Frühe biologische Evolution

Frühe biologische Evolution Übung

• Stelle die Entstehung der ersten Urzellen dar.

  Tipps

  Forscher nehmen an, dass sich auf der Oberfläche der Ursuppe Kohlenwasserstoffe befanden. Der hydrophile, polare Molekülteil ragte in die wässrige Flüssigkeit, während der hydrophobe, unpolare Teil in die Luft ragte. Aus solchen Kohlenwasserstoffen entstanden vermutlich die ersten einfachen Zellen.

  Lösung

  Durch einen Sturm konnten von Kohlenwasserstoff umgebene Wassertropfen aus der Ursuppe herausgerissen werden. Als diese Wassertropfen erneut in die Ursuppe gelangten, wurden sie wieder von einer Kohlenwasserstoffschicht umgeben. Die Moleküle lagerten sich dabei so an, dass der hydrophobe Molekülteil in Richtung der Kohlenwasserstoffschicht des Wassertropfens zeigte, während der hydrophile Teil in Richtung der wässrigen Flüssigkeit zeigte.

  Daraus entstand ein abgeschlossener Raum, der von einer Doppelmembran umgeben war – also die erste einfache Zelle.

• Definiere chemische Eigenschaften von Stoffen, die zur Bildung der ersten Urzellen beigetragen haben.

  Tipps

  Die meisten hydrophilen Stoffe sind gleichzeitig lipophob. Sie lösen sich also nicht in Fetten und Ölen. Dazu gehören Salze und polare Substanzen, die sich im ebenfalls polaren Wasser lösen.

  Die meisten hydrophoben Stoffe sind gleichzeitig lipophil. Sie lösen sich also gut in Fetten und Ölen. Dazu gehören Fette, Wachse und die meisten Alkohole.

  Polare Stoffe lösen sich sehr gut in polaren Lösungsmitteln. Salze lösen sich also gut in Wasser, da beide Stoffe polare Eigenschaften haben.

  Schauen wir uns das hier abgebildete Wassermolekül etwas genauer an: Hier kannst du ein negativ polarisiertes Sauerstoffatom und zwei positiv polarisierte Wasserstoffatome sehen. Die elektronische Gesamtladung ist also nicht neutral, da der Schwerpunkt der negativen Ladung und der Schwerpunkt der positiven Ladung nicht zusammenfallen.

  Lösung

  Hydrophile Stoffe lösen sich gut im Wasser. Sie sind meistens gleichzeitig lipophob. Das bedeutet, dass sie sich nicht gut in Fetten und Ölen lösen. Zu den hydrophilen Stoffen gehören zum Beispiel die Salze.

  Hydrophobe Stoffe lösen sich nicht gut im Wasser. Sie sind meist gleichzeitig lipophil, lösen sich also gut in Fetten und Ölen. Dazu gehören Wachse, Fette und die meisten Alkohole.

  Polare Stoffe haben eine ungleichmäßige Verteilung von Bindungselektronen und dadurch getrennte Ladungsschwerpunkte. Deshalb sind sie elektrisch nicht neutral. Wasser zum Beispiel hat ein negativ polarisiertes Sauerstoffatom und zwei positiv polarisierte Wasserstoffatome und ist deshalb polar.

  Kohlenwasserstoffe sind eine Stoffgruppe, die nur aus Kohlenstoffen und Sauerstoffen bestehen. Sie bilden Kohlenstoffketten- oder ringe und können sehr vielfältig gebaut sein. Kohlenwasserstoffe kommen in fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas und Erdöl vor.

• Erläutere, was unter der Endosymbiontentheorie verstanden wird.

  Tipps

  Bei der aeroben Energiegewinnung wird Sauerstoff benötigt. Sie heißt auch Zellatmung. Bei der anaeroben Energiegewinnung wird dagegen kein Sauerstoff benötigt.

  Lösung

  Die Endosymbiontentheorie besagt, dass vor Milliarden von Jahren verschiedene Zellen miteinander eine Verbindung eingegangen sind und dadurch zum gegenseitigen Vorteil zusammen weiter bestehen konnten. Diese Theorie erklärt die Entstehung von tierischen und pflanzlichen Zellen durch die Aufnahme von Einzellern, die zur Zellatmung beziehungsweise zur Fotosynthese fähig waren.

  Zu Beginn gab es zwei unterschiedliche Zellen. Die anaerobe Zelle gewann ihre Energie durch Gärung, während die aerobe Zelle ihre Energie bereits durch Zellatmung gewann. Die anaerobe Zelle nahm nun die aerobe Zelle auf, ohne sie zu verdauen. Die beiden Zellen wurden voneinander abhängig und brauchten sich gegenseitig, um zu überleben. Diesen Vorgang nennt man Endosymbiose. Die aufgenommene Zelle entwickelte sich zu einem Mitochondrium und behielt ihre Fähigkeit zur Zellatmung bei. Dadurch war nun auch die aufnehmende Zelle zur Zellatmung fähig. Diese Entwicklung geschah vor ungefähr 2 Milliarden Jahren.

  Vor etwa 1,5 Milliarden Jahren entwickelten sich dann aus solchen Zellen Pflanzenzellen. Dazu benötigten sie ein Cyanobakterium, das zur Fotosynthese fähig war. Eine vorhandene Zelle nahm das Cyanobakterium auf, welches auch weiterhin seine Fähigkeit zur Fotosynthese beibehielt und sich zu einem Chloroplasten weiterentwickelte. Diese Chloroplasten sind auch heute noch Bestandteile von Pflanzenzellen.

• Leite ab, welche Stoffe in der Ursuppe vorkamen und welche Verbindungen daraus enstanden sein könnten.

  Tipps

  Anorganische Stoffe sind Stoffe, die keine Kohlenstoffatome (C) enthalten. Es gibt jedoch wenige Ausnahmen. So gehören auch Kohlenmonoxid (CO) und das hier abgebildete Kohlendioxid (CO2) zu den anorganischen Stoffen.

  Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften sind in Stoffklassen zusammengefasst. Wichtige organische Stoffklassen sind Kohlenwasserstoffe, Alkohole und Carbonsäuren.

  Das Formaldehyd ist ein Alkohol, dem Wasser entzogen wurde.

  Lösung

  Die Ursuppe bestand aus anorganischen Stoffen wie Wasser, Methan, Kohlendioxid und Ammoniak. Bei seinem Experiment konnte Stanley Miller bereits nach einem Tag Aminosäuren nachweisen. Dies sind Bausteine der Proteine. Außerdem fand er Formaldehyd (ein dehydrierter Alkohol), Blausäure und Zucker.

  Über die genaue Zusammensetzung der Ursuppe wird zwar bis heute diskutiert. Stanley Miller konnte aber beweisen, dass aus anorganischen Stoffen organische Stoffe entstehen können.

• Ergänze, wie sich die ersten einfachen Zellen ernährten.

  Tipps

  Heute gibt es nicht nur Pflanzen, die Fotosynthese zur Energiegewinnung durchführen. Auch Cyanobakterien nutzen Licht als Energiequelle und setzen dabei Sauerstoff frei.

  Da Sauerstoff sehr reaktiv ist, reagiert er sehr leicht mit anderen Stoffen, wodurch neue Stoffe entstehen. Diese Stoffe wirkten auf viele Zellen der Ursuppe wie Gift, sodass die Zellen starben. Übrig blieben die Zellen, denen der Sauerstoff nichts anhaben konnte. Besonders erfolgreich waren solche Zellen, die den Sauerstoff sogar zur Energiegewinnung einsetzen konnten.

  Lösung

  Die Ursuppe enthielt organische Verbindungen, die von Zellen als Nahrung verwendet wurden. Als nicht mehr genügend solcher Verbindungen vorhanden waren, nahmen die Zellen sich gegenseitig auf, um den Bedarf an neuem Zellmaterial zu decken.

  Eine andere Möglichkeit bestand darin, die Lichtenergie der Sonne als Energiequelle zu verwenden, wobei Wasser gespalten und Sauerstoff freigesetzt wird. Diese Art der Energiegewinnung heißt Fotosynthese und wird auch heute von Pflanzen betrieben. Doch nicht nur Pflanzen, auch bestimmte Bakterien gewinnen auch heute noch auf diese Art ihre benötigte Energie.

  Sauerstoff ist sehr reaktiv und bildet zusammen mit anderen Stoffen ganz leicht neue Verbindungen. Sauerstoff wirkte dabei in der Ursuppe als Giftgas, durch das viele vorhandene Zellen starben. Es gab aber auch Zellen, denen der freigesetzte Sauerstoff nicht gefährlich wurde. Vielmehr konnten sie ihn sogar zur Energiegewinnung einsetzen.

• Bestimme die Zellorganellen, die sowohl in Tierzellen als auch in Pflanzenzellen vorkommen.

  Tipps

  Sowohl Pflanzenzellen als auch Tierzellen müssen die Proteinbiosynthese betreiben. Dabei werden aus Aminosäuren neue Proteine hergestellt. Dementsprechend brauchen auch beide Zelltypen die am Proteinaufbau beteiligten Zellorganellen.

  Als Turgordruck wird der Druck des Zellsaftes auf die Zellwand bezeichnet. Weißt du, bei welcher der beiden Zellformen eine Zellwand existiert? Dann kannst du auch ableiten, bei welcher Zellform Vakuolen zu finden sind.

  Lösung

  Zellorganellen, die in beiden Zelltypen vorkommen:

  Der Zellkern enthält den größten Teil der Erbinformation. Er ist bei der Proteinbiosynthese, genauer bei der Replikation und Transkription der DNA, beteiligt und steuert alle Prozesse, die in der Zelle ablaufen. Zellkerne kommen nur in eukaryotischen Zellen vor. In prokaryotischen Zellen liegt die DNA innerhalb der Zelle frei vor.

  Das endoplasmatische Retikulum (ER) dient der Aufnahme und Speicherung von Calcium. Ca-Ionen sind an der Signalübertragung von Nerven und Muskeln beteiligt. Außerdem ist das ER an der Proteinbiosynthese beteiligt und für die Entgiftung der Zelle zuständig.

  Der Golgi-Apparat liegt in der Nähe des Zellkerns. Er ist dafür zuständig, dass Proteine je nach Bestimmungsort modifiziert werden und auch tatsächlich an diesen Bestimmungsort innerhalb der Zelle versendet werden. Dieser Transport findet über Vesikel statt, in die die modifizierten Proteine verpackt und durch die Zelle transportiert werden.

  An den Ribosomen findet der letzte Teilschritt der Proteinbiosynthese statt. Sie übersetzen dabei die Erbinformation aus der mRNA zu Aminosäurenketten. Diese Ketten bilden die Proteine.

  Zellorganellen, die nur in Pflanzenzellen vorkommen:

  Die Vakuolen sind für die Erzeugung des sogenannten Turgordrucks innerhalb der Zelle zuständig. Außerdem müssen sie Wasser und Nährstoffe speichern.

  Die Zellwand dient der Stabilisierung und dem Schutz der Zelle gegen äußere Einflüsse wie Fressfeinde und Bakteriophagen. Da sie halbdurchlässig ist, kann außerdem der osmotische Druck innerhalb der Zelle gesteuert werden. Tierzellen haben keine Zellwand, sondern eine Zellmembran.

  Zellorganellen, die nur in Tierzellen vorkommen:

  Die Lysosomen haben vorrangig die Aufgabe, körpereigene und körperfremde Stoffe innerhalb der Zelle zu verdauen. Sie müssen zum Beispiel Giftstoffe wie Nikotin sowie körpereigene abgestorbene Zellteile speichern und abbauen.