Evolution - Biologie.

« 4 MOLEKULARE SELEKTION Das Auftauchen organischer Moleküle reichte zur Lebensentstehung nicht aus.

Der entscheidende Schritt war die Entstehung sich selbst verdoppelnder Moleküle.

Die DNAstellt heute bei der bei weitem überwiegenden Zahl an Lebewesen die Erbsubstanz (eine Ausnahme bilden lediglich die Viroide und bestimmte Viren, die allerdings nicht alsLebewesen bezeichnet werden, da sie keinen eigenen Stoffwechsel haben).

Diese Rolle kann die DNA beim Ursprung des Lebens – sofern es sie überhaupt schon gegebenhat – noch nicht gespielt haben.

Der Grund liegt in der Komplexität der biochemischen Mechanismen, die zur Verdoppelung der DNA notwendig sind und die zu Beginn derEvolution noch nicht vorhanden gewesen sein können.

Die DNA wurde vermutlich erst später im Lauf der Evolution zur Erbsubstanz lebender Zellen.

Das erste sich selbstverdoppelnde Molekül war wahrscheinlich eine RNA, die chemisch nahe mit der DNA verwandt ist und der auch heute noch in allen lebenden Zellen unentbehrlicheFunktionen zukommen – nicht jedoch als Trägerin der Erbinformation.

Die Verdoppelungsfähigkeit der RNA jedenfalls wurde dokumentiert: Forschern gelang die Herstellungeiner aus 189 Nucleotiden bestehenden RNA, die ohne Protein bis zu 14 Nucleotide lange komplementäre Kopien katalysieren kann ( Science, 2001).

Es ist aber auch möglich, dass die erste Verdoppelungseinheit ein ganz anderes Molekül war. Nachdem durch Zufall die ersten sich selbst verdoppelnden Moleküle entstanden waren, konnte die natürliche Selektion im Sinn Darwins einsetzen: Durch zufällige Fehlerbei der Verdoppelung (oder Replikation) dieser Moleküle entstanden Abweichungen innerhalb der Molekülpopulationen, und diejenigen Varianten, die sich besonders gutverdoppeln konnten, gewannen in der Ursuppe die Oberhand.

Dagegen nahm die Zahl derjenigen Formen, die sich nicht oder nur sehr ungenau vervielfältigten, immer mehrab.

Eine Art Selektion auf Molekülebene führte somit zu einer ständigen Verbesserung der Replikationsfähigkeit unter den Molekülen. Als die Konkurrenz zwischen diesen Molekülen zunahm, konnten sich diejenigen besonders erfolgreich durchsetzen, die sich bei der Selbsterhaltung und Vermehrungspezieller „Kunstgriffe” und Hilfsmittel bedienten und die daher besonders effektiv waren.

Solche Hilfsmittel entstanden wahrscheinlich durch die zufällige Abwandlunganderer Moleküle, die in der Umgebung vorhanden waren, z.

B.

von Proteinen.

Ein weiteres wichtiges Element waren die Vorläufer der biologischen Membranen; diesebestehen aus einer dünnen Doppelschicht von Fettmolekülen, die einen abgegrenzten Raum bilden können – ähnlich wie Mizellen.

In diesem membranumgrenzten Raumkönnen bestimmte physikalisch-chemische Bedingungen im Unterschied zur Umgebung aufrechterhalten werden (etwa die Konzentration von Stoffen), wodurch der Ablaufchemischer Reaktionen stark beeinflusst wird: beschleunigt oder verzögert, teilweise auch überhaupt erst ermöglicht.

Man konnte nachweisen, dass sich einfacheMembranen durch Selbstaggregation (selbständige Zusammenlagerung) der entsprechenden Fettmoleküle bilden können.

Ein solcher von einer Membran umschlossenerReaktionsraum stellt den Grundtyp einer biologischen Zelle dar. Aus den ersten Zellen entwickelten sich durch fortgesetzte Selektion die ersten Organismen, Archaebakterien und Eubakterien.

Erstere gelten aufgrund genetischer Analysensowie aufgrund von Vergleichen der Ribosomen (RNA-Körperchen in den Zellen) heute als eigene biologische Domäne bzw.

eigenes Reich der Archaea und werden oft alsVorfahren aller anderen Lebewesen angesehen.

Letztere Sicht wird auch dadurch gestützt, dass sie u.

a.

an den wahrscheinlichen Ursprungsorten des Lebens, denhydrothermalen Schloten der Tiefsee, vorkommen.

Die ebenfalls zu den Prokaryonten zählenden Cyanobakterien, die wie die Archaea noch keinen Zellkern besitzen,dominierten jedoch diese Frühphase des Lebens aufgrund ihrer größeren Anpassungsfähigkeit.

Vermutlich vor etwa zwei Milliarden Jahren bildeten sich die ersteneukaryontischen Zellen heraus, aus deren Nachkommen alle höheren Lebensformen (Pflanzen, Tiere und der Mensch) sowie Protisten und Pilze bestehen.

Dieser Zelltyp, dernach zytologischen Befunden wahrscheinlich aus einer Archaeenzelle hervorging, ist den prokaryontischen Zellen in folgender Hinsicht überlegen: Er ist nicht von einerstarren Zellwand umhüllt, sondern nur von einer flexiblen Zellmembran; die Zelle kann so größere Moleküle bis hin zu anderen Zellen durch Ausstülpung und allmählichesUmschließen (Endozytose) in sich aufnehmen.

Außerdem besitzt er ein so genanntes Zytoskelett aus speziellen Gerüstproteinen, den Mikrotubuli.

Beides führte dazu, dassdie Eukaryonten den Prokaryonten in puncto Zellgröße überlegen waren. 5 STOFFWECHSEL Die frühe Phase der Evolution ist vor allem durch die Verfeinerung und Umgestaltung von Stoffwechselvorgängen gekennzeichnet.

Da in der Uratmosphäre kein Sauerstoffenthalten war, existierte auch noch keine Atmung.

Die ersten Lebewesen betrieben Stoffwechsel in Form von anaerober (sauerstofffreier) Gärung.

Allmählich entwickeltensich aufgrund der zunehmenden Konkurrenz um die verfügbaren und abbaubaren Stoffe verschiedene Stoffwechselmechanismen, durch die viele dieser Stoffe als Nahrunggenutzt werden konnten – was letztlich Hand in Hand ging mit der Eroberung so unterschiedlicher Lebensräume wie dem Tiefseeboden, heißen Quellen, unterschiedlichenBodenschichten sowie der Vielzahl an Wasser- und Landökosystemen. Ein entscheidender Schritt der Evolution ist die Entwicklung der Photosynthese durch die ältesten Vorfahren der Pflanzen.

Vermutlich entstand dieser Stoffwechselweg schonmit den ersten Cyanobakterien vor etwa 3,5 Milliarden Jahren, wirkte sich jedoch erst sehr viel später auf die Evolution der höheren Lebewesen aus.

Im Lauf von einigenhundert Jahrmillionen reicherte sich allmählich Sauerstoff, das „Abfallprodukt” der Photosynthese, in der Atmosphäre an.

Da dieser an sich ein gefährliches Zellgift darstellt,mussten die Zellen einen Weg finden, das Gift zu neutralisieren oder gar zu nutzen.

Die damals lebenden urtümlichen Eukaryontenzellen besaßen keine Mitochondrien –Zellorganellen, in denen heute die Sauerstoffverwertung aller atmenden Lebewesen stattfindet.

Davon zeugen heute noch beispielsweise die einzelligen Geißeltierchen derGattung Giardia, deren direkte Vorfahren vermutlich schon vor über zwei Milliarden Jahren lebten: Solche so genannten Archaezoa gedeihen in Abwesenheit von Sauerstoff als Darmparasiten, u.

a.

beim Menschen. Gegen Sauerstoff immune Eukaryontenzellen entstanden vermutlich erst vor etwa eineinhalb Milliarden Jahren.

Man nimmt an, dass dieser Zelltyp aus einer Art Symbiosehervorging: Dabei wurden vermutlich prokaryontische Zellen, die Cyanobakterien ähnelten, und bestimmte (gramnegative) Bakterien von einer der urtümlicheneukaryontischen Zellen einverleibt, jedoch nicht verdaut.

Als so genannte Endosymbionten wurden sie zu Chloroplasten (bei pflanzlichen Organismen) bzw.

Mitochondrien,die heute in den Zellen sämtlicher Eukaryonten vorkommen.

Diese Symbiosen – vergleichbar den Flechten, die aus dem Zusammenspiel von Algen und Pilzen entstanden –führten zu einer neuen Form des Lebens, welche die nun folgende Evolution grundlegend beeinflusste.

Die Photosynthese sowie die auf Sauerstoff basierende Atmungmachten die Eroberung der meisten Lebensräume auf der Erde möglich. Eukaryontische Zellen beinhalten außerdem noch zahlreiche weitere von einer einfachen oder doppelten Membran umschlossene Gebilde mit spezifischen Funktionen, dieals Organellen bezeichnet werden, z.

B.

den Zellkern mit der DNA (als definierendes Kriterium eines Eukaryonten), das so genannte endoplasmatische Reticulum und das alsGolgi-Apparat bezeichnete Ausscheidungssystem.

All diese sind vermutlich durch Endozytose entstanden oder werden durch dieselben zellulären Mechanismen gesteuert.Auch in Bakterien wurden abgegrenzte Organellen gefunden, was nahe legt, dass das Prinzip der Abgrenzung von Reaktionsräumen innerhalb der Zelle – und damit derOptimierung des Zellstoffwechsels – bereits vor der Entstehung der ersten Eukaryonten existierte ( Journal of Biological Chemistry, 2003). Die gesamte weitere Evolution kann als Fortsetzung der geschilderten grundlegenden Abläufe betrachtet werden: Die natürliche Selektion wirkte auf die sich selbstverdoppelnden Moleküle, also die Gene.

Nach dem Konzept des „egoistischen Gens”, das Richard Dawkins 1976 formulierte, konnten sich dabei diejenigen Gene am bestendurchsetzen, welche die wirkungsvollsten Hilfsmittel einsetzten, um sich selbst zu erhalten und fortzupflanzen: zunächst einfache Zellen, später immer kompliziertere undschließlich vielzellige Lebewesen.

Der „Einsatz von Hilfsmitteln” durch die Gene ist dabei natürlich nicht als bewusste Aktion zu verstehen, sondern als eine biochemischeKonsequenz, die sich aus den Eigenschaften der beteiligten Moleküle ergibt.

Erst auf einer anderen Ebene, dem Verhalten höherer Lebewesen, kann man von einer Evolutionsprechen, die den stofflichen Zwängen des Lebens auf der Erde zumindest teilweise entronnen ist.

Einer der wichtigsten Schritte der Evolution war die Eroberung desFestlandes, die sowohl von Tieren als auch Pflanzen vor etwa 400 Millionen Jahren vollzogen wurde. Wissenschaftsphilosophen wie der belgische Zellbiologe Christian de Duve oder der Österreicher Rupert Riedl argumentierten, dass mit jedem größeren Schritt in derEvolution einerseits die Anpassungsfähigkeit der Lebewesen an eine variable Umwelt verbessert wurde, andererseits das Spektrum der möglichen Entwicklung eingeschränktwurde: Die Wirbeltiere sind beispielsweise nicht mehr in der Lage, wie viele Bakterien ohne Sauerstoff zu leben, sich wie Einzeller bei der Fortpflanzung in zwei gleicheTochterorganismen zu teilen und kaum mehr fähig, wie viele Wirbellose zerstörte Körperteile zu ersetzen.. »