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Gab es bereits Viren auf der Erde, als vor Milliarden von Jahren die ersten lebenden Zellen auftauchten? – Aayush A., 16 Jahre alt, Indien
Wie das Leben auf der Erde begann, beschäftigt Wissenschaftler seit langem. Und das ist immer noch so.
Fossilien liefern sehr wichtige Beweise für die Evolution von Pflanzen und Tieren. Leider gibt es nur sehr wenige Fossilien antiker Mikroben, daher verlassen sich Wissenschaftler auf moderne Mikroben, um Theorien darüber zu entwickeln, wie das Leben begann. Ich habe viele Jahre lang Bakterien und eine andere Mikrobenart namens Archaeen aus warmen Umgebungen untersucht, um zu verstehen, wie sie sich auf der frühen Erde entwickelt haben könnten, aber ich habe immer noch so viele unbeantwortete Fragen.
Basierend auf den fossilen Beweisen, die wir haben, erschienen einzellige Mikroben auf der Erde vor größeren zellulären Lebewesen wie Pflanzen und Tieren. Aber welche Arten von Mikroben bildeten die allererste Lebensart?
Welche Mikroben gelten als lebend?
Mikroben sind einzellige Lebewesen, die von einer Membran umgeben sind. Sie verbrauchen und wandeln Nährstoffe in biologische Moleküle oder Energie um und sind zu klein, um ohne Mikroskop gesehen zu werden.
Nach dieser Definition sind Bakterien, Archaeen und einzellige Eukaryoten Mikroben. Bakterien und Archaeen sind einzellige Lebewesen, denen innere Strukturen fehlen, die von einer Membran, etwa einem Zellkern, umgeben sind, um ihr genetisches Material aufzunehmen. Einzellige Eukaryoten haben einen Kern und können andere Strukturen haben, die von einer Membran umgeben sind.
Einige Wissenschaftler betrachten Viren als Mikroben, die aus genetischem Material bestehen, das von einer Proteinhülle umgeben ist. Sie sind nicht in der Lage, sich selbst zu reproduzieren und kapern die Maschinerie anderer Zellen, um sich selbst zu kopieren. Da ihnen viele Eigenschaften lebender Zellen fehlen, sind sie technisch gesehen nicht lebendig.
Zeugnisse der Anfänge des Lebens auf der Erde
Fossilien können Wissenschaftlern Hinweise darauf geben, wie das Leben begann, am besten sind sie jedoch die Aufzeichnung harter Dinge wie Knochen und Zähne. Mikroben bestehen aus weichen Materialien, die sich nicht gut versteinern lassen. Einige leben jedoch in sehr großen Zellverbänden zusammen, die Mineralien ansammeln und recht große Fossilien hinterlassen können.
Beispielsweise bildeten Cyanobakterien in den Ozeanen der frühen Erde große Strukturen, sogenannte Stromatolithen. Wissenschaftler haben fossile Stromatolithen aus der Zeit vor 3,48 Milliarden Jahren entdeckt.
Andere Wissenschaftler haben in Gesteinen eines 3,4 Milliarden Jahre alten warmen Meeresbodens versteinerte Archaeen entdeckt. Die Erde wurde vor etwa 4 Milliarden Jahren bewohnbar, Bakterien und Archaeen müssen also vor 3,5 bis 4 Milliarden Jahren aufgetaucht sein.
Auch die Untersuchung chemischer Reaktionen von Zellen kann Hinweise liefern. Die Reaktionen, die biologische Moleküle produzieren und Energie erzeugen, werden als Zellstoffwechsel bezeichnet. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass bestimmte Stoffwechselreaktionen bereits vor mindestens 4,1 Milliarden Jahren stattfanden. Diese Reaktionen könnten vor der Evolution der Zellen von selbst stattgefunden haben, vielleicht auf der Oberfläche von Ton oder Mineralien.
Theorien darüber, wie das Leben auf der Erde begann
Zellen kopieren ihr genetisches Material, bestehend aus DNA und RNA, um es an neue Generationen weiterzugeben. Obwohl DNA die Form von genetischem Material ist, die heute von den meisten lebenden Organismen verwendet wird, glauben einige Wissenschaftler, dass RNA das erste Informationsspeichermolekül auf der frühen Erde war, weil sie sich selbst kopieren kann.
Da einige moderne Viren RNA zur Speicherung genetischer Informationen verwenden, glauben einige Wissenschaftler, dass sich Viren möglicherweise aus selbstreplizierender RNA entwickelt haben. Diese Möglichkeit würde bedeuten, dass Viren vor Bakterien aufgetreten sein könnten. Da Viren jedoch keine Fossilien hinterlassen, gibt es keine Beweise, die diese Idee stützen.
Irgendwann müssen Stoffwechselreaktionen und Replikationsprozesse innerhalb einer Membran zusammengekommen sein, um eine frühe Zellform zu bilden: eine Vorzelle. Dies könnte geschehen sein, als eine virusähnliche Struktur eine membranumschlossene Reihe von Stoffwechselreaktionen infizierte. Die Vorzelle könnte sich dann verdoppeln, was zur Entwicklung der ersten lebenden Zelle führen würde. Diese Zelle wäre wie die heutigen Bakterien und Archaeen gewesen.
Möglicherweise bildeten sich vor den Zellen virusähnliche Strukturen. Allerdings könnte es sich bei diesen einfachen Virusstrukturen auch nur um DNA- oder RNA-Stücke handeln. Könnte man sie also wirklich als „Viren“ betrachten?
Eine andere populäre Theorie besagt, dass sich Viren aus degenerierten Bakterien oder Archaeen entwickelt haben, die die meisten genetischen Anweisungen verloren haben, die für den Stoffwechsel und die Zellbildung notwendig sind. Es gibt viele Beispiele für ähnliche kleinere Degenerationen, die heute in der Bakterienwelt aufgetreten sind.
Entdecken Sie die Anfänge des Lebens
Die heutige Erdoberfläche unterscheidet sich stark von der vor 4 Milliarden Jahren. Einige haben spekuliert, dass tief unter der Erdoberfläche, wo es für modernes Leben zu heiß ist, diese frühen Bedingungen noch vorhanden sein könnten, sodass einige Formen des Protolebens dort weiter existieren können, wo sie vor dem Verzehr durch andere Mikroben geschützt sind.
Wenn Menschen andere Planeten oder Monde erforschen können, könnten wir ähnliche Prozesse entdecken wie auf der frühen Erde. Eine solche Entdeckung könnte uns helfen, das Rätsel um den Ursprung des Lebens hier zu lösen.
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Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Kenneth Noll, Universität von Connecticut
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Kenneth Noll hat zuvor Fördermittel von der NSF, der NASA, dem DOE und dem Office of Naval Research erhalten.