Was ist Evolution? (4) – von der unbelebten zur belebten Materie

Ein Gasbeitrag von Helmut Pfeifer

Während es im 2. Teil von Helmut Pfeifers Serie um die „physikalische Evolution“ und im 3. Teil um die „chemische Evolution“ ging, geht es nun in diesem 4. Teil um das, was man üblicherweise als erstes mit dem Begriff Evolution assoziiert, wenn man diesen Begriff hört: die „biologische Evolution“ oder „Evolution des Lebens“. Begonnen hat es mit der Ur-Zelle.

Bevor wir zum eigentlichen Thema kommen, sei hier kurz auf die allgemeinen Charakteristika von Leben eingegangen. Das Phänomen „Leben“ hat eine so universelle Potenz, dass man davon ausgehen kann, dass der Bau und die Funktionsweise von Organismen hier auf der Erde keinen kosmisch verbindlichen Maßstab darstellen. Man sollte vernünftigerweise davon ausgehen, dass Leben, in welcher Form auch immer, an gewisse Kriterien gebunden sein dürfte. Da wäre vor allem die „geordnete“ Umwandlung von Energie, genannt Stoffwechsel, anzuführen, der eine sehr kompliziert gebaute körperliche Struktur benötigt, die aus großen Molekülen bzw. Molekülketten besteht, wie dies bei Eiweißen und Nukleinsäuren der Fall ist.

Die Beständigkeit dieser molekularen Strukturen ist wiederum abhängig von moderaten Temperaturen auf einem Planeten, denn durch zu hohe Temperaturen würden die Moleküle wieder in ihre atomaren Bestandteile zerlegt werden, bei zu niederen Temperaturen wäre das Vorhandensein von Wasser in flüssiger Form nicht gewährleistet, welches jedoch als Lösungsmittel bei vielen chemischen Prozessen unentbehrlich ist. Mit Hilfe der Sonne als Wärmequelle und der ausgleichenden Wirkung der Atmosphäre ist auf unserem Planeten, wie schon beschrieben, diese ideale grundsätzliche Voraussetzung für die Entwicklung von hoch entwickelten lebenden Organismen gegeben.

Es ist vorstellbar, dass vor rund drei Milliarden Jahren eine Situation eingetreten sein dürfte, welche die Bildung von Eiweißen und Nukleinsäuren zunächst in einfacheren Formen begünstigt hat (die Molekülketten waren sicher noch viel kürzer). Als sich viel später einfachstes Leben auf der Erde zu entwickeln begann, baute es auf diesen beiden biologischen Bausteinen deswegen auf, weil sie vielleicht die einzigen Molekülarten von ausreichender Komplexität und Wandlungsfähigkeit waren und in genügender Menge zur Verfügung standen: Nukleinsäuren als Moleküle mit optimalen Speichereigenschaften und Eiweiße als Bausteine von Organismen und als biologische Katalysatoren, bekannt als Enzyme und unentbehrlich für alle Stoffwechselprozesse.

Über die Art und Weise wie diese beiden molekularen Lebensbausteine vor mindestens drei Milliarden Jahren in Wechselwirkung getreten sind, wissen wir kaum etwas Näheres. Die gegenseitige Ergänzung ihrer optimalen Eigenschaften dürfte zweifellos den initialen „Funken“ gezündet haben, der zur Einleitung der biologischen Evolution geführt hat. Alles spricht vieles dafür, dass sich die Entstehung des Lebens auf der Erde in der Art eines evolutionären Prozesses abgespielt hat, der unvorstellbar langsam, aber mit atemberaubender Folgerichtigkeit abgelaufen ist. Vom Anfang der chemischen Evolution mit der Entstehung der ersten Großmoleküle bis zur Entstehung der ersten Urzelle werden sicher Hunderte von Jahrmillionen, wenn nicht über eine Milliarde Jahre vergangen sein. Wann die organische Evolution eingesetzt hat, ist nicht genau bekannt und dürfte Schritt für Schritt, also eher fließend erfolgt sein. Von immer größeren und komplizierteren Molekülen ausgehend, entstanden in einem fließenden Prozess materielle Einheiten, die sodann als belebt anzusehen sein dürften, sobald sie in der Lage waren, sich zu replizieren.

Die Naturwissenschaft hat demgemäß „Leben“ als neue Gemeinschaft materieller Systeme definiert, die im Verlaufe einer genügend langen Entwicklung den dafür notwendigen Komplexitätsgrad erreicht hat. Danach entstanden in der weiteren Folge immer kompliziertere und mit neueren Eigenschaften ausgestattete Systeme, die das stetige Fortschreiten der Evolution dokumentieren. Leben kann aber auch als materielle Selbstorganisation betrachtet werden.

Die Entstehung der Ur-Zelle

Nach diesem längeren Exkurs allgemeiner Betrachtungen kehren wir zum eigentlichen Thema zurück, nämlich zur Entstehung und zur Beschreibung der Ur-Zelle. Nach allem, was wir heute über den Übergang von der chemischen zur biologischen Evolution wissen, kann es sich bei den ersten lebenden Organismen auf unserer Erde nur um eine Art „Ur- Zelle“ gehandelt haben, die sich in den Weltmeeren entwickelt hatte. Sie dürfte zunächst einmal sehr einfach gebaut gewesen sein. Der aus Eiweißkörper und Aminosäuren bestehende Protoplasma-Leib ohne Zellkern muss aber das Ribonukleinsäure- Molekül enthalten haben, in dem ihr Bauplan gespeichert war. Auch dürften einige Enzyme schon vorhanden gewesen sein, welche fähig waren, die Anweisungen dieses Bauplans praktisch umzusetzen. Dazu musste diese Urzelle durch eine deutliche Grenze in Form einer Membran von der Umgebung abgeschirmt gewesen sein.

Dieser erste Zelltypus hatte sicherlich nur überleben können, weil die in ihrem Innern ablaufenden chemischen Prozesse ungestört und somit geordnet ablaufen konnten. Damit war gewährleistet, dass die notwendige Energieerzeugung und die Regeneration ihrer Struktur sichergestellt gewesen sind. Parallel zum Zwang der Abgrenzung bestand aber die Notwendigkeit einer bedingten Öffnung zur Außenwelt, um den benötigten Nachschub an Energie zu gewährleisten. Die Natur hat das Problem, dass nur ganz wenige notwendige Stoffe aufgenommen werden und schädliche Faktoren der Außenwelt ausgeschlossen bleiben, mit Hilfe einer halbdurchlässigen Membran gelöst. Dabei handelt es sich um eine Art molekularen „Grenzzaun“, eine sogenannten biologischen Grenzmembran. Man spricht auch von einem molekularen „Gitter“, welches die verschiedenen eintreffenden Moleküle nach ihren elektrischen Eigenschaften „sortiert“ und zwar in Relation zur molekularen Zellstruktur, das heißt nach qualitativen Gesichtspunkten.

Bereits Zellen haben „psychische“ Funktionen

Es ist eine bedeutungsvolle Erkenntnis, dass das Leben bereits bei seinen ersten Schritten Fähigkeiten erkennen lässt, welche man durchaus in den Bereich psychischer Funktionen einordnen kann. Vom ersten Augenblick ihrer Existenz an mussten lebende Systeme in der Lage sein, zwischen verschiedenen Eigenschaften ihrer Umwelt zu „unterscheiden“. Gleichzeitig mussten sie Umweltfaktoren „erkennen“, von denen sie zur Aufrechterhaltung ihres Stoffwechsels abhängig waren. Schließlich mussten sie aus der großen Zahl an vorhandenen Molekülen diejenigen „auswählen“, welche für sie von Nutzen waren und welche nicht. Es dürften aber nur wenige Urzellen über diese Fähigkeiten verfügt haben, weshalb auch nur wenige überlebten.

Die Evolution ist trotz vieler und großer Hindernisse unaufhörlich weitergelaufen, weil bei jedem Schritt das Unwahrscheinliche dadurch zur Regel wurde, dass alleine der „zufällig passende Glücksfall“ überlebt hat.

Prinzipiell kann festgestellt werden, dass im Zuge der Auseinandersetzung eines Organismus mit seiner Umwelt die Fähigkeit zur Unterscheidung, zum Erkennen und zur Auswahl bis heute gültige primäre biologische Funktionen sind. Gleichzeitig ist die Fähigkeit der Anpassung an die jeweilig sich ändernden Bedingungen der Umwelt ein ganz entscheidendes Kriterium.

Die Rückverfolgung der weiteren Entwicklung von der archaischen, noch kernlosen Urzelle zu dem weiterentwickelten Typ mit speziellen Organellen ist deshalb so schwierig, weil kein sichtbarer Übergang gefunden werden konnte. Wertvolle Hinweise geben allenthalben noch heute lebende Bakterien und Blaualgen, welche noch dem archaischen Zelltyp angehören. Zufällige Entdeckungen lieferten weitere Hinweise auf die eigentümliche Art und Weise, wie die „höheren“ Zellen entstanden sein könnten.

Waren die Chloroplasten die ersten „Angestellten“?

So stellte ein russischer Botaniker bei seinen Untersuchungen von Pflanzenzellen fest, dass die Chloroplasten in den Blättern von Pflanzen eine starke Ähnlichkeit mit einer Abart der Blaualgen, den sogenannten blaugrünen Algen aufwiesen. Das sind kernlose, primitive Einzeller ohne Organelle, die aber bereits den „Trick“ der Photosynthese beherrschten. Das legte die Vermutung nahe, dass sich Zellen im Ablauf des evolutionären Geschehens diese blaugrünen Algen „einverleibt“ hatten, um ihre nahrungsspendenden Aktivitäten, nämlich der Photosynthese, für sich ausnutzen zu können. Das gleiche dürfte auch bei Zellen geschehen sein, deren Plasma Porphyrin Moleküle enthalten hat.

Die Miller-Experimente und ihre Nachfolger haben gezeigt, dass diese Moleküle besonders leicht abiotisch entstanden sein könnten und deshalb häufig in den Urozeanen vorhanden waren. Gewisse Zellen dürften sich die Moleküle einverleibt und als „Baumaterial“ verwendet haben. Dies geschah wahrscheinlich zunächst zufällig und hatte wenig Bedeutung. Als aber die erste globale Ernährungskrise einsetzte, weil das Nahrungsangebot an energiespendenden Molekülen knapp wurde, gewann eine Eigenschaft von Porphyrin, eine Vorstufe von Chlorophyll, eine entscheidende Bedeutung: Diese Moleküle sind nämlich fähig, elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich zu absorbieren und werden deshalb auch als „Lichtschlucker“ bezeichnet. Das bedeutete, dass Porphyrin-Moleküle die im sichtbaren Sonnenlicht steckende Energie, welche in Form von elektromagnetischen Wellen auf die Erde treffen, in sich aufnehmen und verwerten konnten. Diese Ausnützung der Lichtenergie kann als erster, einfacher Ansatz zur Entwicklung der Photosynthese angesehen werden.

Damit war der erste entscheidende Schritt getan, um sich von der Ernährung mit organischem Material unabhängig zu machen.  Es ist anzunehmen, dass dies der entscheidende Schritt zur Entwicklung der ersten Pflanzenzelle gewesen sein könnte und außerdem das damalige irdische Leben vor dem drohenden Hungertod bewahrt haben könnte. Diese Porphyrin-Zellen scheinen somit die aller ersten Vorfahren jeglichen Lebens gewesen sein, das heißt auch aller heutigen Tiere und somit auch unserer menschlichen Vorfahren.

Generell kann angenommen werden, dass die weiterentwickelten Zellen das Ergebnis eines symbiotischen Zusammenschlusses unterschiedlich spezialisierter kernloser Urzellen waren.

Nachdem die Urzellen ihre Beweglichkeit durch symbiotische Kooperation mit einer Spirochäte, einer winzigen kernlosen Bakterie, die sich schlängelnd und drehend nach vorne bewegte, verbessert hatten, schien der weiteren evolutionäre Entwicklung nichts mehr im Wege zu stehen. Rückblickend wissen wir heute aber, dass dem aufkeimenden Leben die größte Gefahr noch bevorstand.

Wie alles Leben fast wieder zerstört worden wäre

Dass dies die globale Bedrohung durch den „Sauerstoff“ war, klingt für uns als „Sauerstoffverwender“ zunächst paradox, ist aber schnell erklärt: Die Zellen, von denen wir bisher gesprochen hatten, haben in einer sauerstofffreien Uratmosphäre existiert und waren an diese Bedingungen dadurch angepasst, dass sie ihre „Betriebsenergie“ nicht durch Atmung, sondern durch einen Abbauprozess gewannen, der als Gärung bezeichnet wird. Dieser auch als anaerob bezeichnete Stoffwechselprozess stellt die älteste und ursprünglichste Form des Glukoseabbaus dar und wird sogar von heutigen Sauerstoffverwendern bei den ersten Stufen des Glukoseabbaus angewandt.

Dass die Zustände allmählich aus der Balance geraten sind, lag an der steigenden Effektivität der Photosynthese, welche im Laufe einiger Jahrmillionen immer deutlicher zu Tage trat. Bei dieser photochemische Energiegewinnung mit Hilfe immer wirkungsvoller arbeitenden Chloroplasten enstand nicht nur Energie, sondern, wie bei jedem Stoffwechselprozess, auch Abbauprodukte. Bei der Photosynthese bleibt bekanntlich Sauerstoff als „Abfallprodukt“ über, da die Chloroplasten für ihn keine Verwendung haben.

Diese stark gestiegene Produktion von Sauerstoff leitete nun das Ende der Uratmosphäre ein, da der Sauerstoffgehalt in ihr stetig und unaufhaltsam zunahm. Dies bedeutete eine weltweite Bedrohung aller bisher entstandenen Lebensformen, welche sich damals ausschließlich aus Mikroorganismen bestanden. Keine der damals bestehenden Organismen, weder Bakterien, Einzeller oder noch Großmoleküle waren auf das Auftauchen von Sauerstoff in diesen Mengen vorbereitet gewesen. Es dürften in der Tat die meisten der damals entstandenen Lebensformen in einer weltweiten Katastrophe an „Sauerstoffvergiftung“ zugrunde gegangen sein, so paradox dies für uns klingen mag. Es scheint, als wäre das Phänomen Leben in dieser kritischen Phase der Evolution fast ausgelöscht worden.

Bei Betrachtung der Ursachen für diese Katastrophe muss aber festgestellt werden, dass sie vom Leben selbst ausgelöst worden war. Es beweist, dass die Umwelt auf dieser Erde kein passiver Schauplatz ist, auf dem sich Leben abspielt. Vielmehr kann „Leben“ selbst die Erde verändern und diese Veränderungen wirken ihrerseits auf das Leben zurück und beeinflussen dessen Entwicklung. Leben und irdische Umwelt stehen demgemäß in einer Wechselbeziehung und die erste Konsequenz daraus war, dass die Umwelt das Leben hervorgebracht hat. Anders ausgedrückt scheint im Universum die unbelebte Materie die Tendenz zu besitzen, belebte Materie hervorzubringen, indem sie immer komplexere Strukturen entwickelt. „Leben“ scheint also eine universelle Potenz zu besitzen, sich auch unter extremen und einzigartigen Bedingungen zu verwirklichen.

Die Bewältigung dieser so genannten „Sauerstoff- Krise“ verdanken wir wahrscheinlich einem damals neu auftretenden Zelltypus, der Bakterien enthalten haben dürfte, die durch einige bis dahin unbekannte Enzyme vor dem Sauerstoff geschützt worden sind. Unter astronomisch vielen Bakterien waren es wahrscheinlich einige wenige, welche die revolutionäre Fähigkeit entwickelt hatten, Sauerstoff für den Energiebedarf des eigenen Stoffwechsels ausnutzen zu können. Heute kennt man eines der wichtigsten Enzyme, welche die Sauerstoffübertragung innerhalb der Zelle ermöglicht. Es heißt Cytochrom C und ist ein aus 104 Aminosäuren zusammengesetztes Kettenmolekül mit einem für Enzyme typischen aktiven Zentrum.

Der Umstand, dass dieses für seine Stoffwechselfunktion markante Enzym bei allen Lebewesen dieser Erde vorkommt, sei es Mensch, Pflanze oder Tier, beweist, dass alle Organismen von der gleichen Urzelle abstammen und sich von ihr ausgehend evolutionär entwickelt haben. Dieser neue fortschrittliche Zelltyp, sozusagen der erste „Sauerstoffatmer“, verschaffte sich fortan durch eine starke Vermehrung eine deutliche Überlegenheit gegenüber seinen „Konkurrenten“. Sein Vorteil lag einfach darin, dass mit Hilfe des Sauerstoffs gegenüber früher die restlose und damit effizientere Energieausnützung möglich geworden war. Von wenigen Ausnahmen abgesehen sind es heute alle lebenden Tiere und Menschen, die „atmen“. Es dürfte sich so abgespielt haben, dass die Fähigkeit der Zellen mit dem Sauerstoff etwas „anzufangen“ mit Hilfe eines bestimmten Bakteriums begann. Wahrscheinlich war dies die Geschichte von der Entstehung der Mitochondrien, also derjenigen Organelle, in denen sich bis heute die Atmung der Zelle abspielt, was bedeutet, dass hier der restlose Abbau der Nahrungsmoleküle mit Hilfe des Sauerstoffs stattfindet.

Bezüglich der zeitlichen Dimension muss man sich vorstellen, dass die Entwicklung der höheren Zelle mit Kern, die Fähigkeit zur Teilung und zur Perfektionierung der Photosynthese eine Milliarde Jahre gedauert haben könnte. Desgleichen dürfte für den Erwerb der Fähigkeit zur Sauerstoffatmung ein Zeitraum von eigen Hunderten Millionen Jahren notwendig gewesen sein. Das alles muss sich demnach im „Zeitlupentempo“ abgespielt haben. Besonders erwähnenswert ist, dass sich der Zellkern zu einem gesonderten Bestandteil der Zelle entwickelt hatte, in dem der Bau- und Funktionsplan der Zelle nicht nur detailliert gespeichert ist, sondern von dem aus alle Aktivitäten der Zelle gesteuert werden.

Wie dies zur Entwicklung der Vielzeller führte lesen Sie demnächst auf diesem Blog.