Das Leben

Immer noch ein Rätsel
Die Entstehung des Lebens

Wir wissen nicht, wie und wann das Leben auf der Erde entstanden ist. Über die Entstehung des Lebens auf der Erde gibt es mehrere plausibel erscheinende Erklärungsansätze; aber bisher konnte mit keinem die Entstehung des Lebens im Experiment nachvollzogen werden - was ihre Erklärungskraft erst belegen würde. Sicher ist nur: Seit mindestens 3.430 Millionen Jahren gibt es Leben auf der Erde ...

”Weisser Raucher”: Solche heißen Tiefseequellen gelten als ein möglicher Entstehungsort des Lebens, da
mögliche Zellvorläufer hier relativ geschützt waren vor den unwirtlichen Bedingungen der Erdfrühzeit und hier reichlich chemische Energie zur Verfügung stand (>> mehr). Foto: US-National Oceanic and Atmosheric Adiministration, Ocean Explorer Website >> hier, public domain.

Irgendwann vor etwa vier Milliarden Jahren ...

Die Suche nach dem Ursprung des Lebens gleiche dem Versuch, die Geschichte der Menschheit nur aus ein paar Faustkeilen und den Ruinen des Industriezeitalters zu rekonstruieren, schrieb der SPIEGEL einmal. In der Tat: Die ältesten Gesteine haben mehrere Metamorphosen durchlaufen (>> mehr), bei denen sie stark erhitzt und verformt wurden; eventuelle Spuren des Lebens wurden dabei beseitigt. Aufgrund dieser komplexen Geschichte sind auch die Vermutungen von Stephen Mojzsis umstritten, der 1996 in der Fachzeitschrift Nature einen Beitrag veröffentlichte, der von geochemischen Lebensspuren berichtete: In den 3,8 Milliarden Jahre alten Isua-Gneisen auf Grönland hatte er einen hohen Anteil des Kohlenstoff- Isotops ¹²C gefunden. Ein erhöhter Anteil von ¹²C wird bei der Fotosynthese (>> mehr) in Lebewesen eingebaut, findet sich in der Folge auch in allen Pflanzenfressern wieder und gilt normalerweise als Beleg für organische Entstehung. Mojzsis glaubt daher, dass die Kohlenstoffverbindungen aus den Isua-Gneisen organisch entstanden sind; schon vor 3,8 Milliarden Jahren muss es Fotosynthese gegeben haben. Kritiker halten aber auch für denkbar, dass die gefundenen Kohlenstoffe durch Erhitzung bei der Metamorphose aus Eisenkarbonat entstanden sein könnten. Die ältesten Fossilien sind wahrscheinlich 3,5 Milliarden Jahre alt, aber ebenfalls umstritten: Da hier mikroskopisch kleine Lebewesen versteinerten, wurden selbst Gaseinschlüsse schon für Mikrofossilien gehalten. Die ältesten eindeutigen Lebensspuren sind 3,43 Milliarden Jahre alte Stromatolithen. Diese geschichteten Gesteine werden von Mikroorganismen aufgebaut, die in Matten an ihrer Oberfläche leben – spätestens damals also gab es Leben auf der Erde.

Die Frage nach der Entstehung des Lebens

Die Theorie von der Urzeugung

Die Entstehung des Lebens kann man als Resultat eines göttlichen Schöpfungsaktes sehen (an den man glauben muss) oder als Ergebnis natürlicher Prozesse, bei denen erste Lebensformen durch chemische Reaktionen aus unbelebter Materie gebildet wurden. Die ersten Naturforscher glaubten noch an eine “Urzeugung”, wonach mindestens kleine Lebewesen jederzeit spontan aus unbelebter Materie entstehen konnten - die Entstehung von Maden in Fleisch schien dafür ein Beispiel zu sein. Diese Theorie wurde 1668 von Francesco Redi wiederlegt, einem Gelehrten am Hof der Medici in Florenz: Er zeigt, dass in Flaschen mit Fleisch keine Maden entstanden, wenn er verhinderte, dass Fliegen an das Fleisch gelangten. Redi schloss daraus, dass alles Leben “von Pflanzen und Tieren selbst abstammt”. Aber fast gleichzeitig erschloss das neu entwickelte Mikroskop den Biologen eine neue Welt: Lebewesen, die so klein waren, dass sie mit dem bloßen Auge nicht zu sehen waren. Diese entstanden offenbar doch von selbst, und 1748 wies der englische Pfarrer John Needham in Bratensoße scheinbar spontan entstandene Bakterien nach. Die Idee von der Urzeugung lebte wieder, blieb aber umstritten: 1768 konnte der italienische Gelehrte Lazzaro Spallanzani zeigen, dass keine Bakterien entstanden, wenn die Soße lange genug gekocht (heute würde man sagen: sterilisiert) wurde. Das überzeugte aber nicht alle Naturforscher: Für sie hatte Spallanzani durch seine Kocherei einfach die “Lebenskraft” der Luft im Kolben zerstört. Diese Zweifel zerstreute erst fast 100 Jahre später der französische Chemiker Louis Pasteur: Im Jahr 1862 wiederholte der Spallanzanis Experiment, sorgte aber dafür, dass Luft über einen S-förmigen Flaschenhals (der Staub und Mikroorganismen zurückhielt, die angenommene “Lebenskraft” aber nicht) in den Behälter gelangen konnte. Es entstanden keine Bakterien. Ohne Flaschenhals wuchsen diese aber sofort - das Leben kam also mit dem Staub und den Mikroorganismen in die Bouillon. Damit war die “Urzeugung” endgültig wiederlegt; und während die Kirche die Zuständigkeit für die Schöpfung wieder alleine bei Gott sah, stellte sich für die Biologen die neue Frage: Wenn Leben nicht spontan entstehen kann, wie war es dann auf die Erde gekommen?

Eine besondere Chemie des Lebens?

Als die Naturkundler im 17. und 18. begannen, die Gesteine nach der Zeit ihrer Ablagerung einzuteilen, erkannten sie, dass es Leben mindestens seit dem Kambrium gegeben hat. Wie konnte das Auftauchen des Lebens damals erklärt werden? Lag das Geheimnis der Entstehung des Lebens vielleicht in den Kohlenstoffverbindungen? Kohlenstoff galt als Kennzeichen des Lebens, denn er ist ein allgegenwärtiger und unverzichtbarer Bestandteil des Lebens auf der Erde – der noch heute gebräuchliche Begriff „organische Chemie“ stammt aus dieser Zeit. Aber schon 1828, als der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler organischen Harnstoff aus Ammoniumcyanat herstellte, war diese Annahme widerlegt. Auf der Ebene der chemischen Elemente gibt es keine Unterschiede zwischen unbelebter und belebter Materie. Auf der Erde kommen 92 chemische Elemente vor, davon sind ca. 30 weit verbreitet. Für das Leben auf der Erde sind sechs Elemente von zentraler Bedeutung: Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel; einige weitere sind als Spurenelemente ebenfalls unverzichtbar.

Chemische Evolution

Neue Überlegungen gab es im Zusammenhang mit Darwins >> Evolutionstheorie. Darwin selbst hielt sich mit Aussagen über die Entstehung des Lebens zurück (sein Stammbaum in “Die Entstehung der Arten” hatte keine Wurzeln), aber der Biologe Ernst Haeckel vertrat im Jahr 1868 in einer Vorlesungsreihe an der Universität Jena die Ansicht, das Leben könne durch spontane Vereinigung geeigneter chemischer Stoffe zu primitiven Organismen entstanden sein. (Der Unterschied zur Theorie von der “Urzeugung” ist, dass heute die “geeigneten chemischen Stoffe” vom Sauerstoff in der Atmosphäre zerstört oder von den Lebewesen aufgefressen würden; die Entstehung des Lebens also ein einmaliger historischer Vorgang war.) Aufgegriffen wurde Haeckels Idee von dem russischen Biochemiker Aleksandr Oparin, der 1924 das Buch „Ursprung des Lebens“ veröffentlichte und – unabhängig davon – von dem englischen Physiologen John B. S. Haldane: Beide vermuteten, durch chemische Reaktionen in der sauerstofffreien Uratmosphäre seien organische Verbindungen entstanden, die sich in den Urozeanen angesammelt und zu primitiven Lebensformen vereinigt hätten. Nach Oparin verlief der Weg über sogenannte „Koazervate“: kleine Anhäufungen von Biomolekülen in hohen Konzentrationen. Die Überlegungen werden heute als chemische Evolution betitelt, denn ähnlich wie bei der biologischen Evolution (>> hier) wird davon ausgegangen, dass chemisch stabilere Verbindungen länger bestehen bleiben und sich durch weitere Reaktionen verändern können - und wenn die neuen Substanzen stabiler sind, übernehmen sie die Rolle der ursprünglichen Ausgangssubstanz. Die Hypothesen von Oparin und Haldane regten Stanley Miller im Jahr 1953 zu einem berühmten Experiment an, bei dem er die mutmaßlichen Gase der Uratmosphäre starken elektrischen Entladungen aussetzte und die Entstehung organischer Verbindungen nachwies, unter anderem von Aminosäuren. Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine (Eiweiße), und diese sind die Grundbausteine aller lebenden Zellen.

Heute wissen wir, dass einfache organische Verbindungen auch im Weltraum unter Sonneneinstrahlung entstehen. Organische Verbindungen in Steinmeteoriten sind schon lange bekannt, im interstellaren Raum der Milchstraße und anderer Galaxien wurden relativ komplexe organische Verbindungen, z.B. Essigsäure, entdeckt. Allerdings haben wir damit nur erste Bausteine, kein Leben. Leben ist mehr als nur diese Bausteine: es ist ein komplexes System, bei dem durch das organisierte Zusammenwirken der Bausteine neue Eigenschaften entstehen. Auch im einfachsten heute bekannten Bakterium laufen gleichzeitig Hunderte chemischer Reaktionen ab. Die Entstehung dieses Zusammenwirkens, das mit höchster Wahrscheinlichkeit Schritt für Schritt erfolgt ist, muss erklärt werden, um die Entstehung von Leben wirklich zu verstehen. Klar scheint heute nur zu sein, dass die Entwicklung nicht zufällig war, sondern aus allen möglichen chemischen Entwicklungen diejenigen Bestand hatten, die Vorteile im Sinn längerer Beständigkeit mit sich brachten. Vermutlich entstanden so “Baugruppen”, bei deren Zusammenkommen neue Eigenschaften entstanden (siehe Kasten: >> Selbstorganisation komplexer Systeme). Wenn die erste Zelle aber auf das Zusammenkommen mehrerer Baugruppen zurückgeht (ähnlich wie später die komplexen Eukaryoten aus dem Verschmelzen verschiedener Bakterien entstehen sollten, >> mehr), dann kann das Entstehen der Baugruppen nicht ganz unwahrscheinlich gewesen sein, sondern muss aus den Naturgesetzen folgen. Mit anderen Worten: Leben wäre eine natürliche Erscheinungsform der Materie (siehe Kasten).

Zwei Schulen

War die Entstehung des Lebens auf der Erde aufgrund der Naturgesetze vorherbestimmt oder war es ein reiner Zufall? Beide Denkschulen stehen sich nach wie vor gegenüber. Die einen glauben an eine nachvollziehbare Erklärung. Der in den USA forschende schottische Geochemiker Michael Russell glaubt etwa, dass die Entstehung des Leben in der Chemie des Wasserstoffs und des Kohlendioxids begründet ist: In der Erdfrühzeit aus Gesteinen ausgasender Wasserstoff hätte eigentlich mit dem reichlich im Meerwasser gelösten Kohlendioxid reagieren müssen, aufgrund der hohen Aktivierungsenergie konnte diese Reaktion aber nicht ohne einen “Katalysator” ablaufen; das Leben (das aus Wasserstoff und Kohlendioxid organische Substanzen bildet) entwickelte sich nach Russell gleichsam als dieser Katalysator. Als Indiz sehen die Anhänger dieser Schule auch die Fähigkeit von Leben, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (>> hier) zu “umgehen” und unter Nutzung externer Energiequellen geordnete Strukturen aufzubauen, sowie die Tatsache, dass die Kette des Lebens - allen widrigen Umständen wie Eiszeiten und Asteroideneinschlägen zum Trotz - über 3,5 Milliarden Jahren nicht abgerissen ist.

Die anderen glauben nicht an eine solche naturgesetzliche Erklärung, für sie war die Entstehung des Lebens einfach ein glücklicher Zufall: In einem der Abermilliarden “Mikrolabore”, die es zum Beispiel in Gesteinsbläschen der Hydrothermalquellen der Tiefsee gab (>> hier), könnten rein zufällig die “richtigen” Reaktionen stattgefunden haben - und das unsere Suche nach einer Erklärung Erfolg hat, ist demnach sehr unwahrscheinlich.

Klar ist auch, dass die ersten Lebensformen viel einfacher gewesen sein müssen als das einfachste heutige Bakterium - besteht dieses doch schon aus vielen Millionen Molekülen, darunter Proteinen, die sich aus mehr als 100.000 Atomen zusammensetzen. Auf der Erde wurden aber bisher keine Spuren der frühen Stadien der Evolution von Lebewesen gefunden - möglicherweise wurden diese ersten Lebensformen von späteren schlichtweg aufgefressen. Theorien, wo und wie das Leben entstanden sein könnte, gibt es viele. Um diese zu verstehen, müssen wir aber zunächst fragen, was eigentlich Leben genau ist?

Was ist Leben?

Das Leben ist derart vielfältig, dass eine genaue Definition sehr schwer ist - während meines Studiums habe ich sogar noch gelernt, dass es eigentlich allgemein gültige keine Definition gibt. Aber alle Lebewesen haben zwei Eigenschaften gemein: Stoffwechsel und die Fähigkeit, sich zu vermehren. Beides hat mit der hohen Komplexität von Lebewesen zu tun. Lebewesen sind chemisch gesehen instabil; sie brauchen daher eine ständige Energiezufuhr, um nicht zu chemisch stabilen Gasen und Mineralien abgebaut zu werden. Daher der Stoffwechsel: Lebewesen müssen und können Energie und Stoffe aus ihrer Umwelt aufnehmen und daraus Energie für ihre Selbsterhaltung gewinnen; dabei werden die komplexen Bausteine des Lebens auf der Erde aufgebaut: Zucker, Fette und Proteine.

Mit dem Stoffwechsel und der Vermehrung hängen noch weitere typische Eigenschaften des Lebens zusammen. Erstens: Jedes Lebewesen ist begrenzt – erst eine Trennung zwischen Innen und Außen ermöglicht die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels. Diese von der Außenwelt abgetrennten Grundeinheiten des Lebens sind die Zellen, aus denen alle Lebewesen bestehen. In den Zellen wird ein nahezu konstantes - und in allen Zellen ähnliches - chemisches Milieu aufrechterhalten. Zellen bestehen aus einer Membran, die sie von der Außenwelt abgrenzt, einem inneren Teil, dem Zytoplasma, in dem tausende von Proteinen, etwa die Enzyme (siehe unten), einen Großteil der Arbeit des Lebens leisten, und der DNS (siehe unten). Und um die notwendigen Stoffe finden zu können, reagieren schon die einfachsten Lebewesen auf Reize aus ihrer Umwelt. Dabei muss ein Lebewesen entscheiden können, ob ein Reiz aus der Umwelt positiv (etwa: Nahrung) oder negativ (etwa: Gift) ist. Es muss also Entscheidungen treffen - Leben bringt autonomes Handeln hervor.

Zweitens: der Stoffwechsel wird von Katalysatoren gesteuert, den Enzymen. Meistens sind dieses Proteine. Katalysatoren in der Zelle von Lebewesen beschleunigen chemische Reaktionen enorm und bestimmen damit, welche Reaktionen überhaupt in bedeutendem Umfang stattfinden.

Drittens: Bei der Vermehrung müssen Informationen weitergegeben werden, damit die komplexen Vorgänge in einer Zelle auch in den Tochterzellen richtig ablaufen: Dieses Informationssystem besteht bei den heutigen Lebewesen auf der Erde zum größten Teil aus der Erbsubstanz DNS, die sich bei der Zellteilung selbst kopiert und an die Tochterzellen weitergegeben wird. Dieses Kopieren der DNS und damit die Informationsweitergabe ist niemals fehlerfrei, wodurch Lebewesen sich verändern (die Biologen nennen dies “Mutation”). Gibt es aber Varianten eines Lebewesens, können die Umweltbedingungen schlechter angepasste Individuen beseitigen, fördern also in der Konsequenz besser angepasste Individuen - die Lebewesen erfahren eine >> darwinsche Evolution, die zu einer Weiterentwicklung zu immer komplexeren Lebensformen führt (>> Die Entfaltung des Lebens auf der Erde).

Wie könnte das Leben entstanden sein?

Für eine Erklärung der Entstehung des Lebens stellen sich also zwei zentrale Frage: Wie und woraus gewannen die Vorläufer der ersten Lebewesen Energie, und aus welchen chemischen Bestandteilen entstanden die ersten „Replikatoren“ als die Vorläufer der DNS; eine Verbindung also, die sich selbst reproduzieren und so potenziell Informationen weitergeben konnte (DNS war mit ziemlicher Sicherheit nicht der erste Replikator, da zu ihrer Verdoppelung Proteine nötig sind, die erst in der DNS codiert werden). Wie kam es dann dazu, dass die Replikatoren zum Schlüssel für Informationen über den Stoffwechsel wurden? Eng damit verknüpft ist die Frage nach der Umgegung dieser Vorgänge: Die Urozeane, die Oparin vorschlug, gelten heute als eher unwahrscheinlicher Ort - sie wurden von dem damals viel näher um die Erde kreisenden Mond derart aufgewühlt, dass sich in ihrem Wasser kaum die notwendige Konzentration an organischen Stoffen hätte ansammeln können. Heute werden eher warme Tümpel, Feststoffe und Hydrothermalquellen der Urozeane als die Orte vermutet, in denen das Leben entstand. Am intensivsten werden zur Zeit folgende Szenarien diskutiert:

• Die Ursuppen-Hypothese von Oparin/Haldane und Miller (wobei Miller heute glaubt, dass diese Ursuppe nicht die Ozeane, sondern periodisch austrocknende Tümpel waren, da hier die Konzentration der organischen Verbindungen wesentlich höher wäre). Die erste Energiequelle dieser Organismen wäre organische Bestandteile dieser „Ursuppe“ gewesen (Organismen, die von organischen Verbindungen leben, werden „heterotroph“ genannt), dann müssten jedoch relativ schnell „autotrophe“ (chemische Energie oder Sonnenenergie nutzende) Stoffwechselwege entstanden sein, denn die organischen Bestandteile wären irgendwann aufgebraucht.
   
• Nach der Theorie der hydrothermalen Lebensentstehung, vertreten etwa von dem Münchener Chemiker Günther Wächtershäuser, den schottischen Geochemikern Mike Russell und Allan Hall, dem britischen Geologen Euan Nisbet und dem amerikanischen Geophysiker Norman Sleep entstand das Leben an warmen Meeresquellen im frühen Ozean. Hier könnten komplexe chemische Reaktionen stattgefunden haben, da Eisen-Schwefel-Verbindungen wie Pyrit (“Katzengold”), die durch die Reaktion von im Meerwasser gelöstem Eisen mit Schwefel aus der Tiefe entstehen, oder eine Art Membran, die sich am Grenzbereich zwischen heißem, mineralreichem Quellwasser und kaltem, sauren Meereswasser ausbildete, als Kondensationskern für die Anlagerung organischer Stoffe dienten. Energiequellen für chemische Reaktionen gab es reichlich, sei es freier Wasserstoff im Quellwasser oder die elektrische Spannung zwischen saurem Meerwasser und dem basischen Quellwasser (Organismen, die chemische Energie zum Aufbau organischer Verbindungen nutzen, werden „chemoautotroph“ genannt.) Ein plausibler Ort für die Entstehung dieser Lebewesen sind am Boden des Urmeeres gelegene Hydrothermalquellen, die sogenannten „Schwarzen Raucher“ (engl. „black smokers“), deren Färbung durch dunkle Metall-Schwefelverbindungen verursacht wird, oder die etwas kühleren Quellen abseits der Bruchlinien der Erdkruste, an denen die weißen Kalzimkarbonattürme der “lost cities” entstanden (>> hier). Für diese Theorie spricht unter anderem die Existenz der Archaebakterien (>> mehr) in ähnlichen Lebensräumen; zusammenbrechende Tiefseeschlote oder die geologischen Vorgänge der Plattentektonik (>> mehr) könnten das so entstandene Leben schließlich an die Erdoberfläche gebracht haben.
  
  Der amerikanische Astrophysiker Thomas Gold glaubte, das Leben könnte auch im Tiefengestein der Erde entstanden sein, wo es von chemischen Bestandteilen des Gesteins seine Energie bezog. Seit im Tiefengestein der Erde Mikroorganismen in großer Menge entdeckt werden (>> mehr), wird auch diese Theorie ernsthaft in Betracht gezogen.
   
• Die RNS-Welt-Theorie geht das Problem von der Seite der Replikatoren an: demnach bestanden die ersten Replikatoren aus RNS. Auf diese Möglichkeit wies zuerst im Jahr 1968 Francis Crick hin, der auch für möglich hielt, das RNS-Moleküle als Enzyme wirkten. Mitte der 1980er Jahre wiesen Sidney Altman und Thomas Cech unabhängig voneinander nach, dass RNS tatsächlich als Enzym wirkt (RNS-Moleküle dienen noch heute in Ribosomen und einigen Viren als Erbmaterial; sie wirken beim Aufbau von Proteinen in der Zelle mit, wo sie unter anderem sogenannte Introns entfernen können - dabei wirken sie als Enzym. Mehr zur RNS >> hier). Nach dieser Theorie wäre der heutigen Welt der Lebewesen eine urzeitliche “RNS-Welt” (ein Ausdruck, den 1986 der amerikanische Biochemiker Walter Gilbert prägte) vorausgegangen. RNS besteht aus vier Bausteinen, sogenannten Nukleotiden; und 2009 konnte gezeigt werden, wie zwei dieser vier Nukleotide unter den mutmaßlichen geochemischen Bedingungen der frühen Erde entstanden sein könnten. Aus den Nukleotiden könnten unter günstigen Bedingungen RNS-Stränge entstanden sein. Einige von diesen wurden von Membranen aus Fettsäuremolekülen eingeschlossen, und in diesen, so die Theorie weiter, hätten sich weitere Nukleotide (die im Gegensatz zu den RNS-Strängen problemlos durch die Membran gelangen können) an die RNS-Stränge angelagert. Irgendwann hätten die Stränge sich zu Enzymen gefaltet, und irgendwann hätten diese begonnen, RNA-Stränge in Ketten aus Aminosäuren zu übersetzen. Die so entstandenen Proteine hätten schließlich die Rolle als Enzyme übernommen. Die RNS hat sich irgendwann – vermutlich durch ein noch heute vorkommendes Enzym, die Reverse Transkriptase – in DNS umgewandelt. Nach der Meereis-Theorie des Hamburger Physikers Hauke Trinks könnte die poröse Struktur von Meereis, die zellähnliche Kämmerchen bildet, geeignete Bedingungen für die Bildung von RNS-Strängen geboten haben.
   
• Auch die einst belächelte Alternative, dass die ersten Lebewesen aus dem Weltall auf die Erde gekommen sind (Panspermie), gilt nicht mehr als grundsätzlich ausgeschlossen. Bisher galt sie als ausgeschlossen, da selbst Sporen die lebensfeindlichen Bedingungen im Weltraum nicht überstehen könnten, aber dies ist inzwischen durch Weltraummissionen widerlegt. Der 2001 verstorbene Astronom Sir Fred Hoyle und sein Schüler Chandra Wickramasinghe glaub(t)en, dass Wassereis in Kometen ein geeignetes Transportmittel sein könnte. Diese Theorie soll mit der im März 2004 gestarteten „Rosetta“-Mission der ESA untersucht werden, die einen Kometen anfliegen und untersuchen soll – durch die 10 Jahre lange Flugzeit allerdings erst im Jahr 2014. Das Rätsel der Entstehung des Lebens wird mit dieser Theorie aber auch nicht gelöst, sondern nur außerhalb der Erde angesiedelt.

Man darf gespannt sein, wann eine diese Hypothesen (oder eine andere) durch experimentelle Befunde bestätigt wird: Das wäre der entscheidende Nachweis ihrer Plausibilität. Der kritische Punkt dabei ist, Stoffwechsel (mit Katalysatoren/Enzymen; die Schwerpunkte der Ursuppen-Theorie und der Theorie der hydrothermalen Lebensentstehung) und Replikatoren (Schwerpunkte der RNS-Welt-Theorie) zusammenzubringen, und mit einer Zellmembran, der einfachsten Abtrennung zwischen Innen und Außen, von der Umwelt abzutrennen.

Auf dem Weg zum künstlichen Leben

Am 20. Mai 2010 veröffentlichte die Wissenschaftszeitschrift Science einen Beitrag von Craug Venter, Hamilton Smith und Kollegen, die erstmals erfolgreich die DNS eines Lebewesens durch eine vollständig künstliche DNS ersetzten; und das Lebewesen vermehrte sich anschließend weiter, lebte also. Auch wenn dieses Experiment nicht die Ursprünge des Lebens aufklärt - Venter und Kollegen nutzen ja den biochemischen Apparat einer bestehenden Zelle, wird damit zum einen deutlich, dass Leben ganz wesentlich von Informationen abhängt, zum anderen wird damit die Tür zur Erzeugung künstlichen Lebens ganz weit aufgestoßen. Manchen macht diese Perspektive Angst: Abgesehen vor der Frage, ob wir wirklich genug über das Leben wissen, um tatsächlich die schon propagierten nützlichen Lebewesen wie hocheffiziente Algen, die Kohlendioxid aus den Abgasen der Kraftwerke in Biotreibstoff umwandeln, herzustellen, bleibt vor allem die Frage, wer uns etwa davor schützt, dass die Hacker, die heute bösartige Computerviren programmieren, Terroristen oder feindliche Staaten in Zukunft bösartige “echte” Krankheitserreger bauen, die sich im Gegensatz zu anderen Waffen auch noch selber vermehren? Niemand, geben auch diejenigen zu, die die Technik nutzen wollen. Ihr Argument: Das Wissen lässt sich ohnehin nicht wieder aus der Welt schaffen, es sollte möglichst öffentlich gemacht werden (etwa nach Art der “open source”-Software), damit den möglichen bösartigen Nutzern möglichst viele Experten entgegenstehen, die solche Angriffe schnell abwehren können.

Daniel D. Gibson et al.: Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science online, 20.10.2010 (>> hier).

Wie und wo auch immer das Leben auf der Erde begonnen hat, irgendwann ist es geschehen. Je nachdem, welches Szenario über die Entstehung des Lebens zutrifft, lebten die ersten Lebewesen von organischen Substanzen (Biologen nennen solche Lebewesen heterotroph), oder gewannen Energie aus einfachen chemischen Bindungen – wie es noch heute viele Bakterien tun, die z.B. Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid herstellen (solche Lebewesen werden chemoautotroph genannt). Vor etwa 3,5 Milliarden Jahren, das zeigen die Stromatolithen, gab es dann Mikroben, die heutigen Cyanobakterien ähnelten; die Cyanobakterien sollten die wichtigste Reaktion der Welt erfinden, mehr dazu >> Die Entfaltung des Lebens. Die ältesten weitgehend akzeptierten Mikrofossilien sind etwa 3,2 Milliarden Jahre alt. Sie stammen aus einem Sulfid-Depot in Australien, lebten also wohl nahe einer heißen Schwefelquelle - sprechen also zumindest nicht gegen eine hydrothermale Lebensentstehung.

Selbstorganisation komplexer Systeme – der Weg zum Leben?

Alles Leben, vom einfachsten Bakterium bis hin zur Biosphäre, kann physikalisch als komplexes, geordnetes Nichtgleichgewichtssystem gesehen werden: komplex, da die einzelnen Bausteine in vielfältigen Wechselwirkungen miteinander stehen; geordnet, da sie nicht als zufällig verteilte Chemikaliensammlung im Inneren der Zelle vorkommen, sondern an feste Strukturen gebunden sind und nicht im Gleichgewicht, da das System Leben nur unter ständiger Energiezufuhr aufrechterhalten werden kann.

Wie solche komplexen Systeme aus einfachen Bausteinen entstehen können, versuchen die mit „Selbstorganisation“ oder „Synergetik“ umschriebenen Ansätze zu beschreiben. Diese Ansätze sind mit Namen wie Herman Haken, Ilya Prigogine, Manfred Eigen und Stuart Kauffman (um nur einige zu nennen) verbunden. Worum geht es ihnen? Schon bei einfachen physikalischen Systemen entstehen aus den Wechselwirkungen verschiedener Teilchen neue Eigenschaften. So wird in der statistischen Mechanik die Temperatur eines Körpers (eine beobachtbare Eigenschaft) mit der durchschnittlichen Bewegungsenergie seiner einzelnen Teilchen erklärbar. Temperatur entsteht also erst durch Wechselwirkungen mehrerer Teilchen, so wie Musik dann entstehen kann, wenn eine Gitarre und ein Gitarrist zusammenkommen. Solche Eigenschaften, die erst der Interaktion von Teilchen oder Systemen neu entstehen, werden emergente Eigenschaften genannt.

Solche neuen, in der Alltagswelt beobachtbaren Eigenschaften finden sich auch bei chemischen Reaktionen; und Leben könnte eine emergente Eigenschaft komplexer chemischer Systeme sein. Stuart Kauffman beispielsweise vermutet, dass die Entstehung des Lebens über komplexe, autokatalytische Systeme gelaufen sein könnte: Einfache autokatalytische Systeme (A erzeugt B, B erzeugt C, C erzeugt wieder A) können sich, solange die Ausgangsmoleküle vorhanden sind, ständig selbst erneuern. Solche autokatalytischen Verbände entstehen, so Kauffman, in einem Reaktionsnetzwerk mit ausreichend Reaktionspartnern nahezu unvermeidlich als emergente Eigenschaft, so dass diese selbsterhaltend werden. Ist in diesem Netzwerk auch noch eine Energiequelle eingebunden (wie in heutigen lebenden Zellen das ATP), können dabei auch größere Moleküle wie Proteine oder RNS entstehen. Ein solcher autokatalytischer Verband, der in einem Koazervat oder in einer von ihm selbst erzeugten Lipidmembran eingeschlossen wurde (um eine Verdünnung der Chemikalien zu vermeiden), könnte sich bei einer gewissen Größe ähnlich einer Seifenblase teilen und wäre dann die erste Vorstufe des Lebens.

Zusammengefasst bedeutet diese Sicht: Die dynamische Wechselwirkung chemischer Bausteine hätte den Funken des Lebens gezündet. Mit der Erforschung der typischen Eigenschaften lebender Systeme verbindet sich die Hoffung, Voraussetzungen und Regeln für die Selbstorganisation und die Entstehung biologischer Systeme zu finden, die bei der Erklärung der Entstehung des Lebens und seiner Eigenschaften helfen können. Ob dieses gelingt, ist durchaus offen: Die Untersuchungen selbstorganisierter Systeme zeigen nämlich, dass manchmal Zufälligkeiten darüber entscheiden, welche Richtung eingeschlagen wird. Die unvermeidlichen Zufälligkeiten auf der subatomaren Ebene (Unvorhersagbarkeit von Ereignissen in der Quantenphysik) führen zu kleinen Variationen der Ausgangsbedingungen, und diese können sich zu großen Abweichungen im Ergebnis aufschaukeln. Emergente Eigenschaften, die sich nicht alleine aus den Eigenschaften der einzelnen Bausteine erklären zu lassen, bedeuten, dass die Wissenschaftler hoffen müssen, dass es „robuste“ (nicht von den Details der Ausgangsbedingungen abhängige) Eigenschaften lebender Systeme gibt, die sie entdecken können. Wenn Leben, wie vermutet, eine natürliche Erscheinungsform der Materie ist, sollte dieses so sein.

Webtipps:

>> Glasgow Origin of Life Website, Webseite des schottischen Geochemikers Mike Russell zur Theorie der Entstehung des Lebens durch Nutzung chemischer Energie am Meeresboden.

Weiter mit:
>> Die Entfaltung des Lebens

© Jürgen Paeger 2006 - 2010

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