Hadaikum

Für die Biologen ist das Hadaikum eigentlich das wichtigste Zeitalter, hier entstand nämlich das Leben aus toter Materie. Wie das genau geschah, ist noch nicht endgültig erklärt, es gibt mehrere Hypothesen, auf die wir hier aber nicht eingehen wollen.

Das Hadaikum begann mit der Entstehung der Erde vor 4,6 Milliarden Jahren und endete vor ca. 4 Milliarden Jahren, dauerte also ca. 600 Millionen Jahre.

Atmosphäre

Zur Atmosphäre des Hadaikums ist nicht viel bekannt, sie entstand wahrscheinlich vor ca. 4,35 Milliarden Jahren durch Entgasung der Gesteine. Laut [2] hatte diese Atmosphäre den 250 bis 500-fachen Druck der heutigen Erdatmosphäre. Wegen des hohen Drucks begann dann Wasserdampf zu kondensieren und bildete den ersten Ozean auf der noch sehr heißen Erde. Dieser Ozean bedeckte den größten Teil der Erde, das Festland beschränkte sich auf kleine Inseln.

Vor ca. 4,1 bis 3,8 Milliarden Jahren begann das late heavy bombardement. Zahlreiche bis zu 250 km durchmessende wasserhaltige Asteroiden und Kometen stürzten auf die Erde und durchschlugen dabei oft die sich bildende Erdkruste. Dadurch kam sehr viel Wasser auf die noch sehr heiße Erde. Das Wasser verdampfte sofort und reicherte sich in der Atmosphäre an. Als die Erde dann weiter abkühlte, regnete das Wasser herab und bildete in den nächsten Jahrmillionen die ersten Seen, später dann Ozeane. Man nimmt an, dass diese Wassermenge ungefähr der heute in den Ozeanen vorhandenen Wassermenge entspricht.

Langsam kam auch der Kohlenstoffkreislauf in Gang. Da sich noch kein Leben auf der Erde gebildet hatte, bestand dieser C-Kreislauf nur aus drei Komponenten, nämlich der Silikatverwitterung auf dem Festland, der Carbonatbildung im Ozean und der Entgasung von Kohlendioxid durch Vulkanismus ^[1].

Verwitterung von Silikaten:

$CaSiO_3 + 2 \ CO_2 + H_2O \to Ca^{2+} + 2 \ HCO_3^{-} + SiO_2$

Kalkbildung:

$Ca^{2+} + 2 \ HCO_3^{-} \to CaCO_3 + CO_2 + H_2O$

Vulkanismus:

$CaCO_3 + SiO_2 \to CaSiO_3 + CO_2$

Die Reaktionsgleichungen wurden dem Buch von Oschmann ^[1] entnommen und korrigiert.

Falls die Gleichungen nicht korrekt dargestellt werden, haben Sie gerade keine Internetverbindung oder Ihr Browser ist veraltet und unterstützt die MathJax-Erweiterung noch nicht.

Nachdem sich der Ozean mehr oder weniger vollständig gebildet hatte, setzte sich die Atmosphäre überwiegend aus CO₂ zusammen, geringen Mengen von N₂ und Spuren von Ar, Ne, CO, CH₄ und NH₃.

Obwohl noch kein Leben auf der Erde existierte, verringerte sich der Kohlendioxid-Anteil in der Atmosphäre in den nächsten Jahrmillionen durch anorganische Prozesse wie beispielsweise Carbonatbildung.

Entstehung der Moleküle des Lebens

Eine abschließende Antwort auf die Frage, wie das Leben auf der Erde entstanden ist, gibt es noch nicht. Es gibt aber einige Theorien, wie die ersten organischen Moleküle und Makromoleküle entstanden sein könnten, ohne die sich die ersten Zellen ja nicht hätten bilden können.

Ursuppen-Theorie

Früher sprach man von einer "Ursuppe". In dem frühen Ozean sollen sich durch Einwirkung von Sonnenlicht und elektrischen Entladungen (Blitze) aus anorganischen Verbindungen wie Methan, Kohlendioxid und Ammoniak erste organische Moleküle wie Ameisensäure, Essigsäure und einfache Aminosäuren gebildet haben, die dann später zu Makromolekülen zusammengetreten sind. Berühmt ist hier vor allem das Experiment von Miller und Urey von 1953, das heute in jedem guten Schulbuch zu finden ist.

Das Miller-Urey-Experiment
Miller-Urey-Experiment.png: Xerxes2k 13:18, 15 October 2005 (UTC) / derivative work: Gerbil, CC BY 2.5, via Wikimedia Commons

Zitat aus dem Wikipedia-Artikel "Miller-Urey-Experiment":

"Das Miller-Urey-Experiment dient der Bestätigung der Hypothese, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre die Bildung von organischen Verbindungen, insbesondere Aminosäuren, als Voraussetzung für die Entstehung primitiver einzelliger Lebensformen möglich ist (chemische Evolution). Stanley Lloyd Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago Umweltbedingungen, wie sie nach damaligem Forschungsstand in der Frühphase der Erdgeschichte (spätes Hadaikum) geherrscht haben könnten, und untersuchte, welche komplexen organischen Moleküle sich unter diesen Bedingungen bilden können."

Panspermie-Theorie

Nach dieser Theorie, die von Svante Arrhenius bereits 1908 aufgestellt wurde, entstand das Leben nicht auf der Erde, sondern kam mit Meteoriten auf unseren Planeten. Auch Francis Crick, einer der beiden "Erfinder" des Watson-Crick-Modells der DNA, vertrat die Panspermie-Theorie. Weitere berühmte Anhänger dieser Theorie waren Leslie Orgel und Fred Hoyle. Die meisten heutigen Wissenschaftler lehnen diese Theorie jedoch als zu unwahrscheinlich ab. Außerdem löst diese Theorie nicht das eigentlich Problem: Wie ist das Leben überhaupt entstanden?

Eisen-Schwefel-Welt

Hier wird die Entstehung der organischen Moleküle durch Anlagerung von anorganischen Verbindungen an Metall- oder Mineraloberflächen erklärt. Eine ständig nasse Umgebung ist dafür dann nicht notwendig, und es können sich leichter große Makromoleküle bilden, die ja eine Voraussetzung für die Bildung der ersten Zellen sind. Vor allem sind die Moleküle nach dieser Theorie keiner schädlichen UV-Strahlung ausgesetzt, die ja in der Lage ist, Makromoleküle wieder zu zerstören.

Entstehung der ersten Zellen

Auch zu dieser Frage gibt es mindestens zwei "große" und miteinander konkurrierende Theorien.

Replikation zuerst: Nach dieser Theorie entstand die RNA als Erstes. Aufgrund der komplementären Basenpaarung konnten sich RNA-Moleküle problemlos replizieren.

Stoffwechsel zuerst: Nach dieser Theorie entstanden zunächst kleine Vesikel aus Lipiden mit Hohlräumen, in denen chemische Reaktionen unabhängig von der Außenwelt abliefen.

Es ist auch denkbar, dass beide Theorien zutreffen, dass sich also Lipid-Vesikel mit einer primitiven Membran gebildet haben, die replikationsfähige RNA-Moleküle einschlossen.

Wie genau die Entstehung der ersten Zellen abgelaufen ist, ist aber noch völlig unklar. Molekulargenetische Analysen bestätigen jedoch die Theorie, dass alle heutigen Lebewesen tatsächlich von einer einzigen Vorläuferzelle abstammen, die sich im späten Hadaikum gebildet hat. LUCA wird diese Zelle genannt, das ist die Abkürzung für "Last universal common ancestor", also "letzter gemeinsamer Urahn aller Lebewesen".

Wer Science Fiction liebt, kennt sicherlich die Kurzgeschichte von Stanislaw Lem, nach der das Leben auf der Erde entstanden ist, weil ein unaufmerksamer Astronaut einer fernen Zivilisation einen Eimer mit Spülwasser auf der jungfräulichen Erde entleert hat, obwohl solche Aktionen streng verboten waren, wegen der nicht absehbaren Folgen. Das ist jedenfalls eine schöne Variante der Panspermie-Theorie.

Entstehung der Stoffwechselwege

Wenn man einen molekularen Stammbaum der heute lebenden Organismen aufstellt, kommt man zu dem Ergebnis, dass die Archaea die ursprünglichsten Lebewesen sind. Wahrscheinlich sind sie schon im späten Hadaikum entstanden. Die Stoffwechselreaktionen dieser Prokaryoten sind recht einfach und laufen ohne Sauerstoff ab (anaerob). Schwefel-Reduktion, Bildung von Methan und verschiedene Gärungsprozesse sind vermutlich die ältesten Stoffwechselwege. Auch die sogenannte anoxische Photosynthese (eine Photosynthese, bei der kein Sauerstoff entsteht) ist vermutlich über 4 Milliarden Jahre alt:

$6 \ C O_2 + 12 \ H_2S + Licht \to C_6H_{12}O_6 + 6 \ H_2O + 12 \ S$

Andere mögliche frühe Stoffwechselreaktionen liefen ähnlich ab, zum Beispiel so:

§6 \ C O_2 + 6 \ S^{2-} + 12 \ H_2O + Licht \to C_6H_{12}O_6 + 6 \ SO_4^{2-}§

Allen diesen Stoffwechselwegen gemein ist die Reduktion von Kohlendioxid zu Glucose bzw. Saccharose, ähnlich wie bei der heutigen Photosynthese. Damit CO₂ reduziert werden kann, muss ein Reduktionsmittel bereit stehen, das dann entsprechend oxidiert wird. Das kann beispielsweise Schwefelwasserstoff H₂S sein, der Schwefel S oder Schwefeldioxid SO₂ oxidiert wird. Auch die Sulfid-Ionen S^2- von Eisensulfid FeS können leicht zwei Elektronen abgeben, wobei dann ebenfalls elementarer Schwefel entsteht. Andere Stoffwechselwege nutzten Fe²⁺-Ionen als Reduktionsmittel, bei der Oxidation dieser Ionen entstehen dann Fe³⁺-Ionen. Auch die Nitrat-Reduktion oder die Sulfat-Reduktion kamen in dieser frühen Phase des Lebens mit hoher Wahrscheinlichkeit vor.

Alternative Theorie zum Hadaikum

In einem kurzen Artikel in Spiegel online von 2005 kann man lesen, dass die Wissenschaftler Bruce Watson und Timothy Harrison Untersuchungen an Zirkonkristallen gemacht haben, die den Schluss nahelegen, "dass die Erde etwas 200 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems feucht und womöglich sogar von Ozeanen bedeckt war ... Auch Lebewesen hätten unter diesen Umständen bereits sehr früh entstehen können". ^[4]