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2019 | Book

Einführung Read chapter Read first chapter

Das Geheimnis um die erste Zelle

Dem Ursprung des Lebens auf der Spur

Author: Prof. Dr. Ulrich C. Schreiber

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Eine der größten Fragen der Wissenschaft steht vielleicht in naher Zukunft vor der Aufklärung.

Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Wo genau liegt der Ursprung? Welche Schritte waren von Nöten? Und wie hängen die komplexen Vorgänge zusammen?Zahlreiche Modelle wurden bereits beschrieben, die die grundlegenden Schritte für die Bildung organischer Moleküle auf der Erde oder im Weltall erklären. Doch scheiterten diese bisher daran tatsächlich plausible Szenarien für die entscheidenden Stufen der Lebensentwicklung daraus abzuleiten. Bei allen intensiven Überlegungen wurde ein Raum, ein Ort auf der Erde, übersehen, der eine Vielzahl an Möglichkeiten für die Entstehung der ersten Zelle bereithält. Mit einem Schlag scheint dieser Raum viele Probleme auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens zu lösen. Es sind wassergefüllte Spalten, sogenannte Bruchzonen, in der kontinentalen Erdkruste, die alle Voraussetzungen für eine komplexe organische Chemie bieten. Der Autor nimmt seine Leser mit auf seine ganz persönliche Reise hin zur Antwort auf die vielleicht größte Frage der Biologie. So erklärt er nicht nur, wie die einzelnen Puzzleteile der Entwicklung des Lebens zusammen passen, sondern berichtet über seine persönlichen Erfahrungen in diesem schwierigen Forschungsfeld. Dabei zeigt er, dass erste Laborversuche unter realistischen Bedingungen eindrucksvoll eine chemische Evolution bestimmter organischer Moleküle bestätigen. Die Versuche sind an Prozesse angelehnt, wie sie von Beginn an in der tieferen Erdkruste stattgefunden haben. Zum ersten Mal legt der Autor seine Hypothese zur Speicherung genetischer Informationen in Form der RNA der breiten Öffentlichkeit vor. Finden Sie heraus, wie alles begann.

Table of Contents

Frontmatter
Kapitel 1. Einführung
Zusammenfassung
Nichts ist so komplex wie das Leben. Wir wissen inzwischen sehr viel darüber, aber eine entscheidende Frage ist seit Menschengedenken ungeklärt: Wie ist es entstanden? Nach naturwissenschaftlichen Gesetzen, hier auf der Erde, anderswo oder durch einen übernatürlichen Schöpfer? Diese Frage bewegt die Menschheit seit Tausenden von Jahren. Die Antworten der Wissenschaft waren bislang wenig befriedigend.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Duisburg-Essen hat sich dieses vielleicht größten ungelösten Problems der Wissenschaft angenommen und kann möglicherweise einen entscheidenden Beitrag zur Lösung leisten. Gesucht wird der Anfang, die erste Zelle, von der alle anderen abstammen. Es geht um die Definition des Lebens, Entropie, Energie, die Informationsspeicherung und darum, wie alles begann.
Eine Übersicht über die Verhältnisse auf der frühen Erde, die Rahmenbedingungen der Lebensentstehung und die Stellung der wissenschaftlichen Forschung in der Geschichte der Menschheit geben einen Einstieg in die Thematik, die zur spannendsten in der naturwissenschaftlichen Forschung gehört.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 2. Globale Voraussetzungen
Zusammenfassung
Für die Entstehung des Lebens sind Grundvoraussetzungen erforderlich, zu denen Gesteinsplaneten in einem Sonnensystem gehören, die in der bewohnbaren Zone im richtigen Abstand zur Sonne liegen. Weiterhin ist eine Lage des Sonnensystems am Rande einer Galaxie notwendig. Für das Überleben organochemischer Verbindungen an der Erdoberfläche ist ein Magnetfeld zum Schutz vor dem Sonnenwind erforderlich. Günstig sind darüber hinaus eine Rotation des Planeten und ein begleitender Mond, der die Rotation stabilisiert, um einen ausgeglichenen Wärmehaushalt zu bekommen. Der Mond ist wenige Millionen Jahre nach der Erdentstehung durch Kollision der Erde mit einem Kleinplaneten entstanden. Mit der nachfolgenden Abkühlung bildeten sich ein Magnetfeld und eine erste Atmosphäre. Das Wasser entstand in der Spätphase des Dauerbombardements durch Meteoriten aus dem äußeren Bereich des Planetensystems.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 3. Die engeren Rahmenbedingungen: Die Chemie, die Physik und die physikalische Chemie, ohne sie geht es nicht
Zusammenfassung
Die Elemente, die die Hauptvertreter für die Entwicklung des Lebens darstellen, sind Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und untergeordnet Schwefel. Alle Elemente standen von Beginn an in großer Menge zur Verfügung. Nur Phosphor war unter besonderen Umständen aus Meteoriten und Mineralen der Erdkruste verfügbar. Reaktionen, die zwischen den Molekülen ablaufen, unterliegen verschiedensten Gesetzen der Chemie. Dynamische Gleichgewichte, die – durch Katalysatoren beschleunigt – eingestellt werden, sind ausschlaggebend für Folgereaktionen. Neben Verdünnungseffekten sind die Zunahme der Entropie und die Chiralität der Moleküle wichtige Größen der organischen Chemie.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 4. Wirklich hilfreich: Ein kurzer Abriss zu Abläufen in heutigen biologischen Zellen
Zusammenfassung
Für das Verständnis der Lebensentwicklung ist es notwendig, heutige Abläufe in den Zellen der drei Domänen des Lebens zu verstehen. Die erste Informationsspeicherung erfolgte vermutlich in der RNA, die später von der DNA abgelöst wurde. In der DNA ist der Code für die Reihenfolgen der Aminosäuren in den Ketten der Proteine gespeichert. Er wird durch Kopieren entsprechender Strangabschnitte auf eine RNA übertragen, von der die Information im Ribosom für die Bildung der Aminosäureketten genutzt wird. Die genaue Zuordnung erfolgt durch spezifisch beladene Transportmoleküle, die an einem speziell hierfür angepassten Enzym mit der zugehörigen Aminosäure verknüpft werden.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 5. Die bisherigen Modelle: Das Sichten des großen Nebels
Zusammenfassung
In den letzten einhundert Jahren haben sich aus der Frage nach der Entstehung des Lebens Vorstellungen entwickelt, die unterschiedlichste Umgebungen einbeziehen. Parallel hierzu begannen erste wissenschaftliche Experimente, um die Bildung organischer Moleküle nachzuweisen. Am bekanntesten ist der Versuch von Urey und Miller, die aus vermuteten Bestandteilen der frühen Atmosphäre mit Hilfe von Blitzentladungen entsprechende Moleküle erhielten. Neben einer Eisen-Schwefel-Welt, die besonders nach der Entdeckung der „Black Smoker“ und „White Smoker“ diskutiert wurde, bekam in den letzten Jahren verstärkt das Modell der zyklisch trockenfallenden Tümpel Aufmerksamkeit. Aber auch die Entstehung organischer Moleküle und des Lebens im Weltraum haben von Beginn an in der Diskussion eine Rolle gespielt.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 6. Die RNA-Welt: Der Start mit einem ganz besonderen Molekül?
Zusammenfassung
Die RNA-Welt ist eine Bezeichnung für einen der ersten Entwicklungsschritte zum Leben. Er liegt zwischen der Bildung der ersten organischen Moleküle und der nachfolgenden Stufe des Lebens, in der die DNA die Funktion des Informationsspeichers übernommen hat. Ausgangspunkt für die Diskussion einer RNA-Welt war die Entdeckung, dass RNA sowohl als Informationsspeicher auftreten als auch als Katalysator Funktionen übernehmen kann. Probleme, die im Labor durch Doppelstrangbildung längerer RNA-Moleküle entstehen, treten im Krustenmodell durch größere Temperaturschwankungen während der Geysireruptionen nicht auf.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 7. Das neue Modell: Hydrothermale Systeme der frühen kontinentalen Kruste
Zusammenfassung
Bruchzonen in der jungen kontinentalen Erdkruste bilden ideale Voraussetzungen für die Entstehung des Lebens. Neben der Verfügbarkeit sämtlicher Rohstoffe, einer großen Variabilität von Druck, Temperatur und pH-Werten tritt in ihnen CO2-Gas (gCO2) als überkritische Phase auf. Hierdurch steht ein organisches Lösungsmittel zur Verfügung, in dem Reaktionen erfolgen, die nicht im Wasser stattfinden können. Milliarden Jahre alte hydrothermale Quarze aus Australien belegen eine umfangreiche organische Chemie aus der Frühphase der Erde in solchen Störungszonen. Im Labor simulierte zyklische Druckschwankungen führen im Reaktionsraum zu Phasenwechseln der Gase, die die Bildung von Vesikeln begünstigen. Gleichzeitig wechselwirken Peptide mit den Hüllen der Vesikel, sodass die ersten Ansätze einer chemischen Evolution erkennbar werden.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 8. Ein hypothetischer Ansatz: Hydrothermale Systeme der frühen kontinentalen Kruste
Zusammenfassung
Die Entwicklung des Lebens lässt sich in sechs Phasen untergliedern. Organische Moleküle können in der kontinentalen Kruste in der Vertikalen über weite Strecken gebildet werden. Durch Auflösung von Gesteinsmineralen werden Phosphat, Metalle, Bor und andere Stoffe freigesetzt. Ein Sammelvorgang durch aufsteigende überkritische Gase führt zu einer starken Anreicherung in Kavitäten der Übergangszone zum unterkritischen Gas in ca. 1000 m Tiefe. Hier liegt der Bildungsort für Vesikel und Peptide. Die Verhältnisse bieten optimale Bedingungen für notwendige Energie und Entropieerhöhung. In einem hypothetischen Modell werden die Voraussetzungen für die Bildung der ersten Zelle diskutiert. Hiernach begann nach Bildung erster unspezifischer Synthetasen und tRNAs eine Selektion von Proteinen aus nur zwei Aminosäuren. Eine gleichzeitige Speicherung der Information in einer RNA ermöglichte die Entwicklung spezifischer Synthetasen, mit denen das Prinzip Leben startete.
Ulrich C. Schreiber
Kapitel 9. Nach LUCA: Wie ging es weiter?
Zusammenfassung
Die Weiterentwicklung der ersten Zellen konnte nach Aufstieg an die Erdoberfläche am ehesten im Umfeld der „Black Smoker“ in den Ozeanen erfolgen. Eine Verbreitung auch über die ersten Kontinente war durch Überflutungen nach Meteoriteneinschlägen möglich. Hier konnten sich eigenständige Bakterienstämme entwickeln, die keinen Kontakt zu anderen Kontinenten hatten. Mit der einsetzenden Plattentektonik kam nach Kontinent-Kontinent-Kollisionen ein Treffen der verschiedenen Stämme zustande, das möglicherweise einen endosymbiontischen Gentransfer nach sich zog. Das vorgestellte Krustenmodell bietet auch die Chance, über den Eintritt der Viren in das Lebensgeschehen nachzudenken. Eine Möglichkeit besteht in der parallelen Entwicklung zweier ähnlicher RNA-Typen, von denen einer innerhalb der Zellen und einer im freien Umfeld der Kavitäten verbleibt.
Ulrich C. Schreiber
Metadata
Title
Das Geheimnis um die erste Zelle
Author
Prof. Dr. Ulrich C. Schreiber
Copyright Year
2019
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-59183-3
Print ISBN
978-3-662-59182-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-59183-3