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Diffiziler Übergang

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 27.05.2010 16:33

Der Ursprung des Lebens ist ein heikler Punkt für die Biologie. Sobald sich die erste Zelle gebildet hat, ist es einfach: Mit den Mechanismen der Evolution kann man die Entwicklung in immer komplexere Lebensformen nachspielen. Aber der Schritt von der unbelebten Materie zu dieser allerersten Zelle ist immens schwierig, solange man nicht einen Schöpfungsakt annimmt. Biologen aus Großbritannien und Deutschland haben jetzt einen Weg vorgeschlagen, der die berühmten, aber ausgetretenen Pfade vermeidet.

Bakterienmatten in der Tiefsee"Es ist notorisch schwierig, Leben zu definieren und zum Beispiel festzulegen, ob ein Virus lebendig ist", betont Nick Lane, Forscher am University College in London. Viren sind im Grunde Kapseln voller Erbgut, die die Hilfe von wirklichen Organismen brauchen, um sich fortzupflanzen. Doch auch sie sind derart komplex aufgebaut, so dass es eine lange Evolutionsreihe brauchte, bevor sie die Szene betreten konnten.

Die Wissenschaftler suchen nach einem plausiblen Szenario, in dem all diese Zwischenschritte ablaufen konnten und sich die Elemente eines Organismus nach und nach bildeten, bis eben die erste Zelle entstanden war. Denn alle bisher diskutierten Szenarien haben an der einen oder anderen Stelle ihre Probleme. So hat es die berühmte "Ursuppe" aus Methan und Ammonium, in der vor rund 80 Jahren der britische Biologe J.B.S. Haldane den ersten Organismus entstehen lassen wollte und die die beiden US-Chemiker Harold Urey und Stanley Miller 1953 nachkochten, wohl nie auf der frühen Erde gegeben. Die gleichermaßen einflussreiche RNA-Hypothese, der zufolge die sowohl zur Datenspeicherung als auch zur Katalyse fähige Ribonukleinsäure das zentrale Element der ersten Lebewesen gewesen sei, hat ebenfalls Haken. Viele Enzyme, die eben heutzutage die katalytischen Arbeitspferde in Zellen sind, stehen offenbar den Nukleinsäuren an Alter nicht nach.

Schwarzer RaucherLane und seine Mitstreiter von den Universitäten Queen Mary in London und Heinrich-Heine in Düsseldorf versuchen es dagegen mit einem langen Evolutionsprozess, an dessen Ende ein unseren heute bekannten Bakterien und Archäen doch ziemlich ähnlicher Organismus steht. Dafür braucht es über einen langen Zeitraum stabile Bedingungen, denn "das Faszinierende an diesem Prozess ist", betont der Forscher, "dass irgendwann einmal Geochemie in Biochemie umschlägt, und das in einem kontinuierlichen Übergangsprozess". Stabile Bedingungen, und das über einen sehr langen Zeitraum, das kann ein möglicher Standort für die Wiege des Lebens allerdings aller bisherigen Erfahrung nach nicht bieten. Die schwarzen Raucher sind zwar chemisch extrem produktiv, aber geologisch gesehen sehr kurzlebige Erscheinungen. Alle bisher bekannten Schlote sind nur wenige Jahrzehnte aktiv. "Zwar sind sie eine viel bessere Umgebung als Haldanes Ursuppe", so Lane, "aber gleichzeitig sind sie auch zu heiß für komplexe biochemische Reaktionen."

Lost CityEin anderes hydrothermales System vom Meeresgrund, Lost City, bietet dagegen nach Ansicht der Forscher entscheidende Vorteile. Hier wird aufgrund einer geochemischen Reaktion des Gesteins im Untergrund mit dem Ozeanwasser extrem basisches und auf rund 90 Grad aufgeheiztes Wasser aus dem Untergrund abgegeben. Beim Kontakt mit dem Meerwasser fällt unter anderem Kalk aus, aus dem die berühmten Türme der "Stadt" errichtet sind. "Die sind zwar visuell viel weniger interessant als die Schwarzen Raucher", erklärt Nick Lane, "aber sie bieten weniger gewalttätige Bedingungen zu wesentlich erträglicheren Temperaturen." Und sie bestehen über ausreichend lange Zeiträume hinweg. Datierungen an Lost City haben ergeben, dass sie mindestens 30.000 Jahre alt ist, die Entdecker von der Universität von Washington in Seattle gehen sogar davon aus, dass 100.000 Jahre nicht übertrieben sind. "Für uns besonders interessant ist aber", so Nick Lane, "dass in diesen Türmen Blasen entstehen, die katalytische Wände aus Eisen-Schwefel-Verbindungen haben und ein Protonengefälle zur Verfügung stellen." Von Eisen und Schwefel gab es im damals noch sauerstofflosen Meerwasser gewaltige Mengen. Davon erzählen heute noch die Eisenlagerstätten.

Wolkenkratzer in Lost CityDamit liefert Lost City gleich mehrere notwendige Bedingungen für eine Entwicklung, an deren Ende so etwas wie die Urzelle stehen könnte. Die Blasen sind Reaktionskammern, in denen die chemischen Reaktionen konzentriert ablaufen können - in einer Ursuppe wäre das zum Beispiel eine der Schwierigkeiten. Durch das Protonengefälle zwischen Drinnen und Draußen steht in diesen winzigen Reaktoren aber auch eine Energiequelle zur Verfügung, die auch heute noch von Zellen genutzt wird. Da die Bläschen untereinander mit winzigen Kanälen verbunden waren, kann es auch einen permanenten Stoffaustausch und Nachschub gegeben haben. "Es ist sehr wahrscheinlich, dass der letzte gemeinsame Vorfahr von uns allen an Quellen wie denen von Lost City entstanden ist", betont Lane, "aber dieser Organismus konnte seine steinerne Zelle nicht verlassen, jedenfalls nicht so lange, wie er den Trick mit der zelleigenen Energieversorgung noch nicht heraus hatte." Es ging ihm also in gewisser Weise wie den Viren, die für ihre Fortpflanzung auch fremde Hilfe brauchen. Erfolgreich sind sie trotzdem, warum sollte solch ein ursprünglicher Organismus also nicht auch reüssieren.
 
Zwingend für die frühesten Lebensformen sind Mobilität und energetische Unabhängigkeit jedenfalls nicht, davon sind Nick Lane und seine Kollegen überzeugt. Die Lebewesen, die noch in ihren Bläschen festsaßen, waren bereits ziemlich ausgefeilt und sollen RNA benutzt haben, um ihre Erbinformation weiterzugeben. Dabei ist das Ganze anscheinend zweimal gelungen - einmal bei den Bakterien und einmal bei den Archäen. Diese Einzeller sehen zwar aus wie Bakterien, sind aber anders aufgebaut und unterscheiden sich auch biochemisch so stark, dass sie unterschiedliche Wurzeln haben müssen.

Aktiver SchlotBeide müssen sich allerdings auch irgendwann aus ihren steinernen Gefängnissen befreit haben, denn steingebundene Organismen sind auf der heutigen Erde unbekannt. Die Urahnen von Bakterien und Archäen haben also irgendwann einmal ihre eigenen Membranen gebildet und gelernt, sich selbst mit Energie zu versorgen. Funktioniert hat das allerdings nur unter bestimmten Bedingungen, die aber nach heutigen Erkenntnissen auf der frühen Erde gegeben waren. Hydrothermale Systeme wie Lost City sollen damals viel häufiger als heute gewesen sein, und auch das Ozeanwasser trug seinen Teil zum Gelingen der "Schöpfung" bei. In ihm waren Unmengen an Eisen und Schwefel gelöst. Heute würde ein solcher Mechanismus nicht mehr funktionieren, denn das Meer enthält sehr viel weniger Eisen als der Ozean damals.

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