Chemische Evolution (Basiswissen)

Chemische Evolution – Biologie

Vor 4,6 Milliarden Jahren ist die Erde entstanden. Sie war zunächst ein brodelnd heißer Planet ohne feste Kruste. Leben gab es zu diesem Zeitpunkt nicht auf der Erde. Seitdem haben sich zahlreiche komplexe Lebewesen auf der Erde entwickelt. Wie konnte aus einem unbelebten Planeten eine Erde entstehen, auf der es so viele verschiedene Lebewesen gibt?
Damit Leben entstehen konnte, musste zunächst etwas geschehen, was wir heute chemische Evolution nennen. Der Ursprung des Lebens und die chemische Evolution liegen daher nah beieinander.
Es gibt verschiedene alternativ betrachtete Möglichkeiten zur Erklärung der chemischen Evolution und ihrer Entstehung. Das Urey-Miller-Experiment zeigt eine Theorie und Hypothese zur chemischen Evolution auf und beschreibt, welche Rolle das Wasser für die Evolution des Lebens hat.
In diesem Lerntext erfährst du kurz erklärt, was die chemische Evolution ist. Du lernst, was das Experiment von Miller und Urey zeigt und was Stanley Miller 1953 mit seinem Urozean-Experiment bewies und was all das mit der Entstehung des Lebens zu tun hat.

Was ist die chemische Evolution? – Definition

Einfach erklärt wird unter der chemischen Evolution die Bildung von organischen Verbindungen aus anorganischen Verbindungen und die darauf aufbauende Entstehung von Leben verstanden.
Organische Verbindungen sind Verbindungen, die zum großen Teil aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und bei denen mindestens eine Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff besteht. Die DNA und Aminosäuren bestehen beispielsweise aus organischen Verbindungen. Das Leben, so wie wir es kennen, ist also von organischen Verbindungen abhängig. Damit Leben entstehen konnte, mussten daher erst organische Verbindungen entstehen.

Theorien zur chemischen Evolution

Die genaue Ursache für die chemische Evolution auf der Erde ist nicht bewiesen. Eine Theorie zur chemischen Evolution ist, dass organische Verbindungen oder Bakterien durch Kometeneinschläge auf die Erde gelangten.
Eine andere Vermutung ist, dass durch die Bedingungen in der Uratmosphäre die Bildung organischer Verbindungen aus den anorganischen Verbindungen möglich war. Auf dieser Vermutung basiert auch das berühmte Urey-Miller-Experiment.

Die Bildung organischer Verbindungen führte schließlich dazu, dass Bakterien entstehen konnten. Zunächst entwickelten sich anaerobe Bakterien, also solche, die ohne Sauerstoff leben können. Später entwickelten sich Fotosynthese betreibende und aerobe Bakterien und schließlich mehrzellige Lebewesen.

Nur wie entstanden aus anorganischen Verbindungen organische Verbindungen? Dazu betrachten wir zunächst den Ablauf der chemischen Evolution, wie er heute vermutet wird.

Die Entstehung der Erde

Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren ist die Erde aus mit Staubkörnchen versetztem Gasnebel entstanden und zu einem riesigen Gesteinsklumpen herangewachsen. Die Oberfläche der Erde war sehr heiß und flüssig. Beim Abkühlen der Erde bildete sich eine feste Kruste.

Die Uratmosphäre – also der Gasmantel, den die Erde umgab – enthielt keinen Sauerstoff $(\ce{O2})$, sondern bestand aus den folgenden Verbindungen:

Beim Abkühlen der Erde kondensierte der Wasserdampf aus der Uratmosphäre zu Wasser, sodass Urozeane – die sogenannte Ursuppe – entstanden, die einfach erklärt aus Süßwasser und anorganischen Verbindungen bestanden. Nun weißt du, was die Ursuppe war. Zu den anorganischen Verbindungen zählen beispielsweise Calcium-, Phosphor- und Eisenverbindungen.

Vor etwa vier Milliarden Jahren entstand vermutlich das erste Leben in den Urozeanen.

Miller-Urey-Experiment

Wie unter solchen Bedingungen Leben entstehen konnte, kann man heute nur noch schwer nachprüfen. In einem Experiment stellten Stanley Miller und Harold Clayton Urey im Jahr 1953 deshalb die Bedingungen der Erde vor etwa vier Milliarden Jahren nach. Für die chemische Evolution war die Atmosphäre von Bedeutung, da in dieser Reaktionen abliefen.

Man ging davon aus, dass es in der Uratmosphäre viele Gewitter gab und dass die Blitze viel Energie lieferten. In dem Experiment führten Miller und Urey dem Gemisch aus Wasserdampf, Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid, Methan und Wasserstoff deshalb elektrische Ladung zu. Das Gemisch ahmte die Uratmosphäre nach. Aus den anorganischen Verbindungen sind in diesem Experiment nach acht Tagen organische Moleküle wie Aminosäuren entstanden.

Aminosäuren sind der Grundbaustein der Proteine, die jedes Lebewesen besitzt. Das Experiment von Miller und Urey deutet also darauf hin, dass in der Uratmosphäre die Bildung von organischen Verbindungen aus anorganischen Verbindungen möglich war. Ob die Bedingungen in der Uratmosphäre genau so waren wie in dem Experiment angenommen, kann man heute jedoch nicht mehr überprüfen.

Nun weißt du, was D. Miller nach seinen Versuchen mit der Ursuppe entdeckte und welche Stoffe Miller in der Ursuppe nachweisen konnte.

Erste Lebewesen

Fossilfunde können belegen, dass es erstes Leben vor etwa 3,8 Milliarden auf der Erde gab. Es handelte sich um einzellige, anaerobe Bakterien, die ohne Sauerstoff leben. Man geht davon aus, dass es vor den einzelligen Lebewesen eine Art Vorläufer des einzelligen Lebens gab, die als Protobiont bezeichnet wird. Die Abbildung zeigt eine Übersicht über den Verlauf der chemischen Evolution in Schritten von anorganischen und organischen Molekülen über Protobionten (Protozellen) und RNA bis hin zu Prokaryoten.

Erste atmende Organismen

Es entstanden erste blaugrüne Bakterien, die Fotosynthese betreiben konnten. Diese sind die Vorfahren der heutigen Cyanobakterien. So reicherten sich die Atmosphäre und die Urozeane mit Sauerstoff an, was zu weiteren Veränderungen führte.

Diesen Sauerstoff nämlich konnten andere Lebewesen nutzen und daraus Energie gewinnen: Die aeroben Bakterien waren leistungsfähiger und setzten sich gegenüber den anaeroben Bakterien durch. Heutzutage findet man anaerobe Bakterien in der Tiefsee oder in der Nähe von heißen Quellen – also überall dort, wo es nur wenig oder keinen Sauerstoff gibt.

Es entwickelten sich im Laufe der Zeit mehrzellige Lebewesen wie die grünen Fadenalgen. Durch den erhöhten Sauerstoffanteil in der Atmosphäre entstanden immer komplexere Lebewesen, die Sauerstoff im Rahmen der Zellatmung zur Energiegewinnung nutzen. Dadurch kam es im Laufe der Zeit zu einer Evolution des Stoffwechsels.

Chemische Evolution – Zusammenfassung

Unter der chemischen Evolution ist die Entstehung des Lebens durch die Bildung von organischen Verbindungen aus anorganischen Verbindungen gemeint. Es gibt mehrere Theorien zu der chemischen Evolution, wovon eine durch Miller und Urey in einem Experiment überprüft wurde. Durch elektrische Entladungen in der Uratmosphäre fanden in diesem Experiment Reaktionen statt, die zur Bildung organischer Verbindungen wie Aminosäuren führten.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zu dem Thema Chemische Evolution, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Damit bist du bestens auf ein Referat zur chemischen Evolution vorbereitet. Viel Spaß!