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Wiegenlieder für das Leben

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 23.08.2007 14:40

Anfang der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts in einem Chemielabor der Universität Chicago: Der junge Doktorand Stanley Miller füllt destilliertes Wasser in einen Rundkolben und saugt die Luft darüber ab. Er erhitzt die Mischung, Dampf steigt auf, fließt in einen zweiten Kolben mit einem Gasgemisch aus Methan, Ammoniak und Wasserstoff und von da aus wieder zurück in die Flasche mit dem Wasser. Unaufhörlich krachen elektrische Entladungen als Blitzersatz in diese Urwelt. Schon am Abend des ersten Tages hat sich der "Urozean" leicht verfärbt, ist jetzt gelblich und an den Elektroden klebt ein schwarzer Niederschlag. Die Analyse zeigt: In dem Wasser schwimmt Glycin, die einfachste der 23 Aminosäuren, die das Leben auf der Erde verwendet. Nach einer Woche ist das das Wasser tiefrot und es enthält etliche Aminosäuren.

Stanley Millers Experimente erregten in den 50er Jahren immenses Aufsehen, denn sie zeigten, dass aus einfachsten Zutaten zumindest einige Bausteine des Lebens entstehen konnten, ohne dass man dazu mehr als etwas Energie brauchte. In Millers Versuchen stand die Wiege des Lebens im Wasser und zwar in seichtem Wasser, damit genügend Energie in Form von Sonnenlicht und Blitzen verfügbar war. Zahllose Experimente folgten diesem Vorbild. Das ging von einer maßgeschneiderten Atmosphäre aus, deren Zusammensetzung optimal war für die Bedürfnisse der organischen Chemie. Zu Millers Zeiten waren die Geologen davon überzeugt, dass die Vulkane in der Frühzeit der Erde Methan und Ammoniak gefördert hätten. Inzwischen steht fest, dass sie schon immer zu mehr als der Hälfte Wasserdampf plus ein Viertel Kohlendioxid ausgestoßen haben, dazu kommen noch Stickstoff und Schwefel sowie Spuren von anderen Gasen. Auch die Analysen der ältesten Sedimentgesteine sprechen dafür, dass die Erde vor Entstehung des Lebens eine dichte Atmosphäre aus Kohlendioxid, dem chemisch trägen Stickstoff und Wasserdampf hatte. Unter diesen Bedingungen formen sich im Experiment die Bausteine des Lebens nicht mehr so bereitwillig, das gestaltete den "Urknall" des Lebens in einem flachen Tümpel schwierig. Die Forschung stagnierte, denn weil alles Leben von der Sonne abhing, sollte sie auch bei dessen Entstehung die entscheidende Rolle gespielt haben.

Als Standorte für die Wiege des Lebens kommen auf Tiefseeorte wie etwa Lost City in Frage. Foto: URI-IAO, UW, Lost City Science Party, NOAA

Mitte der 70er Jahre öffnete die Entdeckung der berühmten Black Smoker am Meeresgrund neue Wege. Diese bizarren, schwarzen Schlote entstehen dort, wo in der eiskalten Tiefsee heiße, mineralbeladene Wässer aus vulkanischen Quellen heraussprudeln. Sofort fallen Minerale aus, schwarze Schwefelverbindungen, die wie Rauch aus dem Black Smoker strömen. Rund um diese seltsame Welt gedeihen Bakterien, Röhrenwürmer und Muscheln. Sie alle hängen von der chemischen Energie der Erde ab - und sind vollkommen unabhängig von der Sonne. Das war eine Sensation. Schließlich galt bis zur Entdeckung der Black Smoker, dass alles irdische Leben von der Sonne abhängt. Deshalb hatte sich die Suche nach den Ursprüngen an dem flachen Tümpel orientiert, an den schon Charles Darwin gedacht hatte. Aber könnte es auch ganz anders gewesen sein? Könnte dort die Wiege des Lebens in der Tiefsee gestanden haben, gut geschützt an einem Black Smoker?

Denn die junge Erde war ein unwirtlicher Ort, damals schlugen immer noch vereinzelt große Asteroiden und Kometen ein, was die entsprechenden Folgen nach sich zog. Da erschien den Forschern die Tiefsee als verlockend. Und so entwickelte der deutsche Chemiker und Patentanwalt Günter Wächtershäuser schließlich die Hypothese von der "Eisen-Schwefel-Welt".

Im Zentrum stehen die Black Smoker, an denen damals wie heute eine schwarze Eisenschwefelverbindung namens Magnetkies kristallisiert, sobald die Lösung auf das kalte Meerwasser trifft. Manche Kristalle verfangen sich an den Schlotwänden, lassen sie emporwachsen. An ihnen strömt dann der reichlich im Wasser gelöste Schwefelwasserstoff vorbei, ein vulkanisches Gas, das penetrant nach faulen Eiern stinkt. Es reagiert mit dem Magnetkies und wandelt ihn in Katzengold um. Bei dieser Reaktion werden Wasserstoff und Energie frei, und alles zusammen bildet die Grundlage für den biologischen "Urknall" nach Art von Wächtershäuser. Auf dem Katzengold entsteht ein zweidimensionales Etwas, ein dünner Film auf einer Kristalloberfläche, der mit dem Chemikalienstrom reagiert und sich kohlenstoff-, phosphor- und schwefelhaltige Moleküle heraus fischt. Wächtershäusers Hypothese sorgt für heiße Debatten. Sein Urwesen ist fremdartig. Es verfügt weder über Erbsubstanz noch über eine Zelle, sondern ist nichts anderes als ein Stoffwechsel.

Aber da gibt es ein Problem: Organische Verbindungen sind nicht kochfest. Sie zerfallen bei Hitze. Deshalb laufen unter anderem in den Laboratorien der Carnegie Institution in Washington D.C. Experimente unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen, um das Zusammenspiel von Wasser und Mineralen zu erforschen. Siehe da: Die Minerale stabilisieren die organischen entstehenden Verbindungen. In weiteren Experimenten formierten sich Aminosäuren unter den Bedingungen der Black Smoker ganz ohne fremde Hilfe zu größeren Molekülen wie Peptidketten. Statt also wieder in ihre chemischen Elemente zu zerfallen, kamen die organischen Moleküle sogar einen Schritt vorwärts.

Ist der Anfang des vielgestaltigen irdischen Lebens also ein Schmierfilm auf Katzengold? Das hätte zumindest den Charme, dass diese Entwicklung auf jedem vulkanisch aktiven Planeten möglich wäre, der Wasser an seiner Oberfläche hat. Ein solcher Himmelskörper müsste noch nicht einmal unbedingt so komplex sein wie die Erde: heiße, vulkanische Quellen in einem Meer genügen. Deshalb mögen Astrobiologen diese Hypothese, denn wenn sie stimmt, könnte es die Startbedingungen für das Leben auf allen Himmelskörpern geben, auf denen es flüssiges Wasser und vulkanische Aktivität gibt - und sei es der Jupitermond Europa, unter dessen Eispanzer die Planetologen einen Ozean vermuten.

Die heiße Welt der Black Smoker ist nicht das einzige Szenario, in dem Minerale das Missing link sind. Andere Forschergruppen mögen es weniger heiß und beschäftigen sich mehr mit den Bedingungen an den zahllosen, langsam verwitternden Vulkanen, die sich seinerzeit über das Meer erhoben. Sie denken an interessante Gesteine, wie etwa Bims, ein vulkanisches Glas mit zahllosen winzigen Löchern. Stellen wir uns eine Insel mit einer Küste aus weichem Bimsstein vor. Immer wieder dringt bei Flut Wasser in die Gesteinsporen ein. Bei Ebbe verdampft es wieder, und zurück bleibt ein reicher Mix an organischen Molekülen, der mit der nächsten Flut Nachschub erhält. Jedes Bläschen ist ein Reagenzglas, in dem sich die organischen Verbindungen konzentrieren und immer längere Ketten von Biomolekülen formieren könnten. Die winzigen Poren wären so etwas wie Zellwände, sodass sich jedes System getrennt weiterentwickeln könnte. Milliarden von chemischen Reaktionen könnten parallel ablaufen, und manche würden zu interessanten "Erfindungen" führen. Das System käme voran, und irgendwann würde in einer oder vielleicht auch in ein paar Poren die Grenze zur Biologie überschritten.

Auch ein weiterer Ansatz aus dem Ideenpool der Wissenschaftler gibt den Mineralen eine zentrale Rolle - und zwar die Tonminerale, die bei der chemischen Verwitterung von Steinen entstehen. Sie könnten Gerüste für die Montage des Protolebens abgeben. Tonminerale bestehen aus Stapeln hauchdünner Lagen regelmäßig angeordneter Silizium- und Aluminiumatome. Ihre Oberflächen sind aufgeladen, weshalb sie sehr leicht organische Moleküle anziehen und festhalten. Aus diesem Grund wählte der israelische Chemiker Noam Lahav in den siebziger Jahren Tonminerale, um die Verhältnisse in einem Tümpel auf der jungen Erde zu simulieren. In seinem Labor löste er immer wieder eine Mischung aus Tonen und Aminosäuren auf und ließ sie anschließend austrocknen. Mit der Zeit konzentrierten sich die Aminosäuren an den Tonen und wuchsen zu kleinen proteinähnlichen Strukturen zusammen.

Viele Forscher ließen sich von diesen frühen Experimenten inspirieren. Sie untersuchten die kombinatorischen Fähigkeiten der Tone - und anscheinend lassen sich mit unterschiedlichen Tonmineralen organische Moleküle gezielt zusammenbauen. Der Kristallograph John Desmond Bernal schlug sogar vor, dass die Informationsübertragung in unserer kohlenstoffbasierten Lebenswelt durch die Assistenz von Tonmineralen entstanden sein könnte.

Doch gleichgültig, welche Umgebung die Experimente annehmen: Sie stoßen alle auf ein unüberwindliches Hindernis: Irgendwo muss der Sprung gelungen sein von der unbelebten zur belebten Materie, von der organischen Chemie zur Biologie. In keinem Experiment ist das bislang gelungen, zwischen den Ergebnissen der raffiniertesten Versuche und der allerprimitivsten Zelle, die man sich vorstellen kann, klaffen Riesenlücken. Das Problem ist, dass niemand weiß, wie sie zu überbrücken sind.