestand kein Zweifel mehr daran:
"Das Leben auf unserem Planeten hat mit einer Nukleinsäure begonnen, die sich selbst reproduzierte"   

Die Bildung von Pyrit könnte die erste Energiequelle des Lebens gewesen sein. Das dieser Prozess biochemische Reaktionen antreiben kann, belegen die Experimente des Regensburger Forschers Martin Keller

Zitronensäure- Zyklus

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Aufbau der Zelle


 

 

 

 

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Durch unzählige Molekularverknüpfungen entwickelten sich Mutanten, die dem Aufbau einzelner Aminosäuren, Nukleinsäuren, bis hin zum Zyklus der Zitronensäure entsprachen. Als dann Peptidverbindungen ihre Nebenprodukte, in Form von Fetten, zu nutze machten, entwickelte sich daraus die wichtige Schutzhülle für die Zellorganellen. Diese Zellmembran war nun die letzte Entwicklungsstufe für einen in sich geschlossenen Organismus, der die kleinste Einheit des Lebens darstellt. Diese Zelleinheit beinhaltet durch die Doppelhelix (Doppelspirale) der DNA alle (Erb)- Informationen in Form von Genen, die für den Aufbau des Lebens nötig sind.


Eine weitere und neue These über die Entstehung des Lebens entwickelt zur Zeit der Physikprofessor Hauke Trinks. Seine These:
"Eis als als kalter Brutkasten für die ersten Zellen des Lebens".

Seine Forschungsergebnisse aus dem ewigen Eis zeigen, dass Eis aus gefrorenem Salzwasser, gegenüber Süßwasser, eine besondere Eigenschaft aufweist. Es sammelt sich, wie in einem Schwamm, eine flüssige Salzlake an. An den Grenzflächen zwischen fester und flüssiger Form sammeln sich im gefrorenem Salzwasser  Bakterien. Die Temperatur ist zwar unter Null Grad, aber sie ist konstant, dadurch können sich im Winter im Eis Nährstoffe anreichern. Mit dem ersten Tageslicht im Frühjahr vermehren sich Algen und Plankton explosionsartig, wobei sie im Sommer wieder absterben. Ihre Verwesungsprodukte sind die Nahrungsvorräte der Bakterien, -So der Physiker Trinks-
Die Bakterien haben sich zwar im Laufe der Jahrmillionen verändert. Die physikalischen Bedingungen seien aber die selben wie vor 4 Milliarden Jahren, als das Leben entstand. Einst haben sich vermutlich, in den Urozeanen, organische Moleküle, Aminosäuren und Proteine gebildet. Das alleine genügte aber nicht um Leben herzustellen. Die unterschiedlichen Moleküle mussten durch Selektion und molekulare Anreicherung sortiert werden. Und genau dies habe sich im Eis abgespielt. Durch Strömungen im Eis werden konzentrierte Lösungen und Subtanzen in ihre Bestandteile getrennt. Das Eis wirkt dabei als Katalysator, wobei freigesetzte Produkte sich durch Strömungsverschiebungen mit anderen Subtanzen anreichern. Bei diesem Vorgang entstehen zwangläufig neue organische Moleküle und Bakterien.
Zwar ist diese These von H. Trinks noch nicht in allen Einzelheiten bewiesen, doch seine Arbeitshypothese wollen Forscher im Labor experimentell nachweisen. 


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Fortsetzung 6. Zyklus

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