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Das Leben

Immer noch ein Rätsel:
Die Entstehung des Lebens

Wir wissen noch nicht, wie und wann das Leben auf der Erde entstanden ist; und vielleicht werden wir es auch niemals herausfinden: Die Entstehung des Lebens war ein historischer Vorgang. Wir können aber untersuchen, wie es entstanden sein könnte und die Mechanismen verstehen, die dazu führen, dass aus anorganischer Materie Leben entsteht. Dazu gibt es plausible Erklärungsansätze. Und eines ist sicher: Seit irgendwann vor 4,4 bis 3,3 Milliarden Jahren gab es Leben auf der Erde...

Foto eines "weißen Rauchers"

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 reichlich chemische Energie zur Verfügung stand (>> mehr). Foto: US-National Oceanic and Atmospheric Administration, Ocean Explorer Website >> hier, public domain.

Irgendwann vor etwa 4 Milliarden Jahren ...

Die Erde vor 4 Milliarden Jahren war ein Planet, den wir kaum erkannt hätten: Ein Tag dauerte weniger als sechs Stunden; wenn es hell war, schien eine rötliche Sonne schwach durch einen dunstigen, rötlichen Himmel, nachts wäre der riesige Mond kaum und von den Sternen nichts zu sehen gewesen. Aus einem riesigen Ozean ragten nur erste Proto-Kontinente, die von gewaltigen Gezeitenwellen umtost waren. Auf dieser Erde, irgendwann vor 4,4 bis 3,5 Milliarden Jahren, begann das Leben. Wie genau das Leben entstanden ist, oder ob es gar aus dem Weltall auf die Erde kam, wissen wir noch nicht. 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. Da ist etwas dran: Die ersten Lebewesen haben nicht bis heute überdauert – sie wurden vermutlich von ihren Nachfolgern gefressen. Die Wissenschaftler, die die Ursprünge des Lebens untersuchen, sind also auf Indizien angewiesen. 1996 berichtete der amerikanische Geologe Stephen Mojzsis in der Fachzeitschrift Nature von geochemischen Lebensspuren in den 3,8 Milliarden Jahre alten Isua-Gneisen auf Grönland: einen hohen Anteil des Kohlenstoff-Isotops 12C (100); 2015 wurden ähnliche Anzeichen in 4,1 Milliarden Jahre alten Zirkon-Kristallen aus Westaustralien gefunden (101).

Diese Anzeichen sind ein hohes 12C/13C-Verhältnis in in den Zirkon-Kristallen eingeschlossenem Kohlenstoff. Das leichte Kohlenstoff-Isotop 12C wird bei der >> Fotosynthese etwas stärker als das schwerere Isotop 13C in organische Moleküle eingebaut. Es findet sich daher mit erhöhtem Anteil in Algen und Pflanzen, und in der Folge auch in allen Pflanzenfressern und gilt normalerweise als Beleg für organische Entstehung. Demnach hätte es also schon vor 3,8 Milliarden Jahren nicht nur Leben, sondern auch schon eine Form der Fotosynthese geben müssen. Aber biologische Prozesse sind nicht die einzig mögliche Ursache für ein hohes 12C/13C-Verhältnis (siehe 101), und die Funde sind daher ein Hinweis, aber kein Beweis für Leben zu dieser Zeit. Umstritten sind auch 3,5 Milliarden Jahre alte fossile Cyanobakterien, die der amerikanische Geologe James William (Bill) Schopf 1993 in den westaustralischen Apex Cherts gefunden zu haben glaubt – für andere Forscher ähneln seine „fossilen Bakterien“ eher Hohlräumen, die auch durch geologische Prozesse entstanden sein könnten. Schopf selber, der einer der führenden Paläontologen ist, hält aber nach Messungen der Isotopen-Komposition seiner Funde an seiner Interpretation fest. Sein schärfster Kritiker, der englische Paläontologe Martin Brasier, glaubt nun selbst, nur 30 Kilometer entfernt rund 3,4 Milliarden Jahre alte "Fossilien" gefunden zu haben. Als älteste unbestrittene Spuren des Lebens gelten rund 3,3 Milliarden Jahre alte Mikrofossilien (102); spätestens damals gab es also Leben auf der Erde. Wie ist es dazu gekommen?

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: Dann wurden die ersten Lebensformen durch chemische Reaktionen aus unbelebter Materie gebildet. 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? Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir aber erst einmal darüber nachdenken, was Leben eigentlich ist.

Was ist Leben?

Eine Definition ist gar nicht so einfach, denn das Leben ist heute derart vielfältig, dass es für fast jede Regel eine Ausnahme gibt. Die ersten Lebensformen waren sicherlich auch viel einfacher als heutige Bakterien; diese bestehen bereits aus vielen Millionen Molekülen, darunter Proteinen, die sich aus mehr als 100.000 Atomen zusammensetzen. Früher glaubten die Naturkundler, dass das Geheimnis des Lebens in den Kohlenstoffverbindungen steckt; die „organische Chemie“ galt als grundsätzlich verschieden von der „anorganischen Chemie“. Aber seit 1828 der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler organischen Harnstoff aus anorganischen Komponenten herstellen konnte, war diese Vermutung widerlegt. Das Leben besteht aus den gleichen chemischen Elementen wie alles andere auch (1); und die Chemie liefert auch die beste Annäherung an eine Definition: Leben ist ein selbstherstellendes, selbsterhaltendes und fortpflanzungsfähiges System, dass in einem chemischen Prozess aus “nicht lebendigen” Bausteinen. Die große Bedeutung des Kohlenstoffs erklärt sich mit seiner chemischen Reaktionsfreudigkeit bei gleichzeitiger Stabilität und der Fähigkeit, Moleküle in vielen verschiedenen Formen zu bilden (mehr dazu >> hier).

Selbstherstellend bedeutet, dass die Bestandteile eines Lebewesens sich „von selbst“ zusammenfügen. Dies ist in der Natur nichts Ungewöhnliches: das Wachstum von Kristallen, die Wolkenbildung oder bestimmte chemische Reaktionen sind „selbstherstellend“ – diese Vorgänge geschehen aufgrund der Eigenschaften des Materials und werden nicht von außen aufgezwungen. Aber diese Vorgänge sind nicht selbsterhaltend – die entstandenen Systeme zerfallen früher oder später wieder. Dies hat mit einem der wichtigsten Naturgesetze zu tun, dem „zweiten Hauptsatz der Thermodynamik“: Umwandlungen in der Natur erfolgen von alleine nur in der Richtung von „Ordnung“ zu „Unordnung“ (Chemiker sprechen statt von „Unordnung“ von zunehmender „Entropie“). Wie in einem Zimmer, in dem nicht regelmäßig aufgeräumt wird, tendieren alle Dinge in der Natur zu einem Zustand der Unordnung – geordnete Systeme zerfallen von allein. Um einen geordneten Zustand aufrecht zu erhalten, muss Energie aufgewendet werden – ganz wie beim Aufräumen des Zimmers. (Wobei die Entropie insgesamt immer zunehmen muss - der Energieverbrauch führt außerhalb des betrachteten Systems zu zunehmender Entropie, um die Abnahme der Entropie im System auszugleichen - Entropie ist komplizierter als die Unordnung in einem Zimmer …).

Leben kann sich im Unterschied zu den anderen selbstherstellenden Systemen selbst dauerhaft erhalten, weil es sich selbst aktiv mit Energie versorgen kann. Damit ist es ein autonomes, „selbsterhaltendes“ System. Wichtig ist dabei das aktiv: In der Natur gibt es auch andere selbsterhaltende Systeme, zum Beispiel ein Feuer - solange Brennstoff und Sauerstoff vorhanden sind, wird es brennen. Aber sobald der Brennstoff zur Neige geht, erlischt das Feuer, ist also nicht dauerhaft selbsterhaltend (2). Dieses Problem umgeht das Leben mit der aktiven Beschaffung der zu seinem Erhalt notwendigen Materie und Energie. Und diese Fähigkeit des Lebens ist irgendwie durch die Wechselwirkungen zwischen seinen Bausteinen entstanden (3). Selbsterhaltung bedeutet natürlich nicht, dass Leben völlig unabhängig von seiner Umwelt wäre, im Gegenteil: die Materie und die Energie, die zur Aufrechterhaltung des Lebens notwendig sind, stammen aus der Umwelt. Heute hängt das Leben in den allermeisten Fällen von der Sonnenenergie ab; die ersten Lebensformen dürften – wie es auch heute noch einige Bakterien tun – energiereiche chemische Verbindungen genutzt haben. Die Aufnahme und Umwandlung von Energie und Materie heißt „Stoffwechsel“; und dieser ist daher ebenfalls ein Merkmal des Lebens. Vom Stoffwechsel leiten sich weitere typische Eigenschaften des Lebens ab. Erstens: Die Aufnahme von Stoffen und Energie muss gezielt sein - in der Umgebung eines Lebewesens können sich ja auch Stoffe oder Energie finden, die im schaden könnten; Lebewesen können daher immer auf Reize in der Umgebung reagieren. Zweitens: Die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels können zudem nur stattfinden, wenn die Reaktionspartner nicht zu sehr verdünnt werden, daher finden alle Lebensvorgänge in von der Außenwelt abgetrennte Grundeinheiten statt: den Zellen, aus denen alle Lebewesen aufgebaut sind (4). Drittens: Diese Vorgänge und alle weitere Reaktionen des Stoffwechsels werden in heutigen Lebewesen von Enzymen gesteuert, die als Katalysatoren wirken – Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verändert zu werden. Enzyme bestimmen daher, welche chemischen Reaktionen überhaupt in bedeutendem Umfang in der Zelle stattfinden. In den Lebewesen sind es zumeist Proteine, die als Enzyme Reaktionen steuern.

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Energiegewinnung in Lebewesen

Am Anfang jeder Nahrungskette stehen Organismen – Bakterien, Algen oder Pflanzen –, die aus Wasserstoff und Kohlendioxid organische Verbindungen herstellen (die "Primärproduzenten"). Kohlendioxid ist in der Luft oder im Meerwasser enthalten, Wasserstoff muss erst aus Verbindungen freigesetzt werden. Dies kann aus chemischen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff oder Methan geschehen (im Falle der Schwefel- oder Methanbakterien); in den meisten Fällen werden hierfür heute jedoch mit Hilfe von Sonnenlicht Wassermoleküle gespalten, das ist der Kern der >> Fotosynthese. Der Wasserstoff ist zugleich der Antrieb für die Energiegewinnung: Ihm werden Elektronen “entrissen”, die die >> Redoxreaktionen der Fotosynthese antreibt; und die dabei entstehenden positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen) werden mit der Energie aus der Fotosynthese auf eine Seite einer Membran gepumpt, wodurch eine Spannungsdifferenz und ein Konzentrationsgefälle entstehen. Beim Rücktransport der Protonen auf die andere Seite der Membran wird daher Energie frei, die von einem Enzym namens ATP-Synthase zu Herstellung von ATP (Adenosintriphosphat) aus einem Vorläufer, dem Adenosindiphosphat (ADP), genutzt wird. Das gleiche Verfahren läuft beim Abbau von Nahrungsmitteln ab (5). ATP ist sehr energiereich; die gespeicherte Energie wird frei, wenn eine Phosphatgruppe abgespalten wird und wieder Adenosindiphosphat (ADP) entsteht (6). Die hierbei freigesetzte Energie ist der mit Abstand häufigste Weg, wie die von Enzymen katalysierten Reaktionen im Zellinneren mit Energie versorgt werden - also der Aufbau des Erbmoleküls DNS, von Proteinen, von Fetten ...; alles wird durch ATP angetrieben. ATP wird in allen Lebewesen als „Energieüberträger“ genutzt und ist damit sozusagen die universelle Energiewährung der lebenden Zelle - ein Mensch produziert und verbraucht jeden Tag etwa das dreifache seines Gewichtes an ATP, manche Bakterien sogar das siebentausendfache, das mag die Bedeutung dieses Moleküls für den Energiestoffwechsel verdeutlichen.

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Eng mit Selbstherstellung und dauerhafter Selbsterhaltung in Zusammenhang steht die Fortpflanzungsfähigkeit: ein sich selbst herstellendes und dauerhaftes System wird sich auch vermehren, wenn Materie und Energie in der Umwelt vorhanden sind. Insofern ist die Fähigkeit zur Fortpflanzung eigentlich nichts anders als die logische Folge der ersten beiden Eigenschaften, hatte aber derartige Folgen und ist derart kennzeichnend für das Leben, dass sie gesondert erwähnt werden soll. Das Leben ist damit nämlich „ansteckend“: es breitete sich auf der Erde aus. Es hat zudem alle erdgeschichtlichen Umwälzungen von mindestens 3,5 Milliarden Jahren überstanden, sich also als äußerst robust erwiesen; und es gibt auch keine Anzeichen dafür, dass sich dies in absehbarer Zeit ändern könnte. (Für einzelne Arten stellt sich die Situation allerdings ganz anders dar, mehr darüber >> hier.) Die Fortpflanzungsfähigkeit alleine ist noch kein Kennzeichen des Lebens, sondern kommt auch in anderen chemischen Systemen vor: Der - auch in Lebewesen sehr verbreitete - Citratzyklus etwa, bei dem Essigsäure (ein Molekül mit zwei Kohlenstoff-Atomen) mit Kohlendioxid zu Pyruvat (mit drei Kohlenstoffatomen) reagiert, das wiederum mit Kohlendioxid zu Oxalacetat reagiert - und so weiter, bis schließlich Zitronensäure (mit sechs Kohlenstoffatomen) entsteht. Wenn Zitronensäure in Essigsäure und Oxalacetat zerfällt, können aus einem Citratzylus zwei werden - der chemische Prozess vermehrt sich.

Nun kann das Leben sich aber nicht nur vermehren, wenn Energie und Materie sowieso vorhanden sind, sondern diese aktiv suchen. Dazu ist es notwendig, dass viele komplexe Vorgänge in den System auch unabhängig von äußeren Bedingungen ablaufen; die steuernden Informationen also nicht mehr von außen kommen, sondern im Inneren des Lebewesens gespeichert werden. Dazu braucht es einen Informationsspeicher, und die Informationen müssen bei der Vermehrung an Tochterzellen weitergegeben werden. Diese Rolle übernimmt bei fast allen bekannten Lebewesen zum größten Teil die Erbsubstanz DNS, die bei einer Zellteilung ebenfalls kopiert und an die Tochterzellen weitergegeben wird. Dass fast (7) alle bekannten Lebewesen die DNS und sogar ohne Ausnahmen den gleichen „genetischen Code“ zur Informationsweitergabe nutzen, gilt wie auch die universelle Energiewährung ATP als Beleg dafür, dass alles heutige Leben einen gemeinsamen Vorfahren hat. (Es ist dagegen kein Beweis dafür, dass Leben nur einmal entstanden ist: es könnte auch mehrfach entstanden sein, aber nur eine Linie hätte bis heute überlebt.)

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Informationsweitergabe in Lebewesen

Die Erbsubstanz DNS besteht aus Basen, Zucker und Phosphatgruppen; entscheidend für die Informationsweitergabe sind die Basen. Von diesen gibt es vier verschiedene, von denen wir uns hier nur die Anfangsbuchstaben merken müssen: A, C, G und T (8). Sie stellen so etwas wie das Alphabet der DNS dar, das aus diesen vier Buchstaben besteht. Die Worte der DNS-Sprache bestehen immer aus drei Buchstaben, zum Beispiel ACT, CGA oder TTC. Jedes Wort steht für eine Aminosäure, ein Satz steht für eine Erbanlage: Aminosäuren sind nämlich die Bausteine der Proteine, die als Enzyme alle chemischen Reaktionen in der Zelle steuern. Die DNS funktioniert also als Erbmaterial, indem sie die Herstellung von Proteinen steuert. Um aus einem DNS-Satz ein Protein herzustellen, wird zunächst eine Negativkopie eines Gens (Erbanlage) in Form eines mRNS genannten Moleküls hergestellt – die RNS ist ein der DNS chemisch eng verwandtes, jedoch weniger stabiles Molekül. Die mRNS wird dann zu den „Proteinfabriken“ der Zelle (den „Ribosomen“) transportiert, wo mit Hilfe einer weiteren RNS (der tRNS) die Aminosäuren entsprechend der „Worte“ der DNS zu einem >> Protein verknüpft werden.

Dies ist jedoch nicht das ganze Geheimnis der DNS: nur ein kleiner Teil von ihr codiert die Herstellung von Proteinen; andere Teile regulieren etwa, ob ein bestimmtes Protein hergestellt wird oder nicht. Tatsächlich sind Erbanlagen (die berühmten „Gene“) eher mit Subroutinen eines Computerprogramms vergleichbar (ein Bild des englischen Biologen Richard Dawkins): Raupen und Schmetterlinge besitzen ja die gleichen Gene, der Unterschied zwischen ihnen kommt durch unterschiedliche Muster der Genaktivierung zustande. Wie genau diese Aktivierung gesteuert wird, ist eines der aktuellsten Forschungsgebiete der Genetik, die DNS erweist sich dabei als komplizierter und vielfältiger, als früher angenommen - die Vererbung besteht aus einem komplexen, raumzeitlichen Zusammenspiel von DNS, Proteinen und anderen Molekülen, das noch niemand richtig verstanden hat.

Die Teilung der DNS zur Weitergabe in die Tochterzelle ist jedoch leicht verständlich, wenn man weiß, dass die Basen in den Sprossen sich immer nur auf eine Art miteinander verbinden: C mit G und A mit T. Wenn sich nun die beiden Hälften der Leiter in der Mitte trennen, wird sich C immer nur mit G und A immer nur mit T verbinden, und so wird jeweils die fehlende Hälfte wieder ergänzt: es entstehen zwei identische Kopien. (Mehr zur DNS >> hier.) Dabei geschehen jedoch Fehler, von Zeit zu Zeit verändert sich dadurch die Erbinformation eines Lebewesens: Diese Variabilität ist Grundlage der >> Evolution.

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Mit diesen Informationen über das Leben können wir jetzt auch nachvollziehen, welche Fragen bei der Suche nach der Entstehung des Lebens im Vordergrund stehen. Erstens: Wie gewannen die Vorläufer der ersten Lebewesen Energie, um sich selbst erhalten zu können? Wie entstand also der Stoffwechsel? Zweitens: Wie entstand die Fähigkeit zur Informationsweitergabe bei der Vermehrung? (Die DNS war mit ziemlicher Sicherheit nicht das erste System, da zu ihrer Teilung Proteine benötigt werden, die erst mit Hilfe der DNS hergestellt werden.) Und wie kamen Stoffwechsel und Informationsweitergabe zusammen? Oder sind sie gemeinsam entstanden?

Wie könnte das Leben entstanden sein?

Neue Überlegungen zur Entstehung des Lebens 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: Ähnlich wie bei der >> biologischen Evolution 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 in einem teilweise mit Wasser gefüllten Glaskolben Gasen starken elektrischen Entladungen aussetzte: Die Gase sollten die Uratmosphäre der Erde darstellen, die elektrischen Entladungen Blitze und das Wasser den Urozean. Tatsächlich fand Miller anschließend organische Stoffe im Wasser, darunter Aminosäuren, die Bausteine der Proteine. Dieses mit organischen Stoffen angereicherte Wasser sollte eine Art „Ursuppe“ darstellen, in der das Leben entstanden ist. Leider stellte sich später heraus, dass Millers Annahme über die Uratmosphäre nicht stimmte, und mit realistischeren Annahmen wollte die Entstehung von Aminosäuren nicht gelingen. Die Annahme einer „Ursuppe“ wurde schließlich dadurch gerettet, dass organische Stoffe, darunter Aminosäuren, in großen Mengen im Weltall entdeckt wurden. Sie könnten durchaus mit dem Kometenbombardement der jungen Erde auf unseren Planeten gelangt sein – dies hätte demnach nicht nur das Wasser, sondern auch die für das Leben notwendigen organischen Baustoffe auf die Erde gebracht. Das eigentliche Problem der „Ursuppe“ ist ein ganz anderes: In dem starken Gezeiten ausgesetzten und daher aufgewühlten Urozean hätten sich kaum irgendwo derartige Konzentrationen an organischen Stoffen ansammeln können, um bedeutungsvolle chemische Reaktionen in Gang zu setzen. Miller glaubte daher später, dass das Leben in periodisch austrocknenden Tümpeln entstanden sein könnte, in denen organische Substanzen konzentriert wurden. Aber auch hier blieben noch Fragen offen: Welche Energiequelle hätte die Bildung hoch geordneter, komplexer Systeme antreiben können? Die Energieversorgung des heutigen Lebens beruht, wie wir oben gesehen haben, auf der Freisetzung von Wasserstoff; bisher konnte aber niemand plausibel erklären, wie sich solche Reaktionen in einer energetisch „langweiligen“ Ursuppe entwickeln könnten.

Die Hypothese von der hydrothermale Lebensentstehung

Daher beflügelte eine Entdeckung aus dem Jahr 1977 sofort die Phantasie der Forscher, die nach den Ursprüngen des Lebens suchten: In jenem Jahr wurden erstmals die Tiefseequellen untersucht, die wenige Jahre zuvor vor den Galapagos-Inseln entdeckt worden waren. Es war eine bizarre Welt: Aus den Quellen stieg stark saures Wasser mit großen Mengen dunkler Metall-Schwefelverbindungen auf (daher werden sie auch „Schwarze Raucher“ genannt); vor allem aber fand sich dort, obwohl kein Sonnenlicht mehr in diese Tiefen reicht, wimmelndes Leben. Als Schlüssel stellten sich Bakterien heraus, die vom Schwefelwasserstoff lebten, der aus den Quellen austritt. Von diesen Bakterien lebten wiederum alle anderen Lebewesen. Hier war nun eine Energie- und Wasserstoffquelle gefunden, die es auch in der Frühzeit der Erdgeschichte gegeben hat. Allerdings: Die heute vom Schwefelwasserstoff lebenden Bakterien brauchen Sauerstoff, und den gab es in der Erdfrühzeit im Meereswasser nicht. Der heutige, komplexe Stoffwechsel ist aber auch kaum in einem Schritt entstanden; frühe Lebensformen haben vermutlich ohnehin andere Energiequellen genutzt. Eine Hypothese hierfür entwickelte der Münchener Chemiker Günther Wächtershäuser: Demnach wäre die von der Reaktion des Schwefelwasserstoffs mit Eisen aus dem Meerwasser zu Eisen-Schwefel-Verbindungen wie Pyrit („Katzengold“) freigesetzte Energie die erste Energiequelle gewesen. Wächtershäuser zeigte auch, dass diese Energie ausreicht, aus den im Quellwasser vorhandenen Stoffen organische Substanz aufzubauen. Offen bleibt, ob diese organischen Substanzen nicht im Meerwasser zu stark verdünnt werden, oder falls sie – wie Wächtershäuser annimmt – an der Oberfläche von Pyrit gebunden sind, wie sie für eine weitere Reaktion zusammenkommen konnten.

Neben den Schwarzen Rauchern gibt es jedoch einen weiteren Typ von Hydrothermalquellen, von denen allerdings erst eine genauer untersucht ist: die im Jahr 2000 gefundene „Lost City“ im Atlantik. An Quellen dieses Typs tritt stark basisches Wasser aus; es ist derart mineralreich, dass sich beim Austritt Kalkschlote abscheiden. Solche Quellen waren schon länger fossil bekannt, und haben Forscher wie den schottischen Geochemiker Michael Russell beschäftigt. Die Mikrostruktur der Schlote ähnelte nämlich den Zellen von Lebewesen, und Russell konnte zeigen, dass sich im Labor an der Grenzschicht zwischen heißem, mineralreichem Quellwasser und saurem Meerwasser ein gelartiges Eisensulfid mit Poren und Blasen ausbildet, das der Struktur lebender Zellen ähnelt. Die Untersuchungen in der Lost City zeigten, dass im Quellwasser reichlich freier Wasserstoff enthalten ist, und dieser wird von einigen der hier lebenden >> Archaeen (130) direkt verwendet, um mit Kohlendioxid aus dem Meerwasser organische Molekülen zu bilden und Energie freizusetzen.

Könnte dieses, so fragte sich Russell, nicht dem Stoffwechsel ursprünglicher Organismen ähneln? Wie wir oben gesehen haben, ist die Reaktion von Wasserstoff und Kohlendioxid die Grundlage allen Stoffwechsels. Sie beginnt jedoch nicht spontan, sondern nur mit Hilfe eines Katalysators, eines Stoffes also, der chemische Reaktionen beschleunigt. In heutigen Mikroorganismen ist dies ein Protein. In der Frühzeit der Erde, so vermutet Russell, könnten die Wände der Eisensulfid-Bläschen selbst dieser Katalysator gewesen sein: sie enthielten nämlich auch Nickel, und Nickel ist ein guter Katalysator für organische Reaktionen. Tatsächlich zeigte sich, dass Eisennickelsulfide die Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid katalysieren. Besser noch: Die Reaktionen erzeugen auch ein Molekül namens Acetylphosphat, und dieses Molekül verhält sich ähnlich wie die universelle Energiewährung ATP, es wird auch heute noch von einigen Bakterien genutzt. In Gang gesetzt wird die Reaktion durch energiereiche freie Radikale, die im Quellwasser vorkommen. Damit das Leben aber auch außerhalb der Hydrothermalquellen mit ihren freien Radikalen funktionieren konnten, musste es eine weitere Energiequelle erschließen: Nach Vorstellung von Russell und dem in Düsseldorf lehrenden amerikanischem Biochemiker Bill Martin war dies ein elektrochemischer Gradient, der sich an der Grenzschicht zwischen Quell- und Meerwasser ausbildet. Heutiges Leben kann so einen Gradienten an der Zellmembran selber erzeugen (siehe (6)); wie sich diese Fähigkeit entwickelt hat und wie der ursprüngliche Eisen-Schwefel-Katalysator durch ein Protein ersetzt wurde, sind die noch ungelösten Fragen dieser Hypothese.

Wenn Russell und Martin recht haben, wäre das Leben am Anfang jedenfalls nicht viel mehr gewesen als ein Weg der Natur, die hohe Aktivierungsenergie der Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid aufzubringen. Es ist die natürliche Selektion, die dafür gesorgt hat, dass mehr daraus wird, aber das ist ein anderes Kapitel (und zwar >> dieses).

Wie entstand die DNS?

Die zweite offene Frage bei der Entstehung des Lebens ist die nach der Entstehung des Informationssystems, also der DNS. Dabei gab es lange ein Henne-und-Ei-Problem: DNS ist sehr stabil, ihre Teilung bei der Vermehrung ist nur mit Hilfe eines Enzyms möglich. Dieses Enzym ist ein Protein, das aber erst mit Hilfe von DNS hergestellt wird. Was also war zuerst da, und wie ist es in die Welt gekommen? Einen Lösungsansatz bot die Entdeckung, dass die RNS, deren Rolle bei der Herstellung von Proteinen wir >> oben schon gesehen haben, sowohl als Informationsträger als auch als Enzym wirksam ist. Daraus entstand die Vorstellung, dass der heutigen DNS-Protein-Welt eine „RNS-Welt“ vorausgegangen sein könnte; der Begriff wurde 1986 von dem amerikanischen Biochemiker Walter Gilbert geprägt.

Die RNS wäre nach dieser Vorstellung später von der chemisch eng verwandten DNS als Informationsträger und von den als Katalysatoren wirksameren Proteinen als Enzym abgelöst worden. Es gibt viele plausible Überlegungen, wie dies geschehen sein könnte. So könnten bereits RNS-Schnipsel aus nur zwei Basenpaaren die Herstellung von Aminosäuren katalysiert haben, die heutigen drei-Buchstaben-Wörter der DNS wären dann eine Ableitung aus diesen ursprünglichen RNS-zwei-Buchstaben-Wörtern; die RNS-Schnipsel die Vorläufer der t-RNS. Wo aber kam die RNS her? RNS ist wie DNS ein Polymer, besteht also aus aneinandergereihten Bausteinen, die aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker und einer Base bestehen und die Nukleotid heißen. Eines dieser Nukleotide, das mit der Base „A“, ist nicht anderes als das Energieüberträgermolekül ADP, das eine weitere Phosphatgruppe verloren hat (also Adenosinmonophosphat, AMP, heißt)! Auf einmal sind Energiestoffwechsel und Informationsträger gar nicht mehr soweit getrennt… 2009 konnte im Labor gezeigt werden, dass mindestens zwei der vier Nukleotide der RNS unter den geochemischen Bedingungen der Erdfrühzeit entstehen konnten (140). Nukleotide bilden aber spontan längere RNS-Ketten, wenn ihre Konzentration hoch genug ist. Und hier kommen nun wieder die Eisensulfid-Blasen in den Hydrothermalquellen ins Spiel: Hier wären die Konzentrationen von Nukleotiden hoch genug gewesen, um RNS-Ketten entstehen zu lassen; und hier könnten aus RNS und den mit ihrer Hilfe entstandenen Aminosäuren Proteine entstanden sein, die gemeinsam mit der RNS stabile Systeme ergaben, die der natürlichen Selektion ausgesetzt wären und sich daher immer weiterentwickelt hätten – so etwa ein Bild, das Russell und Martin im Jahr 2003 entwarfen. Dabei könnte auch ein Enzym entstanden sein, das die Bildung von DNS aus RNS ermöglicht – so ein Enzym gibt es heute noch in bestimmten Viren, es heißt „reverse Transkriptase“.

Auch wenn vieles an diesen Ideen noch umstrittene Annahmen sind und viele nötige Laborexperimente zu ihrer Bestätigung (oder Widerlegung) noch ausstehen: Ganz unmöglich erscheint es jedenfalls nicht, denkbare Mechanismen der Entstehung des Lebens auf der Erde aufzuklären.

Oder kam das Leben aus dem Weltall?

Selbst die einst belächelte Alternative, dass die organische Verbindungen oder gar die ersten Lebewesen aus dem Weltall auf die Erde gekommen seien, gilt heute nicht mehr als ausgeschlossen: Wie oben beschrieben, sind organische Verbindungen im Weltall häufig, und im Wassereis von Kometen könnten nicht nur diese transportiert werden, sondern selbst Sporen wohl überleben. Diese Vermutung soll mit der „Rosetta“-Mission der europäischen Raumfahrtbehörde ESA überprüft werden, die im Jahr 2014 einen Kometen erreichen und untersuchen soll. Das Rätsel von der Entstehung des Lebens wird durch diese Hypothese allerdings nicht gelöst, sondern nur außerhalb der Erde angesiedelt.

Leben auf der Erde

Aber wie auch immer es entstanden oder auf die Erde gelangt ist, eins ist sicher: Seit mindestens 3,3 Milliarden Jahren gibt es Leben auf der Erde. Als komplexe Moleküle, die Stoffe und Energie aus ihrer Umgebung zu ihrer eigenen Selbsterhaltung nutzen konnten, und Moleküle, die Informationen speichern konnten, zusammenkamen, nutzen diese ihren Vorteil und breiteten sich aus. Lange Zeit hätte man das Leben auf der Erde wohl kaum bemerkt - es bestand aus Mikroben, die natürliche Vorgänge beschleunigten und die dabei freigewordene Energie für ihr eigenes Fortbestehen und ihre Vermehrung nutzten. Gelegentlich geschahen Fehler beim Kopieren der vererblichen Informationen; die meisten davon schadeten ihren Trägern - aber einige brachten auch Vorteile mit sich und führten dazu, dass die Mikroben immer wirkungsvoller wurden. Aus der chemischen war eine biologische Evolution geworden, die ungeahnte Neuerungen schaffen sollte - und dazu führte, dass das Leben die Erde mehrfach tiefgreifend verändert hat. Dies ist das Thema der folgenden Seiten.

Webtipp:

>> 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

Auf dem Weg zum künstlichen Leben

Am 20. Mai 2010 veröffentlichte die Wissenschaftszeitschrift Science einen Beitrag von Craug Venter, Hamilton Smith und Kollegen (150), 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 von 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.

© Jürgen Paeger 2006 - 2015

Aufbau der DNA (vereinfacht)

Aufbau der DNA: Die „Doppelhelix“ genannte Struktur ähnelt einer verdrehten Leiter. Die „Holme“ der Leiter bestehen aus Zucker und Phosphatgruppen, die „Sprossen“ werden von den Basen gebildet. >> Quelle

Für die Entstehung des Lebens an mineralischen Oberflächen spricht auch die Chiralität vieler Naturstoffe: Es gibt oft zwei Varianten, die wie die linke und die rechte Hand spiegel-bildlich aufgebaut sind (der Begriff Chiralität stammt von griech. cheir, Hand). Diese Chiralität ist wichtig, Zellen nutzen fast nur "linkshändische" Aminosäuren und "rechtshändische" Zucker. An mineralischen Oberflächen werden beide Varianten getrennt angelagert, und die chemische Evolution kann zwischen beiden unterscheiden; in Flüssigkeiten ist dies nicht möglich.