Rauchfuss Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens

1. Auflage 2006
ISBN: 978-3-540-27666-1
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 414 Seiten

Reihe: Life Science and Basic Disciplines (German Language)

Der Entschluß, ein Buch über den Ursprung (bzw. die Ursprünge) des - bens zu verfassen, setzt voraus, daß man von diesem wissenschaftlichen 'großen Problem' noch immer fasziniert ist, wenn auch die erste intensive Beschäftigung mit dieser Thematik mehr als drei Jahrzehnte zurückliegt. Experimentelle Arbeiten über Protein-Modellsubstanzen unter den si- lierten Bedingungen der Urerde führten zur Entstehung eines der ersten deutschsprachigen Bücher über 'Chemische und Molekulare Evolution', das ich mit Klaus Dose (Mainz), von dem auch die Initiative ausging, v- faßte. Die enorme Erweiterung und Differenzierung dieses Forschungsgebietes führte in den letzten Jahren zur Gründung eines neuen, interdisziplinären Wissenschaftszweiges, der 'Exo-/Astrobiologie'. Sie verfolgt das we- gespannte, ehrgeizige Ziel, das Phänomen 'Leben' im gesamten Kosmos zu erforschen. In den folgenden Kapiteln wird ein Überblick über die vielfältigen - mühungen von Wissenschaftlern gegeben, Antworten auf die Frage nach dem 'Woher' des Lebens zu finden. Dabei ist über Erfolge, aber auch Mißerfolge sowie über Diskussionen und gelegentlich harte Kontroversen zu berichten. Es soll aber auch deutlich dargestellt werden, wie viele of- ne Fragen und ungeklärte Rätsel noch auf eine Antwort warten. Es sind - ren mehr, als gern eingestanden wird! - Die Fülle an wissenschaftlichen Publikationen macht es leider unmöglich, über alle Bereiche dieses int- disziplinär ausgerichteten Teilgebietes der Naturwissenschaften mit gl- cher Ausführlichkeit zu berichten.

Prof. Dr. Horst Rauchfuss absolvierte sein Chemiestudium an der Goethe-Universität in Frankfurt/Main, wo er in Biochemie diplomierte und promovierte. Anschließend arbeitete er am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt/Main. Er verfasste u.a. Arbeiten zur 'Präbiotischen Chemie', wie z. B. 'Proteinoide'. Er wurde an die PH-Ruhr bzw. Universität Dortmund an den Lehrstuhl 'Chemie und ihre Didaktik' berufen und ist Autor mehrerer Bücher. Mit seinen populärwissenschaftlichen Vorträgen zur Entstehung des Lebens ist er bundesweit bekannt.

Autoren/Hrsg.

Rauchfuss, Horst

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Inhaltsverzeichnis;9
3;Einleitung;13
4;1 Historischer Überblick;15
4.1;1.1 Zeitalter der Mythen;15
4.2;1.2 Mittelalter;19
4.3;1.3 Neuere Zeit;23
4.4;1.4 Das Problem, „Leben“ zu definieren;26
4.5;Literatur;32
5;2 Kosmos, Sonnensystem und Urerde;33
5.1;2.1 Kosmostheorien;33
5.2;2.2 Bildung der Bioelemente;38
5.3;2.3 Entstehung des Sonnensystems;41
5.4;2.4 Entstehung der Erde;45
5.5;2.5 Atmosphäre der Urerde;51
5.6;2.6 Urozean (Hydrosphäre);56
5.7;Literatur;61
6;3 Von den Planeten zur interstellaren Materie;65
6.1;3.1 Planeten und Satelliten;65
6.1.1;3.1.1 Merkur;66
6.1.2;3.1.2 Venus;66
6.1.3;3.1.3 Mars;67
6.1.4;3.1.4 Jupiter;70
6.1.5;3.1.5 Jupiter-Monde;71
6.1.6;3.1.6 Saturn und Saturnmond Titan;77
6.1.7;3.1.7 Uranus und Neptun;83
6.1.8;3.1.8 Pluto und Charon;84
6.2;3.2 Kometen;85
6.2.1;3.2.1 Ursprung und Herkunft der Kometen;85
6.2.2;3.2.2 Struktur der Kometen;86
6.2.3;3.2.3 Komet Halley;88
6.2.4;3.2.4 Kometen und Biogenese;89
6.3;3.3 Meteorite;93
6.3.1;3.3.1 Einteilung der Meteorite;94
6.3.2;3.3.2 Kohlige Chondrite;95
6.3.3;3.3.3 Mikrometeorite;100
6.4;3.4 Interstellare Materie;101
6.4.1;3.4.1 Interstellarer Staub;102
6.4.2;3.4.2 Interstellares Gas;106
6.4.3;3.4.3 Interstellare Moleküle;108
6.5;Literatur;111
7;4 „Chemische Evolution“;117
7.1;4.1 Modellexperimente von Miller-Urey;118
7.2;4.2 Weitere Aminosäuresynthesen;120
7.3;4.3 Präbiotische Synthesen der Nucleinsäurebasen;124
7.4;4.4 Kohlenhydrate und Derivate;132
7.5;4.5 Blausäure und Derivate;136
7.6;4.6 Energiequellen für die chemische Evolution;141
7.6.1;4.6.1 Energie aus dem Erdinnern und Vulkanismus;142
7.6.2;4.6.2 UV-Strahlung von der Sonne;145
7.6.3;4.6.3 Energiereiche Strahlung;146
7.6.4;4.6.4 Elektrische Entladungen;147
7.6.5;4.6.5 Stoßwellen (Schockwellen);148
7.7;4.7 Die Rolle der Phosphate;150
7.7.1;4.7.1 Allgemeines;150
7.7.2;4.7.2 Kondensierte Phosphate;152
7.7.3;4.7.3 Experimente zum „Phosphat-Problem“;152
7.8;Literatur;158
8;5 Peptide und Proteine: die „Protein-Welt“;163
8.1;5.1 Allgemeines;163
8.2;5.2 Aminosäuren und Peptidbindung;163
8.3;5.3 Aktivierung;165
8.3.1;5.3.1 Chemische Aktivierung;166
8.3.2;5.3.2 Biologische Aktivierung;166
8.4;5.4 Simulationsexperimente;170
8.4.1;5.4.1 Präbiotische Peptide;170
8.4.2;5.4.2 Präbiotische Proteine;178
8.5;5.5 Neue Entwicklungen;182
8.6;Literatur;187
9;6 „RNA-Welt“;189
9.1;6.1 Einleitende Bemerkungen;189
9.2;6.2 Synthese von Nucleosiden;190
9.3;6.3 Synthese von Nucleotiden;191
9.4;6.4 Synthese von Oligonucleotiden;195
9.5;6.5 Ribozyme;209
9.6;6.6 Kritik und Diskussionen um die „RNA-Welt“;213
9.7;6.7 „Prä-RNA-Welt“;215
9.8;Literatur;227
10;7 Andere Theorien und Hypothesen;231
10.1;7.1 Anorganische Systeme;231
10.2;7.2 Hydrothermale Systeme;236
10.2.1;7.2.1 Allgemeines;236
10.2.2;7.2.2 Geologische Grundlagen;237
10.2.3;7.2.3 Synthesen an hydrothermalen Quellen;239
10.2.4;7.2.4 Andere Meinungen;241
10.2.5;7.2.5 Reaktionen in superkritischer Phase;243
10.2.6;7.2.6 Reaktionen vom Fischer-Tropsch-Typ;244
10.3;7.3 Chemoautotropher Lebensursprung;245
10.4;7.4 Die „Thioester-Welt“ von de Duve;257
10.5;7.5 Atomarer Kohlenstoff in Mineralien;263
10.6;Literatur;264
11;8 Genetischer Code und weitere Theorien;267
11.1;8.1 Zum Informationsbegriff;267
11.2;8.2 Genetischer Code;268
11.3;8.3 Die Biogenesetheorie von M. Eigen;275
11.4;8.4 Die Biogenese-Modelle von H. Kuhn;282
11.5;8.5 Die „Ursprünge“ des Lebens von F. Dyson;287
11.6;Literatur;292
12;9 Grundlegende Phänomene;295
12.1;9.1 Thermodynamik und Biogenese;295
12.2;9.2 Thermodynamik irreversibler Systeme;299
12.3;9.3 Selbstorganisation;302
12.4;9.4 Das Chiralitätsproblem;308
12.5;Literatur;316
13;10 Urzellen und Zellmodelle;319
13.1;10.1 Paleontologische Befunde;319
13.2;10.2 Zum Problem der Modellzellen;327
13.2.1;10.2.1 Einführende Bemerkungen;328
13.2.2;10.2.2 Historisches;329
13.2.3;10.2.3 Neue Entwicklungen;330
13.3;10.3 Der Stammbaum des Lebens;338
13.4;Literatur;347
14;11 Exo-/Astrobiologie und andere Themen;351
14.1;11.1 Extraterrestrisches Leben;352
14.1.1;11.1.1 Leben in unserem Sonnensystem;353
14.1.2;11.1.2 Extrasolares Leben;363
14.2;11.2 Künstliches Leben (KL);381
14.3;11.3 Das „Wann“-Problem;383
14.4;Literatur;386
15;Epilog;389
16;Verzeichnis der Abkürzungen;391
17;Glossar;393
18;Sachwortverzeichnis;403

Leseproben

10 Urzellen und Zellmodelle (S. 307-308)


10.1 Paleontologische Befunde

Die frühe Phase der Erdgeschichte vor 4 bis etwa 3,8 Milliarden Jahren liegt, wie der Zeitraum vor dieser Periode, noch völlig im Dunkel unserer Unkenntnis. Mögliche Zeugen aus diesen archaischen Phasen der Erdgeschichte könnten helfen, das Dunkel aufzuhellen.

Es geht also um die Spurensuche nach möglichen Resten ersten primitiven Lebens auf unserem Planeten – die Suche nach Fossilien, genauer nach Mikrofossilien. Darunter versteht man die Reste ehemals lebender Zellen. Es sind meist nur die Zellwände, die erhalten blieben. Sie können aus dem umgebenden Sedimentgestein isoliert werden, wenn die silikathaltigen, sulfidischen und karbonatreichen Mineralien chemisch aufgelöst wurden. Der kohlenstoffhaltige Rückstand enthält dann die Mikrofossilien, von denen für die nachfolgenden mikroskopischen Untersuchungen transparente, dünne Plättchen hergestellt werden.

Eine weitere wichtige Methode, um frühes Leben aufzuspüren, führt über das Verhältnis der beiden Kohlenstoffisotope 12C und 13C. Bei biologischen Prozessen wird das leichtere Isotop12C (der „normale Kohlenstoff") bevorzugt in Biomoleküle eingebaut. Aus dem Verhältnis 13C/12C schließt man auf das Vorliegen von Material, das durch Lebensprozesse entstand. Entscheidend für eine gesicherte Aussage ist natürlich, daß andere, nicht-biologische Ereignisse völlig auszuschließen sind. Ob dies in jedem Falle möglich sein dürfte - ist fraglich. Vor allem dann, wenn nicht alle geologischen Prozesse, die vor 3–4 Milliarden Jahren abliefen, genau bekannt sind.

Es gibt drei Arten von Beweisen für das erste Leben auf unserer Erde. Diese drei sind voneinander unabhängig, verstärken sich aber gegenseitig:

– Stromatoliten,
– zelluläre Fossilien,
– biologisch gebildete C-haltige Materie.

Stromatoliten sind lamellenartig gelagerte kalkreiche Fossilien mit einer Feinschichtung im Millimeter-Bereich, die in vielerlei Formen auftreten können. Sie entstanden durch die Lebensfunktionen von Blaugrünalgen (Cyanobakterien).

Zelluläre Fossilien werden mikroskopisch und neuerdings mit Hilfe der Laser-Raman-Spektroskopie (siehe später) untersucht. Die Dünnschliffe der Gesteine zeigen oftmals Zellen in der Größe, Form, zellulären Struktur und Kolonieform, die den heutigen Mikroorganismen stark ähneln. Damit die zuvor bezeichneten Eigenschaften erhalten bleiben, durften die Gesteine niemals über 420 K erhitzt worden sein. Ebenso hätten zelluläre Fossilien höhere Druckbelastungen nicht überstanden.

Die Isotopenzusammensetzung des Kohlenstoffs in C-haltigem, organischem Material („Kerogen") in alten Sedimenten gestattet die Entscheidung, ob in der Phase der Gesteinsbildung photosynthetische Organismen vorhanden waren oder nicht. Dieses Indiz kann noch Auskunft über biologische Aktivitäten geben, falls zelluläre Strukturen bereits zerstört wurden. Das Element Schwefel kann in ähnlicher Weise für Aussagen genutzt werden (Schopf, 1999).

Die ältesten Gesteinsformationen der Erde findet man hauptsächlich in drei Regionen:

– Südafrika,
– West-Australien und
– Grönland.

Folgt man der historischen Entwicklung der Paleontologie, so begann sie zaghaft nach Darwins „Suche nach dem fehlenden Beweis", d. h. den fehlenden Fossilien aus dem Präkambrium, die Darwins Theorie beweisen konnten. 1865 entdeckte Sir John William Dawson (Kanada) die „Eozoön Pseudofossilien" und 1883 James Hall die „Crytozoon Stromatoliten" (Schopf, 1999). Aber die intensive Phase der Paleobiologie des Präkambriums begann in der Mitte des vorigen Jahrhunderts.