Bernd Leitenberger

Die Entstehung des Lebens

 

Was zwingt, was verspricht, oder was erhofft sich eine organische Verbindung sich zu Zellen, zu den ersten Lebewesen zu vereinigen?

L. S.

 

Wir wissen noch nicht, wie und wann das Leben auf der Erde entstanden ist; und vielleicht werden wir es auch niemals herausfinden: Die Entstehung des Lebens war ein historischer Vorgang. Wir können aber untersuchen, wie es entstanden sein könnte und die Mechanismen verstehen, die dazu führen, dass aus anorganischer Materie Leben entsteht. Dazu gibt es plausible Erklärungsansätze. Und eines ist sicher: Seit irgendwann vor 4,4 bis 3,4 Milliarden Jahren gab es Leben auf der Erde...

 

Von den Biomolekülen zum ersten Leben

Nun kommt ein sehr großer Schritt. Während wir im Labor aus der Uratmosphäre einfache Kohlenhydrate, Purine oder Aminosäuren bilden können, sind unseren experimentellen Möglichkeiten daraus Leben zu bilden Grenzen gesetzt. Hier können wir nur Überlegungen anstellen. Selbst das einfachste Leben unterscheidet sich in seiner Komplexität enorm von einfachen Molekülen. Die folgende Übersicht soll die grundlegenden Schritte vom Molekül zum Lebewesen aufzeigen, wobei jeder Schritt den vorhergehenden voraussetzt

 

Die Entstehung von Polymeren

Die Zelle besteht heute aus Polymeren also Ketten einfacher Moleküle wie Eiweiße (aus Aminosäuren), Kohlenhydrate (aus Zuckern) und natürlich auch die Erbsubstanz DNA. Diese können kurz sein (einige Aminosäuren für ein Ur-Enzym) oder lang (die DNA mit den Genen)

 

Die Entstehung einer Zellmembran

Zellen sind durch eine Membran von ihrer Umwelt abgekapselt. Ein Großteil der Vorgänge in den Zellen kann nur bei Bedingungen geschehen, die sich von der Umgebung unterscheiden. Die Membran ist so etwas wie eine Schutzhülle für die Zelle. Membranen können sich spontan bilden wenn Fett und Emulgatoren, also Mittler zwischen Fett und Wasser vorliegen. Es kommt dann zu einer Fettmembran die einen kleinen Hohlraum umgibt.

 

Bildung von Enzymen

Enzyme bewerkstelligen heute alle Stoffwechselvorgänge. Dadurch wird Energie gewonnen, die weiteren Enzymen zum Aufbau von Zellmaterial dienen kann. Ohne Enzyme kann eine Zelle weder wachsen noch leben. Einige Antibiotika und Gifte blockieren nur ein Enzym welches dann zum Tod des gesamten Organismus führen kann.

 

Bildung der Erbsubstanz

Ohne Erbsubstanz kann eine Zelle zwar leben, aber sich nicht vermehren. Wichtig ist natürlich das die Erbsubstanz die Bestandteile der Zelle codiert und sich ein Apparat gebildet hat der die Information wieder in Proteine umsetzt.

 

Die Bildung von Polymeren

Schon der erste Punkt zeigt sich sehr schwierig. Anders als bei den Biomolekülen der Ursuppe bilden sich Polymere nicht spontan aus den Monomaner (Bausteinen). Der Grund liegt darin, dass bei allen Polymeren die das Leben bei uns einsetzt, bei der Bildung Wasser abgespaltet wird. In der Ursuppe mit viel Wasser ist es daher wahrscheinlicher das ein Polarem durch Wasser gespalten wird als das es gebildet wird. Es ist so als erwartet man, dass aus einer Zuckerlösung spontan Zuckerkristalle entstehen würden! Versuche Proteine aus den Lösungen herzustellen gelangen - allerdings nur bei 130-180° C. Solche Bedingungen herrschen allerdings noch heute in der Tiefsee an unterirdischen Vulkanen. Durch den hohen Druck des Wassers, bleibt das Wasser auch bei diesen Temperaturen flüssig. Für die DNA, Kohlenhydrate oder Fette sind bisher keine spontanen Bildungen beobachtet worden. Diskutiert werden auch Bildungen durch Katalyse von Gesteinen oder durch die chemische Umsetzung von anderen Biomolekülen. Letzteres setzt eine sehr hohe Konzentration voraus, die nur in einem kleinen Areal erreicht wird. Ob in einem Tümpel aber sich dann das Leben ausbreiten konnte?

 

Die Entstehung der Zellmembran

Die Entstehung der Zellmembran ist ein sehr wichtiger Punkt, ohne sie würden alle spontan gebildeten Moleküle , die Vorläufer für weitere Entwicklungen sind, weggeschwemmt oder zerstört. Heute bestehen Zellmembranen aus Fetten und Proteinen. Fettbausteine wurden bislang allerdings noch nicht in der Ursuppe gefunden. Daher beschränken sich heutige Versuche auf Hüllen aus Proteinen. In der Tat bilden sich 2 µm große Kügelchen spontan aus Proteinlösungen wenn man geeignete Bedingungen vorlegt. Diese können sich auch durch Knospung teilen und zeigen Eigenschaften die darauf hindeuten das nicht alle Moleküle die Membran passieren können, wie es auch heute bei Zellen wichtig ist. Die spontane Bildung solcher Kügelchen zeigt das sich zumindest einfache Membranen spontan bilden können.

 

Enzyme

Enzyme machen heute alles in der Zelle: Aufbau, Abbau, Energiegewinnung. Hier tappen wir weitgehend im Dunkeln. Die vernünftigste Vorstellung ist, das sich spontan ein Eiweiß gebildet hat welches eine schwache enzymatische Aktivität besitzt, eventuell unter Zuhilfenahme von Metallen die auch heute noch Coenzyme sind. Dies ist denkbar und vorstellbar. Die Problematik liegt darin, das ein Enzym einer Zelle gar nichts nützt. Ein Enzym welches Energie aus der Umgebung gewinnen kann nützt nichts, wenn nicht anderen Enzyme diese Energie zum Aufbau von Zellmaterial nützen. Ein einfacher Abbau von Traubenzucker zu Alkohol benötigt etwa ein Dutzend Enzyme! Hier haben wir das Problem, das die spontane Bildung all dieser Enzyme extrem unwahrscheinlich ist. Zusammen könnten diese Proteine nur gekommen sein, indem die Zelle diese aus der Umgebung aufgenommen hat, doch wie und woher nimmt die Zelle die Energie dafür? (Die Konzentration von Stoffen erfordert Energie)

 

Die Vererbung

Das nun größte Rätsel kommt noch. Eine Zelle hat neben den Enzymen ein zweites hochkompliziertes System: Die DNA. Die DNA kodiert alle Erbinformationen und Enzyme lesen sie ab, kopieren Teile des Inhalts und bauen nach diesen DNA Bauplänen benötigte Stoffe. Dieses System ist so perfekt, das man sich nicht vorstellen kann wie es sich spontan bilden könnte. Wie konnten Informationen über die Zusammensetzung der Ur-Zelle in die DNA gelangen (es gibt bis heute keinen Weg dafür)? Oder falls es zuerst die DNA gab, wie konnte sie abgelesen werden ohne Enzyme? Es gleicht der Frage nach der Henne und dem Ei, wir wissen nicht was zuerst da waren, heute sehen wir nur ein hochkomplexes verbundenes System, über die Entstehung können wir nur spekulieren.

 

Was ist Leben?

Eine Definition ist gar nicht so einfach, denn das Leben ist heute derart vielfältig, dass es für fast jede Regel eine Ausnahme gibt. Die ersten Lebensformen waren sicherlich auch viel einfacher als heutige Bakterien; diese bestehen bereits aus vielen Millionen Molekülen, darunter Proteinen, die sich aus mehr als 100.000 Atomen zusammensetzen. Früher glaubten die Naturkundler, dass das Geheimnis des Lebens in den Kohlenstoffverbindungen steckt; die „organische Chemie“ galt als grundsätzlich verschieden von der „anorganischen Chemie“. Aber seit 1828 der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler organischen Harnstoff aus anorganischen Komponenten herstellen konnte, war diese Vermutung widerlegt. Das Leben besteht aus den gleichen chemischen Elementen wie alles andere auch; und die Chemie liefert auch die beste Annäherung an eine Definition: Leben ist ein selbstherstellendes, selbsterhaltendes und fortpflanzungsfähiges System, dass in einem chemischen Prozess aus “nicht lebendigen” Bausteinen. Die große Bedeutung des Kohlenstoffs erklärt sich mit seiner chemischen Reaktionsfreudigkeit bei gleichzeitiger Stabilität und der Fähigkeit, Moleküle in vielen verschiedenen Formen zu bilden.

Selbstherstellend bedeutet, dass die Bestandteile eines Lebewesens sich „von selbst“ zusammenfügen. Dies ist in der Natur nichts Ungewöhnliches: das Wachstum von Kristallen, die Wolkenbildung oder bestimmte chemische Reaktionen sind „selbstherstellend“ – diese Vorgänge geschehen aufgrund der Eigenschaften des Materials und werden nicht von außen aufgezwungen. Aber diese Vorgänge sind nicht selbsterhaltend – die entstandenen Systeme zerfallen früher oder später wieder. Dies hat mit einem der wichtigsten Naturgesetze zu tun, dem „zweiten Hauptsatz der Thermodynamik“: Umwandlungen in der Natur erfolgen von alleine nur in der Richtung von „Ordnung“ zu „Unordnung“ (Chemiker sprechen statt von „Unordnung“ von zunehmender „Entropie“). Wie in einem Zimmer, in dem nicht regelmäßig aufgeräumt wird, tendieren alle Dinge in der Natur zu einem Zustand der Unordnung – geordnete Systeme zerfallen von allein. Um einen geordneten Zustand aufrecht zu erhalten, muss Energie aufgewendet werden – ganz wie beim Aufräumen des Zimmers. (Wobei die Entropie insgesamt immer zunehmen muss - der Energieverbrauch führt außerhalb des betrachteten Systems zu zunehmender Entropie, um die Abnahme der Entropie im System auszugleichen - Entropie ist komplizierter als die Unordnung in einem Zimmer …).

Leben kann sich im Unterschied zu den anderen selbstherstellenden Systemen selbst dauerhaft erhalten, weil es sich selbst aktiv mit Energie versorgen kann. Damit ist es ein autonomes, „selbsterhaltendes“ System. Wichtig ist dabei das aktiv: In der Natur gibt es auch andere selbsterhaltende Systeme, zum Beispiel ein Feuer - solange Brennstoff und Sauerstoff vorhanden sind, wird es brennen. Aber sobald der Brennstoff zur Neige geht, erlischt das Feuer, ist also nicht dauerhaft selbsterhaltend. Dieses Problem umgeht das Leben mit der aktiven Beschaffung der zu seinem Erhalt notwendigen Materie und Energie. Und diese Fähigkeit des Lebens ist irgendwie durch die Wechselwirkungen zwischen seinen Bausteinen entstanden. Selbsterhaltung bedeutet natürlich nicht, dass Leben völlig unabhängig von seiner Umwelt wäre, im Gegenteil: die Materie und die Energie, die zur Aufrechterhaltung des Lebens notwendig sind, stammen aus der Umwelt. Heute hängt das Leben in den allermeisten Fällen von der Sonnenenergie ab; die ersten Lebensformen dürften – wie es auch heute noch einige Bakterien tun – energiereiche chemische Verbindungen genutzt haben. Die Aufnahme und Umwandlung von Energie und Materie heißt „Stoffwechsel“; und dieser ist daher ebenfalls ein Merkmal des Lebens. Vom Stoffwechsel leiten sich weitere typische Eigenschaften des Lebens ab. Erstens: Die Aufnahme von Stoffen und Energie muss gezielt sein - in der Umgebung eines Lebewesens können sich ja auch Stoffe oder Energie finden, die im schaden könnten; Lebewesen können daher immer auf Reize in der Umgebung reagieren. Zweitens: Die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels können zudem nur stattfinden, wenn die Reaktionspartner nicht zu sehr verdünnt werden, daher finden alle Lebensvorgänge in von der Außenwelt abgetrennte Grundeinheiten statt: den Zellen, aus denen alle Lebewesen aufgebaut sind. Drittens: Diese Vorgänge und alle weitere Reaktionen des Stoffwechsels werden in heutigen Lebewesen von Enzymen gesteuert, die als Katalysatoren wirken – Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verändert zu werden. Enzyme bestimmen daher, welche chemischen Reaktionen überhaupt in bedeutendem Umfang in der Zelle stattfinden. In den Lebewesen sind es zumeist Proteine, die als Enzyme Reaktionen steuern.

 

Energiegewinnung in Lebewesen

Am Anfang jeder Nahrungskette stehen Organismen – Bakterien, Algen oder Pflanzen – die aus Wasserstoff und Kohlendioxid organische Verbindungen herstellen. Kohlendioxid ist in der Luft oder im Meerwasser enthalten, Wasserstoff muss erst hergestellt werden. Dies kann aus chemischen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff oder Methan geschehen (im Falle der Schwefel- oder Methanbakterien); in den meisten Fällen werden hierfür heute jedoch mit Hilfe von Sonnenlicht Wassermoleküle gespalten, das ist der Kern der >> Fotosynthese. Der Wasserstoff ist zugleich der Antrieb für die Energiegewinnung: Ihm werden Elektronen “entrissen”, die die >> Redoxreaktionen der Fotosynthese antreibt; und die dabei entstehenden positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen) werden mit der Energie aus der Fotosynthese auf eine Seite einer Membran gepumpt, wodurch eine Spannungsdifferenz und ein Konzentrationsgefälle entstehen. Beim Rücktransport der Protonen auf die andere Seite der Membran wird daher Energie frei, die von einem Enzym namens ATP-Synthase zu Herstellung von ATP (Adenosintriphosphat) aus einem Vorläufer, dem Adenosindiphosphat (ADP), genutzt wird. Das gleiche Verfahren läuft beim Abbau von Nahrungsmitteln ab. ATP ist sehr energiereich; die gespeicherte Energie wird frei, wenn eine Phosphatgruppe abgespalten wird und wieder Adenosindiphosphat (ADP) entsteht. Die hierbei freigesetzte Energie ist der mit Abstand häufigste Weg, wie die von Enzymen katalysierten Reaktionen im Zellinneren mit Energie versorgt werden - also der Aufbau des Erbmoleküls DNS, von Proteinen, von Fetten ...; alles wird durch ATP angetrieben. ATP wird in allen Lebewesen als „Energieüberträger“ genutzt und ist damit sozusagen die universelle Energiewährung der lebenden Zelle - ein Mensch produziert und verbraucht jeden Tag etwa das dreifache seines Gewichtes an ATP, manche Bakterien sogar das siebentausendfache, das mag die Bedeutung dieses Moleküls für den Energiestoffwechsel verdeutlichen.

Eng mit Selbstherstellung und dauerhafter Selbsterhaltung in Zusammenhang steht die Fortpflanzungsfähigkeit: ein sich selbst herstellendes und dauerhaftes System wird sich auch vermehren, wenn Materie und Energie in der Umwelt vorhanden sind. Insofern ist die Fähigkeit zur Fortpflanzung eigentlich nichts anders als die logische Folge der ersten beiden Eigenschaften, hatte aber derartige Folgen und ist derart kennzeichnend für das Leben, dass sie gesondert erwähnt werden soll. Das Leben ist damit nämlich „ansteckend“: es breitete sich auf der Erde aus. Es hat zudem alle erdgeschichtlichen Umwälzungen von mindestens 3,5 Milliarden Jahren überstanden, sich also als äußerst robust erwiesen; und es gibt auch keine Anzeichen dafür, dass sich dies in absehbarer Zeit ändern könnte. (Für einzelne Arten stellt sich die Situation allerdings ganz anders da) Die Fortpflanzungsfähigkeit alleine ist noch kein Kennzahl des Lebens, sondern kommt auch in anderen chemischen Systemen vor: Der - auch in Lebewesen sehr verbreitete - Citratzyklus etwa, bei dem Essigsäure (ein Molekül mit zwei Kohlenstoff-Atomen) mit Kohlendioxid zu Pyruvat (mit drei Kohlenstoffatomen) reagiert, das wiederum mit Kohlendioxid zu Oxalacetat reagiert - und so weiter, bis schließlich Zitronensäure (mit sechs Kohlenstoffatomen) entsteht. Wenn Zitronensäure in Essigsäure und Oxalacetat zerfällt, können aus einem Citratzylus zwei werden - ein chemischer Prozess sich also vermehrt.

Nun kann das Leben sich aber nicht nur vermehren, wenn Energie und Materie sowieso vorhanden sind, sondern diese aktiv suchen. Dazu ist es notwendig, dass viele komplexe Vorgänge in den System auch unabhängig von äußeren Bedingungen ablaufen; die steuernden Informationen also nicht mehr von außen kommen, sondern im Inneren des Lebewesens gespeichert werden. Dazu braucht es einen Informationsspeicher, und die Informationen müssen bei der Vermehrung an Tochterzellen weitergegeben werden. Diese Rolle übernimmt bei fast allen bekannten Lebewesen zum größten Teil die Erbsubstanz DNS, die bei einer Zellteilung ebenfalls kopiert und an die Tochterzellen weitergegeben wird. Dass fast alle bekannten Lebewesen die DNS und sogar ohne Ausnahmen den gleichen „genetischen Code“ zur Informationsweitergabe nutzen, gilt wie auch die universelle Energiewährung ATP als Beleg dafür, dass alles heutige Leben einen gemeinsamen Vorfahren hat. (Es ist dagegen kein Beweis dafür, dass Leben nur einmal entstanden ist: es könnte auch mehrfach entstanden sein, aber nur eine Linie hätte bis heute überlebt.)

 

Informationsweitergabe in Lebewesen

Die Erbsubstanz DNS besteht aus Basen, Zucker und Phosphatgruppen; entscheidend für die Informationsweitergabe sind die Basen. Von diesen gibt es vier verschiedene, von denen wir uns hier nur die Anfangsbuchstaben merken müssen: A, C, G und T. Sie stellen so etwas wie das Alphabet der DNS dar, das aus diesen vier Buchstaben besteht. Die Worte der DNS-Sprache bestehen immer aus drei Buchstaben, zum Beispiel ACT, CGA oder TTC. Jedes Wort steht für eine Aminosäure, ein Satz steht für eine Erbanlage: Aminosäuren sind nämlich die Bausteine der Proteine, die als Enzyme alle chemischen Reaktionen in der Zelle steuern. Die DNS funktioniert also als Erbmaterial, indem sie die Herstellung von Proteinen steuert. Um aus einem DNS-Satz ein Protein herzustellen, wird zunächst eine Negativkopie eines Gens (Erbanlage) in Form eines mRNS genannten Moleküls hergestellt – die RNS ist ein der DNS chemisch eng verwandtes, jedoch weniger stabiles Molekül. Die mRNS wird dann zu den „Proteinfabriken“ der Zelle (den „Ribosomen“) transportiert, wo mit Hilfe einer weiteren RNS (der tRNS) die Aminosäuren entsprechend der „Worte“ der DNS zu einem >> Protein verknüpft werden.

Dies ist jedoch nicht das ganze Geheimnis der DNS: nur ein kleiner Teil von ihr codiert die Herstellung von Proteinen; andere Teile regulieren etwa, ob ein bestimmtes Protein hergestellt wird oder nicht. Tatsächlich sind Erbanlagen (die berühmten „Gene“) eher mit Subroutinen eines Computerprogramms vergleichbar (ein Bild des englischen Biologen Richard Dawkins): Raupen und Schmetterlinge besitzen ja die gleichen Gene, der Unterschied zwischen ihnen kommt durch unterschiedliche Muster der Genaktivierung zustande. Wie genau diese Aktivierung gesteuert wird, ist eines der aktuellsten Forschungsgebiete der Genetik, die DNS erweist sich dabei als komplizierter und vielfältiger, als früher angenommen - die Vererbung besteht aus einem komplexen, raumzeitlichen Zusammenspiel von DNS, Proteinen und anderen Molekülen, das noch niemand richtig verstanden hat.


Die Teilung der DNS zur Weitergabe in die Tochterzelle ist jedoch leicht verständlich, wenn man weiß, dass die Basen in den Sprossen sich immer nur auf eine Art miteinander verbinden: C mit G und A mit T. Wenn sich nun die beiden Hälften der Leiter in der Mitte trennen, wird sich C immer nur mit G und A immer nur mit T verbinden, und so wird jeweils die fehlende Hälfte wieder ergänzt: es entstehen zwei identische Kopien. Dabei geschehen jedoch Fehler, von Zeit zu Zeit verändert sich dadurch die Erbinformation eines Lebewesens: Diese Variabilität ist Grundlage der >> Evolution.


Mit diesen Informationen über das Leben können wir jetzt auch nachvollziehen, welche Fragen bei der Suche nach der Entstehung des Lebens im Vordergrund stehen. Erstens: Wie gewannen die Vorläufer der ersten Lebewesen Energie, um sich selbst erhalten zu können? Wie entstand also der Stoffwechsel? Zweitens: Wie entstand die Fähigkeit zur Informationsweitergabe bei der Vermehrung? (Die DNS war mit ziemlicher Sicherheit nicht das erste System, da zu ihrer Teilung Proteine benötigt werden, die erst mit Hilfe der DNS hergestellt werden.) Und wie kamen Stoffwechsel und Informationsweitergabe zusammen? Oder sind sie gemeinsam entstanden?

 

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