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7. Kapitel

DIE GESCHICHTE DER MATERIE

6. Zyklus

Entwicklung von mehrzelligen Lebewesen vor 2 Milliarden Jahren.

Üd:04.2004

Der Übergang zwischen unbelebter und belebter Materie hat sich durch die biochemische Lebensform der sich selbst reproduzierenden Molekülketten einer RNA entwickelt. Diese primitive Erbsubstanz ermöglichte den ersten Lebensformen bereits andere Moleküle wie, Aminosäuren in ihre Membran zu übernehmen, also Nahrung aufzunehmen, zu wachsen und sich weiter zu vermehren.

Archea Die ersten Einzeller
Zu den einfachsten, noch heute lebenden Organismen zählen die sogenannten "Archaen". Diese  Mikroben wurden erst 1977 richtig erforscht, als Geologen in der Nähe der Galapagosinseln mit dem berühmten Tiefseetauchboot "Alvin" in eine Tiefe von 2600 Meter vordrangen. Sie entdeckten eine Vulkanlandschaft in völliger Dunkelheit mit einer Lebensfülle von Röhrenwürmer, Riesenmuscheln und Fischen. Auf dem Meeresgrund stießen schwarze Rauchschwaden mit großen Mengen Schwefelwasserstoff aus. Es wimmelte von Bakterien die offenbar die Grundlage der Tiefseefauna waren. Diese Ureinzeller sind die nächsten Verwandten der Archaen. Zur Energieerzeugung nutzen sie die Schwefelverbindungen der heißen Vulkanschlote. Anders als bei der Photosynthese der Pflanzen stellen bei dieser Chemosynthese nicht das Sonnenlicht, sondern chemische Subtanzen wie Methan oder Schwefelwasserstoff die Energie für die Lebenswichtigen Reaktionen zu Verfügung. Die sogenannten "thermoacidophile Archaen" bevorzugen Lebensräume die heiß (bis zu 165 Grad Celsius) und säurehaltig sind, wie die Vulkanschlote unterseeischer Vulkane.

Prokaryonten der Stammbaum der Einzeller ohne Zellkern

Der Wissenschaftlers "Carl Woese" untersuchte den Stammbaum der Archaen , die noch heute in der UNI-Regensburg bei 80°-100°C gezüchtet werden .Vor dieser wissenschaftlichen Untersuchung wurden Mikroben bzw. Lebewesen in "Prokaryonten" (Zellen ohne Zellkern) und "Eukaryonten" (Zellen mit einem Zellkern) unterteilt. Lange Zeit galt diese einfache Zweiteilung. Wobei die "Eukaryonten" vor allem zu den Vielzelligen Organismen von der Muschel bis zum Menschen zählten. Die Einzelligen "Archaen" fasste man dagegen als "Prokaryonten" zusammen. Der amerikanische Forscher Carl Woese entdeckte, dass die Archaen stammesgeschichtlich aus einer eigenständige Zelleverbindung entwickelten. Er unterschied 3 Gruppen von Lebewesen: 
Eukarya ( Zellen mit echtem Zellkern ) 
Bacteria ( Zellen ohne Zellkern ) 
Archaen (Zellen ohne Zellkern aber mit anderen Merkmalen als die beiden anderen Gruppen)

Die hitzebeständigen "Archaen" besitzen zwar keinen Zellkern, sind aber hinsichtlich ihrer Erbsubstanz den Eukaryoten näher verwandt. Die wissenschaftliche Schlussfolgerung war, dass ein Leben bzw. eine Zellvermehrung in den heißen Urmeeren schon vor 3,9 Milliarden Jahren biologisch möglich war. Diese Archea-Zellen bestanden aus den gleichen Basisverbindungen (Nukleinsäuren, Eiweiße, Kohlehydrate und Fette), wie die gezüchteten Einzeller in den heutigen Labors. 
        

 Das diese Lebensform die Ur-Ozeane schon vor mehreren Milliarden Jahren  besiedelten, beweisen u. a. die versteinerten Reste von Blaualgen, die Paläontologen in den  Gesteinsschichten fanden, die vor über 3,5 Milliarden Jahren auf unserer Urerde erkalteten . In Afrika und Australien entdeckte man diese Einzeller (Prokaryonten) die ihre genetischen Informationen (kernlos) in ihrer RNA speicherte und weitergab. Das Leben war zu diesem Zeitpunkt schon Geschichte.

Somit waren die "Archaen", aus dem Stamm der Prokaryonten, die ersten Einzeller aus dehnen sich die irdischen Lebensformen entwickelten.

Cyanobakterien: Blaualgen produzieren aus Sonnlicht Sauerstoff

Eine Weiterentwicklung des Lebens war ohne die chemische Verbrennung durch Sauerstoff wohl kaum möglich. Als sich die ersten Grundbausteine für das Leben entwickelten, lag der Anteil des freien Sauerstoffes in der Atmosphäre noch bei etwa 0,1 Prozent. So spezialisierten sich einige Zellen, die an der Oberfläche der Urmeeren lebten, darauf, dass sie das Licht der Sonne als Energiequelle nutzen. In Pilbara (Australien) entdeckte man in Sedimenten aus dem Erdaltertum vor 2,9 Milliarden Jahren einen Blaualgenfriedhof mit Überreste der "Cyanobakterien", sie waren die ersten Mikroorganismen die unsere Sonne als Energiequelle nutzten. Dieser Stoffwechsel wurde zum größten Teil über die "Photosynthese" gesteuert (fast die gesamte Pflanzenwelt und viele Bakterien lebt noch heute  durch diese Energiegewinnung). Das heißt mit Hilfe des Blattfarbstoffes "Chlorophyll" wird das Sonnenlicht absorbiert. Es entsteht eine gespeicherte, chemische Bindungsenergie in Form von zwei Photosystemen: Typ I und Typ II. Sie sind in Pflanzen und in den Cyanobakterien sozusagen hintereinandergeschaltet. Durch die ionisierte Bindungsenergie wird Kohlenstoff aus dem Wasser oder aus der Atmosphäre aufgenommen und mit Wasser zu energiereichen Molekülen (Zucker, Fette, Eiweiße) synthetisiert, wobei Sauerstoff frei gesetzt wird.  Die Einzelligen "Cyanobakterien" (Blaualgen) eröffneten durch die "Photosynthese" ein neues Kapitel der Evolution. Große Mengen des Abfallproduktes Sauerstoff wurde einerseits an den Eisenatomen im Meer gebunden. Das verfügbare Eisen oxidierte zu Eisenoxid (sog. Rost) und sank auf dem Meeresgrund. Anderseits stiegen große Mengen des Sauerstoffs, aufgrund ihres leichteren spezifischem Gewichts, aus dem Meerwasser auf und verdunsteten mit den Wasser in die Atmosphäre, wo es in den Kohlenstoff - Sauerstoffkreislauf der Biosphäre einbezogen wurde. In Laufe der Jahrmillionen entstand nun durch diesen Prozess eine neue Zusammensetzung unserer Gashülle, die unsere Erde umgab.
Die Hauptbestandteile der heutigen Atmosphäre: (in Erdnähe)

Sauerstoff  (21
%)
Stickstoff (78
%)
Edelgase ca. (1
%
) (davon 0,4% Kohlensäure). 
Diese zusätzliche Sauerstoffanreicherung im Meer war für viele Prokaryonten ein tödliches Gas sie konnten nur in ökologisch geschützten Bereichen (über)leben - beispielweise in der Tiefsee -  Wobei die Blaualge  als Einzeller schon vor 2,9 Milliarden Jahren die Fähigkeit besaß, mit Hilfe von Ionen, dass Wassermolekül  anstelle von Schwefelmoleküle zu spalten und somit von anaeroben auf aeroben Stoffwechsel umzuschalten. Da diese Einzeller keine natürlichen Feinde hatten konnten sie sich in Milliarden von Jahre explosionsartig vermehrten. 
Kolonien von Blaualgen hinterließen in dieser urzeitlichen Entwicklung unzählige kalkige Ablagerunen, sogenannte "Stromatolithe"
Etwa 2 Milliarden Jahre stagnierte das Leben der Einzeller in Form von Algen, Bakterien und  Mikroorganismen, die durch einfache Zellteilung ihre Erbinformationen (Verteilung der beiden DNS-Stränge auf die neue Zelle) weiter gaben. Dies entsprach etwa 70% der gesamten irdischen Evolutions-Zeit. In dieser biologischen Vervielfältigung wurden, wenn sich bei der Verdoppelung kein Schöpfungsfehler einschlich (sog. Mutation), die Eigenschaften der Mutterzelle 1:1 an die Nachkommenschaft weitergegeben. 

Eukaryonten: Die ersten Einzeller mit Zellkern 

Vor etwa 1,5 Milliarden Jahren entwickelten sich bei einem Sauerstoffgehalt von 0,5 Prozent  aus der Photosynthese der Cyanobakterien eukaryontische Zellen (Zellen mit echtem Zellkern). Wissenschaftler vermuten, dass die ersten Eykaryonten durch die Verschmelzung zweier prokaryonten Zellen entstanden. Eine bildet den Kern, die zweite die äußere Membran. Dank dieser Schutzmembran konnte der Sauerstoff den Zellen nichts anhaben. Ein weiterer entscheidender Schritt war, dass Bakterien die ihre Energie noch anaerob gewannen, erst Äonen später, durch Mutationen, ihre harte Zellwand verloren (sogenannte Mycoplasmen). Dadurch konnten sie kleine Sauerstoffverarbeiteten Bakterien aufnehmen, wodurch eine dauerhafte symbiotische Beziehung zustande kam. (Immerhin liefert die Verbrennung von Sauerstoff 20mal so viel Energie wie ein anaerobe Gärungsprozess).
Je nach Energieverbrauch enthält eine eukaryontische Zelle mehrere Hundert Mitochondrien. (Bei den Einzellern Bacterica und Arechaea kommen z.B. die Organellen "Golgi-Apparat" und Wimpern zur Fortbewegung nicht vor).
So wurde mit der Entstehung der Eukaryontischen Einzeller  wohl die wichtigste Voraussetzung für die Entwicklung mehrzelliger Organismen geschaffen.
Diese mutierte Selektion ermöglichte ein neue Entwicklung des (Über)Lebens in der Sauerstoffreichen Umgebung. Ein bis dahin völlig unbekanntes Fortpflanzungssystem hatte somit vor etwa 1,5 Milliarden Jahren ihren Anfang:

Die einfache Art der Vermehrung, die sogenannte Zellteilung. Bei der Doppelspirale werden die beiden DNS-Stränge durch Enzyme wie ein Reißverschluss geöffnet. An jeden Strang lagern sich entsprechende Nukleotide an, so dass zwei neue Doppelstränge, jeweils aus einer alten und einer neuen Hälfte entstehen. Dabei bilden sich zwei neue völlig identische Zellen

Sex: als Mittel der Kooperation
Das Wunder dieser geschlechtlichen Kooperation war und ist das Zusammenspiel von Mutation (also Veränderung des Erbguts) und Selektion (der natürlichen Auswahl) Ein noch heute lebendes Beispiel sind die Pantoffeltierchen, in ihr leben Algen, die mit Chlorplasten, Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen und dem Wirt etwas davon abgeben. Zwar waren die ersten Formen der Sexualität mehr oder weniger nur die Aufnahme von fremden Erbmaterial aus der Umgebung, um sich neue Eigenschaften fürs überleben anzueignen. Doch  entwickelten sich immer neu Symbiosen zwischen Wirtzellen und Bakterien, die von ihren Bewohnern lebenswichtige Energie als Gegenleistung bekamen. Im laufe von Generationen wurden die einverleibten Bakterien zu regelrechten Organen, den Kraftwerken ihrer Wirtzellen. Zu den wichtige Organellen zählen die "Mitochondrien", sie sind u.a. für die Zellatmung (Energieumwandlung) verantwortlich, dies ist eine entscheidende Voraussetzung für die Entwicklung und die Vermehrung der Zelle. 

Höhere Zellen entstanden aus der Fusion verschiedener Einzeller: Weichwandige Arten (Kugeln) vereinigten sich zu größeren Zellen (unten links), die sauerstoffliebende Archaen (Spindeln) als Energielieferanten aufnahmen (unter rechts) 

Cyanobakterien waren als erste Lebewesen in der Lage, mit der Photosynthese reinen Sauerstoff zu produzieren. Nebenbei bauten sie auch sog. Stromatolithen aus Kalkablagerungen auf wie hier in der australischen Hamelin-Bucht.

Nach den heutigen Erkenntnissen wurde diese sexuelle und biologische Gleichgewicht durch sogenannte “Urwürmer” (deren Existenz erst heute entdeckt wurde), vor etwa 700 Millionen Jahren, bei einem Sauerstoffgehalt von 1% unterbrochen. Als diese Urwürmer sich vermutlich durch noch ungeklärten Umweltveränderungen schneller vermehrten als die übrigen Organismen, kam es in den Tiefen der Ozeane zu einer Selektionsveränderung innerhalb der Organismen. Durch die Vermehrung der Urwürmer wurde der Bakterienbestand, der als Nahrung der Urwürmer diente, verringert. Dies hatte zur Folge, dass viele Algen von der Zersetzung der Bakterien verschont blieben und auf den Boden des Meeres fielen. Die Sauerstoffreduzierenden Algen am Meeresgrund entwickelten nun eine Vielfalt von Meeresfauna, mit komplizierten Zellverbänden. Der folgenschwere Nahrungsmangel war somit der Beginn einer neuen Spezialisierung bzw. Anpassung auf diese umweltbedingten Zustand
  -Selektion und Kooperation der Fortpflanzungsart durch Umwelteinflüsse-

Hinweise hierfür gibt die Einzelliege Alge "Chlamydomonas". Bei normaler nährstoffreicher Umgebung vermehrt sich diese Algen durch einfache Teilung. Bei Nahrungsmangel aber klumpten sich viele tausend zusammen und gehen eine Symbiose ein. Sie alle übernehmen wichtige Lebensfunktionen des Einzellers. Aus der Zelle mit einem DNS-Strang entsteht eine neue Form der Zelle mit einem doppelten Zellkern bzw. doppelter Erbinformation. Findet diese Doppelalge wieder genügend Nahrung, so teilen sie sich nach einiger Zeit wieder mit der Erbinformation von beiden Algen, wobei sich die neue Generation oft deutlich in der Farbe und Größe von der 1. Generation unterscheidet.


Eine weiteres Beispiel für symbiotische Zellenzusammenschlüsse durch Nahrungsmangel, nach der Mehrzeller, vor etwa 700 Millionen Jahren, aus Einzelligen Lebewesen entstanden sein könnten,  sind die den heutigen Schleimpilzen verwandten "Volvox - Schleimpilze". Sie gehören nicht zu den Pilzen und bilden eine eigene Gruppe von Lebewesen. Sie besitzen einen sehr empfindlichen Fruchtkörper, der zum Beispiel bei Regen, schon unter dem Gewicht eines Tropfens zerplatzt. Unter günstigen Bedingungen, bei Feuchtigkeit und Wärme, beginnen sie zu keimen. Es entstehen Einzeller (Amöben), die sich von Bakterien ernähren. Gibt es genug davon, dann vermehren sie sich innerhalb weniger Stunden. Allerdings wird dann die Nahrung knapp. Bei mehrstündigem Mangel nehmen dann einzelne Amöben über einen Signalstoff Kontakt zueinander auf. Dann passiert etwas sehr ungewöhnliches: die Einzeller fließen sternförmig zusammen. Aus den Amöben werden damit längliche Wanderzellen. Bis zu 250.000 von ihnen erreichen so das Zentrum dieser Sterne. Einzelne Amöben übernehmen plötzlich spezielle Aufgaben: sie bilden zum Beispiel einen Stängel und einen Fruchtkörper. Im Fruchtkörper gibt es noch mehr spezialisierte Zellen: Sporen, mit deren Hilfe sich der Schleimpilz beim nächsten Regen fortpflanzen kann. Auf diese Weise ist aus vielen Einzellern ein mehrzelliges Lebewesen geworden. Doch für die Wissenschaftler zeigen Schleimpilze nur eine Möglichkeit, wie die Mehrzeller entstanden sein können.


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