Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens

Nach dem Buch von Horst Rauchfuß

 

Historischer Überblick

Bereits seit dem Altertum beschäftigt die Entstehung des Lebens Philosophie und Wissenschaften. Während ursprüngliche Vorstellungen nicht über Mythen, Hypothesen und Theorien hinauskamen, werden etwa seit 1950 in wachsendem Maße auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Vorgänge und Prozesse, die zur Entstehung von Leben führen könnten, in den Einzelheiten aufzuklären. Trotz großer Fortschritte und der Aufklärung vieler Einzelprozesse auf diesem Gebiet ist es jedoch bisher nicht gelungen, eine der vielen Theorien durchgängig mit experimentellen Ergebnissen zu belegen. Die Schwierigkeiten beginnen bereits bei einer eindeutigen Definition, was Leben eigentlich ist. Hierfür gibt es eine Reihe von Arbeitsdefinitionen, von denen aber noch keine als allgemeingültig anerkannt ist. Einig ist man sich lediglich darin, dass eine Minimaldefinition von Leben gefunden werden müsste, die alle denkbaren Lebensformen umfasst.    

 

Entwicklung des Kosmos

Jede Theorie der Entstehung des Lebens muss als Ausgangszustand die Ausgangsbedingungen berücksichtigen, die nach den jeweils aktuellen Theorien der kosmischen Evolution vermutlich vorgelegen haben. Deshalb repetiert der Autor kurz den Stand der Theorien zur kosmischen Evolution. Für die Entstehung des Sonnensystems gibt es noch keine allgemein akzeptierte Theorie. Man nimmt an, dass durch einen hohen Drehimpuls der sich verdichtenden Gaswolke die kugelsymmetrische Kontraktion verhindert wurde und durch magnetische Wechselwirkungen der ursprünglich hohe Drehimpuls der Sonne auf die äußere Materiescheibe übertragen wurde, aus der sich dann die Planeten bildeten. In Sonnennähe verblieb ein größerer Teil von Substanzen mit hoher Verdampfungstemperatur, während die leichteren Gase Wasserstoff und Helium durch den Sonnenwind in äußere Regionen abgetrieben wurden. So entstanden die 4 erdähnlichen und die sonnenfernen Gasplaneten. Durch die Zusammenballung der Materie im Bereich der Erde stieg im Verlauf von 100 bis 200 Millionen Jahren infolge der freiwerdenden Gravitationsenergie und der Radioaktivität die Temperatur bis zu 2300 K an, wodurch das Material der Planetesimale zusammenschmolz und der Schalenaufbau der Erde entstand. Es gibt 2 unterschiedliche Modelle für diesen Akkretionsprozess, die entweder zur Bildung einer Uratmosphäre aus CO2 und H2O oder aus CH4, H2 und NH3 führten. Geologische Beweise für jedes dieser alternativen theoretischen Modelle gibt es jedoch nicht. Die Chemie der Uratmosphäre ist deshalb zentraler Streitpunkt in der Debatte um die Entstehung des Lebens. Auch der Vergleich der Atmosphären der 4 terrestrischen Planeten liefert nur wenig Anhaltpunkte, da diese sehr verschieden sind und von der Stärke des Schwerefeldes, dem Abstand zur Sonne, dem Reflexionsvermögen für Sonnenstrahlung und von der Existenz von Leben beeinflusst werden. Auch die Temperatur der Erdoberfläche ist sehr unsicher, da wegen des damals niedrigeren He/H Verhältnisses in der Sonne deren Strahlungsenergie 25-30% niedriger war als heute, was eine Temperatur unter 0 grad Celsius zur Folge gehabt hätte, wenn nicht ein hoher CO2-  oder Methangehalt einen Treibhauseffekt erzeugt hat. Geologische Beweise für die Existenz von flüssigem Wasser vor 4 Milliarden Jahren gibt es jedoch. Sicher scheint zu sein, dass die Uratmosphäre keinen freien Sauerstoff enthielt und neutral oder schwach reduzierend war.

Über den Ursprung des Wassers auf der Erde gibt es noch keine gesicherten Erkenntnisse. Möglich ist eine Ausgasung aus hydratisierten Silikaten nach der Akkretion des Erdkörpers oder aus Einschlägen von wasserhaltigen Kometen und Asteroiden. Auch über den pH-Wert besteht noch keine Klarheit.

 

Planeten und interstellare Materie

Besonders in den letzten zehn bis zwanzig Jahren wurde von der Weltraumforschung durch Satelliten und Sonden eine Fülle von Material über die chemische Zusammensetzung, Oberflächentemperaturen und Druckverhältnisse auf fast allen Planeten und Monden sowie von vielen Kometen und Asteroiden gewonnen, die Materialzusammensetzung zahlreicher Meteore mit immer genaueren Methoden untersucht und die chemische Zusammensetzung interstellarer Materie durch Spektraluntersuchungen ihrer Strahlung ermittelt. Rauchfuss stellt sehr viele dieser Angaben zusammen und analysiert sie im Hinblick darauf, inwieweit sie von Bedeutung für die Entstehung von Leben sein könnten. Stickstoff, Ammoniak, Kohlenwasserstoffe und Aminosäuren als die Ausgangsstoffe organischer Verbindungen sind im Weltraum weit verbreitet. Das macht es wahrscheinlich, dass bereits kurz nach der Entstehung der Erde durch die in der Entstehungsphase des Sonnensystems zahlreichen Meteoriteneinschläge viele dieser Substanzen auf die Erde gebracht worden sind und das Ausgangsmaterial für die Entstehung des Lebens auf der Erde bildeten.

 

Chemische Evolution

Zur wissenschaftlichen Untersuchung der Synthesemöglichkeiten der Biomoleküle, aus denen sich die ersten lebenden Systeme entwickeln konnten, wurden und werden Simulationsexperimente im Laboratorium durchgeführt, theoretische und Computermodelle entwickelt und analysiert, welche der im Weltraum gefundenen Substanzen als Ausgangsmaterial in Frage kommen.

In zahlreichen Experimenten wurde nachgewiesen, dass sich unter dem Einfluss elektrischer Entladungen sowie elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung aus den im Weltraum gefundenen Gasen Wasserstoff, Stickstoff, Methan, Ammoniak, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd unterschiedlichster Mengenverhältnisse einfache Aminosäuren bilden, die in den Proteinen lebender Systeme vorkommen.

Die präbiotische Synthese der 4 Nukleinsäurebasen ist bisher zwar vielfach gelungen, die des nicht sehr stabilen Cytosin jedoch nur bei so hohen Konzentrationen der Ausgangssubstanz Harnstoff, die auf der Urerde nicht als wahrscheinlich gelten können, und in Meteoriten wurde es noch nie gefunden. Die Synthese des in Nukleinsäure erforderlichen Kohlehydrates Ribose ist zwar gelungen, jedoch ebenfalls nur unter der speziellen Bedingung der Anwesenheit von Boratmineralien. Zuckerderivate wurden allerdings in Meteoren nachgewiesen. Zahlreiche Wege zur Synthese von Blausäure (HCN) und deren Derivaten wurden untersucht und gefunden, die bei der Biogenese eine wichtige Rolle gespielt haben könnten, für einen endgültig überzeugenden Weg fehlt aber noch der experimentelle Beweis.

Für die Bildung der Biomoleküle aus einfachen Molekülarten wird Energie benötigt, als deren Quellen vulkanische Prozesse, elektrische Entladungen (Blitze), die UV-Strahlung der Sonne, Schockwellen sowie kosmische und radioaktive Strahlung aus irdischen Materialien zur Verfügung standen. Welche dieser Energiequellen bei welcher Intensität für biogenetische Prozesse von entscheidender Bedeutung waren, wird gegenwärtig in breitem Umfang untersucht.

Ein relativ seltenes, aber weitverbreitetes und für den biotischen Stoffwechsel wichtiges Element ist der Phosphor. Entstehung und Anreicherung von Phosphaten wurden deshalb vielfach untersucht, ob Phosphorverbindungen aber bereits bei den ersten Phasen der Lebensentstehung eine Rolle spielten, ist noch völlig ungeklärt.
Im weitesten Sinne der Lebensentstehung wird heutzutage Phosphor als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt. Denn auch für Pflanzen gehört Phosphor neben Stickstoff, Kalium und Magnesium zu den 4 wichtigsten Nährstoffen. Da Phosphor allerdings ein eher seltenes Element ist, macht es Sinn über Phosphorrecycling das Element im Wertstoffkreislauf wieder in die Verwendung zu bringen, statt beispielsweise aus Tunesien Rohphosphor zu importieren, wobei dieses dann auch noch mit Cadmium und Uran verunreinigt ist.

 

Peptide und Proteine

 

Peptide und Proteine bestehen aus den gleichen Bausteinen, den Aminosäureresten. Peptide bestehen aus nur wenigen, Proteine dagegen aus Hunderten dieser Bausteine. Es gibt Hunderte verschiedener Aminosäuren, aber nur 20 von ihnen kommen in den Eiweißstoffen der Lebewesen vor. Aminosäuren verketten sich miteinander unter Aufnahme von Energie und Bildung eines Wassermoleküls. Die Verkettung wird ausgelöst durch vorherige Aktivierung des Aminosäuremoleküls. Die Aktivierung erfolgt entweder durch chemische Substanzen wie Bicarbonat oder Phosphorsäureester oder biologisch durch spezielle Proteine, die Enzyme, die eine katalytische Reaktion mit dem Energieträger ATP herbeiführen. Im Labor gelingt die Herstellung von Peptiden und Proteinen aus Aminosäuren unter den verschiedensten angenommenen präbiotischen Bedingungen. Man kann auch Peptide herstellen, die als Katalysatoren für den Aufbau komplexer Proteine aus Aminosäuren wirken und die autokatalytische Eigenschaften in Hyperzyklen zeigen entsprechend den Theorien von Manfred Eigen. Es gibt aber noch keine gesicherten Erkenntnisse, wie solche Peptide unter den Bedingungen der Urerde hätten entstehen können.

 

RNA-Welt

Die RNA-Welt-Hypothese besagt, dass RNA-Moleküle in der chemischen Evolution die Vorläufer der Organismen waren. Die Hypothese lässt sich ableiten aus der Fähigkeit der RNA zur Speicherung, Übertragung und Vervielfältigung genetischer Informationen sowie aus ihrer Fähigkeit, als Ribozyme Reaktionen zu katalysieren. In einer Evolutionsumgebung würden diejenigen RNA-Moleküle gehäuft vorkommen, die sich selbst bevorzugt vermehren. Um diese Hypothese experimentell zu stützen, wurden zahlreiche Versuche zur Synthetisierung von Nukleotiden und Nukleinsäurekomplexen aus den Grundsubstanzen Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil und Ribose durchgeführt. Obwohl die Reaktionsmechanismen weitgehend aufgeklärt werden konnten, gelang die Synthese häufig nur unter speziellen Bedingungen, unter den als wahrscheinlich anzunehmenden präbiotischen Bedingungen der Urerde jedoch bisher nicht. Die Frage, auf welchem Wege die ersten Ribonukleinsäure-moleküle entstanden sind und welche die ersten waren, ist deshalb ungeklärt.

 

 

Andere Theorien und Hypothesen

 

Da ein überzeugender Weg zur präbiotischen Synthese vieler organischer Substanzen bisher nicht gefunden ist, wird eine breite Forschung zur möglichen Synthese dieser Verbindungen unter verschiedensten, auch zunächst außergewöhnlichen Ausgangsbedingungen durchgeführt. Folgende Synthesewege wurden in Betracht gezogen:

·       Kristalline Schichten bildende Tonmineralien mit konzentrationserhöhender und katalytischer Wirkung

·       Hydrothermale Quellen bei sehr hohen Temperaturen und Drücken bis zu überkritischen Zuständen des Wassers, wie sie in vulkanaktiven Tiefseegräben vorkommen

·       Schwefeleisenverbindungen mit katalytischen Eigenschaften

·       Bildung von Kohlehydraten aus atomarem Kohlenstoff in vulkanischen Materialien

 

Es wird über zahlreiche gelungene oder fehlgeschlagene Syntheseversuche berichtet. Die Bedeutung dieser Untersuchungen für die Aufklärung der Biogeneseprozesse ist aber vielfach umstritten.

 

Genetischer Code

 

Es ist eine gesicherte Erkenntnis, dass das heutige Leben auf einer fehlerarmen Replikation der Nukleinsäuresequenzen der Gene beruht, die den Aufbau der zum Leben erforderlichen Eiweißstoffe aus Aminosäureresten codieren und steuern.

Nicht genau bekannt ist aber, wie der genetische Code evolutionär entstanden ist, obwohl Ähnlichkeitsbeziehungen zwischen den Nukleotiden und zwischen den von ihnen codierten Aminosäuren einen stufenweisen evolutionären Aufbau des Codierungssystems vermuten lassen. Zur Entstehung des Lebens gibt es drei konkurrierende Modellvorstellungen.

Die Biogenesetheorie von M. Eigen geht davon aus, dass sich zunächst die Replikation der Nukleinsäuremoleküle entwickeln musste, da nur dadurch eine hinreichend fehlerarme Reproduktion möglich ist. Die Entwicklung komplexerer Moleküle erfolgt dann durch gelegentliche zufällige Kopierfehler mit positivem Einfluss auf die Reproduktionsgeschwindigkeit, wodurch eine automatische positive Selektion dieser Eigenschaft erfolgt. Eine Schwäche dieses Modells ist es, dass mit zunehmender Länge der Nukleotidketten die Fehlerhäufigkeit zunimmt, was nur durch einen hohen Selektionsvorteil des mutierten Systems ausgeglichen werden kann. Die Theorie nimmt deshalb einen Hyperzyklus sich gegenseitig katalysierender RNA-Moleküle an, der entsprechend hohe Selektionsfaktoren erzielen könnte. Anstelle von Hyperzyklen nimmt das Biogenesemodell von H. Kuhn äußere zyklische Einflüsse wie Sommer und Winter, Tag und Nacht oder Ebbe und Flut an, die dazu führen sollen, dass sich bei der Evolution der Quasiarten Perioden abwechselten, in denen sich alle Mutanten stürmisch vermehrten bzw. einer starken Mutation und Selektion unterworfen wurden.

Ein alternatives Modell entwickelte F. Dyson. Nach dieser Theorie entstand zunächst ein intensiver Stoffwechsel, der auf eine exakte Replikation verzichtete und noch bei Fehlerraten von 25 – 30% ausreichende Reproduktion gewährleistete. Computersimulationen zeigten, dass bei 8 bis 10 verschiedenen monomeren Bausteinen (Aminosäuren) und 60 bis 100 verschiedenen katalysierten Reaktionsarten zwischen ihnen statistische Übergänge von Unordnung zu Ordnung erfolgen, wenn  die Population im Bereich von 2000 bis 20000 Individuen liegt. Ist die Anzahl der Bausteine zu groß, geht die Population zu Grunde, ist die Anzahl der Reaktionsmöglichkeiten zu groß, erstarrt das System und entwickelt sich nicht weiter.

An diesem Modell wird kritisiert, dass es keine Darwinsche Selektion des Metabolismus kennt und die Evolution der Population nur durch zufällige Drift erfolgt.

Welches dieser Modelle das zutreffendere ist, konnte bisher nicht experimentell belegt werden.

 

Grundlegende Phänomene

 

Mit der Entstehung des Lebens sind zwei grundlegende Phänomene verbunden. Zum einen erhöht sich durch Strukturbildung der Ordnungszustand in einem lebenden System, im Gegensatz zu der sonst in allen anderen Systemen  entsprechend dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik wirksamen universellen Tendenz zur Erhöhung der Unordnung, ausgedrückt durch das Wachstum der Entropie. Dieses Phänomen wurde durch die Untersuchung der Thermodynamik irreversibler Prozesse von Bertalanffy aufgeklärt, demzufolge jede Strukturbildung durch Selbstorganisation nur in offenen Systemen in einem Fliessgleichgewicht erfolgen kann, indem ständig Entropie aus dem System in die Umwelt exportiert wird.

Das zweite Phänomen ist die Chiralität, welche die Unsymmetrie der Biomoleküle beschreibt. Bei allen Labor-Synthesen nichtspiegelsymmetrischer organischer Moleküle aus anorganischen Substanzen entstehen stets gleiche Anteile der zueinander spiegelsymmetrischen Molekülsorten, während in den biotisch entstandenen Substanzen, die in Lebewesen synthetisiert wurden, jeweils nur eine Molekülsorte vorliegt, die dazu spiegelsymmetrische aber fehlt. In der konventionellen Hypothese wird dies dadurch erklärt, dass das Leben nur einmal entstanden ist und dabei zufällig die eine der Molekülsorten beteiligt war. Seit der Entdeckung der Nichterhaltung der Parität beim Beta-Zerfall der Atomkerne vermutet man eine generelle diesbezügliche Unsymmetrie der Naturgesetze, die eine höhere Stabilität der in Lebensprozessen eingebauten Molekülsorten bewirken und zu einer selektiven Bevorzugung führen könnte. Weiterhin untersucht man die Einflüsse polarisierter  Strahlung aus dem Universum auf die Stabilität dieser Moleküle. Die zu Klärung dieser Phänomene durchgeführten Experimente haben aber noch nicht zu eindeutigen Ergebnissen geführt.

 

Urzellen und Zellmodelle

 

Paleontologische Befunde weisen nach drei verschiedenen voneinander unabhängigen Methoden darauf hin, dass Leben bereits vor 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde existierte, und zwar in Form von Mikrolebewesen mit einer Zellstruktur. Funde, welche die Entstehung des Lebens auf eine Zeit vor 3,8 Milliarden Jahren datieren, werden jedoch noch angezweifelt.

Theoretisch und experimentell konnte gezeigt werden, das einfache organische Moleküle mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Ende (Lipide) von selbst Vesikel mit einer Membran ausbilden und dass im Innenraum einer solchen Micelle enzymkatalysierte Reaktionen ablaufen können, die zu einer Erhöhung der Konzentration bestimmter Nuklide und Aminosäuren im inneren führen. Man kann deshalb annehmen, dass in diesen Vesikeln von selbst die Bedingungen bezüglich der erforderlichen Ausgangskonzentrationen entstehen konnten, die für die Polymerisation von Nukliden und Aminosäuren notwendig sind. Derartige Vesikel könnten deshalb als Vorstufe des Lebens angesehen werden.

Während die stammesgeschichtliche Verwandtschaft der höheren Pflanzen und Tiere aus Vergleichen anatomischer und physiologischer Merkmale abgeleitet werden kann, ist diese Methode bei den Mikroorganismen nicht möglich. Bei diesen können jedoch die Verwandtschaftsbeziehungen aus den Ähnlichkeiten der Nukleinsäure- und Aminosäuresequenzen der Biomoleküle abgelesen werden. Derartige Untersuchungen zeigen, dass die gesamte Lebenswelt nicht wie früher angenommen, aus einer einzigen Urzelle hervorgegangen ist, sondern dass es bei den Einzellern infolge des horizontalen Genaustausches ein Gewirr von Querverbindungen zwischen verschiedenen Entwicklungslinien gibt. Danach gibt es drei Reiche von Einzellern, die Eukaryoten mit Zellkern, die Prokaryoten ohne Zellkern und die Archaebakterien. Optimale Lebensbedingungen der Archaebakterien sind heiße Quellen, saueres Milieu, sauerstofffreie Atmosphäre und hohe Salzkonzentrationen. Eukaryoten, Prokaryoten und Archaebakterien sind zwar miteinander verwandt, haben aber keinen gemeinsamen Vorfahren, sondern stammen von unterschiedlichen Vorläufern ab, die im einzelnen noch unbekannt sind. Die Eukaryoten übernahmen ihre Mitochondrien und Chloroplasten von unterschiedlichen Bakterien und entwickelten sich zu Tieren, Pilzen und Pflanzen.

Der aus der Untersuchung der Verwandtschaftsverhältnisse der Proteinsequenzen abgeleitete Entstehungszeitpunkt der Urzellen liegt jedoch um 1,8 Milliarden Jahre später als der aus fossilen Funden abgeleitete. Die Ursache der Differenz ist ungeklärt.

 

Extra -  und Astrobiologie

 

Trotz intensiver Forschung wurden bisher noch keine Anzeichen für extraterrestisches Leben gefunden. Innerhalb des Sonnensystems werden insbesondere der Mars, der Jupitermond Europa und der Saturnmond Titan nach Lebensspuren untersucht.

Auf dem Mars konnte bisher nur in Polnähe Wasser-Eis nachgewiesen werden. Die Existenz von Wasser gilt bislang als Bedingung für die Existenz von Leben. Biomoleküle oder Leben konnten aber nicht gefunden werden, obwohl auf der Erde unter marsähnlichen Umweltbedingungen bakterielles Leben existiert.

Auf dem Jupitermond Europa gibt es einen Eispanzer und freien Sauerstoff in der Atmosphäre, es wurden aber noch keine Lebensspuren gefunden.

Auf dem Saturnmond gibt es Wasser-Eis und  Eis von Kohlenwasserstoffen, aber keine Biomoleküle.

Die Entdeckung von Leben außerhalb des Sonnensystems setzt die Suche nach anderen Planetensystemen voraus. Bisher wurden 147 ferne Planeten entdeckt und monatlich werden es mehr. Erdähnliche Planeten mit lebensfreundlichen Bedingungen kann es aber nur in einer mittleren Entfernung vom Zentrum der Galaxis geben, im Zentrum der Milchstraße ist die kosmische Strahlung aus Neutronensternen und Supernovae zu hoch und an am Rande der Milchstraße ist der Gehalt an schweren Elementen zu niedrig, so dass sich keine erdähnlichen Planeten bilden können. Abschätzungen, mit welcher Wahrscheinlichkeit intelligentes Leben im Universum existiert, sind bisher rein spekulativ und weisen auf eine wahrscheinliche Mindestentfernung von 200 Lichtjahren hin.

Experimente an Bakteriensporen zeigten, dass solche Sporen nur in größeren Gesteinsbrocken den in Frage kommenden kosmischen Transport überleben könnten. Der extraterrestrische Ursprung des irdischen Lebens ist deshalb zwar nicht unmöglich, aber unwahrscheinlich und in keiner Weise nachgewiesen.

Die Beantwortung der Frage, ob Leben künstlich geschaffen werden kann, hängt stark von der Definition des Lebens ab. Künstliches Leben setzt jedenfalls die hochgradige Abstraktion voraus, dass Leben nicht unbedingt etwas Materielles sein muss, sondern auch aus reiner Information bestehen kann und nicht von selbst entstehen muss.

Erstes Leben auf der Erde muss im Zeitraum zwischen der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren bis zum Zeitpunkt vor 3,5 Milliarden Jahren entstanden sein, für den erste Lebensspuren nachgewiesen sind. In diesem Zeitraum gab es allerdings katastrophale Einschläge von Asteroiden und Planetisimalen, die nach jeweils spätestens 100 Millionen Jahren jegliches eventuell entstandenes Leben wieder vernichtet hätten. Es standen also maximal 100 Millionen Jahre für die Entstehung des Lebens zur Verfügung. Ob dieser Zeitraum ausreichte, ist ungewiss, solange man nicht den konkreten Pfad der Entstehung des Lebens gefunden hat, der dies ermöglichen würde. In diesem Zeitraum mussten

·       Die organischen Bausteine synthetisiert werden,

·       Das erste replizierende System entstehen und

·       Das erste Bakterium aus dem ersten replizierenden System evolvieren.

 

 

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