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Widerspricht Pasteurs Experiment einem Ursprung des Lebens?

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Nach meinem Verständnis zeigt Pasteurs Experiment, dass Leben nur aus Leben besteht. Wenn dies wahr ist, wie konnte dann der Ursprung des Lebens (auch bekannt als Abiogenese) jemals geschehen?

Mir scheint, dass Pasteurs Experiment und die Theorie der Abiogenese einander widersprechen. Tun sie?


Pasteurs Experimente zeigten, dass das Auftreten von lebenden Stoffen in verdorbenen Lebensmitteln (Sauerwein und dergleichen) nicht auf sogenannte spontane Generation von lebenden Organismen, sondern aufgrund der Vermehrung bereits vorhandener, aber unsichtbarer Mikroorganismen, die durch Sterilisation der Lebensmittelbehälter eliminiert werden könnten - daher der Begriff Pasteurisierung (zumindest in Großbritannien) zur Sterilisation von Milch verwendet.

Nicht mehr und nicht weniger. Seine Experimente sagen nichts über den Ursprung des Lebens auf der Erde aus und betrafen ihn nicht. Sie bezogen sich ausschließlich auf die vitalistische Fehlinterpretation alltäglicher Beobachtungen im Frankreich des 19. Jahrhunderts. Pasteur hat sich meines Wissens nie mit Darwins Evolutionstheorie beschäftigt. Die französische und britische Wissenschaft (sowie Pasteur und Darwin) hatten zu dieser Zeit unterschiedliche Philosophien und Schwerpunkte, und die Kontakte waren begrenzt.

Man kann fragen, was der Unterschied zwischen Abiogenese und spontaner Zeugung ist. Erstere sieht eine langsame Reihe chemischer Prozesse vor, die über Millionen von Jahren zu den ersten selbstreplizierenden Molekülen und in der Folge zu einfachen einzelligen Organismen führen – eine Idee, die erst nach dem Miller-Urey-Experiment wirklich an Fahrt gewann. Letzteres beinhaltet voll entwickelte Organismen, die in ein paar Tagen aus dem Nichts auftauchen - eine Art willkürliche nicht-christliche Version des Kreationismus.

Die Wissenschaftler, die die Idee einer Entstehung des Lebens aus anorganischer Materie entwickelten, waren sich der Bedeutung der Arbeit von Pasteur bewusst. Sie waren sich auch des späteren Fortschritts der Chemie und Biochemie bewusst. Es ist erwähnenswert, dass Pasteur so sehr damit beschäftigt war, die vitalistische Sichtweise (eine Art irrationaler Aberglaube, ähnlich dem Glauben an Magie) abzuwehren, dass Büchner, als er den Glukosestoffwechsel in Hefeextrakten ohne lebende Zellen nachwies, dies zu Unrecht ablehnte. (Das Wort Enzym meint in Hefe.)

Über Pasteur und die Spontangeneration lesen Sie hier, Büchner und den Liebig-Pasteur-Streit hier. Zu Pasteur gibt es auch einen langen Wikipedia-Eintrag – die französische Version ist noch umfangreicher. Wenn Sie interessiert sind, können Sie hier über seine angeblichen religiösen Ansichten lesen, aber Sie sollten bedenken, dass die Ansichten eines Wissenschaftlers, so berühmt sie auch sein mögen, nur dann von wissenschaftlichem Wert sind, wenn sie durch seine Experimente gestützt werden.


Betrachten Sie den Kontext. In der Antike und im Mittelalter dachte man ab Aristoteles, dass viele Lebewesen (von Mikroben bis Mäusen) durch spontane Zeugung entstehen würden. Scheint vernünftig genug; Wenn Sie nicht genau darauf achten, dass Tiere irgendwo hinkommen, und Sie keine Kenntnisse über mikroskopische Dinge haben, kann es leicht so aussehen, als ob Tiere gerade aus der Umwelt kommen. Nachdem die Aufklärungswissenschaftler einerseits die Fortpflanzung besser verstanden und viele Experimente durchgeführt hatten, die zeigten, dass sich unter bestimmten Bedingungen (wie zum Beispiel das Verschließen von Fleisch, damit Fliegen nicht daran gelangen können) Leben tatsächlich nicht spontan erzeugte in der Art und Weise, wie es zuvor angenommen wurde. An diesem Punkt wurde die Idee, dass alle Lebewesen aus der Reproduktion anderer Lebewesen derselben Art hervorgehen, zunehmend akzeptiert.

Pasteurs Experiment war mehr oder weniger die Todesglocke der spontanen Generationshypothese; einige frühere Experimente hatten gezeigt, dass Mikroben wuchsen, nachdem eine Flasche angeblich sterilisiert wurde, oder die Flasche steril hielt, indem sie Luft draußen hielten (was einem das Argument eröffnete, dass die spontane Erzeugung Luft erfordert). Seine zeigte Mikroben, die nicht in einer Flasche wuchsen, in der Luft strömen konnte, aber Staub setzte sich aufgrund ihrer Form nicht ab und wuchsen sofort, wenn die Flasche gekippt wurde und Staub hineinfiel.

Pasteurs Experiment hat nicht so sehr "bewiesen, dass Leben nur aus Leben kommt", sondern widerlegen eine spezifische andere Hypothese, die zu dieser Zeit existierte. Und insofern ist sie immer noch Konsensbiologie: Kein Biologe denkt heute daran, dass Schlangen, Mäuse, Mikroben oder gar Viren direkt durch abiotische Prozesse entstehen können. Wenn man "Leben" durch "modernes Leben" ersetzt, gilt das Prinzip unseres Wissens.

Jetzt hat sich die Biologie sehr weiterentwickelt, und es gibt einen anderen Kontext, in dem die Menschen unterschiedliche Fragen stellen und unterschiedliche Hypothesen aufstellen, um sie zu beantworten. Die Frage nach dem Ursprung des Lebens ist eine solche Frage, die nichts mit dem zu tun hat, was Pasteur beweisen wollte. Und hier wird der Vorbehalt des "modernen Lebens" relevant; Während alle modernen Lebewesen zu komplex und spezifisch sind, um direkt durch abiotische Prozesse zu entstehen, folgt daraus nicht, dass das gleiche für die ersten Lebewesen gilt. Wir wissen, dass Lebewesen früher anders waren als heute; und tatsächlich finden wir bei einem Blick in die Vergangenheit anhand von Fossilien und genetischen Beweisen klare Muster der allmählichen Entwicklung der Vielfalt und Komplexität der modernen Biosphäre von einfacheren und allgemeineren Vorfahren. Obwohl es schwieriger ist, Beweise für die Evolution früher Zellen zu finden, da die genetischen Beweise durch die beteiligten Zeitskalen verworren sind und die fossilen Beweise aus offensichtlichen Gründen so gut wie nicht vorhanden sind, ist es vernünftig, davon auszugehen, dass dort ähnliche Muster auftreten würden, und das die frühesten Zellen waren so anders und einfacher als eine moderne Zelle, wie es ein präkambrischer Wurm von uns ist.

Hier ist ein Video von Nick Lane, der über eine vielversprechende Hypothese über den Ursprung des Lebens spricht. Es veranschaulicht in gewisser Weise, wie unterschiedlich und einfacher diese ursprünglichen Lebewesen mit heutigen Organismen hätten verglichen werden können.

https://www.youtube.com/watch?v=gb7pZyks_HE&t=1151s


Pasteur hat das bewiesen moderne Lebensformen kann sich nicht aus unbelebten Dingen bilden. Das beweist nicht, dass es eine harte und helle Linie gibt, die verhindert, dass sich eine Mizelle, die enzymatische RNA enthält, ein wenig in etwas verwandelt, das wir als "Leben" erkennen würden.

Kennt Ihr Freund Friedrich Wöhler? Wer hat Harnstoff in einem Reagenzglas synthetisiert und damit bewiesen, dass sich die Chemie des Lebens nicht grundlegend vom Rest der Chemie unterscheidet?


2.4: Spontane Erzeugung und der Ursprung des Lebens

  • Beigesteuert von Michael W. Klymkowsky und Melanie M. Cooper
  • Professoren (MSCD und Chemie) an der University of Colorado Boulder und der Michigan State University

Die Allgegenwart von Organismen wirft offensichtliche Fragen auf: Wie begann das Leben und was führte zu all diesen verschiedenen Arten von Organismen? An einem Punkt glaubten die Leute, dass diese beiden Fragen eine einzige Antwort hätten, aber wir erkennen jetzt, dass es sich in Wirklichkeit um zwei ziemlich unterschiedliche Fragen handelt und ihre Antworten unterschiedliche Mechanismen beinhalten. Eine frühe Ansicht derjenigen, die über solche Dinge nachdachten, war, dass übernatürliche Prozesse das Leben im Allgemeinen und den Menschen im Besonderen hervorbringen. Die Artikulation der Zelltheorie und der Evolutionstheorie durch natürliche Auslese, auf die wir im nächsten Kapitel ausführlich eingehen werden, zusammen mit der Anhäufung von Daten lässt uns recht überzeugend den Schluss ziehen, dass das Leben einen einzigen erfolgreichen Ursprung hatte und dass verschiedene natürliche Evolutionsmechanismen Prozesse haben die Vielfalt des Lebens hervorgebracht.

Aber wie ist das Leben selbst entstanden? Früher war allgemein anerkannt, dass verschiedene Arten von Organismen wie Fliegen, Frösche und sogar Mäuse spontan aus unbelebter Materie entstehen können. 35 Zum Beispiel glaubte man, dass Fliegen aus verrottendem Fleisch und Mäuse aus Weizen hervorgehen. Wenn dies zutrifft, hätte eine fortlaufende Spontangeneration tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis biologischer Systeme. Wenn zum Beispiel spontane Generierung auf der Grundlage natürlicher Prozesse üblich war, muss ein ziemlich einfacher Prozess am Werk sein, ein Prozess, der (vermutlich) zu bemerkenswert komplexen Ergebnissen führen kann. Im Gegensatz dazu sind alle Wetten ausgeschlossen, wenn der Prozess übernatürlich ist. Wenn jeder Organismus unabhängig entstanden wäre, könnten wir erwarten, dass die Details auf molekularer Ebene jedes einzelnen einzigartig wären, da sie vermutlich unabhängig von verschiedenen Stoffen und unter anderen Bedingungen im Vergleich zu anderen Organismen entstanden sind. Wir wissen jedoch, dass dies nicht der Fall ist, da alle Organismen eindeutig verwandt sind und auf einen einzigen Vorfahren zurückgeführt werden können, worauf wir immer wieder zurückkommen.

Ein Schlüsselereignis in der konzeptionellen Entwicklung der modernen Biologie war die Veröffentlichung von Francesco Redis (1626-1697) Papier mit dem Titel &ldquoExperiments on the Generation of Insects&rdquo im Jahr 1668. Er stellte die Hypothese auf, dass keine spontane Generation auftrat. Seine Hypothese war, dass sich die Organismen, die auftauchten, aus "Samen" entwickelt hatten, die von Erwachsenen abgelagert wurden. Seine Hypothese führte zu einer Reihe von klaren Vorhersagen. Eine davon war, dass, wenn erwachsene Fliegen von verrottenden Fleischmaden (die Larvenform der Fliegen) ferngehalten würden, niemals auftauchen würden, egal wie lange man wartete. In ähnlicher Weise würde die Art des auftretenden Organismus nicht von der Art des verrottenden Fleisches abhängen, sondern eher von der Art der erwachsenen Fliege, die Zugang zum Fleisch hatte. Um seine Hypothese zu testen, stellte Redi zwei Flaschenflaschen auf und beide enthielten Fleisch. Ein Flaschensatz wurde direkt der Luft und damit den Fliegen ausgesetzt, der andere wurde mit Papier oder Stoff verschlossen. Maden tauchten nur in den zur Luft geöffneten Flaschen auf. Redi kam zu dem Schluss, dass Organismen, die so komplex wie Insekten sind und zu groß sind, um durch das Gewebe zu passen, nur aus anderen Insekten entstehen können, oder besser gesagt aus Eiern, die von diesen Insekten gelegt werden - und das Leben war ununterbrochen.

Die Erfindung des Lichtmikroskops und seine Verwendung zur Betrachtung biologischer Materialien durch Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) und Robert Hooke (1635-1703) führte zur Entdeckung einer völlig neuen und völlig unerwarteten Welt der Mikroben oder mikroskopischen Organismen. Wir kennen diese heute als Bakterien, Archaeen, eine Reihe einzelliger photosynthetischer und nicht photosynthetischer Eukaryoten. 36 Obwohl es relativ einfach war, überzeugende Beweise dafür zu liefern, dass makroskopische (d. h. große) Organismen wie Fliegen, Mäuse und Menschen nicht spontan entstehen konnten, schien es plausibel, dass sich mikroskopische und vermutlich viel einfachere Organismen spontan bilden können.

Die Entdeckung von Mikroben veranlasste eine Reihe von Wissenschaftlern, ihren Ursprung und ihre Fortpflanzung zu erforschen. Lazzaro Spallazani (1729-1799) zeigte, dass eine Brühe nach dem Kochen steril, dh ohne Leben blieb, solange sie vom Kontakt mit frischer Luft isoliert war. Er kam zu dem Schluss, dass Mikroben wie größere Organismen nicht spontan entstehen können, sondern von anderen Mikroben abstammen, von denen viele in der Luft schwebten. Denken Sie über mögliche Kritikpunkte an diesem Experiment nach und vielleicht können Sie sich Kritiken einfallen lassen, die wir nicht erwähnen!

Ein offensichtlicher Kritikpunkt war, dass es sein könnte, dass das Kochen der Brühe eine oder mehrere Schlüsselkomponenten zerstört, die für die spontane Entstehung von Leben notwendig sind. Alternativ war vielleicht frische Luft die "lebenswichtige" Zutat. In jedem Fall hätten Kochen und Isolieren ein Artefakt erzeugt, das den wahren Prozess eher verschleierte als enthüllte. 1862 (beachten Sie das späte Datum, nachdem Charles Darwin 1859 On the Origin of Species veröffentlicht hatte) führte Louis Pasteur (1822-1895) eine besonders überzeugende Reihe von Experimenten durch, um diese beiden Probleme anzugehen. Er sterilisierte Brühen, indem er sie in speziellen "Schwanenhals"-Flaschen (&rarr) kochte. Einzigartig an seinem experimentellen Design war die Form des Flaschenhalses, durch den Luft, aber keine luftgetragenen Mikroorganismen in die Brühe gelangen konnten. Mikroben in der Luft wurden im gebogenen Bereich des Kolbenhalses gefangen. Dieses Design ermöglichte es Pasteur, einer Kritik an früheren Experimenten Rechnung zu tragen, nämlich dass der Zugang zu Luft für die spontane Erzeugung notwendig war. Er stellte fest, dass die Flüssigkeit, selbst mit Zugang zu Luft, monatelang steril blieb. Wenn jedoch der Hals des Kolbens gebrochen wurde, wurde die Brühe schnell von mikrobiellem Wachstum überrannt. Er interpretierte diese Beobachtung als Hinweis darauf, dass Luft für sich genommen nicht für die spontane Generierung notwendig ist, sondern normalerweise mit Mikroben kontaminiert ist. Andererseits diente die Tatsache, dass die Brühe das mikrobielle Wachstum unterstützen konnte, nachdem der Hals gebrochen wurde, als ein sogenanntes &ldquopositives Kontrollexperiment, das darauf hinwies, dass das Erhitzen der Brühe einige lebenswichtige Elemente, die für das normale Wachstum erforderlich sind, nicht zerstört hatte. Wir führen Positivkontrollexperimente durch, um unsere Annahmen zu überprüfen. Wenn wir ein Medikament in einer Studie verwenden, müssen wir zuerst testen, ob das Medikament, das wir haben, tatsächlich aktiv ist. Wenn in Pasteurs Experiment die gekochte Brühe das Wachstum nicht unterstützen könnte (nachdem der Kolben zerbrochen wurde), würden wir nicht erwarten, dass sie die spontane Bildung unterstützt, und daher wäre das Experiment bedeutungslos. Wir werden später auf die Beschreibung eines &ldquonegativen Kontrollexperiments&rdquo zurückkommen. 37

Natürlich sind nicht alle, in der Tat wahrscheinlich nicht jedes Experiment perfekt. Wie würde man zum Beispiel gegen den Einwand argumentieren, dass der Prozess der spontanen Zeugung normalerweise Zehntausende oder sogar Millionen von Jahren dauert? Falls zutreffend, würde dieser Einwand die Schlussfolgerungen von Pasteur entkräften. Offensichtlich hat ein Experiment, um diesen speziellen Einwand anzugehen, seine eigenen praktischen Probleme. Dennoch haben die Ergebnisse verschiedener Experimente zur Spontangeneration zu dem Schluss geführt, dass weder mikroskopische noch makroskopische Organismen spontan entstehen können, zumindest nicht in der modernen Welt. Das Problem, zumindest in dieser Form, wurde für arbeitende Wissenschaftler uninteressant.

Bedeutet dies, dass der Ursprung des Lebens auf ein übernatürliches Ereignis zurückzuführen ist? Nicht unbedingt. Bedenken Sie, dass lebende Systeme komplexe chemische Reaktionsnetzwerke sind. In der modernen Welt gibt es im Wesentlichen überall viele Organismen, die aktiv komplexe Moleküle essen, um ihren Nichtgleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten, zu wachsen und sich zu vermehren. Wenn Leben durch einen spontanen, aber natürlichen Prozess entstehen würde, könnte es Tausende bis Hunderte von Millionen von Jahren dauern. Wir können der minimalen Zeit, die aus geologischen Daten benötigt werden könnte, einige Grenzen setzen, indem wir die Zeit von der Erstarrung der Erdoberfläche von ihrem frühen geschmolzenen Zustand bis zum ersten fossilen Beweis für Leben verwenden, etwa 100 bis 500 Millionen Jahre. Angesichts der Tendenz von Organismen, sich gegenseitig zu fressen, könnte man argumentieren (wie Darwin es tat &rarr), dass Organismen, sobald sie in einer bestimmten Umgebung aufgetaucht sind, alle nachfolgenden spontanen Generationsereignisse unterdrücken &ndash die Moleküle gefressen hätten, die für den Ablauf des Prozesses erforderlich sind. Aber, wie wir sehen werden, haben evolutionäre Prozesse dazu geführt, dass im Wesentlichen überall auf der Erde Organismen vorhanden sind, die das Leben überleben kann, und es gibt im Grunde keine einladenden und sterilen Orte in der modernen Welt mehr. Hier sehen wir die Bedeutung der Geschichte. Nach heutiger wissenschaftlicher Auffassung konnte Leben nur in Abwesenheit von Leben de novo entstehen, wenn einmal Leben entstanden war, sich die Bedingungen geändert hatten. Die Präsenz des Lebens soll die Entstehung neuer Lebensformen unterdrücken. Sobald Leben da war, konnten nur seine Nachkommen überleben.


Wie die wissenschaftliche Methode funktioniert

Die Schritte von Pasteurs Experiment sind im Folgenden beschrieben:

Zuerst bereitete Pasteur eine Nährbrühe zu, ähnlich der Brühe, die man in Suppen verwenden würde.

Als nächstes füllte er gleiche Mengen der Brühe in zwei Langhalskolben. Er hinterließ eine Flasche mit geradem Hals. Die andere beugte er sich, um eine "S"-Form zu bilden.

Dann kochte er die Brühe in jeder Flasche auf, um alle lebenden Stoffe in der Flüssigkeit abzutöten. Die sterilen Brühen wurden dann bei Raumtemperatur stehengelassen und der Luft in ihren offenen Kolben ausgesetzt.

Nach mehreren Wochen beobachtete Pasteur, dass die Brühe im Geradhalskolben verfärbt und trüb war, während sich die Brühe im Bogenhalskolben nicht verändert hatte.

Er kam zu dem Schluss, dass Keime in der Luft ungehindert in den geraden Kolben fallen und die Brühe verunreinigen konnten. Die andere Flasche jedoch hielt Keime in ihrem gebogenen Hals gefangen und verhinderte, dass sie die Brühe erreichten, die nie ihre Farbe änderte oder trübe wurde.

Wäre die Spontanbildung ein echtes Phänomen gewesen, argumentierte Pasteur, hätte sich die Brühe im Rundhalskolben irgendwann wieder infiziert, weil sich die Keime spontan gebildet hätten. Aber die Rundhalsflasche wurde nie infiziert, was darauf hindeutet, dass die Keime nur von anderen Keimen stammen konnten.

Pasteurs Experiment weist alle Kennzeichen moderner wissenschaftlicher Forschung auf. Es beginnt mit einer Hypothese und testet diese Hypothese mit einem sorgfältig kontrollierten Experiment. Derselbe Prozess – basierend auf derselben logischen Abfolge von Schritten – wird von Wissenschaftlern seit fast 150 Jahren verwendet. Im Laufe der Zeit haben sich diese Schritte zu einer idealisierten Methodik entwickelt, die wir heute als wissenschaftliche Methode kennen. Nach mehreren Wochen beobachtete Pasteur, dass die Brühe im Geradhalskolben verfärbt und trüb war, während sich die Brühe im Bogenhalskolben nicht verändert hatte.


Ursprung des Lebens auf der Erde

Der Ursprung des Lebens ist ein Mysterium, das ultimative Henne-Ei-Rätsel (R Service, 2015). Als Sie und Ihre Kommilitonen gemeinsam über die bestimmenden Merkmale des Lebens diskutiert haben, haben Sie wahrscheinlich Fortpflanzung und Erbinformation, Energieumwandlung, Wachstum und Reaktion auf die Umwelt einbezogen. Sie haben vielleicht auch gesagt, dass zumindest auf der Erde alles Leben aus Zellen besteht, mit Membranen, die die Grenze zwischen der Zelle und ihrer Umgebung bilden, und dass Zellen aus organischen Molekülen (bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphat und Schwefel – CHNOPS). Das Rätsel ist, dass auf der Erde heute alles Leben aus bereits vorhandenem Leben stammt. Pasteurs Experimente widerlegten die spontane Erzeugung von mikrobiellem Leben aus gekochter Nährbrühe. Noch keinem Wissenschaftler ist es gelungen, aus organischen Molekülen eine lebende Zelle zu erschaffen. Wie konnte also vor etwa 3,8 Milliarden Jahren Leben auf der Erde entstanden sein? (Denken Sie an die Zeitskala, über die wir hier sprechen – die Erde ist 4,6 Milliarden Jahre alt, daher hat es fast eine Milliarde Jahre gedauert, bis die chemische Evolution zu biologischem Leben führte.) Wie kann diese Frage mit Hilfe der wissenschaftlicher Untersuchungsprozess?

Studien zum Ursprung des Lebens

Obwohl Wissenschaftler nicht direkt auf die Entstehung des Lebens auf der Erde eingehen können, können sie im Einklang mit den geologischen Erkenntnissen Hypothesen über natürliche Prozesse formulieren und testen, die für verschiedene Zwischenschritte verantwortlich sein könnten. In den 1920er Jahren stellten Alexander Oparin und J. B. S. Haldane unabhängig voneinander nahezu identische Hypothesen für die Entstehung des Lebens auf der Erde auf.Ihre Hypothese wird jetzt als Oparin-Haldane-Hypothese bezeichnet, und die wichtigsten Schritte sind:

  1. Bildung organischer Moleküle, der Bausteine ​​von Zellen (z.B. Aminosäuren, Nukleotide, Einfachzucker)
  2. Bildung von Polymeren (längeren Ketten) organischer Moleküle, die als Enzyme fungieren können, um Stoffwechselreaktionen durchzuführen, Erbinformationen zu kodieren und möglicherweise zu replizieren (z. B. Proteine, RNA-Stränge),
  3. Bildung von Protozellen Konzentrationen organischer Moleküle und Polymere, die in einem geschlossenen System metabolische Reaktionen durchführen, von der Umgebung durch eine semipermeable Membran, z. B. eine Lipid-Doppelschicht-Membran, getrennt

Die Oparin-Haldane-Hypothese wurde ständig getestet und überarbeitet, und jede Hypothese über den Beginn des Lebens muss die drei universellen Grundvoraussetzungen für das Leben berücksichtigen: die Fähigkeit, Erbinformationen zu reproduzieren und zu replizieren, die Einschließung in Membranen, um Zellen zu bilden, die Verwendung von Energie, um Wachstum und Fortpflanzung erreichen.

1. Wie sind organische Moleküle auf einer präbiotischen Erde entstanden?

Miller-Urey-Experiment
Stanley Miller und Harold Urey testeten den ersten Schritt der Oparin-Haldane-Hypothese, indem sie die Bildung organischer Moleküle aus anorganischen Verbindungen untersuchten. Ihr Experiment in den 1950er Jahren produzierte eine Reihe organischer Moleküle, einschließlich Aminosäuren, die von lebenden Zellen hergestellt und zum Wachsen und Replizieren verwendet werden.

Miller-Urey-Experiment, Wikimedia Commons-Illustration von Adrian Hunter

Miller und Urey verwendeten einen experimentellen Aufbau, um die Umweltbedingungen nachzustellen, die man auf der frühen Erde vermutete. Eine Gaskammer simulierte eine Atmosphäre mit reduzierenden Verbindungen (Elektronendonatoren) wie Methan, Ammoniak und Wasserstoff. Elektrische Funken simulierten Blitze, um Energie bereitzustellen. In nur etwa einer Woche löste dieser einfache Apparat chemische Reaktionen aus, die eine Vielzahl organischer Moleküle erzeugten, von denen einige die Grundbausteine ​​des Lebens sind, wie beispielsweise Aminosäuren. Obwohl Wissenschaftler nicht mehr glauben, dass die präbiotische Erde eine solche reduzierende Atmosphäre hatte, können solche reduzierenden Umgebungen in hydrothermalen Tiefseeschloten gefunden werden, die auch eine Energiequelle in Form der Wärme aus den Schloten haben. Darüber hinaus haben neuere Experimente – unter Verwendung von Bedingungen, von denen angenommen wird, dass sie die Bedingungen der frühen Erde besser widerspiegeln, auch eine Vielzahl organischer Moleküle hervorgebracht, darunter Aminosäuren und Nukleotide (die Bausteine ​​von RNA und DNA) (McCollom , 2013).

Das folgende Video gibt einen schönen Überblick über die Begründung, den Aufbau und die Ergebnisse des Miller-Urey-Experiments (obwohl es fälschlicherweise überbewertet, dass Darwin zeigte dass aus relativ einfachen Kreaturen nach und nach komplexere Kreaturen entstehen können).

Organische Moleküle aus Meteoriten

Jeden Tag wird die Erde mit Meteoriten und Kometenstaub bombardiert. Analysen von Weltraumstaub und Meteoren, die auf der Erde gelandet sind, haben ergeben, dass sie viele organische Moleküle enthalten. Der Einfall von Kometenstaub und Meteoriten war viel größer, als die Erde jung war (vor 4 Milliarden Jahren). Viele Wissenschaftler glauben, dass solche außerirdischen organischen Stoffe wesentlich zu den organischen Molekülen beigetragen haben, die zu der Zeit, als das Leben auf der Erde begann, verfügbar waren. Die folgende Abbildung von Bernstein 2006 zeigt die 3 Hauptquellen organischer Moleküle auf der Erde vor dem Leben: atmosphärische Synthese durch Miller-Urey-Chemie, Synthese an hydrothermalen Quellen in der Tiefsee und Einfall organischer Moleküle, die im Weltraum synthetisiert werden.

2. Bildung organischer Polymere

Bei einer ausreichend hohen Konzentration dieser basischen organischen Moleküle verbinden sich diese unter bestimmten Bedingungen zu Polymeren (kovalent miteinander verbundene Molekülketten). Zum Beispiel verbinden sich Aminosäuren zu Polypeptidketten, die sich zu Proteinmolekülen falten. Ribose, ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen, kann sich mit einer stickstoffhaltigen Base und Phosphat an ein Nukleotid binden. Nukleotide verbinden sich zu Nukleinsäuren wie DNA und RNA. Während dies heute durch Enzyme in lebenden Zellen erreicht wird, kann die Polymerisation organischer Moleküle auch durch bestimmte Arten von Ton oder andere Arten von mineralischen Oberflächen katalysiert werden. Experimente, die dieses Modell testen, haben in nur 1-2 Wochen RNA-Moleküle mit einer Länge von bis zu 50 Einheiten produziert (Ferris, 2006).

Enzymatische Aktivität und Erbinformation in einem Polymer: die RNA-Welt-Hypothese

Die Entdeckung von Thomas Cech, dass einige RNA-Moleküle ihre eigene ortsspezifische Spaltung katalysieren können, führte zu einem Nobelpreis (für Cech und Altman), dem Begriff “Ribozyme” um katalytische RNA-Moleküle zu bezeichnen, und die Wiederbelebung einer Hypothese, dass RNA-Moleküle die ursprünglichen erblichen Moleküle vor der DNA waren. Für Forscher des Ursprungs des Lebens bestand hier die Möglichkeit, dass RNA-Moleküle sowohl Erbinformationen kodieren als auch ihre eigene Replikation katalysieren könnten. DNA als erstes erbliches Molekül stellte die Ursprünge des Lebens vor echte Probleme, da die DNA-Replikation Proteinenzyme (DNA-Polymerasen) und RNA-Primer erfordert (siehe Seite zur DNA-Replikation). hätte sich von Grund auf neu entwickeln können. Bei katalytischen RNA-Molekülen könnte ein einzelnes Molekül oder eine Familie ähnlicher Moleküle möglicherweise genetische Informationen speichern und sich selbst replizieren, ohne dass zunächst Proteine ​​​​erforderlich wären.

Populationen solcher katalytischer RNA-Moleküle würden eine molekulare Evolution durchlaufen, die konzeptionell identisch mit der biologischen Evolution durch natürliche Selektion ist. RNA-Moleküle würden Kopien voneinander machen, Fehler machen und Varianten erzeugen. Die Varianten, die sich selbst am erfolgreichsten replizieren (identische oder sehr ähnliche RNA-Moleküle erkennen und am effizientesten replizieren) würden in der Population katalytischer RNA-Moleküle an Häufigkeit zunehmen. Die RNA-Welt-Hypothese sieht ein Stadium im Ursprung des Lebens vor, in dem sich selbst replizierende RNA-Moleküle schließlich zur Evolution eines Erbsystems in den ersten Zellen oder Protozellen führten. Ein System von RNA-Molekülen, die Codons kodieren, um Aminosäuren zu spezifizieren, und tRNA-ähnlichen Molekülen, die passende Aminosäuren transportieren, und katalytischen RNAs, die Peptidbindungen erzeugen, würde ein erbliches System darstellen, ähnlich wie heutige Zellen, ohne DNA.

Irgendwann in der Abstammungslinie, die zum letzten universellen gemeinsamen Vorfahren führte, wurde die DNA zum bevorzugten Langzeitspeichermolekül für genetische Informationen. DNA-Moleküle sind chemisch stabiler als RNA (Desoxyribose ist chemisch inerter als Ribose). Zwei komplementäre Stränge zu haben bedeutet, dass jeder DNA-Strang als Matrize für die Replikation seines Partnerstrangs dienen kann, was eine gewisse angeborene Redundanz bietet. Diese und möglicherweise andere Merkmale gaben Zellen mit einem DNA-Erbsystem einen selektiven Vorteil, so dass das gesamte zelluläre Leben auf der Erde DNA verwendet, um genetische Informationen zu speichern und zu übertragen.

Auch heute noch spielen Ribozyme universelle und zentrale Rollen bei der zellulären Informationsverarbeitung. Das Ribosom ist ein großer Komplex von RNAs und Proteinen, der die genetische Information in einem RNA-Strang liest, um Proteine ​​zu synthetisieren. Die katalytische Schlüsselaktivität, die Bildung von Peptidbindungen, um zwei Aminosäuren miteinander zu verbinden, wird von einem ribosomalen RNA-Molekül katalysiert. Das Ribosom ist ein riesiges Ribozym. Da Ribosomen für alle Zellen universell sind, müssen solche katalytischen RNAs im letzten universellen gemeinsamen Vorfahren allen gegenwärtigen Lebens auf der Erde vorhanden gewesen sein.

Besuchen Sie die Seite http://exploringorigins.org/ribozymes.html, um das erste von Tom Cech entdeckte Ribozym aus Tetrahymena und die Struktur der ribosomalen RNAs anzuzeigen.

Die Seite http://exploringorigins.org/nukleacids.html enthält Videos zur Polymerisation von RNA aus Nukleotiden, templatgesteuerte RNA-Synthese und ein Modell der RNA-Selbstreplikation.

Das folgende Video erklärt die Gründe für die RNA-Welt-Hypothese und beschreibt kurz einige der Ergebnisse aus verschiedenen RNA-Welt-Experimenten.

3. Protozellen: selbstreplizierende und metabolische Enzyme im Beutel

Alles Leben auf der Erde besteht aus Zellen. Zellen besitzen Lipidmembranen, die ihren inneren Inhalt, das Zytoplasma, von der Umgebung trennen. Die Lipidmembranen ermöglichen es den Zellen, hohe Konzentrationen von Molekülen wie Nukleotiden aufrechtzuerhalten, die für selbstreplizierende RNAs benötigt werden, um effizienter zu funktionieren. Zellen halten auch große Konzentrationsunterschiede (Konzentrationsgradienten) von Ionen durch die Membran aufrecht, um Transportprozesse und den zellulären Energiestoffwechsel voranzutreiben.

Lipide sind hydrophob und ordnen sich spontan in Wasser an, um entweder Mizellen oder Lipiddoppelschichtvesikel zu bilden. Vesikel, die selbstreplizierende RNAs und andere Enzyme einschließen, Reaktanten durch die Membran aufnehmen, Produkte exportieren, durch Anlagerung von Lipidmizellen wachsen und sich durch Spaltung der Vesikel teilen, werden als Protozellen oder Protobionten bezeichnet und können die Vorläufer von . gewesen sein zelluläres Leben.

Das folgende Video untersucht die Unterschiede zwischen chemischer und biologischer Evolution und hebt Protozellen als Beispiel für die chemische Evolution hervor.

An welchem ​​Punkt würden evolutionäre Prozesse, wie die natürliche Selektion, den Ursprung der ersten Zellen antreiben?

Die biologische Evolution ist auf lebende Organismen beschränkt. Sobald also die ersten Zellen mit einem erblichen System gebildet waren, würden sie evolutionären Prozessen unterliegen, und die natürliche Selektion würde die Anpassung an ihre lokale Umgebung vorantreiben, und Populationen in verschiedenen Umgebungen würden eine Artbildung erfahren, da der Genfluss zwischen isolierten Populationen eingeschränkt wird .

Die RNA-Welt-Hypothese sieht jedoch evolutionäre Prozesse vor, die Populationen von selbstreplizierenden RNA-Molekülen oder Protozellen, die solche RNA-Moleküle enthalten, antreiben. Unvollkommen replizierte RNA-Moleküle würden Tochtermoleküle mit leicht unterschiedlichen Sequenzen erzeugen. Diejenigen, die sich besser replizieren oder die Wachstumsreplikation ihrer Wirts-Protozellen verbessern, würden mehr Nachkommen haben. Somit, molekular Die Evolution selbstreplizierender RNA-Moleküle oder Protozellpopulationen, die selbstreplizierende RNA-Moleküle enthalten, würden die letztendliche Bildung der ersten Zellen begünstigen.

Referenzen und Ressourcen

Bernstein M 2006. Präbiotische Materialien auf und neben der frühen Erde. Philos Trans
R Soc Lond B Biol Sci. 361:1689-700 Diskussion 1700-2. PubMed
PMID: 17008210 PubMed Central PMCID: PMC1664678.


Ursprung des Lebens: Spontane Generation

Einst glaubte man, dass Leben aus nicht lebenden Dingen entstehen könnte, wie Mäusen aus Mais, Fliegen aus Rinderdung, Maden aus verrottendem Fleisch und Fisch aus dem Schlamm zuvor ausgetrockneter Seen. Spontane Erzeugung ist die falsche Hypothese, dass unbelebte Dinge Leben hervorbringen können. Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um die Spontanbildung zu widerlegen, einige davon werden in den folgenden Abschnitten behandelt.

Redis Experiment und Needhams Widerlegung

Im Jahr 1668 entwarf Francesco Redi, ein italienischer Wissenschaftler, ein wissenschaftliches Experiment, um die spontane Entstehung von Maden zu testen, indem er frisches Fleisch in jedes von zwei verschiedenen Gläsern gab. Ein Glas wurde offen gelassen, das andere wurde mit einem Tuch bedeckt. Tage später enthielt das offene Glas Maden, während das abgedeckte Glas keine Maden enthielt. Er bemerkte, dass Maden auf der äußeren Oberfläche des Tuchs gefunden wurden, das das Glas bedeckte. Redi zeigte erfolgreich, dass die Maden aus Fliegeneiern stammen und half damit, die Spontangeneration zu widerlegen. So dachte er zumindest.

In England stellte John Needham Redis Erkenntnisse in Frage, indem er ein Experiment durchführte, bei dem er eine Brühe oder Soße in eine Flasche füllte, die Flasche erhitzte, um alles darin zu töten, und sie dann versiegelte. Tage später meldete er das Vorhandensein von Leben in der Brühe und verkündete, dass Leben aus Nicht-Leben erschaffen wurde. Tatsächlich erhitzte er es nicht lange genug, um alle Mikroben abzutöten.

Spallanzanis Experiment

Lazzaro Spallanzani, ebenfalls ein italienischer Wissenschaftler, überprüfte die Daten und das experimentelle Design von Redi und Needham und kam zu dem Schluss, dass Needhams Erhitzen der Flasche möglicherweise nicht alles im Inneren tötete. Er konstruierte sein eigenes Experiment, indem er Brühe in jede von zwei separaten Flaschen füllte, die Brühe in beiden Flaschen kochte, dann eine Flasche verschloss und die andere offen ließ. Tage später wimmelte es in der unverschlossenen Flasche von kleinen Lebewesen, die er mit dem neu erfundenen Mikroskop besser beobachten konnte. Die versiegelte Flasche zeigte keine Lebenszeichen. Dies schloss die spontane Erzeugung als tragfähige Theorie sicherlich aus. Abgesehen davon, dass die damaligen Wissenschaftler bemerkten, dass Spallanzani der geschlossenen Flasche die Luft entzogen hatte, und man dachte, dass Luft für die spontane Zeugung notwendig sei. Obwohl sein Experiment erfolgreich war, schwächte eine starke Widerlegung seine Behauptungen ab.

Bioterms

Pasteurisierung war ursprünglich der Prozess des Erhitzens von Lebensmitteln, um schädliche Mikroorganismen vor dem menschlichen Verzehr abzutöten, jetzt stehen unter dem Namen Pasteur ultraviolettes Licht, Dampf, Druck und andere Methoden zur Reinigung von Lebensmitteln zur Verfügung.

Pasteurs Experiment

Louis Pasteur, der bemerkenswerte französische Wissenschaftler, nahm die Herausforderung an, das Experiment neu zu erstellen und das System offen zu lassen. Anschließend entwarf er mehrere Flaschen mit S-gebogenen Hälsen, die nach unten gerichtet waren, damit die Schwerkraft den Zugang von Fremdkörpern in der Luft verhinderte. Er füllte eine mit Nährstoffen angereicherte Brühe in eine der Schwanenhalsflaschen, kochte die Brühe in der Flasche auf und beobachtete ein Jahr lang kein Leben im Glas. Dann brach er den Deckel der Flasche ab, setzte sie direkter der Luft aus und bemerkte innerhalb von Tagen Lebensformen in der Brühe. Er stellte fest, dass solange Staub und andere Schwebeteilchen im S-förmigen Flaschenhals eingeschlossen waren, kein Leben entstand, bis dieses Hindernis beseitigt war. Er argumentierte, dass die Kontamination von Lebensformen in der Luft stammte. Pasteur überzeugte schließlich die gelehrte Welt, dass Leben nicht aus Nichtleben entsteht, selbst wenn es der Luft ausgesetzt ist.


Ursprung des Lebens: 5 alte Theorien über den Ursprung des Lebens

Viele Theorien wurden aufgestellt, um den Ursprung des Lebens zu erklären.

Bild mit freundlicher Genehmigung: images.fineartamerica.com/images-medium-large/origin-of-life-cheung-king-man.jpg

Die folgenden alten Theorien sind wichtig zu erwähnen.

1. Theorie der besonderen Schöpfung:

Der größte Unterstützer dieser Theorie war Pater Suarez. Nach dieser Theorie wurde das Leben durch übernatürliche Kräfte erschaffen. Laut Bibel wurde die Welt innerhalb von sechs Tagen erschaffen. Am ersten Tag schuf Gott Himmel und Erde, am zweiten Tag trennte er den Himmel vom Wasser, am dritten Tag. Am vierten Tag machte er das trockene Land und die Pflanzen. Am fünften Tag formte er die Sonne, den Mond und die Sterne.

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Er machte die Fische und die Vögel und am sechsten Tag formte Er die Landtiere und die Menschen. Der erste Mann, Adam, und die erste Frau, Eva, wurden von Gott erschaffen. Nach der hinduistischen Mythologie wurde die Welt von Gott Brahma erschaffen. Brahma gilt als Gott der Schöpfung.

Er hat das ganze Universum mit seinem Verlangen erschaffen. Der erste Mann war Manu und die erste Frau war Shradha. Der speziellen Schöpfungstheorie fehlen wissenschaftliche Belege, weshalb sie nicht akzeptiert wird.

2. Theorie der spontanen Generierung (Abiogenese oder Autogenese):

Diese Theorie besagt, dass das Leben auf spontane Weise aus unbelebten Dingen entstand. Dieses Konzept wurde von frühen griechischen Philosophen wie Thales, Anaximander, Xanophanes, Empedokles, Plato, Aristoteles usw. vertreten. Im alten Ägypten glaubte man, dass der Schlamm des Nils Frösche, Kröten, Schlangen, Mäuse und sogar Krokodile hervorbringen könnte wenn von der Sonne erwärmt.

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Van Helmont (1577-1644) vertrat die Ansicht, dass menschlicher Schweiß und Weizenkörner Organismen hervorbringen könnten. Er legte ein schmutziges Hemd in einen Behälter mit Weizenkleie und stellte fest, dass die Gase aus Hemd und Weizen nach 21 Tagen lebende Mäuse gebildet hatten. Diese Überzeugungen haben keine wissenschaftliche Grundlage und werden daher verworfen.

Beweise gegen die Theorie der spontanen Generation:

Die Theorie der spontanen Zeugung wurde von vielen Wissenschaftlern des 17., 18. und 19. Jahrhunderts widerlegt. Sie bewiesen, dass neue Organismen aus bereits bestehenden gebildet werden können, d. h. omnis vivum ex ovo oder vivo („Biogenesis“ von Harvey – 1651 und Т. H. Huxley – 1870). Bekannte Wissenschaftler, die die Theorie experimentell in Frage stellten, waren Francesco Redi (1626-1697), Lazzaro Spallanzani (1729-1799) und Louis Pasteur (1822-1895).

Francesco Redi, ein italienischer Arzt, nahm das Fleisch und kochte es so, dass keine Organismen am Leben blieben. Dann legte er Fleisch in drei Krüge, von denen einer aufgedeckt, der zweite mit Pergament bedeckt und der dritte mit feinem Musselin bedeckt war. Er behielt diese Gefäße einige Tage und beobachtete, dass sich Maden nur im unbedeckten Gefäß entwickelten, obwohl die Fliegen auch andere Gefäße besuchten (Abb. 7.4).

(ii) Spallanzanis Experiment:

Spallanzani (1765), ein italienischer Wissenschaftler, widerlegte die spontane Erzeugung von Mikroorganismen. Er experimentierte damit, dass Tier- und Gemüsebrühen mehrere Stunden gekocht und kurz nach dem Verschließen nie mit Mikroorganismen befallen waren. Aus diesem Experiment schloss er, dass die hohen Temperaturen alle lebenden Organismen in den Brühen getötet hatten und ohne sie kein Leben entstehen könnte. Wenn die Brühen der Luft ausgesetzt waren, wurden sie bald von Mikroorganismen befallen.

(iii) Pasteurs Experiment:

Louis Pasteur, ein französischer Wissenschaftler, nahm Brühen in eine langhalsige Flasche und beugte dann den Flaschenhals. Er kochte die Brühen in der Flasche, um alle Mikroorganismen abzutöten, die darin enthalten sein könnten. Der gebogene Hals fungierte als Filter. Wenn der Kolben mit „Schwanenhals“ (gebogener Hals) monatelang zusammengehalten wurde, trat kein Leben auf, da die keimbeladenen Staubpartikel in der Luft durch den gebogenen Hals, der als Filter dient, aufgefangen wurden.

Wenn der Schwanenhals abgebrochen wurde, entwickelten die Brühen Kolonien von Schimmelpilzen und Bakterien. So zeigte er, dass die Quelle der Mikroorganismen für die Fermentation oder Fäulnis wie für Milch, Zucker und Wein usw. die Luft war und die Organismen nicht aus den Nährmedien entstanden.

So lehnte Louis Pasteur (berühmt für „Keimtheorie der Krankheit und Immunologie“) schließlich die Abiogenese ab und bewies die Biogenese.

Aber nach der Biogenese entstand Leben aus präexistierendem Leben, was den Ursprung des Lebens nicht erklärt. Daher wird auch die / к-Biogenese abgelehnt.

3. Theorie der Panspermie oder Kosmozoikum-Theorie oder Sporenbrühe-Theorie:

Diese Theorie wurde von Richter (1865) vorgeschlagen. Nach dieser Theorie gelangte „Protoplasma“ in Form von Sporen oder Keimen oder anderen einfachen Teilchen aus einem unbekannten Teil des Universums mit dem kosmischen Staub auf die Erde und entwickelte sich anschließend zu verschiedenen Lebensformen. Helmholz (1884) spekulierte, dass „Protoplasma“ in irgendeiner Form mit fallenden Meteoriten die Erde erreichte.

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Arrhenius (1908, Nobelpreisträger von 1903 für Chemie) postulierte die (= Panspermie-Theorie) und stellte fest, dass Organismen im ganzen Universum existieren und ihre Sporen usw. frei durch den Weltraum von einem Stern zum anderen reisen können. Tatsächlich ist Panspermie-Theorie der alternative Name der kosmozoischen Theorie.

Beweise gegen die kosmozoische Theorie:

Lebende Materie kann die extreme Kälte, Trockenheit und die ultraviolette Strahlung der Sonne, die zum Erreichen der Erde durchquert werden muss, nicht überleben.

4. Theorie der Ewigkeit des Lebens:

Diese Theorie wurde 1880 von Preyer vorgeschlagen. Nach dieser Theorie gab es schon immer verschiedene Arten von Lebewesen auf der Erde und werden für immer existieren und sich nur in ihrer Form ändern.

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Beweise gegen die Theorie der Ewigkeit des Lebens:

Es wird akzeptiert, dass die Erde nicht immer existiert hat. Wenn das Leben ewig ist, wo existierte es, bevor dieser Planet entstand?

5. Theorie der Katastrophe:

Georges Cuvier (1769-1832), Vater der „Modernen Paläontologie“ und Orbigney (1802-1837) waren die Hauptvertreter dieser Theorie. Nach dieser Theorie kommt es auf der Erde zu Kataklysmen (große Zerstörung) oder katastrophalen (in Bezug auf ein katastrophales Ereignis) Revolution
von Zeit zu Zeit, die alle Organismen (Lebewesen) vollständig zerstört.

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Aus anorganischer Materie entstehen dann plötzlich neue Organismen. Jede Schöpfung besteht aus einem ganz anderen Leben als das vorherige. Tatsächlich ist diese Theorie lediglich eine Modifikation der Theorie der besonderen Schöpfung. Auch diese Theorie wird nicht akzeptiert.


Inhalt

Louis Pasteur wurde am 27. Dezember 1822 in Dole, Jura, Frankreich, in eine katholische Familie eines armen Gerbers geboren. [16] Er war das dritte Kind von Jean-Joseph Pasteur und Jeanne-Etiennette Roqui. Die Familie zog 1826 nach Marnoz und 1827 nach Arbois. [17] [18] Pasteur trat 1831 in die Grundschule ein. [19]

In seinen frühen Jahren war er ein durchschnittlicher Student und nicht besonders akademisch, da er sich für das Angeln und Zeichnen interessierte. [16] Er zeichnete viele Pastelle und Porträts seiner Eltern, Freunde und Nachbarn. [20] Pasteur besuchte die Sekundarschule am Collège d'Arbois. [21] Im Oktober 1838 ging er nach Paris, um in die Pension Barbet einzutreten, bekam aber Heimweh und kehrte im November zurück. [22]

Im Jahr 1839 trat er in das Collège Royal in Besançon ein, um Philosophie zu studieren, und erwarb 1840 seinen Bachelor of Letters. [23] Er wurde zum Tutor am Besançon College ernannt, während er ein naturwissenschaftliches Studium mit spezieller Mathematik fortsetzte. [24] Er bestand seine erste Prüfung im Jahr 1841 nicht. Er schaffte es, die wissenschaftliches Abitur (allgemeine Wissenschaft) Abschluss im Jahr 1842 von Dijon, aber mit einer mittelmäßigen Note in Chemie. [25]

Später im Jahr 1842 legte Pasteur die Aufnahmeprüfung für die École Normale Supérieure ab. [26] Er bestand die erste Reihe von Tests, aber da sein Ranking niedrig war, entschied sich Pasteur, nicht fortzufahren und es nächstes Jahr erneut zu versuchen. [27] Er ging zurück in die Pension Barbet, um sich auf den Test vorzubereiten. Außerdem besuchte er Kurse am Lycée Saint-Louis und Vorlesungen von Jean-Baptiste Dumas an der Sorbonne. [28] 1843 bestand er die Prüfung mit einem hohen Rang und trat in die École Normale Supérieure ein. [29] 1845 erhielt er den licencié ès sciences Grad. [30] 1846 wurde er als Professor für Physik am Collège de Tournon (heute Lycée Gabriel-Faure) in Ardèche berufen. Aber der Chemiker Antoine Jérôme Balard wollte ihn zurück an die cole Normale Supérieure als diplomierte Laborassistentin (agrégé préparateur). [31] Er trat Balard bei und begann gleichzeitig seine Forschungen in Kristallographie und legte 1847 seine beiden Dissertationen, eine in Chemie und eine in Physik, vor. [30] [32]

Nachdem er 1848 kurz als Professor für Physik am Dijon Lycée gedient hatte, wurde er 1848 Professor für Chemie an der Universität Straßburg, [33] wo er 1849 Marie Laurent, die Tochter des Rektors der Universität, traf und umwarb. Am 29. Mai heirateten sie , 1849, [34] und hatten zusammen fünf Kinder, von denen nur zwei das Erwachsenenalter überlebten [35] die anderen drei starben an Typhus.

Pasteur wurde 1848 zum Professor für Chemie an der Universität Straßburg ernannt und 1852 zum Lehrstuhl für Chemie. [36] 1854 wurde er zum Dekan der neuen naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Lille ernannt, wo er sein Studium auf Fermentation. [37] Bei dieser Gelegenheit äußerte Pasteur seine oft zitierte Bemerkung: "dans les champs de l'observation, le hasard ne favorise que les esprits préparés" ("Auf dem Gebiet der Beobachtung begünstigt der Zufall nur den vorbereiteten Geist"). [38]

1857 zog er als Direktor für wissenschaftliche Studien an der nach Paris cole Normale Supérieure wo er von 1858 bis 1867 die Kontrolle übernahm und eine Reihe von Reformen einführte, um den Standard der wissenschaftlichen Arbeit zu verbessern. Die Prüfungen wurden strenger, was zu besseren Ergebnissen, größerem Wettbewerb und erhöhtem Prestige führte. Viele seiner Dekrete waren jedoch starr und autoritär, was zu zwei ernsthaften Studentenrevolten führte. Während der "Bohnenrevolte" ordnete er an, dass jeden Montag ein Hammelfleischeintopf serviert und gegessen werden sollte, den die Studenten verweigert hatten. Bei einer anderen Gelegenheit drohte er jedem Schüler, der beim Rauchen erwischt wurde, aus dem Haus, und 73 der 80 Schüler der Schule kündigten. [39]

1863 wurde er zum Professor für Geologie, Physik und Chemie an der cole nationale supérieure des Beaux-Arts, eine Position, die er bis zu seinem Rücktritt im Jahr 1867 innehatte. 1867 übernahm er den Lehrstuhl für organische Chemie an der Sorbonne, [40] gab diese Position jedoch später aus gesundheitlichen Gründen wieder auf. [41] 1867 wurde auf Wunsch von Pasteur das Labor für physiologische Chemie der École Normale gegründet, [40] und von 1867 bis 1888 war er dessen Direktor. [42] In Paris gründete er 1887 das Institut Pasteur, in dem er war sein Direktor für den Rest seines Lebens. [7] [43]

Molekulare Asymmetrie

In Pasteurs Frühwerk als Chemiker, beginnend mit dem cole Normale Supérieure, und weiter in Straßburg und Lille, untersuchte er die chemischen, optischen und kristallographischen Eigenschaften einer Gruppe von Verbindungen, die als Tartrate bekannt sind. [44]

Er löste 1848 ein Problem bezüglich der Natur der Weinsäure. [45] [46] [47] [48] Eine Lösung dieser aus Lebewesen gewonnenen Verbindung drehte die Polarisationsebene des hindurchtretenden Lichts. [44] Das Problem bestand darin, dass Weinsäure, die durch chemische Synthese gewonnen wurde, keinen solchen Effekt hatte, obwohl ihre chemischen Reaktionen identisch waren und ihre elementare Zusammensetzung dieselbe war. [49]

Pasteur bemerkte, dass Tartratkristalle kleine Gesichter hatten. Dann beobachtete er, dass in racemischen Tartratmischungen die Hälfte der Kristalle rechts- und die andere linkshändig waren. In Lösung war die rechtshändige Verbindung rechtsdrehend und die linkshändige linksdrehend. [44] Pasteur stellte fest, dass die optische Aktivität mit der Form der Kristalle zusammenhängt und dass eine asymmetrische innere Anordnung der Moleküle der Verbindung für die Verdrehung des Lichts verantwortlich ist. [37] Die (2R,3R)- und 2S,3S)-Tartrate waren isometrische, nicht überlagerbare Spiegelbilder voneinander. Dies war das erste Mal, dass jemand molekulare Chiralität demonstrierte und auch die erste Erklärung der Isomerie. [44]

Einige Historiker betrachten Pasteurs Arbeit auf diesem Gebiet als seine "tiefgründigsten und originellsten Beiträge zur Wissenschaft" und als seine "größte wissenschaftliche Entdeckung". [44]

Fermentation und Keimtheorie von Krankheiten

Pasteur war motiviert, die Fermentation während seiner Arbeit in Lille zu untersuchen. Im Jahr 1856 suchte ein lokaler Weinhersteller, M. Bigot, dessen Sohn einer von Pasteurs Schülern war, um seinen Rat zu den Problemen bei der Herstellung von Rote-Bete-Alkohol und -Säuerung. [50] [5]

Laut seinem Schwiegersohn, René Vallery-Radot, schickte Pasteur im August 1857 einen Artikel über die Milchsäuregärung an die Société des Sciences de Lille, der jedoch drei Monate später gelesen wurde. [51] Am 30. November 1857 wurde daraufhin ein Memoiren veröffentlicht. [52] In den Memoiren entwickelte er seine Ideen, die besagten: "Ich beabsichtige festzustellen, dass, genau wie es ein alkoholisches Ferment gibt, die Hefe des Bieres, die findet man überall, wo Zucker in Alkohol und Kohlensäure zersetzt wird, so gibt es auch ein besonderes Ferment, eine Milchhefe, die immer vorhanden ist, wenn aus Zucker Milchsäure wird." [53]

Pasteur schrieb auch über die alkoholische Gärung. [54] Es wurde 1858 in voller Form veröffentlicht. [55] [56] Jöns Jacob Berzelius und Justus von Liebig hatten die Theorie aufgestellt, dass die Gärung durch Zersetzung verursacht wird. Pasteur zeigte, dass diese Theorie falsch war und dass Hefe für die Gärung verantwortlich war, um aus Zucker Alkohol herzustellen. [57] Er zeigte auch, dass, wenn ein anderer Mikroorganismus den Wein verunreinigte, Milchsäure produziert wurde, die den Wein sauer machte. [5] Im Jahr 1861 beobachtete Pasteur, dass weniger Zucker pro Teil Hefe fermentiert wurde, wenn die Hefe der Luft ausgesetzt war. [57] Die niedrigere Fermentationsrate wurde aerob als Pasteur-Effekt bekannt. [58]

Pasteurs Forschungen haben auch gezeigt, dass das Wachstum von Mikroorganismen für den Verderb von Getränken wie Bier, Wein und Milch verantwortlich ist. Damit erfand er ein Verfahren, bei dem Flüssigkeiten wie Milch auf eine Temperatur zwischen 60 und 100 °C erhitzt wurden. [59] Dies tötete die meisten bereits in ihnen vorhandenen Bakterien und Schimmelpilze. Pasteur und Claude Bernard führten am 20. April 1862 Blut- und Urintests durch. [60] Pasteur patentierte das Verfahren zur Bekämpfung der "Krankheiten" des Weins 1865. [59] Die Methode wurde als Pasteurisierung bekannt und wurde bald angewendet zu Bier und Milch. [61]

Die Kontamination von Getränken führte Pasteur zu der Idee, dass Mikroorganismen, die Tiere und Menschen infizieren, Krankheiten verursachen. Er schlug vor, das Eindringen von Mikroorganismen in den menschlichen Körper zu verhindern, was Joseph Lister dazu veranlasste, antiseptische Methoden in der Chirurgie zu entwickeln. [62]

1866 veröffentlichte Pasteur Etüden sur le Vin, über die Weinkrankheiten, und er veröffentlichte Etüden sur la Bière 1876 ​​über die Bierkrankheiten. [57]

Im frühen 19. Jahrhundert hatte Agostino Bassi gezeigt, dass Muscardin durch einen Pilz verursacht wurde, der Seidenraupen infizierte. [63] Seit 1853 werden zwei Krankheiten namens pébrine und flachrie hatte in Südfrankreich eine große Zahl von Seidenraupen infiziert, und 1865 verursachten sie den Bauern enorme Verluste. 1865 ging Pasteur nach Alès und arbeitete fünf Jahre bis 1870. [64] [65]

Seidenraupen mit Pébrine waren mit Körperchen bedeckt. In den ersten drei Jahren hielt Pasteur die Blutkörperchen für ein Symptom der Krankheit. Im Jahr 1870 kam er zu dem Schluss, dass die Blutkörperchen die Ursache von Pébrine waren (es ist heute bekannt, dass die Ursache ein Mikrosporidian ist). [63] Pasteur zeigte auch, dass die Krankheit erblich war. [66] Pasteur entwickelte ein System, um Pébrine zu verhindern: Nachdem die weiblichen Falter ihre Eier gelegt hatten, wurden die Falter zu einem Brei verarbeitet. Die Pulpa wurde mit einem Mikroskop untersucht, und wenn Blutkörperchen beobachtet wurden, wurden die Eier zerstört. [67] [66] Pasteur kam zu dem Schluss, dass Bakterien Flachrie verursachen. Als Hauptursache werden derzeit Viren angesehen. [63] Die Verbreitung von Flachrie könnte zufällig oder erblich sein. Hygiene könnte verwendet werden, um ein versehentliches Flachrie zu verhindern. Motten, deren Verdauungshöhlen keine Mikroorganismen enthielten, die Flachrie verursachen, wurden zur Eiablage verwendet, um eine erbliche Flachrie zu verhindern. [68]

Spontane Generation

Nach seinen Fermentationsversuchen zeigte Pasteur, dass die Haut der Trauben die natürliche Quelle von Hefen war und dass sterilisierte Trauben und Traubensaft nie fermentierten. Er zog mit sterilisierten Nadeln Traubensaft unter der Haut hervor und bedeckte die Trauben auch mit sterilem Tuch. In beiden Experimenten konnte kein Wein in sterilisierten Behältern hergestellt werden. [5]

Seine Erkenntnisse und Ideen widersprachen der vorherrschenden Vorstellung von der spontanen Zeugung. Eine besonders scharfe Kritik erhielt er von Félix Archimède Pouchet, dem Direktor des Naturkundemuseums Rouen. Um die Debatte zwischen den bedeutenden Wissenschaftlern beizulegen, verlieh die französische Akademie der Wissenschaften den mit 2.500 Francs dotierten Alhumbert-Preis an jeden, der experimentell für oder gegen die Lehre demonstrieren konnte. [69] [70] [71]

Pouchet stellte fest, dass Luft überall eine spontane Erzeugung von lebenden Organismen in Flüssigkeiten verursachen kann. [72] In den späten 1850er Jahren führte er Experimente durch und behauptete, sie seien Beweise für eine spontane Zeugung. [73] [69] Francesco Redi und Lazzaro Spallanzani hatten im 17. bzw. 18. Jahrhundert einige Beweise gegen die spontane Zeugung geliefert. Spallanzanis Experimente im Jahr 1765 legten nahe, dass die Luft Brühen mit Bakterien kontaminierte. In den 1860er Jahren wiederholte Pasteur Spallanzanis Experimente, aber Pouchet berichtete über ein anderes Ergebnis mit einer anderen Brühe. [64]

Pasteur führte mehrere Experimente durch, um die spontane Erzeugung zu widerlegen. Er gab abgekochte Flüssigkeit in eine Flasche und ließ heiße Luft in die Flasche eindringen. Dann schloss er die Flasche, und es wuchsen keine Organismen darin. [73] In einem anderen Experiment, als er Flaschen mit gekochter Flüssigkeit öffnete, drang Staub in die Flaschen ein und verursachte in einigen von ihnen das Wachstum von Organismen. Die Anzahl der Flaschen, in denen Organismen wuchsen, war in höheren Lagen geringer, was zeigt, dass die Luft in großen Höhen weniger Staub und weniger Organismen enthielt. [5] [74] Pasteur verwendete auch Schwanenhalsflaschen, die eine vergärbare Flüssigkeit enthielten. Durch ein langes gebogenes Rohr wurde Luft in den Kolben eingelassen, wodurch Staubpartikel daran haften blieben. In den Brühen wuchs nichts, es sei denn, die Flaschen wurden gekippt, wodurch die Flüssigkeit die kontaminierten Wände des Halses berührte. Dies zeigte, dass die lebenden Organismen, die in solchen Brühen wuchsen, von außen auf Staub kamen, anstatt sich spontan in der Flüssigkeit oder durch die Einwirkung reiner Luft zu bilden. [5] [75]

Dies waren einige der wichtigsten Experimente, die die Theorie der spontanen Zeugung widerlegten. Pasteur hielt 1881 eine Reihe von fünf Präsentationen seiner Ergebnisse vor der Französischen Akademie der Wissenschaften, die 1882 als . veröffentlicht wurden Erinnerungen Sur les corpuscules organisés qui existent dans l'atmosphère: Examen de la Doktrin des générations spontanées (Darstellung der in der Atmosphäre existierenden organisierten Korpuskeln: Untersuchung der Lehre von der spontanen Erzeugung). [76] [77] Pasteur gewann 1862 den Alhumbert-Preis. [73] Er kam zu folgendem Schluss:

Niemals wird sich die Lehre von der spontanen Zeugung von dem tödlichen Schlag dieses einfachen Experiments erholen. Es ist kein Umstand bekannt, unter dem bestätigt werden kann, dass mikroskopisch kleine Wesen ohne Keime, ohne sie selbst ähnliche Eltern zur Welt kamen. [5] [65]

Immunologie und Impfung

Hühnercholera

Pasteurs erste Arbeit zur Impfstoffentwicklung betraf die Hühnercholera. Er erhielt die Bakterienproben (später genannt Pasteurella multocida nach ihm) von Henry Toussaint. [78] Er begann die Studie im Jahr 1877 und war im nächsten Jahr in der Lage, eine stabile Kultur mit Brühen aufrechtzuerhalten. [79] Nach einem weiteren Jahr kontinuierlicher Kultivierung stellte er fest, dass die Bakterien weniger pathogen waren. Einige seiner Kulturproben konnten die Krankheit bei gesunden Hühnern nicht mehr auslösen. Im Jahr 1879 wies Pasteur, der einen Urlaub plante, seinen Assistenten Charles Chamberland an, die Hühner mit frischer Bakterienkultur zu impfen. Chamberland vergaß und fuhr selbst in den Urlaub. Nach seiner Rückkehr injizierte er gesunden Hühnern die Monate alten Kulturen. Die Hühner zeigten einige Infektionssymptome, aber anstatt wie üblich tödlich zu verlaufen, erholten sich die Hühner vollständig. Chamberland ging davon aus, dass ein Fehler gemacht worden war und wollte die scheinbar fehlerhafte Kultur verwerfen, aber Pasteur hielt ihn davon ab. [80] [81] Pasteur injizierte den frisch genesenen Hühnern frische Bakterien (die normalerweise andere Hühner töten würden), die Hühner zeigten keine Anzeichen einer Infektion mehr. Ihm war klar, dass die Hühner durch die abgeschwächten Bakterien immun gegen die Krankheit geworden waren. [79] [82]

Im Dezember 1880 präsentierte Pasteur seine Ergebnisse der Französischen Akademie der Wissenschaften als "Sur les maladies virulentes et en particulier sur la maladie appelée vulgairement choléra des poules (Über virulente Krankheiten und insbesondere über die allgemein als Hühnercholera bezeichnete Krankheit)“ und veröffentlichte es in der Zeitschrift der Akademie (Comptes-Rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences). Er schrieb, dass die Bakterien durch den Kontakt mit Sauerstoff geschwächt wurden. [78] Er erklärte, dass Bakterien, die in verschlossenen Behältern aufbewahrt wurden, ihre Virulenz nie verloren und nur diejenigen, die der Luft in Kulturmedien ausgesetzt waren, als Impfstoff verwendet werden konnten. Pasteur führte den Begriff "Dämpfung" für diese Schwächung der Virulenz ein, als er vor der Akademie vorstellte, und sagte:

Wir können die Virulenz der Mikrobe verringern, indem wir die Kultivierungsmethode ändern. Das ist der entscheidende Punkt meines Themas. Ich bitte die Akademie, vorerst nicht das Vertrauen meiner Verfahren zu kritisieren, die es mir erlauben, die Abschwächung der Mikrobe zu bestimmen, um die Unabhängigkeit meines Studiums zu bewahren und ihren Fortschritt besser zu gewährleisten. [Abschließend] Ich möchte der Akademie zwei wesentliche Konsequenzen aus den vorgelegten Fakten hervorheben: die Hoffnung, alle Mikroben zu kultivieren und einen Impfstoff für alle Infektionskrankheiten zu finden, die die Menschheit immer wieder heimgesucht haben und die Landwirtschaft stark belasten, und Zucht von Haustieren. [83]

Milzbrand

In den 1870er Jahren wandte er diese Immunisierungsmethode gegen Milzbrand, der Rinder befiel, an und weckte das Interesse an der Bekämpfung anderer Krankheiten. Pasteur kultivierte Bakterien aus dem Blut von Tieren, die mit Milzbrand infiziert waren. Als er Tiere mit den Bakterien impfte, trat Milzbrand auf, was bewies, dass die Bakterien die Krankheit verursachten. [84] Viele Rinder starben an Milzbrand in "verfluchten Feldern". [65] Pasteur wurde gesagt, dass Schafe, die an Milzbrand starben, auf dem Feld begraben wurden. Pasteur dachte, dass Regenwürmer die Bakterien an die Oberfläche gebracht haben könnten. Er fand Milzbrandbakterien in den Exkrementen von Regenwürmern und zeigte damit, dass er Recht hatte. [65] Er forderte die Bauern auf, keine toten Tiere auf den Feldern zu begraben. [85] Pasteur versuchte seit 1877, kurz nach Robert Kochs Entdeckung des Bakteriums, den Milzbrand-Impfstoff zu entwickeln. [83]

Am 12. Juli 1880 verlas Henri Bouley vor der Französischen Akademie der Wissenschaften einen Bericht von Henry Toussaint, einem Tierarzt, der nicht Mitglied der Akademie war. Toussaint hatte Anthrax-Impfstoff entwickelt, indem er die Bazillen durch 10-minütiges Erhitzen auf 55 °C abtötete. Er testete an acht Hunden und elf Schafen, von denen die Hälfte nach der Impfung starb. Es war kein großer Erfolg.Als er die Nachricht hörte, schrieb Pasteur sofort an die Akademie, dass er nicht glauben könne, dass Toterimpfstoff funktionieren würde und dass Toussaints Behauptung „alle Ideen, die ich über Viren, Impfstoffe usw. hatte, umwirft“. [83] Nach Pasteurs Kritik wechselte Toussaint zu Karbolsäure, um Milzbrandbazillen abzutöten, und testete den Impfstoff im August 1880 an Schafen. Pasteur dachte, dass diese Art von abgetöteten Impfstoffen nicht funktionieren sollte, weil er glaubte, dass abgeschwächte Bakterien Nährstoffe verbrauchten, die die Bakterien brauchten wachsen. Er dachte, oxidierende Bakterien würden sie weniger ansteckend machen. [86]

Pasteur fand jedoch heraus, dass Milzbrandbazillen durch Kultivieren in Luft nicht leicht geschwächt werden konnten, da sie Sporen bildeten – im Gegensatz zu Hühner-Cholera-Bazillen. Anfang 1881 entdeckte er, dass Milzbrandbazillen bei einer Temperatur von etwa 42 °C die Bildung von Sporen unmöglich machten, [87] und beschrieb diese Methode in einer Rede vor der Französischen Akademie der Wissenschaften am 28. Februar. [88] Am 21. März er verkündete die erfolgreiche Impfung von Schafen. Zu dieser Nachricht schlug der Tierarzt Hippolyte Rossignol vor, dass die Société d'agriculture de Melun ein Experiment zum Testen des Pasteur-Impfstoffs organisiert. Pasteur unterzeichnete am 28. April eine Vereinbarung über die Herausforderung. Im Mai wurde in Pouilly-le-Fort ein öffentliches Experiment durchgeführt. Es wurden 58 Schafe, 2 Ziegen und 10 Rinder verwendet, von denen die Hälfte am 5. und 17. Mai den Impfstoff erhielt, während die andere Hälfte unbehandelt blieb. [89] Allen Tieren wurde am 31. Mai die frische virulente Anthraxbazilluskultur injiziert. Das offizielle Ergebnis wurde am 2. Juni im Beisein von über 200 Zuschauern beobachtet und analysiert. Alle Rinder überlebten, geimpft oder nicht, wie Pasteur mutig vorausgesagt hatte: "Ich habe die Hypothese aufgestellt, dass die sechs geimpften Kühe nicht sehr krank werden, während die vier ungeimpften Kühe sterben oder zumindest sehr krank werden." [89] Andererseits überlebten alle geimpften Schafe und Ziegen, während die ungeimpften entweder gestorben waren oder vor den Zuschauern starben. [90] Sein Bericht an die Französische Akademie der Wissenschaften vom 13. Juni schließt:

[Bei] wissenschaftlicher Betrachtung stellt die Entwicklung einer Impfung gegen Milzbrand einen bedeutenden Fortschritt gegenüber dem ersten von Jenner entwickelten Impfstoff dar, da dieser nie experimentell gewonnen wurde. [89]

Pasteur gab nicht direkt bekannt, wie er die in Pouilly-le-Fort verwendeten Impfstoffe herstellte. [91] [87] Obwohl sein Bericht es als "Lebendimpfstoff" bezeichnete, [89] zeigen seine Labornotizbücher, dass er tatsächlich einen Kaliumdichromat-getöteten Impfstoff verwendete, wie er von Chamberland entwickelt wurde, ganz ähnlich wie Toussaints Methode. [92] [49] [93]

Die Vorstellung von einer schwachen Form einer Krankheit, die eine Immunität gegen die virulente Version hervorruft, war nicht neu, bei Pocken war dies schon lange bekannt. Es war bekannt, dass die Impfung mit Pocken (Variolation) zu einer viel weniger schweren Krankheit und einer stark verringerten Sterblichkeit im Vergleich zu der natürlich erworbenen Krankheit führte. [94] Edward Jenner hatte auch die Impfung mit Kuhpocken untersucht (Impfung), um gegen Pocken in den späten 1790er Jahren eine Kreuzimmunität zu verleihen, und Anfang des 19. Jahrhunderts hatte sich die Impfung auf den größten Teil Europas ausgebreitet. [95]

Der Unterschied zwischen der Pockenimpfung und der Anthrax- oder Hühnercholera-Impfung bestand darin, dass die beiden letztgenannten Krankheitserreger künstlich geschwächt wurden, sodass keine natürlich schwache Form des Krankheitserregers gefunden werden musste. [92] Diese Entdeckung revolutionierte die Arbeit bei Infektionskrankheiten, und Pasteur gab diesen künstlich abgeschwächten Krankheiten den Gattungsnamen "Impfstoffe", zu Ehren von Jenners Entdeckung. [96]

Das hatte Robert Koch 1876 gezeigt Bacillus anthracis Milzbrand verursacht. [97] In seinen zwischen 1878 und 1880 veröffentlichten Papieren erwähnt Pasteur Kochs Werk nur in einer Fußnote. Koch traf Pasteur auf dem Siebten Internationalen Medizinkongress 1881. Einige Monate später schrieb Koch, dass Pasteur unreine Kulturen verwendet und Fehler gemacht habe. 1882 antwortete Pasteur Koch in einer Rede, auf die Koch aggressiv reagierte. [13] Koch erklärte, dass Pasteur seinen Impfstoff an ungeeigneten Tieren getestet habe und dass Pasteurs Forschung nicht richtig wissenschaftlich sei. [5] Im Jahr 1882 schrieb Koch "On the Anthrax Inoculation", in dem er mehrere von Pasteurs Schlussfolgerungen über Milzbrand widerlegte und Pasteur dafür kritisierte, seine Methoden geheim zu halten, voreilige Schlussfolgerungen zu ziehen und ungenau zu sein. Im Jahr 1883 schrieb Pasteur, dass er Kulturen verwendet, die auf ähnliche Weise wie bei seinen erfolgreichen Fermentationsexperimenten hergestellt wurden, und dass Koch Statistiken falsch interpretierte und Pasteurs Arbeit über Seidenraupen ignorierte. [97]

Rotlauf

1882 schickte Pasteur seinen Assistenten Louis Thuillier wegen einer Epizoose von Schweinerotlauf nach Südfrankreich. [98] Thuillier identifizierte den Bazillus, der die Krankheit im März 1883 verursachte. [64] Pasteur und Thuillier erhöhten die Virulenz des Bazillus, nachdem er ihn durch Tauben übertragen hatte. Dann gaben sie den Bazillus durch Kaninchen, schwächten ihn und erhielten einen Impfstoff. Pasteur und Thuillier beschrieben das Bakterium fälschlicherweise als Achterform. Roux beschrieb das Bakterium 1884 als stabförmig. [99]

Tollwut

Pasteur stellte den ersten Impfstoff gegen Tollwut her, indem er das Virus in Kaninchen züchtete und es dann durch Trocknen des betroffenen Nervengewebes schwächte. [65] [100] Der Tollwutimpfstoff wurde ursprünglich von Emile Roux entwickelt, einem französischen Arzt und einem Kollegen von Pasteur, der mit dieser Methode einen abgetöteten Impfstoff hergestellt hatte. [5] Der Impfstoff war vor seinem ersten Versuch am Menschen an 50 Hunden getestet worden. [101] [102] Dieser Impfstoff wurde dem 9-jährigen Joseph Meister am 6. Juli 1885 verabreicht, nachdem der Junge von einem tollwütigen Hund schwer zerfleischt worden war. [49] [100] Dies geschah mit einem gewissen persönlichen Risiko für Pasteur, da er kein zugelassener Arzt war und wegen der Behandlung des Jungen hätte strafrechtlich verfolgt werden können. [43] Nach Rücksprache mit Ärzten beschloss er, die Behandlung fortzusetzen. [103] Meister erhielt über 11 Tage 13 Impfungen, jede Impfung mit Viren, die für einen kürzeren Zeitraum geschwächt waren. [104] Drei Monate später untersuchte er Meister und stellte fest, dass er bei guter Gesundheit war. [103] [105] Pasteur wurde als Held gefeiert und die Rechtssache wurde nicht weiterverfolgt. [43] Die Analyse seiner Labornotizbücher zeigt, dass Pasteur vor seiner Meisterimpfung zwei Personen behandelt hatte. Einer überlebte, hatte aber möglicherweise nicht wirklich Tollwut, und der andere starb an Tollwut. [104] [106] Pasteur begann am 20. Oktober 1885 mit der Behandlung von Jean-Baptiste Jupille, und die Behandlung war erfolgreich. [104] Später im Jahr 1885 gingen Menschen, darunter vier Kinder aus den Vereinigten Staaten, zu Pasteurs Labor, um geimpft zu werden. [103] Im Jahr 1886 behandelte er 350 Menschen, von denen nur einer an Tollwut erkrankte. [104] Der Erfolg der Behandlung legte den Grundstein für die Herstellung vieler anderer Impfstoffe. Auf dieser Errungenschaft wurde auch das erste Institut Pasteur errichtet. [49]

In Die Geschichte von San Michele, schreibt Axel Munthe über einige Risiken, die Pasteur bei der Tollwutimpfforschung eingegangen ist: [107]

Pasteur selbst war absolut furchtlos. In dem Bestreben, einem tollwütigen Hund eine Speichelprobe direkt aus den Kiefern zu entnehmen, sah ich ihn einmal mit dem zwischen den Lippen gehaltenen Glasröhrchen ein paar Tropfen des tödlichen Speichels aus dem Maul einer tollwütigen Bulldogge ziehen, die er auf dem Tisch hielt von zwei Assistenten, deren Hände durch Lederhandschuhe geschützt sind.

Wegen seiner Studie über Keime ermutigte Pasteur Ärzte, ihre Hände und Geräte vor der Operation zu desinfizieren. Zuvor praktizierten nur wenige Ärzte oder ihre Assistenten diese Verfahren. [ Zitat benötigt ] Ignaz Semmelweis und Joseph Lister waren jedoch schon früher mit der Idee der Bedeutung der Händedesinfektion im medizinischen Kontext beschäftigt, und nachdem Lister Ärzte damit in den 1870er Jahren begonnen hatten. [108]

Ein französischer Nationalheld im Alter von 55 Jahren, im Jahr 1878 sagte Pasteur seiner Familie diskret, dass sie seine Labornotizbücher niemandem preisgeben sollte. Seine Familie gehorchte, und alle seine Dokumente wurden geheim gehalten und vererbt. Im Jahr 1964 schenkte Pasteurs Enkel und letzter überlebender männlicher Nachkomme Pasteur Vallery-Radot die Papiere schließlich der französischen Nationalbibliothek. Bis zum Tod von Vallery-Radot 1971 waren die Papiere jedoch für historische Studien gesperrt. Erst 1985 erhielten die Dokumente eine Katalognummer. [109]

Im Jahr 1995, dem hundertsten Todestag von Louis Pasteur, veröffentlichte der Wissenschaftshistoriker Gerald L. Geison eine Analyse von Pasteurs privaten Notizbüchern in seinem Die private Wissenschaft von Louis Pasteur, und erklärte, Pasteur habe mehrere irreführende Angaben gemacht und bei seinen wichtigsten Entdeckungen Täuschungen gespielt. [14] [110] Max Perutz veröffentlichte eine Verteidigung von Pasteur in Die New Yorker Buchbesprechung. [111] Basierend auf weiteren Untersuchungen von Pasteurs Dokumenten schloss der französische Immunologe Patrice Debré in seinem Buch Louis Pasteur (1998), dass Pasteur trotz seines Genies einige Fehler hatte. In einer Buchbesprechung heißt es, Debré „findet ihn manchmal unfair, kämpferisch, arrogant, unattraktiv, unflexibel und sogar dogmatisch“. [112] [113]

Fermentation

Wissenschaftler vor Pasteur hatten die Fermentation untersucht. In den 1830er Jahren verwendeten Charles Cagniard-Latour, Friedrich Traugott Kützing und Theodor Schwann Mikroskope, um Hefen zu untersuchen und kamen zu dem Schluss, dass Hefen lebende Organismen sind. 1839 stellten Justus von Liebig, Friedrich Wöhler und Jöns Jacob Berzelius fest, dass Hefe kein Organismus ist und durch Lufteinwirkung auf Pflanzensaft entsteht. [57]

1855 führte Antoine Béchamp, Professor für Chemie an der Universität Montpellier, Experimente mit Saccharoselösungen durch und kam zu dem Schluss, dass Wasser der Faktor für die Gärung ist. [114] Er änderte seine Schlussfolgerung im Jahr 1858 und stellte fest, dass die Fermentation direkt mit dem Wachstum von Schimmelpilzen zusammenhängt, die zum Wachstum Luft benötigen. Er betrachtete sich selbst als der Erste, der die Rolle von Mikroorganismen bei der Fermentation zeigte. [115] [53]

Pasteur begann seine Experimente 1857 und veröffentlichte seine Ergebnisse 1858 (April-Ausgabe von Comptes Rendus Chimie, Béchamps Zeitung erschien in der Januar-Ausgabe). Béchamp bemerkte, dass Pasteur keine neuen Ideen oder Experimente mitbrachte. Andererseits kannte Béchamp wohl Pasteurs Vorarbeiten von 1857. Da beide Wissenschaftler die Priorität bei der Entdeckung beanspruchten, dauerte ein Streit, der sich auf mehrere Bereiche erstreckte, ihr ganzes Leben lang. [116] [117]

Béchamp war jedoch auf der Verliererseite, da die BMJ Nachruf bemerkte: Sein Name war "verbunden mit vergangenen Kontroversen über die Priorität, an die es unrentabel wäre, sich daran zu erinnern". [118] Béchamp schlug die falsche Theorie der Mikrozyme vor. Laut K. L. Manchester haben Anti-Vivisektionisten und Befürworter der Alternativmedizin Béchamp und Mikrozyme gefördert und ungerechtfertigt behauptet, Pasteur habe Béchamp plagiiert. [53]

Pasteur dachte, dass Bernsteinsäure die Saccharose invertiert. 1860 isolierte Marcellin Berthelot die Invertase und zeigte, dass Bernsteinsäure Saccharose nicht invertiert. [57] Pasteur glaubte, dass die Fermentation nur auf lebende Zellen zurückzuführen ist. Er und Berthelot führten einen langen Streit über den Vitalismus, in dem Berthelot jede Idee des Vitalismus vehement ablehnte. [119] Hans Buchner entdeckte, dass die Zymase die Fermentation katalysiert und zeigte, dass die Fermentation durch Enzyme in den Zellen katalysiert wird. [120] Eduard Buchner entdeckte auch, dass die Fermentation außerhalb lebender Zellen stattfinden kann. [121]

Anthrax-Impfstoff

Pasteur behauptete öffentlich seinen Erfolg bei der Entwicklung des Milzbrand-Impfstoffs im Jahr 1881. [105] Sein Bewunderer und Rivale Henry Toussaint war jedoch derjenige, der den ersten Impfstoff entwickelte. Toussaint isolierte die Bakterien, die Hühnercholera (später genannt) verursachten Pasteurella zu Ehren von Pasteur) im Jahr 1879 und gab Pasteur Muster, die sie für seine eigenen Werke verwendeten. [122] Am 12. Juli 1880 präsentierte Toussaint der französischen Akademie der Wissenschaften sein erfolgreiches Ergebnis mit einem abgeschwächten Impfstoff gegen Milzbrand bei Hunden und Schafen. [123] Pasteur bestritt die Entdeckung aus Eifersucht, indem er seine Impfmethode am 5. Mai 1881 in Pouilly-le-Fort öffentlich vorführte. Er behauptete, dass er einen "Lebendimpfstoff" herstellte, aber Kaliumdichromat [14] verwendete, um den Impfstoff abzutöten, eine Methode ähnlich der von Toussaint. Das Werbeexperiment war ein Erfolg und half Pasteur, seine Produkte zu verkaufen und die Vorteile und den Ruhm zu erlangen. [124] [125] [126]

Experimentelle Ethik

Pasteur-Experimente werden oft gegen die medizinische Ethik angeführt, insbesondere bei seiner Impfung von Meister. Er hatte keine Erfahrung in der medizinischen Praxis und vor allem keine ärztliche Approbation. Dies wird oft als ernsthafte Bedrohung für seinen beruflichen und persönlichen Ruf angeführt. [127] [128] Sein engster Partner Émile Roux, der medizinisch qualifiziert war, weigerte sich, an der klinischen Studie teilzunehmen, wahrscheinlich weil er es für ungerecht hielt. [104] Pasteur führte die Impfung des Jungen jedoch unter der Aufsicht der praktizierenden Ärzte Jacques-Joseph Grancher, dem Leiter der Kinderklinik des Pariser Kinderkrankenhauses, und Alfred Vulpian, einem Mitglied der Tollwutkommission, durch. Er durfte die Spritze nicht halten, obwohl die Impfungen vollständig unter seiner Aufsicht standen. [103] Grancher war für die Injektionen verantwortlich und verteidigte Pasteur in dieser Angelegenheit vor der französischen Nationalen Akademie für Medizin. [129]

Pasteur wurde auch dafür kritisiert, dass er sein Verfahren geheim hält und keine ordnungsgemäßen präklinischen Tierversuche durchgeführt hat. [5] Pasteur gab an, sein Verfahren geheim zu halten, um dessen Qualität zu kontrollieren. Später enthüllte er seine Verfahren einer kleinen Gruppe von Wissenschaftlern. Pasteur schrieb, dass er 50 tollwütige Hunde erfolgreich geimpft hatte, bevor er es bei Meister anwendete. [130] [131] [132] Laut Geisons Labornotizbüchern zeigt Pasteur, dass er nur 11 Hunde geimpft hatte. [5]

Meister zeigte nie Tollwutsymptome, [104] aber die Impfung als Ursache ist nicht nachgewiesen. Eine Quelle schätzt die Wahrscheinlichkeit, dass Meister an Tollwut erkranken, auf 10 %. [92]

Pasteur wurde 1853 von der Pharmazeutischen Gesellschaft mit 1500 Franken für die Synthese von Racemsäure ausgezeichnet. [133] 1856 verlieh ihm die Royal Society of London die Rumford-Medaille für seine Entdeckung der Natur der Racemsäure und ihre Beziehungen zu polarisiertem Licht, [134] und die Copley-Medaille 1874 für seine Arbeiten über die Fermentation. [135] Er wurde 1869 zum Foreign Member der Royal Society (ForMemRS) gewählt. [2]

Die Französische Akademie der Wissenschaften verlieh Pasteur 1859 den Montyon-Preis für experimentelle Physiologie [40] und 1861 den Jecker-Preis und 1862 den Alhumbert-Preis für seine experimentelle Widerlegung der Spontangeneration. [73] [136] Obwohl er die Wahlen 1857 und 1861 für die Mitgliedschaft in der Französischen Akademie der Wissenschaften verlor, gewann er die Wahlen 1862 für die Mitgliedschaft in der Mineralogie-Sektion. [137] Er wurde 1887 zum ständigen Sekretär der Physikalischen Sektion der Akademie gewählt und hatte diese Position bis 1889 inne. [138]

1873 wurde Pasteur in die Académie Nationale de Médecine [139] gewählt und zum Kommandeur des brasilianischen Rosenordens ernannt. [140] Im Jahr 1881 wurde er in einen von Émile Littré vakanten Sitz an der Académie française gewählt. [141] Pasteur erhielt 1882 die Albert-Medaille der Royal Society of Arts. [142] 1883 wurde er ausländisches Mitglied der Königlich Niederländischen Akademie der Künste und Wissenschaften. [143] 1885 wurde er zum Mitglied der American Philosophical Society gewählt. [144] Am 8. Juni 1886 verlieh der osmanische Sultan Abdul Hamid II. Pasteur den Orden der Medjidie (Klasse I) und 10000 osmanische Lira. [145] Er wurde 1889 mit dem Cameron Prize for Therapeutics der University of Edinburgh ausgezeichnet. [146] Pasteur erhielt 1895 die Leeuwenhoek-Medaille der Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences für seine Beiträge zur Mikrobiologie. [147]

Pasteur wurde 1853 zum Chevalier der Ehrenlegion ernannt, 1863 zum Offizier, 1868 zum Kommandanten, 1878 zum Großoffizier und 1881 zum Großkreuz der Ehrenlegion ernannt. [148] [142]

Erbe

An vielen Orten weltweit sind Straßen nach ihm benannt. In den USA beispielsweise: Palo Alto und Irvine, Kalifornien, Boston und Polk, Florida, angrenzend an das Health Science Center der University of Texas in San Antonio Jonquière, Québec, San Salvador de Jujuy und Buenos Aires (Argentinien), Great Yarmouth in Norfolk , im Vereinigten Königreich, Jericho und Wulguru in Queensland, (Australien) Phnom Penh in Kambodscha Ho Chi Minh City und Da Nang, Vietnam Batna in Algerien Bandung in Indonesien, Teheran im Iran, in der Nähe des zentralen Campus der Warschauer Universität in Warschau, Polen grenzt an die Staatliche Medizinische Universität Odessa in Odessa, Ukraine Mailand in Italien und Bukarest, Cluj-Napoca und Timișoara in Rumänien. Die Avenue Pasteur in Saigon, Vietnam, ist eine der wenigen Straßen dieser Stadt, die ihren französischen Namen behält. Avenue Louis Pasteur in der Longwood Medical and Academic Area in Boston, Massachusetts, wurde ihm zu Ehren auf französische Weise mit "Avenue" vor dem Namen des Widmungsträgers benannt. [149]

Sowohl das Institut Pasteur als auch die Université Louis Pasteur wurden nach Pasteur benannt. Nach ihm sind die Schulen Lycée Pasteur in Neuilly-sur-Seine, Frankreich, und Lycée Louis Pasteur in Calgary, Alberta, Kanada, benannt. In Südafrika sind das Louis Pasteur Private Hospital in Pretoria und das Life Louis Pasteur Private Hospital, Bloemfontein nach ihm benannt. Das Universitätskrankenhaus Louis Pasteur in Košice, Slowakei, ist ebenfalls nach Pasteur benannt.

An der San Rafael High School in San Rafael, Kalifornien, wird eine Statue von Pasteur errichtet. Eine Bronzebüste von ihm befindet sich auf dem französischen Campus des San Francisco Medical Center von Kaiser Permanente in San Francisco. Die Skulptur wurde von Harriet G. Moore entworfen und 1984 von Artworks Foundry gegossen. [150]

Die UNESCO/Institut Pasteur-Medaille wurde anlässlich des 100. Todestages von Pasteur verliehen und wird alle zwei Jahre in seinem Namen verliehen, "in Anerkennung herausragender Forschungen, die einen positiven Einfluss auf die menschliche Gesundheit haben". [151]

Institut Pasteur

Nach der Entwicklung des Tollwutimpfstoffs schlug Pasteur ein Institut für den Impfstoff vor. [152] Im Jahr 1887 begann die Mittelbeschaffung für das Pasteur-Institut mit Spenden aus vielen Ländern. Die offizielle Satzung wurde 1887 registriert und besagte, dass die Zwecke des Instituts "die Behandlung der Tollwut nach der von M. Pasteur entwickelten Methode" und "das Studium ansteckender und ansteckender Krankheiten" waren. [103] Das Institut wurde am 14. November 1888 eingeweiht. [103] Er brachte Wissenschaftler verschiedener Fachrichtungen zusammen. Die ersten fünf Abteilungen wurden von zwei Absolventen der cole Normale Supérieure: Émile Duclaux (allgemeine Mikrobiologieforschung) und Charles Chamberland (Mikrobenforschung in der Hygiene) sowie die Biologin Élie Metchnikoff (morphologische Mikrobenforschung) und die beiden Ärzte Jacques-Joseph Grancher (Tollwut) und Émile Roux (technische Mikrobenforschung .) ).Ein Jahr nach der Eröffnung des Instituts richtete Roux den weltweit ersten Studiengang für Mikrobiologie ein, der damals den Titel . trug Cours de Microbie-Technik (Kurs der Mikrobenforschungstechniken). Seit 1891 wurde das Institut Pasteur auf verschiedene Länder ausgedehnt, und derzeit gibt es 32 Institute in 29 Ländern in verschiedenen Teilen der Welt. [153]

Pasteur heiratete 1849 Louise Pasteur (geb. Laurent). Sie war die Tochter des Rektors der Universität Straßburg und war Pasteurs wissenschaftliche Assistentin. Zusammen hatten sie fünf Kinder, von denen nur drei bis ins Erwachsenenalter überlebten.

Glaube und Spiritualität

Sein Enkel Louis Pasteur Vallery-Radot schrieb, Pasteur habe sich von seinem katholischen Hintergrund nur einen Spiritismus ohne religiöse Praxis bewahrt. [154] Katholische Beobachter sagten jedoch oft, dass Pasteur sein ganzes Leben lang ein glühender Christ geblieben sei, und sein Schwiegersohn schrieb in einer Biographie über ihn:

Absoluter Glaube an Gott und an die Ewigkeit und die Überzeugung, dass die uns in dieser Welt gegebene Kraft zum Guten auch darüber hinaus fortbestehen wird, waren Gefühle, die sein ganzes Leben durchdrangen, die Tugenden des Evangeliums waren ihm immer gegenwärtig gewesen. Voller Achtung vor der Religionsform seiner Vorfahren kam er in diesen letzten Wochen seines Lebens einfach zu ihr und natürlich zu spiritueller Hilfe. [155]

Die Literarischer Digest vom 18. Oktober 1902 gibt diese Aussage von Pasteur, dass er während seiner Arbeit gebetet hat:

Die Nachwelt wird eines Tages über die Dummheit der modernen materialistischen Philosophen lachen. Je mehr ich die Natur studiere, desto mehr staune ich über das Werk des Schöpfers. Ich bete, während ich mit meiner Arbeit im Labor beschäftigt bin.

Auch Maurice Vallery-Radot, Enkel des Bruders des Schwiegersohns von Pasteur und ausgesprochener Katholik, hält Pasteur grundsätzlich für katholisch. [156] Sowohl Pasteur Vallery-Radot als auch Maurice Vallery-Radot zufolge ist das folgende bekannte Zitat, das Pasteur zugeschrieben wird, apokryph: [157] „Je mehr ich weiß, desto näher ist mein Glaube dem des bretonischen Bauern Ich weiß aber alles, ich hätte den Glauben einer bretonischen Bauernfrau". [16] Laut Maurice Vallery-Radot [158] tauchte das falsche Zitat zum ersten Mal kurz nach dem Tod von Pasteur auf. [159] Trotz seines Glaubens an Gott wurde jedoch gesagt, dass seine Ansichten eher die eines Freidenkers als eines Katholiken waren, ein spiritueller mehr als ein religiöser Mann. [160] [161] Er war auch dagegen, Wissenschaft mit Religion zu vermischen. [162] [163]

Tod

Im Jahr 1868 erlitt Pasteur einen schweren Hirnschlag, der die linke Körperseite lähmte, aber er erholte sich. [164] Ein Schlaganfall oder eine Urämie im Jahr 1894 beeinträchtigte seine Gesundheit stark. [165] [166] [167] Da er sich nicht vollständig erholen konnte, starb er am 28. September 1895 in der Nähe von Paris. [49] Er erhielt ein Staatsbegräbnis und wurde in der Kathedrale Notre Dame beigesetzt, aber seine sterblichen Überreste wurden im Pasteur-Institut in Paris [168] in einem Gewölbe mit Darstellungen seiner Leistungen in byzantinischen Mosaiken beigesetzt. [169]


Das Institut für Schöpfungsforschung

Im ersten Artikel "Origin of Life: A Critique of Early Stage Chemical Evolution Theories", Januar 1976, dieser Serie über den Ursprung von Lebenstheorien, wird im Anschluss an die Diskussion der Probleme einer naturalistischen Entstehung relativ einfacher organischer Verbindungen das Problem des Ursprungs großer Moleküle ("Makromoleküle"), wie der Proteine, DNA und RNA, eingeführt. Es wurde darauf hingewiesen, dass eine der unüberwindlichen Barrieren für die Ansammlung signifikanter Mengen dieser sehr komplexen Moleküle (selbst unter der Annahme, dass der Ozean mit riesigen Mengen der notwendigen Chemikalien bevölkert ist) die Tatsache ist, dass Energie erforderlich ist, um die chemischen Bindungen zwischen die Einheiten in diesen langkettigen Verbindungen.

ABBILDUNG 1.

Dies hat zur Folge, dass diese Verbindungen praktisch nicht zur Bildung neigen, aber andererseits sehr leicht zum Zerfallen oder Zerfall neigen. Was also natürlich und spontan passiert, ist, dass Proteine ​​in ihre konstituierenden Aminosäuren zerfallen, und DNA und RNA neigen dazu, in Fragmente und schließlich in ihre konstituierenden Gruppen aufzubrechen – einen Zucker, Phosphorsäure und Purine und Pyrimidine. Wenn Proteine, DNA, RNA und andere komplexe Makromoleküle auf der hypothetischen primitiven Erde durch naturalistische Prozesse entstanden wären, hätte es einen Mechanismus geben müssen, um diesen Prozess in die entgegengesetzte Richtung zu treiben, in die er tendenziell geht. Dieser Mechanismus hätte sehr effizient sein müssen, da viele Milliarden Tonnen von vielen verschiedenen Arten von Proteinen, DNA und RNA produziert werden müssten, um genügend dieser lebenswichtigen Verbindungen für die Entstehung von Leben in einem Ozean mit irgendwo zwischen 35 und 350 Millionen Kubikmeilen Wasser.

Thermisches Modell von Fox

Der Vorschlag, der mehr Aufmerksamkeit erregt hat als alle anderen, ist die Idee von Sidney Fox. Fox hat in zahlreichen wissenschaftlichen Zeitschriften und in vielen Büchern Artikel zu verschiedenen Aspekten seiner thermischen Theorie veröffentlicht, von denen einige in der Bibliographie dieses Artikels aufgeführt sind. 1-5 Ein Überblick über Fox' Theorie findet sich in praktisch jedem modernen Highschool- und College-Text über Biologie, Evolution und verwandte Themen. Zu seinem 60. Geburtstag ist kürzlich ein Rezensionsband erschienen. 6 Und doch, wenn etwas in der Wissenschaft sicher ist, kann man sagen, dass das Leben auf diesem Planeten, egal wie es entstanden ist, nicht nach dem von Fox vorgeschlagenen Schema entstanden ist. Man könnte nicht als zu unfreundlich oder kritisch beurteilt werden, wenn er Fox' Vorschlag als Pseudowissenschaft bezeichnen würde.

Fox verwendet in seinem Modell starke Hitze als Antriebsmechanismus. Bei der Labordemonstration von Fox' Ursprung des Lebensschemas wird eine bestimmte Mischung reiner, trockener Aminosäuren für eine begrenzte Zeit (normalerweise etwa sechs Stunden) auf etwa 175°C (Wasser kocht bei 100°C) erhitzt. Dann wird das intensive Erhitzen beendet, das Produkt mit heißem Wasser verrührt und unlösliches Material durch Filtration entfernt. Beim Abkühlen der wässrigen Lösung fällt ein Produkt in Form von mikroskopischen Kügelchen aus, die Fox proteinoide Mikrokügelchen nennt. Die Analyse dieses Materials zeigt, dass es aus Polymeren oder Ketten von Aminosäuren besteht, obwohl sie kürzer sind, als sie normalerweise in Proteinen vorkommen. Einige dieser Kügelchen ähneln Kokkoidenbakterien, andere wölben sich und scheinen oberflächlich ähnlich wie bestimmte Mikroorganismen zu knospen.

Fox behauptet, dass seine proteinoiden Mikrokügelchen Protozellen darstellen (das heißt, sie sind fast, aber nicht ganz echte Zellen) und eine wichtige Verbindung zwischen der ursprünglichen chemischen Umgebung und echten lebenden Zellen. Er behauptet, dass die Aminosäuren in diesen Polymeren nicht wie erwartet zufällig angeordnet sind, sondern dass einige sehr homogene (mit identischer chemischer Struktur) proteinähnliche Moleküle erhalten werden, deren Aminosäuren in einer genau geordneten Reihenfolge angeordnet sind. Er behauptet weiterhin, dass diese Verbindungen nachweisbare katalytische oder enzymähnliche Eigenschaften besitzen. Schließlich behauptet Fox, dass sich diese Mikrokügelchen durch Teilung in gewisser Weise wie echte Zellen vermehren.

FIGUR 2.Die obige Reaktion stellt die Bildung von Dipeptid dar, das nur zwei Aminosäuren enthält. Das durchschnittliche Protein enthält mehrere hundert Aminosäurereste. Um ein solches Protein zu bilden, würde die obige Reaktion viele Male wiederholt, während die Aminosäuren nacheinander an das Ende der Kette hinzugefügt werden.

Auf die Frage, wo auf der Urerde ein Ort gefunden werden könnte, an dem Aminosäuren auf etwa 175°C erhitzt worden sein könnten, schlägt Fox vor, dass ein solcher Ort an den Rändern von Vulkanen gefunden worden wäre. Als darauf hingewiesen wurde, dass das Erhitzen bei einer so hohen Temperatur (bei Temperaturen weit unter 175°C findet kaum eine Reaktion statt) die vollständige Zerstörung der Produkte zur Folge hätte, wenn das Erhitzen weit über sechs Stunden hinaus andauert, schlägt Fox vor, dass Regen genau zum richtigen Zeitpunkt auftreten könnte um die Produkte abzuwaschen.

Das Schema von Fox würde eine so einzigartige Reihe von Ereignissen und Bedingungen erfordern, deren Wahrscheinlichkeit so verschwindend klein wäre, dass sie mit Null gleichgesetzt werden könnte. Dies sind die folgenden:

1. Erhitzen bei hoher Temperatur für eine begrenzte Zeit.

Foxs Vermutung, dass die Kombination von Vulkanrändern mit Regen zum richtigen Zeitpunkt ausreichen würde, um Milliarden Tonnen dieser Polymere zu produzieren, wurde sogar von zahlreichen Evolutionisten scharf kritisiert. 7 Miller und Orgel weisen darauf hin, dass beim Erstarren von Lava die Oberfläche der Lava kaum wärmer als die Lufttemperatur ist. Bei der Erörterung dieses Merkmals von Fox' Modell sagen sie: "Eine andere Möglichkeit, dieses Problem zu untersuchen, besteht darin, zu fragen, ob es heute Orte auf der Erde mit angemessenen Temperaturen gibt, an denen wir beispielsweise 10 Gramm einer Mischung von Aminosäuren abtropfen lassen und eine signifikante" Ausbeute an Polypeptiden&hellip Wir können uns keinen einzigen solchen Ort vorstellen.“ 8 Selbst wenn es solche Orte gäbe, wären sie in ihrer Ausdehnung so begrenzt und der Zeitpunkt des Regens wäre so restriktiv (nicht viel weniger und nicht viel mehr als sechs Stunden von zu dem Zeitpunkt, zu dem die Erwärmung beginnt), dass die Produktionsrate sehr viel geringer wäre als die Rate der Zerstörung durch Hydrolyse und andere Abbaureaktionen, sobald die Produkte in den Ozean oder andere Gewässer gespült wurden.

2. Die Reaktionsmischung von Fox besteht ausschließlich (soweit organisches Material betroffen ist) aus reinen Aminosäuren.

Wo in aller Welt könnte eine Mischung aus reinen Aminosäuren gefunden werden? Nur im Labor eines Wissenschaftlers des 20. Jahrhunderts! Nach dem chemischen Evolutionsschema, dem Fox und alle anderen Theoretiker des Ursprungs des Lebens folgen, wäre jedoch eine große Vielfalt organischer chemischer Verbindungen, von Tausenden und wahrscheinlich vielen Zehntausenden, auf der Urerde produziert worden. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Mischung reiner Aminosäuren irgendwo ansammelt, wenn sie produziert wird, wäre absolut null. Alle hergestellten Aminosäuren würden mit Zuckern, Aldehyden, Ketonen, Carbonsäuren, Aminen, Purinen, Pyrimidinen und anderen organischen Chemikalien vermischt. Das Erhitzen von Aminosäuren bei fast jeder Temperatur mit einer Mischung solcher Chemikalien würde mit Sicherheit zu einer vollständigen Zerstörung der Aminosäuren führen. Ohne Frage würden keine Polypeptide oder Proteinoide produziert. Allein dieser Faktor eliminiert das Foxsche Schema vollständig aus jeder rationalen Diskussion.

3. Ein völlig unwahrscheinliches Verhältnis von Aminosäuren ist erforderlich.

Wenn zufällige Anteile von Aminosäuren erhitzt werden, wird kein Produkt erhalten. Es wird ein sehr hoher Anteil einer der sauren Aminosäuren Asparagin- und Glutaminsäure oder der basischen Aminosäure Lysin benötigt. Im Allgemeinen wird etwa ein Teil einer der sauren Aminosäuren oder ein Teil Lysin, eine basische Aminosäure, mit zwei Teilen aller verbleibenden Aminosäuren kombiniert erhitzt. Unter keinen natürlich vorkommenden Bedingungen würde ein solches Verhältnis von Aminosäuren jemals existieren. In allen Laborexperimenten mit Ursprung des Lebens sind die Aminosäuren, die in den höchsten Verhältnissen produziert werden, Glycin und Alanin, die einfachste Struktur und daher die stabilste aller Aminosäuren. Asparagin- und Glutaminsäure werden im Allgemeinen hergestellt, jedoch in geringen Anteilen. Nachweisbare Mengen an Lysin werden selten, wenn überhaupt, produziert. Auch hier ist Fox' Schema völlig realitätsfremd.

4. Serin und Threonin werden hauptsächlich zerstört.

Zwei der am häufigsten vorkommenden Aminosäuren in Proteinen sind Serin und Threonin. Dennoch werden sie während des Erhitzungsprozesses, der in Fox' Schema erforderlich ist, stark zerstört. Das resultierende Produkt enthält somit im Gegensatz zu natürlich vorkommenden Proteinen nur geringe Mengen an Serin und Threonin.

5. Die Behauptung, die Produkte bestünden aus wenigen relativ homogenen Polypeptiden ("Proteinoiden") mit Aminosäuren, die in einer hochgeordneten Sequenz angeordnet sind, ist offensichtlich absurd.

Wenn ein Affe auf einer Schreibmaschine tippen dürfte, wäre die Reihenfolge der Buchstabenfolge auf dem Papier völlig zufällig. Das Ergebnis wäre Unsinn. So ist es bei Polymeren, die nach üblichen chemischen und physikalischen Verfahren aus Aminosäuren, Nukleotiden oder Zuckern hergestellt werden. Chemie und Physik sind wie Affen dumme Dinger und haben keine Fähigkeit, Untereinheiten in einer bestimmten Reihenfolge anzuordnen. Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen basierend auf relativen Reaktivitäten funktioneller Gruppen und Aktivierungsenergien benötigen die Herstellung von zufälligen Strukturen oder Sequenzen in beliebigen Polymerisationen, die Mischungen von Aminosäuren, Nukleotiden oder Zuckern beinhalten. Es wurde gezeigt, dass die Polymerisation der Zucker 9 und der Nukleotide 10 tatsächlich zu zufälligen Sequenzen führt.

Fox behauptet, dass sein Produkt aus relativ großen Mengen einiger weniger Polypeptide besteht (Polymere von Aminosäuren werden Polypeptide genannt, wenn die Ketten kürzer als Proteine ​​sind), wobei die Aminosäuren jeweils in einer sehr spezifischen Reihenfolge angeordnet sind, und nicht aus einer enormen Anzahl von Polypeptiden mit zufälligen Strukturen, basiert auf völlig unzureichenden Trenntechniken und Analysen. Es gibt keinerlei gültige Beweise dafür, ob die Aminosäuren in den Produkten von Fox bestellt sind oder nicht. Tatsächlich beschuldigen einige seiner Mit-Theoretiker des Ursprungs des Lebens Fox in dieser Hinsicht der Täuschung. So sagen Miller und Orgel bezüglich der Behauptung von Fox, dass sein Produkt aus nicht-zufälligen Polypeptiden bestehe: "Der bisher gezeigte Grad der Nicht-Zufälligkeit bei thermischen Polypeptiden ist also winzig im Vergleich zu der Nicht-Zufälligkeit bei Proteinen. Es ist daher trügerisch zu behaupten, dass thermische Polypeptide Proteinen in ihrer Nicht-Zufälligkeit ähnlich sind.“

Über die obigen Überlegungen hinaus gibt es weitere zwingende Beweise dafür, dass das Produkt von Fox aus zufälligen Strukturen bestehen muss. Die für die Reaktion erforderliche hohe Temperatur racemisiert die Aminosäuren fast vollständig. Alle bis auf eine der in Proteinen vorkommenden Aminosäuren (Glycin ist die Ausnahme) können in mindestens zwei Formen existieren, in denen sich die räumliche Anordnung der Atome unterscheidet. Diese Formen werden als D- und L-Formen bezeichnet (manchmal als "rechts-" und "linkshändig" bezeichnet). Sie stehen zueinander in der gleichen Beziehung wie eine rechte Hand zur linken, jeweils spiegelbildlich, aber nicht überlagerbar. Chemisch und physikalisch weisen sie identische Eigenschaften auf, außer dass Lösungen der beiden Formen planpolarisiertes Licht in entgegengesetzte Richtungen drehen. Biologisch ist der Unterschied jedoch enorm. Alle natürlich vorkommenden Proteine ​​enthalten ausschließlich die L- oder "linkshändige" Form. Der Ersatz einer einzelnen Aminosäure in einem Protein durch seine D-Form zerstört die gesamte biologische Aktivität vollständig.

FIGUR 3.Die Aminosäuresequenz des Proteins Chymotrypsinogen.

Racemisierung ist der Prozess, der D-Aminosäuren in eine Mischung der D- und L-Formen oder L-Aminosäuren in eine Mischung der D- und L-Formen umwandelt. Wenn eine Aminosäure vollständig racemisiert ist, besteht sie aus gleichen Mengen der D- und L-Formen. Alle Aminosäuren neigen unter natürlichen Bedingungen zur Racemisierung, wobei die Racemisierungsrate von der jeweiligen Aminosäure und den Umweltbedingungen abhängt. Die brutale Behandlung des mehrstündigen Erhitzens von Aminosäuren bei 175°C, wie oben erwähnt, führt zu einer weitgehenden Racemisierung der Aminosäuren, wodurch die Aminosäuren von L-Formen in eine Mischung aus L- und D-Formen umgewandelt werden.

Da die D- und L-Formen von Aminosäuren identische chemische Eigenschaften aufweisen, ist die Wahrscheinlichkeit des Einbaus der D-Form an einem beliebigen Punkt der Kette gleich der Wahrscheinlichkeit des Einbaus der L-Form. Es gäbe dann chemisch keine Möglichkeit zu spezifizieren, welche Form an einer bestimmten Stelle eingebaut würde. Die Sequenz der ersten beiden Aminosäuren in der Kette könnte somit L-L, D-D, D-L oder L-D sein. Jeder hätte die gleiche Wahrscheinlichkeit. Die Sequenz der ersten drei Aminosäuren kann unabhängig von den bestimmten Aminosäuren L-L-L, L-L-D, L-D-L, L-D-D, D-D-D, D-D-L, D-L-D oder D-L-L sein. Somit ist ersichtlich, dass selbst bei gleicher Sequenz der ersten drei Aminosäuren (wie zB Arginin-Valin-Threonin) acht verschiedene Strukturen erhalten werden können, Unterschiede, die biologisch einen enormen Einfluss ausüben würden. Tatsächlich könnte, basierend auf bekannter Biochemie, nur die L-L-L-Form eine potenzielle Bedeutung gehabt haben.

Es ist daher unmöglich, dass das Produkt von Fox aus bestimmten Strukturen besteht. Eine bestimmte Sequenz von zehn Aminosäuren, die jedoch aus Mischungen der D- und L-Formen besteht, würde tausend verschiedene Strukturen ergeben (2 10 ) und eine bestimmte Sequenz von 100 Aminosäuren, die in D- und L-Formen existieren, würde 10 Milliarden Mal ergeben 10 Milliarden mal 10 Milliarden verschiedene Strukturen (2 100 oder ungefähr 10 30 ). Es ist offensichtlich, dass Foxs Anspruch auf ein hohes Maß an Homogenität oder Nicht-Zufälligkeit seines Produkts in der Tat absurd ist.

6. Katalytische oder enzymatische Eigenschaften, die für das Produkt beansprucht werden, sind kaum nachweisbar und haben nichts mit vorhandenen Enzymen zu tun.

Die katalytischen Eigenschaften von Enzymen, die in heutigen Organismen vorkommen, beruhen auf der genauen Abfolge der L-Aminosäuren in diesen Proteinen. Das Produkt von Fox besteht aus zufälligen Sequenzen dieser Aminosäuren. Jede Erhöhung der katalytischen Aktivität der freien Aminosäuren selbst durch diese Polymerisation würde nicht mehr sein als diejenige, die durch den Einbau dieser Aminosäuren in statistische Polymere oder unspezifische chemische Strukturen vermittelt wird. Weiterhin bestehen diese Polymere aus Mischungen von D- und L-Aminosäuren. Wie bereits erwähnt, zerstört die Substitution von nur einer L-Aminosäure durch ihre D-Form in einem Enzym (das aus mehreren hundert Aminosäuren bestehen kann) für alle praktischen Zwecke seine biologische, d. h. seine katalytische Fähigkeit vollständig ( Restaktivität, falls vorhanden, unter eine nachweisbare Menge reduziert). Weitere Diskussionen zu diesem Punkt finden sich in der Monographie von Gish über den Ursprung des Lebens. 12 Wenn Fox den Staub vom Boden der Universitätsverwaltung aufgewischt und in seine Testmischung geworfen hätte, hätte er wahrscheinlich genauso viel Aktivität gehabt wie sein Proteinoid.

7. Die proteinoiden Mikrokügelchen sind instabil und werden leicht zerstört.

Fox behauptet ein ziemlich hohes Maß an Stabilität für seine proteinoiden Mikrokügelchen, aber er selbst offenbart, dass Mikrokügelchen, die in wässriger Suspension zwischen den Objektträgern enthalten sind, leicht durch einfaches Erwärmen der Objektträger wieder aufgelöst werden können. 13 Stabil, in der Tat! Darüber hinaus löst auch die Verdünnung einer wässrigen Suspension durch Zugabe von Wasser die Mikrokügelchen.

8. Die Teilung der Mikrosphären ist auf einfache physikalisch-chemische Phänomene zurückzuführen und hat keinen Bezug zur Zellteilung durch lebende Organismen.

Die Zellteilung selbst in den einfachsten Organismen erfordert einen unglaublich komplexen Prozess und eine unglaublich komplexe Maschinerie, bei der jede Einheit der Zelle mit extrem hoher Genauigkeit dupliziert wird. Andererseits ist die für Fox's Mikrosphären berichtete Aufteilung ein einfaches physikalisch-chemisches Phänomen, wie die Trennung einer Seifenblase in zwei Blasen. Es hat keine größere Bedeutung.Wenn Material in Form von Kügelchen aus der Lösung ausfällt und die Menge, die sich in einem bestimmten Kügelchen angesammelt hat, eine bestimmte Menge überschreitet, können physikalisch-chemische Kräfte dazu führen, dass sich das Kügelchen in zwei Kügelchen aufspaltet. Es findet jedoch keine Vervielfältigung, keinerlei Vervielfältigung statt. Das Material im ersten Kügelchen würde zufällig auf die beiden Produktkügelchen verteilt.

Diese Diskussion des Fox-Schemas für die Entstehung des Lebens war, wenn auch unvollständig, relativ umfangreich. Dies wird jedoch aufgrund der enormen Förderung (und naiven Akzeptanz) von Fox' Theorien in High-School- und College-Texten sowie in wissenschaftlichen Kreisen als wünschenswert erachtet. Der Erfolg von Fox bestätigt die Voreingenommenheit und unwissenschaftlichen Einstellungen, die die Bildungs- und Wissenschaftseinrichtungen in Bezug auf die Herkunftsfrage dominieren. Alles, was evolutionäre Philosophie beinhaltet, ist akzeptabel, egal wie unwissenschaftlich.

Andere Modelle

Andere Vorschläge wurden gemacht (gute, aber prägnante Rezensionen dazu finden sich in der Arbeit von Horowitz und Hubbard 7b und dem Buch von Miller und Orgel 7a ). Diejenigen, die Reaktionen in wässriger Lösung (und damit in den Ozeanen, Seen und allen anderen wässrigen Umgebungen) beinhalten, können effektiv eliminiert werden, da die hochenergetischen Reagenzien erforderlich sind, um die Energie bereitzustellen, um die chemischen Bindungen zwischen den Aminosäuren, Nukleotiden usw. , würde schnell durch Wasser zerstört werden. Diese Reagenzien sind bei Laborsynthesen wirksam, da die Reagenzien in nichtwässrigen Lösungsmitteln unter wasserfreien Bedingungen hergestellt werden und die Reaktionen, bei denen diese Reagenzien verwendet werden, im Allgemeinen unter ähnlichen Bedingungen durchgeführt werden. Es besteht jedoch keine Möglichkeit, dass sich diese Reagenzien auf der primitiven Erde bilden könnten.

Neben dem Vorschlag von Fox wurden weitere Vorschläge unter Verwendung erhöhter Temperaturen in einer trockenen Umgebung angeboten. 14 Orgel und seine Mitarbeiter haben eine Reihe von Arbeiten veröffentlicht, beispielsweise über die thermische Synthese von Nukleotiden und Polymeren von Nukleotiden in einer trockenen Umgebung, 15 aber Orgel selbst räumt ein, dass diese Experimente keine Bedeutung für den Ursprung des Lebens haben. Nach der Diskussion der Möglichkeiten solcher Reaktionen, die unter primitiven Erdbedingungen ablaufen, stellen Miller und Orgel fest: "Wir bezweifeln jedoch, dass auf diese Weise eine sehr umfangreiche Polymerisation von Nukleotiden stattgefunden haben könnte 'biologische' Polymerisation haben könnte erfolgt außer in einem wässrigen Umgebung." 16

Miller und Orgel haben somit ihre Überzeugung zum Ausdruck gebracht, dass Polymerisationen, die zu Proteinen, DNA, RNA und anderen biologischen Molekülen führten ("„biologische &rsquo-Polymerisationen") in einer wässrigen Umgebung stattgefunden haben müssen. Dies wäre jedoch, wie oben erwähnt, unmöglich gewesen, da die zum Antrieb dieser Polymerisationsreaktionen benötigten hochenergetischen Verbindungen in einer wässrigen Umgebung nicht gebildet oder vorhanden gewesen sein könnten.

Im abschließenden Absatz ihres Kapitels über Polymerisationen stellen Miller und Orgel fest: „Dieses Kapitel war für den Leser wahrscheinlich verwirrend. Wir glauben, dass dies an den sehr begrenzten Fortschritten liegt, die bei der Untersuchung präbiotischer Kondensationsreaktionen gemacht wurden.“ 17 Dieser Mangel an Erfolg resultiert aus den extremen Schwierigkeiten, sich vorzustellen, wie solche Prozesse unter natürlichen Bedingungen ablaufen könnten. Manche mögen dagegen vermuten, dass nur begrenzte Fortschritte gemacht wurden, vor allem weil noch vergleichsweise wenig Forschung über die Entstehung des Lebens betrieben wurde. In dieser begrenzten Menge an Forschung wurde jedoch genug Arbeit geleistet, um alle beteiligten Prinzipien zu testen. Weitere Arbeiten werden die Prinzipien der Thermodynamik, der chemischen Kinetik oder anderer beteiligter Grundprinzipien nicht ändern. Diese stehen als Barrieren für einen naturalistischen Ursprung biologisch aktiver Moleküle.

Diese Reihe zu Theorien über den Ursprung des Lebens wird in einer zukünftigen Ausgabe abgeschlossen.


Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Verstehen Sie die Hypothesen

Die häufigste Erklärung für das Phänomen des Lebens auf der Erde ist mythologisch. Menschen aus verschiedenen Teilen der Welt haben Mythen entwickelt, um die Herkunft von Tieren und Menschen zu erklären. Einige dieser Mythen wurden in Religionen integriert und fast alle Religionen haben metaphorische oder transzendentale Erklärungen für den Ursprung des Lebens auf dem Planeten.

Mit der Entwicklung der Wissenschaft sind neue Erklärungsversuche hinzugekommen. Bemerkenswert unter ihnen ist die spontane Generationshypothese oder Abiogenese, die behauptet, dass lebende Organismen aus nicht lebenden Materialien geschaffen wurden, die kosmische Panspermie-Hypothese, die die Theorie ist, dass das Leben auf der Erde das Ergebnis der Aussaat aus dem Weltraum der autotrophen Hypothese ist, nach der die ersten lebenden Organismen autotroph waren und die heute am meisten akzeptierte heterotrophe Hypothese, die behauptet, dass Leben aus heterotrophen Zellen hervorgegangen ist.

Ende der 1980er Jahre wurde eine neue Hypothese präsentiert, die als RNA-Welt-Hypothese bekannt ist. Diese Hypothese besagt, dass primitives Leben nur RNA als genetisches Material und Strukturmoleküle hatte und dass sie sich später in DNA und Proteine ​​verwandelte. Die Hypothese der RNA-Welt wird durch die Tatsache gestärkt, dass RNA die Rolle eines Katalysators wie Enzyme spielen kann, und durch die Entdeckung, dass einige Bakterien Ribosomen nur aus RNA ohne daran gebundene Proteine ​​​​bestehen.

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Spontane Generation

5. Was ist die spontane Generationshypothese?

Die spontane Generationshypothese oder Abiogenese behauptet, dass das Leben auf der Erde aus nicht lebenden Materialien stammt. Die Tatsache, dass beispielsweise Ratten im Laufe der Zeit in der Nähe von Abfällen auftauchten, galt in der Vergangenheit als Bestätigung dieser Hypothese. Einige Befürworter der Spontangeneration verbanden sie mit der Existenz eines aktiven Prinzips (dem vitalen Elan), von dem sie behaupteten, es sei die Quelle des Lebens, einer Theorie, die als Vitalismus bekannt ist.

6. Wie widerlegten die Experimente von Redi und Pasteur die Hypothese der spontanen Generation?

Um die Spontangenerationshypothese zu widerlegen, wurden viele Experimente durchgeführt. Francisco Redi bestätigte 1668, dass Maden nur dann auf Fleisch auftauchten, wenn es der Umwelt in geschlossenen Umgebungen ausgesetzt war, sie erschienen nicht. 1862 widerlegte Louis Pasteur, der mit Schwanenhalsflaschen arbeitete, die Abiogenese-Hypothese endgültig. In diesem Experiment zeigte Pasteur, dass gekochte (um Mikroorganismen abzutöten) nahrhafte Suppen in Schwanenhalsflaschen (mit einem nach unten gebogenen Mund, damit Mikroorganismen nicht leicht eindringen können) nicht mit Mikroorganismen kontaminiert waren, während die gleichen Suppen in Flaschen mit nach oben offenem Mund waren innerhalb weniger Tage kontaminiert. Die Tatsache, dass beide Flaschen offen waren, widerlegte das vitalistische Argument, dass der Vitalelan nicht in die Flaschen eindringen konnte. Pasteur brach die Schwanenhälse der Flaschen, um zu zeigen, dass die Vermehrung von Mikroorganismen stattfinden könnte, wenn diese Organismen in die Brühe gelangen könnten.

Panspermie

7. Was ist Panspermie?

Panspermie ist eine Hypothese, die das Leben auf der Erde als nicht vom Planeten stammend beschreibt. Die Idee ist, dass die ersten lebenden Organismen, die die Erde besiedelten, aus dem Weltraum, von anderen Planeten oder sogar von anderen Galaxien kamen, indem sie auf Meteoriten, Kometen usw wurden auch absichtlich von außerirdischen Wesen in anderen Sternen- und Planetensystemen gesät.

Die autotrophe Hypothese

8. Was ist die autotrophe Hypothese vom Ursprung des Lebens?

Die autotrophe Hypothese vom Ursprung des Lebens behauptet, dass die ersten lebenden Organismen auf der Erde ebenso wie Pflanzen und chemosynthetische Mikroorganismen Produzenten ihrer eigenen Nahrung waren.

Die heterotrophe Hypothese

9. Was ist die heterotrophe Hypothese vom Ursprung des Lebens?

Nach der heterotrophen Hypothese waren die ersten lebenden Organismen sehr einfache heterotrophe Organismen, d. h. Organismen, die keine eigene Nahrung produzieren, die aus dem allmählichen Einbau organischer Moleküle in kleine organisierte Strukturen (die Koazervate) hervorgegangen sind. Demnach entstanden die ersten organischen Moleküle wiederum aus Substanzen aus der Uratmosphäre der Erde, die starken elektrischen Entladungen, Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen ausgesetzt waren.

10. Was ist die am meisten akzeptierte Hypothese über den Ursprung des Lebens auf der Erde? Wie vergleicht sie sich mit den anderen Haupthypothesen?

Die heterotrophe Hypothese ist die stärkste und am meisten akzeptierte Hypothese über den Ursprung des Lebens.

Die Spontangenerationshypothese wurde durch die Experimente von Pasteur ausgeschlossen. Die Panspermie-Hypothese ist noch nicht vollständig widerlegt, wird aber nicht gut akzeptiert, da es notwendig wäre, zu erklären, wie lebende Organismen lange Weltraumreisen unter extremen Temperaturen überleben könnten, sowie zu klären, wie sie den hohen Temperaturen beim Eintritt in die Erdatmosphäre ausgesetzt. Die autotrophe Hypothese wird abgeschwächt, wenn man berücksichtigt, dass die Herstellung von organischem Material aus anorganischen Stoffen ein hochkomplexer Prozess ist, der diversifizierte enzymatische Systeme erfordert und die Existenz komplexer Stoffwechselreaktionen auf der Urerde nicht wahrscheinlich war.

Die ursprüngliche Atmosphäre der Erde

11. Aus welchen Gasen bestand vor der Entstehung des Lebens die primitive Atmosphäre der Erde?

Die primitive Atmosphäre der Erde bestand im Wesentlichen aus Methan, Wasserstoff, Ammoniak und Wasserdampf. 

12. Was sind die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre in unserer Zeit?

Die gegenwärtige Atmosphäre besteht hauptsächlich aus molekularem Stickstoff (N&sub2;) und molekularem Sauerstoff (O&sub2;). Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Gas und macht etwa 80 % des Gesamtvolumens aus. Sauerstoff macht etwa 20 % aus. Andere Gase kommen in der Atmosphäre zu einem geringen Prozentsatz vor. (Besorgniserregend ist der Anstieg der Kohlendioxidmenge durch menschliche Aktivitäten, die Ursache der Bedrohung durch die globale Erwärmung.)

13. Enthält die primitive Atmosphäre der Erde  molekularen Sauerstoff? Wie ist dieses Molekül im Überfluss vorhanden?

Die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff in der primitiven Atmosphäre war wahrscheinlich minimal und äußerst selten. Sauerstoff wurde mit dem Aufkommen photosynthetischer Organismen im Überfluss vorhanden, ungefähr 1,5 Milliarden Jahre nach dem Erscheinen des Lebens auf dem Planeten.

Das Stanley-Miller-Experiment

14. Welche physikalischen Elemente trugen zu der großen Menge an Energie bei, die auf der primitiven Erde zur Zeit der Entstehung des Lebens verfügbar war?

Vor 3,5 Milliarden Jahren war der Wasserkreislauf schneller als heute, was zu heftigen Stürmen mit intensiver elektrischer Entladung führte. Es gab auch keinen chemischen Schutz der Ozonschicht gegen ultraviolette Strahlung. Die Temperaturen in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche waren sehr hoch. Strom, Strahlung und Wärme waren große verfügbare Energiequellen.

15. Was war Stanley Millers (1953) Experiment zum Ursprung des Lebens?

1953 arrangierte Stanley Miller einen experimentellen Apparat, der die atmosphärischen Bedingungen der primitiven Erde simulierte. Das Experiment enthielt eine Mischung aus Methan, Ammoniak, Wasserstoff und zirkulierendem Wasser, die beim Erhitzen in Dampf umgewandelt wurde. Er unterzog die Mischung einem kontinuierlichen Bombardement elektrischer Entladungen und erhielt nach Tagen einen flüssigen Rückstand, in dem er organische Moleküle entdeckte, darunter überraschenderweise die Aminosäuren Glycin und Alanin, die am häufigsten vorkommenden Bestandteile von Proteinen. Andere Forscher reproduzierten das Miller-Experiment und stellten auch die Bildung anderer organischer Moleküle wie Lipide, Kohlenhydrate und Nukleotide fest. 

Koazervate Definition

16. Was sind Koazervate?

Koazervate sind kleine Strukturen, die aus der Ansammlung organischer Moleküle unter einer wässrigen Lösung bestehen. Durch elektrische Anziehung verbinden sich die Moleküle zu größeren und organisierteren Partikeln, die sich von der Flüssigkeitsumgebung unterscheiden, wodurch eine membranartige Struktur entsteht, die den inneren Bereich des Koazervats vom Äußeren trennt. Koazervate könnten sich teilen und auch Stoffe aufnehmen und ausscheiden. Es wird angenommen, dass diese Strukturen die Vorläufer von Zellen gewesen sein könnten.

17. Wie können Koazervate aus Phospholipiden oder Polypeptiden gebildet werden?

Phospholipide sind amphipathische Moleküle, was bedeutet, dass sie einen polaren Anteil und einen unpolaren Anteil aufweisen. Wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen, neigen diese Moleküle dazu, sich spontan zu vereinigen und sich zu Membranen zu organisieren, die einen geschlossenen Innenraum bilden, der von der äußeren Umgebung getrennt ist. Polypeptidketten wiederum können Wasser (durch elektrische Anziehung) anziehen, um eine umgebende Wasserschicht zu bilden und auch eine organisierte Struktur mit einem abgegrenzten Innenraum zu schaffen.

18. Wie hätten Koazervate die Entstehung von Leben auf der Erde erleichtern können?

Koazervate sorgten wahrscheinlich für eine Nitid-Trennung zwischen der inneren und der äußeren Umgebung, und infolgedessen ging das darin enthaltene organische Material nicht im Ozean verloren. Die enzymatische Wirkung innerhalb dieser internen Umgebung kann sich auf unterschiedliche Weise entwickeln und die Geschwindigkeit spezifischer chemischer Reaktionen erhöhen. Koazervate ermöglichten auch einen selektiven Fluss von Molekülen durch ihre Membran. Da sie unterschiedliche Moleküle enthielten und unterschiedlich organisiert waren, könnten Koazervate eine Konkurrenz um Moleküle aus der Umwelt begünstigen und einen evolutionären Selektionsprozess ausgelöst haben.

Die endosymbiotische Hypothese

19. Was ist der evolutionäre Ursprung der inneren Membranorganellen der Zelle?

Es wird angenommen, dass die inneren membranösen Organellen eukaryontischer Zellen, wie der Golgi-Apparat und das endoplasmatische Retikulum, aus den Einstülpungen der äußeren Membran primitiver Zellen hervorgegangen sind.

20. Wie haben prokaryontische Zellen aerobe eukaryontische Zellen und photosynthetische aerobe eukaryontische Zellen produziert?

Nach der am meisten akzeptierten Hypothese entstanden aerobe eukaryotische Zellen aus der Beziehung zwischen aeroben Prokaryoten, die von primitiven anaeroben eukaryotischen Zellen verschlungen wurden. Es wird behauptet, dass dies der Ursprung von Mitochondrien ist, bei denen es sich um aerobe Bakterien handelte, die in ihren primitiven Stadien von eukaryotischen Anaerobiern verschlungen wurden. Diese Hypothese wird als endosymbiotische Hypothese über den Ursprung der Mitochondrien bezeichnet.

Die Theorie behauptet auch, dass Chloroplasten durch Endosymbiose aufgrund des Eintritts photosynthetischer Prokaryonten in aerobe Eukaryonten entstehen würden, was eine wechselseitige ökologische Interaktion herstellt.

21. Welche Beweise bestärken die Hypothese, dass Chloroplasten photosynthetische Prokaryonten und Mitochondrien aerobe Prokaryonten waren?

Die Tatsache, dass Chloroplasten die für die Photosynthese in Pflanzen verantwortlichen Organellen sind, lässt vermuten, dass es sich vor der Symbiose um autotrophe Prokaryonten handelte. Mitochondrien sollen einst aerobe Prokaryoten gewesen sein, weil sie das Zentrum der aeroben Zellatmung, dem Kraftwerk der eukaryotischen Zellen, sind.

Die endosymbiotische Hypothese zur Erklärung der Entstehung aerober und autotropher eukaryontischer Organismen wird durch folgende Beweise weiter bestärkt: Chloroplasten sowie Mitochondrien besitzen eine eigene DNA, die der bakteriellen DNA ähnelt Chloroplasten und Mitochondrien vermehren sich ungeschlechtlich durch binäre Teilung, wie Bakterien beides tun haben Ribosomen und synthetisieren Proteine.

Der Ursprung der Photosynthese und des aeroben Lebens

22. Wie sind die ersten fermentierenden Autotrophen entstanden? Was ist mit den ersten aeroben Organismen?

Die heterotrophe Hypothese behauptet, dass die ersten lebenden Organismen Heterotrophe fermentierten. Durch die Fermentation wurde Kohlendioxid (CO₂) freigesetzt und die Atmosphäre wurde dann reich an diesem Gas. Durch Mutation und natürliche Selektion entstanden Organismen, die in der Lage sind, Kohlendioxid und Licht zu nutzen, um organisches Material zu synthetisieren. Dies wären die ersten photosynthetischen Organismen (und die auch fermentierende Organismen waren, da es keinen Sauerstoffüberfluss gab).

Da die Photosynthese eine Reaktion ist, die molekularen Sauerstoff freisetzt, wurde dieses Gas mit der Entstehung von fermentierenden Autotrophen verfügbar. Einige Organismen entwickelten dann die aerobe Atmung mit O₂, einer hocheffizienten Methode zur Energiegewinnung.

23. Warum ist es wahrscheinlicher, dass photosynthetische Prokaryoten vor aeroben Eukaryoten auftraten?

Es ist wahrscheinlicher, dass photosynthetische Prokaryonten vor aeroben Eukaryonten entstanden sind, denn ohne Photosynthese wäre die Erdatmosphäre nicht reich an molekularem Sauerstoff und ohne Sauerstoff wäre die Existenz aerober Organismen nicht möglich.

24. Welches Argument zeigt, dass die Entstehung photosynthetischer Organismen entscheidend dafür war, dass das Leben die Meeresoberfläche und später das Festland erreichte?

Die ultraviolette Strahlung der Sonne wurde nicht daran gehindert, die Oberfläche der primitiven Erde zu erreichen. Daher war die Entwicklung von Leben auf dem Trockenen oder sogar in der Nähe der Meeresoberfläche unmöglich (wahrscheinlich lebten die ersten lebenden Organismen in tiefem Wasser untergetaucht, um der Zerstörung durch Sonnenstrahlung zu entgehen). Dies war erst nach dem Auftreten photosynthetischer Organismen und der anschließenden Auffüllung der Atmosphäre mit von ihnen freigesetztem Sauerstoff möglich, um die atmosphärische Ozonschicht zu bilden, die ultraviolette Strahlung filtert.

Nachdem Sie das Studium von Origin of Life abgeschlossen haben, haben Sie folgende Möglichkeiten:


Louis Pasteur, Spontane Generation und Keimtheorie

Von Craig W. Fenn, Fakultätsmitglied, Fakultät für Naturwissenschaften, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik an der American Public University

„Denn ich habe vor ihnen bewahrt und halte noch immer vor ihnen, was über der Macht des Menschen liegt, ich habe ihnen die Keime vorenthalten, die in der Luft schweben, ich habe sie vor dem Leben bewahrt.“ – Louis Pasteur (1)

Der 19. Mai 1861 ist ein Datum, das bei großen wissenschaftlichen Ereignissen wahrscheinlich nicht klingelt oder Glühbirnen ausgeht. In den Vereinigten Staaten dachten die Leute nicht zu viel über die Wissenschaft nach. Der Bürgerkrieg war erst fünf Wochen alt, und Kampfhubschrauber der Union und der Konföderierten versuchten vergeblich, die Chesapeake Bay einzunehmen (2) .

In England ist Charles Darwins Zur Entstehung der Arten war bereits seit anderthalb Jahren im Umlauf und hinterließ wissenschaftliche Revolutionen und Kontroversen. (3) Anderswo in Europa pflegte Gregor Mendel noch immer die Erbsenpflanzen, die die Grundlage dessen bildeten, was wir heute als „klassische“ Genetik kennen, nachdem er seine Arbeiten 1865 der wissenschaftlichen Welt vorgestellt hatte (4) . Und in Paris präsentierte ein Chemiker namens Louis Pasteur vor seinen Kollegen der Pariser Gesellschaft für Chemie ein Experiment, das die wissenschaftliche Welt und vieles von dem, was wir glaubten, auf den Kopf stellen sollte (5) .

Vor Pasteurs Experiment war ein Glaube namens „spontane Generation“ eine weit verbreitete wissenschaftliche Methode, um zu erklären, wie das Leben entstand.Dieser Glaube skizzierte, dass Leben im Wesentlichen aus allem entstehen kann, sogar aus dem Nichts. Wenn also ein Stück Fleisch verdirbt, ergibt sich die Ursache des Verderbens einfach aus der Luft!

Was Pasteur tat, war, den Glauben an die spontane Zeugung mit einem einfachen, aber brillanten Experiment zu beenden. Pasteur kochte etwas Nährbrühe in einer Flasche mit langem, verdrehtem Hals. Der Kolben ließ, während er immer noch der Luft ausgesetzt war, keine Mikroben in den Hauptbereich des Kolbens, in dem sich die sterile Brühe befand, eindringen. Bakterien in der Luft konnten nicht durch den langen Hals des Kolbens gelangen, um an die Brühe im Inneren zu gelangen. Keine Bakterien bedeuteten keine Kontamination und die Brühe blieb ein ganzes Jahr lang steril! Pasteur brach dann den Flaschenhals und setzte die Brühe der mit Mikroben gefüllten Luft aus, die die Brühe in kurzer Zeit kontaminierte.

Leben kommt vom Leben

Was ist die letztendliche Wirkung von Pasteurs Experiment? Dafür erhielt er nicht den Nobelpreis (die ersten Nobelpreise wurden 1901 verliehen, Pasteur starb 1895) (1, 6).

Aber es gab einen Wandel in der Einstellung bezüglich der Entstehung des Lebens. Die Idee, dass „Leben aus Leben kommt“, ist heute einer der wichtigsten Grundsätze der Biologie. Ihre Bedeutung liegt ganz oben bei der Evolution und der Zelltheorie (7) .

Noch wichtiger war, dass Pasteurs Experiment einen noch größeren Einfluss auf die Medizin hatte. In den Jahren nach Pasteurs Experiment begannen Pasteur und einer seiner Zeitgenossen (und schließlich sein erbitterter Rivale) Robert Koch, verschiedene Krankheiten genau zu untersuchen und kamen zu dem Schluss, dass bestimmte Mikroben die Fähigkeit haben, bestimmte Krankheiten zu verursachen (1, 8, 9).

Dies ist die Keimtheorie der Krankheit. Diese Theorie führte zur erfolgreichen Identifizierung und Behandlung vieler mikrobieller Krankheiten (1), die Millionen von Leben gerettet und zur Entwicklung dessen beigetragen haben, was wir heute als moderne Medizin kennen.

Alles wegen eines Chemikers und seiner komisch aussehenden Flasche.

  1. Talaro, Kathleen Park und Barry Chess. Grundlagen der Mikrobiologie, neunte Auflage. New York: McGraw-Hill (2015).
  2. Schlachtzusammenfassung: Sewell's Point, VA. CWSCA Battle Summaries: Das amerikanische Battlefield Preservation Program (ABPP). Abgerufen von https://www.nps.gov/abpp/Battles/va001.htm
  3. Darwin, Charles. Zur Entstehung der Arten durch natürliche Selektion. London: John Murray (1859). Abgerufen von https://www.gutenberg.org/files/1228/1228-h/1228-h.htm
  4. Mendel, Gregor.Versuche über Pflanzen-Hybriden. Verh. Naturforsch. Ver. Brünn 4: 3–47 (1866) (Artikel in deutscher Sprache). Abgerufen von http://www.biodiversitylibrary.org/item/124139#page/133/mode/1up
  5. Pasteur, Louis. Sur les corpuscles organisés qui existent dans l’atmosphère: Examen de la Doktrin des générations spontanées. Leçon Professée a la Société Chimique de Paris, le 19. Mai 1861 (Artikel auf Französisch).
  6. Fakten zum Nobelpreis. Abgerufen von http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/facts/
  7. Simon, Eric J., Dickey, Jean L., Hogan, Kelly A und Jane B. Reece. Campbell Essentielle Biologie, sechste Auflage. New York: Pearson Higher Education (2016).
  8. Smith, Kendall. Louis Pasteur, der Vater der Immunologie? Grenzen in der Immunologie 3(68), 1-10 (April 2012).
  9. Blevins, Steve M. und Bronze, Michael S. Robert Koch und das „goldene Zeitalter“ der Bakteriologie. Internationale Zeitschrift für Infektionskrankheiten 14: e744–e751 (2010).

Über den Autor

Craig Fenn ist im vierten Lehrjahr für die Amerikanische öffentliche Universität an der School of Science, Technology, Engineering and Math, mit einem primären Lehrauftrag von SCIN 130 (Introduction to Biology with Lab). Sein Hauptarbeitgeber ist das Reading Area Community College, wo er als Kursleiter für Prinzipien der Biologie und Mikrobiologie sowie als Vorsitzender des Campus Life Committee fungiert. Er stammt aus Connecticut und lebt derzeit außerhalb von Lancaster, PA.


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