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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.