Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

3.2Paläontologie; Fakten, die für
Evolution sprechen
3.2.4 Ablauf der Evolution
Präkambrium:
Hadäan (4,6 Milliarden Jahre – 3,8 Milliarden Jahre)
erdz1 - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit
Hadean nennt man das Zeitalter von der Entstehung der Erde bis vor 3,8
Milliarden Jahre. Hier fand im Wesentlichen die physikalische und chemische
Evolution statt. Die physikalische Evolution
haben wir schon zuvor besprochen. (Zur physikalischen
und primären chemischen Evolution siehe auch hier.)Chemische EvolutionDie biologische Evolution beginnt ab dem Auftauchen der ersten Zellen
vor ca. 3,7 Milliarden Jahren. Zuvor müssen die typischen organischen
Moleküle einer Zelle, wie Proteine, Fette und Nukleinsäuren
entstanden sein.

Zu Beginn der 50er Jahre machte Stanley L. Miller
an der University of Chicago, ein Experiment, das uns verstehen läßt,
wie zu Beginn der Erdgeschichte in dieser lebensfeindlichen Umgebung aus
anorganischen Stoffen organische enstehen konnten.

animmip - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit
stanley - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & ZeitStanley L. Miller ist links mit seiner berühmten
Apparatur abgebildet. Das Prinzip des Experiments kann man
der Animation ganz links entnehmen.

Man spricht auch vom Miller-Experiment.
Die Apparatur bestand aus zwei Hauptreaktionsräumen.

 

Im Gefäß unten simulierte er die Urozeane mit Wasser,
das er erhitzte. Das Wasser konnte durch die Apparatur zirkulieren.
In In das Gefäß oben, das mit H2, NH3,
Methan und Wasserdampf gefüllt war, ragten 2 Elektroden, mit
denen er Blitze erzeugen konnte. Die w-förmige Konstruktion
am Boden des Kreislaufs ( entgegen dem Uhrzeigersinn) diente zum
Auffangen etwaiger wässriger Reaktionsprodukte die zuvor durch
den Kondensor geleitet werden (links Mitte).

Das Experiment lieferte viele Aminosäuren. Je nach
Zusammensetzung änderte sich die Konzentration der Produkte.
Dabei entstanden verschiedene Kohlenhydrate, Nukleotide, Fettsäuren
usw.Dies zeigt, daß lebenswichtige organische Stoffe aus anorganischen
entstehen können.Jahre nach diesem Experiment fand man 1969 einen Meteoriten bei
Murchison in Australien, der dieselbe Zusammensetzung an
Aminosäuren hatte wie das Ergebnis beim Miller-Experiment.
Die Produkte des Miller Experiments

Teer
85%
unbedeutende Carbonsäuren13.0%
Glycin 1.05%
Alanin 0.85%
Glutaminsäure
Spuren
Asparaginsäure
Spuren
Valin Spuren
Leucin Spuren
Serin Spuren
Prolin Spuren
Threonin Spuren
Seither haben viele Wissenschaftler Millers Experiment in unterschiedlichen
Varianten wiederholt. Als Energiequellen wurden Hitze, UV-Licht,
Neutronenstarahlen, Licht, Schockwellen und Katalysatoren verwendet.
12volc - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & ZeitViele Wissenschaftler stellen sich vor, daß so ähnlich in
den Urozeanen (= Ursuppe) unter Einwirkung von UV, Hitze und anderen
Energiequellen die bedeutsamen organischen Stoffe wie Proteine, Nukleotide
und Lipide entstanden sind.Die Erde war inzwischen so abgekühlt, daß diese Substanzen
auch stabil blieben. Irgendwann wurden Proteine und Nukleotide von Lipidmembranen
eingeschlossen, die ersten Zellen bildeten sich.

 

Diese konnte man experimentell noch nicht nachvollziehen. Es
gab dazu allerdings interessante Experimente wie z. B. folgendes:

round - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit1970 zeigte Fox, daß wenn man bestimmte Proteine erhitzt,
spontan sogenannte Mikrosphären
von einigen Mikrometern Durchmesser gebildet werden (siehe links).
Jede Kugel bestand aus einer Doppelmembran mit Material dazwischen.
Diese Membran war denen der Lipidmembranen sehr ähnlich.Das Experiment zeigte theoretisch die Bildung von Kompartimenten,
ähnlich Zellen. Lipide bilden diese Mizellen spontan.

Der chemische Ursprung des Lebens könnte in 4 Stufen abgelaufen
sein:

Stufe Iabiotische Synthese und Akkumulation kleiner organsicher Moleküle
wie Aminosäuren, Nukleoside und Fette
Stufe IIMoleküle aus Stufe I kondensieren zu Polymeren
Stufe IIIBildung eines Kompartiments (Urzelle)
Stufe IVDie Elemente der Stufen I-III kommen zusammen und erlangen die
Eigenschaft der Vererbung. Erste Erbsubstanz war vermutlich katalytische
RNA (Ribozym).*

Dieser Prozess hat mindestens 100 Millionen Jahre gedauert.

* Man hat 1980 festgestellt, daß RNA katalytische Aktivität
bestitzt und sich selbst replizieren kann. In Gegewart von Zink bilden
sich Nukleotidketten mit einer Kettenlänge von 40.

Der Urorganismus auch Protobiont
genannt muß anaerob, hyperthermophil,
halophil und
chemolithoautotroph
gewesen sein, (Reduktion von H2
und Schwefel, Kohlenstofffixierung mit CO2). Solche Organismen
hat man in den letzten Jahren aus heißen Quellen isoliert.

Die Urorganismen waren also Prokaryonten und die Photosynthese wurde
schon relativ früh erfunden. Cyanobakterien sind dazu in der Lage.

Leben konnten die Wissenschaftler bisher allerdings synthetisch nicht
erzeugen. So bleibt auch die Entstehung von Zellen damals vor ca. 3,7
Milliarden Jahren im Dunkeln.

Theorie sich selbst
organisiernder Materie (Eigen 1971)

Nach dem Nobelpreisträger
Manfred Eigen (1971) entstand Leben aus dem molekularen Chaos der Ursuppe
durch sogenannte autokatalytische Hyperzyklen
(molekulare Selbstorganisation)
.

hyperz1 - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & ZeitEin Hyperzyklus ist ein katalytisches
System, in dem ein kurzes, tRNA-ähnliches Polynukleotid
für die Aminoisäuresequenz eines kleinen Proteins
codiert, das seinerseits die Produktion eines anderen Polynukleotids
katalysiert. Der Zyklus wird solange fortgesetzt, bis er dadurch
geschlossen wird, indem ein schon vorhandenes Polynukleotid katalysiert
wird.
Mehrere Hyperzyklen können zu einem Hyperzyklus 2. Art verbunden
sein (siehe Stoffwechsel).Solche Hyperzyklen könnten Vorläufer von Zellen gewesen
sein.

Eigen wies nach, daß Leben durch als Resultat von Ausleseprozessen
im molekularen Bereich aufgefaßt werden kann. Er beobachtete bei
der Untersuchung von Enzymreaktionen, dass sich in einer nuklein- und
aminosäurehaltigen Lösung zunächst spontan autokatalytische
Prozessstrukturen ausbildeten. Auf einer höheren Stufe der Entwicklung
schliessen sich mehrere solcher autokatalytischen Strukturen zu einem
sogenannten Hyperzyklus zusammen. Dieser ist dann vor allem zur
Korrektur von Replikationsfehlern und somit zur Erhaltung und Weitergabe
komplexer Infos befähigt. “Schwächere” Hyperzyklen
mutieren entweder vorteilhaft, oder sie fallen auseinander, und aus den
freiwerdenen Bausteinen bilden sich neue Hyperzyklen mit neuen Eigenschaften.

Eigen hat Evolution auf der Grundlage physikalisch-chemischer Gesetzmäßigkeiten
schlüssig bewiesen. Notwendig sind Mutation und Selektion!

Nach Eigen verlief die Evolution zum Leben in 3 Phasen:

  1. Eine präbiotische chemische Stufe mit der Enstehung der wichtigen
    Biopolymere:
    Proteine, Nukleinsäuren und Lipide;
  2. Die Phase der Selbstorganisierung zu repliziernden Individuen;
  3. Die Evolution der einzelnen Spezies.

 

Präkambrium:
Archaikum (3,8 Milliarden Jahre – 2,5 Milliarden Jahre)
erdz1 - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

 

Das Archaikum ist die Zeit,
in der die ersten Zelle entstanden. Die Erdatmosphäre bestand aus
Methan und Ammoniak, also toxischen Gasen für die Lebewesen unserer
Zeit. Die Erdkruste war genügend abgekühlt, daß sich die
Landmassen bildeten.

Die ersten Sedimente vor ca. 3,8 Milliarden Jahre waren grau,
ein Zeichen für reduziertes Eisen.Dies ist nur in einer Sauerstoff-armen Atmosphäre möglich.Die Photosynthese und die Produktion von Sauerstoff oxidierte
Fe2+ zu Fe3+. Ab 2, 6 Milliarden Jahren fand
man die typischen gebänderten Eisenformationen (BIFs) mit abwechseln
roten und grauen Eisenschichten im Silikat (siehe rechts).
M0mvu2k0 - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

Aus dieser Zeit stammen auch die ältesten Fossilien. Es sind Cyanobakterien
in präkambrischem Gestein aus Australien. Sie sind 3,5 Milliarden
Jahre alt. (siehe unten ELMI-Aufnahmen)

orig5sm - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeitorig7sm - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & ZeitDiese Bakteriengruppe hat sich bis heute kaum geändert. Man
kann sie als Fossilien leicht erkennen, da sie Abbauprodukte von
Pigmenten hinterlassen.

Überhaupt findet man aus dieser Zeit nur Bakterien als Fossilien
z. B in Australien oder Südafrika als Stromatolithe.(siehe
Bild unten links; Stromatolith aus China, 2 Milliarden Jahre)

stromato - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeitstrombig - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

rezenter Stromatolith aus Australien (oben)

Stromatolithen sind steinartige Strukturen, die durch Kolonien von Cyanobacterien
entstehen. Diese sind von einer schleimigen Schicht umgeben, in die Kalkstein
aus dem Untergrund gebunden wird (siehe unten links). Auf diese Weise
entstehen Schichten. Man findet sie heute noch z. B. in Australien (siehe
oben rechts) und bezeichnet sie auch als lebende Felsen. Sie wachsen
ca. 1mm pro Jahr. Im Präkambrium waren diese Bakterien für den
ersten Sauerstoff der Atmosphäre verantwortlich.

algae - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

pmg23 - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

Oben rechts ist der Kona Dolomit (Michigan, USA) zu sehen, der 2.2 Milliarden
Jahre alt ist.

15micro - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & ZeitLinks ist ein 3,6 Milliarden Jahre alter Meteorit vom Mars
zu sehen, den man in der Antarktis gefunden hat. Man fand in ihm
merkwürdige Bakterien-ähnliche Strukturen, die allerdings
sehr klein sind (ca. 40-50 nm). Auf der Erde sind nur die Mycoplasmen
derart klein. Man vermutet auf dem Mars damals eine ähnliche
Atmosphäre wie auf der Erde. Denkbar wären Mikroorganismen
wie die Cyanobakterien, die Wissenschaftler sind sich jedoch nicht
einig.

 

Präkambrium:
Proterozoikum (2,5 Milliarden Jahre – 544 Millionen
Jahre)
erdz1 - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

 

Das Proterozoikum ist das Zeitalter von 2,5 Milliarden Jahre bis 544 Millionen Jahre.

Von dieser Zeit sind größere Zellen wie die Cyanobakterien als Fossilien erhalten. Ab ca. 1,9 Milliarden Jahren findet man eukaryontische Zellen. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre war nun auf ca. 3% angewachsen. Ab einer solchen O2-Konzentration ist der eukaryontische Stoffwechsel möglich.

Wie die eukaryontischen Zellen entstanden sein könnten hat 1981
die Biologin Lynn Margulis mit ihrer Endosymbiontentheorie
vorgeschlagen. Diese Theorie ist inzwischen allgemein anerkannt. Danach
sind die größeren eukaryontische Zellen dadurch entstanden,
daß verschiedene prokaryontische Zellen mit speziellen Eigenschaften
fusioniert sind.

Dabei hat einen Wirtszelle (wie z.B. ein primitiver anaerober Eukaryont wie Giardia) einen prokaryontischen autotrophen Spezialisten (Cyanobakterium) als Chloroplast aufgenommen und eine andere prokaryontische Zelle, die auf die ATP-Produktion spezialisiert war als Mitochondrium.

Dafür sprechen im Wesentlichen 3 Argumente:

  1. eine genügend große Ähnlichkeit zwischen den beiden Organellen und bestimmten freilebenden Prokaryonten
  2. die Identifikation einer potentiellen Wirtszelle ohne Organellen und deren Vorstufen
  3. die phylogenetische Evidenz, daß die verschiedenen Organellen einen anderen Vorfahren hatten als Kern und Plasma

Ähnlichkeiten zwischen Mitochondrien/Chloroplasten und Prokaryonten:

  • Ungefähr die gleiche Größe
  • Doppelmembran; die Membran enthält prokaryontische Lipoide
  • sie enthalten beide mehrere Kopien ringförmiger DNA und kleine Bakterien-ähnliche 70s Ribosomen
  • die RNA-Polymerase der Organelle sind den Bakterien ähnlicher als den Eukaryonten; sie werden durch Bakterien -Inhibitoren gehemmt und nicht durch Hemmstoffe eukaryontischer RNA-Polymerase
  • Die Proteinsynthese der Organellen wird ebenfalls durch Stoffe, die die bakterielle Proteinsynthese hemmen geblockt
  • die rRNA-Sequenzvergleiche der Mitochondrien zeigten große Ähnlichkeiten mit denen der rezenten Endosymbionten: Ricketsia, Agrobacterium und Rhizobium
  • die rRNA-Sequenzvergleiche der Chloroplasten zeigten große Ähnlichkeiten mit denen bestimmter Cyanobakterien.
  • beide Matrizes (Stroma bei den Chloroplasten) sind ähnlich und enthalten Enzyme
  • beide Organelle machen Zweiteilung
  • Man fand Hinweise für einen Gentransfer zwischen Endosymbiontengenen und Kerngenen der Wirtszelle
  • Genome von Plastiden ( z. B. von der Alge Guillardia theta) sind fast identisch mit Prokaryontengenomen (Porphyra purpurea)

Mitochondrium
_laurie - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit
Chloroplast

_chloro6 - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

 
 
Vor ca. 650 Millionen Jahren tauchten die ersten Vielzeller auf. Man
nennt sie nach ihrem ersten Fundort in Australien “Ediacara
Biota
“. Später fand man sie auch in anderen Erdteilen
wie. z. B Kanada. Sie scheinen alle realtiv große Oberflächen
gehabt zu haben und lebten in flachen, energiereichen oft eisenhaltigen
Umgebungen. Unten sind Fossilien aus den Hügeln von Ediacara abgebildet.


trib - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit
Tribrachidium heraldicum

spriggin - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit
Spriggina (vielleicht ein Vorfahre von Arthropoden)
  edamap - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

Fundstelle in den Ediacara-Hügeln

Unten links ist ein Fossil aus dem Nordwesten Kanadas zu sehen: Windermeria aitkeni. Es ist ein segmentiertes Fossil, ca 2 cm lang und viel kleiner als die in Australien gefundenen.

Vielleicht besaßen sie deshalb ein so große Oberfläche um den wenigen Sauerstoff besser absorbieren zu können.

winderm - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit

Windermeria aitkeni.

_helmint - Präkambrium: Lebewesen, Ablauf, Definition & Zeit


Helminthopsis
In dieser Zeit waren Bakterien und
Grünalgen weit verbreitet. Bei den hier gezeigten Fossilien ist man
sich man sich über die Zuordnung nicht im Klaren.
Waren es Flechten, Algen, Protozoen, Würmer oder sogar eine eigene
Gruppe? Jedenfalls deutet vieles auf die ersten Tiere hin, die wie Seeanemonen
oder Würmer (siehe Helminthopsis
links)
aussahen.
Weiterführende Quellen:

Evolutionhttp://rainbow.ldeo.columbia.edu/courses/v1001/6.html
http://www.iup.edu/~rgendron/bi112-a.htmlx
http://www.nap.edu/readingroom/books/evolution98/contents.html
HTTP://biology.fullerton.edu/courses/biol_404/web/hol/hol_ch1.html
Fossilien, Gestein und Zeithttp://pubs.usgs.gov/gip/fossils/contents.html
Stromatolithenhttp://www.discoverwest.com.au/hablin.html
http://www.wmnh.com/wmel0000.htm 
Fossilienhttp://geology.er.usgs.gov/paleo/groups.shtml
Lebende Fossilienhttp://www.palaeo.de/edu/lebfoss/ausstellung/index.html
Präkambrium, Geologiehttp://rainbow.ldeo.columbia.edu/courses/v1001/7.html
Präkambrium Organismenhttp://www.ucmp.berkeley.edu/vendian/critters.html
Karten der Erde der Vorzeithttp://www.scotese.com/
Endosymbiontentheoriehttp://opbs.okstate.edu/~melcher/MG/MGW1/MG1378.html
http://170.140.66.176/Biology%20120A,B/outlines/HTML%
20Presentation%20folder-5/sld006.htm
Ursprung des Lebenshttp://www.sigmaxi.org/amsci/articles/95articles/CdeDuve.html
Fossilien im Proterozoikumhttp://www.es.mq.edu.au/courses/GEOS272/internal/index.htm
Erdgeschichte, Geologiehttp://pubs.usgs.gov/gip/geotime/contents.html
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