Die Entstehung und die frühe Geschichte des Lebens auf der Erde

Das Leben auf der Erde muss sich auf natürliche Weise aus lebloser Materie in weit zurückliegender Zeit aus einfachsten Stoffen entwickelt haben. Es gibt zwar auch Theorien, dass das Leben (oder Vorstufen davon) mit kosmischem Staub aus dem Weltall zu uns gekommen ist, aber wahrscheinlicher ist doch, dass die frühe Erde als chemisches Labor zur Erzeugung ersten Lebens diente. Agenzien und chemische Grundstoffe hierzu waren die Urgase CO2, NH3, CH4, H2O und H2, elektrische Entladungen, Meteoriteneinschläge, Lava, heisse Quellen im Meer, vulkanische, radioktive Hitze und/oder Evaporation.
Über Zwischenprodukte wie Aminosäuren, Alkane, Säuren, Lipide u.a wurden vermutlich erste Zellen gebildet. Diese Zellen müssen bestimmte Bestandteile gehabt haben (siehe unten). Direkt mit alle diesen fossil erhaltungsfähig sind sie natürlich nicht !

Versuch einer Rekonstruktion der "universalen Minimalzelle" mit den wichtigsten Bestandteilen. (umgezeichnet nach Cowen 2000)

Bereits vor ca. 4,4 Ga (also schon im Hadaikum) hat vermutlich die abiotische Bildung von Bausteinmolekülen begonnen, anschließend folgte die abiotische Polymerisierung zu Makromolekülen, schließlich der Zusammenbau zu größeren organell- und zellähnlichen Strukturen (Präzellen) und - als Abschluss der bis hierher so genannten "chemischen Evolution" - die Entstehung von Protobionten.

Mit deren Vermehrung, Erbvariation und Selektion setzte die biologische Evolution und somit das Leben ein. Über den Zeitpunkt besteht noch Unklarheit, aber durch geochemische Methoden (stabile Kohlenstoffisotope) ist dies auf fast 4 Ga datiert worden. Der Nachweis von Bioproduktion auf geochemischem Wege beruht auf der Tatsache, dass hierbei das leichte Kohlenstoffenisotop C12 bevorzugt eingebaut und somit dem Meerwasser entzogen wird. Für die Bildung von Karbonaten steht somit nur noch ein am schweren Kohlenstoffenisotop C13 angereichertes Verhältnis zur Verfügung. Bei laufender Bioproduktion ergibt sich somit immer ein deutlich unterschiedliches C12/C13-Verhältnis in organischem Kohlenstoff und dem Kohlenstoff aus Karbonaten. (Es soll aber hier nicht verschwiegen werden, dass sich derzeit - Sommer 2002 - wieder Zweifel an der Interpretation des ersten Kohlenstoffs als biologisches Produkt mehren !)

Körperliche Reste von Lebenswesen gibt es erst aus dem Archaikum: In der 3,8 Ga Isua Supergroup (Grönland) sind Chemobakterien (Präzellen?) gefunden worden, in 3,5 Ga alten Gesteinen des Pilbara Kraton (Australien) und des Barberton Greenstone Belts (Südafrika) Biomatten (Stromatolithe) sowie kugelige und fädige Bakterien. Es läßt sich aus verschiedenen geochemischen Quellen ableiten, dass etwa zu diesem Zeitpunkt auch die Photoynthese erfunden wurde. Ab ca. 3,0 Ga waren Stromatolithe (Blaugrün"algen"-Matten) dann bereits weit verbreitet.

Einige der Energiequellen, die zur Verfügung gestanden haben, um die chemischen Reaktionen in den Ozeanen der frühen Erde anzutreiben. (umgezeichnet nach Cowen 2000)

Für die Entstehung des Lebens (vermutlich schon im Hadaikum) selbst gibt es verschiedene Theorien. Ursprüngliche Therorie war die Entstehung in einer "Ursuppe" aus einfacheren organischen Verbindungen unter Beteiligung von Energiequellen wie UV-Strahlung und elektrischen Entladungen.

Stanley Millers berühmtes Experiment simulierte die Bedingungen der frühen Erde. In einer Atmosphäre aus Methan, Stickstoff und Wasserstoff wurden elektrische Entladungen (Blitze) erzeugt, die Reaktionsprodukte abgekühlt, kondensiert und in ein Gefäß (Ozean) abgeregnet. Unter den Reaktionsprodukten fanden sich Aminosäuren ! (umgezeichnet nach Cowen 2000)

Es wird heute auch diskutiert, ob die ersten einfachen organischen Verbindungen mit Meteoriten aus dem Weltall auf die Erde gelangt sind. Diese scheinen hier im interstellaren Staub wirklich zu existieren. Andere Theorien beschäftigen sich mit der Entstehung komplizierterer organischer Moleküle an Matrizen aus Tonmineralen, unter Beteiligung von framboidalem Pyrit (Schwefelkies) oder der Enstehung des Lebens an submarinen heißen Quellen (black smokers, hot seams).

Tonminerale haben lange, gerade Kristallflächen. Verschiedene organische Moleküle könnten sich an solchen Flächen wie an Matrizen aufgereiht und die Reaktionen zu "höheren" langkettigen organischen Molekülen wie Amino- und Nukleinsäuren angeregt haben. (umgezeichnet nach Cowen 2000)

Mögliche Enstehung von ersten Zellwänden aus Lipidmolekülen: (a) Die polare Struktur des Lipidmoleküls ist auf einer Seite wasserabweisend (hier links) und auf der anderen Seite wasseranziehend. (b) Dies erlaubt den Lipiden, wasserabweisende Häute oder sogar (c) wasserabweisende sphärische Behälter zu bilden. (umgezeichnet nach Cowen 2000)

In jedem Fall scheint das Leben im Archaikum noch ausschließlich autotroph (Photosynthese und Chemosynthese) gewesen zu sein und zu den Procaryota (einzellige Organismen ohne Zellkern) gehört zu haben (Archaebakterien, Eubakterien, Cyanobakterien). Organismen mit stärker differenzierten Zellorganellen und Zellkern (Eucaryota) existierten noch nicht.

Die Endosymbiontentheorie: Die wahrscheinliche Abfolge der Entstehung vielzelligen Lebens (Pflanzen und Tiere) aus zellkernlosen Einzellern über die Zwischenstufen der Protista (Einzeller mit Zellkern und Zellorganellen). Umgezeichnet nach Stanley (1999).

Im Proterozoikum fand der Übergang von der phytischen Ära des Archäophytikums (mit dominierenden Cyanobakterien) in das Proterophytikum (mit dominierenden eucaryoten Algen, also solchen mit Zellkern) vermutlich vor ca. 2 Ga. Die Entstehung der Eucaryota geschah wohl durch Vereinigungung verschiedener prokaryontischer Zellen (Endosymbionten-Theorie, s.o.).
Bei diesem Zeitpunkt (ca. 2 Ga) ist ein Zusammenhang zwischen der starken Zunahme der Sauerstoffproduktion (Great Oxidation event) und der Entstehung der Eucaryota, welche eine vielfach höhere Energieausbeute als Procaryota haben, offensichtlich. Erste - als solche noch fragliche - Einzeller mit Zellkern (Eucaryota) sind bereits aus dem 2,2 Ga alten Gunflint Chert (Australien) beschrieben worden.
Wichtigste Gruppe waren die Acritarchen (erste Nachweise ab 1,9 Ga) mit im Neoproterozoikum stark zunehmender Diversität und einschneidendem Aussterbeereignis kurz vor Beginn des Kambrium. Sichere Grünalgen (Prasinophyceen) sind seit 1,7 Ga bekannt. Im Neoproterozoikum fand auch schon eine rapide Entwicklung von tangähnlichen Makroalgen in den Flachmeeren statt, berühmte Funde kommen v.a. aus China.

Zusammenhänge zwischen steigendem Sauerstoffgehalt der Atmosphäre (links) und dem Auftauchen und der Diversität von Stromatolithen, Prokaryoten, Eukaryoten, vielzelligen Pflanzen und vielzelligen Tieren. (umgezeichnet nach Van Andel 1994 aus Brenchley & Harper 1998)

Die Entwicklung erster (noch hartteilloser) vielzelliger Tiere ist durch Spurenfossilien bei etwa 1 Ga (also etwa an der Grenze vom Meso- zum Neoproterozoikum) nachgewiesen. Dies dürften wurmartige Tiere gewesen sein. Seitdem dokumentiert eine ständige Diversifizierung der Spurenfauna eine allmähliche Entwicklung der Metazoen (vielzellige Tiere).

Etwa vor 650-600 Ma (Neoproterozoikum) waren erste Makrofaunen mit erhaltenen Körpermerkmalen (nicht nur Spuren) weltweit verbreitet: Die Ediacara-Fauna, ausschließlich mit Abdrücken der Weichteile und noch ohne Hartteile. Ihre systematische Zugehörigkeit ist umstritten, einige Formen mögen zu den Coelenteraten, Anneliden oder Arthropoden gehört haben. Manche haben sich unlängst sogar als Makroalgen herausgestellt.
Im allerjüngsten Proterozoikum gelangen jüngst auch schon Erstnachweise einiger heute noch existierender Tierstämme, besonders noch hartteiloser Anneliden, auch von Schwämme. Hinzu kommen wenige sehr kleine hartschalige Fossilien von röhrenförmiger Ausbildung, allerdings ebenfalls unsicherer systematischer Stellung.
Bei vielen Gruppen fand im Zuge der neoproterozoischen Vereisungen ("Schneeball Erde") ein Massenaussterben statt. Nach einigen Autoren war die hiermit verbundene Klimainstabilität einer der Gründe für die darauf folgende "Kambrische Explosion" der Tierwelt.

Die evolutiven Abläufe auf dem Planeten Erde im Gesamtzusammenhang.