Abiogenesis - eine denkbare Alternative zur entstehung des Lebens ?

Woher kommen wir? Warum existiert ausgerechnet auf der Erde Leben? Und wo und in welcher Form entstand es? Diese Fragen rühren an die wichtigsten und fundamentalsten Dinge unserer Welt und letztendlich auch unserer Existenz – und doch ist keine von ihnen bisher beantwortet. Ganz im Gegenteil.

Klar ist bis heute eigentlich nur Eines: Irgendwann vor rund 3,8 Milliarden Jahren tauchten auf der unwirtlichen und toten Erde die ersten lebenden Zellen auf, das verraten fossile Kohlenstoffeinlagerungen im Gestein. Noch waren die ersten Lebensformen zwar selten, klein und anfällig gegenüber den Unbilden der Umwelt. Doch sie waren nur der Anfang eines Prozesses, der die große Wende in der Geschichte unseres Planeten einleiten sollte: die Entstehung und Evolution des Lebens. Aus ihnen entwickelten sich in den folgenden Milliarden Jahren die gesamte belebte Welt, wie wir sie kennen, vom Pantoffeltier zum Elefanten und letztendlich dem Menschen.

Aber der Weg zu diesem entscheidenden ersten Akt im Drama des Lebens, zu allerersten Pionierzelle, ist den Forschern bis heute ein Rätsel. Schon Darwin hielt es für ein völlig aussichtsloses Unterfangen, überhaupt wissenschaftliche Gedanken an den „Ursprung des Ursprungs“ verschwenden zu wollen.

Und spätestens seit 1864 sitzen die Forscher in diesem Punkt ohnehin gründlich in der Zwickmühle: Zu diesem Zeitpunkt wies der französische Chemiker Louis Pasteur in einem Sterilisationsexperiment erstmals nach, dass Organismen nicht spontan aus toter Materie entstehen, wie zuvor angenommen, sondern dass Leben immer auch von Lebendem abstammt. Dieser Leitsatz „omne vivum ex vivo“ gilt im Prinzip bis heute und bildet die Basis für das wissenschaftliche Weltbild der Biowissenschaften.

Aber er schafft natürlich ein Problem: Irgendwann und irgendwie muss die Kette des „Lebens aus dem Leben“ ja schließlich begonnen haben. Doch genau an diesem Punkt beißen sich die Forscher bis heute die Zähne aus, oder, wie es Philip Ball in der Zeitschrift Nature formuliert: „Es ist entweder ein Zeichen für den grenzenlosen Optimismus der Wissenschaft oder aber einen völligen Mangel an Bescheidenheit, dass Forscher hoffen, das Puzzle der Entstehung des Lebens zu lösen.“

Die Bühne...

Welche Bedingungen herrschten auf der Urerde?
Vor 4,6 Milliarden Jahren irgendwo im All: Aus einer wirbelnden Masse aus Gasen und Materiebrocken entsteht ein neuer Planet. Mehr als tausend Grad heiß ist die brodelnde Oberfläche der jungen Erde, so heiß, dass selbst die sie umgebende Dunstglocke aus Wasserstoff, Helium, Methan und Ammoniak zum Teil wieder in den Weltraum hinaus verdampft. Übrig bleibt nur ein dünne Hülle vorwiegend aus Methan und Ammoniak, die Uratmosphäre.

Strahlenbombardement und Feuerregen

Vor 4,2 Milliarden Jahren hat sich die Erde ein wenig abgekühlt. Noch immer ist es auf dem jungen Planeten aber alles andere als gemütlich: Weil die Erde sich in ihrer Frühzeit schneller dreht als heute, dauert ein Tag gerade einmal fünf Stunden. Die Sonne hat jetzt begonnen, mit voller Kraft zu leuchten, ihre tödlichen UV-Strahlen bombardieren unausgesetzt die Oberfläche, ohne durch eine schützende Ozonschicht gefiltert zu werden. Im All umherfliegende Gesteinsbrocken, die bei der Planetenbildung übrig geblieben sind, stürzen als Meteoriten auf die Erde und bringen dabei Kohlenstoffverbindungen und Wasserstoff mit.


Uratmosphäre


Auch im Untergrund gärt und brodelt es, gewaltige Umschichtungen sind im Erdinneren im Gange. Vulkane speien Gase und Wasserdampf und lassen die so genannte erste Atmosphäre entstehen. Sie besteht nach neuesten Erkenntnissen wahrscheinlich nicht mehr aus Methan und Ammoniak, sondern vor allem aus Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff und Kohlenmonoxid – den Gasen, die die Feuerberge auch heute noch aus den Tiefen der Erde ans Tageslicht fördern.

Die erste Sintflut

Nach und nach beginnt nun der Wasserdampf der Atmosphäre zu kondensieren und ein 40.000 Jahre andauernder Regen setzt ein. Diese allererste „Sintflut“ füllt langsam alle Niederungen mit Wasser und lässt die Ozeane entstehen. Ein großer Teil des Kohlendioxids aus der Gashülle löst sich jetzt in den jungen Meeren und bildet im Laufe der Zeit gewaltige Karbonatablagerungen. Gleichzeitig setzt dadurch auch in der Atmosphäre erneut ein Wandel ein: Stickstoff wird zum dominierenden Gas, die sinkende Kohlendioxidkonzentration schwächt den Treibhauseffekt ab und trägt zu einer weiteren Abkühlung der noch immer reichlich warmen Erde bei.

Die Bühne ist bereitet...

Vor gut 3,4 Milliarden Jahren ist diese Entwicklung abgeschlossen und die Bühne für den nächsten, den alles entscheidenden Schritt bereitet. Die Erde besitzt nun Land und Meer und eine zweite Atmosphäre aus Stickstoff, Kohlendioxid und geringen Mengen Argon. Diese ist nicht mehr hoch reduzierend und aggressiv wie noch zu Anfang, sondern wahrscheinlich eher neutral. Gegen die unbarmherzig von der Sonne einfallenden UV-Strahlen schützt jedoch auch sie noch nicht – ebensowenig wie vor den noch immer häufigeren Meteoriteneinschlägen.

Trotz aller dramatischer Veränderungen ist die Erde auch rund eine Milliarde Jahre nach ihrer Entstehung ein unwirtlicher, immer wieder von gewaltigen Katastrophen erschütterter Planet. Von einer sanften, freundlichen „Wiege des Lebens“ jedenfalls ist weit und breit nichts zu entdecken. Oder doch...?

Der erste Akt...
Stanley Millers Experiment[/b]

Oktober 1951, Universität von Chicago. Der Student Stanley Miller besucht eine Vorlesung des Nobelpreisträgers Harold Urey, in der dieser Theorien zur Zusammensetzung der frühen Atmosphäre der Erde erörtert. Urey vertritt die Vorstellung, dass in einer reduzierenden Atmosphäre mit Methan, Ammoniak und Wasserstoff die besten Voraussetzungen gegeben seien, um organische Verbindungen, die Bausteine des Lebens, entstehen zu lassen. Und er schlägt vor, dass irgend jemand doch mal ein entsprechendes Experiment konzipieren könnte – ein Vorschlag, den der junge Miller prompt befolgt.

„Also ging ich zu ihm und sagte: ‚Ich würde diese Experimente gerne machen.‘“, erzählt Miller später in einem Interview mit Sean Henahan von Access Excellence und fährt fort: „Zuerst versuchte Urey mir die ganze Sache auszureden. Als er merkte, dass ich fest entschlossen war, erklärte er, es sei ein sehr riskantes Experiment und würde wahrscheinlich ohnehin nicht funktionieren und er sei schließlich verantwortlich dafür, dass ich nach den drei Jahren meiner Graduate-Zeit einen Abschluss bekäme.“ Doch Miller bleibt stur und schließlich einigen sich beide auf eine sechsmonatige Testphase.

Urerde im Labor

Wie sich herausstellt, braucht der Forscher jedoch nur ein paar Wochen, um die Sensation perfekt zu machen. Ausgehend von den Annahmen Ureys beginnt er, sich eine Urerde im Laborformat zu basteln. In einem Glaskolben brodelt bald Millers „Urozean“, im Kolben darüber wabert die „Atmosphäre“, eine Mischung aus Methan(CH4), Ammoniak (NH3), Wasserstoff (H2) und dem aus dem Wasser aufsteigenden Wasserdampf. Um jede Kontamination auszuschließen, verfrachtet der Forscher anschließend den gesamten Versuchsaufbau nach dem Befüllen für 18 Stunden in einen Autoklaven. Die Gasmischung setzt Miller kontinuierlichen elektrischen Entladungen aus – den „Blitzen“ seiner Miniaturwelt. Diese sollen die Energie für Reaktionen der Gase untereinander liefern.

Lebensbausteine aus dem Nichts

Und tatsächlich: „Wir wussten sehr schnell, dass etwas geschehen war, als sich nach einigen Tagen die Farbe der Flüssigkeit änderte“, erklärt Miller. In dem „Urozean“ des Forschers finden sich plötzlich einfache organische Verbindungen wie Formaldehyd und Cyanwasserstoff, aber auch Aminosäuren wie Glycin. Aus dem wässrigen Urozean ist eine nahrhafte „Ursuppe“ geworden.

Zum ersten Mal hatte damit ein Forscher experimentell bewiesen, dass unter den vermeintlich so lebensfeindlichen Bedingungen der frühen Erde – reduzierende Atmosphäre und hohe Temperaturen – tatsächlich wichtige Bausteine des Lebens entstehen können.

In der Wissenschaftswelt stößt Millers Ergebnis allerdings zunächst auf pure Ungläubigkeit. Ohne den guten Ruf und den Einfluss seines Mentors Urey wäre Millers Bericht vermutlich niemals in der renommierten Wissenschaftszeitschrift Science erschienen. Doch der simple Versuchsaufbau und die gute Reproduzierbarkeit sorgen schon bald dafür, dass Millers Ursuppenversuch weltweit Schule macht.

Auch die inzwischen eher als unwahrscheinlich geltende Millersche Atmosphärenmischung mit Methan und Ammoniak scheint dabei kein Hindernis zu sein: Ähnliche Experimente mit Stickstoff- und Kohlendioxidhaltigen reduzierenden Atmosphären lassen ebenfalls die begehrten Amino-, Karbon- oder Fettsäuren entstehen. Die in diesen Ursuppenexperimente der 2. Generation erzeugten Biomoleküle füllen inzwischen schon ganze Bücher, auch fast alle der 20 als essenziell geltenden Aminosäuren sind darunter vertreten.

Wassersuppe statt Kraftbrühe?

Warum die Ursuppe möglicherweise ausscheidet
Millers „Ursuppenexperiment“ erwies sich als bahnbrechend und belegte erstmals die Theorien von einer präbiotischen Entstehung wichtiger organischer Lebensbausteine. Doch die Grundfrage der Entstehung des Lebens löste es bei weitem noch nicht. Zu viele Fragen blieben offen.

Zu viel Wasser...

So ging Miller noch von einem Urozean aus, der einer wahren Kraftbrühe glich: Zehn Prozent sollte die Konzentration von organischen Molekülen durch die atmosphärischen Reaktionen betragen - ein Wert, der heute als um ein Vielfaches zu hoch angesehen wird. Ist die „Kraftbrühe“ aber stärker verdünnt, können sich die einzelnen Bausteine in der Weite des Urozeans schlicht nicht finden und daher nicht zu komplexeren Verbindungen weiter reagieren.


Lebenswiege am Rand des Urozeans?


Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Entstehung von längerkettigen Biomolekülen sinkt damit auf nahezu Null. Doch genau die werden dringend benötigt. Denn die kurzkettigen Aminosäuren sind gerade erst der allererste Schritt auf dem Weg zu Leben. Ihre wichtige Funktion beispielsweise als Bestandteil von Enzymen können sie nur in Form von komplex strukturierten Proteinen übernehmen. Ähnliches gilt auch für die Nukleinsäuren, langkettige, phosphorhaltige Zuckerverbindungen, die das Grundgerüst unserer Erbsubstanz, der DNA und RNA bilden.

Damit nicht genug, erschwert die dünne Ursuppe nicht nur die Bildung solcher komplexer Moleküle, sie sorgt auch dafür, dass sie schnell wieder zerfallen. Wässrige Zucker- und Aminosäurelösungen, das zeigen Laborversuche, sind extrem instabil und schon kürzere Ketten neigen dazu, sich wieder aufzuspalten. Noch dazu ist es bisher nicht gelungen, die beiden Basen Uracil und Cytosin, beides essenzielle Bestandteile der RNA, in verdünnten Lösungen zu erzeugen.

Tümpel statt Ozean?

Für Miller allerdings tut dies auch heute noch der Theorie von der Ursuppe keinen Abbruch. Seiner Ansicht nach spielten sich die entscheidenden Prozesse ohnehin nicht in den Weiten des Urozeans ab, sondern an dessen Rand, in kleinen, immer wieder trockenfallenden Tümpeln. Durch die ständige Verdunstung und Austrocknung, so Millers These, könnte sich die Ursuppe hier soweit konzentriert haben, dass die für spontane chemische Reaktionen nötige Konzentration der Grundbausteine erreicht wurde.

Kritiker wenden dagegen allerdings ein, dass es in einem durchschnittlich 10.000 Meter tiefen Meer ohne nennenswerte Gezeiten schwer gewesen sein dürfte, Tümpel zu finden, die sich nicht nur immer wieder füllen und austrocknen, sondern dies auch tun, ohne dass die angereicherte Brühe durch einen Wasserschwall einfach wieder herausgespült wird. Ihre Hypothesen sehen daher ein ganz anderes Szenario vor....

Bio-Pfannkuchen statt Ursuppe

Mineraloberflächen als Katalysatoren
Wenn die Ursuppe als „Wiege des Lebens“ ausscheidet, wo stand diese dann? Für diese Frage hat der Münchener Chemiker und Patentanwalt Günter Wächtershäuser eine Antwort parat: Auf der Oberfläche von kristallinen Mineralien.


Mineral Pyrit

Er und andere Vertreter der Oberflächen- oder Biofilm-Theorie gehen davon aus, dass die Oberflächen bestimmter Kristalle als Katalysatoren und Schablonen zu gleich fungiert haben könnten. Schon in den 1970er Jahren fanden Wissenschaftler heraus, dass bestimmte Tone, die Montmorillionite, organische Substanzen in ihren Poren binden und deren Reaktionen fördern können. Die aus abwechselnden Schichten von negativ geladenem Silikat und positiv geladenen Kationen aufgebauten Minerale wirken damit wie Katalysatoren.

Montmorillionit, aber auch das inzwischen für diese Rolle favorisierte Mineral Pyrit und ähnliche Substanzen, liefern freie Elektronen für bestimmte Reaktionen und halten gleichzeitig durch ihre Ladung die Reaktionspartner an der Oberfläche fest. Damit verhindern sie, dass sich das Reaktionsgleichgewicht so weit verschiebt, dass der Zerfall der Makromoleküle gegenüber ihrer Produktion überwiegt, wie es im freien Wasser der Fall wäre. Versuche haben gezeigt, dass sich an solchen Mineralen sogar Polypeptide aus bis zu 60 Aminosäuren erzeugen lassen.

Dabei verhilft die Mineraloberfläche den Reaktionen nicht nur zu größerer Stabilität, sie dient auch gleichzeitig als eine Art Schablone: Je nach Struktur der Oberfläche werden die abgelagerten Moleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen festgehalten und stabilisiert, aber auch in bestimmter Weise geordnet. Nach Ansicht von Wächtershäuser könnten sich so nicht nur Polypeptide, sondern auch längerkettige Zucker wie Phosphotribosen aus einfachen Zuckerbausteinen gebildet haben. Sie gelten als Vorläufer von Nukleinsäuren, dem Grundgerüst der Erbsubstanzen RNA und DNA.

Gruppenbildung mit Mineral

Mithilfe des Rastertunnelmikroskops konnten die Wissenschaftler Wolfgang Heckl und Stephen Sowerby in den 1990er Jahren sogar direkt beobachten, wie sich DNA-Basenmoleküle in einer wässrigen Lösung durch den Kontakt mit einer Molybdänit-Mineraloberfläche „wie von selbst“ zu einer hochgeordneten Uracilschicht formierten. An dieser dockte dann, ebenfalls wie von Geisterhand, die Aminosäure Glycin an und hätte so den Ausgangspunkt für die Entstehung einer Polypeptidkette bilden können.

Ein ganz neues Gewicht erhielten diese Beobachtungen, als Heckl auf einem 650 Millionen Jahre alten Molybdänsulfidbrocken auf seltsame, nur vier Nanometer kleine Ringstrukturen stieß, die sich bei näherer Analyse als organisch herausstellten. Konnte es sich hier möglicherweise sogar um eine Art einfacher DNA, ähnlich den bakteriellen Plasmidringen handeln? Für Heckl ist diese Annahme absolut denkbar. Warum sollte in der Erdfrühzeit nicht genau das geschehen sein, was er in seinem Labor ja quasi „live“ beobachtet hatte? Nukleinsäuren und Aminosäuren hätten sich demnach geordnet gruppiert und mit der Zeit den ersten genetischen Code gebildet.

Konkurrenz für die Ursuppe

Das Oberflächen-Szenario von Wächtershäuser und Co. gilt heute als durchaus plausible Alternative zur klassischen Ursuppen-Theorie. Oder, wie es der Biochemiker Günter Kiedrowski von der Ruhr-Universität Bochum beschreibt: „Es sieht so aus, als ob die Polymere des Lebens eher in Form eines präbiotischen Pfannkuchens gebacken als in einer präbiotischen Suppe gekocht wurden.“

Doch auch der „Pfannkuchen-Theorie“ fehlen bisher noch in vielen Aspekten gesicherte Erkenntnisse und experimentelle Belege. So ist beispielsweise noch nicht eindeutig geklärt, wie die Biomoleküle den Sprung von der sicheren 2-D-Schablone auf der Mineraloberfläche zur eigenständigen, sich selbst vermehrenden 3-D-Struktur geschafft haben könnten. Denn einmal freigesetzt, wirken an ihnen erneut die verdünnenden und destabilisierenden Kräfte des Urozeans.

Wie entstand die erste Zelle?
In einem Universum der fortwährenden Entropie ist das Leben die große Ausnahme: Es wächst, erzeugt komplexe Ordnungen und Systeme und fällt erst wieder der Entropie anheim, wenn es zugrunde geht. Doch um diese Ausnahmestellung zu halten, muss es sich von seiner Umgebung abgrenzen, es braucht eine Barriere, die nur das hindurchlässt, was dem Aufbau der inneren Ordnung dient – kurz, eine Zellmembran.

Und wieder einmal beginnt hier für die Wissenschaftler auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens das große Rätselraten: Woher hat die erste Zelle ihre Membran? Und was war zuerst da: Die Hüllmembran oder das molekulare Innenleben?

Proteinoide als Protozellen

Einen ersten Hinweis geben Mitte der 1950er Jahre Versuche des Biochemikers Sidney Fox. Er kann erstmals im Labor zeigen, dass sich Aminosäuren unter großer Hitze und hohem Druck spontan zu zwei Tausendstel Millimeter kleinen Hohlkügelchen zusammenlagern, den so genannten „Mikrosphären“. Diese Mikrosphären gleichen äußerlich nicht nur einfachen einzelligen Organismen, sie ähneln auch auf verblüffende Weise den Fossilien, die in 3,8 Milliarden Jahre alten Gesteinen aus Grönland entdeckt worden sind.

Doch dessen nicht genug, können diese Mikrosphären noch mehr: Bringt man diese aus so genannten thermischen Proteinen bestehenden Minikügelchen mit Wasser in Kontakt, zeigen sie ein verblüffendes Verhalten: Sie wachsen, knospen und können sogar selektiv bestimmte Stoffe aus ihrer Umgebung aufnehmen oder sie ausscheiden, darunter so wichtige Stoffwechselsubstanzen wie den Energieträger ATP oder Glucose. Sie tun damit im Prinzip genau das, was die heutigen Zellmembranen auch tun. Aber handelt es sich bei diesen Mikrosphären wirklich um echte Protozellen, wie es Fox postuliert? Bisher steht hier die Antwort noch aus...

Bienenwaben aus Eisensulfid

Die Notwendigkeit einer begrenzenden und schützenden Membran sehen auch viele andere Forscher, doch im Gegensatz zu Fox suchen sie diese nicht im Reich der Proteine. Ihr Favorit ist – wieder einmal – das Mineral Pyrit.

Im Dezember 2002 stellen William Martin von der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf und seine Kollegen Michael Russel und Allan Hall von der Universität Glasgow dazu in der Zeitschrift Nature eine neue Theorie vor. Im Mittelpunkt ihres Szenariums stehen hydrothermale Quellen am Meeresgrund.

Diese zwischen 100°C und 200°C heißen, alkalischen unterseeischen Wasserspeier sind dafür bekannt, Pyrit oder Eisensulfid (FeS) großzügig um sich herum abzulagern. Und dies nicht nur flächig, wie die beiden Forscher feststellen, sondern als eine schwammartig poröse, von zahlreichen von winzigen Kämmerchen durchbrochene Masse.

Mineralisches Zwitterwesen als Urahn?

Und genau hier setzt ihre Theorie an: Diese winzigen mineralischen Hohlräume könnten, so Hall und Russell, als eine Art mineralischer Zellmembran fungiert haben. Das heiße, mit anorganischen Substanzen angereicherte Wasser strömt in diese Pseudozellen ein, konzentriert sich und nutzt gleichzeitig die Pyritoberfläche als Katalysator und Schablone für die entscheidenden biochemischen Reaktionen.

Geschützt durch die anorganische Barriere könnten sich so im Laufe der Zeit zunächst Zucker, Aminosäuren und Basen, später die ersten Enzyme und die RNA und schließlich die DNA gebildet haben. Erst als dieses metabolische „Innenleben“ der ersten Zelle vollständig entwickelt war, entstand die erste freilebende Zelle. Oder, wie es Martin formuliert: „Das Leben entkam dem Gestein, als es eine Zellmembran entwickelte.“

Ob sich dieses Szenario allerdings wirklich so abspielte, ist mehr als ungewiss, denn auch Russel und Hall können nicht viel mehr vorweisen als die Theorie und eine umfangreiche Sammlung chemischer Formeln. „Wir werden wohl niemals viele konkrete Informationen über die Entstehung des Lebens haben“, erklärt dazu der kanadische Evolutionsbiologie Ford Doolittle. „Aber nur weil wir wahrscheinlich ebensowenig über den Fall des römischen Reiches wissen, heißt das ja nicht, dass wir nicht darüber reden und spekulieren.“

Was war zuerst da? Diese Frage scheint sich als durchgehendes Muster durch alle Aspekte der Entstehung des Lebens zu ziehen. Noch während die Diskussion um Zellmembran oder „Zellinnereien“ in vollem Gange ist, herrscht auch in Bezug auf die Pionierrolle der Proteine oder der Erbsubstanz DNA Uneinigkeit. Beide Verbindungen sind eine entscheidende Voraussetzung für die Entstehung des Lebens, aber keines von beiden kann sich ohne die Anwesenheit des jeweils anderen vermehren.

„Es ist ein klassisches Henne-und-Ei-Problem“, erklärt der Biochemiker David Bartel vom amerikanischen Whitebread Institut für Biomedizinische Forschung. „Die RNA wie die DNA besitzt die genetische Information um sich zu reproduzieren, braucht aber Proteine, um diese Reaktion zu katalysieren, Proteine wiederum können zwar diese Reaktionen katalysieren, sich aber nicht ohne die Information der DNA reproduzieren.“

„Eierlegende Wollmilchsau“ gefunden

Ein Ausweg aus diesem Dilemma eröffnete sich möglicherweise im Jahr 1982, als Wissenschaftler der Harvard Universität eine spezielle Form von RNA-Molekülen entdeckten, die Ribozyme. Diese vereinen praktischerweise beide Funktionen in sich: Als RNA speichern sie genetische Information, wirken aber gleichzeitig auch als Multiplikatoren, indem sie Kopien ihrer selbst oder anderer RNA-Moleküle anfertigen können. Damit übernehmen sie im Prinzip die Funktion der aus Proteinen bestehenden Enzyme.


Ribozym

Nach Ansicht einiger Forscher, darunter auch David Bartel und Jack Szostak von der Harvard Universität, könnte damit das Henne-Ei-Problem gelöst sein. Denn möglicherweise hat es in der Frühzeit des Lebens eine reine „RNA-Welt“ gegeben, in der sämtliche Funktionen, die heute von Proteinen und DNA ausgefüllt werden, von RNA-Molekülen übernommen worden wären. Damit würde der Zwang zur gleichzeitigen Entstehung zweier komplexer Makromoleküle und ihr Zusammentreffen an einem Ort entfallen und damit das Henne-Ei-Duo auf die Henne - oder das Ei – reduziert.

Ein Problem der Bindung...

Mittlerweile haben Bartel, Szostak und Kollegen Milliarden von unterschiedlichen RNA-Molekülen auf ihre Enzymqualitäten hin durchmustert und ganze Kohorten von verschiedenen Ribozymen im Labor produziert. Das Ergebnis ist allerdings eher gemischt: Die gefundenen Ribozyme schaffen es immerhin mit bis zu 95 Prozent Genauigkeit, die exakte Kopie einer RNA aus den Grundbausteinen neu zusammenzusetzen. Die Länge dieser Kopie ist aber bisher auf nur etwa 14 Basenpaare begrenzt. Für ein sinnvolles Stück Erbinformation, ein echtes „Genwort“, reichen diese paar Buchstaben des genetischen Codes leider noch lange nicht aus, hier gelten 200 Basenpaare als ein Minimum.

Das Problem, so haben Bartel und Co. mittlerweile erkannt, liegt in der Bindung: Einmal angedockt sind die Ribozyme schnelle und robuste Kopiermaschinen, aber leider hält diese Bindung nicht lange genug, um eine komplette RNA zu reproduzieren – noch nicht. Denn die Forscher sind fest entschlossen, auch dieses Problem ihrer Labor-RNA-Welt zu lösen.

Bartel ist sich der Schwierigkeiten ihres Unterfangens allerdings sehr bewusst: „Wir werden niemals im Stande sein, die Existenz einer RNA-Welt zu beweisen, weil wir nicht in der Zeit zurückreisen können – aber wir können die grundlegenden Eigenschaften der RNA untersuchen und sehen, ob diese mit einem RNA-Welt Szenario kompatibel wären.“

Links oder rechts?
Das Problem der Chiralität

Das Leben ist asymmetrisch – zumindestens auf der molekularen Ebene: Fast alle biologisch wichtigen Verbindungen existieren in zwei unterschiedlichen, sich wie Bild und Spiegelbild entsprechende Formen. Normalerweise entstehen in chemischen Reaktionen immer gleiche Anteile beider „Spiegelbilder“, doch die lebenden Organismen tanzen hier aus der Reihe. Sie synthetisieren seltsamerweise immer nur eine der beiden Formen und bauen auch nur diese ein. So besteht das Grundgerüst der Erbsubstanzen RNA und DNA ausschließlich aus „rechtshändigen“ Molekülen, alle Proteine dagegen immer nur aus „linkshändigen“ Aminosäuren.


Zwei Enantionmere einer Aminosäure

Diese eindeutige Präferenz für jeweils nur eine symmetrische Variante, die so genannte Homochiralität, ist nicht nur faszinierend in ihrer Ausschließlichkeit, sie stellt auch - wieder einmal - die Biochemiker vor ein großes Problem: Wenn sich das erste Leben aus ganz normalen chemischen Reaktionen und Syntheseschritten entwickelte, wie ist dann diese Verschiebung des Gleichgewichts zugunsten nur jeweils einer chiralen Variante zu erklären? Eine einfache chemische Begründung scheint es dafür nicht zu geben, dafür aber jede Menge ganz unterschiedlicher Hypothesen.

Erst Leben, dann Asymmetrie...

Stanley Miller, Pionier der „Ursuppenforschung“ sieht das Ganze eher pragmatisch und verlagert das Problem kurzerhand von der Chemie in die biologische Phase der Evolution: „Meiner Meinung nach kommt die Selektion erst bei oder kurz nach der Entstehung des Lebens.“ Seiner Ansicht nach besaßen die ersten aktiven Biomoleküle, eine Art Prä-RNA, gar keine asymmetrischen Kohlenstoffatome und waren daher auch nicht händig. Erst bei Umwandlung dieser Vorläufersubstanz in die asymmetrische RNA habe sich im Laufe der ersten Entwicklungsschritte des neuen Lebens ein Ungleichgewicht herauskristallisiert.

...oder Asymmetrie vor dem Leben?

Demgegenüber sehen andere Forscher den Ursprung der Homochiralität sehr wohl in der präbiotischen Phase der Ursuppe oder des „Urpfannkuchens“. Sie suchen daher nach möglichen Schablonen, die schon der Synthese und Vermehrung der ersten Makromoleküle den entscheidenden „Schubs“ in die eine oder andere Symmetrierichtung gegeben haben könnten.

Einen wichtigen Fortschritt hat dazu der Biochemiker Reza Ghadiri vom amerikanischen Scripps Forschungsinstitut erreicht. Er wies 2001 nach, dass schon einfache Polypeptide in einer Mischung von sowohl rechts- als auch linkshändigen Aminosäuren gezielt nur diejenigen zur Herstellung von Kopien ihrer selbst benutzten, die die richtige Händigkeit aufwiesen. Er erbrachte damit erstmals den Beweis, dass, einmal durch eine Schablone angefangen, sich der chirale Selektionsprozess tatsächlich verselbstständigen kann.

Doch woher stammt die erste Schablone?

Asymmetrie aus dem All?

Meteoriten als kosmische Schablonen
Für einige Wissenschaftler, darunter auch die Chemikerin Sandra Pizarello von der Arizona State University, lautet die Antwort auf das Rätsel der Homochiralität schlicht: Der Anstoß kam aus dem Weltall. Meteoriten, so ihre These, brachten das molekulare Symmetrie-Ungleichgewicht auf die Erde.


Murchison-Meteorit

Einen Hinweis auf ein solches Szenario liefert möglicherweise der Murchison-Meteorit. Dieser im Jahr 1969 in Australien auf die Erde gestürzte kosmische Gesteinsbrocken ist mit 4,5 Milliarden Jahren nicht nur genauso alt wie die Erde, er erweist sich auch als ein Kurier der besonderen Art: In seinem Inneren entdeckten Wissenschaftler mehr als 70 verschiedene Aminosäuren, davon immerhin acht der für das Leben als existenziell geltenden. Und überraschenderweise überwiegen in diesem Aminosäurengemisch die linksdrehenden um mehr als ein Drittel. Könnte diese leichte Dominanz vielleicht schon ausgereicht haben, um das irdische Chiralitätsgleichgewicht zu verschieben?

Metoriten im Labor

Um das herauszufinden, baute Pizarello gemeinsam mit ihrem Kollegen Arthur Weber das Szenario kurzerhand in einem Laborexperiment nach. Sie vermischte eine Lösung, die die für den Murchison-Meteoriten typischen Links-Rechts-Anteile der Aminosäure Isovalin enthielt mit zwei weiteren Kohlenstoffverbindungen, die auf der frühen Erde wahrscheinlich häufig waren, Glycoaldehyd und Formaldehyd.

Wie erwartet reagierten die Substanzen miteinander und es entstand Threose, ein einfacher, in vielen lebenden Organismen vorkommender Zucker. Das Entscheidende war jedoch, dass sich dabei offenbar das Ungleichgewicht in der Chiralität von der Aminosäure auf den Zucker übertragen hatte – allerdings in genau umgekehrter Richtung: Nach dem Experiment fand sich in der Lösung rund fünf Prozent mehr rechtshändige Threose als linkshändige.

Warum und wie das Isovalin die Händigkeit des Zuckers beeinflusst, ist auch Pizarello noch ein Rätsel. Aber die Forscherin ist sich sicher, dass die linkshändigen Aminosäuren des Meteoriten die Antwort in sich bergen: „Deswegen fahre ich ja fort, diese vermaledeiten Moleküle zu untersuchen“, erklärt sie im Februar 2004 in der Zeitschrift Nature.

Die Suche geht weiter...

Trotz aller Fortschritte in der Forschung, modernster Analysemethoden und geballter Rechnerkraft ist die Suche nach der „Wiege des Lebens“ nach wie vor mehr von Hypothesen und sich widersprechenden Theorien geprägt als durch belegtes Wissen. Zwar finden sich gerade in letzter Zeit immer mehr kleine Einzelteile dieses großen Puzzles, ein schlüssiges Gesamtbild scheint aber noch lange nicht in Sicht.

David Bartel, Biochemiker am amerikanischen Whitebread Forschungsinstitut schätzt die Lage sogar noch pessimistischer ein: „Wir werden wohl niemals genau wissen, wie die Geschichte des Lebens begann,“ erklärt er. „Aber jeder Einblick, den wir gewinnen können, ist wichtig.“