In der Biologiestunde jeder Schulklasse rasselt irgendwann einmal eine Aufziehmaus über den Tisch, und der Lehrer fragt, warum diese denn eigentlich nicht lebe. Sie bewegt sich, verbraucht Energie und reagiert sogar auf die Umgebung, indem sie nach dem Anstoßen an ein Hindernis eine andere Richtung einschlägt. Es gibt schon Roboter, die Kopien ihrer selbst basteln, sich also vermehren können, und Computerviren, die zur Evolution fähig sind. Kann man sie als lebendig bezeichnen?
Die früheren Kriterien zur Definition des Lebens reichen längst nicht mehr aus. Wenn man aber nicht einmal genau sagen kann, was das ist, das Leben, wie will man dann feststellen können, wann und wo in der Erdgeschichte der Übergang vonstatten ging: von der toten Chemie zur lebendigen Biologie? “Es wäre leicht, gäbe es eine Stufe, an der das Lebende klar als lebend zu erkennen wäre”, grübelt Bernd-Olaf Küppers, Professor für Philosophie an der Universität Jena. “Nehmen wir aber eine langsame Zunahme lebenstypischer Kriterien an, so sind wir gezwungen, an irgendeiner Stelle zu sagen: Ab jetzt beginnt das Leben. Ob man das aber schon bei einem Virus tut oder erst bei einer einfachen Algenzelle oder einem primitiven Bakterium – man definiert das Leben eigentlich immer nur mit sich selbst, mit der Tatsache eben, daß es lebt.”
Nicht ohne Grund scheuen alle, die sich mit den Anfängen des Lebens beschäftigen, davor zurück, seine untere Grenze zu definieren. Sie fragen lieber, wie und unter welchen Bedingungen die Bausteine des Lebens entstanden sein könnten und wie sie zu funktionierenden Einheiten zusammengefunden haben – von einfachen Kohlenstoffverbindungen über lange Ketten von Informationsträgern bis hin zur ersten Zelle, die sich mit einer Hülle vom unbelebten Milieu abkapselte. Die folgenden Seiten beschreiben diese sieben Stufen zum Leben.
Am Anfang war Chemie
Leben auf der Erde, wie wir es heute kennen, ist chemisch gesehen eine raffinierte Verknüpfung von Kohlenstoffverbindungen. Leben ohne Kohlenstoff gibt es auf der Erde nicht, nur Kohlenstoff macht den Unterschied zwischen der “anorganischen” – Kohlenstoff-freien – und der “organischen” Chemie. Fette und Zucker enthalten Kohlenstoff; Proteine und Nukleinsäuren – die Träger des Lebens – sind ohne Kohlenstoff nicht denkbar. Die Proteine bestehen aus Ketten von Aminosäuren mit einem Kohlenstoffskelett, die Nukleinsäuren aus unterschiedlichen Kohlenstoffringen, an denen Zukker und Phosphate hängen. Schon die Bildung dieser Stoffe auf einer anfänglich nicht nur lebensfreien, sondern sogar lebensfeindlichen Erde ist umstritten.
Dabei schien es einmal so einfach. Im Jahre 1953 mischte Stanley Miller an der Universität Chicago in einem Glaskolben die Gase zusammen, die, wie man zu der Zeit vermutete, etwa vier Milliarden Jahre früher die Erdatmosphäre gebildet hatten: Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf. Diese “Uratmosphäre” leitete er in einem geschlossenen Kreislauf durch einen zweiten Kolben mit heißem Wasser, bestrahlte sie mit UV-Licht und zündete darin elektrische Entladungen. Damit simulierte er den Einfluß von Sonne und Gewitter auf die Urozeane. Das Ergebnis steht heute in jedem Biologiebuch: Im Wasserkolben sammelten sich organische Moleküle, darunter auch Aminosäuren.
Die spontane Bildung dieser Lebensbausteine in den ersten warmen Ozeanen schien plausibel. Schnell setzte sich die Idee der “Ursuppe” durch, einer dicken Brühe organischer Verbindungen, in der allein der Zufall es fügte, daß sich diese Bausteine zu längeren, komplizierten Molekülen verbanden.
Seit einiger Zeit wird dieses Szenario jedoch angezweifelt. Einer der Skeptiker ist Prof. Klaus Dose, emeritierter Biochemiker an der Universität Mainz. “Wir wissen heute, daß die Mengen von Methan und Ammoniak, die Miller nahm, viel zu hoch waren. Wiederholt man seine Versuche mit den Konzentrationen, die Geologen jetzt für wahrscheinlich halten, so ist die Ausbeute an organischen Stoffen nur sehr gering.” War es also nichts mit der Ursuppe, den molekülschwangeren “warmen Tümpeln”, in denen schon Charles Darwin die Zeugung des Lebens vermutet hatte? Woher aber kommen die Lebensbausteine dann?
Vielleicht von außerhalb der Erde. Astronomen haben längst nachgewiesen, daß auch im Weltall organische Moleküle existieren, unter anderem Formaldehyd und Essigsäure. In Meteoriten wurden sogar Aminosäuren gefunden.
Kometen bringen wahrscheinlich zahlreiche komplexe Moleküle aus dem Weltraum mit. In der Frühzeit des Sonnensystems könnten die Brocken aus dem All daher unsere Planeten mit den chemischen Ingredienzien für die Lebensentstehung versorgt haben. 40000 Tonnen kosmischer Staub rieseln noch heute jährlich auf die Erde.
Selbst das lebenswichtige Wasser könnte aus dem All stammen. 1986 behauptete der Geophysiker Prof. Louis Frank von der Universität Iowa, daß täglich 30000 kleine Schneeballkometen auf die Erde prasseln. Im Mai 1997 glaubte er sogar, die Leuchtspuren dieser verdampfenden Wasserlieferanten nachgewiesen zu haben. Viele Experten zweifeln allerdings an Franks Hypothese vom Bombardement mit kosmischen Schneebällen. Sie halten es für wahrscheinlicher, daß große Wassermengen von Kometen – samt vieler chemischer Verbindungen – vor ein paar Milliarden Jahren die Urerde befruchteten.
“Die meisten Geophysiker stimmen überein, daß Kometen einen großen Beitrag zur Wasserhülle unseres Planeten geleistet haben könnten. Da diese Kometen nicht nur Wasser enthalten, sondern auch organische Moleküle, kann man sich gut vorstellen, daß diese sich auf der Erde stark anreicherten”, spekuliert Dose.
Eine Impfung mit echten Lebenskeimen aus dem All, hält er allerdings für unwahrscheinlich. In Versuchen unter Weltraumbedingungen hat Dose gefunden, daß komplizierte Nukleinsäureketten dort sehr schnell zu Bruch gehen. Aber selbst wenn sie die Reise im Inneren eines Kometen geschützt überstehen könnten, würde das Problem, wie die ersten Lebensbausteine entstanden sind, dadurch nicht gelöst, sondern nur verlagert.
Alle Versuche zu erklären, wie sich die kohlenstoffhaltigen Kettenmoleküle bildeten, ohne die das Leben nicht denkbar ist, enthalten eine große Unbekannte: Bei welcher Temperatur spielte sich der Prozeß ab? “Auf den internationalen Kongressen geht dieser Streit von einem Extrem zum anderen”, berichtet Prof. Karl-Otto Stetter, Mikrobiologe an der Universität Regensburg.
Stanley Miller zum Beispiel nahm eher kühle bis mittlere Temperaturen an, andere Forscher meinen sogar, gerade die Grenze von Eisschichten könnte günstige Bedingungen zur Bildung großer organischer Moleküle geboten haben. “Das ist leider experimentell schwer nachzuweisen”, meint Dose. “Bei tiefen Temperaturen laufen alle chemischen Reaktionen nur sehr langsam.”
Ein ganz anderes Szenario, einen Ursprung in vulkanischer Hitze, entwarf in den achtziger Jahren der Münchner Chemiker Prof. Günter Wächtershäuser. Zugleich schlug er einen Weg vor, wie die ersten Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Stickstoff-Atomen zustande gekommen sein könnten. Ohne Stickstoff gibt es keine Aminosäuren, und aus den Aminosäuren entstehen alle die komplizierten Eiweiße, die die Lebensvorgänge steuern.
Heute sorgen Enzyme für diese Verbindung, die es damals noch nicht gab. Des Rätsels Lösung, so Wächtershäuser, sei Pyrit, auch “Katzengold” genannt, chemisch FeS2. Bei der Bildung von Pyrit aus Eisensulfid und Schwefelwasserstoff entsteht genau die Menge Energie, die eine C-N-Bindung möglich mache. Sogar kurze Molekülketten kann diese Reaktion wachsen lassen, wie Wächtershäuser in Experimenten nachwies.
Eisensulfid und Schwefelwasserstoff sind typische Produkte des Vulkanismus. Organisierten sich die Grundmoleküle des Lebens also in einem Milieu, wie wir es heute an Vulkanschloten finden, auf der goldglänzenden Oberfläche pyritbedeckter Felsen? Zunächst schien diese Idee abwegig. Nachdem aber bei Tiefsee-Expeditionen die sogenannten “Schwarzen Raucher” gefunden worden waren, aktive Vulkanschlote am Meeresboden, sah vieles anders aus.
Der Regensburger Mikrobiologe Karl-Otto Stetter fand dort in mehr als 2000 Meter Tiefe, bei hohem Druck, ohne Sauerstoff und in einer Brühe von Schwefelwasserstoff und Schwermetallen – unter anderen Arsen, Quecksilber, Blei und Kupfer – ganze Lebensgemeinschaften von Würmern und kleinen Krebsen. Die Basis dieser Ökologie sind Bakterien, die Reaktionen des Schwefels nutzen. Dennoch, so Stetter, ist es um Wächtershäusers Theorien in der Fachwelt heute eher still geworden. “Noch immer ist unklar, wie in einem solchen chemischen Szenario aus dem flüchtigen Kohlendioxid stabile Kohlenwasserstoff-Ketten geworden sein könnten.”
Die Idee aber, daß sich die Verbindung organischer Moleküle zu langen Ketten nicht im freien Wasser, sondern an festen Oberflächen abspielte, hat auch für Vertreter anderer Reaktionstheorien ihren Reiz. Nicht die pyritbedeckten Oberflächen heißen Gesteins seien mögliche Katalysatoren gewesen, sondern Ton, meint seit den sechziger Jahren Prof. Graham Cairns, Geowissenschaftler an der Universität Glasgow. Er verweist vor allem auf ein Tonmineral mit dem Namen Montmorellionit. Es hat ganz erstaunliche Eigenschaften: An elektrisch geladene Partien seiner Oberfläche können sich Aminosäuren anlagern, die sich schon bei leichtem Erhitzen zu kurzen Eiweißketten, den Peptiden, verbinden. Tonmineral als Katalysator des Lebens – eine Idee, die schon in der Schöpfungsgeschichte der Bibel auftaucht, nach der Gott den Menschen aus einem Klumpen Lehm formte. Die naturwissenschaftliche Version dieser Idee hat allerdings einen Mangel: Die Aminosäuren, die sich zu Eiweißketten verbinden, lagern sich am Ton immer zufällig zusammen. Peptide und Proteine erfüllen ihre jeweilige Funktion aber nur mit einer genau festgelegten Reihenfolge von Aminosäuren. Wie könnte diese Reihenfolge gespeichert und wie könnte die Information darüber weitergegeben worden sein? Heute erfüllen diese Aufgabe Nukleinsäuren – neben den Proteinen die zweite große Klasse von kohlenstoffhaltigen Kettenmolekülen. Nukleinsäuren aber gab es ja noch nicht. Oder doch?
Phänomen Leben: Die Bausteine
Nur 20 Aminosäuren sind die Bausteine aller Eiweiße, der Proteine. Durch die unterschiedliche Anordnung in Ketten und die Länge dieser Ketten können sie theoretisch mehr Eiweiße mit verschiedenen Funktionen bilden, als Atome im Kosmos existieren. Es gibt wasserabstoßende Aminosäuren und solche, die den Kontakt mit Wasser suchen. Die Anordnung der Aminosäuren in wässriger Umgebung – ob im Urozean oder im Körperinneren – bestimmt die dreidimensionale Struktur der daraus entstandenen Eiweiße, die Form wiederum gibt die Funktion vor.
Eine kurze Kette aus zwei bis mehreren hundert Aminosäuren wird Peptid genannt. Der Übergang zu Proteinen ist unscharf. Manche einfachen Hormone des Gehirns und der Bauchspeicheldrüse (Insulin) bestehen aus Peptiden.
Proteine werden auch als “Eiweiß” bezeichnet, weil die ersten Proteine aus Hühnereiweiß gewonnen wurden. Sie können aus Millionen Aminosäuren in mehreren aneinandergelagerten Ketten bestehen. Der menschliche Körper besitzt mehr als 100000 verschiedene Proteine, die an allen Lebensfunktionen beteiligt sind: Sie bewegen die Muskeln, transportieren Nährstoffe, bilden Hormone und das Immunsystem des Körpers. Wenn Proteine durch ihre Gegenwart andere Stoffwechselprozesse katalysieren, nennt man sie Enzyme.
Leben ist Information
Lange Ketten, da sind sich die Forscher einig, sind der Schlüssel des Lebens. Wenn “Leben” vor allem die Speicherung von Information bedeutet, wie der Jenaer Physiker und Philosoph Prof. Bernd-Olaf Küppers sagt, dann stellt sich die Frage nach seinem Medium. So wie das gesprochene Wort erst auf Papier oder Magnetband materialisiert und dann weitergegeben und verändert werden kann, so braucht auch die Lebensinformation eine stoffliche Basis für Fortpflanzung und Evolution.
Heutiges Leben gibt seine Information nur in eine Richtung weiter: von der Nukleinsäure DNA zum Funktionsträger Protein. Dies ist seit den fünfziger Jahren das “Zentrale Dogma” der Biologen: Am Anfang steht die bekannte Doppelhelix aus Desoxyribonukleinsäure-Bausteinen. Diese DNA – mehrere Sammelbände mit vielen Gebrauchsanweisungen – vervielfältigt sich bei jeder Zellteilung selbst. Die Information der DNA ist in der Reihenfolge ihrer Bausteine – den Buchstaben des Alphabets – gespeichert. Kopiert wird die Information von der Ribonukleinsäure (RNA), einem sehr ähnlichen, aber einsträngigen Kettenmolekül. Die RNA-Kopie steuert die Reihenfolge, in der die Aminosäuren zu Eiweißmolekülen verkettet werden. Die Folge der Aminosäuren bestimmt wiederum, welche Aufgaben ein Protein in einem lebenden Organismus erfüllen kann.
Die Frage, wie erste informationspeichernde Moleküle sich nicht nur gebildet, sondern auch vermehrt und verbessert haben könnten, gleicht dem klassischen Henne-Ei-Problem. Sowohl DNA als auch RNA hängen bei ihrer Bildung von Enzymen ab. Enzyme sind besondere Arten von Eiweißen, die erst nach der Information gebaut werden, die auf den Nukleinsäuren gespeichert ist. Keine Komponente hätte anfangs allein einen Mechanismus in Gang bringen können, wie er typisch ist für das uns bekannte Leben.
Heute steht bei allen Lebewesen die DNA am Anfang der Informationskette, außer bei einigen Viren – aber ob Viren überhaupt leben, darüber sind die Wissenschaftler verschiedener Meinung. Bedeutet dies, daß DNA schon zu Beginn des Lebens der Speicher für Informationen war?
Nicht unbedingt, meint der Mainzer Chemiker Klaus Dose. Die DNA habe zwar als Informationsspeicher große Vorteile, vor allem wegen ihrer chemischen Stabilität. Die kommt dadurch zustande, daß alle labilen Angriffspunkte im Inneren der Doppelhelix liegen und sich damit selbst schützen. Der komplizierte Mechanismus, mit dem die in ihr enthaltene Information abgelesen und weitergegeben wird, macht es aber gleichzeitig unwahrscheinlich, daß die DNA am Anfang der Entwicklung stand. Denn der dicht verdrillte Molekülfaden muß sich stets zunächst entfalten und strecken und dann noch wie ein Reißverschluß teilen, ehe die Information offen liegt.
Proteine sind laut Dose die besseren Kandidaten für die ersten Systeme, denn sie sind in der Lage, sich selbst zu kopieren – auch wenn er damit das “Zentrale Dogma” umkehrt: “Proteine sind die besten hochspezifischen Bio-Katalysatoren. Allein durch die Vielfalt ihrer verschieden geladenen und geformten Komponenten – der Aminosäuren – sind sie hervorragend zur Wechselwirkung mit anderen Molekülen geeignet. Es ist durchaus vorstellbar, daß Proteine am Anfang standen und die Nukleinsäuren erst später kamen.”
Eine solche Ansicht hätte noch vor wenigen Jahren ketzerisch gewirkt, doch dann beschrieb der Biochemiker Reza Ghadisi vom Scripps Research Institute in La Jolla (USA) im Sommer 1996 ein Enzym, das aus Bruchstücken seiner selbst wieder komplette Enzyme herstellen kann. Spontane Reorganisation nach dem eigenen Vorbild – eine Fähigkeit, die man bisher nur Nukleinsäuren zuschrieb. “Sind Proteine der wahre Schlüssel des Lebens?” titelte das britische Fachblatt New Scientist. Soweit will Ghadisi aber noch nicht gehen. Vielleicht sei sein sich selbst erstellendes Protein ja nur eine Laune der Biochemie.
Dritter Kandidat ist die RNA, der heutige Informationsmakler zwischen DNA und Protein. Schon 1969 wurde die RNA von den Professoren Leslie Orgel vom Salk Institute im amerikanischen La Jolla und Nobelpreisträger Francis Crick, einem der Entdecker der DNA-Doppelhelix, in den Vordergrund gestellt. Für die RNA sprechen vor allem die verschiedenen Formen dieses Moleküls, die auch heute noch wichtige Funktionen in der Zelle ausüben.
Das wichtigste Argument aber für eine “RNA-Welt” vor der geregelten Arbeitsteilung von DNA, RNA und Proteinen lieferte die Entdeckung der sogenannten Ribozyme, für die die amerikanischen Chemie-Professoren Sidney Altman und Thomas Cech 1989 den Nobelpreis erhielten. “Ribozym” ist eine sprachliche Chimäre aus den Begriffen “Ribonukleinsäure” und “Enzym”. Diese besondere RNA ist in der Lage, auch ohne eine DNA-Vorlage Bruchstücke von RNA zu Ketten zusammenzufügen und sogar an einen Strang einen zweiten, spiegelbildlichen anzulagern. Das ist die Voraussetzung für das Kopieren der Erbinformation.
Phänomen Leben: Die Baupläne
Der Bauplan für die Proteine ist im Erbgutmolekül DNA festgeschrieben. Obwohl der DNA-Faden länger ist als viele Proteine, besteht der informationstragende Teil – die Sprossen der berühmten Wendeltreppe – nur aus vier Elementen: den Nukleinsäuren Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Einzelne DNA-Abschnitte, die eine spezielle Informationseinheit bilden, nennt man Gen, die Gesamtheit aller Erbanlagen eines Organismus sein Genom.
In der RNA ist die Nukleinsäure Thymin durch das ähnliche Uracil ersetzt. Im Gegensatz zum Doppelstrang der DNA mit zwei spiegelbildlichen Ketten kommt die RNA immer nur als Einzelstrang vor. Drei Formen der RNA sind verantwortlich für den Bau der Proteine: l Die Boten-RNA liest die genetische Information an der DNA ab. l Die Transfer-RNA holt die entsprechenden Aminosäuren aus dem Zellinneren, die in den Ribosomen – den Synthesemaschinen der Zelle – zu Eiweißen zusammengesetzt werden. l Die Ribosomen selbst enthalten eine dritte Sorte von RNA, die für die passende Auswahl der Boten-RNA und die Beendigung des Informationstransfers verantwortlich ist.
An den Ribosomen in der Zelle werden die Aminosäuren zu Eiweißen zusammengekettet. Die Ribosomen bestehen aus zwei verschieden großen Untereinheiten, zwischen denen die Boten-RNA wie die eine Hälfte eines Reißverschlusses hindurchgleitet. Hier präsentiert sie nacheinander die Informationseinheiten aus der DNA. Die Transfer-RNA mit dem passenden Gegenstück koppelt kurzzeitig an und hängt dabei die mitgebrachte Aminosäure an den wachsenden Proteinstrang. Am Ende des Ribosoms öffnet sich der RNA-Reißverschluß wieder.
Das Bessere setzt sich durch
Prof. Christof Biebricher vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen sagt: “Postulieren wir, daß es RNA gab, die in der Lage war, sich selbst zu vermehren, dann wäre ihre weitere Entwicklung vorstellbar. Zu Beginn haben wir die Selbstorganisation, von der wir aber noch nicht wissen, wie sie zustande kam. Danach aber wirkt ein bekanntes Prinzip, nämlich die Evolution im Sinne Darwins. Sobald informationstragende Moleküle angefangen haben, sich zu vermehren, setzt eine Art chemischer Evolution ein. Die Ketten, die sich am schnellsten vermehren, verdrängen die langsameren, indem sie ihnen die Bausteine wegnehmen.”
In seinen Labors kann Biebricher eine solche Vermehrung und Evolution von RNA im Reagenzglas sogar demonstrieren. Und er kann auch zeigen, daß ineffiziente Moleküle sehr schnell besseren Versionen Platz machen müssen.
Das Leben grenzt sich ab
Was auch immer die ersten vermehrungsfähigen Moleküle der Welt waren – sie hinterließen keine Spuren. Das Alter der Erde wird heute auf 4,6 Milliarden Jahre geschätzt. Die ältesten mutmaßlichen Relikte biologischer Aktivitäten wurden 1996 in 3,8 Milliarden Jahre alten Gesteinen in Westgrönland aufgespürt. Das Verhältnis der darin enthaltenen Kohlenstoff-Isotope C12 und C13 war etwas mehr in Richtung C12 verschoben, was typisch ist als Folge von Stoffwechselvorgängen in lebenden Organismen. Das könnte ein erster Hinweis auf Kolonien von Urbakterien auf der Erde sein. Die ältesten echten Fossilien von Mikroorganismen auf der Erde sind 3,5 Milliarden Jahre alt: winzige Bläschen in australischem Gestein, die einfachen Bakterien oder Blaualgen ähneln.
An ihnen kann man das nächsthöhere Charakteristikum in der Entwicklung zu höherem Leben studieren: Die Ausgrenzung, die Bildung von Blasen, geschützten Räumen – eine Innenwelt im Gegensatz zur feindseligen Außenwelt. Sehr viele Reaktionen in Lebewesen – vom Energieumsatz bis zu der Produktion von Hormonen oder dem Austausch von Informationen – könnten nicht ablaufen, würden sie nicht in einem abgetrennten Raum stattfinden. “Das Leben braucht Wände”, sagt Biebricher: Membranen, die nicht nur die Zelle umschließen wie das Gehäuse eine komplizierte Maschine, sondern die darin noch weitere Räume bilden. So wie in einer Maschine Energiespeicher, Energieleitung und -verbrennung getrennt sind, Antrieb, Schmierstoffe und Steuerzentrale ihre eigenen Räume haben, so umschließen Membranen innerhalb der Zelle den erbguthaltigen Kern, die energieliefernden Mitochondrien und andere Parzellen mit ihren unterschiedlichen Aufgaben.
Künstliche Blasen mit einer Doppelmembran, die Bakterienzellen schon verblüffend ähnlich sehen, stellte der amerikanische Biochemiker Sidney Fox in Alabama in seinem Labor her. Diese Blasen waren stabil und nahmen sogar Stoffe aus der Umgebung auf, sie wuchsen und bildeten Knospen – eine heute bei einfachen Organismen noch gängige Art der Vermehrung. Sie stellen allerdings seinen Mainzer Kollegen Klaus Dose nicht zufrieden: “Diese Bläschen sind relativ hart und vor allem für viele kleine Moleküle zu leicht durchlässig.”
So ist noch immer unklar, wie denn die ersten Zellen aussahen. Wahrscheinlich ähnelten sie den heutigen Bakterien, hatten zwar eine Zellwand aber noch keinen abgetrennten Kern und keine Organellen, die für die heutigen Zellen typisch sind. Unter dem Druck zunehmender Nahrungsknappheit bahnte sich dann die nächste Entwicklung an, die der Erde ein völlig neues Gesicht gab. Es entstanden Moleküle, die fähig waren, Sonnenlicht einzufangen und die darin enthaltene Energie für biochemische Reaktionen zu nutzen – die Anfänge der Photosynthese. Als Abfallprodukt wurde dabei Sauerstoff frei, der sich allmählich in der Atmosphäre anreicherte. Erst dieser Sauerstoff ermöglichte die Entstehung der vielfältigen Tier- und Pflanzenwelt, die sich aus den Mikroorganismen entwickelte.
Phänomen Leben: Der Bauzaun
Nach Übereinkunft vieler Wissenschaftler beginnt das Leben erst auf dem Organisationsstadium der Zelle. Merkmal jeder Zelle ist, daß sie von einer Membran umschlossen ist. Membranen sind im Grunde einfach gebaut: Sie bestehen aus einer doppelten Schicht von Molekülen mit zwei unterschiedlichen Enden. Der Kopf ist fettabweisend und richtet sich immer zum Wasser hin, der fettliebende Schwanz strebt vom Wasser weg. Schwimmen solche Moleküle auf einer Wasserfläche – kopfunter, Schwänzchen in der Luft – lagern sie sich zunächst zu einschichtigen Häuten zusammen. In Turbulenzen können sich daraus schnell zweilagige Membranen bilden, die eine wassergefüllte Blase umschließen – die äußere Schicht mit dem Kopf nach außen, zur Umwelt, die innere mit dem Kopf zum wassergefüllten Innenraum. Wenn diese Blase zufällig vermehrungsfähige Moleküle umschließt, die im Wasser schwimmen, sind die Grundbausteine einer lebenden Zelle komplett. Große Eiweißmoleküle, die quer durch die Doppelmembran ragen, fungieren als Poren – Tore im Bauzaun -, durch die Stoffe mit der Umwelt ausgetauscht werden können.
Aus einer Wurzel – Bakterien und Menschen
Interessanterweise sind alle ältesten Organismen, die heute noch leben, Bewohner heißer bis sehr heißer Lebensräume”, sagt der Regensburger Professor Karl-Otto Stetter. Das deute auf einen heißen Ursprung hin. Ähnliche Hinweise auf den ganz frühen Stammbaum des Lebens geben Untersuchungen des Mikrobiologen Prof. Carl Woese von der Universität Illinois. Woese berechnete durch Vergleich der Erbinformationen, daß die Bakterien den ersten Lebensformen am nächsten stehen. Aus einem zweiten Zweig entstanden alle anderen Lebensformen. Schon sehr früh spalteten sich davon die Archaea oder Archaebakterien ab, so genannt, weil man in ihnen anfangs fälschlicherweise die Ahnen der Bakterien sah. Sie bewohnen heiße Quellen, fühlen sich auch bei 113 Grad noch wohl, teilen viele Eigenschaften von Bakterien und höheren Zellen, bestreiten ihren Stoffwechsel aber ohne Sauerstoff (bild der wissenschaft 7/1995, “Leben am Siedepunkt”). Erst später, so Woese, bildete sich die Entwicklungslinie der höheren Zellen, die schon einen richtigen Zellkern besaßen und aus denen alle heutigen Pflanzen und Tiere bestehen.
Auch für den Übergang zu diesen höher organisierten Zellen gibt es eine plausible Idee. Ihre Grundlage ist ausnahmsweise nicht die gnadenlose Konkurrenz in der Natur, sondern das Prinzip Zusammenarbeit: Angestoßen wurde diese Idee durch die Beobachtung, daß manche Zellorganellen – die energieliefernden Mitochondrien und die Chloroplasten etwa, in denen bei grünen Pflanzen die Photosynthese abläuft – einen eigenen Satz Erbinformation haben. Vielleicht waren diese Zellteile einmal selbständige Lebewesen, spekulierte schon vor der Jahrhundertwende als erster der deutsche Botaniker Andreas Altmann.
Die Biologin Prof. Lynn Margulis, an der University of Massachusetts in Boston, verhalf dieser Hypothese vor einigen Jahren zu allgemeiner Anerkennung. Danach schluckten die frühen Vorläufer der höheren Zellen bakterienähnliche Organismen. Einige widerstanden der Verdauung, blieben in den Zellen intakt und fanden zu einer Art von Symbiose, einer Zusammenarbeit zum gegenseitigen Vorteil: Sie versorgten die Wirtszelle mit Energie und erhielten selbst Schutz vor den Gefahren der Umwelt. Die eingeschlossenen “Endosymbionten” verloren mit der Zeit die Fähigkeit, eigenständig zu existieren, vermehrten sich nur noch gemeinsam mit der Zelle, in der sie lebten und wurden ein untrennbarer Teil von ihr.
Phänomen Leben: Die letzte Frage bleibt offen
Eindeutig nicht lebendig sind: Atome, anorganische Moleküle und organische Moleküle (mit Ausnahme von Prionen und Viroiden).
Nicht eindeutig lebendig Prionen sind Proteine, die zwei verschiedene Formen annehmen können. Eine der beiden gilt als Ursache für viele tödliche Gehirnerkrankungen wie Scrapie bei Schafen, Rinderwahnsinn und Creutzfeldt-Jakob-Syndrom beim Menschen. Nach der weitgehend akzeptierten Theorie ist die krankmachende Prion-Form in der Lage, die normalen Prionen, die bei allen Lebewesen vorkommen, zu Strukturänderungen zu zwingen. Die Zahl der Prionen insgesamt vermehrt sich dadurch nicht, nur der Anteil der tödlichen Form.
Viroide bestehen nur aus einem ringförmigen Strang von RNA ohne Proteinhülle. Im Gegensatz zu Viren können sich Viroide selbständig vermehren. Kann man sie deshalb, obwohl sie noch einfacher organisiert sind als Viren, als lebendig bezeichnen? Viroide sind bisher nur bei Pflanzen entdeckt worden, wo sie viele Krankheiten verursachen.
Viren sind nie von einer Zellmembran umhüllt, sondern nur von einem Mantel aus Proteinen. Viren haben keinen Stoffwechsel, und sie können sich nicht selbständig vermehren, sondern nur, indem sie die Zelle eines Wirtsorganismus dazu bringen, neue Viren zu produzieren. Sie können weniger, sind aber komplizierter gebaut als Viroide. Viren enthalten als Erbgut DNA oder RNA, aber nie beide Nukleinsäuren gleichzeitig.
Eindeutig lebendig Mycoplasmen sind sehr einfache Bakterien ohne Zellwand, nur umgeben von einer dreilagigen Membran. Viele von ihnen sind gefährliche Krankheitserreger.
Bakterien sind die artenreichste Lebensform auf der Erde. Sie besitzen eine strukturierte Zellwand, aber noch keinen Zellkern für das Erbgut. Die ältesten Hinweise auf die Existenz von Bakterien sind 3,8 Milliarden Jahre alt.
Blaualgen gibt es seit 3,5 Milliarden Jahren. Sie besitzen noch keinen Zellkern, haben aber die Fähigkeit, die Energie des Sonnenlichtes zu nutzen. Sie produzierten den ersten Sauerstoff in unserer Atmosphäre.
Mit der Erfindung des Zellkerns schlug die Natur den Weg für die Evolution höheren Lebens ein. Am unteren Ende dieser Entwicklung stehen die Archaea: bakterienähnliche Lebewesen mit Zellkern, die in extremen Lebensräumen auf der Erde vorkommen und sich seit drei Milliarden Jahren kaum verändert haben.
Das Leben aus dem Chaos
Die Frage aber, wie in chemischer Materie das Leben erwachte, ist trotz aller Spekulationen immer noch nicht beantwortet, genausowenig wie die, warum sich das Leben gerade so entwickelte, wie wir es kennen. Vielleicht läßt sich das auch gar nicht klären, meint Prof. Stetter, weil alles einfach nur ein gigantischer, unvorhersehbarer Zufall war.
Klaus Dose vergleicht den ersten Lebensfunken gern mit dem harmlosen Lüftchen, aus dem sich ein tropischer Wirbelsturm entwickelt. Das Beispiel ist bekannt, Chaosforscher benutzen es oft, um zu demonstrieren, wie eine winzige Störung in einem System vieler mehr oder weniger gleichgewichtiger Parameter ausreichen kann, eine völlig neue Struktur zu erzeugen. Der Schlag eines Schmetterlingsflügels in Afrika, so das gängige Bild, verursacht vielleicht über kurz oder lang einen Orkan und haushohe Wellen an der Küste von Florida.
Bis heute weiß keiner, welcher prämolekulare Schmetterlingsflügel das Rad des Lebens einmal anstieß, so daß sich Bakterien, Algen, Saurier und Menschen entwickelten. Und niemand kann sagen, ob das Leben wie wir es kennen, sich zwangsläufig in die heute bekannte Richtung entwickeln mußte (siehe auch “Streit um die Einmaligkeit”, Seite 76), und ob sich auf anderen Planeten im Universum unter ähnlichen Umständen das gleiche abspielte. Ob wir wirklich einzig sind oder nur eine Variante eines großen, vielfältigen Themas auf einem ganz normalen, von Leben wimmelnden Planeten. Einem von vielen.
Harald Michaelis
