Entstand das Leben im Meer-Eis?

Göttinger Forscher sind überzeugt: Das Leben kam aus der Kälte. Ein klirrend kalter Wind zieht über die Eiswüste von Nordaustland, der großen östlichen Insel Spitzbergens. Bizarre Formationen aus Eis und farbenprächtige Lichtspiele am Himmel – ansonsten nur endloses Nichts bis hinauf zum Nordpol. Hier kam Hauke Trinks, Physiker und ehemaliger Präsident der Technischen Universität Hamburg-Harburg, 1999 bei einer Expedition auf die außergewöhnliche Idee, im Eis könne vor fast vier Milliarden Jahren erstes primitives Leben auf unserem Planeten entstanden sein. Das ist eine Hypothese, die inzwischen weltweit Anhänger findet, denn sie bietet Antworten auf die Rätsel der Lebensentstehung. Bislang war sie nur eine Idee, doch vor Kurzem konnte der Biochemiker Christof Biebricher vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen im Labor einen der zentralen Schritte nachvollziehen. Alle bisherigen Hypothesen zur Entstehung des Lebens hatten eines gemeinsam: Egal, ob die Ursprünge an der Meeresoberfläche, in der Tiefsee, im All oder in Darwins „kleinen warmen Tümpeln” gelegen haben sollen – es soll in der Regel heiß oder zumindest warm gewesen sein. In einer solchen Umgebung können tatsächlich spontan komplizierte Biomoleküle entstehen. Das haben Experimente seit den Fünfzigerjahren immer wieder gezeigt. „Doch in der Wärme zerfallen sie schon nach wenigen Wochen wieder und scheinen deshalb für die sehr langwierigen Prozesse der Lebensentstehung nicht geeignet zu sein. In Eis hingegen dauern die Reaktionen zwar länger, die entstehenden Produkte aber existieren viele Tausend Jahre”, schreibt Trinks in seinem Buch „Das Spitzbergen-Experiment”. „Es muss nicht sein, dass alle Schritte auf dem Weg vom Molekül zum Lebewesen im Eis stattgefunden haben. Aber dort scheint eine Menge besser zu klappen als anderswo”, meint Wolfgang Schröder, Oberingenieur an der Technischen Universität Hamburg-Harburg, ehemaliger Mitarbeiter und enger Vertrauter des inzwischen pensionierten Trinks. Der hat sich wieder mit dem „ Arktisbazillus” infiziert und sucht zurzeit im Eis nach weiteren Puzzlestücken aus der Geschichte des Lebens: Im Februar ist Trinks in die Wildnis nach Spitzbergen gezogen – auf unbestimmte Zeit und unerreichbar, selbst für seine Kollegen. Besonders förderlich für frühe Schritte der Lebensentstehung ist die besondere Struktur von Meer-Eis, die Trinks in der Arktis genau untersucht hat. Während Süßwasser komplett gefriert, trennt sich Meerwasser auf: Es entstehen mikroskopisch kleine salzfreie Eisblöcke. Umgeben sind sie von kleinen Kanälen, durch die eine konzentrierte Salzlösung fließt. Hauchdünne, flexible Schichten trennen wie Membranen einzelne Bereiche voneinander ab – und bilden damit so etwas wie Zellen. „Eine derartige Struktur kann komplexe molekulare Systeme, wenn sie sich einmal gebildet haben, zusammenhalten”, erklärt Schröder. Doch zwei Fragen blieben bis vor Kurzem noch offen: Können sich im Meer-Eis wirklich Ur-Biomoleküle bilden? Und: Wie sehen sie aus? Bei der Beantwortung der letzten Frage stehen die Forscher vor einem „Henne-oder-Ei-Problem”. Die wichtigsten Biomoleküle auf der Erde sind Proteine und die DNA, doch deren Entstehung hängt vom jeweils anderen ab: Proteine sind die Arbeitspferde aller Zellen. Sie sind Enzyme wie Pepsin, Struktureiweiße wie Kollagen oder Koordinatoren der Zellteilung und aller Stoffwechselvorgänge. Proteine können arbeiten, aber sich nicht selbstständig vervielfältigen und ihre Struktur an kommende Generationen weitergeben. Die DNA ist dagegen der Baustoff der Gene. In ihr sind die Baupläne für alle Proteine einer Zelle gespeichert. DNA kann sich zwar vervielfältigen und ihre Information dadurch weitergeben, aber dafür braucht sie die Hilfe von Proteinen. Außerdem kann sie keine Arbeiten wie Enzymreaktionen ausführen. Beide Biomoleküle sind darum keine guten Kandidaten für den Ursprung allen Lebens. Aber es gibt ein drittes großes Molekül, dass beide Eigenschaften hat: die RNA. Früher dachte man, dass sie nur ein einfacher Bote ist, der die Baupläne von der Erbinformation DNA zu den Herstellungsorten für Eiweiße überbringt. Heute weiß man: RNA kann viel mehr. • Sie kann Erbinformationen tragen – viele Viren nutzen diese Fähigkeit heute noch –, und sie kann sich selbst kopieren. • Außerdem katalysieren speziell strukturierte RNA-Ketten, die Ribozyme, chemische Vorgänge. Sie sind also Enzyme und können Arbeiten durchführen. Gerald Joyce, Molekularbiologe am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien, entwickelte aus diesen Fakten ein Modell vom Lebensbeginn auf der Erde auf der Grundlage von RNA. Wie Untersuchungen zeigen, könnte diese RNA-Welt durchaus existiert haben. Christof Biebricher war fasziniert von der Idee, dass Leben im Eis entstanden sein könnte. Erste Vorversuche zeigten, dass Trinks’ These gut mit der RNA-Welt zusammenpassen würde. „Kälte scheint für die Zusammenlagerung von Nukleotiden zu RNA von Vorteil zu sein”, sagt Joyce. „Vielleicht sind es Minerale im Eis oder die Oberflächeneffekte der Eiskristalle, die die dazu nötigen chemischen Reaktionen unterstützen.” In seinem Göttinger Labor simulierte Biebricher eine der Schlüsselszenen der Weltgeschichte – mit der zentralen Frage: Kann sich RNA im Eis selbst vervielfältigen? Bei diesem Vorgang, Replikation genannt, lagern sich einzelne Nukleotide an die bestehende Molekül-Kette an, sodass eine Kopie entsteht. Biebricher reicherte künstliches Meer-Eis mit RNA-Ketten und freien Nukleotiden an – und wartete ein gutes Jahr lang. In dieser Zeit variierte er immer wieder in regelmäßigen Abständen die Temperatur des künstlichen Eises, um natürliche Temperaturschwankungen zu simulieren. „Das ständige Antauen und Frieren wirkt fördernd auf die Zusammenlagerung der Einzelbausteine”, erklärt Schröder diese Taktik. Die Geduld lohnte sich. Als Biebricher nach einem Jahr das Meer-Eis untersuchte, fand er erstaunlich viel neue RNA: 400 Nukleotide hatten sich angelagert, genug für eine funktionstüchtige RNA. „Das ist wesentlich mehr, als alle bisherigen Replikations-Experimente ergeben haben”, sagt der Biochemiker. „Das beste Ergebnis waren bisher 17 miteinander verbundene Nukleotide.” Auch zeitlich verlief alles besser als erwartet. Biebricher: „Wir haben dieses eine Jahr gewartet, weil wir dachten, dass die Kälte alle Reaktionen verlangsamt. Dabei dauert es, wie wir jetzt wissen, nur vier Wochen, bis sich die Nukleotide angelagert haben. Irgendwelche Oberflächenprozesse müssen den Vorgang beschleunigen.” Auch wenn dieses Experiment noch kein Beweis für eine RNA-Welt aus dem Eis ist, ist es dennoch ein wichtiger Schritt: „Man kann als Forscher immer nur Puzzlestücke liefern – Einzelschritte, die hoffentlich am Ende einen vollständigen Weg ergeben”, sagt Biebricher. ■ Julja Koch COMMUNITY Lesen Hauke Trinks Das Spitzbergen-Experiment Frederking & Thaler 2004, € 24,00