Taschenlehrbuch Biologie - Evolution - Oekologie

möglich war. Experimentell gelingt es, aus Phospholipiden Membranen herzustellen, die einen ausreichenden Austausch mit der Umgebung ermöglichen und Membranen ähneln, die lebende Zellen umgeben ( Biochemie, Zellbiologie ).
    Viele Forscher, darunter der russische Chemiker Alexander I. Oparin, halten Koazervate für die Vorläufer der heutigen Zellen. Koazervate sind tröpfchenförmige Gebilde, die entstehen, wenn stark verdünnte wässrige Lösungen verschiedener Makromoleküle gemischt werden. Die einzelnen Tröpfchen enthalten Ansammlungen von Makromolekülen. An der Oberfläche bilden sich membranartige Strukturen. Koazervate sind jedoch nicht vollständig gegen das umgebende Medium abgegrenzt. Ein Stoffaustausch ist möglich, wie Oparin experimentell durch Zugabe von Enzymen und umsetzbaren Stoffen nachweisen konnte. Der Koazervatbildung kommt auch deshalb eine große Bedeutung zu, weil das Protoplasma ebenfalls ein Koazervat darstellt. Doch gegen Koazervate als Vorläufer heutiger Zellen spricht die Tatsache, dass sich Moleküle in wässrigem Milieu nicht durch Dehydratisierung zu Makromolekülen polymerisieren können.
    Angedacht werden auch Mikrosphären als Modell für die erste Urzelle. Durch trockene Erwärmung von Aminosäuren bilden sich Polypeptide. Werden diese in Wasser gelöst, erhitzt und wieder abgekühlt, so organisieren sich die Ketten zu kleinen Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 2 µm. Diese Mikrosphären haben zellulären Charakter. In einem Nährmedium nehmen sie Stoffe auf und vergrößern ihren Umfang und können sogar Knospen bilden. Vielleicht haben solche Strukturen die ersten Protozellen umgeben, bevor sie später dann von Lipidmembranen abgelöst wurden.
10.2.4 Evolution des Stoffwechsels
    Die ersten Urzellen lebten unter sauerstofffreien Bedingungen. Nach der Miller-Hypothese waren sie heterotroph . In der Ursuppe vorhandene organische Moleküle dienten ihnen als Baustoffe und Energiequelle. Nach der Wächtershäuser-Hypothese waren sie chemolithoautotroph und nutzten Eisen-Schwefel-Mineralien als Energiequelle, z. B. die Bildung von Pyrit aus Schwefelwasserstoff und Fe-II-Ionen,

    sowie anorganische Moleküle aus der Umgebung als Baustoffe.
    In jedem Fall muss es allmählich zu Engpässen gekommen sein. Zusätzliche Quellen für bestimmte Baustoffe mussten gefunden werden. Schon in der Frühphase wird es Urzellen mit unterschiedlicher Enzymausstattung gegeben haben. Wurde der Vorrat einer natürlich vorkommenden Substanz geringer, hatten jene Organismen einen Selektionsvorteil, die entsprechende Enzyme für die Synthese dieser Substanz besaßen. Entwickeln sich Stoffwechselwege , indem neue Enzymreaktionen zu bestehenden hinzukommen, haben die ursprünglichen Reaktionen zentrale Funktionen und liegen in der Synthese bzw. dem Abbau der wichtigen Stoffwechselprodukte. Tatsächlich laufen solche Stoffwechselwege in allen Arten von Organismen in gleicher Weise ab.
    Im Stoffwechsel heutiger Zellen spielt ATP als energiereiche Verbindung eine zentrale Rolle. ATP wird als universelle Energiewährung verwendet, wie bereits beschrieben z. B. beim Aufbau von Proteinen aus Aminosäuren. Wurden zunächst ATP oder andere energiereiche Vorläuferverbindungen ausschließlich über einfache Gärungen aus dem Abbau organischer Substanzen gewonnen, so entstand mit den knapper werdenden organischen Verbindungen ein Selektionsdruck in Richtung besserer Energieausnutzung der vorhandenen Ressourcen bzw. Autotrophie.
    Die Weiterentwicklung der Porphyrinsysteme war die Voraussetzung für die Entstehung aller Arten von Elektronentransportketten (Abb. 10. 7 ). Atmungsketten boten eine wesentlich bessere Energieausnutzung beim Abbau der organischen Substrate. Mit den magnesiumhaltigen Chlorophyllen konnte die Photosynthese ( Biochemie, Zellbiologie und Botanik ) entstehen. Bei allen heutigen Organismen sind sowohl der Mechanismus der ATP-Synthese, als auch die Komponenten (Chinone, Cytochrome, Eisen- und Kupferproteine) der Elektronentransportketten in der inneren Mitochondrienmembran, der Thylakoidmembran bzw. der Cytoplasmamembran bei Bakterien prinzipiell ähnlich. Deshalb muss von einem gemeinsamen Ursprung der Photosynthese und der Atmung ausgegangen werden. Durch die Photosynthese wird Lichtenergie in chemisch nutzbare Energie (ATP) umgewandelt.

    Abb. 10. 7 Mögliche Arten der Energiegewinnung im Laufe der Evolution der Organismen. Mit Sicherheit übten erste Lebewesen einen anaeroben