Folge 2

Es erscheint unvorstellbar. Alle Lebewesen der Erde haben denselben Ursprung. Alle Pflanzen und Tiere haben sich nach und nach aus derselben Urform gebildet. Doch wie ist dieses erste Leben entstanden?

Leben = Enzyme + Genetischer Code + X

Das Problem beginnt schon bei der Definition. Je nachdem, wen man fragt, gibt es die unterschiedlichsten Antworten. So kommen einige Eigenschaften zusammen, die Lebendiges ausmachen. Es muss in sich geschlossen sein und gleichzeitig eine gewisse Offenheit bewahren, um zum Beispiel Nahrung aufzunehmen. Darüber hinaus sollte es in der Lage sein, zu wachsen, sich zu vermehren und sich anzupassen. All das würde jedoch nicht ausreichen. Es gibt darüber hinaus zwei zentrale Merkmale, die für Leben Ausschlag gebend sind: Zum einen der Stoffwechsel, zum anderen der genetische Code. Beim Stoffwechsel werden chemische Verbindungen aus der Umwelt aufgenommen und verarbeitet, anschließend werden andere Verbindungen wieder an die Umwelt abgegeben. Ein Beispiel dafür ist die Photosynthese, bei der Pflanzen Kohlendioxid und Wasser in Traubenzucker und Sauerstoff umwandeln. Damit all das überhaupt funktioniert, benötigt jedes Lebewesen Enzyme. Sie sind die Katalysatoren der Reaktionen. Wie die Enzyme aufgebaut sind, legt der genetische Code eines Lebewesens fest. Beim Menschen ist das die DNA.

Henne oder Ei

Ohne Gen kann es also keine Enzyme und keinen Stoffwechsel geben. Doch umgekehrt ist der Stoffwechsel erst einmal notwendig, damit sich Gene überhaupt bilden können. Es ist eine Henne-Ei-Diskussion, die nur schwer zu lösen ist. Klar ist, das Leben, das wir heute kennen, ist aus organischen Verbindungen aufgebaut, also aus Kohlenstoff-Verbindungen. Doch wie sind diese Verbindungen das erste Mal entstanden? Und wann?

Die Ausgangslage: Gespannte Atmosphäre

Zu welchem Zeitpunkt die ersten organischen Verbindungen und damit die Ur-Bausteine des Lebens entstanden sind, weiß man nicht genau. Forscher nehmen an, dass dies ungefähr 500 Millionen bis 1 Milliarde Jahre nach der Erd-Entstehung der Fall war, also etwa vor 3,5 bis 4 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit hatte sich die ursprüngliche Atmosphäre der Erde bereits verändert. Sie bestand nicht länger nur aus Wasserstoff und Helium, sondern auch aus Ammoniak und Methan. Stickstoff, der Hauptbestandteil unserer heutigen Atmosphäre, kam nur in sehr geringer Konzentration vor. Sauerstoff fehlte sogar völlig. Und das war auch gut so, denn der Sauerstoff ist viel zu aggressiv. Leben hätte sich unter den heutigen Bedingungen wohl nicht bilden können. Gleichzeitig hatte sich der Planet langsam abgekühlt, erste Landmassen waren erkennbar und durch einen heftigen Dauerregen hatten sich die Ur-Ozeane gebildet. Und dort soll es passiert sein.

Ursprung in der Ursuppe?

Es dauerte bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts, bis Forscher eine erste Theorie zum Ursprung des Lebens entwarfen. Unabhängig voneinander entwickelten der russische Biochemiker Alexander Ivanovich Oparin und der britische Genetiker John Burdon Sanderson Haldane ein Modell zur Entstehung der ersten organischen Verbindungen. Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass die Bedingungen auf der Erde in Kombination mit der Atmosphäre ausreichten, um die Verbindungen zu bilden. Bei dieser Entwicklung soll das ultraviolette Licht geholfen haben, das damals noch viel leichter auf die Oberfläche der Erde traf. In den Urozeanen hätten sich schließlich organische Verbindungen gebildet und Nährstoffe angereichert, die als Nahrung für die ersten Organismen gedient hätten. Aus dem Urozean soll so eine nahrhafte Ursuppe geworden sein.

Das Miller-Experiment

Die Ursuppen-Theorie wurde vor allem durch ein Experiment aus dem Jahr 1953 untermauert. Der amerikanische Biologe Stanley Miller baute die Bedingungen der frühen Erd-Atmosphäre und der Ursuppe kurzerhand im Labor nach. Er nahm zwei Glaskolben und verband diese mit Röhren. Aus dem ganzen System entfernte er die Luft und ersetzte sie durch die Gase Methan, Ammoniak und Wasserstoff. In den unteren Kolben füllte Miller Wasser. Das erhitzte er, so dass durch die Röhren Wasserdampf zu dem zweiten Kolben mit den Gasen gelangen konnte. An diesen zweiten Kolben legte er elektrische Ladungen an, die wie Blitze auf das Gemisch wirken sollten. Das Ergebnis: Schon nach zwei Tagen hatte sich die Aminosäure Glycin gebildet, eine organische Verbindung.
Bis heute sind die Original-Gefäße aus dem Miller-Experiment erhalten. Sie wurden kürzlich von amerikanischen Forschern noch einmal untersucht. Das Ergebnis veröffentlichten die Wissenschaftler im Oktober 2008. An den Gefäßen fanden sich noch weiterer Aminosäuren, die Miller mit seinen damaligen Methoden nicht nachweisen konnte. Das Miller-Experiment gilt als Beleg dafür, wie unter den Bedingungen der frühen Erde organische Verbindungen entstehen konnten.

Von der Ursuppe zur Urpizza

Die Theorie hat nur ein Problem: die realen Verhältnisse auf der Erde werden in einem Laborexperiment nur unzureichend abgebildet. Forscher kritisieren deshalb, die Wahrscheinlichkeit sei zu gering, dass sich die wenigen organischen Verbindungen tatsächlich treffen und zu komplexeren Molekülen verbinden würden. Außerdem ist mittlerweile bekannt, dass in Lösung eher abbauende als aufbauende Reaktionen ablaufen. Die Bildung von Nährstoffen würde folglich kaum in einer Lösung wie der Ursuppe stattfinden. Besser dafür sind Oberflächen geeignet. Und so kamen die Forscher von der Ursuppe zur Urpizza.

Die Eisen-Schwefel-Welt

Die Idee der Urpizza: Die ersten organischen Verbindungen sind an der Oberfläche von Eisen-Schwefel-Mineralen entstanden. Diese Theorie legte in den 1980er Jahren der Münchener Patentanwalt Günter Wächtershäuser vor. Der Vorteil gegenüber der Ursuppen-Theorie: Die Energie für die chemische Reaktion wird nicht durch UV-Strahlung oder Blitze benötigt, sondern ist sozusagen schon da. In der Eisen-Schwefel-Welt reagieren Eisen-Schwefel-Minerale mit elementarem Wasserstoff. Dabei wird die Energie frei, die für die Bildung der größeren Biomoleküle benötigt wird. Besonders gut laufen diese Reaktionen bei hohen Temperaturen ab, wie sie zum Beispiel an den schwarzen Rauchern der Tiefsee gefunden werden.

Die RNA-Welt

Die Theorie der Eisen-Schwefel-Welt kann erklären, wie zum ersten Mal organische Verbindungen auf der Erde entstanden sind. Sie sind die Bausteine der Enzyme und damit Grundlage des Stoffwechsels. Erklärt ist damit aber noch nicht, wann das erste Mal eine Art Gen auf der Bildfläche des Planeten erschienen ist. Darauf kann die Theorie der RNA-Welt eine Antwort geben. Diese Idee wurde das erste Mal in den 1980er Jahren von dem amerikanischen Biochemiker Walter Gilbert entwickelt. Gilbert geht davon aus, dass die Ribonukleinsäure (RNA) eine Art Doppelfunktion erfüllt hat als Gen und als Enzym. Lange Zeit war die RNA nur als Vorläufer der DNA angesehen worden, die das menschliche Genom bildet. Mittlerweile weiß man jedoch, dass die RNA auch in der Lage ist, chemische Reaktionen als Katalysator zu unterstützen. Bis heute findet sich die RNA auch im menschlichen Körper und wird dort unter anderem genutzt, um die Erbinformationen zu transportieren.