Biologie · Evolution

Chemische Evolution

Wie aus den Gasen der Uratmosphäre erste organische Bausteine entstanden: Miller-Urey-Experiment, die vier Stadien der chemischen Evolution und die RNA-Welt-Hypothese.

Erklärtext

Polarstern

Ohne Leben entstanden aus Gasen erst Bausteine, dann Makromoleküle. Miller-Urey belegt den ersten Schritt, die RNA-Welt erklärt die Vererbung.

Die Uratmosphäre

Die Erde ist etwa 4,5 Milliarden Jahre alt, die chemische Evolution lief vor rund 4 Milliarden Jahren ab. Die Uratmosphäre enthielt keinen freien Sauerstoff (O₂). Er kam erst später durch die Photosynthese.

Klassisch nimmt man eine reduzierende Atmosphäre an, also ohne Sauerstoff, der die Stoffe oxidieren würde: Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃), Wasserstoff (H₂) und Wasserdampf. Heutige Modelle erlauben auch weniger reduzierende Gemische mit Stickstoff und CO₂. Die genaue Zusammensetzung ist nicht geklärt.

Voraussetzung war flüssiges Wasser. Energie lieferten Blitze, UV-Strahlung (es gab noch keine Ozonschicht), Vulkane und hydrothermale Quellen.

Kurz checken: Warum konnten sich organische Moleküle nur ohne O₂ anreichern?Antwort

Sauerstoff oxidiert organische Stoffe. Sie wären sofort wieder zerfallen, bevor sie sich ansammeln konnten.

Das Miller-Urey-Experiment

Miller und Urey bauten 1953 die Uratmosphäre im Labor nach, als geschlossenen Kreislauf:

Übungsfragen

KolbenMiniaturmeer. Wasser wird erhitzt, es steht für den Urozean. Der Dampf steigt auf.

FunkenkammerUratmosphäre. Der Dampf mischt sich mit Methan, Ammoniak und Wasserstoff. Elektrische Entladungen ersetzen die Blitze.

KühlerKondensation. Der Dampf regnet ab und spült die neu gebildeten, wasserlöslichen Stoffe mit (z. B. Blausäure, Aldehyde).

MiniaturmeerAnreicherung. Die Stoffe sammeln sich im Wasser, es färbt sich rötlich-braun. Nach einer Woche sind Aminosäuren nachweisbar.

Merke

Das Experiment zeigt: Organische Bausteine entstehen unter abiotischen Bedingungen. Es beweist weder die echte Zusammensetzung der Uratmosphäre noch die Entstehung von Leben.

Die vier Stadien

Abiogene Synthese. Aus anorganischen Stoffen entstehen Biomonomere (Aminosäuren, Nukleotide, Zucker) und reichern sich an. Hier setzt Miller-Urey an.
Polymerisation. Die Biomonomere verknüpfen sich zu Makromolekülen: Proteine und Nukleinsäuren.
Protobionten. Eine Lipidmembran umschließt die Makromoleküle zu einem abgeschlossenen Reaktionsraum. Das sind Vorläufer von Zellen, noch keine echten Zellen.
Selbstreplizierende RNA. Moleküle, die sich selbst kopieren, machen Vererbung möglich.

Was Abiogenese und Biogenese unterscheidet und was Protobionten können: → Ausführlich in: Biogenese und Protobionten

Die RNA-Welt-Hypothese

Was war zuerst da, die Information (DNA) oder die Katalysatoren (Proteine)? Jedes braucht das andere: DNA wird nur mit Enzymen kopiert, Enzyme entstehen nur nach einem DNA-Bauplan. Nach der RNA-Welt-Hypothese war RNA das erste Biopolymer, weil sie beides kann.

Information speichern, über die Basenfolge wie DNA.
Reaktionen beschleunigen als Ribozym, ein RNA-Molekül mit enzymatischer Aktivität. Ribozyme katalysierten vermutlich vor allem die Replikation von RNA.

Als Einzelstrang faltet sich RNA zu Formen, die Reaktionen beschleunigen können. Später übernahmen die stabilere, doppelsträngige DNA die Speicherung und die vielseitigeren Proteine die Katalyse. Ein Hyperzyklus ist ein Kreislauf aus RNA und Proteinen, die ihre Vermehrung gegenseitig verstärken.

MedAT-Fallen

Kein Sauerstoff. Weder die Uratmosphäre noch Millers Gemisch enthielt O₂.
RNA ist nicht stabiler als DNA. Sie steht am Anfang, weil sie Information und Katalyse vereint.
Ribozyme gibt es noch heute, etwa die rRNA im Ribosom, die Peptidbindungen knüpft.

Wie es weitergeht

Aus Protobionten wurden erste Prokaryoten, vor 3,5–4 Milliarden Jahren. Eukaryoten entstanden später durch Endosymbiose. → Ausführlich in: Endosymbiontentheorie
Sobald es Leben gibt, wirkt Selektion. → Ausführlich in: Evolutionstheorie Darwin

Beschriftbare Abbildung

Miller–Urey: Experimenteller Kreislauf

Symbole

Deine AufgabeOrdne das Miller-Urey-Experiment dem ersten Stadium der chemischen Evolution zu und erkläre, was es belegt — und was es über Makromoleküle, Protobionten und die RNA-Welt nicht aussagt. Bringe anschließend die vier Stadien in die richtige Reihenfolge.

Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.

Ein experimentell gewähltes reduzierendes Gasgemisch, elektrische Funken und ein Wasserkreislauf liefern organische Produkte. Das Modell zeigt, dass einfache Bausteine abiotisch entstehen können (Stadium 1), belegt aber weder die genaue Zusammensetzung der Uratmosphäre noch die Entstehung von Leben.