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Das Leben
Das Element "Kohlenstoff" und seine besonderen
Eigenschaften
Günstige Bedingungen für organisches Leben auf
der Erde
Die Entstehung der verschiedenen Arten von
Lebewesen
Die Entstehung des Lebens aus unbelebter
Materie
Das Element "Kohlenstoff" und seine besonderen Eigenschaften
Kohlenstoff (chemisches Symbol: C) ist ein nicht-metallisches Element, das
weniger als 1% der Erdkruste ausmacht. Wenn man Lebewesen bzw. Organismen
chemisch untersucht, so stellt man fest, dass alle organischen Stoffe
Kohlenstoff enthalten.
Kohlenstoff ist ein besonders reaktionsfreudiges Element, es geht besonders
leicht chemische Verbindungen mit anderen Elementen ein. Bisher sind mehr als 8
Millionen unterschiedliche Kohlenstoffverbindungen bekannt. Damit bildet
Kohlenstoff mehr Verbindungen als alle anderen Elemente zusammen.
Kohlenstoff hat in der äußeren Schale um den Atomkern 4 Elektronen. Da die
Tendenz zu einer stabilen Edelgasstruktur mit 8 Elektronen in der Außenschale
besteht, gehen Kohlenstoffatome kovalente Bindungen ein, d. h. sie bilden
gemeinsame Elektronenpaare mit anderen Molekülen, in erster Linie mit
Wasserstoff-, Sauerstoff- und Chloratomen sowie wiederum mit Kohlenstoffatomen.
Kohlenstoffverbindungen können unter Zuhilfenahme von Wasserstoffatomen als
"Brücken" zwischen den Kohlenstoffketten extrem lange Riesenmoleküle bilden.
Solche Riesenmoleküle sind geeignet, die gewaltigen Mengen an Informationen über
den Bauplan des Lebewesens zu speichern, der in den Erbanlagen der Lebewesen
enthalten ist. Die Nukleinsäuren, die als DNA und RNA (deutsch: DNS und RNS) die Zellteilung bewirken,
sind solche Makromoleküle. Das menschliche Genom besteht aus einer ca. 2 Meter
langen Kette aus mehr als 100.000 Genen, die ihrerseits wiederum aus bis zu 1000
Basen bestehen. Auch bei den Eiweißen (Proteine), die in allen Organismen eine
wichtige Rolle spielen, handelt es sich um Makromoleküle, die sich aus
einfacheren Aminosäuren zusammensetzen.
Andererseits lösen sich Kohlenstoffverbindungen auch verhältnismäßig leicht
wieder - z. B. unter dem Einfluss bestimmter Enzyme oder Wärme. Diese Eigenschaft ist für
die Zellteilung wichtig.
Kohlenstoffverbindungen sind relativ temperaturempfindlich. So werden
Eiweißmoleküle durch Erwärmung über 42 ° Celsius zerstört.
Im Unterschied zu anorganischer Materie besitzen die organischen Makromoleküle
eine komplizierte räumliche Anordnung. Die großen Eiweißmoleküle sind sogar in
der Lage, ihre räumliche Anordnung zu verändern.
Günstige Bedingungen für organisches Leben auf der Erde
Der Planet
Erde entstand nach heutigem Wissen vor ca. 5
Milliarden Jahren zusammen mit der Sonne. Die Erde ist insofern etwas Einzigartiges im uns
bekannten Kosmos, als auf ihm ein vielfältiges organisches Leben gedeiht, von
den einfachsten Einzellern bis hin zu komplizierten Blütenpflanzen oder Säugetieren.
Außerhalb der Erde wurde bisher kein
organisches Leben entdeckt
- und folglich auch kein außerirdisches intelligentes Wesen.
Für die Entstehung von Leben auf der Erde waren
die
folgenden Bedingungen
förderlich:
Die Erde ist nicht so groß, dass ihre gesamte Masse aufgrund der eigenen
Schwerkraft glühend heiß und flüssig wird, wie das z. B. beim Planeten Jupiter der Fall ist.
Die Erde ist nur so groß, dass sich auf der Erdoberfläche eine Kruste aus festen Schollen bilden
konnte. Nur an einigen Stellen (Vulkane) dringt von Zeit zu Zeit flüssig-heiße Lava
an die Oberfläche.
Die Erde ist andererseits groß genug, um durch ihre Schwerkraft auch die leichten Gase
(Luft) und den Wasserdampf (Wolken) an sich zu binden. Diese bilden eine
schützenden Hülle, die Atmosphäre. Sie verhindert, dass es auf der
Erdoberfläche täglich extreme Temperaturschwankungen von mehr als 100 Grad
Celsius gibt, wie z. B. auf dem Mond, der keine Atmosphäre besitzt. Solche
Temperaturen würden das Leben rasch auslöschen, denn Lebewesen bestehen zu einem
wesentlichen Teil aus hitzeempfindlichen Kohlenstoffverbindungen wie z.B.
Eiweiß.
Die Atmosphäre schützt auch vor schädlicher Strahlung aus dem Weltraum.
Z. B. wird die
ultraviolette Strahlung durch eine Ozonschicht aufgefangen.
Der Abstand des Planeten "Erde" zum Fixstern "Sonne" ist gerade so groß, dass
die Energie der Sonneneinstrahlung das Eis der Gletscher und Weltmeere zum
größtrn Teil zu Wasser schmelzen lässt, ohne es
jedoch so stark zu erhitzen, dass es völlig verdampft. Dabei ist von Vorteil, dass die
Energie der Sonneneinstrahlung durch die tägliche Rotation der Erde auf die
gesamte Erdoberfläche verteilt wird.
Dadurch wurde die Existenz der Weltmeere möglich,
die mehr als 70% der Erdoberfläche bedecken und die an manchen Stellen mehr als
10
Kilometer tief sind. Die Weltmeere sind ein riesiger flüssiger Wärmepuffer und
die Schwankungen der globalen Wassertemperatur sind deshalb relativ gering. Das Wasser
der Meere bildete ein relativ stabiles Milieu, wie
es für organisches Leben notwendig ist. Die für Eiweiß kritische Temperatur von
+42 Grad Celsius wird gewöhnlich nicht überschritten.
Die ältesten bekannten Arten lebten im Wasser, weshalb hier wahrscheinlich auch
das Leben entstanden ist.
Die frühesten heute bekannten
fossilen Spuren
organischen Lebens auf der Erde reichen bis in eine Zeit vor ca. 3,8
Milliarden Jahren zurück. Seit dieser Zeit ist die Kette der Fortpflanzung von
einer Generation zur nächsten nicht
mehr abgerissen.
Die Entstehung der
verschiedenen Arten von Lebewesen
Während man früher von gleichbleibenden
Tier- und Pflanzenarten ausging, hat sich heute in
der Wissenschaft weitgehend die Auffassung
durchgesetzt, dass die verschiedenen Arten aus einem Entwicklungsprozess
(Evolution)
hervorgegangen sind.
Es sind heute ca. 2 Millionen verschiedene Arten von Lebewesen bekannt.
Für jede Art gehören die jeweils andern existierenden Arten zu ihren
Umweltbedingungen. Es können sich dabei verschiedene Beziehungen zwischen den
Arten bilden: von der Kooperation in Form der Symbiose über die bloße
Koexistenz und Konkurrenz um Nahrung bis hin zur Feindschaft und der Nutzung anderer Arten als
Nahrung.
Alle Tierarten einschließlich des Menschen benötigen als Nahrung andere Lebewesen, seien es Pflanzen oder Tiere.
Dagegen sind Pflanzen durch die Photosynthese in der
Lage, die von ihnen benötigten Nährstoffe aus nicht-organischen Stoffen zu
bilden.
Aus dem Zusammenwirken verschiedener Arten entstehen ökologische Systeme mit
bestimmten Nahrungsketten und relativ stabilen Stoffwechselkreisläufen. Ein
Beispiel hierfür ist der Regenwald.
Bekannt war immer schon, dass bei Arten, in denen es weibliche und männliche
Individuen gibt, die Nachkommen keine Kopien ihrer Eltern darstellen. Diesen
Umstand machten sich die Menschen seit Jahrtausenden zunutze, um durch die
gezielte Auswahl der zur Fortpflanzung vorgesehenen Exemplare Tierrassen und
Pflanzensorten mit bestimmten Eigenschaften zu züchten.
In ähnlicher Weise werden auch in der Natur durch einen
Ausleseprozess solche Lebewesen "gezüchtet", die den jeweils
herrschenden
Lebensbedingungen am besten angepasst sind. Charles Darwin hat in seinem
1859 erschienenen Buch über den "Ursprung der Arten mittels natürlicher Auslese"
("The Origin of Species by Means of Natural Selection")
anhand der besonderen Tier- und Pflanzenwelt der Galapagos-Inseln
diesen Prozess erforscht und theoretisch erklärt.
Seine These, dass die Menschen (so wie auch die Menschenaffen) Nachkommen von
Affen sind, stieß auf erbitterten Widerstand, der bei manchen
Religionsgemeinschaften bis heute anhält.
Der Fortschritt der Vererbungsforschung (Genetik) ermöglichte später eine genauere
Erklärung für die
Entwicklung der verschiedenen Arten von Lebewesen. Motor der Entwicklung (Evolution) ist die Veränderlichkeit der Erbinformationen,
die jedes Lebewesen an seine Nachkommen weitergibt. Die Erbinformationen bestehen
aus einer Anordnung von Genen, dem Genom, das sich in jedem Zellkern
eines Lebewesens befindet. Chemisch handelt
es sich dabei um ein sehr großes Molekül der Nukleinsäure DNA
(deutsch: DNS = Desoxyribonuclein-Säure).
DNA-Moleküle ähneln in ihrer Form einer spiralförmig gewundenen Leiter
(Doppelhelix). Bildlich
gesprochen können sich an diese Leiter immer weitere Leitersprossen anhängen, so
dass sie immer länger wird. Das menschliche Genom z. B. ist
ein mehrere Meter langes Riesenmolekül mit mehr als 100.000 aneinander gereihten Genen.
Ein Gen besteht chemisch aus einer komplexen Abfolge von nur vier
verschiedenen Basen (Adenin, Guanin,Thymin und Cytosin). Die Erbinformationen sind also - bildlich gesprochen
- in einer Schrift aufgezeichnet, die nur vier Buchstaben kennt.
Pro Gen sind es bis zu 1000 Basen,
die in einer bestimmten, von Gen zu Gen verschiedenen Weise angeordnet sind. Die
Gene sind gewissermaßen die Worte, in denen der Bauplan des jeweiligen
Lebewesens beschrieben ist und in denen die bisher erfolgreichen Überlebensstrategien
festgehalten sind.
Das
DNA-Molekül hat die besondere Fähigkeit, sich zu verdoppeln
(Replikation).
Unter dem Einfluss eines bestimmten Enzyms brechen die leiterförmigen Moleküle an den "Sprossen" in zwei Hälften auseinander. Jede der beiden
Hälften bindet dann
die fehlenden Bausteine in der ursprünglichen Anordnung an sich und
bildet so wieder eine vollständige "Leiter". Damit gibt es nun zwei
gleiche Moleküle.
Es kommt allerdings beim Kopieren der Gene auch zu Veränderungen der Erbinformationen. Zum einen kann
es bei der Verdopplung des DNA-Moleküls zu "Übertragungsfehlern" (Mutationen)
kommen. Zum andern haben sich zweigeschlechtliche Arten entwickelt, bei deren
Fortpflanzung die Erbinformationen je zur Hälfte vom Vater
und von der Mutter stammen und in jedem Nachkommen neu kombiniert werden.
Wenn die dadurch entstandenen unterschiedlichen Lebewesen dieselben
Lebensräume und Nahrungsmittel zu ihrer
Erhaltung benötigen, geraten sie in Konkurrenz zueinander. Es kommt zu einem
Ausleseprozess zugunsten derjenigen Variante, die den
jeweiligen Umweltbedingungen am besten angepasst ist ("survival of the
fittest").
Durch das Zusammenwirken von Erbveränderungen und
natürlicher Auslese entwickelte sich im Verlauf von ca. 3,8 Milliarden
Jahren, in denen viele Billionen von Fortpflanzungen stattfanden, ein vielgestaltiges pflanzliches und tierisches Leben.
Dabei entstanden im Verlauf der Evolution immer komplexere
Genome.
Was für den Betrachter auf den ersten Blick
als ein
harmonisches System aus den verschiedensten Tier- und Pflanzenarten erscheint, ist über längere Zeiträume der Erdgeschichte betrachtet
ein Prozess ständiger, für manche Arten katastrophaler Veränderungen,
wobei neue Arten entstehen und sich ausbreiten, während bestehende Arten verdrängt
werden und entweder in ökologischen Nischen fortbestehen oder ganz aussterben.
Die Entstehung des Lebens aus unbelebter
Materie
Bemerkenswert ist,
dass alle bisher bekannten Lebewesen aus Zellen
bestehen, die trotz mancher Verschiedenheit einen ähnlichen Aufbau mit
Zellmembran, Zellkern, Genom etc. besitzen, und dass sich alle Zellen durch
ähnliche Vorgänge der Teilung vermehren. Das legt den Schluss nahe, dass alle bestehenden
Arten einer einzigen Entwicklungslinie entstammen. (Eine Sonderstellung haben die
Viren, die sich zu ihrer Vermehrung der Zellen
fremder Lebewesen bedienen müssen. Viren werden in der Biologie deswegen nicht zu
den Lebewesen gezählt.)
Da eine Zelle bereits ein äußerst komplexes System aus verschiedenen
Bestandteilen (Zellmembran, Zellkern u. a.) mit unterschiedlichen Funktionen darstellt,
können die
Einzeller nicht die Urform
des Lebens sein. Die Einzeller sind bereits das Ergebnis einer längeren
Entwicklung, denn
ihre Erbanlagen bestehen bereits aus mehreren tausend Genen.
Hier sind noch
viele Fragen offen. Doch schreitet die Forschung hier weiter voran. So ist es in
jüngster Zeit gelungen, ein Molekül herzustellen, das die Fähigkeit besitzt, sich selbst zu
reproduzieren. Derartige Moleküle, die Kopien von sich selbst herstellen
und somit "fortpflanzen"
können, waren vermutlich der Ausgangspunkt des Lebens auf der Erde.
***
Siehe auch
die folgenden thematisch verwandten Texte in der Ethik-Werkstatt:
Weltall
Die 7 Welträtsel ** (40 K)
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Letzte Bearbeitung 04.08.2008 / Eberhard Wesche
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