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Chemische Evolution (Basiswissen)

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Bio-Team
Chemische Evolution (Basiswissen)
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Grundlagen zum Thema Chemische Evolution (Basiswissen)

Inhalt

Chemische Evolution – Biologie

Vor 4,6 Milliarden Jahren ist die Erde entstanden. Sie war zunächst ein brodelnd heißer Planet ohne feste Kruste. Leben gab es zu diesem Zeitpunkt nicht auf der Erde. Seitdem haben sich zahlreiche komplexe Lebewesen auf der Erde entwickelt. Wie konnte aus einem unbelebten Planeten eine Erde entstehen, auf der es so viele verschiedene Lebewesen gibt?
Damit Leben entstehen konnte, musste zunächst etwas geschehen, was wir heute chemische Evolution nennen. Der Ursprung des Lebens und die chemische Evolution liegen daher nah beieinander.
Es gibt verschiedene alternativ betrachtete Möglichkeiten zur Erklärung der chemischen Evolution und ihrer Entstehung. Das Urey-Miller-Experiment zeigt eine Theorie und Hypothese zur chemischen Evolution auf und beschreibt, welche Rolle das Wasser für die Evolution des Lebens hat.
In diesem Lerntext erfährst du kurz erklärt, was die chemische Evolution ist. Du lernst, was das Experiment von Miller und Urey zeigt und was Stanley Miller 1953 mit seinem Urozean-Experiment bewies und was all das mit der Entstehung des Lebens zu tun hat.

Was ist die chemische Evolution? – Definition

Einfach erklärt wird unter der chemischen Evolution die Bildung von organischen Verbindungen aus anorganischen Verbindungen und die darauf aufbauende Entstehung von Leben verstanden.
Organische Verbindungen sind Verbindungen, die zum großen Teil aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und bei denen mindestens eine Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff besteht. Die DNA und Aminosäuren bestehen beispielsweise aus organischen Verbindungen. Das Leben, so wie wir es kennen, ist also von organischen Verbindungen abhängig. Damit Leben entstehen konnte, mussten daher erst organische Verbindungen entstehen.

Theorien zur chemischen Evolution

Die genaue Ursache für die chemische Evolution auf der Erde ist nicht bewiesen. Eine Theorie zur chemischen Evolution ist, dass organische Verbindungen oder Bakterien durch Kometeneinschläge auf die Erde gelangten.
Eine andere Vermutung ist, dass durch die Bedingungen in der Uratmosphäre die Bildung organischer Verbindungen aus den anorganischen Verbindungen möglich war. Auf dieser Vermutung basiert auch das berühmte Urey-Miller-Experiment.

Die Bildung organischer Verbindungen führte schließlich dazu, dass Bakterien entstehen konnten. Zunächst entwickelten sich anaerobe Bakterien, also solche, die ohne Sauerstoff leben können. Später entwickelten sich Fotosynthese betreibende und aerobe Bakterien und schließlich mehrzellige Lebewesen.

Nur wie entstanden aus anorganischen Verbindungen organische Verbindungen? Dazu betrachten wir zunächst den Ablauf der chemischen Evolution, wie er heute vermutet wird.

Die Entstehung der Erde

Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren ist die Erde aus mit Staubkörnchen versetztem Gasnebel entstanden und zu einem riesigen Gesteinsklumpen herangewachsen. Die Oberfläche der Erde war sehr heiß und flüssig. Beim Abkühlen der Erde bildete sich eine feste Kruste.

Die Uratmosphäre – also der Gasmantel, den die Erde umgab – enthielt keinen Sauerstoff $(\ce{O2})$, sondern bestand aus den folgenden Verbindungen:

Verbindungen in Uratmosphäre Summenformel
Wasserstoff $\ce{H2}$
Methan $\ce{CH4}$
Ammoniak $\ce{NH3}$
Kohlenstoffmonoxid $\ce{CO}$
Wasserdampf $\ce{H2O}$

Beim Abkühlen der Erde kondensierte der Wasserdampf aus der Uratmosphäre zu Wasser, sodass Urozeane – die sogenannte Ursuppe – entstanden, die einfach erklärt aus Süßwasser und anorganischen Verbindungen bestanden. Nun weißt du, was die Ursuppe war. Zu den anorganischen Verbindungen zählen beispielsweise Calcium-, Phosphor- und Eisenverbindungen.

Vor etwa vier Milliarden Jahren entstand vermutlich das erste Leben in den Urozeanen.

Miller-Urey-Experiment

Wie unter solchen Bedingungen Leben entstehen konnte, kann man heute nur noch schwer nachprüfen. In einem Experiment stellten Stanley Miller und Harold Clayton Urey im Jahr 1953 deshalb die Bedingungen der Erde vor etwa vier Milliarden Jahren nach. Für die chemische Evolution war die Atmosphäre von Bedeutung, da in dieser Reaktionen abliefen.

Man ging davon aus, dass es in der Uratmosphäre viele Gewitter gab und dass die Blitze viel Energie lieferten. In dem Experiment führten Miller und Urey dem Gemisch aus Wasserdampf, Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid, Methan und Wasserstoff deshalb elektrische Ladung zu. Das Gemisch ahmte die Uratmosphäre nach. Aus den anorganischen Verbindungen sind in diesem Experiment nach acht Tagen organische Moleküle wie Aminosäuren entstanden.

Aminosäuren sind der Grundbaustein der Proteine, die jedes Lebewesen besitzt. Das Experiment von Miller und Urey deutet also darauf hin, dass in der Uratmosphäre die Bildung von organischen Verbindungen aus anorganischen Verbindungen möglich war. Ob die Bedingungen in der Uratmosphäre genau so waren wie in dem Experiment angenommen, kann man heute jedoch nicht mehr überprüfen.

Ursuppentheorie Aufbau Experiment Miller und Urey

Nun weißt du, was D. Miller nach seinen Versuchen mit der Ursuppe entdeckte und welche Stoffe Miller in der Ursuppe nachweisen konnte.

Erste Lebewesen

Fossilfunde können belegen, dass es erstes Leben vor etwa 3,8 Milliarden auf der Erde gab. Es handelte sich um einzellige, anaerobe Bakterien, die ohne Sauerstoff leben. Man geht davon aus, dass es vor den einzelligen Lebewesen eine Art Vorläufer des einzelligen Lebens gab, die als Protobiont bezeichnet wird. Die Abbildung zeigt eine Übersicht über den Verlauf der chemischen Evolution in Schritten von anorganischen und organischen Molekülen über Protobionten (Protozellen) und RNA bis hin zu Prokaryoten.

chemische Evolution in Schritten

Erste atmende Organismen

Es entstanden erste blaugrüne Bakterien, die Fotosynthese betreiben konnten. Diese sind die Vorfahren der heutigen Cyanobakterien. So reicherten sich die Atmosphäre und die Urozeane mit Sauerstoff an, was zu weiteren Veränderungen führte.

Diesen Sauerstoff nämlich konnten andere Lebewesen nutzen und daraus Energie gewinnen: Die aeroben Bakterien waren leistungsfähiger und setzten sich gegenüber den anaeroben Bakterien durch. Heutzutage findet man anaerobe Bakterien in der Tiefsee oder in der Nähe von heißen Quellen – also überall dort, wo es nur wenig oder keinen Sauerstoff gibt.

Es entwickelten sich im Laufe der Zeit mehrzellige Lebewesen wie die grünen Fadenalgen. Durch den erhöhten Sauerstoffanteil in der Atmosphäre entstanden immer komplexere Lebewesen, die Sauerstoff im Rahmen der Zellatmung zur Energiegewinnung nutzen. Dadurch kam es im Laufe der Zeit zu einer Evolution des Stoffwechsels.

Chemische Evolution – Zusammenfassung

Unter der chemischen Evolution ist die Entstehung des Lebens durch die Bildung von organischen Verbindungen aus anorganischen Verbindungen gemeint. Es gibt mehrere Theorien zu der chemischen Evolution, wovon eine durch Miller und Urey in einem Experiment überprüft wurde. Durch elektrische Entladungen in der Uratmosphäre fanden in diesem Experiment Reaktionen statt, die zur Bildung organischer Verbindungen wie Aminosäuren führten.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zu dem Thema Chemische Evolution, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Damit bist du bestens auf ein Referat zur chemischen Evolution vorbereitet. Viel Spaß!

Transkript Chemische Evolution (Basiswissen)

Die Erde ist vor 4,6 Milliarden Jahren entstanden. Da sah sie wahrscheinlich so aus. Du kannst dir sicher vorstellen, dass auf dieser brodelnd heißen Erde kein Leben existierte, oder? Aber weißt du, was passieren musste, damit die Erde und das Leben sich so entwickeln konnten, wie du sie heute kennst?

In diesem Video möchte ich dir erklären, welche chemischen Prozesse ablaufen mussten, damit Leben entstehen konnte. Ich werde dir auch zeigen, wie sich erste Bakterien auf der Erde entwickelten. In diesem Film werden dir also die chemische und die frühe biologische Evolution erklärt.

Die Erde entstand vor ca. 4,6 Milliarden Jahren aus einem Gasnebel versetzt mit Staubkörnchen, der zu einem großen Gesteinsklumpen heranwuchs. Die Erdoberfläche war zunächst flüssig und heiß. Erst als die Erde abkühlte, bildete sich eine feste Kruste.

Die Atmosphäre, also der Gasmantel um die Erde herum, bestand zu dieser Zeit aus Wasserstoff, Methan, Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid und Wasserdampf. Sie wird als Uratmosphäre bezeichnet. Es gab also keinen Sauerstoff. Leben war nicht vorhanden. Was ist also passiert?

Als die Erde weiter abkühlte kondensierte der Wasserdampf der Uratmosphäre zu Wasser. So entstanden die Urozeane, die oft auch als Ursuppe zusammengefasst werden. Sie enthielten Süßwasser und viele anorganische Verbindungen, wie z.B. Calcium-, Phosphor- und Eisenverbindungen. Das erste Leben entstand in den Urozeanen wahrscheinlich vor 4 Milliarden Jahren.

Aus den anorganischen Verbindungen im Wasser mussten also seit Entstehung der Erde organische Moleküle entstanden sein. Diese Entwicklung wird als chemische Evolution bezeichnet. Wie es dazu kommen konnte, ist bis jetzt nicht bewiesen.

Der amerikanische Chemiestudent Stanley Miller stellte zusammen mit Harold Clayton Urey 1953 in einem Versuch die Bedingungen auf der Erde vor 4 Milliarden Jahren nach.

Dafür führten sie einem Gemisch aus Wasserdampf, Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid, Methan und Wasserstoff elektrische Ladungen zu. Man geht nämlich davon aus, dass zu dieser Zeit viele Gewitter auf der Erde stattfanden. Die Blitze lieferten viel Energie. Nach acht Tagen entstanden in der Apparatur aus anorganischen Verbindungen organische Moleküle.

Sie konnten z.B. Aminosäuren nachweisen. Sie sind die Grundbausteine der Eiweiße und damit der Lebewesen. Das Experiment wird als Miller-Urey-Experiment bezeichnet. Diese Ergebnisse zeigen, dass unter den Bedingungen der Uratmosphäre die Entstehung von organischen Molekülen möglich war.

Eine weitere Vermutung ist, dass Kometeneinschläge organische Verbindungen oder Bakterienleben auf die Erde gebracht haben. Die Frage, wie die chemische Evolution genau abgelaufen ist, bleibt also noch offen.

Fossilfunde belegen aber, dass es vor etwa 3,8 Milliarden Jahren erstes Leben auf der Erde gab. Das waren Bakterien, also einfache einzellige Lebewesen. Diese Bakterien lebten noch ohne Sauerstoff, also anaerob. Sie waren sehr lange Zeit die einzigen Lebewesen auf der Erde.

Vor ca. 2,5 Milliarden Jahren traten die Vorfahren der heutigen Cyanobakterien auf. Das waren blaugrüne Bakterien, die auch Fotosynthese betreiben konnten. Die Atmosphäre und der Urozean wurden durch sie mit Sauerstoff angereichert. Du kannst dir sicher vorstellen, dass es dadurch zu großen Veränderungen kam.

Die aeroben Bakterien waren aufgrund der Fotosynthese leistungsfähiger als die anaeroben Bakterien und setzten sich so durch. Man findet anaerobe Bakterien, heute noch in der Tiefsee oder in der Nähe von heißen Quellen, wo kein oder nur sehr wenig Sauerstoff vorkommt.

Durch die Anreicherung der Atmosphäre mit Sauerstoff entwickelten sich dann nach und nach mehrzellige Lebewesen, wie z.B. grüne Fadenalgen. Durch den erhöhten Sauerstoffanteil in der Atmosphäre konnten auch komplexe Lebewesen entstehen, die den Sauerstoff in ihrer Zellatmung effektiver für die Energiegewinnung nutzten.

Einige wichtige Aspekte zur Entstehung des Lebens auf der Erde sind noch unerforscht oder bleiben Hypothesen. Aber folgendes weißt du nun: Dafür, dass überhaupt lebende Zellen entstehen konnten, mussten aus den vorhandenen anorganischen Verbindungen zunächst organische Moleküle entstehen. Das nennt man chemische Evolution. Aus diesen organischen Verbindungen sind Bakterien, also lebende Zellen, entstanden. Sie lebten anaerob, also ohne Sauerstoff.

Später entstanden auch Bakterien, die Fotosynthese betrieben, also Sauerstoff an die Umgebung abgaben. Schließlich kam es auch zur Entstehung mehrzelliger Lebewesen. Du darfst aber nicht vergessen, dass diese Entwicklungen sehr langsam geschehen sind. Die Erde ist schon vor 4,6 Milliarden Jahren entstanden! Tschüss und bis zum nächsten Mal.

7 Kommentare

7 Kommentare
  1. Das war mein Freund BTW sorry dafür

    Von Itslearning Nutzer 2535 402681, vor mehr als einem Jahr
  2. Was nein Hund ich glaubecx

    Von Itslearning Nutzer 2535 402681, vor mehr als einem Jahr
  3. Hallo,
    das ist vollkommen richtig. Leider sind die Informationen hier irritierend platziert. Wichtig ist, dass aerobe Organismen zum Überleben Sauerstoff benötigen, der von photosynthetischen Organismen gebildet wird. Es gibt tatsächlich auch photosynthetische aerobe Bakterien, das bedeutet aber nicht, dass alle aeroben Bakterien Fotosynthese betreiben und somit Sauerstoff produzieren.
    Vielen Dank für die Anmerkung. Wir werden versuchen, den Teil des Videos verständlicher zu gestalten.
    Viele Grüße aus der Redaktion!

    Von Serpil K., vor mehr als 5 Jahren
  4. Das Video ist wirklich gut gemacht. Allerdings sind anaerobe Bakterien diejenigen, die ohne Sauerstoff leben können. Aerobe Bakterien bedeutet aber nicht, dass sie Sauerstoff herstellen, sondern dass sie Sauerstoff zum Leben brauchen. So wäre jedenfalls die Definition von aerob und anaerob.

    Von Pilvi42, vor mehr als 5 Jahren
  5. Ich finde das Video total gut und verständlich. Habe aus Krankheitsgründen die ganzen Stunden verpasst.

    Von Claudianeeb67, vor etwa 6 Jahren
Mehr Kommentare

Chemische Evolution (Basiswissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Chemische Evolution (Basiswissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe, wie die Bakterien das Leben auf der Erde verändert haben.

    Tipps

    Diese Bakterien lebten aerob, das bedeutet, sie benötigten Sauerstoff für ihren Stoffwechsel.

    Lösung

    Die Entwicklung der Bakterien hat das Leben auf der Erde sehr verändert. Die Vorfahren der heutigen Cyanobakterien waren in der Lage, die Atmosphäre und die Urozeane mit Sauerstoff anzureichern. Dies war Voraussetzung für die Entwicklung mehrzelliger Lebewesen, die auf Sauerstoff angewiesen sind.

  • Beschreibe die Entstehung der Erde.

    Tipps

    So sah unsere Erde vor 4,6 Milliarden Jahren aus.

    Lösung

    Der Quizmaster kann uns mit dieser Frage nicht mehr aus der Fassung bringen. Denn wir kennen ja nun die Antwort. Unsere Erde ist vor 4,6 Milliarden Jahren aus einem mit Staubkörnchen versetzten Gasnebel entstanden. Allerdings sah die Erde nicht gleich so aus, wie wir sie heute kennen. Zunächst war die Erdoberfläche flüssig und sehr heiß, erst später bildetet sich eine feste Kruste. Als die Erde abkühlte, kondensierte der Wasserdampf zu Wasser und es entstanden die Urozeane, die auch als Ursuppe bezeichnet werden. Zu diesem Zeitpunkt war kein Leben auf der Erde möglich und in der Uratmosphäre gab es noch keinen Sauerstoff.

  • Benenne einige Fakten rund um die Bakterien.

    Tipps

    Bei der Vermehrung wächst die Bakterienzelle an und die Zellbestandteile verdoppeln sich. Somit ist nach der Zweiteilung der Zelle in beiden Tochterzellen das Erbgut der Mutterzelle enthalten.

    Lösung

    Bakterien besitzen als Prokaryoten keinen echten Zellkern. Die Bakterienzelle ist generell sehr viel einfacher aufgebaut als die einer Pflanze oder einer Tierzelle.

    In der Regel vermehren sich Bakterien ungeschlechtlich durch Zweiteilung. Dabei sind die Nachkommen eines Bakteriums untereinander genetisch identisch, sodass man hier auch von Klonen spricht.

    Bakterien haben verschiedene Stoff- und Energiewechselprozesse. Es gibt sowohl heterotroph als auch autotroph lebende Bakterien.

  • Erkläre verschiedene Stoffwechselwege der Bakterien.

    Tipps

    Viele Mikroorganismen betreiben Gärung so wie die Milchsäurebakterien, deren Ausscheidungsprodukt Milchsäure ist. Die Gärung verläuft anaerob.

    Die Zellatmung ist eine heterotrophe Ernährungsform.

    Lösung

    Bakterien leben auf unserer Erde schon seit vielen Jahren. Aufgrund der unterschiedlichen Lebensräume, die sie besiedeln, haben sie unterschiedliche Stoff- und Energiewechselprozesse entwickelt.

    Bei der Zellatmung handelt es sich um eine aerobe Ernährungsform, denn es wird Sauerstoff für den Abbau organischer Stoffe benötigt. Anders ist dies bei der Gärung, hier werden ohne Sauerstoff energiereiche organische Stoffe abgebaut.

    Die Fotosynthese und Chemosynthese sind autotrophe Energiestoffwechsel. Der Aufbau energiereicher organischer Stoffe geschieht entweder durch die Nutzung chemischer Energie (= Chemosynthese) oder durch die Nutzung des Sonnenlichts (= Fotosynthese).

  • Beschreibe das Miller-Urey-Experiment.

    Tipps

    Das Wasser wurde im Kolben erhitzt und zum Kochen gebracht, es entstand so Wasserdampf.

    Lösung

    Die Ergebnisse des Miller-Urey-Experiments, oder auch Ursuppen-Experiment bezeichnet, zeigen, dass unter Bedingungen der Uratmosphäre die Bildung organischer Verbindungen möglich ist.

    Die beiden Forscher verwendeten einen mit Wasser gefüllten Kolben und brachten dieses Wasser zum Kochen. Der entstandene Wasserdampf wurde mit Kohlenmonoxid, Methan, Ammoniak und Wasserstoff angereichert. Durch zwei Elektroden, die Funken produzierten, wurden Blitze simuliert. Im Laufe des Experiments wurde das Gemisch immer wieder erneut zum Kochen gebracht und abgekühlt. Dies simulierte die damaligen Umweltbedingungen.

    Am Ende des Versuchs konnten die beiden Forscher organische Verbindungen, wie Aminosäuren, nachweisen.

  • Erkläre verschiedene Evolutionstendenzen.

    Tipps

    Die Lungen der Lurche sind sehr einfach gebaut. Bei den Reptilien nimmt die Komplizierung zu, die Lungenoberfläche ist vergrößert und sie können mehr Sauerstoff aufnehmen.

    Die Zellen der Lebewesen sind in Bau und Funktion zunehmend differenziert. Das rote Blutkörperchen zum Beispiel ist für den Sauerstofftransport zuständig.

    Lösung

    In der Evolution kann man verschiedene Tendenzen erkennen.

    Zum Beispiel wird der Aufbau der Atmungsorgane im Laufe der Evolution immer komplexer, die Leistungsfähigkeit der Organe steigt an. Man spricht von der Evolutionstendenz Komplizierung.

    Bei der Differenzierung kann man erkennen, dass die Zellen der Lebewesen in Bau und Aufgabe immer differenzierter werden. Einige sind auf bestimmte Aufgaben spezialisiert.

    Die Spezialisierung meint die Anpassung der Lebewesen an verschiedenen Umweltbedingungen.

    Der Zentralisierung dient das Nervensystem als Beispiel. Quallen, die früh in der Evolution entstanden sind, besitzen ein diffuses Nervensystem ohne Knotenpunkte. Beim Menschen ist das Nervensystem hoch entwickelt. Das Gehirn und Rückenmark bildet das zentrale Nervensystem, hier hat eine starke Zentralisierung stattgefunden.

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