Entstehung des Lebens (2)

Von der Chemie zur Biologie

Die Urerde bot eine Fülle von Molekülarten an – viel mehr, als das entstehende Leben überhaupt gebrauchen konnte. Und sie bot ideale Bedingungen für deren weitere Entwicklung: Eine ständige Energiezufuhr – sei es durch die Sonne oder die Hitze des Erdinneren -, und Wasser, das von der irdischen Atmosphäre bei auch für chemische Vorgänge geeigneten Temperaturen zwischen 0°C und 60°C gehalten wurde.

Zur Entstehung lebender Substanzen mussten dreierlei Bausteine zusammenkommen:

• ein Informationsspeichermolekül, das sich selbst identisch vermehren (replizieren) kann und das die richtige Information zum Aufbau der anderen Bestandteile enthält

• ein Stoffwechselapparat, bestehend aus einem Satz von Enzymen, der in der Lage ist, die lebende Zelle mit Energie zu versorgen und Stoffe von außerhalb so umzubauen, dass weitere lebende Zellen daraus werden

• eine Hülle, die die übrigen Bestandteile beieinander hält und ein inneres chemisches Milieu von einem äußeren trennt

Heutiges Leben gibt seine Information nur in eine Richtung weiter: Von der Nukleinsäure DNA (Desoxyribonukleinsäure) über die RNA (Ribonukleinsäure) zum Protein (Eiweiß). Nukleinsäuren sind aus Nukleotiden aufgebaut, die aus der Verbindung einer organischen Base mit einem Zucker (Ribose oder Desoxyribose) und Phosphat bestehen. In der DNA sind in heutigen Lebewesen die Bauanleitungen für Proteine gespeichert. Die RNA dient als Informationsmakler zwischen DNA und Protein. Eine große Gruppe von Proteinen, die Enzyme, sind für den Stoffwechsel unabdingbar – und damit für Entwicklung, Überleben und Fortpflanzung von Lebewesen. Ausschließlich mit ihrer Hilfe werden sowohl DNA als auch RNA hergestellt. Daher sind Nukleinsäuren und Proteine heute nicht unabhängig voneinander denkbar. Die große Frage ist, welche dieser Substanzen zuerst da war, ob sie gleichzeitig entstanden oder ob ihnen ein gänzlich anderer Molekültyp vorausging, der ihre spätere Entstehung erst induzierte.

Die meisten Evolutionsbiologen setzen den Beginn des Lebens mit dem Einschluss eines genetischen Apparates in eine Membran gleich, denn funktionsfähige Nukleinsäuren, aber auch funktionsfähige Enzyme oder beide, mussten geschützte Räume finden, da sie aufgrund ihrer Komplexität in freien Gewässern rasch wieder zerfallen wären. Komplexere Moleküle könnten z. B. in halbdurchlässigen Hohlkugeln (Micellen) eingeschlossen worden sein, die sich durch Anlagerung bestimmter Moleküle (z. B. Fettsäuremoleküle) spontan in Gewässern bilden können. An einer Wasser/Öl-Grenzschicht können sich hydrophobe Teile zusammenschließen und kleinere abgeschlossene Reaktionskammern von etwa 10 Nanometern Größe bilden. Auch unter den hydrothermalen Bedingungen tektonischer Bruchzonen entstehen spontan Vesikel, die ein breites Spektrum verschiedener Moleküle beherbergen können. Ebenso entsteht durch ein Sand-Wasser-System in Küstenbereichen Räumlichkeit, an die sich eine Membran anlegen und schließlich abkapseln kann. Es könnten sich auch alternativ Tropfen mit größeren Molekülen im Innern von Tonmineralen ablösen. Ein solcher Tropfen würde als abgeschlossener Lebensraum wirken, der unbeeinflusst von der Außenwelt wäre. Letztlich führten dann verschiedene Reaktionen zur Ausbildung eines genetischen Apparates und zur Membranbildung.

RNA-zuerst-Hypothese

Seit den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts war das „zentrale Dogma“ der Biologen: Am Anfang steht die bekannte Doppelhelix aus Desoxyribonukleinsäure-Bausteinen. Aber der komplizierte Mechanismus, mit dem die in ihr enthaltene Information abgelesen und weitergegeben wird, macht es unwahrscheinlich, dass die DNA am Anfang der Entwicklung des Lebens stand. Denn der dicht verdrillte Molekülfaden muss sich stets zunächst entfalten und strecken und dann noch wie ein Reißverschluss teilen, ehe die Information offen liegt.

Die meisten Fachleute sind sich heute einig, dass schon die allerersten Zellvorläufer zwei entscheidende Komponenten besessen haben müssen: Einerseits eine Grenze zwischen innen und außen, andererseits einen Informationsträger, vermutlich RNA – denn im Gegensatz zur DNA besteht die RNA aus einem einfachen Nukleinsäure-Faden. Für die RNA sprechen verschiedene Gründe:

• Vor allem sind es die verschiedenen Formen des RNA-Moleküls, die auch heute noch wichtige Funktionen in der Zelle ausüben.

• RNA kann sich durch Selbstorganisation weiterentwickeln, d. h. sie kann sich vervielfältigen, Informationen speichern und mutieren. Sie unterliegt der Selektion, ist katalytisch aktiv (d. h., sie unterstützt bestimmte chemische Reaktionen oder macht sie überhaupt erst möglich) und relativ stabil, also evolutionstauglich.

• Zudem ist gut vorstellbar, wie die Rolle des Erbgutbewahrers später von der RNA auf die stabileren DNA-Moleküle überging.

Entstehung der RNA

Die Ausgangsstoffe der Nukleotide, der Bausteine von Nukleinsäuren, waren im Urozean reichlich vorhanden: Phosphate aus hydrothermalen Quellen (oder von Eisenmeteoriten), der Zucker Ribose und einige jener stickstoffhaltigen Basen (vor allem Adenin), die sich aus einfachen Vorläufern gebildet hatten. Sie fügen sich jedoch nicht von selbst richtig zusammen. Theoretisch gibt es mehrere Möglichkeiten, wo und wie diese Bausteine abiotisch, d. h. auf nichtenzymatischem Reaktionsweg, entstanden sein könnten. So könnten die Oberflächen bestimmter Minerale etwa die Nukleotid-Komponenten absorbiert und sie so gezwungen haben, sich zum Zusammenbau in spezifischer Weise auszurichten.

Als letzter Schritt zur Synthese eines RNA-Moleküls fehlte dann noch die Polymerisation, die kettenförmige Aneinanderreihung der Nukleotide, wobei der Zucker die chemische Brücke zur Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids bildete. Auch hier könnten beispielsweise mineralische Oberflächen die reaktiven Moleküle nahe zusammengebracht und eine Brückenbildung erleichtert haben. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass Tonminerale diesen Prozess so begünstigen können, dass Ketten mit bis zu 50 Nukleotiden entstehen. In Computersimulationen wurde berechnet, wie sich auch in einem hydrothermalen Reaktor zunächst durch Zufall, später durch rein chemisch-physikalische Auswahlprozesse immer längere RNA-Ketten bilden können. In den wassergefüllten Spaltensystemen der Erdkruste sind sie bei sauren pH-Werten zwischen 3 und 4, wie sie in den dortigen Fluiden üblich sind, besonders stabil.

Experimente stützen die Idee, dass die ersten Protozellen nicht viel mehr als RNA – oder etwas Ähnliches – enthielten, die fast alle Funktionen der Zelle allein übernahm. Man nennt diesen hypothetischen Zustand „RNA-Welt“, oder besser „RNA-zuerst“. Bevor das Leben auf DNA als Bauplan für Eiweiße bzw. Enzyme zurückgriff, gab es also wahrscheinlich eine Phase, in der RNA sowohl Bauplan als auch Werkzeug zum Zusammenbau von Stoffen war. So könnte durch natürliche Auslese auch z. B. eine zufällige kurzkettige Nukleotidsequenz entstanden sein, die günstige Eigenschaften im Hinblick auf ihre Selbstreproduktion besaß und gegenüber anderen eine gewisse Dominanz entwickelte.

Gemäß der Theorie nahmen später manche Proteine bestimmte Konformationen ein und bildeten enzymatisch aktive Regionen aus. Sie erwiesen sich als die präziseren Katalysatoren, die vielfältige Aufgaben übernehmen konnten. Das wiederum hatte zur Folge, dass die Proteine allmählich – im Laufe von Jahrmillionen – die RNAs als katalytische Werkzeuge der Zelle verdrängten. Einige von ihnen halfen wiederum, die Information der RNA zu vervielfältigen.

Eine ganze Reihe von Erkenntnissen stützt die RNA-zuerst-Hypothese. Nur die RNA kann sowohl die genetische Information als auch die katalytischen Funktionen eines Organismus verkörpern. Aus diesem Grund und aus anderen Erwägungen heraus ist heute die noch immer gültige Lehrbuchmeinung, dass der Vorläufer unserer heutigen DNA/RNA/Protein-Welt nur eine RNA-Welt gewesen sein konnte.

[Gut vereinbar mit dem RNA-Modell ist auch eine der Theorien zur Entstehung von Viren, denn manche Viren bestehen nur aus RNA. Sie könnten am Anfang des Lebens gestanden haben, noch bevor es Zellen gab. Die RNA hätte es bestimmten Gengruppen ermöglicht, sich zu reproduzieren und zu vervielfältigen. Eine effektive Vermehrung und eine erfolgreiche Evolution wäre den Viren aber erst möglich gewesen, als Zellen ihnen als Wirtssysteme bei der Vermehrung dienten. So seien Zellen und Viren in einen Prozess der Koevolution geraten.]

Bislang ließ sich das RNA-Szenario allerdings noch nicht experimentell nachvollziehen; und man hat in der Natur auch noch keine RNA-Moleküle identifizieren können, welche die Vervielfältigung anderer RNA steuern kann. Allerdings würden solche und ähnliche Befunde nur belegen, dass eine derartige Zeit existierte. Über die Entstehung des Lebens sagen sie nichts. Schließlich könnte es vor der RNA-Ära Stadien gegeben haben, in denen ganz andere Moleküle dominierten.

PNA-Modell

Gegen die Entstehung des Lebens aus RNA spricht, dass schon deren Bausteine komplizierte Moleküle sind, die sich nur schwer von selbst bilden können. Weder in den Produkten von Gasentladungsexperimenten noch in Meteoriten fanden sich jemals Nukleotide. In der unbelebten Natur bilden sich bevorzugt kleine Moleküle mit wenigen Kohlenstoffatomen, während jedes RNA-Nukleotid neun oder zehn Kohlenstoffatome (sowie neben Wasserstoff- mehrere Sauerstoff- und Stickstoff-Atome) enthält, die zusammen mit der Phosphatgruppe zu einer bestimmten dreidimensionalen Struktur verbunden sind. Eine Tendenz zur spontanen Entstehung von Nukleotiden, wie moderne Lebensformen sie benötigen, ist nicht erkennbar.

Vielleicht ging daher der RNA eine einfachere Substanz voraus. PNA, eine Peptid-Nukleinsäure, scheint ein attraktiver Kandidat für eine Prä-RNA-Welt zu sein. Sie hat als Rückgrat einen einfach aufgebauten und noch dazu extrem stabilen Aminosäurestrang und als Seitenketten Nukleotidbasen. PNA kann Information speichern und übertragen, durch Selbstorganisation komplexere Einheiten bilden, eine Energiequelle benutzen sowie sich vermehren und weiterentwickeln. Solche Moleküle könnten an der Schaffung des genetischen Systems mitgewirkt haben, bevor Proteine, RNA und DNA auf den Plan traten. Aber es ist gewagt, von solchen Einzelbeobachtungen auf die Existenz einer Prä-RNA-Welt auf Basis von PNA oder ähnlichen Molekülen zu schließen, denn diese wurden bisher nicht mit katalytischen Eigenschaften beschrieben.

[Ursprung der DNA

Ob die RNA nun spontan aufgetreten ist oder ein früheres Erbmaterial ablöste, ihre Entstehung dürfte einen entscheidenden Einschnitt in der Entwicklung zum Leben markieren, in dessen Gefolge sich Proteine und DNA sowie schließlich die ersten Zellen herausbildeten – und irgendwann der letzte gemeinsame Vorfahre des Lebens, LUCA (Last Universal Common Ancestor) genannt. Wie die DNA entstand, dafür fehlt allerdings noch ein schlüssiges Rezept. Durch Zufall könnte irgendwann ein RNA-Molekül entstanden sein, in dem eine Base (Uracil) durch eine ähnlich aufgebaute (Thymin) ersetzt wurde. Dem Zucker (Ribose) ging außerdem ein Sauerstoffatom verloren – er wurde zu Desoxyribose.

Die wohl wichtigste Erfindung war der Umbau der Einzelkette in einen wendeltreppenförmigen Doppelstrang. Dadurch konnten die Sequenzen eines Strangs länger werden, ohne gleichzeitig unsicherer zu werden; auch schlichen sich jetzt weniger Fehler ein. Da die RNA fragil ist und Temperaturen oberhalb von 50°C nicht lange aushält, übernahm die DNA dank ihrer überlegenen Stabilität die Rolle des primären Erbmoleküls. Allerdings verfügte sie nicht mehr über katalytische Eigenschaften. Während nur noch einige RNA-Stränge noch als Informationsspeicher dienten, halfen andere fortan , den DNA-Code zu übersetzen und diese Informationen in Proteine zu übertragen.

Erst mit der Zeit dürften Selektionskräfte den heutigen genetischen Code (der durch die Abfolge der Basen bestimmt wird) herausgearbeitet haben. Vielleicht benutzten frühe Organismen nur um die zehn Aminosäuren statt der heutigen zwanzig zum Proteinaufbau, und verschlüsselten sie nicht mit jeweils drei, sondern zwei genetischen Buchstaben (Basen). Aber die Variationsmöglichkeiten müssen schon im ersten Stadium der Entwicklung verblüffend gewesen sein.]

Proteine-zuerst oder Doppel-Ursprung

Von der allgemeinen Lehrbuchmeinung, dass Ribonukleinsäuren am Beginn des Lebens standen, rücken manche Wissenschaftler aber allmählich ab. Für Francis Crick und andere Forscher ist durchaus vorstellbar, dass Proteine am Anfang standen und die Nukleinsäuren erst später kamen. In Simulationsexperimenten konnte nachgewiesen werden, dass auf der unbelebten Erde offenbar die prinzipielle Möglichkeit für die Entstehung einer großen Vielfalt an Eiweißkörpern bestand, die sogar enzymatische Fähigkeiten aufweisen und Zellstrukturen aufbauen konnten – auch ohne steuernde Nukleinsäuren und ohne Katalyse durch andere Enzyme. Untersuchungen zeigten, dass sie sich auch ohne fremde Hilfe vermehren können.

Nach der „Doppel-Ursprungs-Hypothese“ (Robert Shapiro, Freeman Dyson) ging der genetische Apparat nicht direkt aus den anfänglichen Proteinen hervor, sondern war ein Nachzügler. Proteine und Reduplikatoren seien zunächst unabhängig voneinander aufgetreten, um sich dann später in einem für beide Seiten vorteilhaften symbiotischen Arrangement zu verbinden. Auch andere Wissenschaftler wie Manfred Eigen sind der Meinung, dass keine Komponente anfangs allein einen Mechanismus in Gang bringen konnte, wie er typisch ist für das uns bekannte Leben, in dem Nukleinsäuren und Proteine, Information und Funktion, durch Rückkopplungsprozesse miteinander verknüpft sind.

Nach Eigen war die Ursuppe aus zufällig aufgebauten kleinen Proteinen, einer genügenden Menge an Lipiden (Fettsäuren) und einer Vielzahl von aktiven, energiereichen Nukleotid-Einheiten zusammengesetzt. Mindestens ein replizierendes RNA-Molekül bildete sich durch Zufall, möglicherweise begünstigt durch das Vorhandensein von Proteinen (Enzymen). Letztere trugen wohl zur Verringerung der Fehlerrate beim Kopieren, aber auch zur Beschleunigung des Kopiervorgangs selbst bei. Schließlich begannen die Nukleinsäuren, den Aufbau der Proteine aus Aminosäuren zu steuern. Als ein Nukleinsäure-Molekül noch „lernte“, den Zusammenbau eines Enzyms zu steuern, das dann seinerseits das Kopieren der Nukleinsäure selbst herbeiführte, war ein wahrhafter Fortschritt erreicht. Mit der Zeit wurden die Nukleinsäuren genauer repliziert und die Proteine exakter synthetisiert. Es bleibt aber noch immer ein Rätsel, durch welche chemischen Schritte die wechselseitige Abhängigkeit zwischen Nukleinsäuren und Proteinen genau entstanden ist.

In einem hypothetischen Szenario beschreiben der Geologe Ulrich Schreiber und der Physikochemiker Christian Mayer (Buch: „Geheimnis der ersten Zelle“), wie es in der brodelnden Welt tektonischer Bruchzonen eine gemeinsame Entwicklung von Proteinen und RNA gegeben haben kann. Dabei umgehen sie einige Probleme, die sich mit anderen Modellen kaum oder gar nicht lösen lassen, und bieten mögliche Auswege. Das System startet mit sehr niedriger Komplexität (nämlich zwei Aminosäuren, zwei einfachen Proteinen, kurzen RNAs und einem RNA-Strang) und wird dann sukzessive immer komplexer.

Stoffwechsel-zuerst

Das spontane Auftreten eines großen selbstreplizierenden Moleküls als Initialzündung des Lebens scheint extrem unwahrscheinlich, selbst wenn eine Ursuppe Nukleotide oder einfachere analoge Bausteine bereitgestellt hätte. Es ist ebenfalls extrem unwahrscheinlich, dass die beiden strukturell komplexen Molekülarten, Proteine und Nukleinsäuren, gleichzeitig am selben Ort entstanden. Die präbiotische Evolution könnte daher von Anfang an auf der Ebene von Systemen abgelaufen sein, ausgehend von einer Fülle kleiner Moleküle aus zwei bis wenigen Dutzend Atomen, die sich z. B. im Innern mikroskopisch kleiner Bläschen vernetzten und gemeinsam Energie verarbeiteten.

Die Wissenschaftler stellen sich Kreisprozesse vor, in denen beispielsweise Molekül A die Bildung von B unterstützte, B sich günstig auf die Bildung von C auswirkte usw., bis ein Molekül entstand, das wiederum Molekül A begünstigte. In einem solchen, von störenden Umwelteinflüssen weitgehend abgeschirmten, rückgekoppelten Reaktionswerk hätten sich auch kleinere Moleküle zu größeren verbinden können, die zudem ihre Synthese wechselseitig katalysierten. Die Chemie lehrt, dass sich nur selten mehrere Moleküle zu größeren verbinden (schematisch formuliert: A+B+C+D erzeugt ABCD). Dagegen kommt es häufig zu Reaktionssequenzen aus mehreren Schritten. Aus A+B wird AB, das mit C zu ABC reagiert, was mit D dann ABCD ergibt. Dabei sind für jeden Einzelschritt in der Regel unterschiedliche Bedingungen erforderlich, beispielsweise hinsichtlich Temperatur, pH-Wert, Katalysatoren und Stoffkonzentrationen. (Eine solche Diversität haben z. B. Vulkaninseln zu bieten, wo sich Reaktionsprodukte z. B. in Felsnischen, Tümpeln oder kleinen Buchten ansammeln können.)

Modifikationen könnten einen ursprünglich einfachen Zyklus ausweiten. Es könnten sich aus den Molekülen A, B und C zunächst AB gebildet haben, unterstützt von C. AB katalysierte dann vielleicht die Bildung von AC aus A und C sowie von ACC aus AC und C. A half zwei Molekülen B bei der Reaktion zu BB, das die Reaktion von A und AC zu ACC katalysierte, was wiederum die Reaktion von B und C zu BC ermöglicht hätte usw. Ein solches Netzwerk wäre als Ganzes autokatalytisch, d. h. es würde sich durch die eigenen Reaktionsprodukte auch erhalten. So konnten aus chaotischen Zuständen geordnetere hervorgehen – eine Art Phasenübergang, wie die Physiker sagen.

Solche zufallsgesteuerten chemischen Vorgänge könnten schließlich vielleicht zur Synthese von Substanzen, z. B. Peptiden (Vorstufe von Proteinen), geführt haben, die Schlüsselreaktionen des Zyklus beschleunigten und so für eine effizientere Nutzung der Energie sorgten. Über Reaktionen, an denen Substanzen außerhalb des Zyklus beteiligt waren, nahm das System weiteres Material auf. Ein solcher Reaktionskreislauf konnte sich an bestimmte Umweltbedingungen anpassen – etwa unterschiedlich warmen Bereichen. So konnte z. B. eine Veränderung eines Umweltfaktors einen Schritt in der Reaktionskette von B zurück zu A blockieren. Dann häufte sich das betreffende Zwischenprodukt an, bis sich ein alternativer Reaktionspfad eröffnete. Vielleicht kam es zu Umleitungen – z. B. über die Zwischenprodukte F, G und H. Dabei könnte zufällig ein Katalysator (I) entstanden sein, der auf die Umsetzung von C zu D zurückwirkte und sie erleichterte – usw.

Mit der Zeit wurden die räumlich teilweise abgekapselten chemischen Prozesse, bei denen rückgekoppelte und dabei selbstverstärkende Vorgänge eine entscheidende Rolle spielten, immer komplexer. Aus einer einfachen Reaktionskammer wurde nun eine Protozelle (Vorläufer einer Zelle), in der jetzt geordnete biochemische Prozesse abliefen. Wahrscheinlich bildeten sich auf der frühen Erde viele derartige Reaktionsnetzwerke, die unterschiedliche Antriebsreaktionen und Energiequellen nutzten. Es kam zu weiteren Anpassungs- und Selektionsprozessen. Jeder neue Reaktionsschritt in einem Netzwerk konnte einen Vorteil bringen, und jedes neue Molekül konnte die Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Reaktionsnetzwerken erhöhen.

Die aus diesem Ansatz abgeleiteten Hypothesen zur Entstehung des Lebens, die schon seit Jahrzehnten existieren, unterscheiden sich zwar in gewissen Details, haben jedoch mindestens fünf Grundvoraussetzungen gemeinsam: Dazu gehören eine Membranhülle oder andere Grenzschicht (1), eine (externe) Energiequelle, die den Organisationsprozess in Gang hält (2) und eine weitere chemische Umwandlung antreibt (3), und vor allem ein Netzwerk von Folgereaktionen mit zunehmender Komplexität (4), die Anpassung und Evolution ermöglicht – der Kernpunkt dieser Hypothesen. Hinzu käme noch eine Vermehrung durch Teilung der wachsenden Kapseln (5), wenn sich das Reaktionsnetzwerk mehr Material einverleibt als es verliert. Die Erbinformation wäre hierbei in der Identität und Konzentration der Substanzen des Netzwerks selbst enthalten.

Bei diesen Ansätzen fehlen also noch alle Mechanismen für eine Reproduktion im herkömmlichen Sinn: Moleküle oder Strukturen, welche die im System vorhandene Information speichern und nach Vervielfältigung an die Nachkommen weitergeben konnten. Einige Wissenschaftler berufen sich in diesem Zusammenhang auf Selbstorganisationsprozesse. (Für denkbar wird auch gehalten, dass ein buchstäblich vom Himmel gefallenes Molekül eine einfache Schlüsselreaktion für das frühe Leben angestoßen und beschleunigt hat.) Dennoch erscheint dieses Szenarium wesentlich wahrscheinlicher als das spontane Auftreten von hochkomplexen vielstufigen Reaktionsketten, die zur Bildung eines Replikators führen.

Die Modelle des „Stoffwechsel-zuerst“ werden durch verschiedene erfolgreich verlaufende Versuche gestützt. Ob dabei allerdings zwangsläufig Leben entsteht, bleibt fraglich. Bisher gelang es den Forschern weder, einen kompletten Reaktionszyklus in Gang zu bringen (bisher nur Teile davon), noch zu zeigen, dass er sich selbst erhalten und in einem Evolutionsprozess weiterentwickeln kann. Bis zu einem erfolgreichen derartigen Versuch bleiben alle Szenarien zum niedermolekularen Ursprung des Lebens hypothetisch.

[Russell-Martin- Hypothese:

Eine interessante Theorie ist die sog. Russel-Martin-Hypothese, die davon ausgeht, dass der Stoffwechsel noch vor einer Zellmembran entstand. Das schließen die Forscher aus den Gemeinsamkeiten aller einfachen Mikroben ohne Zellkern. Diese Theorie, die der Geologe Michael Russell bereits seit Anfang der 1990er Jahre vertritt, bietet eine Erklärung dafür, dass sich einst die genau richtige Kombination aller Bestandteile für eine Zelle von allein zusammengeschlossen hat. Sie kann als einzige den gesamten Schöpfungsprozess erklären – von der Energiequelle der ersten Biosynthese über die verwendeten Stoffwechselpfade bis hin zu den Eigenheiten des letzten gemeinsamen Vorfahren aller Lebewesen. Eine wachsende Gruppe von Forschern hat inzwischen Belege für diese Theorie zusammengetragen.

Nach dieser Theorie war der letzte gemeinsame Vorfahre (LUCA) noch in den Kammern (Eisensulfidbläschen) einer heißen Quelle gefangen. Deren Wände seien ideal gewesen, um zufällige Reaktionsprodukte zu konzentrieren. Das Wasser war hier mit Rohmaterialien zum Aufbau komplexer organischer Moleküle angereichert: anorganischen Stoffen wie Ammoniak, Wasserstoff, Methan, Schwefelwasserstoff, Phosphorverbindungen und anderen reaktionsfreudigen Substanzen. Die physikalischen und chemischen Gegensätze lieferten jede Menge Zündstoff, um die Chemie des Lebens anzufachen.

Sobald der Bioreaktor im Innern der Eisensulfidbläschen erst einmal in Gang gekommen war, produzierte er eine kaum überschaubare Vielfalt von Substanzen. Aktivierungsenergie für diese Reaktionen könnten die allgegenwärtigen Metallverbindungen aus Eisen, Nickel und Schwefel in den Wänden der Kammern geliefert haben. Russell und Martin kommen zu dem Schluss: Wenn man den Hauptaugenmerk auf Energie und Thermodynamik, also auf den Antrieb und die Geschwindigkeit bestimmter chemischer Reaktionen, legt, war die Entstehung organischer Substanzen und einfacher biochemischer Kreisläufe unter den Bedingungen, wie sie im Urozean an solchen heißen Quellen herrschten, geradezu programmiert.

Die einfachen organischen Grundstoffe verbanden sich zu Zuckern und Aminosäuren. Im nächsten Schritt müssen dann größere Moleküleinheiten und Molekülketten entstanden sein (Polymerisation). Allmählich hätte ein Proteinfilm die Membranfunktion übernommen. Vielleicht stellten einige der Protozellen auch aus Kohlen- und Wasserstoff Fette und fettähnliche Stoffe her, aus denen sie eine Art Haut aufbauten. So waren die Blasen mit selbstreplizierenden Molekülen nicht mehr an ihre Brutstätten an den hydrothermalen Quellen gebunden und konnten schließlich als kleine Kugeln im Wasser umher schweben. Es musste schließlich ein Protobiont entstehen, der die zueinander passenden Enzyme und Nukleinsäuren in seinem Innern hatte.]

FAZIT

Leben war kein Zufall, sondern auf jeden Fall zwangsläufige Folge chemischer und physikalischer Gesetzmäßigkeiten. Eine Abfolge chemischer Umwandlungen verlieh einer Gruppe organischer Moleküle sukzessive immer komplexere Strukturen. Es bedurfte also nicht des unwahrscheinlichen und rein zufälligen Zusammentreffens von chemischen und geologischen Ereignissen, sondern nur einfacher chemischer Reaktionen mit bequem verfügbaren Materialien – Reaktionen, wie sie übrigens heute noch ablaufen. Allerdings mussten wahrscheinlich unzählige Reaktionen ablaufen, um die erste primitive Version einer Zelle zu erschaffen.

Der kritische Schritt der Lebensentstehung, nämlich der tatsächliche Ursprung selbst reproduzierender Systeme, ist aber bis heute immer noch reine Theorie. Zur Erklärung des Übergangs von Chemie zu Biologie konkurrieren zwei grundverschiedene Ansätze: Entweder setzte der Beginn des Lebens jäh ein, als die chemische Komplexität eine gewisse Schwelle überstiegen hatte – eine Transformation, vergleichbar einem Phasenübergang. Oder es gab einen gleichmäßigen und gemächlichen Entstehungsprozess – so kontinuierlich, dass kein spezieller Moment als Startpunkt des Lebens herausragte.

Einer neue Studie (von Wissenschaftlern um Jessica Wimmer / Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) nach hat sich der Stoffwechsel spontan entfaltet, als die richtigen Bedingungen (Temperatur 80-100°C; pH-Wert zwischen 7 und 10) und Ausgangsstoffe (Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Phosphate) vorlagen. Dies konnte an hydrothermalen Quellen oder auch in wassergefüllten Spalten der Erdkruste geschehen sein. Angetrieben wurde der Stoffwechsel letztlich durch den Wasserstoff, der unbedingt nötig ist, um den Kohlenstoff aus dem CO₂ in den Stoffwechsel einzuschleusen.

Heute wird ausnahmslos von allen aktuell diskutierten Modellen postuliert, dass die Übergänge fließend waren. Sie werden durch die neuesten molekularbiologischen Erkenntnisse kaum schmaler, sondern eher breiter. Im Grunde klafft eine Riesenlücke zwischen den experimentellen Befunden zur abiogenen Bildung organischer Moleküle und dem einfachsten Modell eines ersten Lebewesens. Das liegt zum einen daran, dass die ersten Zellen gleich nach ihrem Auftauchen so gut wie alle Spuren der früheren Stadien dieser chemischen Evolution rasch vertilgt haben. Gefräßig, wie sie waren, nutzten sie jenes „Protoleben“ als reiche Nahrungsressource und rotteten es dabei aus. Sollten trotzdem Mikrofossilien aus dieser Zeit übrig geblieben sein, wären sie größtenteils durch die permanenten Bewegungen der tektonischen Platten, die während der letzten vier Milliarden Jahre die Erdkruste immer wieder durchgewalkt haben, zerstört worden. Das macht es so schwierig, noch eventuelle beweiskräftige Lebensspuren auf der Erde zu entdecken. Und so bleiben die Anfänge der Lebensentstehung auch weiterhin im Dunkel.

Nachweise ersten Lebens

Untersuchungsergebnisse deuten darauf hin, dass sich die heftigsten Asteroideneinschläge auf unserem Planeten auf einen Zeitraum von 4,48 bis 4,45 Milliarden Jahren vor heute beschränkten und dann langsam nachließen. Sollte sich dies bestätigen, wäre die Erde bereits in weiten Teilen ihrer frühen Entwicklung ein lebensfreundlicher Ort mit gemäßigten Temperaturen und flüssigem Wasser gewesen, und das Leben auf der Erde hätte sich schon rund eine halbe Milliarde Jahre früher als bisher angenommen entwickeln können. Zirkonkristalle aus dem bislang ältesten untersuchten Gestein weisen darauf hin, dass die Erdkruste bereits vor 4,4 Milliarden Jahren hinreichend abgekühlt war und eine feste Schale bildete – und weniger als 100 Millionen Jahre später der erste Ozean entstand. Einige der Kristalle deuten tatsächlich auf Leben in dieser Frühphase der Erde hin. „Es gibt keinen Grund, dass Leben nicht bereits vor 4,3 Milliarden Jahren entstanden sein könnte“, meint der amerikanische Geochemiker Jack Valley. Die Ergebnisse sind aber heftig umstritten.

2017 haben Wissenschaftler im Norden Labradors 3,77 bis 4,28 Milliarden Jahre alte Gesteine ausgegraben, in denen sich womöglich Reste der ersten Organismen befinden. Allerdings sind die Mikrofossilien und die damit verbundenen chemischen Indizien auch hier noch umstritten. In 3,9 Milliarden Jahre alten Gesteinproben aus der Isua-Formation (Westgrönland) und 3,85 Milliarden Jahre alten Sedimentgesteinen auf der südwestgrönländischen Akilia-Insel weisen Kohlenstoff-Isotope ein Verhältnis auf, das sich ebenfalls nur durch Vorhandensein lebendiger Organismen erklären lässt. Doch noch gibt es Zweifel, ob damit wirklich schon der Beweis für Leben erbracht wurde.

Erst 3,5 Milliarden Jahre altes Gestein aus der Gegend Pilbara, einer Region Nordwestaustraliens, enthält sichere Nachweise für Leben. Es ist gespickt mit versteinerten Zeugen frühen Lebens, das eng mit heißen Quellen verbunden war. Das deutet auf eine komplexe Gemeinschaft primitiver Einzeller hin, die sich schon über eine längere Vorlaufzeit entwickelt haben musste.

REM