Evolutionsprozesse

a. chemische Evolution

b. Erste Zellen

c. Evolution des Stoffwechsels

d. vom Einzeller zum Vielzeller

1. Anorganische Moleküle

   -> z.B. Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, H20 (Wasser), Methan, ammoniak, stickstoff, da ohne Sauerstoff in der Atmosphäre die Ozonschicht fehlte, gelangte die UV-Strahlung ungehindert auf die Erde

2. Bildung einfacher organischer Moleküle

   -> z.B. Kohlenhydrate, Aminosäuren

3. Bildung von Makromolekülen

   -> Biopolymere wie Nukleinsäuren, Polysaccharide und Proteine

4. Bildung von “Vorläufer-Zellen”

   -> Makromoleküle organisieren sich zu Reaktionsräumen (Kompartimenten)

5. Entwicklung der “Vererbung”

   -> RNS als informationstragende Moleküle mit der Fähigkeit zur Verdopplung

-> chemische Evolution ist ein Prozess, durch den Leben aus nicht-lebenden Materien entstand

-> der Prozess, durch den aus anorganischem Material organische Moleküle entstanden sind. Diese organischen Moleküle sind die Grundlage allen Lebens, da sie die Bausteine von Proteinen, DNA und anderen lebenswichtigen Molekülen sind

1. Modellexperimente von Miller

2. Pyrit-Hypothese (Wächterhäuser)

-> Miller konnte zeigen, dass unter den simulierten Bedingungen der Uratmosphäre organische Moleküle wie Aminosäuren spontan entstehen können, was bedeutende Implikationen für die chemische Evolution und die Entstehung des Lebens hat

-> Vorrasusetzung: Energiezufuhr durch Gewitter, Vulkanismus und UV-Strahlung

(unter diesen Bedingungen wurden die gebildeten Stoffe allerdings ständig wieder abgebaut)

1. Gasgemisch: Miller nutzte ein Gasgemisch, das die angenommene Uratmosphäre der Erde repräsentierte. Dieses Gemisch bestand aus Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃), Wasserstoff (H₂) und Wasserdampf (H₂O).

2. Apparatur: Die Apparatur bestand aus einem geschlossenen Kreislauf aus Glasbehältern und Glasrohren. Das Gasgemisch zirkulierte in diesem Kreislauf.

3. Wärmequelle: Ein Kolben mit Wasser wurde erhitzt, um Wasserdampf zu erzeugen, der in die Gasatmosphäre eingebracht wurde.

4. Elektrische Entladungen: Miller setzte das Gasgemisch elektrischen Entladungen aus, die Blitze auf der frühen Erde simulieren sollten. Dies wurde durch Elektroden im Hauptreaktionskolben erreicht.

5. Kondensation: Nach der Reaktion passierte das Gasgemisch einen Kühlapparat, der den Wasserdampf kondensierte, sodass das Wasser (mit den darin gelösten Reaktionsprodukten) zurück in den ursprünglichen Kolben tropfte.

6. Analyse: Nach einer Woche wurde die entstandene Lösung analysiert. Miller fand, dass sich mehrere Aminosäuren und andere organische Verbindungen gebildet hatten, die für das Leben grundlegend sind.

-> Wächtershäuser postulierte, dass das Leben an hydrothermalen Quellen auf dem Meeresboden entstanden sein könnte, wo heiße, mineralreiche Flüssigkeiten aus dem Erdinneren ins Meerwasser strömen.

-> Synthese von einfachen, organischen Verbindungen aus Ursuppe möglich

(Ursuppe: unbekannte Mischung von anorganischen Substanzen)

Die Hypothese der "RNA-Welt" ist eine faszinierende Theorie, die vorschlägt, dass RNA (Ribonukleinsäure) möglicherweise der erste Informationsträger und Katalysator des Lebens war, bevor DNA und Proteine eine dominantere Rolle übernahmen. Hier sind die wichtigsten Punkte dieser Hypothese und das Experiment von SEMPER:

RNA als erster Informationsträger: Die RNA-Welt-Hypothese besagt, dass in einer primitiven Umgebung RNA-Moleküle entstanden sein könnten, die sowohl genetische Information speichern als auch katalytische Funktionen ausführen konnten. Dies liegt daran, dass RNA sowohl in der Lage ist, Informationen zu speichern (wie DNA) als auch als Enzym (wie Proteine) zu wirken.

Experiment von SEMPER: Das Experiment von SEMPER, das die Synthese von RNA aus Nukleotiden mithilfe von Enzymen untersuchte, lieferte interessante Ergebnisse. Obwohl zunächst verschiedene RNA-Sequenzen entstanden, entwickelte sich im Laufe der Zeit eine bestimmte Sequenz als dominant. Dies deutet darauf hin, dass sich bestimmte RNA-Moleküle möglicherweise selbst replizieren konnten.

Ribozyme als Katalysatoren: Die Existenz von Ribozymen in heutigen Lebewesen stützt die RNA-Welt-Hypothese. Ribozyme sind RNA-Moleküle, die enzymatische Aktivität zeigen und chemische Reaktionen katalysieren können, ähnlich wie Proteine. Dies legt nahe, dass RNA-Moleküle in der Lage waren, sowohl genetische Information zu speichern als auch Reaktionen zu katalysieren, was sie zu wichtigen Bausteinen der frühen Lebensformen macht.

Spuren der RNA-Welt in modernen Zellen: Die RNA-Welt-Hypothese legt nahe, dass einige Elemente dieser primitiven RNA-Welt bis heute in modernen Zellen vorhanden sind. Dies umfasst beispielsweise ribosomale RNA (rRNA), die eine zentrale Rolle bei der Proteinbiosynthese spielt, sowie Coenzyme, die als Cofaktoren bei enzymatischen Reaktionen fungieren.

Insgesamt liefert die Hypothese der RNA-Welt einen faszinierenden Einblick in die möglichen Anfänge des Lebens auf der Erde und bietet eine plausible Erklärung für die Entstehung von genetischer Information und Katalyse in primitiven Umgebungen.

-> Hyperzyklus-Hypothese (EIGEN)

-> Endosymbiontentheotrie

durch Massenaussterben

-> Evolutionsprozesse laufen und liefen nicht immer kontinuierlich ab

-> Immer wieder kam es im Laufe der Erdgeschichte zu Evolutionsschüben, während derer sich eine große Zahl von Arten in relativ kurzer Zeit neu bildete.

-> Diesen Evolutionsschüben ging häufig ein Massenaussterbeereignis voran.

Weltweite biologische Krisen, die - nach geologischen Zeitmaß-stäben - recht plötzlich hereinbrachen und höchstens wenige Millionen Jahre dauerten.

Unverhältnismäßig viele Arten, Gattungen oder Familien werden vernichtet.

Stark spezialisierte Arten sterben oft schon bei geringen Umweltveränderungen aus. Allerdings werden infolge von Massenaussterben (= Zeiten mit hoher Aussterberate, die nach geologischen Zeitmaßstäben recht plötzlich hereinbrachen und nur kurz dauerten) viele ökologische Nischen frei.

=> adaptive Radiation der verbliebenen Arten.

-> Evolutionsvorgang, bei dem sich Arten in ihren Anpassungen wechselseitig beeinflussen.

-> Dabei übt jede Art auf die andere einen Selektionsdruck aus und reagiert gleichzeitig auf den Selektionsdruck der anderen Art, indem sich ihre Merkmale adaptiv verändern.

1. Symbiose

2. Parasitismus

Zusammenleben zweier artfremder Organismen zum gegenseitigen Nutzen

-> in "The Origin of Species" führt Darwin die Koevolution zwischen Blüte und Bestäuber an, um die Wirkung der natürlichen Selektion zu erläutern.

->Danach könnten sich einige Individuen einer Blüten- pflanzenpopulation dadurch ausgezeichnet haben, dass an ihren Blüten geringe Mengen Nektar leicht zugänglich waren. Insekten, die auf Nahrungssuche diese Nektarquelle nutzten, bestäubten die Blüten mit Pollen von anderen Nektar absondernden Individuen. Durch diese Fremdbestäubung entsteht ein besonders hoher Ertrag an Samen. Der Anteil der Nektar bildenden Individuen nimmt zu - allerdings auch die Konkurrenz um Bestäuber. So entsteht ein Selektionsdruck hin zur Bildung größerer, für Bestäuber at- traktiverer Nektarien. Unter den Bestäubern wiederum bewirkt die Konkurrenz um Nektar einen Selek- tionsdruck zur Entwicklung von Mundwerkzeugen oder Verhaltensweisen, die eine effizientere Ausbeu- tung der Nektarquelle ermöglichen. Dies kann dazu führen, dass die Bestäuber zwar Nektar aufnehmen, dabei aber keine Bestäubung mehr erfolgt. Damit entsteht ein Selektionsdruck hin zu einer Blütengestalt, in der die Nektarien so platziert sind, dass die Bestäubung gesichert ist. Nun besteht der Selektionsdruck bei den Bestäubern wieder hin zu passgenaueren Mundwerkzeugen und so weiter.

Zusammenleben zweier artfremder Organismen zum einseitigen Nutzen. Der Parasit lebt auf Kosten des Wirts, ohne ihn dabei zu töten.

-> Der Vorteil bei dieser Beziehung liegt auf Seiten des Parasiten.

-> Daher versucht der Wirt ihn loszuwerden oder unschädlich zu machen, der Parasit antwortet mit entsprechenden Gegenstrategien. Durch dieses Gegenspielerprinzip entsteht ein fortwährender starker Selektionsdruck, der vor allem den Parasiten zu einer Spezialisierung auf eine Wirtsart zwingt. Parasiten sind daher in der Regel so eng an den Wirt gebunden, dass sie nur selten mehrere Wirte effektiv befallen können.

Wirt und Parasit befinden sich in einem evolutionären Wettrennen, bei dem keine Seite dauerhaft einen Vorteil erlangt. Würde sich die Evolutionsgeschwindigkeit von einem der Gegenspieler verlangsamen, würde der andere dauerhaft die Oberhand gewinnen.