Ursprung und Evolution des Lebens

Beschreibe, wie die Uratmosphäre der Erde nach der klassischen Hypothese aussah (ohne Sauerstoff, mit $\text{CO}_2$, Wasserdampf, Methan und Ammoniak), und erkläre, welcher wesentliche Unterschied sie von der heutigen Atmosphäre trennt.

Fassen Sie die heterotrophe Hypothese von Oparin und Haldane zum Ursprung des Lebens zusammen und erklären Sie, worin das Experiment von Miller und Urey bestand, was sie erhielten und was es zeigte.

Unterscheide einen autotrophen von einem heterotrophen Organismus und begründe, warum es plausibler ist, dass die ersten Lebewesen heterotroph waren (und die organischen Moleküle der Umgebung nutzten) als fotosynthetisch.

Das Experiment von Miller und Urey ging von einer stark reduzierenden Atmosphäre aus, die heute als wenig wahrscheinlich gilt. a) Erkläre, was sie annahmen und was sie dennoch erhielten. b) Begründe, warum das Experiment weiterhin als Meilenstein gilt, obwohl die tatsächliche Atmosphäre anders war: Welches Prinzip zeigte es? c) Nenne weitere Szenarien (hydrothermale Quellen, Weltraum), die die organischen Moleküle geliefert haben könnten.

Erkläre, was Koazervate oder Protobionten sind und welche „beinahe lebendigen" Eigenschaften sie zeigen (Membran, Austausch mit der Umgebung, Wachstum durch Aufnahme von Stoffen). Gib an, was ihnen fehlt, um als Zellen zu gelten.

Was ist die Hypothese der „RNA-Welt"? Erkläre, warum RNA ein besserer Kandidat als DNA für das erste Molekül des Lebens ist, und beziehe dich dabei auf ihre doppelte Funktion: Information speichern und Reaktionen katalysieren.

Bringe diese Schritte auf dem Weg zur ersten Zelle in eine Reihenfolge und begründe sie: Auftreten eines selbstreplizierenden Moleküls, Bildung von Lipidmembranen, Synthese organischer Monomere, Polymerisation und Integration von Stoffwechsel, Vererbung und Hülle.

Was sind Stromatolithen und welche Organismen bilden sie? Erkläre, warum sie als einer der ältesten Belege für Leben auf der Erde gelten.

Vor etwa $2\,400$ Millionen Jahren begann sich Sauerstoff in der Atmosphäre anzureichern (die Große Oxidation). Erkläre, welche Organismen ihn erzeugten, und beschreibe zwei Folgen dieser Veränderung für das Leben und für die Oberfläche des Planeten.

Was ist LUCA, der letzte gemeinsame Vorfahre aller Lebewesen? Erkläre, welche Eigenschaften ihm zugeschrieben werden (Prokaryotenzelle, genetischer Code, Stoffwechsel) und welcher molekulare Beleg – der praktisch identische genetische Code bei allen Lebewesen – stützt, dass wir alle von ihm abstammen.

Bringe diese Meilensteine der Geschichte des Lebens in zeitliche Reihenfolge und begründe die gewählte Reihenfolge: Auftreten der sauerstoffbildenden Fotosynthese, erste Prokaryotenzellen, kambrische Explosion, erste Eukaryotenzellen, Eroberung des Landes durch die Pflanzen.

In einer Bohrung im Präkambrium werden Schichten zwischen 2700 und 2100 Ma untersucht. In den unteren Lagen (2700-2400 Ma) finden sich reichlich gebänderte Eisenformationen (BIF) mit Uraninit und detritischem Pyrit (in Gegenwart von O₂ instabile Minerale) sowie Biosignaturen von Cyanobakterien. Um 2200 Ma verschwinden die BIF fast, und es treten die ersten kontinentalen Rotschichten (reich an Fe³⁺-Oxiden) auf, während der Fossilbericht zugleich einen drastischen Rückgang der Vielfalt anaerober Mikrofossilien zeigt.

1. a) Begründen Sie, warum zwischen dem Auftreten der ersten sauerstoffproduzierenden fotosynthetischen Organismen und der tatsächlichen Anreicherung von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre ein Zeitverzug von Hunderten Millionen Jahren bestand.
2. b) Ein Schüler behauptet: „Sauerstoff war ein giftiges Abfallprodukt, das die Biosphäre beinahe vernichtet hätte, aber ohne ihn wären komplexe eukaryotische Organismen energetisch nie möglich gewesen." Bewerten Sie diese Aussage kritisch, indem Sie die Energiebilanz (ATP-Ausbeute) und die nötigen biochemischen Anpassungen an oxidativen Stress vergleichen.

Nenne drei Unterschiede zwischen einer Prokaryoten- und einer Eukaryotenzelle und gib an, welche Merkmale der Mitochondrien (Größe, doppelte Membran, eigene DNA, Ribosomen) ihren bakteriellen Ursprung verraten.

Das Schema stellt die von Lynn Margulis vorgeschlagene Endosymbiontentheorie zur Entstehung der Eukaryotenzelle dar. Erkläre, was zwischen den Zellen 1 und 2 geschieht, sodass Zelle 3 entsteht, und nenne drei Belege für diese Theorie, die sich auf Mitochondrien und Chloroplasten beziehen.

Vergleiche ein Mitochondrium und einen Chloroplasten: Größe, Anzahl der Membranen, Art der DNA und der Ribosomen. Begründe anhand dieser Daten, warum man annimmt, dass das Mitochondrium früher als der Chloroplast in die Eukaryotenzelle aufgenommen wurde (Welche Eukaryoten haben Mitochondrien, aber keine Chloroplasten?).

Vergleiche die Hypothese der „Ursuppe" mit der Panspermie-Hypothese: Worin stimmen sie überein, worin unterscheiden sie sich und welches Problem lässt die zweite ungelöst?

Kohlige Meteorite (Chondrite) enthalten Aminosäuren und andere organische Moleküle. Erkläre, was dieser Fund zur Erforschung des Ursprungs des Lebens beiträgt, wie er sich von der Panspermie-Hypothese unterscheidet und warum er zeigt, dass organische Chemie im Universum weit verbreitet ist.

Im Labor wurde ein hydrothermaler Simulator entwickelt, der den Meeresboden des Hadaikums nachbildet: Alkalische, an gelöstem H₂ reiche Fluide (pH zwischen 9,0 und 11,0) treten durch mikroskopische Hohlräume aus Eisensulfid (FeS) aus und treffen auf einen sauren Urozean (pH zwischen 5,5 und 6,0), der mit CO₂ und gelöstem Fe²⁺ gesättigt ist.

1. a) Begründen Sie, wie die mikroporöse anorganische Struktur und der pH-Unterschied zwischen den Fluiden auf abiotische Weise einen Mechanismus nachbilden, der der protonenmotorischen Kraft und der oxidativen Phosphorylierung der Zelle entspricht, noch bevor es Enzyme und komplexe Lipidmembranen gab.
2. b) Vergleichen Sie die energetische Tragfähigkeit dieses Szenarios mit der Hypothese der „Ursuppe" in Oberflächengewässern, und berücksichtigen Sie dabei die Kontinuität des Energieflusses sowie den Schutz vor der intensiven UV-Strahlung und dem späten schweren Meteoritenbombardement.
3. c) Sagen Sie voraus, was mit dem Redoxpotenzial und der Fähigkeit zur organischen Synthese dieses hydrothermalen Systems geschähe, wenn der äußere Ozean seine Säure verlöre und denselben alkalischen pH-Wert wie die austretenden Fluide erreichte.

Um die beiden Haupthypothesen zum Ursprung der präbiotischen Polymerisation zu überprüfen (flache Gezeitentümpel mit Trocken-Feucht-Zyklen gegenüber tiefen submarinen hydrothermalen Quellen), entwirft ein Team zwei Laborsimulatoren:

• Reaktor A (Oberfläche): Nukleotidlösung, die bei 60,0 °C unter ultraviolettem Licht (kurze Wellenlänge, repräsentativ für die anoxische Uratmosphäre) periodischen Hydratations- und Trocknungszyklen ausgesetzt wird.

• Reaktor B (Tiefsee): Kontinuierlicher Temperaturgradient (von 80,0 °C bis 20,0 °C) und pH-Gradient im Inneren mikrokapillarer Kanäle aus Pyrit und Greigit, in völliger Dunkelheit und dauerhaft in wässriger Lösung eingetaucht.

1. a) Die Bildung der Phosphodiesterbindung zwischen Nukleotiden ist eine Kondensationsreaktion, die in verdünnter wässriger Lösung thermodynamisch ungünstig ist ($\Delta G > 0$). Begründen Sie, wie jeder der beiden Reaktoren versucht, dieses chemische Problem (das sogenannte „Wasserparadoxon“) zu lösen oder zu umgehen.
2. b) Sagen Sie vorher, welcher Reaktor einen stärkeren Abbau der Monomere durch Fotolyse zeigen wird, wenn keine Schutzverbindung zugesetzt wird, und erörtern Sie, welche selektive oder zerstörerische Rolle die UV-Strahlung beim Ursprung des genetischen Codes gespielt haben könnte.
3. c) Wenn in Reaktor B die Synthese kleiner RNA-Oligomere mit Ribozymaktivität gelingt, diese aber die Mineralmikrokapillaren nicht verlassen können, beurteilen Sie, ob diese Einschließung ein Vorteil oder ein Hindernis für den Übergang zu den ersten unabhängigen Protozellen ist.