Evolution: Entstehung des Lebens (Präbiotische Chemie)

Interessierte: Hypothesen zur Uratmosphäre

Inhalt

In diesem Artikel wird erläutert, wie man Vorstellungen über die Zusammensetzung der hypothetischen Uratmosphäre gewinnen kann. Eine reduzierende Atmosphäre wäre für die Bildung lebenswichtiger Moleküle förderlich, doch gibt es Hinweise darauf, dass die Uratmosphäre eher oxidierend gewesen sein könnte.

Hinführung

Hypothesen zur Uratmosphäre

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Hinführung

Die präbiotische Chemie (=Forschungszweig, in dem chemische Prozesse untersucht werden, die vor dem Auftreten erster Lebewesen abgelaufen sein und damit die materielle Basis für die Entstehung erster lebender Systeme liefern könnten) benötigt geeignete Bedingungen für die Bildung erster einfacher Moleküle, aus denen sich die materiellen Bestandteile von ersten Lebewesen bilden könnten. Diese Ausgangssituation kann nicht direkt untersucht werden. Nach evolutionstheoretischen Vorstellungen liegt sie extrem weit in der Vergangenheit. Eine Vorstellung von der Situation, bevor Lebewesen und deren stoffliche Komponenten entstanden, muss daher hypothetisch (=als unbewiesene, zunächst noch unbegründete Annahme) vorgegeben werden (vgl. Artikel „Methodik der empirischen Forschung").

Beim Versuch, mögliche Ausgangsbedingungen zu entwerfen, orientiert man sich u. a. an folgenden Anhaltspunkten:

1. Man untersucht Gesteine, die noch vor der Zeit der (hypothetischen) Entstehung erster Lebewesen entstanden sind, in der Hoffnung, daraus Rückschlüsse auf die damalige Zusammensetzung der Uratmosphäre ziehen zu können. Deren Bestandteile könnten damit auch in Kontakt mit „Urozeane" oder Wasserquellen auf der Erdoberfläche („Urtümpel") gestanden haben.

2. Die Verteilung und Häufigkeit der chemischen Elemente im Weltall könnten auch Anhaltspunkte dafür liefern, welche chemischen Verbindungen am Anfang in der Uratmosphäre zur Verfügung standen.

3. Aufgrund chemischer Zusammenhänge kommen den einzelnen Stoffen in der Uratmosphäre und den Urozeanen oder Urtümpeln unterschiedliche Bedeutung für die Synthese wichtiger Bausteine der Lebewesen bzw. deren Vorstufen (wie Aminosäuren, Zucker etc.) zu.

Aus diesen und weiteren Anhaltspunkten müssen widerspruchsfreie Modelle entwickelt werden, die dann entsprechend plausibel dargestellt werden.

Nachdem der Kosmos mit unserem Sonnensystem entstanden war, könnten durch Energieeinwirkung auf das Gasgemisch einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre organische Moleküle entstanden sein. Diese könnten in die Urozeane bzw. Urtümpel gelangt sein und dadurch sog. „Ursuppen" erzeugt haben.

Solche Ursuppen gelten in vielen Überlegungen als naheliegende Ausgangsbasis für die Bildung weiterer, komplexerer Verbindungen, die zum Aufbau von lebenden Systemen sowie deren hypothetischen Vorläufern nötig sind.

Hypothesen, die den Übergang von einfach gebauten kleinen Molekülen zu komplexeren und schließlich zu ersten „einfachen" Lebensformen naturwissenschaftlich nachvollziehbar machen sollen, werden als „chemische Evolution" bezeichnet.

Hypothesen zur Uratmosphäre

Harold Urey orientierte sich bei seinen Vermutungen zur Zusammensetzung der Uratmosphäe an der Häufigkeit von Elementen im Weltall (90 Atom% Wasserstoff, 9 Atom% Helium, restliche Elemente 1 Atom%). Daraus folgerte er auf eine Zusammensetzung der Uratmosphäre aus Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃), Stickstoff (N₂), Wasser (H₂O) und Wasserstoff (H₂). Ein solches Gasgemisch charakterisiert man aufgrund des geringen (bzw. fehlenden) Sauerstoffanteils als reduzierend. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt, ändert sich diese Eigenschaft und es resultiert zunächst eine neutrale und schließlich oxidierende Atmosphäre. Wie schon angesprochen, sind exakte Angaben über die Zusammensetzung der Uratmosphäre prinzipiell nicht möglich. Alle Angaben darüber beruhen auf Modellen.

In den verschiedenen Vorstellungen zur Uratmosphäre werden widersprüchliche Gasmischungen postuliert. Wenn z.B. Ausgasungen aus dem Erdinnern durch vulkanische Aktivität einen bedeutenden Einfluss auf die Gaszusammensetzung der frühen Atmosphäre hatten, würde man vor allem Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und in geringen Mengen auch andere Gase erwarten. Zieht man astronomische Körper als Vergleich heran, so könnte der Saturnmond Titan als Modell für eine Uratmosphäre nach Urey (d.h. reduzierendes Gasgemisch) dienen. Die Verhältnisse auf Mars und Venus sind dagegen sehr viel ungünstiger als Startkonstellation für eine abiotische (=ohne Voraussetzung von Leben) Entstehung organischer Moleküle.

Für die präbiotische (=vor dem Auftreten von Leben) Synthese von Aminosäuren, Stickstoffbasen (Purine und Pyrimidine) und Zucker erweist sich eine reduzierende Uratmosphäre günstig, da unter neutralen oder gar oxidierenden Bedingungen die Ausbeuten im Vergleich deutlich geringer ausfallen. Die heute verfügbaren Daten erlauben keine eindeutigen Schlussfolgerungen über die Zusammensetzung und Charakterisierung der Uratmosphäre. Nach wie vor werden je nach Gewichtung der zur Verfügung stehenden Indizien sehr widersprüchliche Modelle zur Uratmosphäre diskutiert. Die Ausgangssituation für die Synthese wichtiger Bausteine der ersten Zellen ist somit völlig ungeklärt.

Trotz dieser Einwände wollen wir für die Ausführungen in den Artikeln Ursuppen-Simulationsexperimente, Entstehung von Proteinen und Entstehung von Nukleinsäuren von (unbewiesenen) Gegebenheiten ausgehen, die für die Evolutionslehre sehr günstig sind. Es wird beispielhaft die Plausibilität der vorgeschlagenen Modelle geprüft, sowie deren Verträglichkeit mit dem gegenwärtigen wissenschaftlichen Kenntnisstand.

Literaturhinweis: R. Junker & S. Scherer: Evolution – ein kritisches Lehrbuch. Gießen, 2001, Kapitel 8.

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