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Chemische Evolution (Vertiefungswissen)

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Chemische Evolution (Vertiefungswissen)
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Beschreibung Chemische Evolution (Vertiefungswissen)

Hast du eine Idee, was zwischen dem Urknall und dem ersten Leben auf der Erde passierte? In diesem Video wirst du die chemische Evolution kennen lernen. Du wirst sehen, dass dabei aus anorganischen und einfachen organischenVernindungen komplexe organische Verbindungen entstanden sind, die die Vorraussetzung für Leben auf der Erde waren. In einem sehr bekannten Experiment, dem so genannten Miller-Urey-Experiment, wurden die damals auf der Erde herrschenden Bedingungen nachgeahmt und es wurden tatsächlich organische Substanzen erhalten. Den Aufbau des Experimentes und das Ergebnis siehst du hier!

Transkript Chemische Evolution (Vertiefungswissen)

Hallo! Was war eigentlich zwischen dem Urknall und dem ersten Leben auf der Erde? Wie konnten aus einfachen chemischen Verbindungen Leben entstehen? In diesem Video werde ich dir zeigen, wie man sich diese frühen Prozesse auf der Erde, also die chemische Evolution, vorstellt. Dazu gibt es nämlich ein sehr interessantes Experiment, welches gemacht wurde, um die Vorgänge auf der Erde vor einigen Mrd. Jahren nachvollziehen zu können!

Bedingungen während der chemischen Evolution

Wie stellst du dir die Erde vor 4 Mrd. Jahren vor? Das war die Zeit, zu der sich die Erde abkühlte und die feste Erdkruste bereits entstanden war. Erstes Leben gab es damals noch nicht. Bis dahin bestand die Atmosphäre hauptsächlich aus Wasserstoff H2, das war die so genannte erste Atmosphäre. Die nachfolgende Atmosphäre, die so genannte zweite Atmosphäre, hatte zusätzlich Wasserdampf H2O, Methan CH4, Ammoniak NH3, Schwefelwasserstoff H2S und Stickstoff N2.

Freien Sauerstoff und Halogene gab es damals nicht; diese haben nämlich eine hohe Affinität zu anderen Elementen und waren daher nur in Verbindungen wie z.B. Wasser oder auch in der festen Erdoberfläche zu finden. Man spricht bei dieser Atmosphäre auch von einer reduzierenden Atmosphäre, denn sie erlaubt keine Oxidationsprozesse.

Was meinst du, was es noch auf der Erde gab? Zusätzlich zur Atmosphäre gab es noch große Mengen an flüssigem Wasser, denn durch die Abkühlung der Erde hatte es sehr viel geregnet und die Ozeane waren entstanden. Bei diesem so genannten Urmeer oder der Ursuppe handelt es sich um eine wässrige Lösung. In dieser befanden sich neben gelösten Bestandteilen der Atmosphäre auch noch jede Menge Salze, die z.B. aus den Gesteinen stammten.

Außerdem gab es schon die jahreszeitlichen Schwankungen und verschiedene Wetterbedingungen wie z.B. Gewitter mit Blitz und Regen. Man stellte die Hypothese auf, dass unter diesen Bedingungen aus den anorganischen Stoffen wie Wasser, Ammoniak und Wasserstoff und der einfachen organischen Verbindung Methan die komplexeren organischen Substanzen entstanden sind, die die Entstehung des Lebens ermöglichten.

Miller-Urey-Experiment

Im Jahr 1953 machten die beiden Chemiker Stanley Miller und Harold C. Urey ein Experiment, mit welchem sie diese Hypothese überprüfen wollten. Dieses Experiment wird auch als Miller-Urey- oder Ursuppen-Experiment bezeichnet, da es die Bedingungen in der Ursuppe und der damaligen Atmosphäre widerspiegeln soll.

Die beiden Chemiker verwendeten einen mit Wasser gefüllten Kolben, in welchem Wasser zum Kochen gebracht wurde. Der entstehende Wasserdampf wurde über einen Gaszufuhrhahn mit Kohlenmonoxid CO, Methan CH4, Ammoniak NH3 und Wasserstoff H2 angereichert und strömte weiter und passierte eine Funkenstrecke, die durch zwei Elektroden generiert wurde.

Durch einen Wasserkühler wurde das Gasgemisch abgekühlt und sammelte sich in der wässrigen Lösung, die wiederum zum Kochen gebracht wurde. In diesem Experiment wurden also die Gase der damals vermutlich herrschenden Atmosphäre eingesetzt.

Die wechselnden Umweltbedingungen wurden nachgeahmt mit der Funkenstrecke, die Blitze simulieren sollte, dem Wasserkühler, der die natürliche Abkühlung und den daraus entstehenden Regen widerspiegelt, und dem Kochen des Wassers, das eine Energiequelle wie eine heiße Quelle, einen Vulkan oder auch die damals sehr starke UV-Strahlung simuliert.

Organische Substanzen

Das Experiment lief einige Zeit und nach 8 Tagen konnten die beiden Chemiker tatsächlich jede Menge organische Stoffe in der wässrigen Lösung nachweisen: darunter verschiedene Aminosäuren, Ameisensäure, Formaldehyd und Milchsäure. Interessanterweise entstehen aus Formaldehyd in wässriger Lösung unter alkalischen Bedingungen verschiedene Zucker. Solche organischen Stoffe sind für das Leben charakteristisch.

Das Experiment wurde später noch viele Male wiederholt und im Aufbau abgewandelt. So konnten alle wichtigen Bausteine der Lebewesen erzeugt werden. Neben den Aminosäuren und Zuckern auch Lipide, einfache Carbonsäuren und auch Purine, die in den Nukleinsäuren vorkommen. Auch komplizierter aufgebaute organische Verbindungen wie Isoprene, Nukleotide oder Oligonukleotide, Fettsäuren und sogar energieliefernde Substanzen wie ATP wurden gefunden.

Was kam danach?

Solche Experimente liefern also einen Hinweis, dass unter den in der Uratmosphäre herrschenden Bedingungen tatsächlich alle Bausteine, die für Lebewesen wichtig sind, entstanden sein könnten. Daraus entstanden dann vermutlich einfachste Lebensformen mit zunächst einfachen Stoffwechselwegen, so dass sich an die chemische Evolution die biologische Evolution anschloss. Die bis heute vorliegende Atmosphäre enthält Sauerstoff, auch oxidierenden Atmosphäre genannt.

Zusammenfassung

Was tatsächlich zwischen dem Urknall und dem ersten Leben auf der Erde war, wissen wir nicht. Aber durch Experimente wie das Miller-Urey-Experiment haben wir wichtige Hinweise darauf, was damals abgelaufen sein könnte.

Werden nämlich die anorganischen Verbindungen Wasser, Ammoniak, Kohlenmonoxid und Wasserstoff sowie die einfache organische Substanz Methan wechselnden Bedingungen wie Energiezufuhr durch Kochen oder Funken und Abkühlung ausgesetzt, können daraus komplexe organische Verbindungen entstehen. Dazu gehören z.B. Aminosäuren, Nukleotide, Lipide und Formaldehyd.

Diese stellen die Bausteine der Lebewesen dar und sind die Vorraussetzung für die Entstehung von Leben auf unserer Erde. Tschüss und bis zum nächsten Mal!

Chemische Evolution (Vertiefungswissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Chemische Evolution (Vertiefungswissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe den Aufbau des Urey-Miller-Experimentes.

    Tipps

    Die Funkenstrecke soll Blitze in der Uratmosphäre nachstellen.

    Die Gase, die eingeleitet werden, entsprechen den Gasen der Uratmosphäre.

    Lösung

    Das Experiment von Miller und Urey zeigte, dass es prinzipiell möglich ist, dass sich größere organische Substanzen unter den Bedingungen der Urerde bilden konnten.

    In ihrem berühmten Experiment stellten sie genau diese Bedingungen nach. Wasser wurde wie in den Ozeanen durch die Sonne erhitzt und wieder abgekühlt. Die Zusammensetzung der Gase passten die Forscher an die Gase der Uratmosphäre an. Sie stellten sogar Blitze in der Atmosphäre mithilfe ihrer Funkenstrecke nach.

  • Gib wieder, welche Gase sich in der Uratmosphäre befanden.

    Tipps

    Argon ist ein Edelgas.

    $NH_3$ ist Formel von Ammoniak.

    Lösung

    Die allererste Atmosphäre der Erde bestand nur aus Wasserstoff ($H_2$). Daraus bildete sich die zweite Atmosphäre, in der weitere Gase hinzukamen. Diese Gase sind:

    • Wasserdampf ($H_{2}O$)
    • Methan ($CH_4$)
    • Ammoniak ($NH_3$)
    • Schwefelwasserstoff ($H_{2}S$)
    • Stickstoff ($N_2$)
  • Erkläre, wie auf der Urerde organische Verbindungen entstanden sind.

    Tipps

    Endotherme Reaktionen können nur ablaufen, wenn Energie hinzugefügt wird.

    Lösung

    Die Zufuhr von Energie bei endothermen Reaktionen ermöglichte in der Uratmosphäre die Entstehung erster organischer Verbindungen, die Grundlage für erste Lebewesen.

    Die Energie dafür liefert die Sonne und Geothermie, also die Wärme des Erdinneren, die zur Erwärmung des Wasser führt. Aber auch Blitze in der Atmosphäre können Reaktionen sehr schnell sehr viel Energie liefern und somit den Aufbau von organischen Verbindungen ermöglichen.

  • Ermittle den Ursprung des Sauerstoffs in der heutigen Atmosphäre der Erde.

    Tipps

    Sauerstoff war für die meisten frühen Einzeller giftig und hat vermutlich auf diese Weise viele Konkurrenten verdrängt.

    Heute besteht die Atmosphäre zu 21 % aus Sauerstoff, das sind sehr viele tausende Tonnen Gas.

    Lösung

    Cyanobakterien lebten schon sehr früh auf der Erde. Sie sind die ersten Lebewesen die Fotosynthese betrieben haben. In der Fotosynthese wird mit der Energie des Sonnenlichtes aus Wasser und Kohlenstoffdioxid der Zucker Glukose hergestellt. Als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff, den die Cyanobakterien einfach in die Atmosphäre abgegeben haben.

    Der Sauerstoff war allerdings für viele andere Einzeller, die damals schon existierten, giftig. Viele von ihnen konnten nicht überleben. Dies war gut für die Cyanobakterien, denn so hatten sie nun mehr Platz, vermehrten sich und stellten immer mehr Sauerstoff her.

  • Nenne den Schritt, der den Übergang zwischen der chemischen und der biologischen Evolution darstellt.

    Tipps

    Die Biologie ist der Lehre des Lebens.

    Die ersten modernen Menschen gab es erst vor ca. 300.000 Jahren.

    Lösung

    Während der chemischen Evolution entstanden komplexe organische Moleküle, die die Grundlage für erste einzellige Lebewesen darstellen. Die Entstehung erster früher Zellen, also einfacher Lebewesen, stellt den Übergang zwischen chemischer und biologischer Evolution dar.

    Erst mit diesem Schritt konnten sich die ersten Lebewesen selbst vermehren und Erbinformationen an die nächste Generation weitergeben. Das ist Voraussetzung für die Entstehung von Variabilität der Erbinformationen, aus denen die natürliche Selektion auswählen kann. Damit begannen Faktoren zu wirken, die zu der Entwicklung komplexer, mehrzelliger Lebewesen, wie auch dem Menschen, führten.

  • Erkläre die Entstehung erster eukaryotischer Zellen.

    Tipps

    Endo- steht für innen, oder innerhalb.

    In den Mitochondrien findet die Zellatmung statt und in den Chloroplasten die Fotosynthese.

    Lösung

    Viele Hinweise deuten daraufhin, dass Mitochondrien und Chloroplasten durch eine Endosymbiose entstanden sind. Die beiden Organellen waren also einmal eigene Zellen, die von größeren Zellen aufgenommen wurden.

    Daraufhin entwickelten sich im Inneren der Zelle weitere Organellen, so auch der Zellkern.

    Mit den ersten Organellen im Inneren der Zelle entstand somit die Domäne der Eukaryoten.

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