Kirstin Gutekunst

Was entstand zuerst?

1: Grün ist bei Tieren eine seltene Farbe. Die abgebildete Meeresnacktschnecke Elysia timida frisst Algen. Sie lagert die mit der Nahrung aufgenommenen Chloroplasten unter ihrer Haut. Dadurch erscheint sie grün und kann im durchlichteten Wasser mit ihren Chloroplasten wie eine Pflanze leben. Aber weder Tiere noch Pflanzen sind die ursprünglichsten Lebewesen, die Zellatmung und Fotosynthese nutzen. Dazu weisen uns die Chloroplasten den Weg.
1: Grün ist bei Tieren eine seltene Farbe. Die abgebildete Meeresnacktschnecke Elysia timida frisst Algen. Sie lagert die mit der Nahrung aufgenommenen Chloroplasten unter ihrer Haut. Dadurch erscheint sie grün und kann im durchlichteten Wasser mit ihren Chloroplasten wie eine Pflanze leben. Aber weder Tiere noch Pflanzen sind die ursprünglichsten Lebewesen, die Zellatmung und Fotosynthese nutzen. Dazu weisen uns die Chloroplasten den Weg. , Foto: © Heike Wägele

Kirstin Gutekunst/Ulrich Kattmann

Fotosynthese oder Atmung? Stoffwechselprozesse evolutionär erklären

Heute leben autotrophe und heterotrophe Lebewesen miteinander und sind voneinander abhängig. Aber wie sind sie in der Erdgeschichte entstanden? Gab es zuerst autotrophe Lebewesen, die Nährstoffe synthetisierten, oder zuerst heterotrophe, die organische Stoffe energetisch nutzten? Das ist in der Wissenschaft umstritten. Oder entstanden beide Prozesse gleichzeitig?

Die Überschrift bezieht sich nicht allein auf die genannten Prozesse, sondern grundsätzlich auf Energienutzung: Fotosynthese steht für den Aufbau von Kohlenhydraten; Atmung für den Abbau von Kohlenhydraten. Was entstand also zuerst? Autotrophie oder Heterotrophie (Abb.1 )?
Da die Entstehung beider Prozesse sehr weit zurückliegt (ca. 2,5 – 3,2 Milliarden Jahre), ist es sehr schwierig, diese Frage zu beantworten. Auch wenn einiges aus dieser Zeit bekannt ist, kennen wir viele Faktoren nicht genau (wie die Temperatur oder die Zusammensetzung der Luft). Wir können die Vorgänge also nur auf Grundlage von dem rekonstruieren, was wir heute kennen. Alle Szenarien, die sich auf die Evolution der grundlegenden Stoffwechselprozesse beziehen, sind daher Hypothesen.
In der oxygenen Fotosynthese werden mittels der Nutzung von Sonnenenergie Kohlenhydrate aus CO2 synthetisiert und es entsteht Sauerstoff aus Wasser. Die sauerstoffbasierte Zellatmung ist eine Umkehrung dieses Prozesses. Kohlenhydrate werden zu CO2 abgebaut, Sauerstoff wird verbraucht und es entsteht wieder Wasser und die im chemischen System Kohlenhydrate Sauerstoff gespeicherte Energie wird freigesetzt. Welcher der beiden Prozesse hat sich zuerst entwickelt?
Zu der gestellten Frage gibt es in der Wissenschaft drei Antworten.
A) Die oxygene Fotosynthese kam zuerst. Denn wie kann sich eine sauerstoffbasierte Zellatmung ohne den Sauerstoff entwickeln, den die oxygene Fotosynthese liefert?
B) Die sauerstoffbasierte Zellatmung kam zuerst. Sie hat Elektronen auf die winzigen Mengen an Sauerstoff übertragen, die durch anorganische Fotolyse des Wassers in Spuren doch in der Uratmosphäre vielleicht vorhanden waren.
C) Das Leben beruht auf dem Verlauf chemischer Reaktionen in zwei Richtungen (Bidirektionalität). Oxygene Fotosynthese und sauerstoffbasierte Zellatmung sind gleichzeitig entstanden, denn die Prozesse sind voneinander abhängig:
  • Alle Lebewesen und alle Zellen auf dem Planeten Erde sind aus organischen Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Ein entscheidender Schritt für die Entwicklung des Lebens war daher die Fixierung von Kohlenstoffdioxid und die damit einhergehende Synthese von organischen Kohlenstoffverbindungen.
  • Alle Lebewesen sind darauf angewiesen, eine Energiequelle nutzen zu können, die es ihnen ermöglicht, ihre Lebensprozesse durchzuführen. Pflanzen nutzen dafür die Energie des Sonnenlichts, Tiere nutzen die Energie, die geliefert wird, wenn sie Kohlenhydrate wie z.B. Glukose mit Sauerstoff umsetzen (veratmen).
Die Hypothese von der Ursuppe, in der sich organische Substanzen durch physikalisch-chemische Prozesse vor dem Entstehen der Organismen anreicherten (Miller/Urey 1959) legt nahe, dass heterotrophe Organismen zuerst entstanden. Mit der Vorstellung, dass energetisch nutzbare Lebensprozesse an katalytisch wirkenden Grenzflächen entstanden, können dagegen autotrophe Prozesse favorisiert werden (Wächtershäuser 1990). Die Forschungen an Tiefseeschloten legen ebenfalls einen autotrophen Ursprung des Lebens nahe: Die erste Zelle war eine chemoautotrophe Zelle, die H2 nutzte, um CO2 zu fixieren (Martin/Russel 2003, Lane/Martin 2012, Russel/Nitschke/Branscomb 2013).
Gleichzeitiges Entstehen?
Die Vorstellung, dass zwei komplexe Lebensprozesse gleichzeitig entstanden sind, ist neu. Sie klingt zunächst gewagt, bei näherem Hinsehen ist sie jedoch faszinierend (Gutekunst 2018). Fotosynthese und Zellatmung können wegen ihrer Komplexität selbstverständlich nicht...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Biologie Nr. 455 / 2020

Pflanzenevolution

Beitrag aus Zeitschrift Unterricht Biologie Schuljahr 12-13