Leben

Ist Leben konstruierbar? Minimalisierung von Lebensprozessen

Do, 27.10.2016 - 05:13 — Petra Schwille

Petra SchwilleIcon BiologieTrotz der Erfolgsgeschichte der Biowissenschaften in den letzten Jahrzehnten wissen wir die Frage, wo die Trennlinie zwischen belebter und unbelebter Natur genau verläuft, noch immer nicht überzeugend zu beantworten. Eines der wichtigen Kennzeichen der uns bekannten belebten Systeme ist ihre enorme Komplexität. Ist diese aber eine notwendige Bedingung? Die Biophysikerin Petra Schwille (Direktorin am Max-Planck Institut für Biochemie, München) versucht zusammen mit ihrem Team belebte Systeme auf nur wenige Grundprinzipien zu reduzieren. Ihr Ziel ist eine durchweg biophysikalisch, quantitativ beschreibbare und aus definierten Ausgangskomponenten zusammengesetzte Minimalzelle. Auf dem Weg zu einem künstlichen, sich selbst organisierenden Minimalsystem der Zellteilung wurde bereits ein aufsehenerregender Erfolg erzielt .*

Warum ist Astrobiologie so aufregend?

Pascale EhrenfreundIcon AstronomieSchon seit vielen Jahrzehnten gibt es großes Interesse, eine Spezialwissenschaft zur Evolution organischen Materials und der Entstehung des Lebens auf der Erde sowie der Suche nach Leben im Weltall zu gründen. Neben den Fachgebieten der Kosmobiologie und Exobiologie setzte sich in den 90er-Jahren das Spezialforschungsgebiet der Astrobiologie durch. Pascale Ehrenfreund, derzeit Präsidentin des FWF, die zu den Pionieren und renommiertesten Wissenschaftern der Astrobiologie gehört, beschreibt wesentliche Fragestellungen in dieser Disziplin.

Gibt es einen Newton des Grashalms?

Icon MINTDie von Isaac Newton aufgestellten Gesetze beschreiben den Aufbau des Universums aus unbelebter Materie. Lässt sich aber die Entstehung eines Lebewesens, beispielsweise eines Grashalms, aus unbelebter Materie erklären? Kant hat diese Frage verneint. Die modernen molekularen Lebenswissenschaften scheinen jedoch imstande zu sein, die Kluft zwischen unbelebter und lebender Materie zu schließen.

Peter SchusterIm Jahr 1790 stellte Immanuel Kant in seiner „Kritik der Urteilskraft“ die berühmte Behauptung auf, dass es wohl nie einen „Newton des Grashalms“ geben werde, weil der menschliche Geist nie fähig sein würde zu erklären, wie Leben aus unbelebter Materie entstehen könne (Originaltext in Abbildung 1).

Kant: Critik der Urtheilskraft, §75Abbildung 1. Immanuel Kant: Critik der Urtheilskraft, §75 (Zweyte Auflage, bey F.T.Lagarde, Berlin 1793; Bild: kant.bbaw.de)

Eben als ein solcher „Newton des Grashalms“ wurde Charles Darwin rund 70 Jahre später von dem deutschen Naturalisten Ernst Haeckel gefeiert. Allerdings teilten die Zeitgenossen Haeckels keineswegs die Begeisterung über Darwin und auch heute ist sie endendwollend, wenn auch die bahnbrechende Rolle von Darwins Untersuchungen keineswegs in Zweifel gezogen wird.

Die amerikanische Physikerin, Molekularbiologin und Philosophin Evelyn Fox Keller meint dazu, daß es einfach falsch ist, Darwin als einen Newton der Biologie zu betrachten: Darwin selbst habe ja systematisch vermieden sich die Frage zu stellen, wie Leben aus unbelebter Materie entstehen könne. Seine natürliche Selektion beginne ja erst mit der Existenz lebender Zellen.

Das Element Zufall in der Evolution

Icon PhysikDie Bedingungen, die zur Entstehung und Entwicklung von Leben führten, sind eng mit der Entwicklung des gesamten Kosmos verknüpft. Wie sieht ein theoretischer Physiker die Aussage, die Evolution sei zufällig verlaufen.

Peter Christian AichelburgNach der allgemein anerkannten Urknall-Theorie hat sich das Universum aus einer dichten, sehr heißen Urphase über nahezu 14 Milliarden Jahre zum heutigen Zustand in Form von Milliarden von Sternen zusammengeballt zu Galaxien und Galaxienhaufen, Superhaufen und Filamenten entwickelt, eingebettet in einen Kosmos der mit zunehmender Geschwindigkeit expandiert. Die heute beobachtbaren Strukturen des Universums sind also erst allmählich entstanden (Abbildung 1).

UrknallAbbildung 1. Urknall-Modell: Entstehung und Expansion des Weltalls. Das anfänglich sehr dichte und heißere Universum enthielt im kosmischen Plasma Photonen, die vorerst an den geladenen Teilchen gestreut wurden, Nach der Abkühlung und Entstehung von Atomen konnten sich die Photonen nahezu ungehindert ausbreiten = Hintergrundstrahlung. Danach begann allmählich unter der Wirkung der Gravitation die Kondensation der Materie zu den Strukturen wie wir sie heute beobachten.

Die biologische Evolution auf der Erde ist eng mit der Evolution des ganzen Kosmos verknüpft. Voraussetzung für das Leben auf der Erde war die Existenz von Kohlenstoff. Dieser kann aber nur im Inneren von Sternen durch Kernfusion entstanden sein: Waren in den ersten Sekunden nach der „Geburt des Kosmos“ aus der „Ursuppe“ von Elementarteilchen nur die leichtesten Atomkerne – Wasserstoff und Helium (und Spuren von Lithium, Beryllium) entstanden, so wurden die schwereren Elemente durch Kernfusionsprozesse im Innern der ersten, aus kollabierten Gaswolken entstandenen Sterne erzeugt. Somit ist die Entstehung von Leben erst nach dem Ausbrennen und Explodieren der ersten Sterne (Supernovae), das heißt erst ab der zweiten Sterngeneration möglich.

Unzähmbare Neugier, Innovation, Entdeckung und Bastelei

Icon ###Gebiet###Sind wir dazu verdammt auf dem Weg einer immerzu steigenden Komplexität unserer Welt fortzuschreiten? Unsere Neugier treibt uns an Unbekanntes zu erforschen, Neues zu entdecken und Innovation auf der Basis des bereits Etablierten zu suchen. Während die technologische Entwicklung auf der Entdeckung neuer Komponenten ebenso wie auf Innovation (das heißt, einer Verknüpfung bereits etablierter Bausteine zu neuen Objekten) beruht, bedient sich die biologische Evolution praktisch ausschließlich der Innovation, verknüpft bastelnd vorhandene Bausteine und gelangt so zu einer immer höheren Komplexität ihrer Schöpfungen.

Peter SchusterEin Trapper des achtzehnten Jahrhunderts benötigte eine Schachtel Zündhölzer, ein Gewehr und ein Messer, vielleicht noch ein Zelt und ein Kanu oder einen Hundeschlitten, um in der Wildnis zu überleben. Heute würde sich in derselben Situation praktisch jeder von uns unbehaglich fühlen, hätte er nicht zusätzlich auch noch GPS, ein Handy mit Internet Zugang, eine Erste-Hilfe Schachtel mit zumindest Aspirin, einem Antibiotikum und einem Serum gegen Schlangenbisse und eine Reihe weiterer Utensilien mit dabei. Im Vergleich zur langen Geschichte des Menschen ist seit den glorreichen Tagen des Trappers nur eine winzige Zeitspanne vergangen, die Komplexität des Lebens hat seitdem aber zweifellos enorm zugenommen.

Die grosse Frage — Die Suche nach ausserirdischem Leben

Icon BiologieLeben wurde bisher nur auf unserer Erde gefunden. Die Entdeckung ferner Planetensysteme sowie neue Erkenntnisse über unser eigenes Sonnensystem nähren jedoch die Vermutung, dass auch andere Himmelskörper Leben tragen.

Zum Ursprung des Lebens — Konzepte und Diskussionen

Peter SchusterDiskussionen über den Ursprung des Lebens – präziser ausgedrückt über den des terrestrischen Lebens – ebenso wie über jenen des Universums, werden in allen unseren Gesellschaften mit großem Interesse verfolgt. Für das letztere Problem existiert ein Standard-Modell, die Urknalltheorie (Big-Bang-Theorie), die sich von einer Extrapolation der Elementarteilchen-Physik auf den Beginn des Universums herleitet.

Nichts Vergleichbares gibt es hingegen, wenn man nach der Entstehung des Lebens fragt. Es konkurrieren zwar viele unterschiedliche Ideen, jedoch bietet keine von ihnen eine ausreichend plausible Erklärung dafür, wie die ersten lebenden Organismen entstanden sein könnten. Es ist ja nicht einmal klar, was unter dem Begriff „Leben“ zu verstehen ist, und mögliche Definitionen sind heftig umstritten.

Wo ist die Grenzlinie zwischen Unbelebtem und Belebtem zu ziehen?

Eine Liste von Kriterien zur Unterscheidung was noch nicht und was schon Leben bedeutet, könnte beispielsweise enthalten

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