Mechanismen der Evolution


Die Evolution ist ein Prozess, der bei der chemischen Evolution beginnt.

Nachvollziehbar wurden einige Mechanismen dieser chemischen Evolution vor allem durch das so genannte Ursuppenexperiment, das von Stanley L. Miller und Harold C. Urey Anfang der fünfziger Jahre (1952) durchgeführt wurde. Der Versuchsaufbau war einfach. In einem Kolben wurde Wasser verdampft und in einem zweiten Kolben (Inhalt etwa 5 Liter) in einer Atmosphäre, die aus Wasserdampf, Methan, Ammoniak und Wasserstoff bestand, elektrischen Entladungen ausgesetzt. Die kondensierten Reaktionsprodukte wurden gekühlt und konnten dann abgezapft werden. Die Atmosphäre entsprach in etwa den Vorstellungen, die man von der Atmosphäre vor ca 3 Milliarden Jahren hatte, also vor der Entstehung des Lebens. Man konnte davon ausgehen, dass es auf der Erde damals noch mehr Vulkane als heute gab, die mit der glühenden Lava auch Gase ausstoßen haben. Die tropischen Temperaturen führten zu häufigen Gewittern.

Bei der Analyse des Kondensats fanden Miller und Urey etliche Verbindungen, die auch in lebenden Organismen vorkommen. Darunter auch 4 Aminosäuren (grün markiert). die mengenmäßige Analyse ergab folgendes Ergebnis:

Bezeichnung der Substanz Chemische Formel Mikromol
Ameisensäure H-COOH 2330
Glycin H2N-CH2-COOH 630
Glykolsäure HO-CH2-COOH 560
Alanin H2NCH(CH3)-COOH 340
Milchsäure HO-CH(CH3)-COOH 310
Beta-Alanin H2N-Ch2-CH2-COOH 150
Essigsäure CH3-COOH 150
Propionsäure C2H5-COOH 130
Aminodiessigsäure HOOC--CH2-NH-CH2-COOH 55
Sarcosin HN(CH3)-CH2-COOH 50
alpha-Aminobuttersäure H2N-CH(C2H5)-COOH 50
alpha-Hydroxybuttersäure HO-CH(C2H5)-COOH 50
Bernsteinsäure HOOC-CH2-CH2-COOH 40
Harnstoff H2N-CO-NH2 20
N-Methylharnstoff H2N-CO-NH-CH3 15
3-Azaadipinsäure HOOC-CH2-NH-C2H4-COOH 15
N-Methylalanin HN(CH3)-CH(CH3)-COOH 10
Glutaminsäure H2N-CH(C2H4COOH)-COOH 6
Asparaginsäure H2N-CH(CH2COOH)-COOH 4
alpha-Aminoisobuttersäure H2N-C(CH3)2-COOH 1

Ein Mikromol entspricht etwa 6x10hoch17 Atomen. Der Ausgangszustand bei diesem Experiment enthielt 59000 Mikromol Kohlenstoff in Form von Methan. 15 Prozent davon wurden in die aufgeführten Verbindungen umgewandelt. Ein wesentlich größerer Prozentsatz setzte sich als teerartige Masse ab.

Leslie Orgel zeigte in einer Serie weiterer Experimente, daß schon unter einfachen Versuchsbedingungen Nucleinsäuren nicht bloß aus energiereichen Bausteinen polymerisieren und dabei Molekülketten mit bis zu über hundert Monomeren (Nukleotiden) aufbauen, sondern dass diese sogar ohne Mitwirkung von Enzymen, ganz allein durch Matrizenwirkung, ihre eigene Synthese instruieren. Metallionen wie Zink und Magnesium erweisen sich für eine solche Synthese als potente Katalysatoren. Es ist interessant, dass die genannten Metallionen in vielen der DNA- und RNA-polymerisierenden Enzymen eine analoge Rolle spielen.

Der Biochemiker Manfred Eigen (Nobelpreisträger), der selbst zahlreiche Laborversuche zur Stützung Evolutionstheorie unternommen hat, hält es für möglich, daß schon in der präbiotischen Phase für nahezu alle Reaktionen katalytisch aktive Proteinoide existierten. Diese Katalysatoren waren allerdings weder optimal noch als solche optimierbar. Die Optimierung bedarf eines auf Selbstreproduktion basierenden, evolutiven Anpassungsprozesses. Nichtsdestoweniger ist es wahrscheinlich, daß einige dieser Proteinoide sich bereits durch eine gewisse Stereospezifität auszeichneten, mit deren Hilfe sie rechts- und linkshändige Enantiomere zu unterscheiden vermochten (Problem der Chiralität). Unser Problem ist wiederum, aus den vielen möglichen Wegen die historisch relevanten herauszufinden.

Die biologische Evolution beginnt mit der Bildung von Einzellern mit einem eigenen Stoffwechsel, die die Fähigkeit haben sich selbst mehr oder weniger vollkommen zu kopieren. Im Lauf der Generationen führt dies zur Veränderung des ursprünglichen Originals,  und damit zu immer unterschiedlicheren neuen Originalen.

Als Art bezeichnet man bei Lebewesen mit geschlechtlicher Vermehrung eine hinsichtlich ihres Paarungsverhaltens isolierte Gruppe.

Evolutionsmechanismen der biologischen Evolution sind nach Darwin Mutation und Selektion. Hinzu kam als weiterer Faktor die Isolation. Bei Einzellern kommen weitere genetische Evolutionsmechanismen zum Tragen. Einzeller verwandter Arten tauschen gelegentlich ihren Zellkern aus (Konjugation). Das Erbgut von Einzellern kann durch Retroviren verändert werden. In der Anfangsphase der Evolution kam es offensichtlich auch zu einer Symbiose damals existierender Einzeller.  Zu einer solchen Symbiose kam es bei den Eukaryonten und den Pflanzenzellen. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass sowohl die Mitochondrien (Teil der sauerstoffatmenden Zellen, Eukaryontenzellen) als auch die Chloroplasten (Teil der Pflanzenzellen) einen eigenen Übersetzungsmechanismus für Proteine haben und durch eine Membran von der Zelle getrennt sind. Auch der Zellkern ist durch eine Membran getrennt.

Eine Mutation ist eine genetische Veränderung, die bei der Entstehung der Ei oder Samenzelle auftritt oder bei der Verschmelzung von Ei und Samenzelle, bzw. bei Einzellern bei der Teilung. Mutationen können durch mutagene Substanzen (z. B. Nikotin, Abgase, Hormone, bestimmte Arzneimittel . . .) oder durch Röntgenstrahlung, kosmische Strahlung (im Flugzeug oder auf hohen Bergen) oder durch lokale Überhitzung auftreten. Für lebenswichtige Funktionen haben die Zellen allerdings Reparaturmechanismen entwickelt, so dass es hier seltener zu Mutationen kommt.

Selektion ist jener Mechanismus, den Charles Darwin als "the survival of the fittest" charakterisiert hat. Dies ist keine Wertung, dergestalt, dass nur der Stärkste überlebt. Survival of the fittest kann zum Beispiel bedeuten, dass ein Individuum eine Seuche überlebt hat, der ein stärkeres Individuum zum Opfer gefallen ist. Es kann bedeuten, dass ein Individuum vom Sexualpartner ausgewählt wurde, wegen seines Aussehens oder bei Tieren wegen der Aussendung von Sexuallockstoffen. Es kann bedeuten, dass ein Tier mehr Nachkommen gezeugt hat als als ein anderes Tier. Es kann bedeuten, dass ein Tier sich besser einem bestimmten Lebensraum angepasst hat als als ein anderes Tier. Es kann bedeuten, dass ein Tier es geschafft hat seine Feinde oder Nahrungskonkurrenten zu täuschen.

Die Isolation gegenüber anderen Gruppen wird auf vielfältige Weise erreicht:

(1) die ökologische Isolation: verschiedene Arten leben zwar im selben Gebiet, aber an verschiedenen Stellen, so dass sie sich nicht begegnen;

(2) die zeitliche Isolation: Begattung, Brunft oder Blüte finden zu verschiedenen Tages- oder Jahreszeiten statt;

(3) die ethologische Isolation: die beiden Geschlechter unterschiedlicher Arten üben aufeinander nur eine geringe Anziehungskraft aus;

(4) die mechanische Isolation: die Kopulation oder Pollenübertragung ist wegen der unterschiedlichen Größe und Ausgestaltung der Genitalien oder der Blüten nicht möglich; 

(5) die genetische Isolation: die männlichen und weiblichen Keimzellen reagieren nicht miteinander, oder die Spermazellen sind im weiblichen Geschlechtstrakt  (die Pollen auf der Narbe) nicht lebensfähig.

(6) das hybride Lebewesen stirbt vor Erreichen der Geschlechtsreife ab;

(7) die Hybriden erzeugen keine funktionsfähigen Keimzellen;

(8) die Nachkommenschaft der Hybriden ist nicht fortpflanzungsfähig oder lebensfähig.

Quelle: Stufen zum Leben von Manfred Eigen Serie Piper 765; Evolution Spektrum akademischer Verlag; VCH Verlag die Zelle.


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