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Lexikon der Biologie: chemische Evolution

chemische Evolution w, Chemoevolution, die Bildung von Biomolekülen und deren Vorläufern als Voraussetzung für die Entstehung des Lebens und eine biologische Evolution ( vgl. Tab. ).
Die chemische Evolution i.w.S. beginnt bereits mit der Synthese von schwereren chemischen Elementen durch Kernfusionsprozesse (Nucleogenese) im Innern der Sterne (nur Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium, Beryllium und Bor wurden in den ersten Minuten unseres Universums mit dem Urknall erzeugt). Vom Wasserstoff abgesehen, sind also alle für das irdische Leben essentiellen Elemente in Sternen "erbrütet" worden. Die durch Sternwinde und -explosionen ins All abgegebenen Elemente stehen als Rohstoff für die Entstehung neuer Sterne sowie Planeten zur Verfügung, können sich aber auch im interstellaren Raum selbst zu Molekülen verbinden, z. B. zu Wasser, Kohlendioxid, Methan usw., aber auch zu einfachen Aminosäuren wie Glycin und sogar zu langkettigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere den polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAHs). Rund 150 verschiedene Molekülsorten wurden im Weltraum bereits spektroskopisch nachgewiesen.
Die chemische Evolution i. e. S. ist die Entstehung von Biomolekülen auf der Urerde. Diese Moleküle waren und sind die chemische Grundlage des (irdischen) Lebens. Dazu gehören insbesondere die Ribonucleinsäuren und Proteine (bzw. Polypeptide) und ihre Bausteine. Die Uratmosphäre war nach einer gängigen Auffassung reduzierend. Sie enthielt keinen Sauerstoff, aber neben Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid kleinere Anteile von Kohlenmonoxid, Methan, Ammoniak, Schwefeldioxid und möglicherweise Wasserstoff. In den zwanziger Jahren entwickelten A.I. Oparin und J.B.S. Haldane unabhängig voneinander die Hypothese, daß durch die ultraviolette Strahlung (Ultraviolett) der Sonne, die heute größtenteils von der Ozonschicht (Ozon) in den oberen Bereichen der Atmosphäre absorbiert wird, oder durch elektrische Entladungen (Blitze) und andere Energiequellen ( vgl. Tab. ) einfache organische Verbindungen wie Aminosäuren, Nucleinsäurebasen und Zucker aus den Molekülen der Uratmosphäre entstanden seien. Daß dies tatsächlich möglich ist, haben 1953 S.L. Miller (Miller-Experiment) und H.C. Urey experimentell erwiesen. Diese abiotischen Synthesen produzierten neben unlöslichem Teer beträchtliche Mengen wasserlöslicher organischer Verbindungen, darunter zahlreiche Aminosäuren (die Bausteine der Proteine) und andere biochemisch bedeutsame Komponenten wie Formaldehyd und Cyanwasserstoff (Blausäure). Weitere Experimente mit veränderten Reaktionsbedingungen, Gasgemischen oder Energiequellen führten zur Synthese weiterer Aminosäuren sowie von Zuckern und Nucleinsäurebasen. Die Bildung von Zuckern könnte aus der Kondensation von Formaldehyd mit Hilfe zweiwertiger Kationen, Erden oder Tonen als Katalysatoren erfolgt sein. Nucleinsäurebasen (insbesondere Adenin) entstehen aus der durch Ammoniak katalysierten Kondensation von Cyanwasserstoff. Uracil kann sich durch die Einwirkung energiereicher Protonen aus Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasser bilden, Cytosin sowohl aus Cyanoethan und Cyanat als auch aus Cyanoacetaldehyd und Harnstoff oder aus Methan, Stickstoff, Ammoniumionen und Wasser.
Vermutlich ist es kein Zufall, daß die so entstandenen Verbindungen die Grundbausteine der Biomoleküle darstellen. Sie kamen in präbiotischer Zeit wahrscheinlich relativ häufig im Urozean vor. Nach einer Hypothese von der Entstehung des Lebens sind in Pfützen im Uferbereich infolge der katalytischen Wirkung bestimmter Mineralien Polypeptide und Polynucleotide (Nucleinsäuren) kondensiert, aus denen dann durch rückgekoppelte Prozesse einer molekulardarwinistischen Selbstorganisation die ersten Lebensformen entstanden sind ( ä chemische und präbiologische Evolution ).

Ingredienzien für die Ursuppe:

Obwohl reduzierende Atmosphären noch heute im Sonnensystem existieren, etwa bei Jupiter, Saturn und dessen Mond Titan, kamen in jüngerer Zeit Zweifel auf, ob auch die Urerde wirklich eine solche Atmosphäre besaß. Gesteinsuntersuchungen und verschiedene theoretische Überlegungen zur Erdentstehung lassen es möglich erscheinen, daß die Uratmosphäre neutral war und vorwiegend aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser bestand. Dann wären die Bedingungen für die Synthese der präbiotischen Verbindungen allerdings ungünstiger gewesen. Nach C.F. Chyba, J.M. Greenberg, J. Oro, C. Sagan und anderen könnten die mitunter als Ursuppe bezeichneten Urmeere allerdings durch Ingredienzien aus dem All angereichert worden sein. Dafür spricht, daß sowohl in den interplanetaren Staubteilchen, die man in letzter Zeit auffangen konnte, als auch in Kometen große Mengen an Kohlenstoff-Verbindungen vorkommen (bis zu 20% der Masse). Noch heute rieseln jährlich rund 40 000 Tonnen Staub aus dem All auf die Erde. In Meteoriten wurden ebenfalls zahlreiche organische Moleküle gefunden – insbesondere Aminosäuren, die den Flug durch die Atmosphäre zumindest teilweise überstanden. Laborexperimenten zufolge können sich Aminosäuren und andere organische Moleküle auch bilden, während Meteoriten durch methanhaltige Atmosphären stürzen.
Calvin (M.), Chiralität, Ponnamperuma (C.). ä chemische und präbiologische Evolution .

R.V.

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