Der Ursprung

Die Ursuppe hat ausgedient: Immer mehr Biologen sind überzeugt, dass das Leben in heißen Quellen am Boden des Ur-Ozeans entstand. Das Rezept für die Schöpfung ist ganz einfach. „Man braucht Wasser, Silikatgestein und einen hydrothermalen Kreislauf”, sagt Mike Russell. Auf einem Planeten mit diesen Zutaten sei die Entstehung des Lebens fast unvermeidlich, ist der Geologe vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien überzeugt. Russell geht sogar noch weiter: Seiner Meinung nach sind selbst die Moleküle des Lebens bis hin zur Erbsubstanz DNA vorbestimmt. Denn auf allen solchen Planeten treten die gleichen chemischen Triebkräfte auf. Der Forscher hat gute Argumente auf seiner Seite. Zwar kursieren bis heute viele Hypothesen darüber, wie und wo sich der Funke des Lebens entzündet haben könnte (siehe Kasten „Die Alternativen”). Doch die Theorie, die Russell bereits seit Anfang der 1990er-Jahre vertritt, 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 Vorfahrens aller Lebewesen. Eine wachsende Gruppe von Forschern hat in den letzten Jahren viele neue Belege für die Theorie zusammengetragen. Einige Schritte lassen sich in Experimenten nachvollziehen. Zum Zeitpunkt der Schöpfung, vor etwa vier Milliarden Jahren, war die Erde ein unwirtlicher Ort. Unter einer dunstigen, smogvernebelten Atmosphäre lag ein zehn Kilometer tiefer Ozean. Nur wenige Vulkaninseln ragten aus den Fluten. Gewaltige Gezeitenwellen wühlten das Meer auf, weil der Mond gefährlich nah um den jungen Planeten kreiste. Hartes UV-Licht und kosmische Strahlung bombardierten die Oberfläche. Meteoriteneinschläge waren an der Tagesordnung. TÜRME AM MEERESGRUND Die Wiege des Lebens stand nach Meinung der Forscher um Mike Russell und den Biologen William Martin von der Universität Düsseldorf sicher und geborgen auf dem Meeresgrund. Eine Ahnung davon, wie sie ausgesehen haben könnte, bekommt man auf dem Gipfel des Unterwasserbergs Atlantis, auf halbem Weg zwischen Nordafrika und Florida. Weiße Kalksteintürme ragen dort ins Wasser empor, wie Stalagmiten auf dem Boden einer Tropfsteinhöhle. Aus ihren Wänden strömt warmes, sanft schimmerndes Wasser. „Lost City” – verlorene Stadt – haben amerikanische Forscher diese heiße Quelle getauft, als sie im Dezember 2000 zufällig darauf stießen. Anders als die berühmten Schwarzen Raucher wird Lost City nicht durch vulkanische Hitze angetrieben, sondern durch eine chemische Reaktion im Meeresgrund. Meerwasser sickert durch Spalten und Risse ins Atlantis-Massiv und verwandelt dort das Mineral Olivin in grün-graues Serpentingestein. Bei dieser Reaktion, die vor vier Milliarden Jahren wahrscheinlich viel weiter verbreitet war als heute, entsteht eine hochreaktive chemische Lösung: 40 bis 90 Grad Celsius warm, so alkalisch wie eine Waschmittellauge und reich an Wasserstoff. GEGENSÄTZE sorgten für den START In der Erd-Urzeit mischte sich die seifige Brühe in den Wänden der Schlote mit dem Wasser des Ur-Ozeans, einer kühlen und sauren Flüssigkeit, die reich an Eisen und Kohlendioxid war. Die chemischen und physikalischen Gegensätze lieferten jede Menge Zündstoff, um die Chemie des Lebens anzufachen, argumentieren Russell und Martin. Die alkalische Lauge traf auf eine Säure, warmes auf kaltes Wasser, Wasserstoff auf Kohlendioxid. Vor allem der Drang dieser Substanzen, sich zu verbinden, brachte nach Meinung der Forscher die biochemischen Reaktionen in Gang. In einer Umgebung ohne Sauerstoff ist der Kohlenwasserstoff Methan (CH4) energetisch günstiger als die beiden Ausgangsstoffe. Allerdings findet die Reaktion nicht ohne Katalysator statt. Anfangs lieferten die dort allgegenwärtigen Metallverbindungen den nötigen Schub, später erfüllte das Leben die Aufgabe schneller und effektiver: „Leben macht nichts anderes, als Kohlendioxid in Kohlenwasserstoffe umzuwandeln”, sagt Mike Russell. Die ersten Zellen übernahmen dabei Reaktionen, die in den heißen Quellen auch von allein stattfanden. So werden die Gesetze, die den Prozess der Schöpfung regierten, allmählich klarer: Es waren – wie kaum anders zu erwarten – die Gesetze von Physik und Chemie. „In diesem Sinne war die Entstehung des Lebens tatsächlich ein deterministischer Prozess”, sagt William Martin. Er und seine Kollegen legen ihr Hauptaugenmerk auf Energie und Thermodynamik, also auf den Antrieb und die Geschwindigkeit bestimmter chemischer Reaktionen. Und sie kommen zu dem Schluss: Unter den Bedingungen, wie sie im Ur-Ozean in heißen Quellen wie Lost City herrschten, war die Entstehung organischer Substanzen und einfacher biochemischer Kreisläufe geradezu programmiert. Die Wände der Schlote waren ideal, um zufällige Reaktionsprodukte zu konzentrieren. Sie bestanden aus einem Labyrinth winziger, teilweise durchlässiger Bläschen. Sowohl die Kamine von Lost City als auch die von ähnlichen fossilen Quellen haben eine solche schwammartige Struktur. Da der Ur-Ozean anders zusammengesetzt war als das Meer heute, ließ eine Gruppe um Mike Russell in mehreren Experimenten Lost-City-typisches Wasser in einen simulierten Ur-Ozean strömen. Dabei entstanden winzige schwarze Schlote aus Poren und Bläschen mit einer teilweise durchlässigen Haut aus Eisensulfid, berichteten die Forscher im November 2011 in der Zeitschrift „Astrobiology”. STEINERNE WURZELN DES LEBENS In solchen Durchfluss-Reaktoren trafen in der Erd-Urzeit Ozeanwasser und Quellwasser aufeinander. In den Kammern reagierten Kohlendioxid und Wasserstoff zunächst zu einfachen organischen Verbindungen wie Methan, Essigsäure oder Ameisensäure. Die Aktivierungsenergie für diese Reaktionen könnten Verbindungen aus Eisen, Nickel und Schwefel in den Wänden der Kammern geliefert haben. Für dieses Szenario haben die Forscher mehrere Belege. Zum einen entstehen einfache organische Substanzen mit bis zu vier Kohlenstoff-Atomen in Lost City ganz von alleine, ohne das Zutun von Lebewesen. Das wies ein Team um die Entdeckerin Deborah Kelley von der University of Washington 2008 nach. Der Einstieg in die Biochemie ist in einer alkalischen Quelle also energetisch möglich. Zudem verwenden einige Mikroben Eisen-Schwefel-Verbindungen als aktives Zentrum von Enzymen, mit denen sie Wasserstoff spalten. Das bedeutet: Die ersten einfachen biochemischen Reaktionen verliefen analog zu natürlichen geochemischen Prozessen – sie haben „steinerne Wurzeln”, wie William Martin sagt. In Russels Versuchen lagerten sich organische Verbindungen sogar in den anorganischen Bläschenwänden ein. So könnten Vorläufer von Enzymen entstanden sein. Der einfachste Weg Nach Meinung von Russell und Martin bildete sich als Erstes ein Reaktionspfad aus, den die einfachsten Mikroben noch heute nutzen, um ihre Bio-Moleküle zusammenzusetzen. Diese Reaktionskette heißt nach ihren Entdeckern Wood-Ljungdahl-Weg. „ Lebewesen verwenden nur fünf unterschiedliche Methoden der Kohlenstoff-Fixierung”, sagt Martin. „Der Wood-Ljungdahl-Weg ist davon der einfachste und zudem der einzige, der Energie freisetzt.” Normalerweise verbraucht die Synthese komplexer organischer Moleküle Energie, doch beim Wood-Ljungdahl-Weg ist es umgekehrt. Die gewonnene Energie wurde in Form chemischer Bindungen gespeichert. Heute ist die Substanz Adenosintriphosphat (ATP) der universelle Energieträger aller Zellen. Durch Abspaltung eines Phosphat-Ions treibt ATP alle möglichen Prozesse innerhalb einer Zelle an, von der Biosynthese bis hin zu Muskelbewegungen. In den Poren der urzeitlichen hydrothermalen Reaktoren entstand wahrscheinlich eine einfachere Version aus Essigsäure und Phosphat aus dem Ur-Ozean. Mit ihrer Hilfe konnten kompliziertere Moleküle wie Zucker, Aminosäuren, kurze Eiweißketten (Peptide) und die Bausteine der Erbsubstanz DNA heranwachsen. Diesen Schritt haben die Forscher noch nicht in Experimenten nachvollzogen. „Uns ist klar, dass wir ein Experiment wie den berühmten Versuch von Stanley Miller brauchen, damit sich die Leute von der Ursuppe verabschieden”, sagt Mike Russell. „Wir müssen zeigen, dass in einem hydrothermalen Reaktor Peptide entstehen, einfache Aminosäureketten, die die Umwandlung von Kohlendioxid beschleunigen.” Der Forscher ist zuversichtlich, dass dies demnächst gelingen wird. Im nächsten Schritt müssen dann längere Molekülketten entstanden sein. Diese Polymerisation ist ebenfalls nicht leicht zu erklären. „Dafür müssen die Grundbausteine in sehr hoher Konzentration vorliegen”, sagt Dieter Braun. Der Biophysiker von der Ludwig-Maximilians-Universität München zeigte 2010 mit Kollegen in Experimenten, wie das funktioniert haben könnte: In der Zeitschrift „Physical Review Letters” beschreiben die Forscher, wie es ihnen allein durch Temperaturunterschiede gelang, Schnipsel der Erbsubstanz DNA an kühleren Stellen kleiner Poren zu konzentrieren. Dort vervielfältigten sich die DNA-Stränge sogar. Der Prozess glich der Polymerase-Kettenreaktion, die in kommerziellen Laborverfahren genutzt wird, um DNA-Fragmente zu vervielfältigen. RNA-KETTEN WERDEN ZU ENZYMEN Wie sich in einer zufälligen Ansammlung von Nukleinsäure-Strängen ein System ausbilden konnte, das sich selbst vervielfältigt („repliziert”), berichtete ein Team um Braun und seinen Münchner Kollegen Ulrich Gerland 2011 in den „ Physical Review Letters”. Die Forscher konzentrierten sich dabei auf die chemisch eng mit der DNA verwandte Substanz RNA, die nach Meinung vieler Biologen in den Vorläufern der ersten Zellen als Informationsspeicher diente. RNA ist zwar weniger stabil als DNA, hat aber dafür katalytische Fähigkeiten. Bevor das Leben auf DNA als Bauplan für Eiweiße und Enzyme zurückgriff, gab es wahrscheinlich eine Phase, in der RNA sowohl Bauplan als auch Werkzeug zum Zusammenbau von Stoffen war – die sogenannte RNA-Welt. Das Münchner Team berechnete in Computersimulationen, wie sich in einem hydrothermalen Reaktor zunächst durch Zufall, später durch rein chemisch-physikalische Auswahlprozesse immer längere RNA-Ketten bilden. In der Simulation entstanden auch RNA-Moleküle, die wie Enzyme weitere Reaktionen in Gang bringen konnten. Es wirken also bereits Variation und Selektion, genau wie im weiteren Verlauf der biologischen Evolution. „Das ist schon nahe dran an einem Darwinschen Prozess”, sagt Dieter Braun, der nun dabei ist, die Simulationsergebnisse in Experimente zu übertragen. Gefangen in der heissen quelle Unklar ist derzeit noch, wie aus einer Ansammlung sich selbst vervielfältigender Moleküle ein echtes Lebewesen werden konnte. Der letzte gemeinsame Vorfahr allen Lebens – von den Forschern „ Luca” (Last Universal Common Ancestor) genannt – war wohl noch in den Kammern einer heißen Quelle gefangen. „Im heutigen Sinne war Luca nicht richtig lebendig, er war noch durch eine chemische Nabelschnur mit den Prozessen in der Erde verbunden”, sagt William Martin. Zur Energieversorgung war der Urahn nicht nur auf Wasserstoff aus dem Meeresboden, sondern auch auf den pH-Unterschied zwischen dem Meerwasser und dem Quellwasser angewiesen, wie William Martin und sein Londoner Kollege Nick Lane 2007 in einem Fachartikel argumentierten. Ohne die Energie aus diesem Gefälle hätte Luca sich vermutlich nicht vermehren können. Zudem besaß der Urahn wohl noch keine Zellwand. Das schließen Martin und Lane aus den Gemeinsamkeiten aller einfachen Mikroben ohne Zellkern. Deren Welt ist in zwei Domänen geteilt, in Bakterien und Archaeen (früher auch Archaebakterien genannt). Beide Gruppen verwenden DNA als Informationsspeicher, der genetische Code ist der Gleiche, und ATP dient als universeller Energieträger. Die primitivsten Vertreter der beiden Gruppen – die Methanbildner bei den Archaeen und die Acetatbildner bei den Bakterien – nutzen den Wood-Ljungdahl-Weg, um CO2 zu fixieren. Alle fundamentalen Gemeinsamkeiten dürften Bakterien und Archaeen von Luca, dem Urahn, geerbt haben. Doch ihre Zellwände bestehen aus völlig unterschiedlichen Substanzen. Sogar zur Vervielfältigung ihrer DNA benutzen sie eine unterschiedliche Maschinerie. Das spricht dafür, dass sich ihre Wege trennten, bevor sie eigenständig wurden (siehe Grafik links). LIPIDE MACHTEN MOBIL Vermutlich bevorzugten die Vorfahren der Archaeen von Anfang an höhere Temperaturen als die Ahnen der Bakterien. Beide Gruppen lernten eigenständig, Lipide herzustellen – wasserabweisende Substanzen, die sich an den Wänden der Kammern ablagerten und die Protozellen irgendwann komplett einhüllten. Nun konnten sie ihrem steinernen Gefängnis entkommen. Sie eroberten den Planeten, erfanden neue Stoffwechsel-Wege und lernten, weitere Energiequellen zu nutzen, zum Beispiel das Sonnenlicht oder die Reste toter Mitbewohner. Die Wesen, mit denen alles anfing – die Methan- und Essigsäurebildner – wurden an den Rand gedrängt. Das Leben veränderte die Erde so grundlegend, dass den primitivsten Mikroben nur wenige Refugien blieben. Diese Orte gelten heute als „extrem”. ■ UTE KEHSE, Geophysikerin und regelmäßige Autorin von bild der wissenschaft, wird in bdwPersönlich auf S. 103 ausführlich vorgestellt. von Ute Kehse Lebens-Reaktoren am Meeresgrund Hydrothermale Quellen waren vor vier Milliarden Jahren die ideale Umgebung für die Geburt des Lebens. Das pH-Gefälle zwischen saurem Meerwasser und alkalischem Thermalwasser war der Motor der chemischen Evolution. Die Kammern der chemischen Evolution So stellen sich Forscher um Mike Russell und William Martin den Prozess vor, der vor 4 bis 3,5 Milliarden Jahren auf der jungen Erde zur Entstehung lebender Zellen geführt hat. Ort des Geschehens: die porösen Wände in den Schloten hydrothermaler Quellen am Meeresgrund. Die Poren sind miteinander verbunden und teils durchlässig. In ihnen trifft aufströmendes, alkalisches Thermalwasser auf das leicht saure Meerwasser. 1. Einfache anorganische Moleküle wie Ammoniak, Wasserstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff reagieren mit katalytisch wirkenden Mineralien in den Kammerwänden. 2. Es bilden sich die primären Bausteine allen Lebens – Zucker, Aminosäuren und Nukleobasen. 3. Die Primärbausteine lagern sich zu größeren Moleküleinheiten oder Ketten zusammen, Nukleotiden und Peptiden. 4. Die Nukleotide verbinden sich zu langen Ketten von Ribonukleinsäure (RNA), die Peptide zu großen Eiweißen (Proteinen). Es entstehen sich selbst vermehrende Komplexe. 5. Aus RNA bildet sich die Desoxyribonukleinsäure (DNA), die die Information für Baupläne der Proteine speichert und deren Vervielfältigung zu katalysieren beginnt. 6. Fettähnliche Lipide entstehen. Sie bilden kugelige Membranen aus, in denen DNA und Proteine Vermehrungsgemeinschaften formen. Hier teilt sich die Entwicklung in zwei separate Stränge: echte Bakterien (links) und Archaeen (rechts). 7. Beide Varianten bilden Zellwände. 8. Die Ur-Zellen sind komplett … 9. … und verlassen vor spätestens 3,5 Milliarden Jahren ihre Kinderstuben. Kompakt · Auf einem Planeten wie der Erde ist die Entstehung des Lebens kein Zufall, sondern sehr wahrscheinlich. · Der Ort der Ur-Schöpfung waren vermutlich alkalische heiße Quellen. · Temperaturunterschiede und ein chemisches Gefälle trieben die Biosynthese an. Die Alternativen Ursuppe: Die Experimente von Harold Urey und Stanley Miller 1953 machten die Theorie populär. Die Forscher erzeugten in einer Ur-Atmosphäre durch elektrische Entladungen Aminosäuren und einfache Proteine. Bis heute basieren viele Experimente zur Entstehung des Lebens auf dem Konzept dieser Ursuppe. Die Energiequelle der ersten Mikroben wären demnach die Substanzen der Suppe gewesen. Das größte Problem dabei: Die Ursuppe ist chemisch im Gleichgewicht. „Da reagiert nichts mehr”, sagt der Biologe William Martin. Auch die Molekularbiologie spricht gegen die Ursuppe: Die ersten Mikroben ernährten sich wohl nicht von organischen Substanzen, sondern nutzten chemische Energiequellen. Panspermie – Biogenese im Weltall: Manche Forscher argumentieren, die Erde sei zu jung, um etwas so Komplexes wie das Leben hervorzubringen. Es sei daher anderswo im Weltall entstanden und mit Kometen oder Asteroiden zur Erde gekommen. Martins Urteil: „Das kann durchaus sein, ändert aber nichts an dem Grundproblem.” Die Frage nach der Schöpfung wird nur an einen anderen Ort verlagert. Tatsächlich enthalten viele Meteoriten komplexe organische Moleküle, sogar Bausteine der Erbsubstanz DNA. Kamen wenigstens die Substanzen des Lebens aus dem All? Martin bezweifelt es: „Im Meer hätten sich diese Stoffe stark verdünnt. Dann hat man wieder eine Ursuppe.” Oberflächenmetabolismus: An der Oberfläche von Tonmineralen laufen chemische Reaktionen beschleunigt ab. Wurden an solchen Mineralen die ersten Biomoleküle zusammengesetzt? Wohl eher nicht. Lebewesen benutzen keine Silikat-Katalysatoren. Auch die Konzentration der Biomoleküle ist ein Problem. Schöpfung im Eis: Wenn Meerwasser gefriert, bilden sich flüssigkeitsgefüllte Bläschen. Darin sammeln sich Verunreinigungen. Je höher die Konzentration an Biomolekülen ist, desto besser sind die Voraussetzungen für biochemi- sche Reaktionen. Trotzdem hat William Martin Zweifel, dass das Leben einst im Eis entstand: „Hier fehlt der chemische Antrieb.” Zudem ist unklar, ob es auf der jungen Erde überhaupt Eis gab. Kleiner warmer Tümpel: Auch hydrothermale Quellen an Land gelten neuerdings als mögliche Brutstätten des Lebens. Das Hauptargument: In Pfützen aus kondensiertem Thermalwasser gab es bestimmte Spurenelemente wahrscheinlich genau in derselben Konzentration wie heute in lebenden Zellen. Zudem lieferten die heißen Schlote ein organisches Gebräu mit Grundstoffen für die Biosynthese. Ähnlich wie bei der Ursuppe bleibt aber unklar, warum sich die Substanzen in den Tümpeln zu komplexen Polymeren verbinden sollten.