Zeitreise durch die Forschung zum Ursprung des Lebens
Wie entstand Leben? Mit welcher Materie sind wir am nächsten verwandt? Die Frage, wie das Leben entstanden ist, ist älter als die Wissenschaft selbst. Es liegt in der Natur des Menschen, mehr über seine biologische Vergangenheit wissen zu wollen – bis hin zum Ursprung der ersten Zellen. Daher beschäftigten sich die Menschen schon früh mit der Forschung zum Ursprung des Lebens, um zu erfahren und zu verstehen, wie alles begann und woher die Lebewesen in der uns bekannten Welt kamen.
Bevor wir uns auf eine Zeitreise zum Ursprung des Lebens begeben, möchten wir uns erst der Frage widmen: Was ist Leben? Das Leben ist eine chemische Reaktion, eine überaus komplizierte, aber letztendlich eine chemische Reaktion, bei der Energie frei wird. Bei allen Lebensformen gibt es eine zentrale Hauptreaktion im Stoffwechsel, aus der die Energie für das Leben gewonnen wird. Bei uns Menschen ist die Hauptreaktion die Verbrennung von Zuckern in unseren Mitochondrien, den Kraftwerken unserer Zellen. Auch bei allen anderen Lebensformen, ohne Ausnahme, gibt es eine solche Hauptreaktion, die als energetischer Antrieb für alle Lebensvorgänge dient. Bei Pflanzen ist es die Photosynthese, die Nutzung der Sonnenenergie für die Bildung von Zuckern aus Kohlenstoffdioxid (CO2). Bei der Gärung von fermentierenden Zellen, wie Hefe, ist die Hauptreaktion der Abbau von Zucker in CO2 und Alkohol (Ethanol). Bei der Gärung wird ebenfalls Energie frei: Die Sonnenenergie, die im Zucker gespeichert ist. Meistens ist es so, dass aus der physiologischen Hauptreaktion zugleich die wichtigsten Grundbausteine für Biosynthesen im Stoffwechsel bereitgestellt werden.
Die erste nicht religiöse Theorie zum Ursprung des Lebens war vermutlich die von Aristoteles. Er glaubte, dass Lebewesen aus unbelebter Materie hervorgegangen sind. Diese Vorstellung wird als Spontanzeugung bezeichnet und war bis zum 19. Jahrhundert weithin akzeptiert. Heute wissen wir, dass sich ein Staubkorn nicht auf magische Weise in eine Mikrobe oder ein Insekt verwandelt, aber es dauerte mehr als zwei Jahrtausende, bis Wissenschaftler dies beweisen konnten. Ein Experiment des Chemikers Louis Pasteur (1822–1895) aus dem Jahr 1859 klärte dies endgültig.
Charles Robert Darwin, der 1809 in Shrewsbury in England geboren wurde, begeisterte sich bereits in jungen Jahren für die Naturwissenschaften und Geologie. So erhielt er 1831 mit 22 Jahren die Möglichkeit, auf dem Forschungsschiff HMS Beagle an einer fünfjährigen Expedition nach Südamerika als Naturforscher teilzunehmen, die die Grundlage für Darwins späteres Schaffen legte. Auf der Reise studierte Darwin die Geologie sowie die Pflanzen, Tiere und Fossilien verschiedener Regionen, so auch der Galapagosinseln. Er beobachtete Ähnlichkeiten zwischen Fossilien ausgestorbener Arten und lebenden Tieren der gleichen Region, die auf eine Verwandtschaft schließen lassen konnten. Darüber hinaus weckten auch die Ähnlichkeiten zwischen Vogelarten, die er insbesondere auf den Galapagosinseln untersucht hatte, sein Interesse und führten ihn zu seiner Theorie der Anpassung an den Lebensraum durch Variation und natürliche Selektion, durch die er die phylogenetische Entwicklung aller Organismen und ihre Aufspaltung in verschiedene Arten erklärte. Seine Theorie über die natürliche Selektion veröffentlichte er 1859 in seinem Hauptwerk Über die Entstehung der Arten, das von der Wissenschaft umgehend akzeptiert wurde. 1882 starb Charles Darwin in seinem Haus in Downe in der Nähe von London und wurde ehrenvoll in der Westminster Abbey in London bestattet. Nach Erscheinen von Über die Entstehung der Arten im Jahr 1859 war die Publikation binnen kürzester Zeit vergriffen, so dass wiederholt neue Auflagen und Übersetzungen in andere Sprachen herausgebracht wurden. Darwin belegt in diesem Werk seine Theorie, dass sich Tier- und Pflanzenarten durch natürliche Selektion über lange Zeiträume hinweg verändern und dass alle heute existierenden Lebewesen von gemeinsamen Vorfahren abstammen. Seine Lehre prägte die Forschung zur Evolutionstheorie nachhaltig.
Charles Darwin schließt Kapitel IV seiner wichtigsten Veröffentlichung Über die Entstehung der Arten mit den folgenden Worten ab:
»Wie Knospen aus Wachsthum neue Knospen hervorbringen, und, wie auch diese wieder, wenn sie kräftig sind, sich nach allen Seiten ausbreiten und viele schwächere Zweige überwachsen, so ist es, wie ich glaube, durch Zeugung mit dem groszen Baume des Lebens ergangen, der mit seinen todten und abgebrochenen Ästen die Erdrinde erfüllt, und mit seinen herrlichen und sich noch immer weiter theilenden Verzweigungen ihre Oberfläche bekleidet.«
Obwohl zu Zeiten Charles Darwins (1809–1882) niemand eine befriedigende Antwort auf das grundlegende Problem des Ursprungs des Lebens geben konnte, ebneten seine Spekulationen über den Lebensraum des ersten Organismus, den „warmen Tümpel“, den Weg zu den ersten konkreten Feldexperimenten viele Jahrzehnte später. Die Überlegungen von Charles Darwin und Alfred R. Wallace (1823–1913) gelten als Grundlage der modernen Evolutionsbiologie. Ihre Hauptidee unterschied sich von früheren Hypothesen. Sie gingen der Frage nach, wie sich Arten durch natürliche Selektion entwickeln, ausgehend von universellen Vorfahren, und entwickelten die Theorie der Evolution durch natürliche Selektion. Sie geht davon aus, dass sich Arten an ihre Umwelt anpassen und dass einige Individuen besser angepasst sind als andere. Diese Individuen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit zu überleben und sich fortzupflanzen. Weniger gut angepasste Individuen sterben eher aus. Die vorteilhaften Anpassungen werden an die Nachkommen vererbt.
Die Umwelt zwingt also die Lebewesen, sich zu verändern. Neue Arten entwickeln sich aus bestehenden. Darwin erkannte, dass alle Lebewesen, die jemals auf der Erde existiert haben, von ein und demselben Vorfahren abstammen. Mit anderen Worten: Alles Leben auf der Erde hat einen gemeinsamen Vorfahren. Zu seiner Zeit waren diese Ideen revolutionär. Sie erklärten jedoch nicht, wie das Leben auf der Erde überhaupt entstanden ist. Darwin hinterließ einen Hinweis auf das Rätsel des Ursprungs des Lebens in einer Zeit, in der geochemische Daten für die weit entfernte Vergangenheit rar oder sogar überhaupt nicht verfügbar waren. Zu Darwins Zeiten war kein experimenteller Ansatz standhaft genug, um Fortschritte in dieser Frage zu erzielen. Die meisten Hypothesen blieben daher dem reinen Geschmack persönlichen Glaubens überlassen. Bis zu einem gewissen Grad trifft das auch heute noch zu.
Darwin hat nicht viel über den Ursprung des Lebens gesagt, aber umso mehr darüber nachgedacht. In einem Brief an einen anderen Wissenschaftler schlug er vor, dass das Leben in warmen kleinen Teichen aus einfachen Molekülen (Ammoniak und Phosphorsalzen) in Gegenwart von Licht, Wärme und Elektrizität entstanden sein könnte. Darwin zufolge würden sich zunächst Proteine bilden, die sich dann in komplexere Strukturen verwandeln. Auch wenn er das Element, das das Rückgrat des Lebens bildet – den Kohlenstoff – nicht erwähnte, erkannte Darwin, dass das Leben wahrscheinlich aus einfacheren Verbindungen entstanden war. Zusätzlich werden eine Energiequelle und ein begrenzter Raum benötigt. Noch heute betrachten einige Wissenschaftler kleine warme Tümpel als mögliche Orte, in denen das Leben auf der Erde entstanden sein könnte.
Da das Leben aus unbelebter Materie entstanden ist, müssen wissenschaftliche Theorien für den Ursprung des Lebens tragbare und überprüfbare Hypothesen unterbreiten, woher die reduzierten Kohlenstoff-Verbindungen stammen, aus denen sich das Leben entwickelte, aber auch woher die dafür erforderliche Energie stammte. Beim Thema „Ursprung des Lebens“ denken die meisten Menschen sofort an eine Art „Ursuppe“. Heute ist der Begriff Ursuppentheorie genau so weit verbreitet wie Darwins Evolutionstheorie. Aber es gibt einen entscheidenden Unterschied: Während die Evolutionstheorie nach 160 Jahren in allen wesentlichen Aspekten richtig ist, ist die Ursuppentheorie nach circa 100 Jahren in allen wesentlichen Aspekten überholt.
Die Vorstellung, das Leben sei aus einer präbiotischen Ursuppe entstanden, welche die Ur-Erde bedeckte, geht auf den russischen Chemiker Aleksandr I. Oparin (1894–1980) sowie den britischen Evolutionsbiologen John B. S. Haldane (1892–1964) zurück. Die Ursuppentheorie besagt, dass auf der frühen Erde durch die Einwirkung von UV-Strahlung auf Kohlenstoffdioxid (CO2), die Stickstoff-Verbindung Ammoniak (NH3) und Wasser die ersten organischen Verbindungen entstanden. Mangels Lebewesen, die diese organischen Verbindungen als Nahrung hätten abbauen können, reicherten sie sich zu einem ozeanischen Gemisch mit der Konzentration einer dünnen Brühe an. In dieser entstanden dann die ersten Makromoleküle, später dann die ersten Zellen, die das ozeanische Gemisch verzehrten (mittels Fermentation: Umwandlung organischer Stoffe zu Säuren, Gasen oder Alkohol).
Aleksandr Oparins Theorie der chemischen Evolution ist möglicherweise der erste systematische Versuch einer Theorie für den Ursprung des Lebens, der Daten aus Geologie, Chemie und Biologie einbezieht. Oparin schlug vor, dass sich die Moleküle, aus denen Zellen bestehen, aus einfachen anorganischen Molekülen unter hohen Temperaturen und einer Energiequelle wie Blitz oder UV-Licht bilden könnten. Diese Moleküle würden sich in Wasser zusammenschließen und kleine Kugeln bilden, die er Koazervate nannte. Er war sich sicher, dass dies die ersten Zellen waren. Heute gibt es immer noch Wissenschaftler*innen, die die Koazervaten-Hypothese überprüfen.
John Haldane hatte ähnliche Vorstellungen wie Oparin darüber, wie die frühe Erde aussah und was für das Leben erforderlich war. Er formulierte, dass die Ozeane wie große Kochtöpfe seien, in dem sich organische Moleküle (die Moleküle, aus denen Lebewesen bestehen) dank der Energie der Sonne bilden: die Ursuppe.
Aus heutiger Sicht gibt es ein unüberwindliches Problem mit der Ursuppentheorie, das man in einem Gedankenexperiment verdeutlichen kann: Wir nehmen eine Dose voller Ursuppe. Gut wäre eine Hühnerbrühe, eine kräftige Gulaschsuppe oder noch besser eine Lösung aus frisch zerkleinerten Bakterien, deren Zellstruktur komplett zerlegt wurde. Denn darin befinden sich alle chemischen Bausteine, aus denen das Leben besteht. Wir verschließen die Dose steril. Wir stellen die Dose bei beliebiger Temperatur hin und warten beliebig lang. Wir entnehmen in Abständen unter sterilen Bedingungen Proben, um zu sehen, ob darin neues Leben entstanden ist. Es ist aus heutiger Sicht intuitiv verständlich, dass sich in dieser Dose voller perfekter Ursuppe unter gar keinen Umständen neues Leben bilden wird. Schwieriger wird es jedoch mit der Frage, warum dort kein neues Leben entsteht. Der Grund ist, dass sich der Kohlenstoff, der Stickstoff, der Sauerstoff und der Wasserstoff, aus denen unsere Ursuppe besteht, im chemischen Gleichgewicht befinden. Das heißt, der chemische Inhalt dieser Dose voller Ursuppe hat schon reagiert. Er hat kein chemisches Potenzial um weiter zu reagieren, weil er sich im – oder sehr nah am – Gleichgewicht befindet. Man kann die Dose auch gerne mit Blitzeinschlag behandeln, um etwas gegen den Gleichgewichtszustand zu unternehmen, aber die Situation bessert sich nicht: Bei Blitzeinwirkung erhöht sich die Temperatur des Doseninhalts binnen Bruchteilen einer Sekunde auf Temperaturen, die Sand zu Glas verschmelzen lassen, und die organischen Substanzen verwandeln sich dabei nicht in Leben, sondern in CO2.
Das berühmte Experiment von Stanley L. Miller (1930–2007) und Harold C. Urey (1883–1981) markierte den Beginn der experimentellen Ära in der Forschung zum Ursprung des Lebens. Die Idee war, im Labor Reaktionen nachzubilden, die bei der Entstehung des Lebens stattgefunden haben könnten. Im Idealfall würden sich die komplexen Moleküle in den Zellen aus einfachen Verbindungen bilden, die in der Umwelt der frühen Erde vorhanden waren.
Das Experiment sollte die Ursuppentheorie testen und wurde weltweit als Erfolg gefeiert. Während des Experiments wurden ausgehend von sehr einfachen Verbindungen mehrere Moleküle gebildet, die in lebenden Zellen vorkommen. Unter den Produkten waren einige Aminosäuren – die Bausteine von Proteinen. Das Experiment bewies, dass organische Moleküle, die in lebenden Zellen vorkommen, sich aus einfacheren anorganischen Verbindungen bilden könnten, die in den frühen Ozeanen und der frühen Erdatmosphäre vorhanden waren. Die heutige Forschung zum Ursprung des Lebens basiert maßgeblich auf dieser Tatsache.
Trotzdem bedeutet dies nicht, dass das Miller-Urey-Experiment den Ursprung des Lebens genau abgebildet hat. Heutzutage erkennen Wissenschaftler*innen mehrere Probleme mit der Theorie der Ursuppe.
Das Miller-Urey-Experiment wurde erstmals 1953 von Stanley L. Miller (1893–2007) zusammen mit Harold C. Urey (1883–1981) durchgeführt. Es diente der Simulation präbiotischer Synthesen (abiotische Synthese, chemische Evolution) in einer künstlichen Uratmosphäre. Dabei werden vermutete Komponenten der Uratmosphäre – Ammoniak, Wasserstoff , Methan und Wasser – elektrischen Funkenentladungen ausgesetzt, die Blitzschläge simulieren. Die in der Kälte kondensierten Gase werden dann in einer Wasserfalle (dem „Urozean“) aufgefangen, durch Erhitzen wieder in die Uratmosphäre gebracht und erneut Funkenentladungen ausgesetzt. Wenn das System über eine Woche lang unter den künstlichen Bedingungen der Uratmosphäre gehalten wird, bildet sich in der wässrigen Phase ein komplexes Gemisch organischer Verbindungen, worunter sich auch eine Reihe von einfachen Fettsäuren, Zuckern und Aminosäuren befinden.
Sie zeigten so, dass aus einem Gemisch aus der Kohlenstoffverbindung Methan (CH4), der Stickstoffverbindung Ammoniak (NH3) und Wasserstoff (so hat man sich damals die Uratmosphäre vorgestellt) unter simulierter Blitzeinwirkung einfache organische Verbindungen, aber auch wichtige Grundbausteine des Lebens entstehen können. So haben sie u.a. Blausäure (HCN), Aldehyde, einfache Aminosäuren, Öl und Teer unter den Reaktionsprodukten gefunden. Spätere Versuche dieser Art führten zur Synthese von weiteren Aminosäuren und Nukleinsäure-Bausteinen der DNA wie Adenin und Guanin.
Dass Millers erster Versuch zur Synthese einer Ursuppe im Labor prompt gelang, war sensationell. Aber damit diese Bausteine zur weiteren Kondensation und Polymerisierung in Richtung biologische Makromoleküle weiterreagieren, war ein Mechanismus erforderlich, womit sie konzentriert werden könnten. Man dachte an austrocknende Gezeitenzonen, Adsorption an Tonerden, die Konzentration im Eis, riesige Ölteppiche, usw. So hat sich im Laufe der Zeit eine Vorstellung verbreitet, wonach die Oparin-Haldane Ursuppentheorie anhand von Millers Versuch grundsätzlich richtig sei, lediglich bei den Details gebe es Erklärungsbedarf.
Die Theorie von Miller und Urey weist schwerwiegende Schwachstellen auf, besonders in Hinblick auf das Fehlen einer Erklärung für die Polymerisation der gebildeten monomeren Bausteine der Biomoleküle. Auch werden die im Experiment gewählten Bedingungen aus heutiger Sicht kritisch gesehen. Methan und Ammoniak sind beide in der Atmosphäre unter UV-Strahlung instabil und könnten daher in der frühen Erdatmosphäre nicht oder nur in geringen Mengen vorhanden gewesen sein. Folglich deutet die Häufigkeit von CO2 im Verhältnis zu CH4 darauf hin, dass Aminosäuren unter anderen Bedingungen entstanden sind als ursprünglich von Miller und Urey im Jahr 1953 angenommen.
In den frühen 1960er Jahren wurde die Unterteilung des Lebens in Prokaryoten und Eukaryoten etabliert. Prokaryoten sind einfache Organismen ohne Zellkern, wie Bakterien. Eukaryoten bestehen aus komplexeren Zellen mit einem Zellkern. Alle Organismen, die wir mit bloßem Auge um uns herum sehen können, sind Eukaryoten, wir Menschen eingeschlossen.
1977 führten Carl R. Woese (1928–2012) und George E. Fox (geb. 1945) Experimente zum Vergleich von Genen für ribosomale RNA (baut zusammen mit Ribosomen die Proteine auf) aus sehr unterschiedlichen Organismen durch und stellten fest, dass es eine bestimmte Art von Prokaryoten gab, die sich sowohl von Bakterien als auch von Eukaryoten stark unterschied. Sie erkannten, dass sie ein völlig neues Reich des Lebens entdeckt hatten – die Archaebakterien (heute bekannt als Archaeen). Daher könnte alles Leben in drei Reiche (heute Domänen genannt) eingeteilt werden: Eukaryoten, Bakterien und Archaeen.
1990 zeichnete Woese einen Baum des Lebens, der die drei Domänen zeigte, die alle vom universellen gemeinsamen Vorfahren allen Lebens abstammen (LUCA – Last Universal Common Ancestor). Obwohl dies ein großer Fortschritt für das Verständnis des Lebens auf der Erde war, weiß man heute, dass dieser Baum nicht ganz korrekt ist. Heute wissen wir, dass die Eukaryoten keine direkten Nachkommen von LUCA sind, sondern in einem Prozess namens Endosymbiose aus einer Archaee und einer Bakterienzelle hervorgegangen sind.
Alexander Rich (1924–2015) öffnete 1962 mit seiner Theorie für den Ursprung des Lebens aus einem RNA-Molekül, das in der Lage war, Kopien von sich selbst herzustellen, die Tür zur sogenannten RNA-Welt. In den frühen 1980er Jahren wurden Theorien zur RNA-Welt entscheidend gestärkt. Sidney Altman (1939–2022) und Thomas R. Cech (geb. 1947) entdeckten RNA-Moleküle, die chemische Reaktionen katalysieren können – Ribozyme. RNA kann ebenso wie DNA genetische Informationen tragen, aber sie kann auch chemische Reaktionen schneller ablaufen lassen (sie katalysieren), wie es Proteine tun.
In der Zelle enthalten Gene die Information, welche Proteine hergestellt werden sollen. Allerdings sind Proteine, die Reaktionen beschleunigen (Enzyme), notwendig, um neue DNA oder RNA zu bilden. Dieses Henne-Ei-Problem galt als endgültig gelöst, als Ribozyme entdeckt wurden.
Die RNA-Welt-Hypothese hat immer noch viele Unterstützer in der modernen wissenschaftlichen Gemeinschaft. Wir wissen jedoch, dass sie einige Mängel hat. Der größte Mangel ist die Tatsache, dass noch nie eine RNA entdeckt wurde, die Kopien von sich selbst erstellen kann.
Die RNA-Welt-Hypothese ist Teil der „Die Genetik kam zuerst“-Ansicht. Die Wissenschaftler, die diese Ansicht vertreten, sind sich sicher, dass Gene vor dem Stoffwechsel (den chemischen Reaktionen, die das Leben erhalten, Energie liefern und Zellen aufbauen) existierten. Die gegensätzliche Ansicht sagt: „Der Stoffwechsel kam zuerst“. Ihre Befürworter sagen, dass chemische Reaktionen, die das System mit Energie und Bausteinen versorgten, existieren mussten, bevor Gene existieren konnten. Die Theorie für den Ursprung des Lebens an alkalischen Hydrothermalquellen ist die bekannteste und anerkannteste Stoffwechsel-Zuerst-Theorie. Auf die Entstehung des Lebens an Hydrothermalquellen wird im weiteren Verlauf der Ausstellung das Hauptaugenmerk gelegt.
Heutzutage werden mehrere Theorien über den Ursprung des Lebens im Labor sowie mit computergestützten Ansätzen unter Verwendung von Simulationen und Evolutionsmodellen getestet, wobei Gene und Proteine zwischen Organismen verglichen werden. Ein neuerer Ansatz basiert auf der Untersuchung großer Netzwerke interagierender Moleküle oder Reaktionen, die auf der frühen Erde stattgefunden haben könnten – diese werden als Systemansätze bezeichnet.
