Die Entstehung des auf der Erde bekannten Lebens im Universum und die Suche nach ähnlichem Leben außerhalb des Planeten Erde


Projektarbeit, 2012
35 Seiten, Note: 0,7

Leseprobe

Inhalt

I. Einleitung

II. Hauptteil
1. Was ist Leben?
1.1 Das bekannte Leben auf der Erde und seine Kennzeichen
1.2 Definitionsversuche
2. Physikalische und chemische Voraussetzungen
2.1 Wasser
2.2 Wesentliche chemische Bestandteile des Lebens
2.3 Die Stoffauswahl des Lebens
2.4 Die Chiralität des Lebens
3. Zurück zum Beginn allen Lebens
3.1 Wieso entstand gerade auf der Erde Leben?
3.2 Theorie der Panspermie
3.3 Entstehung des ersten Einzellers
3.4 Die RNAWelt
4. Die Suche nach Leben im All
4.1 Leben auf anderen Planeten und Monden im Sonnensystem
4.2 Entdeckung von Exoplaneten
4.3 Leben auf nicht erdähnlichen Planeten
4.4 Die Suche nach intelligentem Leben Die DrakeGleichung

III. Schluss

IV. Literaturverzeichnis

I. Einleitung

Biologiebücher für die fünfte Klasse beginnen häufig mit dem Kapitel „Lebewesen haben bestimmte Kennzeichen“. Die Kennzeichen des Lebens seien demnach unverkennbar: Bewegung und Wachstum, Stoffwechsel (Metabolismus), Reizbarkeit und Fortpflanzung.[1] Betrachtet man nun allerdings das einfache Feuer, so ergeben sich schon Konflikte bei der Definition für Leben. Feuer bewegt sich und wächst; es betreibt Stoffwechsel, denn bei der Oxidation werden Stoffe umgewandelt; es ist zudem auch reizbar, denn es reagiert auf die vorhandenen Brennstoffe und äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit; und Feuer pflanzt sich in gewisser Weise fort, wenn es bei einem Waldbrand naheliegende Waldgebiete auch in Brand setzt. Ist Feuer nun Leben?

Die Frage, was überhaupt Leben ist, und wie man es definieren kann, beschäftigt schon lange viele Forscher und Naturwissenschaftler. Bis heute wurde keine allgemein anerkannte Definition für das Leben gefunden. Es gibt einige Definitionsversuche und sogenannte „Arbeitsdefinitionen“, die als ausreichende Definitionen für bestimmte Bereiche genutzt werden. Aber gerade, wenn Menschen beginnen, ihre Augen auf Sterne und Planeten in Lichtjahren Entfernung zu richten, dann müssen Definitionen universell anwendbar sein. In der Astrobiologie sucht man nach Spuren des Lebens im All – ohne genau zu wissen, was das Leben eigentlich ist. Dennoch muss versucht werden, mehr über verschiedene Formen des Lebens herauszufinden und Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen entdeckten Formen zu einer allgemeinen Definition zusammenzufügen. Dies ist das Ziel vieler moderner astrobiologischer Forschungen.

So lässt sich in (naher?) Zukunft vielleicht herausfinden, ob wir die einzigen Lebewesen im Universum sind, ob Leben eine Seltenheit ist oder ob es geradezu im Überfluss vorhanden ist. Die Suche nach extrasolaren Planeten soll die Neugier der Menschheit befriedigen und vielleicht schon bald die große Frage der Drake-Gleichung beantworten: Können wir wirklich Kontakt mit intelligenten Lebensformen außerhalb der Erde aufnehmen?

II. Hauptteil

1. Was ist Leben?

1.1 Das bekannte Leben auf der Erde und seine Kennzeichen

Das Leben auf der Erde existiert in einer unvorstellbar großen Vielfalt. Nur ein kleiner Bruchteil aller bekannten Arten sind Tiere und Pflanzen, ein großer Teil Bakterien und andere Mikroorganismen. Dabei sind die Lebewesen sehr unterschiedlich – eines der größten Lebewesen der Erde ist ein Espenhain in Utah, USA. Auch wenn der Hain wie ein Wald aus vielen Bäumen aussieht, ist es in Wirklichkeit ein einziger Organismus, der über 47.000 Stämme besitzt und sich über eine Fläche von über 400.000 Quadratmeter erstreckt.[2] Auch das Great Barrier Reef, ein Korallenriff vor der Küste Australiens, erstreckt sich über eine Fläche von etwa 344.000 Quadratmetern und ist der einzige zusammenhängende lebende Organismus auf der Erde, der aus dem Weltall gesehen werden kann.[3] Im Gegensatz dazu sind einige Mikroorganismen, darunter Einzeller, so klein, dass sie nur unter Mikroskopen beobachtet werden können.

Als wichtigste Funktionen des Lebens werden Fortpflanzung und Metabolismus genannt und – zusätzlich zu diesen Merkmalen aus dem zu Anfang erwähnten Biologiebuch – eine Evolution.[4] Aber die Evolution wirft wieder einige Fragen auf. Zwar ist es möglich, Organismen über Jahrmillionen zu studieren, indem nach Fossilien und bestimmten chemischen Produkten des Metabolismus gesucht wird, sowie auch die Entwicklung des lebenden Organismus zu analysieren. Darüber kann die Entwicklungsgeschichte eines Organismus in vielen Fällen gut nachvollzogen werden. Das Problem entsteht, wenn man versucht, eine Evolution bei dem ersten Leben, das überhaupt je auf der Erde existierte, nachzuweisen, denn „unser erster gemeinsamer Vorfahre, das erste Lebewesen, [hat] keine Spuren hinterlassen“[5].

Die ausschlaggebenden Fähigkeiten von Lebewesen können einfacher formuliert werden, wenn man das Leben allgemeiner betrachtet. Die Prozesse auf molekularer Ebene sind bei allen Lebewesen sehr ähnlich: Sie nutzen und organisieren Energie und Substanzen in einer Weise, die sie am Leben erhält, und sie sind in der Lage, ihr Erbgut weiterzugeben – nur Reproduktion ermöglicht die Existenz einer Art über längere Zeiträume.[6] Doch was bedeutet am Leben erhalten ?

1.2 Definitionsversuche

Das Leben kann viele Gestalten annehmen. Möglicherweise hat eine beliebige Lebensform sich seit ihrem ersten Auftreten zu einem komplexen Vielzeller entwickelt – sie hatte eine Evolution – oder sie liegt immer noch als Einzeller vor. Was soll man zum Leben zählen, und was nicht? Auf der Suche nach einer allgemeingültigen Definition darf nicht nur das bekannte Leben auf der Erde berücksichtigt werden, welches auf Kohlenstoffverbindungen basiert. Gegenbeispiele, wie verschiedene Extremophile, haben einen unterschiedlichen biochemischen Aufbau[7], aber auch solche Organismen muss eine eindeutige Definition einschließen.

Um überhaupt den Ursprung und die entscheidenden Merkmale herauszustellen, die lebende von lebloser Materie abgrenzen, muss man zunächst das komplexere Leben außer Acht lassen und sich auf einen Einzeller, die kleinste mögliche Lebensform, konzentrieren. Einzeller werden als Basiseinheit des Lebens angesehen. Was also unterscheidet eine lebendige Zelle von sonstiger lebloser Materie?

1.2.1 Funktionen, Instruktionen und Evolution

Biologisch gesehen lassen sich einige immer wieder auftretende Eigenschaften benennen, die bei jeder Form des Lebens beobachtet werden können. Es wird angenommen, etwas sei „‘lebendig‘, wenn es wächst, sich entwickelt, auf Umweltreize reagiert, sich selbstständig reproduziert und Energie verbraucht“[8]. Einige Eigenschaften treffen allerdings auch auf einige eindeutig chemische Prozesse zu, zum Beispiel auf Kristalle und das Feuer (vgl. Einleitung). Zudem wird diese Definition oft als Zirkeldefinition angesehen, da sie Lebewesen darüber definieren, was Lebewesen gewöhnlich tun.[9]

Die Funktionen eines jeden Lebewesens folgen immer einem bestimmten Satz von Instruktionen. Diese Instruktionen sind bei dem von der Erde bekannten Leben in der DNA und der RNA enthalten, also im Organismus selbst eingebunden, und werden bei der Reproduktion weitergegeben. Dabei sind die Instruktionen selbst veränderbar und erfahren durch die Vorgänge der Mutation und Rekombination einen Wandel in der Zeit – die Grundvoraussetzung für eine Evolution. Prozesse des Feuers oder der Kristalle folgen im Gegensatz dazu immer den physikalischen Gesetzen. Aus diesem Grund verhält sich sowohl das Feuer als auch ein Kristall immer gleich, unabhängig von dem Zeitpunkt in der Geschichte des Universums, an dem man beispielsweise den ablaufenden Wachstumsprozess betrachtet. Feuer und Kristalle haben also keine Mutationen; daher gibt es keine Evolution. Durch Veränderungen der DNA bei der Reproduktion können hingegen Mutationen entstehen – dies ist beim Feuer und bei Kristallen nicht möglich.

Laut Dr. Benton Clark von der Universität Colorado ist Mutation „der Schlüssel, um zu verstehen, ob etwas über eingebettete Instruktionen verfügt“[10]. Clark unterscheidet weiterhin zwischen Organismen und Lebensformen. Während Organismen nach den eingebetteten Instruktionen funktionieren und sich damit selbst erhalten, ist die Lebensform eine Zusammenlegung vieler gleich aufgebauter Organismen (eine Art), die auch die Reproduktion des gesamten Organismus (d.h. nicht nur die Replikation einer Zelle) erlaubt. Einzelne Organismen einer sich ausschließlich sexuell fortpflanzenden Lebensform sind unter Umständen durch ihre Individualentwicklung nicht zur Reproduktion fähig, weil sie zum Beispiel durch eine Mutation beeinträchtigt sind und daher das Zusammenfinden zweier Organismen für die Reproduktion behindert wird.

Dies knüpft an die Evolutionstheorie Darwins aus den 1840er-Jahren an. Darwin stellte fest, dass vererbbare Informationen in Lebewesen von Generation zu Generation weitergegeben wurden. Bei der Weitergabe treten hin und wieder Fehler auf. Einige dieser Fehler führen zu Veränderungen, die sich in der aktuellen Umgebung des Lebewesens als vorteilhaft erweisen, und setzen sich über längere Zeit durch die natürliche Selektion durch. Darwin definierte ein Lebewesen als etwas, das an der Evolution durch natürliche Selektion teilnehmen kann. Dieser Ansatz einer Definition ist sehr vorteilhaft für die moderne Astrobiologie, da er jegliche chemischen Verbindungen oder biochemische Prozesse außer Acht lässt. So lässt sich auch mögliches extraterrestrisches Leben, das nicht auf derselben Chemie aufbaut, wie das Leben der Erde, als Leben erkennen.[11]

1.2.2 Das Ungleichgewicht

Ein anderer Definitionsversuch geht auf Erwin Bauer zurück und wird häufig als Bauer Principle bezeichnet. Er macht auf die Unterschiede zwischen physikalischem und biologischem Verhalten aufmerksam. Während physikalisches Verhalten, wie bereits erwähnt, zeitunabhängig ist und allein von den bekannten physikalischen Gesetzen bestimmt wird, zeigen Lebewesen unter den gleichen Randbedingungen unterschiedliches, biologisches Verhalten. Lässt man beispielhaft einen Stein und einen lebenden Vogel von einem Turm fallen, so wird der Stein jedes Mal gleich fallen und auf dem Boden aufschlagen. Der Vogel hingegen wird immer versuchen, in variabler Weise den Sturz aufzufangen und in etwa zu seiner ursprünglichen Höhe zurückkehren. Das biologische Verhalten unterscheidet sich also von physikalischem Verhalten; trotzdem stellte Bauer fest, dass alle genannten – auch von Laien – beobachtbaren Lebensäußerungen oder -merkmale auf physikalisch-chemischen Grundlagen beruhen, und fasste diese Beobachtung folgendermaßen zusammen:

„Lebende Systeme, und eben nur lebende Systeme, befinden sich niemals in einem Gleichgewicht; zudem verrichten sie kontinuierlich zu Lasten ihrer freien Energie Arbeit, um das Zustandekommen eines Gleichgewichts zu verhindern, das innerhalb der gegebenen Randbedingungen laut physikalischen und chemischen Gesetzen eintreten sollte.“[12]

Daraus folgen drei Aussagen, über die sich das Leben laut Bauer klar vom Leblosen abgrenzen kann: (1) Lebende Systeme sind niemals im Gleichgewicht, (2) Lebende Systeme verrichten zu jeder Zeit Arbeit, (3) Lebende Systeme initiieren ein Verhalten, das sich von dem von physikalischen und chemischen Gesetzen bestimmten Verhalten unterscheidet.[13]

Lebewesen sind in der Lage, endotherme Reaktionen, d.h. thermodynamisch unfreiwillige Reaktionen, gezielt in Gang zu bringen, indem durch exotherme chemische Reaktionen Energie bereitgestellt wird. Solche Reaktionen werden als gekoppelte Reaktionen bezeichnet. Lebewesen sind damit imstande, die Gesetze der Thermodynamik so zu nutzen, dass Energie in hoher Dichte vorliegen kann. Diese Energie ist u.a. gespeichert in reduzierten organischen Verbindungen und in den Phosphatbindungen der ATP-Moleküle. So kann die Energie gezielt orts- und zeitunabhängig von ihrer Speicherung (-umwandlung) genutzt werden.[14]

1.2.3 Die Arbeitsdefinition

Möglich jedoch ist, dass auch diese Kriterien noch zu spezifisch sind und bei der Suche nach Leben außerhalb der Erde nicht weiterhelfen. Verschiedene Naturwissenschaftler argumentieren, dass man das Leben nicht an seinen Merkmalen definieren könne. Eine noch allgemeinere Definition müsse her, die das Leben über seinen Ursprung definiert, und die erst formuliert werden könne, wenn der Mensch verschiedene Formen des Lebens im Universum entdeckt und analysiert hat.[15] Um dieses Leben aber als Leben zu erkennen, muss er sich in nächster Zukunft noch auf die erarbeiteten Definitionsversuche aus den verschiedenen Bereichen der Biologie, Chemie und Physik stützen.

Die Suche nach dem Leben ist ein wichtiger Bestandteil der „NASA Astrobiology Roadmap 2008“, und nach Ziel Nummer Sieben muss dafür zuerst einmal herausgefunden werden, welche Signaturen Leben „auf anderen Welten und auf der frühen Erde“ hinterlässt bzw. hinterlassen hat. Diese Signaturen werden auch als „Biosignaturen“ bezeichnet.[16]

Um weiter nach Spuren des Lebens suchen zu können, wird oft eine „Arbeitsdefinition“ verwendet, die Leben als „ein selbstständiges, chemisch reagierendes System, das in der Lage ist, sich aus der Umwelt zu versorgen und mit der Fähigkeit zur Fortpflanzung ausgestattet ist“.[17] Mit dieser Arbeitsdefinition wird versucht, die Definitionsversuche aus den unterschiedlichen Fachbereichen zusammenzubringen.

2. Physikalische und chemische Voraussetzungen

2.1 Wasser

2.1.1 Die Bedeutung von Wasser für Leben

Flüssiges Wasser ist eine Voraussetzung für das Leben auf der Erde. Um chemische Reaktionen zu ermöglichen, ist ein Medium erforderlich, in dem sich die Reaktionspartner treffen können. Flüssiges Wasser funktioniert als universales Lösungsmittel, denn das Wassermolekül ist durch den großen Unterschied der Elektronegativitäten von Wasserstoff und Sauerstoff polar. So können verschiedene Salze oder andere Stoffe im Wasser als Ionen vorliegen, da sie durch angelagerte Wassermoleküle stabilisiert werden, und an Reaktionen teilnehmen.

Wasser ist zudem ein Ampholyt; Wassermoleküle können sowohl als Säure als auch als Base an einer Reaktion teilnehmen. In biochemischen Reaktionen, wo Wasser als Lösungsmittel, aber auch als Edukt und Produkt involviert sein kann, ist diese Eigenschaft enorm wichtig.

Eine weitere besondere Eigenschaft des Wassers ist seine Dichteanomalie. Es besitzt in fester Form, als Eis, eine geringere Dichte, als in flüssiger Form. Dies führt dazu, dass Wasserkörper eine Eisschicht nur auf der Oberfläche bilden, unten an seinem Grund aber noch flüssiges Wasser vorhanden bleibt. Hätte Eis – wie andere Feststoffe – eine höhere Dichte als flüssiges Wasser, dann würde ein See von unten nach oben durchfrieren, was wiederum alles Leben in ihm stark gefährden würde.[18]

Da Wasser auf der Erdoberfläche unter Normaldruck nur bei Temperaturen zwischen 0°C und 100°C in flüssiger Form existieren kann, grenzt dies auch die Temperaturspanne für die Existenz von Leben ein. Da die Siedetemperatur druckabhängig ist, kann bei extrem hohen Druck, zum Beispiel am Meeresgrund, flüssiges Wasser sogar bis zu 400°C heiß werden. An diesen Orten leben sogar einige Extremophile. Trotzdem „scheint eine Temperatur von 115°C [...] eine absolute obere Grenze für das Leben darzustellen“[19], denn bei höheren Temperaturen werden molekulare Verbindungen endgültig zerstört.

[...]


[1] Vgl. Roman Claus u.a.: Natura 1, Biologie für Gymnasien Nordrhein-Westfalen (2. Auflage), Klett, Stuttgart 2004, S. 10.

[2] Vgl. Lawrence E. Hunter: The Processes of Life, An Introduction to Molecular Biology, The MIT Press (Massachusetts Institute of Technology), Cambridge, Massachusetts 2009, S. 5.

[3] Vgl. http://en.wikipedia.org/wiki/Great_Barrier_Reef (02.04.2012 13:03), Great Barrier Reef – Wikipedia, Autor unbekannt.

[4] Vgl. Hunter 2009, S. 4.

[5] Marcelo Gleiser: Die unvollkommene Schöpfung, Spektrum Verlag/Springer Verlag, Heidelberg 2011, S. 277.

[6] Vgl. Hunter 2009, S. 11.

[7] Vgl. http://www.astrobio.net/exclusive/3148/the-search-for-life-on-earth (14.03.2012 19:19), Astrobiology Magazine, Henry Bortman: The Search for Life on Earth.

[8] http://www.epochtimes.de/587404_was-ist-leben-.html (14.03.2012 19:28), Epoch Times Deutschland, Leonardo Vintiñi: Was ist Leben?

[9] Vgl. Jack Challoner: The Science of… Aliens, Prestel Verlag, München/Berlin/London/New York 2005, S. 50.

[10] http://www.astrobio.net/exclusive/226/defining-life (14.03.2012 19:39), Astrobiology Magazine, Leslie Mullen: Defining Life (aus dem Englischen übersetzt).

[11] Vgl. Challoner 2005, S. 50.

[12] Attila Grandpierre: Cosmic Life Forms, in: Joseph Seckbach und Maud Walsh: From Fossils to Astrobiology, Springer Science + Business Media B.V., Jerusalem/Los Angeles 2009, S. 375.

[13] Vgl. Grandpierre 2009, S. 375.

[14] Vgl. Hunter 2009, S. 66ff.

[15] Vgl. Horst Rauchfuß: Die chemische Evolution und der Ursprung des Lebens, Springer Verlag, Heidelberg 2005, S. 14.

[16] Vgl. http://astrobiology.nasa.gov/index.php?s=file_download&id=21 (09.02.2012 18:06), NASA Astrobiology Roadmap 2008 (S. 729), David J. Des Marais u.a.

[17] Gleiser 2011, S. 263.

[18] Vgl. http://en.wikipedia.org/wiki/Hypothetical_types_of_biochemistry (20.05.2012 13:43) Hypothetical types of biochemistry – Wikipedia, Autor unbekannt.

[19] Gleiser 2011, S. 264.

Ende der Leseprobe aus 35 Seiten

Details

Titel
Die Entstehung des auf der Erde bekannten Lebens im Universum und die Suche nach ähnlichem Leben außerhalb des Planeten Erde
Veranstaltung
Projektkurs Chemie
Note
0,7
Autor
Jahr
2012
Seiten
35
Katalognummer
V287350
ISBN (eBook)
9783656877462
ISBN (Buch)
9783656877479
Dateigröße
649 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
leben, weltall, entstehung von leben, all, drake-gleichung, exoplaneten, mikroorganismen, einzeller, intelligentes leben, wasser, lebewesen, definition von leben
Arbeit zitieren
Sebastian Lukas (Autor), 2012, Die Entstehung des auf der Erde bekannten Lebens im Universum und die Suche nach ähnlichem Leben außerhalb des Planeten Erde, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/287350

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