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Netze und dynamische Systeme
Blitzlichter aus der physikalischen, chemischen und biologischen Evolution

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Blitzlichter aus der physikalischen Evolution
 

Man geht heute in der Regel nicht mehr von der Theorie eines einmaligen Urknalls aus, sondern glaubt zu erkennen, dass der gesamte Kosmos ein pulsierendes System ist. In dem in unermesslich langen Zeiträumen von 10^18 Jahren immer wieder ungeheure Verdichtungen der Materie mit neuen Urknällen wechseln. Bei dieser Vorstellung wird die Zeit also zirkulär gedacht.
Für den Zeitpunkt 0.01 Sekunde nach dem letzten Urknall, aus dem dann ganz viel später auch unsere Erde entstanden ist, lässt sich das folgende Bild zurückrechnen: Protonen und Neutronen sowie Elektronen und Positronen schwirren durch den noch ganz jungen Raum, der gleichzeitig vor 0,01 Sekunden mit der Zeit entstanden ist. Das Teilchengas hat eine Temperatur von 100 Milliarden Grad und ist somit im Zustand der höchsten Unordnung (thermodynamisches Chaos).
Erste Ordnungen und damit auch Energie entsteht mit der Abkühlung durch Ausdehnung des Raumes.
Gleichzeitig läuft die Zeit weiter. Energie ist die andere Seite der Materie, wie der Raum die andere Seite der Zeit ist. Physiker sprechen vom vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum.
Für den Zeitpunkt 700 000 Jahre nach dem Urknall lässt sich der folgende Zustand zurückrechnen: Protonen und Neutronen ordnen sie sich zunächst in Wasserstoff- und Heliumkernen. Es ordnen sich aber auch die Elektronen zu Hüllen und damit beginnen die rhythmischen Erscheinungen in Wasserstoff- und Helium-Atomen.

     
Blitzlichter aus der chemische Evolution
  Etwa 5 Milliarden Jahre nach dem letzten Urknall ist die Milchstraße und in dieser das Sonnensystem mit dem Planeten Erde entstanden. Auf der brodelnd kochenden Erdoberfläche waren heftige und beständige Vulkanausbrüche die Regel. Dabei entstanden Metan, Amonniak, Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf. Diese Gase bildeten die Atmosphäre der Erde, in der starke Luftbewegungen, dichte gewittrige Bewölkungen, starke Regenfälle und hohe Temperaturen vorgeherrscht haben müssen.
     

Blitzlichter aus den Anfängen des Lebens auf der Erde

 

 

 

 

  

Auf der Suche nach möglichen Mechanismen der Entstehung des Lebens auf der Erde führte der amerikanische Student L.S. Miller das folgende Experiment durch: Er schloss ein Gasgemisch, wie man es für die Atmosphäre der Erde annimmt, in eine Glasapparatur ein und sorgte auch dafür, dass das Gasgemisch ständig in Zirkulation war und dabei eine Funkenstrecke passierte. Er simulierte gewissermaßen den Zustand der zuvor beschriebenen Erde.
In der entstandenen Lösung konnte Miller nach einiger Zeit Aminosäuren nachweisen und diese sind eine entscheidende Grundlage für Nukleinsäuren, aus denen auch die Desoxiribonukleinsäure DNS besteht.
Miller gelang also der Nachweis, dass sich in der reduzierenden Atmosphäre der Erde organische Stoffe bilden konnten. Das war im Jahre 1953 ein sensationelles Ergebnis. Denn bis dahin nahm man an, dass nur von lebenden Wesen organische Stoffe erzeugt werden konnten.
Auf der Erde entstanden organische Stoffe in großen
Mengen. Sie wurden ins Meer gespült und konnten dort mit anderen Stoffen reagieren.
Diejenigen chemischen Reaktionen liefen am effektivsten ab, die sich gegenseitig unterstützten. Sie häuften also ihre Endprodukte am stärksten an. Gegenüber anderen Reaktionen hatten sie also den ungeheuren Vorteil, dass sie genau in diese Umwelt passten. Sie hatten gegenüber anderen Reaktionen, wie man sagt, einen Selektionsvorteil. Und so entstand eine konzentrierte, für heutige Verhältnisse übelriechende giftige Brühe: die Ursuppe für Leben, wie sie heute genannt wird.

     

Ein skizzenhafter Exkurs über Zyklen und Hyperzyklen und ihre Bedeutung für sich selbst organisierende Prozesse

 

   Zur Beschreibung einer chemischen Reaktion benötigt man zwei sich gegenseitig ergänzende Modell-Konzepte:
1. das Modell-Konzept des Reaktionsgleichgewichtes, also das des hinreichenden Stoffes in möglichst chaotischem Zustand und
2. das Modell-Konzept der Reaktionsgeschwindigkeit, also das der Änderung der Stoffmenge in der Zeit.
Etwas weniger wissenschaftlich formuliert, kann man sagen: Eine Reaktion läuft so lange ab, wie immer wieder zueinander passende Bausteine am Ort der Reaktion vorhanden sind und hier auch in einer bestimmten Menge innerhalb einer festen Zeitspanne zur Verfügung stehen. Zyklische Reaktionen finden wir in Reaktionsketten, deren Endprodukt wieder in den Anfang der Kette einmündet.
Der Harnstoffzyklus in heutigen Zellen entspricht diesem Prinzip.
     

Was war aber das Besondere am Anfang des Lebens
auf der Erde?

 

  

Heute wird angenommen, dass die Bildung von Nukleinsäuren in der Ursuppe der Erde in einem Hyperzyklus von Proteinsynthese und Nukleinsäurevermehrung verlief, der sich gegenüber anderen Zyklen durchgesetzt hat, weil

  1. die Mengenverhältnisse der Stoffe zueinander passten,
  2. die Eigenzeiten der einzelnen Zyklen ebenfalls zueinander passten und
  3. am Ort der Reaktion immer wieder die notwendigen Bauteile vorhanden waren.

Dafür, dass am Ort der Reaktion immer wieder die notwendigen Bauteile vorhanden waren, sorgte ein großes chaotisches Durcheinander, bedingt durch die Bedingungen auf der Erdoberfläche zu dieser Zeit. Durch Passung und Chaos sind in Selbstorganisation Stoffe entstanden, die die Eigenschaft besitzen, Grundbausteine für das Leben in der Folgezeit der Evolution zu liefern. Diese Prinzipien von Passung, Chaos und Selbstorganisation treffen auch schon auf die physikalische Evolution zu und auch heute noch.

     
Ein Blitzlicht auf eine sehr frühe Umwelt-Katastrophe
  Wissenschaftler sprechen natürlich nicht von einer Katastrophe, sondern von einer gewaltigen Umorganisation. Was geschah?
In der Ursuppe entwickelten sich über einen Zeitraum von etwa 200.000.000 Jahren (also in einem Zeitraum, der 2000 mal solange ist, wie der Mensch auf der Erde lebt), - per Passung, Chaos und Selbstorganisation - Chloroplasten: also erstes Grün! Und dieses fand reichlich Kohlendioxid, Wasser und Lichtenergie, um Sauerstoff zu produzieren.
Das sich entwickelnde "Grün" hatte gegenüber den anderen lebenden Organismen einen erheblichen Selektionsvorteil, der aber auch bewirkte, dass sich die Atmosphäre immer mehr mit Sauerstoff anreicherte. Und der wirkte auf viele bis dahin lebende Organismen wie Gift. Ein gewaltiges, ungeheures Artensterben war die Folge.
     
Blitzlichter zur weiteren biologischen
Evolution der Arten
  Die biologische Evolution lief - vereinfacht und zusammengerafft - nach folgendem Schema ab: In den Nukleinsäuren sind genetische Informationen gespeichert. Diese werden aber immer wieder - und auch heute noch - durch Mutationen abgewandelt und auf dem Weg der Vererbung an die nächstfolgende Generation weitergegeben. Und immer wieder setzten sich dann selbstorganisiert diejenigen Lebewesen durch, die am besten in die entstandene Umgebung passten. Immer wieder haben wir emergente Erscheinungen, nämlich immer wieder neue Arten und schließlich vor 200 000 Jahren dann auch den Homo Habilis.
Aber alle Arten entwickeln sich stofflich angepasst an ihren jeweiligen Lebensraum (Biotop) und eigenzeitlich eingepasst in ihre jeweilige Lebensgemeinschaft (Biozönose).
In den jeweiligen Lebensräumen eines Sees, eines Moores, einer Wiese, eines Waldes oder einer Wüste bestimmen u.a. das Licht, die Temperaturen, die chemische Zusammensetzung des Bodens und der Atmosphäre sowie die mit den Jahreszeiten zusammenhängenden Quantitäten die grundliegenden abiotischen Lebensbedingungen.
Das Nahrungsnetz einer Lebensgemeinschaft sorgt für notwendige Nahrungsbedingungen.
Was sich in der natürlichen Evolution also eigentlich entwickelt hat und weiter entwickeln wird, das sind also nicht isolierte Arten, sondern es sind Ökosysteme, die sich entwickelt haben und sich weiter entwickeln werden. In Ökosystemen sind alle einzelnen Elemente durch ihre gemeinsame Evolution sensibel aufeinander abgestimmt. Zum Beispiel passen die Lebenszeiten der einzelnen Arten, die Zyklen des chemischen Stoffwechsels in den einzelnen Arten, die Jahresrhythmen, die Dauer der Lichteinstrahlung, die Rhythmen der Niederschläge in einem Ökosystem alle gut zusammen. ....
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