Entstehung des Lebens

Diese Seite beruht auf dem Artikel "Der steinige Weg" von Robert M. Hazen in Spektrum der Wissenschaft 06/2001, S. 34ff.

Bereits kurz nach der Veröffentlichung von Charles Darwins "Entstehung der Arten" im Jahre 1895 spekulierten viele Forscher über die Frage wie das Leben auf der Erde entstanden sein könnte. Es dauert aber bis 1953, als der Doktorrand Miller zusammen mit seinem Doktorvater Urey an der Universität Chicago das berühmte Urey-Miller-Experiment durchführten.

In einem Kolben simulierten sie die Atmosphäre der Urerde mit Methan, Wasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxid und anderen Gasen, die man für die Bestandteile der frühen Atmosphäre hielt. Mithilfe von zwei Elektroden ließen sie dann Blitze durch das Gas zucken und tatsächlich, nach einiger Zeit färbte sich das zunächst noch klare Wasser erst rosa und dann braun. Als man die Flüssigkeit analysierte, fand man Aminosäuren, Essigsäure und andere organische Moleküle. Diese war dann ein entscheidender Durchbruch, der dann auch in der Presse und im Fernsehen als Sensation gefeiert wurde.

Das Miller-Urey-Experiment
Miller-Urey-Experiment.png: Xerxes2k 13:18, 15 October 2005 (UTC) / derivative work: Gerbil, CC BY 2.5, via Wikimedia Commons

Nach einigen Jahren jedoch erkannte man, dass diese Experimente nicht unbedingt weiter führten. Zwar hatte man experimentell nachgewiesen, wie organische Moleküle auf der Urerde entstanden sein könnten, aber einfache organische Moleküle reichen für die Bildung der ersten Zelle noch lange nicht aus. Die entscheidende Frage war: Wie verbinden sich diese einfachen Moleküle zu komplexen Makromolekülen wie RNA, Proteinen oder komplexen Membranlipiden - alles Voraussetzungen für die erste funktionsfähige Zelle?

Miller und seine Kollegen gingen dann von folgendem Szenario aus: An den Felsküsten der frühen Erde fanden sich viele Gezeitentümpel, in denen das Wasser regelmäßig verdunstete. In diesen Tümpeln konnten sich die organischen Moleküle in den Verdunstungszyklen anreichern und zu größeren Komplexen zusammenschließen. Die Forscher verglichen diese Tümpel dann mit einer Suppe, die auf kleiner Flamme langsam eindickt - und schon war in der Presse die Rede von einer "Ursuppe", in der das Leben entstanden sein soll.

Inzwischen ist man von dieser Ursuppen-Theorie abgekommen. Heute vermutet man eher, dass die Urzelle in den Hohlräumen bestimmter poröser Gesteine entstanden ist. In diesen kleinen Poren könnten sich dann leichter Makromoleküle bilden, vor allem, weil sie in den Poren vor der zerstörerischen UV-Strahlung geschützt sind, welche die jungen Makromoleküle sofort wieder in ihre Einzelbestandteile zerlegt hätte.

Außerdem haben viele der Metall-Ionen, die sich in solchen Gesteinen befinden, katalytische Eigenschaften, die man sich ja auch in der chemischen Technik bei vielen Synthesen zunutze macht.

Im Jahre 1977 entdeckte man in der Tiefsee heiße Vulkanschlote, sogenannte schwarze und weiße Raucher, die mit einer komplexen Biozönose bedeckt waren.

Weißer Raucher des untermeerischen Vulkans Eifuku (Japan)
NOAA, Public domain, via Wikimedia Commons

Die Lebewesen dieser Lebensgemeinschaft beziehen ihre Energie vor allem aus der Erdwärme. Die Existenz solcher extremen Lebensräume brachte die Forscher dann auf die Idee, dass auch die ersten Zellen in einer solchen Umgebung entstanden sein könnten.

Lebensgemeinschaft an Hydrothermalaustritten am Mittelatlantischen Rücken in 3030 Meter Wassertiefe
Marum, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Miller und seine Mitarbeiter fanden diese Idee zunächst nicht besonders hilfreich, vor allem, weil die meisten Makromoleküle unter solchen Bedingungen schnell wieder zerfallen. Und nicht nur Makromoleküle, sondern auch viele Aminosäuren sind nicht hitzestabil. 1988 wurde sogar experimentell bewiesen, dass die Aminosäure Leucin in Wasser unter Druck und bei Temperaturen von 200 ºC schnell wieder zerfällt.

Als man die Reaktionsbedingungen jedoch änderte, indem man ein Eisensulfid-Mineral hinzufügte, konnte der Zerfallsprozesse über mehrere Tage aufgehalten werden. Solche FeS-Minerale findet man häufig in oder an den heißen Tiefsee-Vulkanschloten.

Andere Forscher experimentierten in den 70er Jahren mit Ton-Mineralien. Eine israelische Forschergruppe zeigte Ende der 70er Jahre, dass Aminosäuren sich auf Tonoberflächen anreichern und sogar kurze proteinähnliche Ketten bilden, wenn man das Wasser aus dem tonhaltigen Gefäß verdunsten lässt. Die Oberflächen solcher Tone sind oft elektrisch geladen und ziehen dann Moleküle wie Aminosäuren regelrecht an, was natürlich die Bildung von Peptiden erleichtert.

Robert M. Hazen führte Ende der 90er Jahre Experimente mit Wasser, Kohlendioxid und verschiedenen Mineralen durch. Sie schlossen die Komponenten in verschweißten Goldkapseln ein, die sie dann in einer Druckkammer einer Temperatur von 250 ºC und einem Druck von 2000 Atmosphären aussetzten. Das Team von Hazen wollte zeigen, dass Makromoleküle auch aus sehr einfachen anorganischen Verbindungen entstehen können, nämlich aus Wasser und CO₂. Und tatsächlich konnte 1996 gezeigt werden, dass sich unter solchen extremen Bedingungen Moleküle mit dreißig und mehr C-Atomen bilden können.