Referat BIOGENESE - Der Gedanke der Urzeugung, Die chemische Evolution, Das Gen-Protein-Kopplungsproblem, Experimentelle Suche nach dem Ursprung des Lebens

BIOGENESE

Der Gedanke der Urzeugung

Früher war man davon überzeugt, daß sich Lebewesen spontan und ohne äußeren Anlaß aus toten Stoffen bildeten. Für Menschen und höher Tiere galt dies natürlich nicht, wohl aber für einfachere Tiere und Pflanzen, wie zum Beispiel Würmer, Insekten und Pflanzen.

Dieser Gedanke wurde jedoch bereits 1668 experimentell widerlegt. Bisher wurde angenommen, daß sich Maden von selbst in verfaulendem Fleisch bildeten. Doch man stellte fest, daß bei einer sorgfältigen Abdeckung des Fleisches auch nach längerer Zeit keine Madenbildung festzustellen war. So wurde die Theorie der Urzeugung fallen gelassen.

Eine Wiedergeburt erlebte sie jedoch einige Zeit später, als durch ein Mikroskop erstmals Einzeller beobachtet werden konnten. Diese Kleinstlebewesen waren überall zu finden, und selbst wenn man durch Abkochen von Wasser alle abtötete, wimmelte es bereits Tage später wieder von ihnen, selbst wenn man das Wassergefäß ebenfalls sterilisierte. Diese Lebewesen mußten doch durch Urzeugung entstehen!

Doch auch dieser Glaube zerplatzte bald, wieder zu Fall gebracht durch ein Experiment. 1862 unternahm Pasteur den oben erwähnten Versuch, doch er war davon überzeugt, daß man auch die Luft und überhaupt die gesamte Umgebung frei von Keimen halten müsse. In seiner Version des Versuchs benutzte er eine frisch geblasene Flasche, deren Öffnung er zu einem Schwanenhals verbog und mit sterilisiertem Wasser füllte. In der Flasche selbst war eine sterile Nährlösung. Tatsächlich blieb diese auch noch Wochen nach der Sterilisation vollkommen keimfrei. Brach man dagegen den Hals ab, war sie bereits nach Tagen wieder voller Mikroorganismen.

Auf diese Weise war die Theorie der Urzeugung endgültig widerlegt. Von nun an galt der Grundsatz "Omne vivum ex vivo" - "Alles Lebende aus Lebendem". Doch damit stellte sich eine neue Frage für die Naturwissenschaftler - die Frage nach der ersten Entstehung des Lebens überhaupt.

Die chemische Evolution

Die chemische Evolution war der erste Schritt zur Bildung des Lebens. Sie begann bereits sehr knapp nach der Bildung der Erde, mit der Entstehung der ersten Urozeane, als die Temperatur unter 100 Grad Celsius absank.

Die Erde verfügte über eine Atmosphäre, die mit Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und Ammoniak angereichert war, auch Methangas und Schwefelwasserstoff waren bereits vertreten. In den Ozeanen waren verschiedene Phosphate, Silikate und Ionen diverser Metalle gelöst. Eine schützende Ozonschicht fehlte, harte UV-Strahlung von der Sonne konnte die Erde ungehindert erreichen.

Der Biologe Miller beschloß um 1953, dieselben Bedingungen wie auf der Urerde herzustellen, um die Entstehung des Lebens besser erklären zu können. Er stellte ein abgeschlossenes System her, in dem alle oben genannten Faktoren gesammelt waren, und überließ es eine Woche sich selbst. Tatsächlich fand er, daß sich ohne äußeres Zutun bereits nahezu alle für das Leben wichtige Grundstoffe gebildet hatten, darunter viele Aminosäuren, Formaldehyd, Ameisensäure, verschiedene Fettsäuren, Nukleotid-Stickstoffbasen und die als Energiespeicher fungierende Verbindung Adenosintriphosphat.

Genauso geschah es damals in den Urozeanen. Sämtliche Stoffe wurden fortwährend gebildet, und da sie von keinen Prozessen abgebaut wurden, sammelten sie sich in großen Konzentrationen an. Heute schätzt man, das am Ende dieser Phase rund 10% des Urozeans aus diesen Stoffen bestanden. In Küstengegenden sammelten sie sich naturgemäß besonders an und wurden mitunter an Land geschwemmt. Der Erdboden war jedoch durch vulkanische Tätigkeit noch sehr heiß, so daß Temperaturen von über 100 Grad herrschten.

Die gängige Theorie postuliert nun die Bildung von Mikrosphären durch die fortschreitende chemische Evolution, die sogenannte Proteinoide enthalten. Diese Proteinoide sollen die notwendigen Ribonukleinsäuren replizieren, die ihrerseits wieder für die Proteinoide codieren. Dies ist auch noch in heutigen Organismen der Fall. (Genauer gesagt übernehmen heute Desoxyribonukleinsäuren die Aufgabe der Informationsspeicherung, während die RNA hauptsächlich als Botenstoff fungiert, da die DNA als Speicher weitaus besser geeignet ist).

Dies ist jedoch nicht möglich! Hier weist die Lehrbuchtheorie eine gewaltige Lücke auf. Ja, möglicherweise ist das Leben nicht einmal mittels der erwähnten Mikrosphären entstanden.

Das Gen-Protein-Kopplungsproblem

Um zu verstehen, woher diese Unmöglichkeit kommt, muß man sich vor Augen halten, wie das Leben heute funktioniert. Unabhängig von seiner Gestalt arbeitet nämlich jeder Organismus und jeder Einzeller nach einem grundlegenden Schema. Er verfügt über einen genetischen Apparat zur Speicherung seiner Erbinformation. Nahezu alle Lebewesen setzen dazu die DNA ein. Die DNA ist ein sehr guter Informationsspeicher, ihre Fehlerquote ist sehr gering. Allerdings ist sie nur das - ein Speicher. Es ist so, als hätte man eine Diskette in der Hand.

Jedes Lebewesen hat aber das Ziel, sich fortzupflanzen. Was muß es tun, um das zu erreichen? Das wichtigste und unabdingbarste ist es die Erbinformation zu kopieren. Man kann aber nicht einfach so aus einem DNA-Strang zwei Stränge erzeugen, sondern man braucht spezielle Zusätze dazu, nämlich Proteine. Es dürfen nicht einmal beliebige Proteine sein, sondern hochspezialisierte und sehr komplexe Enzyme. Nur sie sind in der Lage, die DNA fachkundig zu zerschneiden, zusammenzufügen und zu kopieren.

Woher kommen aber diese Proteine? Sie sind im genetischen Bauplan ebenfalls gespeichert. Genauer gesagt findet sich dort Stück für Stück die Anweisung, wie der Organismus vorgehen muß, um ein bestimmtes Protein zu bauen. Unter den ausführenden Elementen bei diesem Vorgang finden wir die RNA. Den genaue Vorgang zu erläutern, ist nicht notwendig. Der Grundgedanke ist klar: die DNA enthält die Informationen, um Proteine zu produzieren, die wiederum die DNA duplizieren können.

Doch hier gibt es ein Problem. Ganz gleich, ob wir postulieren, daß die DNA dem ersten Leben als Massenspeicher gedient hat, oder ob die einfacher zu kopierende RNA diese Aufgabe übernommen hat, geraten wir in eine Zwickmühle. Zunächst einmal stellt sich die Frage, was denn nun bei diesem Kreislauf zuerst entstanden ist, die RNA oder die Proteine. Paradoxer Weise ist keine der beiden Alternativen möglich. Um ein bestimmtes Protein zu synthetisieren, braucht man eine gewisse Anzahl an Nukleotiden. Um also auch nur die primitivsten vorstellbaren Organismen in  RNA zu codieren, die kaum mehr als ihr eigenes Replikations-Enzym in ihrem genetischen Code enthalten, braucht man mehrere hundert Nukleotide. Die RNA müßte also von ihren ersten Anfängen auf weit über hundert Nukleotiden anwachsen, um überhaupt erst einmal ein Replikase-Enzym synthetisieren zu können. Doch ohne Replikase-Enzym ist, wenn man die Selbstreplikation der RNA betrachtet, nur eine verläßliche Reduplikation von allerhöchstens hundert Nukleotiden möglich. Selbst dies ist nur ein theoretischer Wert: mit heutigen Versuchen, selbstreplizierende RNA zu erzeugen, gelang es bisher nicht einmal, ein autokatalytisches Molekül aus 20 Nukleotidbasen zu erreichen, obwohl man spezielle, künstlich geschaffene und energiereiche Nukleotid-Einheiten verwendete, die es auf der Urerde vermutlich nicht gab. Bei einer größeren Nukleotidanzahl macht es die extrem hohe Fehlerquote unmöglich, eine stabile Population aufzubauen. Um die Unmenge an genetischer Information zu kopieren, die wir heute besitzen, braucht man mindestens ein Enzym. Aber dieses Enzym kann man erst synthetisieren, wenn man über diese Unmenge an Nukleotiden bereits verfügt. Man sieht also, es handelt sich um ein Problem ähnlich dem klassischen Paradoxon von der Henne und dem Ei. Es gibt jedoch die verschiedensten Theorien, die eine Antwort darauf zu haben glauben.

Theorie der autokatalytischen RNA

Mit der Theorie autokatalytischen RNA behauptet Walter Gilbert, daß sich zufällig nahezu hundert Nukleotidbasen zusammengefügten, die dann rasch mutierten und so beeindruckende enzymatische Fähigkeiten entfalteten. Dadurch konnten sie auch ihre Fähigkeiten zur Selbstreplikation verbessern. Sie wirkten praktisch als Informationsspeicher und Katalysatoren in einem. Nach einer ausreichenden Verbesserung der Fehlerquote bei der Autokatalyse war es dann auch kein Problem mehr, größere Nukleotidketten zu bilden, die dann auch schon für Proteine codieren konnten, welche die enzymatischen Aufgaben weit besser ausführen konnten als ihre Erschaffer.

Gegen diese Theorie spricht jedoch, daß heutige Experimente mit hochentwickelter RNA nicht einmal annähernd die geforderten autokatalytischen Fähigkeiten erzielen. Befürworter der Theorie meinen, daß die Ur-RNA über mehrere Millionen Jahre hinweg sehr wohl diese Fähigkeiten durch Mutation hätten erwerben können. Und tatsächlich ist es in jüngster Vergangenheit Forschern gelungen, aus Einzellern eine RNA-Kette zu extrahieren, die bemerkenswerte Fähigkeiten an den Tag legt. Sie ist normalerweise als Intron, also als ein uninterpretierter Teil der RNA enthalten, kann sich jedoch aus der längeren Kette selbst herausschneiden und die Kettenreste wieder zusammenfügen. Dies nennt man auch Spleißen. Auf diese Art wirkt die RNA gewissermaßen als ihr eigenes Enzym und wird deshalb auch Ribozym genannt. Sie ist auch in der Lage, andere Nukleotidketten miteinander zu verbinden, sofern diese einem bestimmten Muster entsprechen, das in der RNA enthalten ist. Die Wissenschaftler entfernten dieses Muster aus der RNA, und tatsächlich scheint die RNA jetzt in der Lage zu sein, Nukleotidketten anhand beliebiger Vorbilder neu zusammenzusetzen. Dadurch könnte sie auch in der Lage sein, sich selbst zu replizieren. Allerdings braucht sie dazu nicht nur einzelne Nukleotide, sondern eben ganz Ketten, außerdem akzeptiert sie auch solche Ketten, die nicht völlig mit dem Original identisch sind, daher ist der Kopiervorgang äußerst fehlerhaft.

Das kürzlich entdeckte Ribozym hat also zwar nicht die Fähigkeit zur Selbstvermehrung, untermauert allerdings die Vermutung, daß diese Fähigkeit bei RNA-Molekülen prinzipiell möglich ist.

Theorie der Hyperzyklen

Die derzeit anerkannteste Theorie postuliert ebenfalls, daß die RNA schon vor den Proteinen existierte. Damit hat sie, wie wir zu Beginn gesehen haben, einigen Erklärungsbedarf bezüglich der Selbstreplikation. Der Schöpfer dieser Theorie, Manfred Eigen, findet jedoch eine elegante Antwort auf diesbezügliche Fragen. Er nimmt an, daß sich durch Zufall ein RNA-Molekül aus etwa hundert Nukleotiden aus der Ursuppe gebildet hat, welches zwar für kein Protein codiert, aber selbstreplizierend ist. Um jetzt wenigstens für ein einziges Protein codieren zu können, muß die Nukleotidzahl dramatisch anwachsen.

Es wurde bereits vor Eigen an die Lösung gedacht, die genetische Information zu teilen und so jeden Teil getrennt der Evolution auszusetzen. Doch scheitert dieser Gedanke an der Tatsache, daß durch die Konkurrenz sämtlicher RNA-Abschnitte um dieselben Basen sich schließlich irgendein Teil schneller replizieren kann als alle anderen, woraufhin die übrigen zugrunde gehen.

Die Eigensche Theorie bietet jedoch den sogenannten Hyperzyklus als Ausweg an. Hierbei wird die Information ebenfalls geteilt, doch anstatt daß sämtliche Einzelabschnitte der RNA autokatalytisch wirken, unterstützen sie durch ihre enzymatischen Fähigkeiten den jeweils folgenden Abschnitt. Der letzte Abschnitt wirkt wiederum katalytisch auf den ersten. Auf diese Weise ist es unmöglich, daß ein Teil der RNA die Oberhand gewinnt, da er dadurch das Wachstum aller anderen Teile sofort fördern würde.

Durch den Hyperzyklus kann die genetische Information also mit einer praktisch beliebigen Genauigkeit repliziert werden, sofern die Gesamtmenge in genügend viele Abschnitte unterteilt wird. Aber auch Hyperzyklen haben nachweislich eine endliche Lebensdauer. Prinzipiell sind vier verschiedene Möglichkeiten einer Katastrophe für Hyperzyklen vorstellbar:

Selbstsüchtige RNA: Ein RNA-Molekül mutiert, so daß es nur mehr sich selbst, aber nicht mehr das nachfolgende Molekül katalysiert.

Kurzschluß: Ein RNA-Molekül katalysiert plötzlich ein viel späteres Molekül in der Kette. Der Hyperzyklus läßt also einen Teil der Botschaft auf einmal aus und kontrahiert zu einer einfacheren Kette.

Populationskollaps: Bei kleineren Zyklen können statistische Fluktuationen zu einer Ausrottung einer ganzen Gruppe von RNA-Abschnitten führen. Dadurch wird der gesamte Hyperzyklus unterbrochen.

Fehlerkatastrophe: Trotz der Verbesserten Reduplikationsfähigkeit durch den Hyperzyklus kann es immer noch vorkommen, daß Information fehlerhaft kopiert wird und sich durchsetzt, da sich der Fehler nicht schädlich auf den Hyperzyklus als solchen auswirkt. Damit ist aber das Ziel, die Information fehlerfrei weiterzugeben, verfehlt.

Theorie des unbekannten Moleküls

Einen anderen Weg geht Gerald F. Joyce. Er meint, daß vielleicht nicht einmal die RNA das ursprünglichste aller Moleküle des Lebens ist, sondern vielmehr ein bis jetzt völlig unbeachtetes, ja vielleicht sogar völlig unbekanntes Molekül. Es könnte die Information gespeichert und sich selbst repliziert haben. Irgendwann einmal replizierte es nicht nur sich selbst, sondern auch die RNA, die dann auch die Eigenschaft der Informationsspeicherung übernahm. Später war die RNA komplex genug, um Proteine zu synthetisieren, die dann die Aufgabe des unbekannten Moleküls übernahmen. Die Aufgabe der Informationsspeicherung wurde schließlich an die DNA übergeben, und so währen wir beim heutigen Stand. Unklar ist aber, welches Molekül diese entscheidende Rolle gespielt haben soll, und wieso wir es bis jetzt noch nie bemerkt haben.

Ein vielversprechender Ansatz ist jedoch ein künstlich synthetisierter Ester, der sich selbst in einer Chloroformlösung kopieren kann. Er tut dies jedoch extrem exakt, so daß Mutationen fast ausgeschlossen sind, außerdem sind die Bedingungen, die seiner Entstehung und Weiterexistenz notwendig sind, sehr unwahrscheinlich.

Theorie der Coacervate

Alexander Oparin geht von einem völlig anderen Ansatz als die bisher genannten Theorien aus. Für ihn steht fest, daß die Proteine die Vorreiter des Lebens waren und die RNA sich erst später entwickelt hat. Rein chemisch klingt dieser Gedanke bereits bestechend logisch, da sich beim Miller-Versuch die Aminosäuren, die für Proteine benötigt werden, leichter bilden als die Nukleinbasen, Phosphate und Zuckermoleküle, die Bestandteile der RNA sind.

Allerdings muß eine ebenso eindeutige Erklärung für die Replikation der Proteine geboten werden. Als eigenständige Informationsspeicher sind Proteine relativ ungeeignet. Hier bringt Oparin seine Coacervattröpfchen ins Spiel. Die Coacervattröpfchen entstehen, wenn man ölige Flüssigkeiten in Wasser auflöst, so daß sie winzig kleine Klümpchen bilden. Diese Tröpfchen können zum Beispiel aus einem Gemisch aus einem Protein und einem Kohlenwasserstoff bestehen, wie bei den Versuchen von Oparin. Fügt man jetzt ein Enzym hinzu, daß Stärke bilden kann, sowie ausreichend Zucker, dann vermehren sich die kleinen Klümpchen und bilden identische Kopien ihrer selbst, indem sie sich teilen.

Allerdings ist nicht ganz klar, inwiefern dies jetzt die Entwicklung des Lebens demonstrieren soll. Die Vermehrung der Coacervattröpfchen hört nämlich sofort auf, wenn man die Zufuhr des Enzyms oder des Zuckers unterbindet. Oparin meinte offenbar, daß in der Ursuppe eine solche Zufuhr stets gewährleistet war. Er selbst hat sein Enzym jedoch aus einem heute lebenden Organismus gewonnen, es ist daher äußerst hoch entwickelt. Schwerer wiegt noch die Tatsache, daß die Tröpfchen keinen Informationsspeicher haben, daher nichts vererben können und somit auch nicht die Möglichkeit zur Evolution haben. Oparin ging davon aus, daß sich die RNA mehr oder weniger zwangsläufig im Laufe der Zeit bilden würde. Diese Sicht der Dinge läßt sich erklären, da Oparin seine Theorie aufstellte, noch bevor die DNA oder die RNA überhaupt entdeckt waren, weswegen er keine genaue Vorstellung vom genetischen Informationsmechanismus hatte.

Theorie der Proteinoide

Ahnlich wie Oparin sieht Sidney Fox die Entwicklung des Lebens. Wie Oparin weiß er, daß sich Aminosäureketten in Wasser lösen, statt Proteine zu bilden. Erhitzt man nun die Aminosäurelösung, so bilden die Aminosäuren nur eine teerige Masse. Anders als Oparin benutzt Fox aber keine Öltröpfchen, um seinen Aminosäuren Zusammenhalt zu gewähren. Er findet heraus, daß zusätzlich zu den "normalen" Aminosäuren noch eine der drei Aminosäuren Lysin, Asparaginsäure und Glutaminsäure nötig sind, um beim Erhitzen Stoffe ähnlich den Proteinen zu erzeugen.

Fox nennt seine Kreation Proteinoide (wir kennen sie bereits) und beginnt sie systematisch zu erforschen. Er stellt fest, daß auch sie enzymatische Reaktionen aufweisen, wenn man sie in Wasser löst (wo sie Mikrosphären bilden), auch wenn diese viel weniger spezifisch sind als die der Coacervattröpfchen - sie katalysieren so ungefähr alles (darunter auch sich selbst). Dafür ist aber auch kein hochspezialisiertes Enzym von außen notwendig. Fox verlangt hier also viel weniger unrealistische Bedingungen von der Urerde als Oparin.

Das Hauptproblem aller Theorien über den Beginn des Lebens durch Proteine bleibt jedoch: auch die Foxschen Proteinoide haben keinerlei genetischen Apparat, können keine Informationen an ihre Nachkommen übermitteln und können daher unmöglich eine Evolution durchmachen. Außerdem unterscheiden sie sich von den Proteinen, die wir heute kennen. Dennoch werden Mikrosphären und die in ihnen enthaltenen Proteine gerne als Ausgangspunkt des Lebens gesehen, meist in Verbindung mit der bereits erwähnten Entwicklung der Hyperzyklen.

Theorie vom Doppelursprung (Nukleotide und Proteine)

Bezüglich des Doppelursprungs des Lebens gibt es mehrere rivalisierende Theorien, die sich jedoch nur in Detailfragen unterscheiden.

Im Wesentlichen besagen sie alle das, was die einfachste Theorie, nämlich die von Robert Shapiro, aussagt: Es haben sich sowohl einfache autokatalytische RNA-Fragmente gebildet, ähnlich wie im Szenario von Gilbert, also auch einfache Proteine, wie zum Beispiel Foxsche Proteinoide. Jetzt nimmt Shapiro an, daß die Nukleotide nicht nur sich selbst, sondern auch Proteine replizieren konnten. Dafür muß die RNA nur wenige Nukleotidbasen aufweisen, da sie nur Aminosäuren erkennen muß. Auf diese Weise ist es gar nicht nötig, für einzelne Proteine zu codieren, es reicht, wenn die RNA Proteine, die sie braucht, vermehren kann, da diese ja schon vorhanden sind. Auf diese Weise ist auch eine Evolution der Proteine möglich, da die RNA ja Mutationen zuläßt. Die RNA bildet einen Hyperzyklus, wodurch sie zunehmend komplexer werden kann, bis sie schließlich eine so perfekte Protein-Umgebung hat, daß sie ihre eigene Replikation vernachlässigen kann, da die Proteine diese Aufgabe übernehmen. Die RNA hat wiederum die Fähigkeit gewonnen, für Proteine zu codieren. Alles andere, bis zur Entwicklung der ersten Zelle, ist danach nur mehr Sache der Evolution.

Lehmtheorie

Einen absolut anderen Weg als alle anderen Theorien wählt die Lehmtheorie. Auf die Frage "Was war zuerst da, Proteine oder Nukleotide?" antwortet die Lehmtheorie mit "Weder noch!"

Der Erfinder der Lehmtheorie, Cairns-Smith, empfindet Kohlenstoff als viel zu komplizierte Lösung für die Entstehung des Lebens. Ihm zufolge entwickelte sich das Leben aus lehmigen Kristallen, die ja auch nicht perfekt regelmäßig kristallisieren. Sobald ein Exemplar einmal eine etwas andere Struktur hatte, zum Beispiel durch mechanische oder chemische Fehler, konnte es durchaus sein, daß es besser für das "Überleben", sprich für das Weiterwachsen, geeignet war als ein Standardkristall. Die Weitergabe genetischer Informationen erklärt Cairns-Smith durch Substitutionsmuster auf der Oberfläche der Kristalle. Sie entstehen durch die Aufnahme anderer Ionen in das Kristallgitter und beeinflussen die Wachstumsfähigkeit nicht. Außerdem übernehmen spätere Schichten des Kristalls - die eventuell auch abbrechen und an anderer Stelle weiterwachsen können - dieses Muster. Mutation ist selbstverständlich auch möglich, womit für Cairns-Smith bereits alle Voraussetzungen für die Weiterentwicklung gegeben sind.

In diesem Stadium begannen die Kristalle irgendwann Kohlenstoffe in ihre Gitter einzubauen, die Ionenaufnahme, -absorption und mechanische Aufgaben besser erfüllten als die Kristallmoleküle. Schließlich übernahmen dann nach ihrer Entstehung autokatalytische RNA-Moleküle von ausreichender Komplexität und der Fähigkeit der Proteinsynthese ganz die Kontrolle, womit die veraltete Silizium-Lebensweise der neuen Kohlenstoff-Methode weichen mußte.

Die Cairns-Smith-Theorie ist reizvoll, weil sie keine Anfangsprobleme hat. Es sind keine Zufälle nötig, durch die sich erst Proteine oder Nukleinsäuren bilden müßten, sondern das Leben ist aus ganz gewöhnlichen chemischen Prozessen nach und nach hervorgegangen. Möglicherweise tut es das heute immer noch. Doch bis jetzt ist dieser Vorgang noch nie beobachtet worden, obwohl bereits Vorschläge für ein dem Miller-Versuch ähnliches Experiment mit Siliziumkristallen gemacht worden sind.

Theorie der Unterwasserwelt

John B. Corliss schwebt ein anderer Entstehungsort für das Leben vor als den meisten seiner Kollegen. Während es heute weitgehend akzeptiert ist, daß das Leben an der Oberfläche des Planeten entstand, verlegt Corliss die Entstehung tief auf den Grund des Meeres. Er gibt nicht genau an, wie diese Entstehung vor sich gegangen sein soll, oder wie er sich eine Lösung für das Henne-Ei-Problem vorstellt, aber er weist darauf hin, daß nahe den hydrothermalen Quellen auf dem Meeresboden genug Energie frei wird, um Leben ohne Sonnenschein zu ermöglichen. Tatsächlich lebt dort eine kürzlich entdeckte völlig neue Bakterienart, die sich in verschiedenen Merkmalen von allen bisher bekannten Bakterien völlig unterscheidet. Sie bilden eine eigene Gruppe und werden Archaebakterien genannt. Sie leben von den durch die hydrothermalen Schlote ausgeschiedenen Schwefelverbindungen und vertragen extreme Umweltbedingungen.

Allerdings sind die Bedingungen dort nicht sehr geeignet für die Entstehung des Lebens: in dem siedend heißen Wasser werden die notwendigen organischen Verbindungen eher zerstört als erzeugt. Daher sind viele Forscher der Ansicht, daß die dort lebenden Bakterien nicht dort entstanden, sondern zugewandert sind und sich angepaßt haben.

Pyrit-Theorie

Die Pyrit-Theorie greift das obige Szenario auf und will einen greifbaren Weg zur Entstehung des Lebens aufzeigen. In der nähe der hydrothermalen Quellen kann nämlich sehr leicht Pyrit, auch Katzengold genannt, aus Schwefelwasserstoff und Eisensulfid entstehen. Dabei wird auch genug Energie frei, um, so postuliert der Erfinder, Wächtershäuser, aus Kohlendioxid und Wasserstoff organische Moleküle zu bilden. Außerdem entsteht gleichzeitig auch Wasserstoff.

Die organischen Verbindungen sind jetzt aber, da sie negativ geladen sind, an die positiv geladene Oberfläche des Pyrit-Kristalls gebunden. Der wachsende Kristall versorgt sie auch weiterhin mit Energie. Nur diejenigen Verbindungen, die sich gut am Kristall halten können, überleben und können sich anhäufen. Schließlich entstehen in diesem Szenario Membrane und zellartige Gebilde, die irgendwann einmal weit genug fortgeschritten sind, um sich vom Kristall zu lösen.

Hier hat das Leben bereits wesentlich günstigere Voraussetzungen als in den meisten anderen Szenarien. Versuche haben ergeben, daß sich tatsächlich zumindest die postulierten chemischen Reaktionen abspielen, so daß diese Theorie durchaus im Bereich des Möglichen liegt. Es wurde auch ausgeführt, daß in diesem Stadium Thioester, welche schwefelhaltig sind und auch in heutigen Organismen noch beim Zellstoffwechsel eine wichtige Rolle übernehmen, dem frühen Leben als Energiequelle gedient haben könnten. Diese Thioester könnten später auch Protoenzyme gebildet haben, die als Katalysatoren agiert hätten. Auf diese Weise hätte schließlich auch RNA aufgebaut worden sein können, womit wir wieder beim Szenario der selbstreplizierenden RNA angelangt wären.

Theorie der Panspermie

Auch hier gibt es mehrere Theorien, die alle annehmen, das Leben wäre nicht auf der Erde, sonder im Weltraum oder auf anderen Planeten entstanden. Die einfachste, aber auch unbefriedigendste Theorie stammt von James Crick, der zufolge das Leben aus irgendeinem anderen Sonnensystem durch irgendeine extraterrestrische Ursache, wie etwa einen Kometeneinschlag, auf unsere Welt in Form von primitiven Sporen gekommen ist. Danach hätte es sich zu den heutigen Organismen weiterentwickelt. Dieser Ansatz wurde jedoch nicht einmal von Crick selbst ernst genommen, da er das eigentliche Problem - die Entstehung des Lebens als solches - überhaupt nicht beantwortet, sondern nur in die Weite des Alls verlagert.

Die andere Sorte von Theorien, sieht auch eine auf der Erde landende Spore vor, allerdings soll sie nicht von Planeten, sondern aus dem tiefen Raum kommen. Der bevorzugte Bildungsort ist eine interstellare Gaswolke. Die besten Vertreter dieser Gattung von Theoretikern sind Hoyle und Wickramasinghe. Ihre Methode ist ebenso typisch: man stelle einer Liste von für das Leben nötigen Substanzen auf, analysiere ihre Spektraldaten und passe dann Meßergebnisse von Weltraumgaswolken den eigenen Ergebnissen diskret an. Schon hat man den Beweis, daß alles, was das Leben braucht, auch da draußen vorkommt. Jetzt braucht man nur noch zu postulieren, daß sich in diesen Wolken spontan komplexe Moleküle bildeten, die den Grundstein für das Leben legten, sich Moleküle seiner Wahl aussuchen und die persönliche Theorie über die Entstehung des Lebens im Weltraum ist komplett. Einige ernstzunehmendere Wissenschafter haben ähnliche Theorien aufgestellt, wonach das Leben durch Kometen auf die Erde gekommen sein soll. Tatsächlich hat man in verschiedenen Meteoriten und Kometen organische Verbindungen, wie sie zur Entstehung des Lebens notwendig sind, nachweisen können.

Hoyle und Wickramasinghe haben aber auch noch eine zweite Theorie aufgestellt, die das Maximum der Unwahrscheinlichkeit darstellt. Sie ist wohl auch eher unter theologischen Gesichtspunkten zu betrachten. Kurz und bündig lautet sie: Alle möglichen Moleküle in einer Gaswolke sammelten sich zu einem interstellaren Siliziumchip mit nahezu göttlicher Macht, der dann das Leben erschuf. Insgesamt sagt die Theorie mehr über die Verfasser als über die Entstehung des Lebens aus.

Mögliche Hindernisse der genannten Theorien

Sämtliche Theorien (von den eher esoterischen einmal abgesehen) basieren selbstverständlich auf unserem derzeitigen Wissensstand über den früheren Entwicklungszustand der Erde. Aber selbst hier werden in letzter Zeit kritische Stimmen laut, die der vorherrschenden Meinung widersprechen.

Es wird zum Beispiel von verschiedenen Wissenschaftern bezweifelt, ob die Uratmosphäre tatsächlich die erwartete Beschaffenheit hatte. Viele Forscher sind der Ansicht, daß sie bei weitem nicht so reduzierend war wie bisher angenommen. Sie postulieren, daß viele der angeblich so zahlreichen wasserstoffhaltigen und damit reduzierenden Verbindungen zu schnell wieder zerstört wurden, um dem Leben auf die "vorgesehene" Weise zu helfen. Fest steht nämlich: früher gab es keine schützende Ozonschicht, wodurch der volle UV-Anteil der Sonne auf die Erdoberfläche traf. Diese UV-Strahlen haben aber leider die Tendenz, wasserstoffhaltige Verbindungen zu zersetzen. Es wäre also zwar viel mehr freier Wasserstoff entstanden, doch dieser hätte sich nicht halten können und wäre bald ins Weltall entwichen.

Sollte dieses Szenario tatsächlich der Fall gewesen sein, so hätte die Uratmosphäre wohl hauptsächlich aus Kohlendioxid und Stickstoff bestanden. Anders als eine reduzierende Atmosphäre ist dieses Gemisch sehr reaktionsträge und damit der Entstehung des Lebens überhaupt nicht förderlich. Außerdem begünstigt Kohlendioxid natürlich den Treibhauseffekt. Computerberechnungen haben ergeben, daß die Temperatur der Erdoberfläche unter den angenommenen Bedingungen durchaus an die 100 Grad Celsius erreicht haben könnte. Wie sich unter diesen Umständen überhaupt Urozeane, geschweige denn eine Ursuppe gebildet haben könnte, läßt sich nur schwer vorstellen.

Verteidiger der vorherrschenden Meinung glauben jedoch, daß die ungünstige UV-Strahlung durch Rauchschwaden und Wolken ausreichend abgeschirmt werden könnte. Und davon gab es damals sicher reichlich, da Vulkanausbrüche an der Tagesordnung waren.

Auf der anderen Seite findet ein Großteil der Theorien Bestätigung, je mehr Lebewesen genetisch erforscht werden. So weist die Tatsache, daß alle Lebewesen nur linkshändige Aminosäuren zur Bildung von Proteinen akzeptieren, obwohl beim Miller-Versuch in gleichem Verhältnis rechts- und linkshändige Aminosäuren entstanden, darauf hin, daß nur eines oder sehr wenige Lebewesen der Ursprung allen heutigen Lebens sind - es sei denn, linkshändige Aminosäuren werden aus irgendeinem Grund bei der Entstehung des Lebens bevorzugt. Genauso verhält es sich bei den Nukleotiden, die bei der Bildung allen genetischen Materials verwendet werden: nur rechtshändige werden dazu benutzt.

Experimentelle Suche nach dem Ursprung des Lebens

Die Suche im Weltraum

Doch auch abseits der Lehrstühle und Laboratorien forscht man an der Entstehung des Lebens, auch wenn man sich dort keine sofortigen Durchbrüche erwartet.

Einige Leute greifen zum Beispiel nach den Sternen, ganz ohne an interstellare Siliziumchips zu denken. Die NASA will in nächster Zeit den Mars verstärkt unter die Lupe zu nehmen. Zwar konnte dort kein Leben nachgewiesen werden, doch möglicherweise finden sich dort noch fossile Spuren früheren Lebens. Der Mars scheint seit Milliarden von Jahren im Gegensatz zur Erde keine wesentliche Veränderung durchgemacht zu haben, so daß man eventuell auch noch früheste Spuren finden könnte - natürlich immer unter der Voraussetzung, daß es sich dort tatsächlich einmal entwickelt hat. Dies würde dann hoffentlich einen Aufschluß darüber ermöglichen, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. Doch selbst wenn das Leben dort einen ganz anderen Ursprung und Entwicklungsweg als auf der Erde gehabt hat, oder wenn man (was vermutlich wahrscheinlicher ist) gar keine Spuren von extraterrestrischem Leben findet - lohnende Erkenntnisse lassen sich auf jeden Fall gewinnen.

Die Suche im Computer

Auch auf der Erde kann man nach Leben suchen, daß sich hier nie entwickelt hat. So versuchen Forschergruppen fieberhaft, künstliches Leben am Computer zu erzeugen. Sie gehen jedoch dabei nicht wie die herkömmlich Artificial-Life-Forschung vor, indem sie das natürliche Leben kopieren, sondern sie wollen tatsächlich etwas über die Entstehung des natürlichen Lebens herausfinden. Zu diesem Zweck haben sie sämtliche Verbindungen und Polymere, die man auf der Urerde zu finden erwartet, in einen Computer eingegeben und lassen ihn nun die weitere Entwicklung simulieren. Der Computer berechnet dabei die Auswirkungen von der Katalysierung verschiedener Prozesse und auch neuer Polymere. Die Ergebnisse sind beeindruckend: ab einer gewissen Vielfalt und Anzahl von Polymeren entstehen ganze Kaskaden von katalytischen Reaktionen, und neue Polymere von immer größerer Komplexität und verbesserten katalytischen Fähigkeiten werden spontan erzeugt. Dies läßt vermuten, daß auch das erste für das Leben wichtige Molekül nicht durch puren Zufall entstand, sondern durch spontane Prozesse wie diesen. Unglücklicherweise konnte diese Hypothese noch nicht mit chemischen Versuchen weiter belegt werden.

Die Suche im Labor

Schließlich gibt es noch den klassischen Versuch, möglichst alles im Labor zu simulieren. Die Vorgehensweise erinnert dabei an den Miller-Versuch. Allerdings schwebt den Forschern diesmal etwas viel komplexeres, schwierigeres und sicher auch zeitaufwendigeres vor.

Waren es bei Miller lediglich einige Röhren, Glaskolben und Behälter, die innerhalb einer Woche organische Substanzen hervorbrachten, so planen N. Lahav und einige seiner Kollegen den Bau eines sogenannten WEES ("Whole Environment Evolution Synthesizer"). Er besteht hauptsächlich aus einem riesigen Glaskasten, darin befinden sich sämtliche Gase aus dem Miller-Versuch, dazu jedoch auch noch ein "Meer" und schließlich auch noch ein Stück "Festland" mit einer Gezeitenzone. Auf diese Weise bilden sich viele Tümpel, einige werden oft überschwemmt, andere weniger oft. Die Gezeiten werden künstlich simuliert, ebenso wie die Energiezufuhr durch elektrische Entladungen, UV-Licht und sichtbares Licht, Wärmezufuhr im Meer und in der Atmosphäre. Man könnte nun eine Reihe WEES bauen und jeden mit einer anderen Intensität und Dauer der Energiezufuhren behandeln, die Gezeitenzone größer oder kleiner gestalten und die Tümpelbildung mehr oder weniger begünstigen. Selbstverständlich kann man auch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre, des Meeres und des Festlandes unterschiedlich wählen, um möglichst viele Szenarien der Lebensentstehung abzudecken.

Natürlich erwartet niemand, innerhalb weniger Monate ein Urlebewesen im WEES zu finden, aber dieser wesentlich komplexere Versuch könnte ähnlich überraschende Resultate wie der ursprüngliche Miller-Versuch hervorbringen. Noch nie wurde versucht, tatsächlich alle Umwelten, Verbindungen und Energiezufuhren in einem zusammenhängenden System zu vereinen.