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Schritte
zum Leben
Moderne Erkenntnisse über die Entstehung des Lebens
4. Das Problem der
UV-Strahlung und der Urey-Effekt
Zu Beginn der zweiten
Hälfte des letzten Jahrhunderts, als sich die Hypothese der
natürlichen Lebensentstehung noch weit im Spekulativen befand,
begründete der Chemiker Harold C. Urey die wissenschaftliche
Basis für Millers fundamentales Experiment. Urey, seinerzeit ein
ausgewiesener Experte im Bereich der Atmosphärenchemie, wies darauf
hin, daß die Lufthülle der Urerde eine andere Zusammensetzung
gehabt haben mußte, als die heutige. Methan, Ammoniak und Wasser sollten
neben wenig Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff die Erdatmosphäre
gebildet haben, während Sauerstoff praktisch nicht vorkommen sollte.
Heute glauben wir, daß seine Annahmen nicht ganz korrekt waren; die
Konzentration an reduzierenden Gasen, wie Methan, Ammoniak, Kohlenmonoxid
und Wasserstoff dürfte ungleich niedriger (die Atmosphäre
aber dennoch schwach reduzierend) gewesen sein.
Wie bereits ausgeführt, war die Urerde aufgrund
ihrer Nähe zur Sonne jedoch einer harten UV-Strahlung ausgesetzt, die
das Methan und Ammoniak im Laufe der Zeit wieder photolytisch zerlegte. Es
entstanden Kohlendioxid, chemisch inerter
Stickstoff und Wasser; allesamt Gase, die die zweite
Atmosphäre ausprägten. Diese Verbindungen wären in viel geringerem
Maße zur Bildung biogener Kleinmoleküle in der Lage gewesen, die
zur Entstehung von Leben hätten führen können.
Abbildung 4:
Planetarer Ringnebel M 57 im Sternbild Leier (Entfernung
ca. 4100 LJ) - einer der schönsten planetarischen Ringnebel. Der Nebel
schließt wie eine Hülle einen heißen Zwergstern ein. Vor
langer Zeit kollabierte der Stern und stieß den größten
Teil seiner Masse explosionsartig in den Raum hinaus. Seitdem erinnert ein
Kranz aus Gas und Staub an seine einstige Existenz. Solch interstellare Materie
stellt vermutlich die Wiege des Lebens dar, denn aus solcher Materie ist
das Planetensystem entstanden. Man hat bereits organische Verbindungen in
interstellarem Gas nachgewiesen.
Deshalb standen viele Wissenschaftler, darunter auch der
britische Astronom Fred Hoyle, Millers Ursuppentheorie außerordentlich
skeptisch gegenüber. Hoyle vertrat den Standpunkt, die Entstehung des
Lebens aus einer Ursuppe wäre höchst unwahrscheinlich gewesen,
zumal die lebensfeindliche Strahlung der Sonne auch die empfindlichen organischen
Reaktionsprodukte wieder aufgespalten hätte. Er selbst vermutete den
Ort der Lebensentstehung im Weltall. Mittlerweile konnte man spektroskopisch
Aminosäuren und Zucker im interstellaren Gas nachweisen (siehe
Abbildung 4). Dieselben Verbindungsklassen fand man auch in den
Eisen-Nickelkernen von Meteoriten.
Doch es ist einleuchtend, daß die Theorie der
extraterrestrischen Entstehung von Leben nur zu einer Verlagerung des Problems
führt. Außerdem ist die Konzentration organischer Verbindungen
in Meteoriten wohl zu gering, als daß sie zu einer stürmischen
Entstehung des Lebens auf der Erde hätten führen können. Die
Theorie der extraterrestrischen Abiogenese konnte sich daher in
Wissenschaftskreisen nicht allgemein durchsetzen, wird aber heute wieder
vermehrt diskutiert (siehe Spektrum der Wissenschaft, Mai-Ausgabe 2000).
Die Einwände gegen die Entstehung des Lebens auf der Urerde mußten
aber nichtsdestoweniger sehr ernst genommen werden.
Urey nahm die Herausforderung an und wandte sich nochmals
der Zusammensetzung der Atmosphäre zu. Daß sie zunächst
hauptsächlich aus Methan und Ammoniak, eventuell Stickstoff, Kohlenmonoxid
und Kohlendioxid bestand, erschien damals noch plausibel; doch daneben
mußte sie auch Wasserdampf enthalten haben. Urey hatte nun angenommen,
daß die UV-Strahlung zu einer photolytischen Spaltung des
Wasserdampfes geführt haben mußte. Der dabei entstandene
Wasserstoff verflüchtigte sich aufgrund seiner geringen Dichte ins Weltall,
der Sauerstoff blieb zurück und bildete bereits eine schwache Ozonschicht
aus.
Zwei Wissenschaftler der Universität Texas, Berkner
und Marshall, begannen diesen Effekt mithilfe von Computern zu simulieren
und fanden heraus, daß sich aufgrund dieses Effekts eine
Gleichgewichtskonzentration etwa 0,1% des heutigen Gehalts an Sauerstoff
in der Atmosphäre befunden haben mußte. Die aus der
Spurenkonzentration des Sauerstoffs resultierende
Ozonschicht absorbierte UV-Strahlung im Wellenlängenbereich
zwischen 260 und 280 Nanometer besonders wirkungsvoll. Ausgerechnet
in diesem Bereich sind aber Aminosäuren, Bausteine des Lebens, besonders
empfindlich gegen UV-Strahlung und werden leicht zersetzt. Man muß
sich klarmachen, was das bedeutet: Die teilweise Absorption dieser Strahlung
ermöglicht ausgerechnet die Existenz von chemischen Verbindungen wie
Aminosäuren und anderen Urstoffen, die zur Bildung von Leben von
äußerster Relevanz gewesen waren! Dem Entdecker zu
ehren wurde dieses Phänomen künftig als
Urey-Effekt benannt. Doch war die Konzentration an
biogenen Vorläuferprodukten wirklich hoch genug, um eine Zeugung des
Lebens zu bewirken, und wie konnte dies konkret geschehen?
5. Die klassische Theorie in der
Krise: Wächtershäuser und die Theorie des
Biofilms
Trotz der großen
Experimente, die Mitte des letzten Jahrhunderts die Ursuppentheorie so
glänzend zu bestätigen schienen, betrachtet man heute die Erkenntnisse
wieder etwas skeptischer. Miller und Urey konnten zwar belegen, daß
sich praktisch alle relevanten Biomoleküle abiotisch, auf der
Grundlage physico-chemischer Gesetze bilden können,
doch erwiesen sich die Mengen relevanter Biomoleküle
als relativ bescheiden. Zu Urey's Zeiten glaubten die Verfechter der
Ursuppentheorie noch an eine Beschaffenheit des Urozeans, der sich als wahre
"Kraftbrühe des Lebens" ("chicken broth") mit einem Anteil organischer
Verbindungen von bis zu 10% darbot. Heute gelangt man im Rahmen fortschreitender
Simulationsversuche immer mehr zu der Einsicht, daß die Konzentration
(nicht zuletzt infolge der hohen UV-Strahlung) wohl so gering ausgefallen
war, daß komplexe Biostrukturen durch zufällige chemische Umsetzungen
im freien Wasser nicht entstehen konnten!
Es gibt noch eine Reihe weiterer Argumente gegen die Ursuppentheorie, wie
etwa die Tatsache, daß sich längerkettige Biomoleküle
(Polykondensationsprodukte wie z. B. Oligopeptide oder Proteine, Oligonucleotide
usw.) im Urozean nicht bilden können. Durch großer Mengen Wasser
wird die Entstehung langer Aminosäure- und Nucleotidketten verhindert;
bereits kleine Ketten spalten wieder auf. Außerdem ist Energie nötig,
um Aminosäuren A, B, C etc. zu einem linearen Kettenmolekül A-B-C...
zu verbinden - woher kam diese? Ein weiteres Problem besteht in der geringen
Stabilität wässriger Zucker- und Aminosäurelösungen;
die Produkte zerfallen in der Regel nach kurzer Zeit. Und woher stammen die
Katalysatoren, die aus dem heterogenen Reaktionsgemisch in guter Ausbeute
ein überschaubares Produktspektrum entstehen und zu kooperativen Systemen
weiterentwickeln lassen konnten?
Diese Probleme suchte ein Wissenschaftler der Weizmann-Universität
in Israel in den siebziger Jahren zu umgehen. So wies er darauf hin, daß
gewisse Tone, die sogenannten Montmorillionite dazu prädestiniert
sind, organische Substanzen in ihren Poren zu binden. Glimmer und
Montmorillionite sind sogenannte Schichtsilikate, die abwechselnd
aus negativ geladenen Silikatschichten und positiv geladenen Kationen aufgebaut
sind. Zwischen diese Schichten können sich Wasser und organische
Verbindungen, wie Aminosäuren, einlagern, die das Wasser aus diesen
Schichten wieder verdrängen. Im Labor hat man nachweisen, daß
Aminosäureadenosylate geeignet sind, um Polypeptide und Proteine
aufzubauen. In Gegenwart von Montmorillionit lassen sich aus wässriger
Lösung Polypeptide mit bis zu 60 Aminosäuren und mehr in
praktisch 100-protzentiger Ausbeute synthetisieren.
Heute wird jedoch eine alternative, mit der Ursuppentheorie in Konkurrenz
stehende (allerdings weitaus erklärungsmächtigere) Theorie vertreten,
die der Chemiker und Münchner Patentanwalt Günter
Wächtershäuser entwickelt hat. Seine Theorie des
Oberflächenmetabolismus oder "Biofilms" geht davon aus, daß
sich polymere Verbindungen, einfache Reaktionssysteme und primitive Einzeller
- nicht retrograd aus einer Ursuppe bildeten, sondern daß sie auf der
Oberfläche katalytisch aktiver, im Meer vorkommender Mineralien entstanden.
Ein wichtiger Faktor ist hierbei die sogenannte
Reaktionsentropie: Nimmt die Reaktionsentropie stark zu (was
in Lösung immer der Fall ist), so wird das Reaktionsgleichgewicht auf
die Seite der Spaltungsprodukte verschoben. Nimmt sie dagegen nicht oder
nur geringfügig zu, wie dies bei Oberflächenreaktionen der Fall
ist, so wird das System zur Synthese getrieben. Deshalb ist in einer gebundenen
Molekülschicht die Bildung von Polymeren auch bei wenig stark aktivierenden
funktionellen Gruppen bevorzugt. Außerdem ist die Stabilität
oberflächengebundener Substanzen weitaus größer als in freier
Lösung, und eine Reihe von Mineralien haben katalytische Wirkung, das
heißt sie können selektiv ganz bestimmte Reaktionen ermöglichen
oder beschleunigen.
Wächtershäuser nimmt nun an, daß
aus einfachen, oberflächengebundenen Zuckern (Glycerinaldehydphosphat
und Dihydroxyacetonphosphat) zunächst lange Polymere entstanden (sogenannte
"polyhalbacetalische" Strukturen), die Phosphotribose, die
als Vorläufer von Nucleinsäuren und bestimmten Co-Enzymen eine
Rolle spielen könnte. Aus solchen Vorläufersubstanzen sollen sich
stufenweise längerkettige Isoprenoide und Hüllmembrane, desweiteren
einfache Stoffwechselprozesse (Metabolismen) und schließlich die genetische
Maschinerie gebildet haben. Wächtershäusers Theorie bietet eine
elaborierte und vor allem chemisch gut ausformulierte Alternative zur klassischen
Theorie, die Bildung der postulierten Substanzen und Metabolismen ist jedoch
erst in Ansätzen experimentell untersucht worden. Außerdem setzt
die Theorie sehr hohe Temperaturen, ein recht mineralreiches Umfeld und eine
Quelle anorganischer Verbindungen voraus. Kann in solch einem Milieu
überhaupt Leben gedeihen, und wenn ja, wo findet man diese Bedingungen
realisiert?
6. Keime des Lebens in der
Tiefsee
Die Biologen machten eine
interessante Entdeckung, welche die Frage beantworten und
Wächtershäusers Theorie stützen könnte: In heißen
Schwefelquellen, sogenannten Geysiren im Yellowstone-Nationalpark
herrschen, so glaubte man lange Zeit, absolut lebensfeindliche Bedingungen.
Das Wasser ist fast kochend, die Temperatur beträgt rund 90 Grad Celsius.
Zudem ist es mit Schwefelwasserstoff versetzt, einem für die meisten
Lebewesen starken Gift. Überdies ist dort das Wasser so sauer, daß
es Löcher in Textilien ätzen würde. Doch selbst unter diesen
Bedingungen fanden Wissenschaftler primitive anaerob lebende Mikroorganismen,
die nur unter Ausschluß von Sauerstoff existieren können. Diese
skurrilen Bakterien vom Stamm der Thermoacidophilen mit dem Namen
Sulfolobus gewinnen Energie aus der Oxidation des
Schwefelwasserstoffs.
Abbildung 5:
Zeichnung von Bakterien. Sie ähneln denjenigen,
die zum Stamm der Thermoacidophilen gerechnet werden. Diese zählen zu
den Archaebakterien, die schon auf der Erde existierten, als noch keine anderen
Lebensformen entstanden waren. Sie gelten mitunter als die ersten, heute
noch existenten Lebewesen auf der Erde.
Sie gleichen Fossilien in uralten Gesteinsablagerungen
und werden heute als archaische Vertreter des ersten Lebens angesehen. Dieser
Sache gingen Wissenschaftler auf den Grund und fanden Bakterien vom selben
Stamm in der Tiefsee, in der ähnliche Bedingungen herrschen wie in den
heißen Quellen des Nationalparks (siehe Abbildung 5).
Die Bakterien sind in der Nähe von Bruchzonen
zweier auseinanderdriftender ozeanischer Platten zu finden, wo aufgrund der
Gegenwart glutflüssigen Magmas, das sich dicht unter dem Meeresboden
befindet, heißes Wasser austritt. Diese heißen Quellen der Tiefsee
bezeichnet man als black smokers, "Schwarze Raucher", weil
sie Schwefelwasserstoff emittieren und "Wolken" aus schwerlöslichen
schwarzen Metallsulfiden entstehen. Das austretende Wasser ist dort 350 Grad
Celsius heiß, der Druck beträgt teilweise mehr als das 300-fache
des Atmosphärendrucks. Und doch können diese archaischen Bakterien
nur in dieser höllischen Umgebung gedeihen. Diese Funde legen den
Schluß nahe, daß die ersten Lebensformen unter Ausschluß
von Sauerstoff in der Nähe der Tiefsee entstanden sein müssen und
später durch aerob lebende Bakterien verdrängt wurden. Nur im
sauerstofffreien Milieu der Tiefsee konnten Populationen überleben.
In Anlehnung an die gut zu Wächtershäusers
Theorie passenden Befunde halten heute viele Forscher die Tiefsee für
die wahre Brutstätte des Lebens: Auch wenn die Organisation von
einfachen Molekülen zu großen Biomolekülen und komplexeren
Strukturen im freien Wasser sehr unwahrscheinlich war, könnten die
Bedingungen in der Tiefsee diesen Prozeß begünstigt haben. Dort
herrschten die notwendigen Temperaturen und Drücke, und auch die Minerale
(Metallsulfide) waren in der Tiefsee vorhanden. Metallsulfide ermöglichen
eine Reihe chemischer Umsetzungen; sie besitzen katalytische
Eigenschaften. Weitere Belege für die Annahme, daß
das Leben in der Tiefsee entstanden sein könnte, lieferten die Experimente
des japanischen Wissenschaftlers
Yanagawa aus Tokio, der mit den Komponenten der Ursuppe zu
experimentieren begann. Er stellte eine Lösung aus Aminosäuren
her und setzte sie denselben Bedingungen aus, wie sie in der Tiefsee herrschen.
Das Gemisch wurde im Autoklaven eingeschlossen und 6 Stunden lang einer
Temperatur von 260 Grad Celsius sowie einem Druck von 130 bar ausgesetzt.
Das Ergebnis betrachtete Yanagawa unter dem Mikroskop, wobei sich folgendes
zeigte:
Abbildung 6:
Kleine Mikrosphären unter dem Mikroskop. Die
Ähnlichkeit mit primitiven einzelligen Lebewesen (etwa Hefezellen) ist
verblüffend. Mittlerweile fand man 3,8 Milliarden Jahre alte Fossilien,
die den Mikrosphären sehr ähnlich sehen. Mikrosphären sind
in der Lage zu wachsen und kleinere Auswüchse zu bilden, die sich dann
von der Muttersphäre ablösen (Knospung).
Zu beobachten waren in allen Versuchen dieser Art stets
kleine kugelige Proteinoid-Strukturen von etwa zwei Tausendstel Millimeter
Durchmesser, welche zellartige Membrane aufwiesen (siehe Abbildung 6). Diese
Kügelchen nennt man Mikrosphären. Die Protein-Membranen
sind in der Lage, selektiv gewisse Stoffe, wie den Energieträger ATP,
Glucose und andere Substanzen aus der Umgebung aufzunehmen und bestimmte
Stoffe wieder auszuscheiden. Diese Mikrosphären sind sogar in der Lage
zu wachsen und sich durch Knospung zu "vermehren". Hinzu kommt die erstaunliche
Ähnlichkeit mit 3,8 Milliarden Jahre alten Fossilien in zu Stein
gewordenen Meeressedimenten, die man in Grönland fand. Sie existierten
zu einer Zeit, als die Erde noch jung war und die Evolution ihre großen
Experimente erst begann.
7.
Von der Theorie des Biofilms zu Karl Stetters
"Pyritorganismen"
Der Biochemiker
Prof. Dr. Karl Stetter von der Universität Regensburg
ist in Anlehnung an Wächtershäuser der Überzeugung, daß
das Leben auf der Oberfläche von Pyrit seinen Anfang genommen hat. Das
Eisendisulfid "Pyrit" weist Halbleitereigenschaften auf, worauf
sein golden-metallischer Glanz beruht (siehe Abbildung 7).
Auf der Oberfläche derartiger Metallsulfide befinden sich Ionen, also
freie Ladungsträger, die auf molekularer Ebene nicht durch Gegenladungen
kompensiert werden (siehe Abbildung 8). Auf diese Weise
können organische Substanzen gebunden werden, die aufgrund der katalytischen
Eigenschaften des Pyrits in diversen chemischen Umsetzungen zu komplexen
Makromolekülen, Metabolisen und primitiven Protobionten geführt
haben könnten.
Abbildung 7:
Pyrit (im Volksmund auch Eisenkies, Katzen- oder
Narrengold genannt) besticht durch seinen goldenen Glanz und seine
großflächigen Kristalle. In feinster Verteilung bildet es jedoch
ein schwarzes Pulver. So entsteht es in der Tiefsee in der Nähe von
heißen Quellen in nicht unbedeutenden Mengen.
Dabei hätte Pyrit als
"Biokatalysator" und Energiequelle zugleich diesen
können: Eisenmonosulfid wird mit Schwefelwasserstoff zu Pyrit und
elementarem Wasserstoff umgesetzt. Der Wasserstoff könnte primitiven
Bakterien als Energielieferant zur Verfügung gestanden haben. Stetter
glaubt, daß die ersten "Mikroben" zunächst auf Pyrit als
"lebensspendendes Agens" angewiesen waren und sich erst im Laufe der Zeit,
nachdem der Genapparat entwickelt war, von ihm ablösten.
Abbildung 8:
Räumliches Gitter von Pyrit. Die roten Kugeln
repräsentieren die zweifach negativ geladenen Disulfidanionen, die blauen
Kugeln die zweifach positiv geladenen Eisenkationen. An der Oberfläche
des Pyrits werden die Ladungen in atomaren Dimensionen nicht vollständig
durch die entsprechenden Gegenladungen kompensiert, so daß sich etwa
organische Moleküle anlagern können.
Ob letztlich Pyrit oder andere Mineralien zur Entwicklung
des Lebens führte, ist allerdings offen. Bis heute konnten noch keine
Mikroben "auf Pyritbasis" nachgewiesen werden.
Last
update:
07.05.05
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Abschnitt © M. Neukamm , 22.06.99