Erstes Leben, die Evolution beginnt

Cyanobakterien. Quelle:https://de.wikipedia.org/wiki/Cyanobakterien

Da sich die Oberfläche nun abkühlte, kondensierte der Wasserdampf in sintflutartigen Regengüssen zu Ozeanen, die schon vor 3,5 Milliarden Jahren wichtige Bausteine des Lebens enthielten. Die Elemente Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) haben die passenden chemischen Eigenschaften, um Lebendiges entstehen zu lassen. Sie verhalten sich anders als Edelgase, die sich gar nicht mit anderen Elementen verbinden oder Metalle, deren Atome feste Gitterstrukturen bilden, zwischen denen die Elektronen umhersausen und so den Strom fortleiten können. Die Elemente mit der Nachsilbe „-stoff“ bilden (angereichert mit ein paar anderen Elementen wie Schwefel (S), Eisen (Fe) oder Kupfer (Cu), die aber der Masse nach fast unbedeutend sind) das organische Grundgerüst aller irdischen Lebewesen. Sie lassen die in ihrer Atomhülle ganz außen gelegenen Elektronen unter bestimmten Bedingungen in kovalenten Bindungen überlappen. Durch diesen Bindungstyp hat die Natur eine Art Legosteinsystem erfunden, mit dem sich aus einer begrenzten Anzahl von Bauelementen eine unendliche Vielzahl von Molekülen schaffen lässt. Diese Elemente können immer wieder neu zusammengesetzt werden, organische Strukturen bilden und Energie übertragen. Aus solchen Molekülen lassen sich Lebewesen - wie Mammutbäume oder Elefanten - aufbauen oder Nährstoffe wie Karotten oder Gummibärchen formen.

Doch kehren wir zum Anfang des Lebens zurück. Tatsächlich bilden im wässrigen Medium eines Labors Fettsäuren und bestimmte Eiweiße ohne äußeres Zutun Trennschichten und wassergefüllte kugelförmige Räume. Diese Gebilde aus einer ersten primitiven Biomembran dürften auch in den Urozeanen aufgetreten sein. Oft sind diese Sphären stabil genug, um andere Moleküle aufzunehmen und zu beherbergen. Und etwa so wird das Leben sich selber erfunden haben: Manche solcher Moleküle, die in der Ursuppe (so nennen Biologen etwas läppisch den Chemiecocktail, der sich vor allem an den Rändern der Urozeane in der ersten Lebensjahrmilliarde unserer Erde gebildet hatte) herumschwammen und in das Innere der Kugelzellen gerieten, besaßen zwei wesentliche Eigenschaften: Sie konnten Informationen speichern und sich selbst reproduzieren. Damit trafen schon zwei Grundqualitäten des Lebens aufeinander: Die Trennung von Individuum und Außenwelt und die Vererbung. Nukleinsäuren - so heißen die molekularen Träger des Erbgutes - bestehen aus Phosphat sowie Basen und Zucker, deren Ausgangstoffe schon auf der unbelebten Erde vorhanden waren. Nukleinsäuren (Ribonukleinsäure, RNS und Desoxyribonukleinsäure, DNS) bildeten also den Informationskern der ersten Mikroorganismen - genauso, wie sie den Bauplan in jeder Körperzelle der heutigen Organismen verschlüsseln. Dabei bilden die Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, in langen Folgen wie ein Alphabet Informationseinheiten: die Gene. Das riesige DNS-Molekül bildet dabei eine Figur, die einer verdrehten Strickleiter ähnelt: die Doppelhelix. Für den Beginn der Evolution boten diese Wundermoleküle eine weitere herausragende Fähigkeit. Wenn alle Zutaten vorhanden sind, können sich diese Molekülstränge unter dem Einfluss wechselnder Temperaturen selbst wiederherstellen. Ein Molekül, das sich selbst kopieren konnte und diese Nachkommen in Mikrosphären unterbrachte: das dürften die ersten - im Detail noch immer ziemlich rätselhaften - Schritte des Lebens gewesen sein.

Mit der Nukleinsäure im Inneren entstanden zunächst Zellen, deren einzige Leistung es war, sich zu reproduzieren. Aber von nun an galten schon die Regeln der Evolution: Wer sich in seiner Umwelt bewährt, hat die Chance einen Abkömmling seiner selbst herzustellen, und der neuen Generation seine Gene als Erbteil mitzugeben.
 Beispielhaft können wir uns die evolutionären Mechanismen anhand einer fiktiven Geschichte viel späterer Organismen vorstellen. „Mechanismen“ klingt dabei nach Ingenieuren, erdachten Bauplänen und Automobilindustrie. Evolution ist dagegen etwas sehr Organisches: Das Meiste dauert sehr lange, oft Jahrmillionen, viele Versuche entpuppen sich als untauglich und werden verworfen.
Nun die Geschichte: Bei der Übergabe des Erbgutes eines namenlosen Amphibiums auf seinen Nachkommen ist es zu einem genetischen Fehler, einer Mutation gekommen. Zum Beispiel könnte sich in einem Genabschnitt, in dem die Körperfarbe verschlüsselt wird, die Abfolge einiger Basen geändert haben (es könnten auch Basen hinzugekommen oder weggefallen sein). Sagen wir, die Haut sei etwas weniger grün als die seiner Eltern und ginge mehr ins Beigefarbene. Fantasieren wir weiter und stellen uns vor, das Umfeld des Tümpels, in dem dieser Lurch lebt, würde - vielleicht durch einen Abfall des Grundwasserspiegels – trockener, schlammiger, mehr beige. Nun kommt der wichtige Evolutionsfaktor Selektion in Form der Lurchfressfeinde ins Spiel: Der beigefarbene Lurch (und das neue Körperfarbe-Gen in seinem Inneren) könnte nun etwas besser den Augen hungriger Wasservögel entgehen als seine grünen Artgenossen. Die Wahrscheinlichkeit, dass er sich fortpflanzt und das Haut-Gen mit der Merkmalsausprägung „beige“ an seine Nachkommen weitergibt, steigt. Allerdings schaden die meisten Mutationen dem Individuum (bleibt die Tümpelumgebung grün, so wird der Lurch samt seines Beige-Gens als erster gefressen). Die natürliche Selektion nannte Charles Darwin (1809-1882) schon im Titel seines Buches On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races (das trotz seines langatmigen Titels bald für großes Aufsehen sorgte und eines der bedeutendsten Bücher der Wissenschaftsgeschichte ist). Selektion als Änderung der Umweltbedingungen kann z.B. auch in Form von Krankheiten (etwa Malaria) wirksam werden. Ganz aktuell können wir Menschen mitverfolgen, dass Evolution wirklich stattfindet: Die allgegenwärtigen Antibiotika selektieren aus Bakterienpopulationen diejenigen Zellen heraus, denen sie nichts anhaben können, weil alle anderen durch das Arzneimittel sterben. Bakterien vermehren sich, z.B. in einem erkrankten Wirtstier, millionenfach und einige tragen oft die genetisch vermittelte Resistenz gegen Medikamente in sich. Die überlebenden Mikroorganismen können sich vermehren. Sie bilden Kolonien, die nun gegen das Antibiotikum, mit dem sie Kontakt hatten, unempfindlich sind. Sie werden diese Eigenschaft auch an ihre Nachkommen weitergeben (und große Probleme in unseren Krankenhäusern verursachen).

Das Leben braucht aber nicht nur eine Membran, die es von der Umwelt trennt und einen Fortpflanzungsmechanismus. Leben will auch angetrieben werden. Energie war auf der Erde, durch Sonneneinstrahlung und Vulkanismus, von Anfang an im Überschuss vorhanden. Die irdischen Zellen entwickelten immer raffiniertere Methoden, um diese Energie einzufangen und sie für ihre Lebensprozesse nutzbar zu machen. Und ganz früh erfanden sie auch die wichtigste Methode, um Sonneneinstrahlung mit Hilfe von Kohlenstoff und Wasser in Biomasse umzuwandeln: Die Photosynthese wurde schon vor 3,5 Milliarden Jahren von Cyanobakterien, den wahrscheinlich ersten Erdenbewohnern, beherrscht. Heute kann dieser komplexe Syntheseprozess in jeder grünen Pflanze bewundert werden. Als Nebenprodukt entsteht bei der Photosynthese freier Sauerstoff, den sich vor etwa 1,5 Milliarden Jahren eine neue Klasse von Organismen zu Nutze machte. Weil sie keine Biomasse aufbauen, sondern diese verbrauchen, werden sie als Konsumenten bezeichnet, zu denen auch alle heutigen Tiere gehören. Sie nutzen Sauerstoff, um den zuvor von den Pflanzen (den Produzenten) aufgebauten Kohlenstoffverbindungen wie Zucker, Fett und Eiweiß ihre Energie zu entziehen. Dabei wird Kohlen(stoff)dioxid (CO2) an die Luft abgeatmet, das die Produzenten dann wieder aufnehmen, um Blätter, Holz und Früchte herzustellen. Es ist der Leben-erhaltende Kreislauf unseres Planeten. Bildungsblitz

Bis vor etwa einer Milliarde Jahren verharrte der von Algen geschaffene Sauerstoffanteil bei nur drei Prozent. Er stieg dann ziemlich sprunghaft an und erreichte vor etwa 300 Millionen Jahren mehr als 30 Prozent, als die Erde im Karbon-Zeitalter mit bis zu 40 Meter hohen baumartigen Farnen dicht bewaldet war. Schließlich pegelte sich der atmosphärische Sauerstoffgehalt bei seinem heutigen Wert von 21 Prozent ein. Die Evolution kam überhaupt eher zögerlich und dann unstetig in Schwung. Brüche und Sprünge im Wechsel mit langen Plateauphasen sind seitdem ein Kennzeichen der Entwicklung auf unserem Planeten. In dem langen Zeitraum von 3,5 bis 1,5 Milliarden Jahre vor heute wurde die Erde von Cyanobakterien und ähnlich einfach aufgebauten Einzellern bewohnt, die im Wesentlichen Photosynthese betrieben, dabei Sauerstoff produzierten und sich vermehrten. Dann tauchten die Eukaryonten auf. Das sind viel größere Zellen, die ihre DNS in einem Zellkern abkapseln und in speziellen Strukturen, den Mitochondrien unter Sauerstoffverbrauch Energie produzieren. Vor 600 Millionen Jahren gelang es diesen Zellen, sich zu teilen, ohne sich gleich wieder zu trennen, so dass erstmals vielzellige Organismen entstehen konnten. Etwa gleichzeitig wurde die Sexualität erfunden. Die Lebewesen teilten sich von nun an in zwei Geschlechter, die bei jeder geglückten Fortpflanzung ihr Erbgut durchmischten. Ihre Nachkommen wiesen dadurch die notwendige Vielfalt auf, um sich als Population wandelnden Umweltbedingungen anpassen zu können. Weil ein Individuum von jedem Elternteil einen Satz Erbgut bekommt, liegen die Gen-Codes doppelt vor. Wenn dann nur eine Kopie (die dominante) abgelesen und in eine tatsächliche Eigenschaft übersetzt wird, bleibt die andere Genvariante verborgen (rezessiv). Diese rezessiven Gene können sich über Generationen ansammeln und treten nur in Erscheinung, wenn sie, von zwei Elternteilen kommend, aufeinander treffen. Für die Evolution sind diese Erbinformationen im Wartestand sehr wichtig. Rezessive Gene können sich nämlich dann ausbreiten, wenn sich die Umweltverhältnisse ändern und sie einen Selektionsvorteil bieten.

 
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