Leben kann nur in flüssigem Wasser entstehen. Leben auf der Erde

Die Entstehung des Lebens auf der Erde ist eine der schwierigsten und gleichzeitig relevantesten und Interesse fragen in der modernen Naturwissenschaft.

Die Erde entstand wahrscheinlich vor 4,5-5 Milliarden Jahren aus einer riesigen Wolke Weltraumstaub. Partikel davon werden zu einer heißen Kugel komprimiert. Aus ihm wurde Wasserdampf in die Atmosphäre freigesetzt und Wasser fiel über Jahrmillionen in Form von Regen aus der Atmosphäre auf die langsam abkühlende Erde. In den Vertiefungen der Erdoberfläche entstand der prähistorische Ozean. Darin wurde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren das ursprüngliche Leben geboren.

Ursprung des Lebens auf der Erde

Wie ist der Planet selbst entstanden und wie sind die Meere darauf erschienen? Dazu gibt es eine allgemein anerkannte Theorie. Dementsprechend wurde die Erde aus kosmischen Staubwolken gebildet, die alles enthalten, was in der Natur bekannt ist chemische Elemente, die zu einer Kugel zusammengedrückt werden. Heißer Wasserdampf entwich der Oberfläche dieser rotglühenden Kugel und hüllte sie in eine durchgehende Wolkendecke.Der Wasserdampf in den Wolken kühlte langsam ab und verwandelte sich in Wasser, das in Form von reichlichen Dauerregen auf die noch heiße, brennende Kugel fiel Erde. An seiner Oberfläche verwandelte es sich wieder in Wasserdampf und kehrte in die Atmosphäre zurück. Über Jahrmillionen verlor die Erde nach und nach so viel Wärme, dass sich ihre flüssige Oberfläche beim Abkühlen zu verhärten begann. So entstand die Erdkruste.

Millionen von Jahren sind vergangen, und die Temperatur der Erdoberfläche ist noch weiter gesunken. Das Regenwasser hörte auf zu verdunsten und begann in riesige Pfützen zu fließen. Damit setzte die Wirkung des Wassers ein Erdoberfläche. Und dann gab es wegen des Temperaturabfalls eine richtige Überschwemmung. Wasser, das zuvor in die Atmosphäre verdunstet und in ihr umgewandelt wurde Bestandteil, stürzten unaufhörlich zur Erde hinab, gewaltige Schauer fielen mit Donner und Blitz aus den Wolken.

Nach und nach sammelte sich in den tiefsten Vertiefungen der Erdoberfläche Wasser, das keine Zeit mehr hatte, vollständig zu verdunsten. Es gab so viel davon, dass sich allmählich ein prähistorischer Ozean auf dem Planeten bildete. Blitze durchschnitten den Himmel. Aber niemand hat es gesehen. Es gab noch kein Leben auf der Erde. Der Dauerregen begann die Berge wegzuspülen. Aus ihnen floss Wasser in rauschenden Bächen und stürmischen Flüssen. Über Jahrmillionen haben Wasserströme die Erdoberfläche tief zerfressen und an einigen Stellen sind Täler entstanden. Der Wassergehalt in der Atmosphäre nahm ab und mehr und mehr sammelte sich auf der Oberfläche des Planeten an.

Die durchgehende Wolkendecke wurde immer dünner, bis eines Tages der erste Sonnenstrahl die Erde berührte. Der Dauerregen ist vorbei. Die meisten landbedeckter prähistorischer Ozean. Aus seinen oberen Schichten wusch Wasser eine große Menge löslicher Mineralien und Salze aus, die ins Meer fielen. Wasser daraus verdunstete kontinuierlich, bildete Wolken, und die Salze setzten sich ab, und im Laufe der Zeit kam es zu einer allmählichen Versalzung des Meerwassers. Anscheinend wurden unter bestimmten Bedingungen, die in der Antike existierten, Substanzen gebildet, aus denen spezielle kristalline Formen hervorgingen. Sie wuchsen, wie alle Kristalle, und brachten neue Kristalle hervor, die immer mehr neue Substanzen an sich hefteten.

Als Energiequelle dienten dabei Sonnenlicht und möglicherweise sehr starke elektrische Entladungen. Vielleicht wurden die ersten Bewohner der Erde aus solchen Elementen geboren - Prokaryoten, Organismen ohne geformten Kern, ähnlich wie moderne Bakterien. Sie waren Anaerobier, das heißt, sie verwendeten keinen freien Sauerstoff zur Atmung, der damals noch nicht in der Atmosphäre vorhanden war. Sie dienten als Nahrungsquelle organische Verbindungen die auf der noch leblosen Erde durch die Einwirkung von ultravioletter Strahlung der Sonne entstanden sind, Blitzentladungen und Hitze von Vulkanausbrüchen.

Das Leben existierte damals in einem dünnen Bakterienfilm am Boden von Stauseen und an feuchten Orten. Diese Ära der Entwicklung des Lebens wird Archaikum genannt. Aus Bakterien sind, möglicherweise völlig unabhängig, auch winzige Einzeller entstanden – die ältesten Protozoen.

Wie sah die Urerde aus?

Schneller Vorlauf bis vor 4 Milliarden Jahren. Die Atmosphäre enthält keinen freien Sauerstoff, es ist nur in der Zusammensetzung von Oxiden. Fast keine Geräusche, außer dem Pfeifen des Windes, dem Zischen von Wasser, das mit Lava ausbricht, und dem Einschlag von Meteoriten auf der Erdoberfläche. Keine Pflanzen, keine Tiere, keine Bakterien. Vielleicht sah die Erde so aus, als das Leben auf ihr erschien? Obwohl dieses Problem viele Forscher seit langem beschäftigt, gehen ihre Meinungen zu diesem Thema stark auseinander. Die damaligen Verhältnisse auf der Erde ließen sich durch Gesteine belegen, die jedoch durch geologische Prozesse und Bewegungen der Erdkruste längst zerstört wurden.

Theorien über die Entstehung des Lebens auf der Erde

In diesem Artikel werden wir kurz einige Hypothesen für den Ursprung des Lebens diskutieren, die die Moderne widerspiegeln wissenschaftliche Ideen. Laut Stanley Miller, einem bekannten Experten auf dem Gebiet der Entstehung des Lebens, kann man von der Entstehung des Lebens und dem Beginn seiner Evolution ab dem Moment sprechen, als organische Moleküle sich selbst zu Strukturen organisierten, die sich selbst reproduzieren konnten. Aber das wirft andere Fragen auf: Wie sind diese Moleküle entstanden? warum sie sich reproduzieren und zu jenen Strukturen zusammenfügen konnten, die lebende Organismen hervorbrachten; welche Voraussetzungen gibt es dafür?

Es gibt mehrere Theorien über die Entstehung des Lebens auf der Erde. Eine der langjährigen Hypothesen besagt beispielsweise, dass es aus dem Weltraum auf die Erde gebracht wurde, aber dafür gibt es keine schlüssigen Beweise. Darüber hinaus ist das Leben, das wir kennen, überraschend angepasst, um genau in zu existieren irdischen Verhältnisse, also wenn es außerhalb der Erde entstanden ist, dann auf dem Planeten Erdtyp. Die meisten modernen Wissenschaftler glauben, dass das Leben auf der Erde in ihren Meeren entstanden ist.

Theorie der Biogenese

In der Entwicklung der Lehren über den Ursprung des Lebens nimmt die Theorie der Biogenese einen wichtigen Platz ein - der Ursprung des Lebendigen nur vom Lebendigen. Aber viele halten es für unhaltbar, da es das Lebendige dem Unbelebten grundsätzlich entgegenstellt und die von der Wissenschaft abgelehnte Idee der Ewigkeit des Lebens bekräftigt. Abiogenese - die Idee der Entstehung von Lebewesen aus nicht lebenden Dingen - die Ausgangshypothese moderne Theorie Ursprung des Lebens. 1924 schlug der berühmte Biochemiker A. I. Oparin dies mit Power vor elektrische Entladungen in Erdatmosphäre, das vor 4-4,5 Milliarden Jahren aus Ammoniak, Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf könnten die einfachsten organischen Verbindungen entstehen, die für die Entstehung von Leben notwendig sind. Die Vorhersage des Akademikers Oparin hat sich bewahrheitet. 1955 Amerikanischer Entdecker S. Miller, der elektrische Ladungen durch eine Mischung aus Gasen und Dämpfen leitete, erhielt die einfachste Fettsäure, Harnstoff, Essigsäure u Ameisensäure und ein paar Aminosäuren. So wurde Mitte des 20. Jahrhunderts die abiogene Synthese eiweißartiger und anderer organischer Substanzen experimentell unter Bedingungen durchgeführt, die den Bedingungen der Urerde nachempfunden waren.

Theorie der Panspermie

Die Theorie der Panspermie ist die Möglichkeit der Übertragung organischer Verbindungen, Sporen von Mikroorganismen aus einem kosmischer Körper zum anderen. Aber es gibt überhaupt keine Antwort auf die Frage, wie ist das Leben im Universum entstanden? Es besteht die Notwendigkeit, die Entstehung von Leben an diesem Punkt im Universum zu rechtfertigen, dessen Alter der Theorie zufolge ist Urknall, ist auf 12-14 Milliarden Jahre begrenzt. Bis jetzt hat es noch nicht einmal gegeben Elementarteilchen. Und wenn es keine Kerne und Elektronen gibt, gibt es keine Chemikalien. Dann entstanden innerhalb weniger Minuten Protonen, Neutronen, Elektronen, und die Materie betrat den Weg der Evolution.

Zur Untermauerung dieser Theorie werden mehrfache Sichtungen von UFOs, Felsritzungen von raketenähnlichen Objekten und "Kosmonauten" sowie Berichte über angebliche Begegnungen mit Außerirdischen herangezogen. Bei der Untersuchung der Materialien von Meteoriten und Kometen wurden in ihnen viele „Vorläufer des Lebens“ gefunden - Substanzen wie Cyanogene, Blausäure und organische Verbindungen, die möglicherweise die Rolle von "Samen" gespielt haben, die auf die nackte Erde fielen.

Befürworter dieser Hypothese waren Preisträger Nobelpreis F. Creek, L. Orgel. F. Crick auf der Grundlage von zwei indirekten Beweisen: Universalität genetischer Code: notwendig für den normalen Stoffwechsel aller Lebewesen von Molybdän, das heute auf dem Planeten äußerst selten ist.

Ohne Meteoriten und Kometen ist die Entstehung des Lebens auf der Erde nicht möglich

Forscher an der Texas Tech University, nachdem er ein riesiges Volumen analysiert hat gesammelte Informationen, stellten eine Theorie auf, wie Leben auf der Erde entstehen könnte. Der Wissenschaftler ist sich sicher, dass das Auftreten früher Formen das einfachste Leben auf unserem Planeten wäre ohne die Beteiligung von Kometen und Meteoriten, die auf ihn gefallen sind, unmöglich. Der Forscher stellte seine Arbeit auf der 125. Jahrestagung der Geological Society of America vor, die am 31. Oktober in Denver, Colorado, stattfand.

Autor der Arbeit, Professor für Geowissenschaften an der Texas Technische Universität(TTU) und Kurator des Museums für Paläontologie an der Universität, sagte Sankar Chatterjee, dass er zu diesem Schluss gekommen sei, nachdem er Informationen über die Frühzeit analysiert hatte geologische Geschichte unseres Planeten und vergleicht diese Daten mit verschiedene Theorien chemische Entwicklung.

Der Experte glaubt, dass dieser Ansatz es uns ermöglicht, eine der verborgensten und am wenigsten verstandenen Perioden in der Geschichte unseres Planeten zu erklären. Laut vielen Geologen ereignete sich der Großteil der Weltraum-"Bombardierungen", an denen Kometen und Meteoriten teilnahmen, vor etwa 4 Milliarden Jahren. Chatterjee glaubt, dass sich das früheste Leben auf der Erde in Kratern gebildet hat, die durch Einschläge von Meteoriten und Kometen entstanden sind. Und höchstwahrscheinlich geschah dies während des späten schweren Bombardements (vor 3,8 bis 4,1 Milliarden Jahren), als die Kollision klein war Weltraumobjekte mit unserem Planeten hat dramatisch zugenommen. Damals fielen mehrere tausend Fälle von Kometen auf einmal. Interessanterweise wird diese Theorie indirekt durch das Nizza-Modell gestützt. Demnach entspricht die tatsächliche Zahl der Kometen und Meteoriten, die damals auf die Erde hätten fallen sollen, der tatsächlichen Zahl der Krater auf dem Mond, der wiederum eine Art Schutzschild für unseren Planeten war und das endlose Bombardement nicht zuließ es zu zerstören.

Einige Wissenschaftler vermuten, dass das Ergebnis dieses Bombardements die Kolonisierung des Lebens in den Ozeanen der Erde ist. Gleichzeitig weisen mehrere Studien zu diesem Thema darauf hin, dass unser Planet dies hat mehr Inventar Wasser als es sollte. Und dieser Überschuss wird Kometen zugeschrieben, die aus der Oortschen Wolke zu uns geflogen sind, vermutlich in einer solchen Lichtjahr von uns.

Chatterjee weist darauf hin, dass die durch diese Kollisionen entstandenen Krater mit geschmolzenem Wasser von den Kometen selbst gefüllt waren, sowie mit den notwendigen chemischen Bausteinen, die für die Bildung der einfachsten Organismen notwendig sind. Gleichzeitig, so die Wissenschaftlerin, erwiesen sich jene Orte, an denen auch nach einem solchen Bombardement kein Leben auftauchte, dafür einfach als ungeeignet.

„Als die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstand, war sie völlig ungeeignet für das Auftreten von Lebewesen auf ihr. Es war ein wahrer kochender Kessel aus Vulkanen, giftigem heißem Gas und Meteoriten, die ständig darauf einschlugen“, schreibt das Online-Journal AstroBiology unter Berufung auf den Wissenschaftler.

„Und nach einer Milliarde Jahren wurde es zu einem stillen und ruhigen Planeten, reich an riesigen Wasserreserven, bewohnt von verschiedene Vertreter mikrobielles Leben - die Vorfahren aller Lebewesen."

Das Leben auf der Erde könnte aus Lehm entstanden sein

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dan Luo von der Cornell University stellte die Hypothese auf, dass gewöhnlicher Ton als Konzentrator für die ältesten Biomoleküle dienen könnte.

Die Forscher beschäftigten sich zunächst nicht mit dem Problem der Entstehung des Lebens – sie suchten nach einer Möglichkeit, die Effizienz zellfreier Proteinsynthesesysteme zu steigern. Anstatt die DNA und ihre unterstützenden Proteine frei im Reaktionsgemisch schweben zu lassen, versuchten die Wissenschaftler, sie in Hydrogel-Partikel zu zwingen. Dieses Hydrogel absorbierte wie ein Schwamm das Reaktionsgemisch, sorbierte die notwendigen Moleküle und als Ergebnis wurden alle notwendigen Komponenten in einem kleinen Volumen eingeschlossen - genau wie es in einer Zelle passiert.

Die Autoren der Studie versuchten dann, Ton als kostengünstigen Ersatz für Hydrogel zu verwenden. Tonpartikel erwiesen sich als ähnlich wie Hydrogelpartikel und wurden zu einer Art Mikroreaktoren für interagierende Biomoleküle.

Nachdem Wissenschaftler solche Ergebnisse erhalten hatten, konnten sie nicht anders, als sich an das Problem des Ursprungs des Lebens zu erinnern. Tonpartikel mit ihrer Fähigkeit, Biomoleküle zu sorbieren, könnten tatsächlich als allererste Bioreaktoren für die allerersten Biomoleküle dienen, bevor sie Membranen hatten. Diese Hypothese wird auch durch die Tatsache gestützt, dass das Auslaugen von Silikaten und anderen Mineralien aus Gesteinen mit der Bildung von Ton nach geologischen Schätzungen begann, kurz bevor sich laut Biologen die ältesten Biomoleküle zu Protozellen zu verbinden begannen.

In Wasser bzw. in Lösung könnte wenig passieren, da die Vorgänge in Lösung absolut chaotisch ablaufen und alle Verbindungen sehr instabil sind. Ton moderne Wissenschaft- genauer gesagt die Oberfläche von Tonmineralpartikeln - gilt als Matrix, auf der sich Primärpolymere bilden könnten. Aber das ist auch nur eine von vielen Hypothesen, von denen jede ihre eigenen Stärken und Stärken hat schwache Seiten. Aber um den Ursprung des Lebens in vollem Umfang zu simulieren, muss man wirklich Gott sein. Obwohl es im Westen heute schon Artikel mit den Titeln „Cell Construction“ oder „Cell Modeling“ gibt. Zum Beispiel versucht einer der letzten Nobelpreisträger, James Szostak, jetzt aktiv, effektive Zellmodelle zu schaffen, die sich selbst reproduzieren und ihre eigene Art reproduzieren.

Wasser ist Bestandteil Körper von Lebewesen. Blut, Muskeln, Fett, Gehirn und sogar Knochen enthalten Wasser in großen Mengen. Normalerweise macht Wasser 65-75% des Körpergewichts eines lebenden Organismus aus. Der Körper einiger Meerestiere, wie beispielsweise Quallen, enthält sogar 97-98 % Wasser. Alle Prozesse, die im Körper von Tieren und Pflanzen ablaufen, finden nur unter Beteiligung von statt wässrige Lösungen. Ohne Wasser ist kein Leben möglich.

Die erste Sorge des entstehenden Organismus ist die Ernährung. An Land Nahrung zu finden ist viel schwieriger als auf See. Landpflanzen brauchen lange Wurzeln, um Wasser und darin gelöste Nährstoffe zu extrahieren. Tiere verdienen ihren Lebensunterhalt mit großem Aufwand. Eine andere Sache im Meer. in salzigem Meerwasser gelöst Nährstoffe. So werden Meerespflanzen allseitig von der Nährlösung umgeben und nehmen diese problemlos auf.

Ebenso wichtig ist es für den Körper, seinen Körper im Raum zu halten. An Land ist dies eine sehr schwierige Aufgabe. Luftumgebung sehr spärlich. Um auf dem Boden zu bleiben, müssen Sie spezielle Geräte haben - starke Gliedmaßen oder starke Wurzeln. An Land ist das größte Tier der Elefant. Aber ein Wal ist 40 Mal schwerer als ein Elefant. Wenn sich ein so riesiges Tier an Land bewegen würde, würde es einfach sterben und seinem eigenen Gewicht nicht standhalten können. Weder dicke Haut noch massive Rippen wären für diesen 100-Tonnen-Kadaver ausreichend gewesen. Wasser ist eine ganz andere Sache. Jeder weiß, dass man im Wasser leicht einen schweren Stein heben kann, den man an Land kaum bewegen kann. Dies geschieht, weil jeder Körper im Wasser so viel Gewicht verliert, wie das von ihm verdrängte Wasser wiegt. Deshalb muss der Wal 10-mal weniger Kraft aufwenden, um sich im Wasser fortzubewegen, als dieser Riese an Land benötigen würde. Sein Körper, der von allen Seiten von Wasser gestützt wird, erhält einen größeren Auftrieb, und Wale können dies trotz ihres enormen Gewichts schnelle Geschwindigkeit große Distanzen überwinden. Auch die größten Pflanzen leben im Meer. Algen macrocystis erreichen eine Länge von 150-200 Metern. Auf der Erde sind solche Riesen selbst unter Bäumen selten. Wasser unterstützt eine riesige Masse dieser Algen. Für die Befestigung am Boden benötigt es keine starken Wurzeln, da Boden Pflanzen.

Außerdem ist die Temperatur im Meer konstanter als in der Luft. Und das ist sehr wichtig, da Sie im Winter keinen Schutz vor der Kälte und im Sommer vor der Hitze suchen müssen. An Land erreicht der Unterschied zwischen der Lufttemperatur im Winter und im Sommer in einigen Gebieten 80-90 Grad. An einigen Orten in Sibirien erreichen die Temperaturen im Sommer 35-40 Grad Hitze und im Winter gibt es Fröste von 50-55 Grad. Im Wasser überschreiten saisonale Temperaturunterschiede normalerweise nicht 20 Grad. Um sich vor der Kälte zu schützen, werden Landtiere im Winter mit flauschigem Fell und einer Unterhautfettschicht bedeckt und überwintern in Höhlen und Höhlen. Für Pflanzen ist es schwierig, mit gefrorenem Boden umzugehen. Deshalb sterben in einem besonders kalten Winter massenhaft Vögel, Tiere und andere Landtiere, sowie Bäume erfrieren.

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Der Ursprung des Lebens inheißWasser

1. Das Leben auf der Erde könnte in Vulkanseen entstanden sein

Die ersten primitiven lebenden Zellen könnten im Wasser frischer Seen erscheinen, die durch prähistorische geothermische Quellen erhitzt und mit Mikroelementen gesättigt wurden. Dies erklären russische und amerikanische Wissenschaftler in einem Artikel, der in der Zeitschrift Proceedings of veröffentlicht wurde der Nationale Akademie der Wissenschaften. Die meisten Geologen und Evolutionsbiologen glauben, dass das Leben auf der Erde in seiner modernen Form aus den Gewässern des Primärozeans stammt, der fast die gesamte Oberfläche des Planeten bedeckte. Es wird angenommen, dass dieser Ozean eine dicke Brühe aus Aminosäuren und anderen „Bausteinen des Lebens“ war, aus der die ersten lebenden Zellen hervorgingen. Eine Gruppe von Geologen und Evolutionsbiologen unter der Leitung des gebürtigen Russen Evgeny Kunin aus Nationales Institut Gesundheit in der Stadt Bethesda (USA) angeboten neue Argumentation für alternative Theorie- der Ursprung des Lebens in Süßwasserseen, deren Wasser Dampf und heißes Wasser erhält geothermische Quellen. In den letzten Jahren gab es viele Hinweise darauf, dass vulkanische Aktivitäten und andere geothermische Prozesse eine Rolle gespielt haben wichtige Rolle im Ursprung des Lebens. So schlugen britische und deutsche Geologen im Februar 2010 eine neue Theorie zur Entstehung des Lebens vor, wonach die ersten Zellen an den Mündungen von Unterwasservulkanen auftauchten und erst dann die gesamten Ozeane bevölkerten. Im Oktober 2011 fand eine andere Gruppe von Wissenschaftlern Beweise dafür in den Ablagerungen der Antike Felsen in Grönland. Kunin und seine Kollegen „übertrugen“ Vulkane aus den Gewässern des „gesalzenen“ Primärozeans in Süßwasserseen auf den dort vorhandenen Landstrichen frühe Geschichte Erde, vergleichen chemische Zusammensetzung Zellen mit einer Reihe von Elementen im Wasser moderner geothermischer Seen. In ihrer Studie schlugen die Autoren des Artikels vor, dass sich die Primärzellen in dem Bereich entwickelt haben sollten, der sich in der chemischen Zusammensetzung am wenigsten von ihnen unterscheidet. Von diesem Standpunkt aus betrachtet, Meerwasser ist keine ideale Umgebung für die Entwicklung des Lebens - die Konzentration von Natrium, Kalium, Mangan, Zink und Ionen anderer wichtiger Bioelemente unterscheidet sich erheblich von den zellulären. Selbst die primitivsten Mikroorganismen haben ein komplexes System spezieller "Pumpen", die verhindern, dass sich das Zytoplasma vermischt Meerwasser. Es ist unwahrscheinlich, dass solche Abwehrmechanismen bereits in den ersten Protozellen existierten. Wissenschaftler verglichen die chemische Zusammensetzung des Zytoplasmas in den Zellen vieler moderne Organismen und abgeleitete "durchschnittliche" Konzentrationen von Aminosäuren, biologisch wichtigen Metallen und anderen Substanzen. Sie verglichen sie dann mit typischen Mikronährstoffprofilen in heutigen Ozeanen, der geschätzten Zusammensetzung der Urmeere und dem Wasser in heutigen geothermischen Seen. Es stellte sich heraus, dass Vulkanseen die günstigste „Wiege“ für die Entstehung des Lebens waren. Wie Kunin und seine Kollegen anmerken, nur in ihren Gewässern genug Bevorzugte Umstände für die Strukturbildung von Grundproteinen und anderen wichtigen Molekülen, die die Basis der Zelle bilden. Laut Wissenschaftlern könnten solche Seen durch die Wechselwirkung von Wasser, das zusammen mit Meteoriten und heißen Felsen in der Tiefe in die Erde eintritt, gebildet werden. Wasser „sammelte“ auf seinem Weg von der Oberfläche in die tiefen Schichten Kalium, Natrium und andere wichtige Spurenelemente und kehrte mit ihnen in Form von geothermischem Dampf zurück, der sich in den Seen ablagerte. Wie Geologen glauben, könnten solche Bedingungen viele Millionen Jahre lang stabil bestanden haben, was dem Leben eine große Chance gab, zu erscheinen. Die Schlussfolgerungen der Wissenschaftler werden durch die Tatsache bestätigt, dass eine ähnliche chemische Zusammensetzung für das Wasser geothermischer Quellen in der Nähe des Vulkans Mutnovsky in Kamtschatka charakteristisch ist.

2. Chemische Entwicklung

Chemische Evolution oder präbiotische Evolution - das der Entstehung des Lebens vorausgehende Stadium, in dem organische, präbiotische Substanzen entstanden sind nicht organische Moleküle unter dem Einfluss äußerer Energie und Selektionsfaktoren und durch den Einsatz von Selbstorganisationsprozessen, die für jeden relativ charakteristisch sind komplexe Systeme, die zweifellos alle kohlenstoffhaltige Moleküle sind. Diese Begriffe bezeichnen auch die Theorie der Entstehung und Entwicklung jener Moleküle, die für die Entstehung und Entwicklung lebender Materie von grundlegender Bedeutung sind. Alles, was über die Chemie der Materie bekannt ist, ermöglicht es, das Problem der chemischen Evolution auf den Rahmen des sogenannten "Wasser-Kohlenstoff-Chauvinismus" zu beschränken, der postuliert, dass das Leben in unserem Universum nur im Universum vertreten ist mögliche Variante: als "Existenzweise von Proteinkörpern", möglich aufgrund der einzigartigen Kombination der Polymerisationseigenschaften von Kohlenstoff und den depolarisierenden Eigenschaften der flüssigen Phase aquatische Umgebung, als gemeinsam notwendige und/oder hinreichende (?) Bedingungen für die Entstehung und Entwicklung aller uns bekannten Lebensformen. Dies impliziert, wenigstens Innerhalb einer gebildeten Biosphäre kann es nur einen Vererbungscode geben, der allen Lebewesen einer bestimmten Biota gemeinsam ist, aber bis jetzt gibt es ihn offene Frage ob es andere Biosphären außerhalb der Erde gibt und ob andere Varianten des genetischen Apparats möglich sind. Es ist auch unbekannt, wann und wo die chemische Evolution begann. Nach dem Ende des zweiten Sternentstehungszyklus, der nach der Kondensation von Primärexplosionsprodukten auftrat, sind beliebige Fristen möglich Supernovae, die schwere Elemente in den interstellaren Raum liefert (mit Atommasseüber 26). Die zweite Generation von Stars, bereits mit Planetensysteme, angereichert mit schweren Elementen, die für die Durchführung der chemischen Evolution notwendig sind, erschien 0,5-1,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Unter bestimmten recht wahrscheinlichen Bedingungen kann fast jede Umgebung für den Start der chemischen Evolution geeignet sein: die Tiefen der Ozeane, die Eingeweide von Planeten, ihre Oberflächen, protoplanetare Formationen und sogar Wolken. interstellares Gas, was durch den weit verbreiteten Nachweis vieler Arten organischer Substanzen im Weltraum durch astrophysikalische Methoden bestätigt wird - Aldehyde, Alkohole, Zucker und sogar die Aminosäure Glycin, die zusammen als Ausgangsmaterial für die chemische Evolution dienen können, die ihr Ende hat Ergebnis der Entstehung des Lebens.

3. Hypothesen der chemischen Evolution

Das Auftreten von Bedingungen für die autokatalytische Synthese großer Volumina und einer signifikanten Vielfalt kohlenstoffhaltiger Moleküle im Weltraum oder auf der Erde, dh die Entstehung von Substanzen in abiogenen Prozessen, die für den Beginn der chemischen Evolution erforderlich und ausreichend sind. Das Auftreten relativ stabiler geschlossener Aggregate aus solchen Molekülen, die es einem ermöglichen, sich davon zu isolieren Umfeld dass damit der selektive Austausch von Materie und Energie möglich wird, also die Entstehung bestimmter protozellulärer Strukturen. Das Auftreten chemischer Verbindungen in solchen Aggregaten, die zur Selbstveränderung und Selbstreplikation fähig sind Informationssysteme, also das Auftreten elementare Einheiten erblicher Code. Das Auftreten gegenseitiger Abhängigkeit zwischen den Eigenschaften von Proteinen und den Funktionen von Enzymen mit Informationsträgern (RNA, DNA), dh die Entstehung des eigentlichen Vererbungscodes, wie notwendige Bedingung bereits für die biologische Evolution.

Einen großen Beitrag zur Klärung dieser Fragen leisteten unter anderem folgende Wissenschaftler:

Alexander Oparin: Koazervate.

Harold Urey und Stanley Miller im Jahr 1953: Entstehung einfacher Biomoleküle in einer simulierten antiken Atmosphäre.

Sydney Fox: Mikrokügelchen aus Protenoiden.

Thomas Check (University of Colorado) und Sidney Altman (University of Yale New Haven Connecticut) 1981: Autokatalytische RNA-Spaltung: „Ribozyme“ vereinen Katalyse und Information in einem Molekül. Sie sind in der Lage, sich aus der längeren RNA-Kette herauszuschneiden und die verbleibenden Enden wieder zusammenzufügen.

Walter Gilbert (Harvard University of Cambridge) entwickelt 1986 die Idee einer RNA-Welt.

Gunther von Kiedrowski (Ruhr-Universität Bochum) stellt 1986 das erste DNA-basierte selbstreplizierende System vor, ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Wachstumsfunktionen von selbstreplizierenden Systemen

Manfred Eigen (Max-Planck-Institut, Fakultät für Biophysikalische Chemie, Göttingen): Evolution von Ensembles von RNA-Molekülen. Hyperzyklus.

Julius Rebeck (Cambridge) stellt ein künstliches Molekül (Aminoadenosintriazidester) her, das sich in Chloroformlösung selbst repliziert. Kopien sind immer noch identisch mit dem Muster, daher ist eine Evolution für diese Moleküle unmöglich.

John Corlis (Goddard Center Raumflüge- NASA): Die Thermalquellen der Meere liefern die Energie und Chemikalien, die eine von der Weltraumumgebung unabhängige chemische Evolution ermöglichen. Noch heute sind sie der Lebensraum für die ursprünglich in vielerlei Hinsicht entstandenen Archäobakterien (Archaea).

Günter Wächtershäuser (München) - Hypothese der Welt der Eisensulfide: Auf der Oberfläche von Pyrit entstanden die ersten selbstreplizierenden Strukturen mit Stoffwechsel. Dazu setzt Pyrit (Eisensulfid). die nötige Energie. Beim Wachsen und Wiederzerfallen von Pyritkristallen konnten diese Systeme wachsen und sich vermehren, und unterschiedliche Populationen waren unterschiedlichen Umweltbedingungen (Selektionsbedingungen) ausgesetzt.

AG Cairns-Smith (University of Glasgow) und David C. Mauerzall (Rockefeller-Universität New York, New York) sehen Tonminerale als ein System, das zunächst selbst einer chemischen Evolution unterliegt, aus der viele verschiedene, sich selbst replizierende Kristalle entstehen. Diese Kristalle ziehen mit ihrer elektrischen Ladung organische Moleküle an und katalysieren die Synthese komplexer Biomoleküle, wobei die Informationsmenge von Kristallstrukturen zunächst als Matrix dient. Diese organischen Verbindungen werden immer komplexer, bis sie sich ohne die Hilfe von Tonmineralien vermehren können.

Wolfgang Weigand, Mark Derr ua (Max-Planck-Institut, Fakultät für Biogeochemie, Jena) zeigten 2003, dass Eisensulfid die Synthese von Ammoniak aus molekularem Stickstoff katalysieren kann.

4. Wächterhäusers Theorie

geothermische chemische Wächterhäuser

Theorie der Eisen-Schwefel-Welt

Eine besonders intensive Form des Beitrags von Mineralien und Gesteinen zur präbiotischen Synthese organischer Moleküle muss an der Oberfläche von Eisensulfidmineralien stattfinden. Die Miller-Urey-Theorie weist erhebliche Einschränkungen auf, insbesondere angesichts der fehlerhaften Erklärung für die Polymerisation der monomeren Bestandteile eines Biomoleküls. Noch heute existieren anaerobe Bakterien, deren Stoffwechsel unter Beteiligung von Eisen und Schwefel erfolgt. Wachstum von Eisensulfidkristallen FeS2 Ein alternatives Szenario wurde seit Anfang der 1980er Jahre von Günter Wächterhäuser entwickelt. Nach dieser Theorie entstand das Leben auf der Erde an der Oberfläche von Eisen-Schwefel-Mineralen, also Sulfiden, die noch heute durch geologische Prozesse entstehen und auf der jungen Erde viel häufiger gewesen sein sollen. Diese Theorie legt im Gegensatz zur RNA-Welthypothese nahe, dass der Stoffwechsel dem Auftreten von Enzymen und Genen vorausging. Als geeigneter Ort werden Schwarze Raucher am Grund der Ozeane vorgeschlagen Hoher Drück, hohe Temperatur, kein Sauerstoff und reichlich diverse Anschlüsse das könnte dienen Baumaterial"Bausteine des Lebens" oder ein Katalysator in einer Kette chemischer Reaktionen. Der große Vorteil dieser Hypothese gegenüber ihren Vorgängern besteht darin, dass die Bildung komplexer Biomoleküle erstmals mit einer konstant zuverlässigen Energiequelle verbunden ist. Bei der Reduktion von teilweise oxidierten Eisen-Schwefel-Mineralen wie Pyrit (FeS2) mit Wasserstoff (Reaktionsgleichung: FeS2 + H2 \;\overrightarrow(\leftarrow)\; FeS + H2S) wird Energie freigesetzt, die ausreichend ist zur endothermen Synthese monomerer Strukturelemente Biomoleküle und deren Polymerisation:

Fe2+ + FeS2 + H2 \;\overrightarrow(\leftarrow)\; 2 FeS + 2 H+ „G°“ = ?44,2 kJ/mol

Auch andere Metalle wie Eisen bilden unlösliche Sulfide. Darüber hinaus haben Pyrit und andere Eisen-Schwefel-Minerale eine positiv geladene Oberfläche, auf der sich überwiegend negativ geladene Biomoleküle (organische Säuren, Phosphorsäureester, Thiole) anordnen, anreichern und miteinander reagieren können. Die dazu notwendigen Stoffe (Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid und Eisensalze) fallen aus der Lösung auf die Oberfläche dieser „Eisen-Schwefel-Welt“. Wächterhäuser greift für seine Theorie auf die bestehenden grundlegenden Mechanismen des Stoffwechsels zurück und leitet daraus ein geschlossenes Szenario für die Synthese komplexer organischer Moleküle (organische Säuren, Aminosäuren, Zucker, stickstoffhaltige Basen, Fette) aus einfachen anorganischen Verbindungen, die in Vulkangasen vorkommen (NH3, H2, CO, CO2, CH4, H2S). Im Gegensatz zum Miller-Urey-Experiment sind keine Energiequellen von außen in Form von Blitzen oder ultravioletter Strahlung beteiligt; außerdem laufen die ersten Synthesestufen bei hohen Temperaturen und Drücken viel schneller ab (z. B. enzymkatalysiert). chemische Reaktionen). Bei Temperaturen von bis zu 350°C in Unterwasservulkanen ist die Entstehung von Leben durchaus denkbar. Erst später, wenn empfindlich hohe Temperaturen Katalysatoren (Vitamine, Proteine) hätte die Evolution bei einer niedrigeren Temperatur stattfinden sollen. Das Wächterhäuser-Szenario passt gut zu den Bedingungen von Hydrothermalquellen in der Tiefsee, da dort die Temperaturdifferenz eine ähnliche Verteilung der Reaktionen erlaubt. Die ältesten heute lebenden Mikroorganismen sind die hitzebeständigsten, das bekannte Temperaturmaximum für ihr Wachstum liegt bei +122°C. Außerdem sind noch Eisen-Schwefel-Aktivzentren beteiligt biochemische Prozesse, was auf die primäre Beteiligung von Fe-S-Mineralen an der Entwicklung des Lebens hindeuten könnte.

5. RNA-Welt

Die RNA-Welt-Hypothese wurde erstmals 1986 von Walter Gilbert aufgestellt und besagte, dass RNA-Moleküle die Vorläufer von Organismen seien. Die Hypothese basiert auf der Fähigkeit der RNA zu speichern, zu übertragen und zu reproduzieren genetische Information sowie seine Fähigkeit, Reaktionen als Ribozyme zu katalysieren. BEI evolutionäres Umfeld RNA-Moleküle, die sich überwiegend selbst vermehren, wären häufiger als andere. Ausgangspunkt sind einfache selbstreplizierende RNA-Moleküle. Einige von ihnen haben die Fähigkeit, die Synthese von Proteinen zu katalysieren, die wiederum die Synthese von RNA und ihre eigene Synthese (die Entwicklung der Translation) katalysieren. Einige RNA-Moleküle sind zu einer RNA-Doppelhelix verbunden, sie entwickeln sich zu DNA-Molekülen und Trägern von Erbinformationen (Transkriptionsentwicklung). Grundlage sind bestimmte RNA-Moleküle, die jede RNA-Probe kopieren können, einschließlich sich selbst. Jennifer A. Doudna und Jack W. Szostak verwendeten als Vorlage für die Entwicklung dieses RNA-Typs, der sich selbst in ein prokaryotisches Intron schneidet und spleißt. einzelliger Organismus Tetrahymena thermophila. Dies bestätigt, dass rRNAs selbst katalytische Moleküle in Ribosomen sind und somit RNA die Proteinsynthese katalysiert. Die Einschränkungen bestehen jedoch darin, dass bei selbstreplizierender RNA nicht Mono-, sondern Oligonukleotide die konstituierenden Bindeglieder sind und Hilfsstoffe benötigt werden. 2001 wurde entdeckt, dass die wichtigen katalytischen Zentren der Ribosomen RNA sind und nicht, wie bisher angenommen, Proteine. Dies zeigt, dass die katalytische Funktion der RNA, wie sie von der RNA-Welt-Hypothese vorgeschlagen wird, heute von Lebewesen genutzt wird.

Da Ribosomen als sehr primitive Zellorganellen gelten, gilt diese Entdeckung als wichtiger Beitrag zur Untermauerung der RNA-Welt-Hypothese. Schon jetzt kann man mit Sicherheit sagen, dass RNA-Moleküle Proteine aus Aminosäuren synthetisieren können. In dieser Hinsicht Nukleoproteine (Komplexe Nukleinsäuren mit Proteinen) sind als mögliche Vorläufer von RNA ebenfalls von Interesse. Ein weiterer RNA-Vorläufer könnten polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe sein. Poly-Welt-Hypothese aromatische Kohlenwasserstoffe versucht die Frage zu beantworten, wie die ersten RNAs entstanden sind, und bietet eine Variante der chemischen Evolution von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen zu RNA-ähnlichen Ketten.

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