Was ist Evolution? (3) – Die Sonne und das Spiel der Moleküle

Ein Gastbeitrag von Helmut Pfeifer

Im letzten Teil seiner Serie erklärte Helmut Pfeifer, wie die Evolution direkt nach dem Urknall einsetzte und so die uns heute bekannten Elemente hervorbrachte. Doch diese physikalische Evolution fand ihre Fortsetzung in der chemischen Evolution bei uns auf der Erde. Lesen Sie, warum sich gerade jene Moleküle bildeten, die heute die Bausteine des Lebens sind.

Der für unseren und für die anderen Planeten alles bestimmende Himmelskörper ist unsere Sonne als der Mittel- und Fixpunkt unseres Sonnensystems. Ohne die Sonne gäbe es keine biologische Evolution auf der Erde. Sie wärmt, beleuchtet und beschützt uns vor der absolut tödlichen kosmischen Höhenstrahlung. Sie ernährt auch Pflanzen und Tiere auf direktem und indirektem Wege. Aber bevor ich darauf eingehen werde, hier noch einige grundlegende Daten zur Beschreibung unserer Sonne.

Unsere Sonne, Ursache allen Seins auf der Erde

Die Geschichte unserer Sonne dürfte etwa vor fünf bis sechs Milliarden Jahren begonnen haben. Wie bei anderen Sonnen auch, begann alles mit einer riesigen Wolke interstellarer Materie, die sich allmählich durch die gegenseitige Anziehungskraft von Wasserstoffatomen zusammenzuziehen begann. Mit Fortdauer dieses Prozesses, den Kosmologen auf höchstens einige Hunderte Millionen Jahre schätzen, bildete sich ein Massenzentrum, ein an Dichte zunehmender Kern, dessen Anziehungskraft sich rasch vergrößerte. Gleichzeitig stellte sich eine Rotation ein, die einmal in Gang gebracht, bis zum heutigen Tag ihre Richtung und Ebene beibehalten hat. Nach astronomischen Berechnungen vollführt die Sonne eine Umdrehung in etwa 25 Erdentagen. Diese grobe Beschreibung der Entstehung von Sonnen sollte einmal genügen, wobei nur vermerkt sei, dass die komplexen Vorgänge der einzelnen Phasen gut erforscht und in einer speziellen Fachliteratur nachzulesen sind.

Bedeutend für die Möglichkeit auf unserem Planeten Leben zu entwickeln, ist schon die Tatsache, dass der Abstand von einem energieliefernden stabilen Stern mit ca. 150 Millionen Kilometer gerade richtig zu sein scheint. Dazu gehört auch eine nicht zu exzentrische (ellipsenförmige) Umlaufbahn, um ein Minimum an Gleichmaß der Oberflächenbedingungen zu gewährleisten. Dieser Umstand und die mittlere Größe der Erde spielt bei deren moderaten Erwärmung durch die Sonne insofern eine Rolle, als sich dadurch allmählich eine Erdatmosphäre bilden konnte, welche allerdings ganz zu Beginn nicht dieselbe Zusammensetzung aufwies wie heute. Aber davon später.

Wir haben gesagt, dass die Sonne uns als Ursache jeglichen physischen Seins auf der der Erde wärmt, beleuchtet und „beschützt“. Wir müssen diese Behauptung jetzt auch kurz begründen. Begnügen wir uns hier mit einigen Fakten, denn astrophysikalische Details der solaren Energiegewinnung sind hier nicht so relevant. Wichtig ist einmal zu wissen, dass das sichtbare Licht und die Wärmestrahlung eigentlich ein kleiner Teil des gesamten Spektrums der elektromagnetischen Strahlung sind, die von der Sonne kommt. Das gesamte Spektrum erstreckt sich vom langwelligen Infrarot bis hin zum kurzwelligen Bereich von ultraviolettem Licht.

Jener Teil der elektromagnetischen Strahlung dessen Wellenlängen zwischen 400-700 Nanometer liegen, können von unserem Sehapparat, also Augen und Teile des Gehirns, in sichtbares Licht umgewandelt und zur allgemeinen Wahrnehmung verwendet werden. Hingegen wird die Wärmestrahlung der Sonne auf einem sehr langwelligen Bereich transportiert. Interessant ist dabei, dass es sich um die einzigen Bereiche handelt, welche von der irdischen Atmosphäre durchgelassen werden. Alle anderen Teile des Spektrums werden von dieser größtenteils abgefiltert.

Schließlich sei noch erwähnt, dass nur ein Milliardstel der im Inneren der Sonne durch die Kernfusion erzeugten Energie in Form von elektromagnetischen Wellen abgestrahlt wird nachdem sie Tausende von Jahren benötigt hat, an die Oberfläche der Sonne zu gelangen. Dank astrophysikalischer Erkenntnisse wissen wir seit geraumer Zeit, dass gerade bei unserer Sonne die Dauer dieser aktiven energieerzeugenden Periode sehr lange ist bzw. sein wird und ihr Wasserstoff erst zur Hälfte verbraucht ist.

Ein Planet wird gebildet

Über die Entstehungsgeschichte unseres Planeten gibt es zwar etliche Theorien, aber hundertprozentige Gewissheit, wie die Anfänge wirklich waren, gibt es trotzdem nicht. Keine dieser Theorien hält allen „Gegenproben“ und fachlichen Einwänden erfolgreich stand. Erschwerend kommt noch die Tatsache hinzu, dass unser eigenes Planetensystem das einzige Studienobjekt darstellt, welches wir aus der Nähe untersuchen können.

Man muss sich mit einigen wenigen Fakten begnügen, die ziemlich einwandfrei durch Messungsergebnisse gegeben sind. Fest steht jedenfalls, dass alle neun Planeten in der gleichen Richtung und in der gleichen Ebene um die Sonne Laufen. Auch deutet vieles darauf hin, dass die Sonne mit ihrer enormen Gravitation maßgeblich an der Entstehung der Planeten beteiligt war. Es gilt aber nach dem aktuellen Wissensstand als ausgeschlossen, dass die Planeten aus der Materie der entstehenden Sonne hervorgegangen sind. Die Materie der Planeten stammt höchstwahrscheinlich von Gas- und Staubpartikel, angereichert durch alle uns bekannten Elementen kommend aus den Tiefen des Kosmos, eingefangen von der eben erwähnten Gravitation der Sonne.

Die Entwicklung der Planeten dürfte zeitlich parallel zur Sonnenentstehung erfolgt sein. Die chemische Zusammensetzung der Erde lässt vermuten, dass die Oberfläche niemals so heiß gewesen ist, wie ursprünglich angenommen, sondern dass die Temperatur höchstens einige hundert Grad Celsius betragen hat. Die Dauer des Verdichtungsprozesses der Erde, der vor etwa 5 Milliarden Jahren begonnen haben dürfte, ist unbestimmt, aber die Schätzungen gehen von einigen Hunderten Millionen Jahren aus. Die immer stärker werdende Verdichtung der Materie bewirkte einen zunehmenden Druck und eine zunehmende Erhitzung im Erdinneren. Man nimmt an, dass die Schwerkraft die verschiedenen feurig- flüssigen Substanzen nach ihrem Gewicht zu „sortierte“ und sich so der Erdkern aus Schwermetallen zu bilden begann. Die Erdkruste dürfte sich zunächst in einem zähflüssigen Zustand befunden haben, ähnlich der Lava, die frisch aus einem Vulkan fließt. Die Temperaturen waren jedoch nicht so hoch, dass sich bestehende chemische Verbindungen wieder aufgelöst hätten. Im Gegenteil, die Temperaturen an der Erdoberfläche waren ideal, so dass die Bestandteile der Erdrinde zu einem zusammenhängenden Teil verschmelzen konnten.

So war zunächst ein annähernd kugelförmiger Planet entstanden, dessen Kruste aus basalt- und granitartigen Gesteinsmassen bestand, die sich allmählich abzukühlen begannen. Aber eine im Weltraum schwebende Kugel mit einer Oberfläche aus nacktem Fels bleibt steril, auch wenn sie noch so günstig platziert ist. Die für unsere Erde bedeutsamste Weiterentwicklung in diesem Stadium war die Entstehung einer Atmosphäre.

Ohne Atmosphäre kein Leben

Die Erde verdankt ihre Atmosphäre einer sehr langen Vulkantätigkeit. Dabei wurden nicht nur enorme Lavamengen ausgestoßen, sondern auch enorme Mengen an Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan und Ammoniak. Wahrscheinlich hat die Menge an Wasserdampf, die in den folgenden Jahrmillionen ausgestoßen wurde, gereicht, um ganze Ozeane entstehen zu lassen. Der in der Uratmosphäre kondensierende Wasserdampf löste starke und langandauernde Regengüsse aus, die auch von heftigen Gewittern begleitet waren. Der auf die heiße Oberfläche der Erde niederfallende Regen verwandelte sich sofort wieder in Wasserdampf, der in die obersten Schichten der Atmosphäre aufstieg und seine Wäreme in den freien Weltraum abstrahlte, wodurch die Abkühlung des Planeten beschleunigt wurde. Man schätzt die Dauer dieser Phase auf etwa 50 bis 100tausend Jahre.

Die damalige Uratmosphäre enthielt noch keinen Sauerstoff enthalten. Dies war vor allem deshalb bedeutsam, weil der Sauerstoff die UV-Strahlung der Sonne abgefiltert hätte, welche die Energie zu dieser Zeit lieferte, um die vorhandenen anorganischen Verbindungen zu jenen Großmolekülen zusammenzuschweißen, die später die Bausteine der ersten lebenden Organismen bilden sollten. Problematisch war es trotzdem für diese Verbindungen, weil sie, sobald sie existierten, von derselben UV-Strahlung in ihre Bestandteile wieder zerlegt zu werden drohten. Davor schützten sie nur das Wasser, in welches sie abtauchen konnten, und ein durch die Photodissotiation entstandener Sauerstofffilter in der Atmosphäre. Dieser schwankte in seiner Intensität durch einen Rückkopplungseffekt, der nach seinem Entdecker „Urey-Effekt“ genannt wird. Allerdings betrug der damalige Sauerstoffgehalt nur etwa 0,1 % des heutzutage herrschenden.

Von der physikalischen zur chemischen Evolution

Wir können davon ausgehen, dass vor der Entstehung belebter Strukturen bereits alle uns bekannten Elemente auf Erden vorhanden waren. Wie in Teil 2 ausgeführt, waren sie im Inneren von Sonnen vergangener Generationen entstanden und durch riesige Explosionen an das Weltall weitergegeben worden. Planeten, wie etwa die Erde, haben den kosmischen Staub dann angereichert und zu kugelförmigen Gebilden verdichtet.

Ganz entscheidend für die weitere Entwicklung und damit eine fundamentale Voraussetzung für die Entstehung lebender Strukturen ist nun die Bereitschaft der am häufigsten vorkommenden Elemente, miteinander zu reagieren und somit eine Vielzahl von Verbindungen zu bilden, welche wir besonders häufig in der Erdkruste vorfinden. Ein ganz markantes Beispiel ist die Verbindung der beiden „unsichtbaren“ Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Aufgrund ihres besonderen atomaren Aufbaues haben sie die Tendenz, sich leicht miteinander zu verbinden. Jeweils zwei Atome Wasserstoff schließen sich mit einem Sauerstoffatom zusammen. Chemisch gesehen handelt es sich dabei um eine Verbrennung oder „Oxidation“ von Wasserstoff, bei der das Produkt Wasser ist, welches mit den beiden Ausgangssubstanzen augenscheinlich nichts mehr gemein hat.

Wie nun allgemein bekannt, ist Wasser einer der wichtigsten Grundvoraussetzungen für die Entwicklung und Erhaltung von Leben. Generell muss angenommen werden, dass der Entstehung der ersten lebenden Organismen eine lange Periode einer sogenannten „abiotischen Genese“ organischer Moleküle vorausgegangen sein muss. Damit gemeint ist die Entstehung aller der vielen komplizierten und empfindlichen organischen Moleküle, welche als Bausteine für die ersten noch recht primitiven lebenden Strukturen dienten. Es ist dies die Ära der chemischen Evolution über deren Einzelheiten man sehr wenig weiß, da diese Epoche der Erdgeschichte zu weit zurückliegt und deshalb wenige paläontologische Spuren hinterlassen hat.

Grundsätzlich muss aber eine Tendenz der damals vorhandenen Materie bestanden haben, welche den Zusammenschluss dieser Verbindungen zu Lebensbausteinen begünstigt hat. Offensichtlich hat das Phänomen „Leben“ eine so universale Potenz, dass es sich einfach verwirklichen musste. Innerhalb einiger hundert Millionen Jahren hatte die Evolution sodann autonome biochemische Systeme hervorgebracht, welche geordnete, komplexe Strukturen gegenüber der nicht belebten Materie aufwiesen.

Vorstufen des Lebens

Diese Vorstufe zur Entwicklung von Leben war lange Zeit für die Wissenschaft sehr schwierig zu rekonstruieren. Das größte Problem, das sie zu lösen hatte, betraf die Frage:

Wie war es möglich, dass aus einfachen Grundsubstanzen wie Methan, Ammoniak, Kohlendioxyd und Wasser die komplizierten Bausteine des Lebens entstanden sein konnten, wie etwa die Aminosäuren und die Nukleinsäuren?

Anders ausgedrückt: Wie können aus einfachen anorganischen Verbindungen organische Substanzen entstehen, ohne dass es Lebewesen gegeben hätte, die sie produziert haben? Es musste also eine natürliche Erklärung dafür gegeben haben, sonst hätte die Entwicklung von der unbelebten zur belebten Materie nicht stattgefunden. Rückblickend muss man mit einer gewissen Portion Erstaunen feststellen, dass gerade relativ einfache Experimente in der Folge „Licht ins Dunkel“ bezüglich dieses kniffligen Falls gebracht haben.

Das erste Experiment bestand aus der simplen Tätigkeit, einfach Wasser in einem Behälter zu erhitzen und zu untersuchen, was dabei geschah. Man stellte fest, dass sich die Moleküle der Flüssigkeit dergestalt zu organisieren begannen, dass sie sechseckige Strukturen bildeten. Für den russisch-belgischen Biologen und Nobelpreisträger Ilya Prigogine drängte sich dadurch der Gedanke auf, eine Analogie zwischen diesem Phänomen und der Entstehung der ersten lebenden Strukturen herzustellen. Der Wissenschaftler entwickelte daraufhin das Konzept der „Selbststrukturierung“, bei der z.B. Atome gewisser Elemente, wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, stabile Systeme bilden können, wenn sie sich zusammenfügen.

Das traf glücklicherweise bei der Bildung der Aminosäuren zu, welche stickstoffhaltige organische Säuren sind und bekanntlich einen Grundbaustein des Lebens darstellen. Auf dieselbe Weise fügten sich die ersten Stickstoffverbindungen zusammen, wie etwa die Purine und Pyrimidine und als sie sich mit Phosphaten und Zucker verbanden, entstanden die ersten Prototypen der Nukleotide. Diese sind aber bereits die Grundelemente des Kettenmoleküls Ribonukleinsäure, bekannt auch unter der Abkürzung RNS bzw. RNA – ebenfalls ein fundamentaler Bestandteil alles Lebens.

Das alles sind grundlegende Erkenntnisse, die unter anderem die Tatsache belegen, dass die atomaren Strukturen der unbelebten Materie mehr „Kreativität“ besitzen, als man angenommen hatte. Es beantwortete jedoch noch immer nicht die vorhin gestellte Frage, wie die abiotische Entstehung von biologischen Grundstoffen, den Polymeren, möglich gewesen war.

Einen entscheidenden Hinweis zur Klärung dieses Problems gab ein anderes Experiment, das durch seine Einfachheit noch viel erstaunender ist. Die mit dieser Thematik vertraute Personen wissen bereits, was gemeint ist: Es handelt sich um das „Miller- Experiment“. Stanley Miller hieß der amerikanische Chemiestudent, der das Problem mit jugendlicher Unbekümmertheit anging.

Um die Situation der Ur-Atmosphäre nachzuahmen, mischte er Methan und Ammoniak mit Wasser und schloss die Lösung in einen Glaskolben. Als Energiequelle gab es nur die Wahl zwischen dem natürlichen UV Licht der Sonne und der elektrischen Entladung von Gewitterblitzen. Miller entschied sich, auf eine rasche Reaktion hoffend, für eine Hochspannungsleitung, die an den Glaskolben angeschlossen wurde und dafür sorgte, dass die dementsprechenden elektrischen Entladungen die Lösung unentwegt trafen. Man nimmt an, dass es auf der Urerde wahrscheinlich Millionen Jahre gedauert haben dürfte, bis irgendeine Reaktion erfolgt ist. Es war daher äußerst erstaunlich, dass bei diesem Versuch bereits nach etwa 24 Stunden die Versuchsmischung eine sensationelle Zusammensetzung zeigte: Es waren drei der wichtigsten Aminosäuren und daneben eine Reihe anderer Verbindungen entstanden. Chemisch war folgendes passiert: Durch die Blitzentladungen wurden die Ausgangsbestandteile Methan, Ammoniak und Wasser in ihre Bestandteile zunächst zerlegt. Danach haben sich die Zerlegungsprodukte aber zu neuen, zum Teil größeren und komplizierteren Verbindungen zusammengeschlossen. So entstanden u.a. die die Aminosäuren Glycin, Alanin und Asparagin, welche bekanntlich mit siebzehn weiteren Aminosäuren in Form langer Kettenmoleküle die Eiweißmoleküle aller lebenden Organismen bilden.

Das Miller-Experiment wurde in der Folge vielfach nachgeahmt, wobei auch andere Ausgangsstoffe und Energiequellen benutzt wurden. Hauptsache war, dass das Gemisch Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff enthielt deren Atome den Hauptanteil aller lebenden Materie bilden. Nachdem nunmehr einigermaßen geklärt zu sein scheint, wie aus unbelebten einfache belebte Bestandteile bzw. deren Vorstufen entstanden sind, können wir uns der nächsten Entwicklungsphase des Lebens zuwenden, nämlich der Entstehung von Ur-Zellen, welche als die ersten lebenden Organismen auf unseren Planeten anzusehen sind.

Dazu mehr im nächsten Teil. Demnächst auf diesem Blog.