ENERGIE fürs LEBEN

Der Planet Erde verfügt hauptsächlich über zwei Energiequellen: Sonne und Wärme aus dem Erdinneren und der Gravitation. Der Durchfluss der Energie von der Sonne und der Energie aus radioaktivem Zerfall innerhalb der Erde führen zu physikalischer und chemischer Organisation und Aufrechterhaltung dieser Ordnung. Sie sind verantwortlich für nahezu jegliche Organisationsform, die um uns herum auftritt.

1. Entstehung des Lebens

Wasserstoff ist der wichtigste Kraftstoff für das Leben. Er ist chemisch reduzierend, d. h., er kann in Stoffwechselprozessen Elektronen liefern. Erst durch den Wasserstoff war es überhaupt möglich, den Kohlenstoff – Hauptbestandteil von organischen Molekülen – aus dem ebenfalls im Wasser gelösten Kohlenstoffdioxid (CO₂), das auf der frühen Erde allein als Kohlenstoffquelle zur Verfügung stand, zu lösen und Moleküle mit höherem Energiegehalt und Ordnungsgrad zu bilden. Aus der Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid gehen auf anorganischem Wege zunächst Kohlenwasserstoffe wie Essigsäure (C₂H₄O₂ bzw. CH₃COOH), Methan (H₂ + CO₂ -> CH₄ + H₂O) oder Formaldehyd (2 H₂ + CO₂ -> CH₂O + H₂O) hervor, Vorläufermoleküle des Lebens.

Sechs geologische Prozesse sind bekannt, bei denen Wasserstoff entstehen kann. Beispielsweise fällt er bei Gesteinsumwandlungen an, bildet sich aber auch während des Zerfalls von im Erdinneren natürlich vorkommenden radioaktiven Elementen wie Uran, Kalium oder Thorium, deren Strahlung u. a. Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. So entstehen ständig riesige Mengen des molekularen Wasserstoffs (H₂) in der Erdkruste und stellen eine üppige Energiequelle für Mikroben dar.

Allerdings finden Reaktionen zum Aufbau organischer Stoffe nicht ohne Katalysator statt. Die allgegenwärtigen Metallverbindungen aus Eisen, Nickel, Schwefel, Mangan usw. (Oxide und Sulfide), aber auch Stickstoffverbindungen, förderten die Kohlenstoffanlagerung. So enthält beispielsweise das an den Unterwasserschloten austretende heiße Wasser eine Fülle reaktiver chemischer Stoffe und gelöster Metalle, darunter auch Eisensulfid (FeS) und Schwefelwasserstoff (H₂S). Wenn sie miteinander reagieren, entstehen Pyritkristalle (Eisenschwefelerz, auch Katzengold genannt, FeS₂), wobei Energie frei wird.

Die Pyritbildung könnte die langgesuchte zuverlässige und dauerhafte Energiequelle sein, die zur Bildung lebenstragender Moleküle auf der frühen Erde notwendig war. Sie stellt eine Art Endlos-Batterie dar, von deren Energie sich aus niedermolekularen Bestandteilen immer komplexere Verbindungen, u. a. Grundmoleküle des Lebens wie Aminosäuren, Fettsäuren, einfache Zucker und organische Basen, gebildet haben könnten.

Wasserstoff spielt für universelle Vorgänge zur Energiegewinnung immer noch eine herausragende Rolle. Einige Mikroben im Erdinneren (sogenannte Extremophile) nutzen heute noch in Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff aus radioaktivem Zerfall oder aus der Verwitterung von eisenhaltigen Silikaten in den umgebenden Basaltformationen als Energiequelle.

Unter den richtigen Bedingungen konnte sich so vor etwa 4 Milliarden Jahren aus den einfach ablaufenden Reaktionen spontan ein Reaktionsnetzwerk – wahrscheinlich mit Hilfe anorganischer Katalysatoren – entfalten, ohne dass dafür komplexe Proteine und Enzyme nötig waren, die in heutigen Zellen diese Reaktionen ermöglichen. Rasch entwickelte sich daraus ein durch Enzyme befeuerter biochemischer Stoffwechsel. Dieser primitive Stoffwechsel war bereits in der Lage, aus anorganischen Verbindungen neben Zuckern und Lipiden auch Aminosäuren, Nukleotide sowie Vitamine zu produzieren, die für Synthese von Proteinen und Wachstum gebraucht werden.

Im archaischen Stoffwechsel identifizierten Biologen 402 biochemische Einzelreaktionen, in denen entsprechende Prozesse ablaufen. Sie liefern die Grundbestandteile der Zelle und stellen auch so etwas wie den Basisstoffwechsel heutiger Zellen dar. Sie waren daher wohl auch ein zentraler Teil des biosynthetischen Metabolismus im letzten gemeinsamen Vorfahren aller heutigen Lebewesen („LUCA“ – Last Universal Common Ancestor), nach derzeitigem Kenntnisstand ein primitives zellähnliches Gebilde mit rudimentärem Stoffwechsel , das seine Energie maßgeblich aus Wasserstoff bezog. )

2. Fotosynthese

Die ersten Lebewesen eroberten den Planeten, erfanden neue Stoffwechselwege und lernten, weitere Energiequellen zu nutzen. Einige frühe Prokaryoten (einzellige Organismen ohne Zellkern) begannen, Lichtenergie zu absorbieren und in chemische Energie umzusetzen. Das älteste Fotosynthese-System haben nach umfassenden Verwandtschaftsanalysen der fünf Fotosynthese treibenden Bakteriengruppen wohl die Purpur-Bakterien gebildet. So wurden die infraroten Photonen der Sonne zum Haupt-Energielieferanten für die Entwicklung des Lebens auf der Erde.

Möglicherweise ebneten wie bei den ersten Stoffwechselprozessen mineralische Katalysatoren den Weg zur Fotosynthese: Manganhaltige Minerale, die an der Oberfläche ursprünglicher Zellen gebunden waren, um sie unempfindlicher gegen die zerstörerische UV-Strahlung zu machen. (Manganatome sind wegen ihrer größeren Zahl an Valenzelektronen – Elektronen in der äußersten Atomschale – ziemlich strahlungsresistent.)

Da die Atmosphäre nach sauerstofffrei war, müssen die ersten fotosynthetisierenden Mikroben anstelle von Chlorophyll andere Pigmente zur Lichtaufnahme verwendet haben. Mit ihnen absorbierten sie nahes Infrarot (am langwelligen Rand des sichtbaren Lichts) und produzierten Schwefel- oder Sulfatverbindungen (anoxygene Fotosynthese). An diesen chemischen Reaktionen waren Wasserstoff, Schwefelwasserstoff oder Eisen beteiligt – aber kein Wasser! Darum wurde auch kein Sauerstoffgas freigesetzt.

Aus Befunden lässt sich schließen, dass mindestens vor 3,4 Milliarden Jahren schon den Cyanobakterien ähnliche Organismen existierten. Ihre Nachfolger, eben die Cyanobakterien, perfektionierten schließlich das Fotosynthese-System durch das Hintereinanderschalten von zwei Fotosystemen und erfanden damit vor rund 2,7 Milliarden Jahren die oxygene Fotosynthese, bei der der Sauerstoff sozusagen aus dem Wasser „befreit“ wurde. Vielleicht wurde ihre Entwicklung zu einem Zeitpunkt begünstigt, als nur noch begrenzte Mengen an Schwefelwasserstoff für die anoxygene Fotosynthese verfügbar waren.

Bei der oxygenen Fotosynthese werden zwei in Serie geschaltete Ladungsgeneratoren, als Fotosystem I und Fotosystem II bezeichnet, durch elektromagnetische Strahlung leicht unterschiedlicher Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich angetrieben. Zwei solcher Systeme sind notwendig, um genügend Energie für die angekoppelten chemischen Reaktionen bereitzustellen. Insgesamt besteht der fertige Fotosynthesekomplex aus mehr als 80 Einzelproteinen, in die rund 180 Moleküle Chlorophyll eingebettet sind.

Ein radförmiger Antennenkomplex (Doppelring aus Proteinen) mit Farbpigmenten sammelt das Licht, dessen Energie in Form angeregter Elektronen über eine Kette von Einzelschritten an das Reaktionszentrum weitergeleitet wird (Lichtreaktion). Dort wird die ganze Energie zu einem einzigartigen Metallkomplex (Mn₄CaO₅) geleitet, wo der zentrale Schritt der oxygenen Fotosynthese, die Spaltung (Oxidation) von Wasser, abläuft. Allerdings entsteht dabei nicht direkt Wasserstoff, sondern sein Äquivalent in Form von Protonen und gebundenen Elektronen. Sie werden für die Reduktion von Kohlenstoffdioxid benutzt, wobei Sauerstoff quasi als Abfallprodukt abgespalten wird und als Gas (O₂) in die Atmosphäre entweicht. (Die oxygene Fotosynthese ist der einzige bekannte natürliche Prozess, bei dem Wassermoleküle in großem Umfang gespalten werden und molekularer Sauerstoff freigesetzt wird.) In einer späteren Stufe (Dunkelreaktion) folgt die Nutzung der gespeicherten Energie zum Aufbau organischer Substanz. In einer komplizierten Reaktionskette, dem sogenannten Calvinzyklus, entstehen so letztlich organische Moleküle: Kohlenhydrate (Zuckerverbindungen). Dabei handelt es sich chemisch gesehen um einen Redox-Prozess (d. h., die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid-Molekülen zu Zucker entspricht einer Reduktion).

Während also ursprünglich das Leben Wasserstoff nutzte, der tief in der Erde durch chemische Reaktionen entstand, griffen die ersten zur oxygenen Fotosynthese fähigen Cyanobakterien auf das allgegenwärtige Wasser zurück und entzogen ihm mit Hilfe der Sonnenenergie den Wasserstoff. Der in den Reaktionen anfallende Sauerstoff wurde als Abfall ausgeschieden und reicherte sich in der Atmosphäre an.

Die Energie, die etwas mehr als acht Minuten vorher auf der Sonne dadurch frei wurde, dass zwei schwere Wasserstoffatome zu einem Heliumkern verschmolzen und ihre überschüssige Bindungsenergie in ein Photon steckten, wurde innerhalb der Zelle dazu genutzt, einen Energiespeicher (Zucker / Glukose) aufzubauen. Das geschieht innerhalb von zwei Millisekunden; pro Sekunde kann dieser Prozess also 500mal durchlaufen werden, was der Spaltung von 1000 Wassermolekülen entspricht. Die gespeicherte biologische Energie steht dann für verschiedene Aufgaben zur Verfügung. Sie kann bei der Umsetzung mit Sauerstoff – durch Verbrennung (Zellatmung) – wieder freigesetzt werden.

Die Erfindung der Fotosynthese war die letzte große Errungenschaft des Lebens im Bereich des aufbauenden Stoffwechsels. Mit ihr wurde eine hocheffiziente Energieversorgung ermöglicht, die Voraussetzung für das Leben aller tierischer Organismen und die Evolution höherer Lebensformen mit einer komplexeren Organisation, einschließlich des Menschen. Das irdische Leben in seiner heutigen Form verdankt damit den Cyanobakterien letztlich seine Existenz und seine erstaunliche Vielfalt. Die Fotosynthese in den mikroskopischen Pflanzen, die in den Weltmeeren treiben, liefert heute 90% des Sauerstoffs, den wir einatmen. Das ist einer der Gründe, warum wir uns um den Zustand der Weltmeere Sorgen machen müssen.

Allerdings ist die Fotosynthese nicht perfekt: Sie ist ineffektiv, da die Pflanzen ca. ein Drittel des aufgenommenen CO₂ wieder ausspucken und damit weniger Kohlenhydrate herstellen können und langsamer wachsen. Der Grund dafür liegt darin, dass ein Schlüsselenzym der Fotosynthese (Rubisco) nicht besonders gut zwischen Kohlendioxid und Sauerstoff unterscheiden kann, was in der sauerstoffarmen Atmosphäre der frühen Erde kein Problem war, da der Sauerstoff keine Konkurrenz für das Kohlendioxid darstellte. Erst als der Sauerstoffanteil der Atmosphäre immer mehr stieg, veränderte das die Situation, da mehr Sauerstoff anstelle des gewünschten Kohlendioxids fixiert wird und der Zelle damit wertvolle chemische Energie verloren geht.

3. Anstieg des Sauerstoffs

Das Proterozoikum (2500 – 570 Millionen Jahre vor heute) gilt als das Zeitalter der Cyanobakterien. In dieser Phase der Erdgeschichte waren sie die wichtigsten Primärproduzenten in der Biosphäre. Sie breiteten sich zunächst in den flachen Küstengewässern des Urozeans aus und bildeten erste „Sauerstoff-Oasen“. Ihre Vermehrung war die erste Bevölkerungsexplosion auf der Erde. Einige Cyanos wuchsen zu großen Kolonien oder Matten heran; in diesen lagerten sie Kalk ab und bildeten Stromatolithen. Diese aus Kalkschichten gestapelte, manchmal meterhohen Körper, auf denen die Cyanobakterien außen siedelten, breiteten sich im flachen Wasser riesiger Schelfgebiete aus und produzierten große Mengen Sauerstoff.

Der freigesetzte Sauerstoff wurde, nachdem er sich in den oberen, lichtdurchfluteten Schichten der Meere nach und nach angereichert hatte, zunächst in geochemischen Prozessen verbraucht. Er verband sich sofort mit den damals in reduzierter Form in den Meeren gelösten Mineralen (z. B. den großen Mengen zweiwertigen Eisens) zu Metalloxiden. Diese Oxidationsprozesse verzehrten fast allen Sauerstoff. Erst nach ein oder zwei Milliarden Jahren waren die meisten Minerale im Meer oxidiert und es trat ein grundlegender Wandel ein: Der von den Cyanos produzierte freie Sauerstoff konnte sich nun Im Wasser anreichern und auch in die Atmosphäre aufsteigen.

Bei dem höherem Sauerstoffgehalt im Wasser entstanden vor 1,2 Milliarden Jahren Rot- und Braunalgen mit komplexeren Zellstrukturen. Als auch seichte Gewässer vor schädlicher UV-Strahlung sicher waren, entwickelten sich Grünalgen, die besser an das helle Licht in Oberflächengewässern angepasst waren. Aus ihnen gingen vor 475 000 Jahren die ersten Landpflanzen hervor: Moose und Flechten. Für Reaktionen auf dem Festland (oder gar für die Atmung höherer Organismen) reichte der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre jedoch erst aus, als er mit etwa einem Prozent der heutigen Konzentration in der Atmosphäre vorhanden war.

Als genügend Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden war, wurde auch die Bildung von Ozon möglich. Es entsteht, wenn molekularer Sauerstoff (O₂) durch harte Sonnenstrahlung in der Atmosphäre in die hochreaktive atomare Form (O) gespalten wird, die sich teilweise wieder in den gewöhnlichen molekularen Sauerstoff (O₂), zum Teil aber auch in Ozon, das dreiatomige Sauerstoffmolekül (O₃) umwandeln kann. Vor 600 Millionen Jahren kam es zwar zu einem Anstieg der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre, aber bis vor rund 400 Millionen Jahren lagen die Sauerstoffwerte nach neueren Berechnungen erst bei ein bis zwei Prozent – und die Ozonschicht war offenbar nur relativ dünn. Erst bei dem weiteren Anstieg der Sauerstoffkonzentration, der jetzt einsetzte, kam in der Stratosphäre eine Ozonschicht zustande, welche die Erdoberfläche vor einem Großteil schädlicher UV-Strahlung effektiv abschirmen konnte. Sie erlaubte es – zusammen mit dem höheren Sauerstoffanteil der Atmosphäre – komplexerem Leben, die Meere zu verlassen.

4. Die Superzelle

Der Sauerstoff, den die Cyanobakterien in den Flachwasserzonen vor den Urkontinenten erstmals erzeugten, war für die übrigen damals lebenden Prokaryoten, die ihren Stoffwechsel mit Wasserstoff antrieben, aber auch für die Purpurbakterien, zunächst nichts anderes als ein tödliches Gift. Die meisten der Methan- und Essigsäurebildner, mit denen alles angefangen hatte, starben aus oder wurden an die Wand gedrängt, ein frühes Beispiel einer Umweltkatastrophe globalen Ausmaßes. Überlebt haben die Krisenzeit vermutlich nur jene Einzeller, die eine Rückzugsmöglichkeit hatten (solche Refugien, die sie heute noch besiedeln, bezeichnen wir als „extrem“) oder Schutzmechanismen entwickelten.

Möglich ist, dass zunächst Vorläufer von Peroxisomen (ältere Zellorganellen, die heute noch in Pflanzen und Tieren verbreitet sind) die erste Phalanx gegen den bedrohlichen Sauerstoff bildeten. In ihnen laufen Stoffwechselvorgänge unter Sauerstoffverbrauch ab. Ein solcher einfach organisierter Prokaryot wurde von einem anderen Einzeller aufgenommen, aber nicht verdaut. Aus anfänglicher Duldung konnte irgendwann wechselseitige Unterstützung, eine Symbiose, entstehen – und schließlich sogar gegenseitige Abhängigkeit. Vermutlich rettete die Fähigkeit zur Zusammenarbeit so einige der frühen Einzeller vor dem Aussterben in der für sie lebensfeindlichen, sauerstoffangereicherten Umwelt.

Der ursprüngliche Vorteil für den Wirt muss zunächst nicht unbedingt in der Atmung, sondern vielmehr in der Verwendung der Abfallprodukte bestanden haben. Der aufnehmende Prokaryot war dadurch in der Lage, anaerob aus organischen Substanzen Wasserstoff zu erzeugen, der der Wirtszelle die Energiegewinnung durch Methanbildung ermöglichte. Diese wurde dadurch unabhängig von geologischen Wasserstoffquellen und erschloss sich neue Lebensräume. Der Preis dafür war die wachsende Abhängigkeit vom Symbiosepartner als Wasserstoffquelle.

Vor rund zwei Milliarden Jahren entstanden überaus erfolgreiche Symbiosen zwischen Prokaryoten. Nach der Endosymbionten-Hypothese verloren mit der Zeit die aufgenommenen Einzeller (Endosymbionten) die Fähigkeit, eigenständig zu existieren – sie wurden zu untrennbaren Teilen der Wirtsorganismen, zu Organellen.

Einigen Prokaryoten, die sich erfolgreich an den Sauerstoff anzupassen vermochten, gelang es schließlich, den Sauerstoff sogar für den eigenen Stoffwechsel einzusetzen. Sie fanden einen Weg, auf dem organische Moleküle effizient und unter konkurrenzlos hohem Energiegewinn mit Sauerstoff verbrannt werden können. Gleichzeitig wird dabei Kohlenstoffdioxid, der wichtige Stoff für die fotosynthetisch aktiven Bakterien, an die Umgebung freigesetzt.

Solch ein Prokaryot, der eine hohe Leistungsfähigkeit in der Verwertung von Sauerstoff entwickelt hatte, wurde von einem Bakterium „gefressen“ und blieb als Endosymbiont erhalten. Aus ihm entstand schließlich eines der wichtigsten Zellorganellen, das Mitochondrium. Es versorgt die Zelle mit Energie – und zwar mit sehr viel mehr – aus seinem Atmungsstoffwechsel und hielt auch den für das Zellmilieu gefährlichen Sauerstoff beziehungsweise die toxischen Verbindungen auf einem weit niedrigeren Niveau, als z. B. Peroxisomen das können. Es ist noch umstritten, ob sich eine solche Endosymbiose ein- oder mehrmals ereignete. Die Mehrheit der Wissenschaftler plädiert für eine gemeinsame Herkunft aller bekannten Mitochondrien.

Mit der Endosymbiontenhypothese versucht man auch zu erklären, wie Zellen erstmalig in den Besitz von Plastiden kamen. Einige dieser großen Einzeller (Eukaryoten; s. u.) verleibten sich demnach auch fotosynthetisch aktive Lebensformen (z. B. Cyanobakterien) ein, die in ihnen weiterlebten. Sie umgaben sie mit einer zusätzlichen Hülle, wodurch sie mit dem „giftigen“ Sauerstoff zurechtkamen. Anfangs handelte es sich auch hier vermutlich um eine echte Symbiose (Energie gegen Schutz). Im Laufe der Evolution büßten die vereinnahmten Prokaryoten ihre Eigenständigkeit ein und konnten nur noch innerhalb der Zelle existieren. Sie waren zu Organellen geworden. Es gibt davon mehrere ineinander umwandelbare Arten, die beispielsweise als Protein- oder als Stärkespeicher fungieren. Am markantesten sind die Chloroplasten für die Fotosynthese, deren Wirtszelle nach einer neuen Studie schon relativ komplex gewesen sein muss: wohl ein methanbildendes Archaeon, das bereits andere Organellen besaß.

Genaueren Analysen zufolge dürften fotosynthetisch aktive Bakterien dreimal unabhängig voneinander aufgenommen worden sein. Aus diesen Symbiosen entwickelten sich die Rot-, Braun- und Grünalgen. Von Letzteren stammen wiederum alle Pflanzen ab, die schließlich das Land eroberten. Die Fähigkeit der mehrzelligen Pflanzen zur Fotosynthese ist also letztlich den Prokaryoten zu verdanken.

Gentransfer

Früher oder später hatte die symbiotische Lebensgemeinschaft den Transfer von Genen aus dem Genom des Endosymbionten in das Genom der Wirtszelle erfordert. Nach und nach hatte so der eingefangene Prokaryot den Großteil seiner Gene, den er einst für ein autonomes Leben brauchte, verloren. Schließlich war der Endosymbiont völlig unter die Kontrolle des genetischen Apparates im Zellkern geraten.

Die heutigen Reste des eigenen Genoms von Mitochondrien und Plastiden sind klein und ringförmig wie bei den Bakterien – aber trotzdem noch funktionsfähig. Die Plastiden verloren fast ihre gesamte Erbsubstanz und enthalten nur noch zwischen 100 und 200 Proteingene, während ihre Vorläufer, die frei lebenden Cyanobakterien, mindestens 2000 Proteingene besitzen. Ein wesentlicher Teil der zu ihrer Synthese benötigten genetischen Information befindet sich in der chromosomalen DNA des Zellkerns ihres Wirtes. Die entsprechenden Proteine werden in dessen Zellplasma synthetisiert und in die Plastiden importiert.

Auch der Vorläufer der Mitochondrien (deren DNA am meisten denjenigen aerober Purpurbakterien ähnelt) verlor mit der Zeit seine Eigenständigkeit fast vollständig. Das Erbgut der Mitochondrien beinhaltet heute 37 Gene mit Bauplänen für lediglich 13 Proteine – das unbedingt notwendige Mindestmaß, welches die Organellen für ihre Arbeit benötigen. Diese Proteine sind für das Herzstück der Energiegewinnung, den Elektronentransport in der sogenannten Atmungskette, wichtig. Von genetischem Ballast befreit konnte sich das Mitochondrium vielfach vermehren und auf die Produktion von Energie spezialisieren. Mehr als 2000 Mitochondrien finden sich heute z. B. in manchen menschlichen Zellen. Sie sind im Cytoplasma frei beweglich und nehmen im Durchschnitt ein Viertel des Zellvolumens ein. Je höher der Energieumsatz, umso größer ist die Zahl der Zell-Kraftwerke. Die aus der Verbrennung von Nährstoffen mit Hilfe von Sauerstoff freigesetzte Energie dient den meisten Stoffwechselprozessen, dem Prinzip der Zellpumpen und für andere chemische Reaktionen oder für Bewegungen.

Die Energieversorgung durch die Mitochondrien ermöglichte im Laufe der Evolution größere und komplexere Zellen (Eukaryoten) mit Zellkern und weiteren Organellen. Der entscheidende Schritt auf dem Weg zur Komplexität scheint dabei das Auslagern von endosymbiontischen Genen in die Wirtschromosomen gewesen zu sein. Die überragende Energieversorgung durch die Mitochondrien beseitigte den starken Selektionsdruck, alle nicht benötigten Gene zu entfernen, der die Evolution der Prokaryoten bis heute begrenzt.

So kam es zu einem gewaltigen Anstieg der Genomgröße. Statt aber zahllose Kopien des vollständigen Genoms mit sich herumzuschleppen, konnten eukaryotische Zellen neue Zellfamilien und regulatorische Elemente entwickeln. Das öffnete die Tür zu einer Proteinevolution, die für Zellen ohne Mitochondrien unerreichbar bleibt. (Eine eukaryotische Zelle besitzt 10 000 bis 100 000 Mal so viele Proteine wie eine Prokaryotenzelle.)

Erste eukaryotische Zellen mit Zellkernen und Zellstrukturen gab es schon vor 1,7 Milliarden Jahren. Mit ihrem Auftreten war eine völlig neue Organisationsform entstanden, die die bereits zuvor in Milliarden Jahren prokaryotischer Evolution entwickelten Formen bakteriellen Lebens überschichtete und eine weit wirkungsvollere Evolution ermöglichte. Vor rund 800 000 Jahren brachten sie viele Varianten hervor, und es entwickelten sich Tausende von eukaryotischen Einzellerarten mit unterschiedlichsten Formen und Lebensweisen – hochkomplexe Organismen, gegenüber denen ein Prokaryot geradezu rudimentär ausgestattet ist.

Bis heute wurden ungefähr 50 000 Arten beschrieben. Das erheblich erweiterte Repertoire neuartiger Proteinfaltungen, -wechselwirkungen und Regulationswegen ermöglichten die Entstehung von vielzelligen Lebewesen, also aller Pflanzen, Pilze und Tiere – und schließlich auch uns Menschen. Alle komplexen Lebewesen bestehen also ausnahmslos aus eukaryotischen Zellen („Superzellen„).

Die Entwicklung der Sauerstoffatmung war auch der erste Schritt auf dem Weg zur Intelligenz. Informationsverarbeitung kostet Energie. Die energetischen Anforderungen für ein Gehirn sind so hoch, dass sie nur durch Reaktionen in Verbindung mit Sauerstoff zu erfüllen sind. So verbraucht beispielsweise das menschliche Gehirn rund 20 Joule pro Sekunde, wobei bis zu 80% der Energie in die Signalübertragung fließen. Selbst im Koma verbraucht unser Denkorgan mehr Energie als andere Gewebe des Körpers.

Die Botenstoffe an den Synapsen sind in Bläschen verpackt, die im aktiven Gehirn unter hohem Energieaufwand immer wieder neu gefüllt werden müssen. Selbst im ruhenden Gehirn verbrauchen die auf Vorrat gelagerten Neurotransmitter-Bläschen Energie, da sie ständig Protonen nach außen verlieren, die dann von einem Enzym unter Energieaufwand wieder ersetzt werden müssen. Angesichts der enormen Zahl solcher Nervenenden und der Tatsache, dass dieser Energieverbrauch ständig anhält, bedeutet das eine substanzielle Grundlast für das Gehirn. Im Neuron selbst sind Ionenpumpen in der Zellwand die größten Energieverbraucher. Sie befördern stetig Natriumionen (Na+) aus der Zelle hinaus und Kaliumionen (K+) hinein. Damit erzeugen und erhalten sie das Konzentrationsgefälle zwischen Zellinnerem und Zellzwischenraum. Ohne dieses könnten die Neurone nicht feuern, so dass die Informationsverarbeitung zum Erliegen käme.

Ein komplexes Zusammenspiel von chemischen Reaktionen und Stoffkreisläufen macht also die Energie verfügbar für unser Denken, Fühlen und Handeln. Die wichtigste Energiequelle – praktisch der einzige Brennstoff, mit dem das Gehirn arbeitet – ist Traubenzucker (Glukose). Glukose ist „schnelle Energie“. Etwa 100 g davon nimmt unser Denkorgan pro Tag aus dem Blut auf. Zur Verbrennung dieser Zuckermenge werden 100 g Sauerstoff benötigt, wobei 140 g Kohlenstoffdioxid anfallen – so viel, wie ein Mittelklassewagen pro Kilometer ausstößt.

5. Chemisches und thermodynamisches Ungleichgewicht

Prokaryoten entwickelten ganz wesentlich die Kreisläufe von Schwefel, Eisen, Phosphor und Stickstoff – und auch die Fotosynthese ist ihre Erfindung, durch die der Planet Erde für größere Formen erst bewohnbar wurde. Sobald die Erde über ausreichend Sauerstoff verfügte, fand dann die rasche Evolution des Lebens von den Prokaryoten über die Eukaryoten zu den Metazoen (vielzelligen Organismen) statt. So konnten sich auch z. B. Kreaturen mit größeren, beständigeren und aktiveren Körpern ausbilden, was notwendig war, um die Ozeane zu verlassen und die Kontinente zu besiedeln.

Die innere Ordnung der Lebewesen kann nur durch einen ständigen Zustrom geordneter, arbeitsfähiger Energie aufrechterhalten werden. In einem tierlichen Organismus dienen 33 bis 50% der zugeführten Energie dazu, ihn mit Hilfe von Proteinumsatz, Ionentransporte, Blutkreislauf und Atmung einfach am Leben zu halten. Hinzu kommen dann noch notwendige Aktivitäten wie Bewegung, Fortpflanzung, Ernährung und andere Verhaltensweisen.

Das tägliche Verhalten der meisten Tiere wir daher bestimmt durch das Beschaffen von Nahrung, also komplexen chemischen Verbindungen, in denen Energie gespeichert ist. Diese müssen für die Produktion der zur Selbsterhaltung benötigten Moleküle und zur Freisetzung der für die Lebensvorgänge notwendigen Energie wieder abgebaut werden. Dabei sind die stofflichen, energetischen und kommunikativen Prozesse im Organismus aufs Engste aufeinander abgestimmt und vernetzt, um die innere Organisation zu erhalten.

Dieser „organisierte Metabolismus“ (Penzlin in „Das Phänomen Leben“), also das Netzwerk chemischer Reaktionen mit ein- und ausgehenden Energie- und Stoffströmen weit jenseits des thermischen Gleichgewichts, ist die grundlegende Daseinsweise aller Lebewesen. Die beim Abbau der Nahrung freiwerdende Energie (meist langwellige Wärmestrahlung) wird abgestrahlt – letztlich in den deutlich kälteren Weltraum. Ohne die Möglichkeit, den Wärmeüberschuss ans Weltall zu „entsorgen“, würde der Energiedurchfluss, der die irdische Biosphäre in Gang hält, zum Erliegen kommen. Die Verhältnisse auf der Erde wären dann ebenso lebensfeindlich wie auf Venus oder Mars.

Dass sogar ein befruchtetes und bebrütetes Hühnerei nicht nur Ordnung erzeugt, sondern auch Unordnung, zeigt, dass es kein abgeschlossenes System ist. Bei seiner Entwicklung zehrt der Kükenembryo zwar von gespeicherter Energie, gleichzeitig gibt das Ei aber Wärme, also nicht mehr nutzbare Energie, an die Umgebung ab.

Auch das gesamte System Erde verharrt in einem bemerkenswerten Zustand chemischen und thermodynamischen Ungleichgewichts, das mit der Sonne als Energiequelle und mit Hilfe der Lebewesen aufrechterhalten wird. Die Leuchtkraft der Sonne hat im Verlauf der letzten vier Milliarden Jahre zwar um 25 bis 30% zugenommen, aber das komplexe System fast geschlossener Stoffkreisläufe hält eine relativ ausgeglichene Energiebilanz auf dem Planeten Erde aufrecht.

Dabei wirkt der globale Karbonat-Silikat-Kreislauf als natürlicher Thermostat. Bei ihm handelt es sich um einen geobiochemischen Rückkopplungsmechanismus, der – verkürzt gesagt – bei steigenden Temperaturen über schnellere chemische Verwitterung und den Aufbau von Kalkskeletten in Lebewesen (z. B. vor allem in pflanzlichem Plankton) der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid entzieht und auf diese Weise eine Abkühlung der irdischen Temperaturen bewirkt. Daraufhin sinkt wiederum die Verwitterungsrate und die Einlagerung von CO₂ in Lebewesen, so dass dessen Anteil in der Atmosphäre wieder zunimmt und die Temperaturen wieder steigen. Höhere Temperaturen bedingen wiederum einen größeren Verbrauch des Kohlenstoffdioxids, was wiederum zu einer Abkühlung des Klimas führt, usw.

Die meisten Wissenschaftler stimmen heute der Annahme zu, dass das Leben selbst diese Rückkopplung maßgeblich beeinflusst hat, selbst wenn wir noch längst nicht alle Einzelheiten der Mechanismen kennen. Ohne die Selbstregulierung wäre das irdische Leben wohl schon seit Millionen Jahren ausgestorben. Da auch der Mensch selbst ein Teil der Natur und damit ohne Zweifel in die Kreisläufe der Biosphäre mit eingebunden ist, beeinflusst er heute in hohem Maße durch sein Handeln das weitere Schicksal des Lebens auf unserem Planeten. Er sollte sich dieser Verantwortung immer bewusst sein.

REM