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Sind Dampfquellen die Wiege des Lebens?

»Die ersten Funken zellulären Lebens sind auf dem Festland entstanden, und zwar in Teichen oder Seen aus kondensiertem geothermalem Dampf«, davon ist Dr. Armen Mulkidjanian, Biophysiker am Fachbereich Physik der Universität Osnabrück, überzeugt. »Damit wird die bislang weithin verbreitete Ansicht widerlegt, das Leben sei im Ozean entstanden«, fasst der Osnabrücker Wissenschaftler eine Studie zusammen (https://www.pnas.org/).

Die heutige Wissenschaft lässt kein Zweifel daran, dass alle zellulären Organismen einen gemeinsamen Ursprung haben. Die neue Disziplin »Vergleichende Genomik« (Comparative Genomics), analysiert ganze Genome und nicht nur einzelne Gene. »Der Vergleich von Hunderten bereits entschlüsselter Genome hat einen Satz von ca. 60 essentiellen Genen aufgedeckt, die in allen zellulären Organismen vorhanden sind«, so der Osnabrücker Biophysiker. »Diese Gene waren definitiv Bestandteil des Genoms des letzten gemeinsamen Vorfahren von allem zellulären Leben.«

Mulkidjanian und seine Kollegen haben nun geprüft, welche anorganischen Ionen für die durch die allgegenwärtigen Gene kodierten Proteine, die in den ersten Zellen mit Sicherheit anwesend waren, funktionell oder strukturell wichtig sind. Kalium ist funktionell wichtig für mehrere dieser Proteine, während Natrium von keinem dieser Proteine benötigt wird.  Diese Ergebnisse stimmen mit der Tatsache überein, dass alle Zellen mehr Kalium als Natrium enthalten. Es ist auch bekannt, dass nicht die absolute Menge an Kalium und Natrium für das Funktionieren einer Zelle wichtig ist, sondern deren relatives Verhältnis.

Die anorganische Zusammensetzung des Inneren der Zellen (des Zytoplasmas) ist dementsprechend in allen Organismen annähernd ähnlich. Daher repräsentiert diese Ähnlichkeit die »innere« Chemie der ersten Zellen. Da die ersten Zellen mit aller Wahrscheinlichkeit undichte oder sogar durchlässige Zell-Hüllen (Membranen) hatten, reflektiert die anorganische Zusammensetzung der allgegenwärtigen Proteine nicht nur die innere Chemie der ersten Zellen, sondern auch die Geologie der Habitate in denen diese lebten«, erläutert der Osnabrücker Biophysiker.

Die ursprünglichen Zutaten für die Entstehung der ersten Zellen waren nie in der richtigen Zusammensetzung im Ozean vorhanden. Die heutige Geologie geht fest davon aus, dass im Meer von Anfang an Natrium gegenüber Kalium vorherrschte. In Proben von Meerwasser, das in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen gefangen war, findet man vierzig Mal mehr Natrium als Kalium, genau wie in modernen Ozeanen. Übergangsmetalle, wie Zink, waren ebenfalls nie in großen Konzentrationen in Ozeanen vorhanden.

»Die Brutstätten der ersten Zellen waren daher aller Wahrscheinlichkeit nach auf dem Land, wo aktive geothermale Prozesse chemisch reiche Gase und Dämpfe aus dem Erdinneren auf das junge Festland beförderten«, erklärt Mulkidjanian. Der Dampf kondensierte zu langlebigen urzeitlichen Seen, die zur chemischen Katalyse fähige Mineralien enthielten. Auf den heutigen geothermalen Feldern, zum Beispiel auf der Kamtschatka-Halbinsel oder im Yellowstone Nationalpark (USA), die als Modelle von urzeitlichen geothermalen Systemen dienen, enthält das Dampfkondensat mehr Kalium als Natrium und erhebliche Mengen an Phosphat und Übergangsmetallen.

Unter der ursprünglich sauerstofffreien Atmosphäre entsprach die chemische Zusammensetzung der mit Dampfkondensat gefüllter Seen, so die Autoren, fast genau der anorganischen Chemie heutiger Zellen. Daher bildeten die ursprünglichen geothermalen Felder, wo ebenfalls Sonnenlicht als Energie-Quelle vorhanden war, den natürlichen Startpunkt für die Evolution der essentiellen biochemischen Prozesse des heutigen Lebens. Das vorgeschlagene Modell hat Ähnlichkeit mit Darwins Idee vom Lebensursprung in einem »kleinen warmen Teich«. Den Autoren nach ist das Leben auf dem Festland entstanden und hat erst nachträglich den Ozean bevölkert. (Quelle: idw)

Turbo-Evolution in weniger als 6 Monaten

Elektronenmikroskopische Aufnahme von einem Fadenwurm, der mit dem pathogenen Bakterium Bacillus thuringiensis infiziert ist. Das Bild zeigt das Vorderende des Fadenwurms, der in der Mitte aufgebrochen wurde. Im Inneren des Wurms erkennt man eine große Anzahl der länglich ovalen Bakterien, die sich während der Infektion umfangreich vermehrt haben und dabei alle inneren Strukturen und Organe zerstört haben. Foto: PNAS, Copyright: PNAS.
Unter Leitung von Professor Schulenburg und der Doktorandin Rebecca Schulte hat die Arbeitsgruppe des Zoologischen Instituts der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel unter kontrollierten Bedingungen am Fadenwurm Caenorhabditis Evolution im Labor entstehen lassen. Sie konnten dabei zweifelsfrei beweisen, dass Evolution außerordentlich schnell stattfinden kann, bereits innerhalb von weniger als 6 Monaten! Dieser Beweis ist nach wie vor ein wichtiger Beleg für Darwins Evolutionstheorie – ein Jahr nach dem 200. Geburtstag von Darwin und nach dem 150. Jahrestag der Veröffentlichung seines Hauptwerks.

Für diesen Beweis hat das Team ein neues Modellsystems etabliert, das sich grundsätzlich hervorragend für Evolutionsexperimente eignet und hierfür auch in der Zukunft intensiv eingesetzt werden wird. Dieses Modellsystem besteht aus dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans und seinen bakteriellen Krankheitserregern. Der Fadenwurm weist dabei eine Generationszeit von nur 3 Tagen auf und kann sehr einfach im Labor manipuliert werden.

Das Experiment beweist zusätzlich, dass das Auftreten von Infektionskrankheiten sowohl zu einer Beschleunigung der Evolution sowie zu einer erhöhten Biodiversität führen kann. Das heißt, dass Infektionskrankheiten ein wichtiger Motor der Evolution und auch entscheidend für den Erhalt der Biodiversität sein können. Dies wurde grundsätzlich bereits von Darwin vorhergesagt, konnte in diesem Umfang bisher allerdings nicht experimentell belegt werden.

Schließlich geben die Ergebnisse einen wichtigen Hinweis darauf, warum Organismen, wie auch der Mensch, immer noch anfällig für Infektionskrankheiten sind. Zum einen können auch die Krankheitserreger sehr schnell evolvieren und stellen den Wirt damit vor immer neue Herausforderungen. Zum anderen wird bewiesen, dass die Evolution von Immunität auch Konsequenzen hat. Individuen, die besonders vor den Krankheitserregern geschützt sind, schneiden in anderen Merkmalen deutlich schlechter ab, wie zum Beispiel bei der Erzeugung von Nachkommen. (Quelle: idw, Bild: Elektronenmikroskopische Aufnahme von einem Fadenwurm, der mit dem pathogenen Bakterium Bacillus thuringiensis infiziert ist. Das Bild zeigt das Vorderende des Fadenwurms, der in der Mitte aufgebrochen wurde. Im Inneren des Wurms erkennt man eine große Anzahl der länglich ovalen Bakterien, die sich während der Infektion umfangreich vermehrt haben und dabei alle inneren Strukturen und Organe zerstört haben. Foto: PNAS, Copyright: PNAS.)

Wie das Tempo der Evolution für Resistenzen sorgt.

Video: Genmutation

Max-Planck-Forscher messen erstmals, wie schnell sich das Erbgut verändert. Ihre Erkenntnisse erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren.

Mutationen sind das Rohmaterial der Evolution. Schon Charles Darwin hatte erkannt, dass Evolution nur funktionieren kann, wenn es vererbbare Unterschiede zwischen Individuen gibt: Wer besser an die Umwelt angepasst ist, hat größere Chancen, seine Gene weiterzugeben. Eine Art kann sich daher nur weiterentwickeln, wenn sich das Erbgut permanent durch neue Mutationen verändert und die jeweils vorteilhaftesten Veränderungen in der Selektion bestehen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben nun erstmals direkt die Geschwindigkeit des Mutationsprozesses in Pflanzen gemessen. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf einen grundlegenden Vorgang der Evolution und erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren. (Science, 1. Januar 2010)

“Während die langfristigen Auswirkungen von Erbgutmutationen auf die Evolution gut verstanden sind, war bislang weitgehend unbekannt, wie schnell solche Veränderungen auftreten”, erläutert Studienleiter Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut in Tübingen. So ist es gängige Praxis, das Erbgut verwandter Tier- und Pflanzenarten zu vergleichen. Mutationen aber, die in den Jahrmillionen seit der Trennung dieser Arten wieder verlorengegangen sind, bleiben dabei unberücksichtigt. Weigel und seine Mitarbeiter interessierten sich nun dafür, wie die Handschrift der Evolution aussieht, bevor die Selektion eingreift. Hierfür verfolgten sie die genetische Entwicklung von fünf Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über 30 Generationen hinweg. Im Erbgut der letzten Generation untersuchten sie dann, welche Unterschiede sich im Vergleich mit den Ausgangspflanzen ergeben hatten.

Wie der aufwändige Vergleich des gesamten Genoms ergab, waren in nur wenigen Jahren in jeder der fünf Linien im Durchschnitt 20 einzelne DNA-Bausteine – so genannte Basenpaare – verändert worden. “Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer Generation verändert wird, liegt demnach bei rund sieben Milliardsteln”, rechnet Detlef Weigel vor. Anders ausgedrückt, hat ein Keimling im Durchschnitt knapp eine Neumutation in jeder der beiden Erbgutkopien, die er jeweils von der mütterlichen und väterlichen Seite mitbekommen hat. Diese winzigen Veränderungen im rund 120 Millionen Basenpaare umfassenden Genom von Arabidopsis zu finden, vergleicht Weigel mit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen: “Die Mutationen aufzuspüren, war nur mithilfe neuer Methoden möglich, mit denen sich das komplette Erbgut einer Pflanze in kurzer Zeit erfassen lässt”. Dennoch war der Aufwand für die Experimente gewaltig: Um echte Neumutationen zuverlässig von Experimentierfehlern unterscheiden zu können, buchstabierten die Wissenschaftler jedes untersuchte Genom 30-mal vollständig durch.

Hohe Variabilität des Genoms

Angesichts der Genomgröße mag die Zahl der Neumutationen zunächst sehr gering erscheinen. Berücksichtigt man jedoch, dass dieser Prozess bei allen Individuen einer Art parallel abläuft, dann erweist sich das genetische Material insgesamt als erstaunlich plastisch: In nur 60 Millionen Arabidopsis-Individuen ist jede Position des Genoms im Durchschnitt einmal mutiert. Für eine Art, die Tausende von Samen in jeder Generation produziert, wahrlich keine große Anzahl von Pflänzchen.

Neben der Geschwindigkeit, mit der Neumutationen auftreten, wirft die Tübinger Studie ein neues Licht auf deren Verteilung im Genom. So stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht alle möglichen Mutationsklassen gleichmäßig auftreten. Bei vier verschiedenen Arten von Basenpaaren im Genom gibt es sechs Möglichkeiten der Veränderungen – aber eine dieser sechs ist für die Hälfte aller Mutationen verantwortlich. Auch lässt sich nun genauer kalkulieren, wann sich die Entwicklungslinien verschiedener Arten voneinander getrennt haben – gut möglich daher, dass Stammbäume an neue zeitliche Maßstäbe angepasst werden müssen. Detlef Weigel geht anhand der neuen Daten etwa davon aus, dass Arabidopsis thaliana sich von ihrer Schwesterart Arabidopsis lyrata, die in vielen Merkmalen sehr unterschiedlich ist, nicht wie bisher angenommen erst vor fünf Millionen, sondern bereits vor 20 Millionen Jahren getrennt hat. Entsprechende Untersuchungen an anderen Arten könnten ebenfalls Neujustierungen nötig machen – etwa bei der Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Ur- und Frühgeschichte verschiedene Haustiere und Ackerpflanzen domestiziert wurden.

Hohe Mutationsrate fördert Resistenzen gegen Herbizide

Auch für die Pflanzenzüchtung ergeben sich neue und Erfolg versprechende Gedankenexperimente. Bei genügend großen Populationen kann davon ausgegangen werden, dass nahezu jede mögliche Mutation im Verlauf einer oder weniger Generationen realisiert wird. Das bedeutet, dass spontan auftretende Mutationen, die den Ertrag steigern oder Pflanzen gegen Dürre unempfindlich machen, vermutlich gar nicht so selten sind, auch wenn das Auffinden geeigneter Veränderungen immer noch sehr aufwändig bleibt. Auf der anderen Seite treffen Herbizide, die auf große Flächen ausgebracht werden, auf eine umfangreiche Population von Unkräutern. Da deren Erbgut mit großer Wahrscheinlichkeit ähnlich wandlungsfreudig ist wie das der Ackerschmalwand, verwundert es nicht, dass Herbizidresistenzen innerhalb von wenigen Jahren auftauchen. “Dieser Effekt ist auch deshalb besonders deutlich ausgeprägt, weil Herbizide oft nur die Funktion eines einzelnen Gens beeinträchtigen”, sagt Detlef Weigel. Ein Ausweg wäre die Suche nach Herbiziden, die auf mehrere Gene wirken.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass auch das menschliche Genom einer ähnlich schnellen Veränderung unterworfen ist. “Wenn man unsere Ergebnisse auf den Menschen überträgt, dann finden von einer Generation zur nächsten durchschnittlich 60 Basenaustausche statt”, rechnet Weigel vor. Bei mehr als sechs Milliarden Menschen, die derzeit auf der Erde leben, bedeutet das, rein statistisch betrachtet, dass es für jede Stelle des Erbguts Dutzende von Erdbewohnern gibt, bei denen diese Position mutiert ist. “Alles, was genetisch möglich ist, wird demnach innerhalb recht kurzer Zeit durchgetestet”, resümiert Detlef Weigel und beschreibt damit einen völlig neuen Blick auf die Evolution, der man sonst eher ein Arbeitstempo zuschreibt, das sich in Jahrtausenden oder gar Jahrmillionen bemisst.

Originalpublikation
The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana. Science, 1. Januar 2010. (Quelle: idw)

Übernatürliche Mächte gegen die Wissenschaft

Gods Foto cc-by-sa radiant guy (flickr)

Vor wenigen Jahrhunderten schleuderten sie noch Blitze gegen die Menschen. Heute ist ihr Zuständigkeitsbereich stark geschrumpft. Die Rede ist von den übernatürlichen Mächten. Sterben diese als Erklärungsmodell in der heutigen Zeit aus?

Als Erklärungsmodell sind übernatürliche Mächte immer dann gefragt, wenn es um scheinbar Unerklärliches oder um nicht beeinflussbare Dinge geht. Krankheiten, Naturkatastrophen, Geburt und Leben, die Kosmologie oder auch nur das Wetter waren zumindest in der Vergangenheit die Bereiche in denen überirdische Mächte im Denken der Menschen ihr Betätigungsfeld fanden. Denn Stürme, Regen oder sonstige Wetterphänomene ließen sich in früheren Zeiten nicht auf bekannte Ursachen zurückführen. Die anscheinend logische Schlussfolgerung in solchen Fällen war dann immer, dass nur eine übernatürliche Macht der Verursacher der Phänomene sein konnte. Göttliche Strafgerichte wie Überschwemmungen lehrten die Menschen, diese überirdischen Mächte zu fürchten. Eine gerechte Verteilung von Regen und Sonne, die zu reichen Ernten führte, empfanden die Menschen dagegen als Zeichen göttlicher Gunst.

Die Tage göttlicher Wettermacher waren aber spätestens seit der Einführung von Thermometer und Barometer gezählt. Im 17. Jahrhundert begannen sich neue Ansätze der Wetterforschung herauszubilden. Auf dem Gebiet der Meteorologie mussten die übernatürlichen Mächte der Wissenschaft weichen.

Ein weiteres Feld für Scharmützel zwischen rationalem Denken und Glauben an überirdische Mächte waren Schicksalsschläge und Krankheiten. Soweit es um die Heilung eines gebrochenen Beines oder einer Infektionskrankheit geht, werden heute Überirdische nicht mehr benötigt. Die moderne Medizin richtet es und die Bezeichnung »Halbgötter in Weiß« ist eher ironisch zu werten. Insofern mussten die übernatürlichen Mächte auch auf diesem Gebiet den Rückzug antreten. Die Wissenschaft füllt nun die entstandene Lücke aus.

Das Wissen der Götter in der modernen Naturwissenschaft

Die abendländischen Alchemisten, deren fortschrittliche Apparatetechnik eine wissenschaftliche Leistung war, bezogen angeblich geheimes Wissen von den Göttern. Die geheime Anleitung der Alchemisten, die »Tabula Smaragdina« wurde vermutlich im 11. Jahrhundert ins Lateinische übersetzt und soll vom griechischen Gott Hermes stammen. Im 17./18. Jahrhundert wurde die Alchemie allmählich von der modernen Chemie und Pharmakologie abgelöst.

Spätestens mit der Entstehung der Quantentheorie vor 100 Jahren und der Entdeckung des Periodensystems der Elemente, hörten die Götter mit der Unterstützung der alchemistischen Goldmacher auf. Denn nun wusste die Wissenschaft so viel über den Aufbau der Atome, dass die Herstellung von Gold durch alchemistische Methoden, als ein Ding der Unmöglichkeit entlarvt wurde.

Trotz der Niederlage für die übernatürlichen Mächte profitierte die Wissenschaft von den zahlreichen Errungenschaften der Alchemie. Diese sind unter anderem die Erfindung des Porzellans oder des Schwarzpulvers in Europa. Aber auch weniger Spektakuläres wie die Herstellung von Phosphoreszenz-Farbstoff oder die Entdeckung der Chemilumineszenzreaktion, die in der forensische Chemie Eingang fand, gelang den Alchemisten.

In der Wetterkunde, der Medizin, der Kosmologie und bei sonstigen unerklärlichen Phänomenen, überall mussten die ursprünglich überirdischen Mächte Niederlagen einstecken, zurückweichen und der wissenschaftlichen Welterklärung Platz machen. Umso erbitterter werden die scheinbar verbliebenen Bastionen von Gläubigen verteidigt. Mit Begierde stürzen sich die Verteidiger mystischer Mächte auf die tatsächlichen oder vermeintlichen Lücken in der Wissenschaft.

Sind die Arten durch Zufall entstanden?

Eines der Hauptargumente der Mystiker ist das Unwahrscheinlichkeitsargument. Es sei unwahrscheinlich, dass sich unser Universum durch Zufall entwickelt habe. Es sei unwahrscheinlich, dass biologische Moleküle durch Zufall entstanden sind. Oder es sei unwahrscheinlich, dass sich komplizierte menschliche Organe durch Zufall entwickelt haben. Dabei glauben die selbst ernannten Advokaten der Mystik, dass es nur zwei Alternativen gäbe: Schwarz oder Weiß, Zufall oder Schöpfer und nichts anderes. Wenn der Zufall zu Fall gebracht wird, dann gibt es nach dieser Denkweise nur noch den Schöpfer.

Das Dumme ist nur, dass die Evolutionsbiologen gar nicht behaupten, die Arten seien allein durch Zufall entstanden. Entsprechendes gilt für die Wissenschaftler anderer Fachbereiche, in denen evolutionäre Prozesse vorkommen. Die Evolutionsbiologie führt das Prinzip der ‘natürlichen Selektion’ an, welches die Natur anwendet, um bei harten äußeren Lebensbedingungen die fittesten Individuen überleben zu lassen. Dies führt genauso wie bei der Züchtung von Pflanzen oder Haustieren, nach und nach zu neuen Arten. Die natürliche Auswahl der Fittesten hat nichts mit blindem Zufall zu tun. Wie gut und manchmal auch rasend schnell dieses Prinzip besonders in der gezielten Anwendung funktioniert, beweist die Pharmaindustrie, die jährlich neue Impfstoffe gegen mutierte Grippeviren entwickelt. Ohne den Begründer der Evolutionstheorie, Charles Darwin, würden Pandemien regelmäßig auftreten und könnten nicht schon im Keim erstickt werden.

Ist der Organismus in der Eizelle vorgebildet?

Auch die Vorstellung, dass sich der Mensch nicht allmählich im Mutterleib entwickelt, sondern von ‘Gott’ geschaffen wird und der gesamte Organismus im Spermium bzw. in der Eizelle praktisch vorgebildet ist, verträgt sich nicht mit den Fakten. Zumindest seit es Mikroskope gibt, kann sich jeder Biologe oder Mediziner, vom Gegenteil überzeugen.

Der Evolutionsbiologe und Philosoph Ernst Haeckel zeigte bereits vor mehr als hundert Jahren, dass das Dogma der Präformation aus naturwissenschaftlicher Sicht nicht haltbar ist:

In engem Zusammenhange mit der Präformationslehre und in berechtigter Schlussfolge aus derselben entstand im 17. Jahrhundert eine weitere Theorie, welche die denkenden Biologen lebhaft beschäftigte, die sonderbare “Einschachtelungslehre”. Da man annahm, dass im Ei bereits die Anlage des ganzen Organismus mit allen seinen Teilen vorhanden sei, musste auch der Eierstock des jungen Keimes mit den Eiern der folgenden Generation darin vorgebildet sein, und in diesen wiederum die Eier der nächstfolgenden u. s w., in infinitum! Darauf hin berechnete der berühmte Physiologe Haller, dass der liebe Gott vor 6000 Jahren – am sechsten Tage seines Schöpfungswerkes – die Keime von 200000 Millionen Menschen gleichzeitig erschaffen und sie im Eierstock der ehrwürdigen Urmutter Eva kunstgerecht eingeschachtelt habe. (Ernst Haeckel: Die Welträtsel)

Mit Haeckel wendet sich das Argument der Unwahrscheinlichkeit gegen die Verteidiger der übernatürlichen Mächte selbst. Die Schöpfung der Keime durch den lieben Gott ist aus wissenschaftlicher Sicht mehr als unwahrscheinlich. Um daran zu glauben, bedarf es wenig nachvollziehbarer intellektueller Anstrengungen. Die übernatürlichen Mächte ziehen sich weiter zurück, aber aussterben werden sie wohl nie. Denn auch ein falsch angewendetes Argument der Unwahrscheinlichkeit findet immer neue Anhänger. – Klaus-Dieter Sedlacek – Foto: cc-by-sa radiant guy (flickr)