Zum Ursprung des Lebens — Konzepte und Diskussionen

iv) Individualisierung durch Einschließen in Kompartimente

v) Selbsterschaffung (Autopoiese) und Selbsterhaltung (Homöostase)

vi) Organisierte Zellteilung (Mitose)

vii) Sexuelle Reproduktion und Reduktions-Zellteilung (Meiose)

viii) Zelldifferenzierung in Zellen der Keimbahn und somatische Zellen

Zur Illustrierung sind in Abbildung 1 einige Beispiele angeführt: Viroide (Krankheitserreger, die aus nur einer ringförmig geschlossenen, einzelsträngigen Ribonukleinsäure bestehen) erfüllen bloß Kriterien i) und ii), Viren nur i), ii) und iv), Bakterien dagegen alle Kriterien von i) bis vi).

An Hand dieser Liste lassen sich sogar Artefakte klassifizieren: Computerviren erfüllen nur Kriterium i), Computerwürmer i) und iv). Interessanterweise genügen die Artefakte mit denen die aktuellen Angriffe auf unsere Computer erfolgen, nicht dem Kriterium ii) – deren Evolution liegt also völlig in der Hand der sie erschaffenden Hacker.

Abbildung 1. Vom Unbelebten zum Belebten

Biologische Evolution – chemische Evolution

Zum Verständnis des Lebens, wie es sich heute darstellt, hat die biologische Evolution immer zwei Aspekte zu berücksichtigen: i) den historischen Aspekt der Entwicklung heutiger Lebensformen aus früheren Spezies und ii) den mechanistischen Aspekt, der erklärt wie der Evolutionsprozeß vor sich geht.

Der geschichtliche Aspekt der Evolution ist gleichzusetzen mit dem Bestand an Fossilien und wie diese interpretiert werden. Dieser Bestand an Fossilien erweist sich allerdings als wertlos, wenn die Frage gestellt wird, wo der Beginn des Lebens anzusetzen ist. Die ältesten Fossilien, deren Ursprung mit höchster Wahrscheinlichkeit ein biologischer ist, sind etwa 3,5 Milliarden Jahre alt und Überbleibsel von Organismen, die den von heutigen Cyanobakterien geformten Stromatolithen entsprechen. Diese ältesten Zeugen des Lebens können jedoch – zumindest nach dem heutigen Wissenstand - keinen Hinweis auf die Wege geben, welche eine vorgelagerte chemische Evolution eingeschlagen hat. Eine historische Beschreibung der Straße, die vom Unbelebten zum Belebten führt, liegt im Bereich der Spekulation und wird es vermutlich auch immer bleiben. Untersuchungen zu Reaktions-Mechanismen, die für Fragen nach dem Ursprung des Lebens als wichtig erachtet werden, können weder falsifiziert noch bestätigt werden, sondern nur als unwahrscheinlich oder plausibel eingestuft werden.

Was war zuerst?

Seit dem 19. Jahrhundert als Alexander Oparin kleine Tröpfchen, die sich spontan aus Fettsäuren und Proteinen im wäßrigen Milieu bilden und sich in weitere Tröpfchen spalten können („coacervates“), als mögliche Vorläufer primitiver Zellen betrachtete, haben Wissenschafter eine beträchtliche Anzahl an Szenarien als mögliche Vorläufer der belebten Welt erstellt. Heute existiert praktisch generelle Übereinstimmung darüber, daß schon primitive Zellen drei essentielle Komponenten aufweisen mußten: Ribonukleinsäuren (RNA oder DNA) als molekulare Basis der Genetik, das Vorhandensein von Stoffwechsel und eine Strukturierung in abgrenzbare Kompartimente. Im wesentlichen wird aber darüber diskutiert, in welcher (zeitlichen) Reihenfolge diese Komponenten entstanden sind. Vereinfacht lassen sich diese Szenarien in drei Klassen einteilen:

i) primär waren genetische Szenarien,

ii) primär waren Szenarien des Stoffwechsels (Metabolismus) und

iii) primär waren Szenarien der räumlichen Abgrenzung (Kompartimentierung)

Alle drei Szenarien weisen Mankos auf in der Erklärung wichtiger Details, wenige Aspekte betreffend den Übergang von einer präbiotischen Chemie zu frühen Lebensformen sind zweifelsfrei. Ein wesentlicher Unterschied in den Szenarien betrifft die Frage, ob der Übergang unbelebt zu belebt autotroph war, das heißt, daß bereits ein präbiotischer Stoffwechsel vorhanden war, der die nötigen Bausteine zur Verfügung stellen konnte oder heterotroph. Im letzteren Fall muß angenommen werden, daß die benötigten Materialien vorerst aus der „Umgebung“ stammten und ein der modernen Biochemie entsprechender Stoffwechsel erst später in frühen Urformen des Lebens entwickelt wurde um von zufälligen Umweltsbedingungen unabhängig zu werden.

Modelle, welche der Genetik die primäre Rolle zuschreiben

Diese Modelle gehen davon aus, daß eine RNA-Welt der gegenwärtigen DNA-RNA-Protein-Welt vorangegangen sein muß. Wie allerdings die ersten RNA-Moleküle unter präbiotischen Bedingungen entstanden sind, ist trotz aktueller Fortschritte in diesem Gebiet noch nicht bekannt. Eine massive Unterstützung erhält die RNA-Welt Hypothese durch die Entdeckung von katalytisch aktiven RNA-Molekülen („Ribozymen“), welche wie Enzyme Reaktionen katalysieren, sich selbst replizieren und dabei der Selektion unterworfen sind. Damit kann in einer RNA-Welt eine Darwin’sche Evolution auch ohne Proteine ihren Anfang nehmen. Ribozyme sind nicht selten und eine breite Palette mit unterschiedlichen katalytischen Funktionen findet sich in unseren Zellen; von besonderem Interesse sind Formen, die in der Prozessierung von Nukleinsäuren und Proteinen eine essentielle Rolle spielen.

Modelle, die eine primäre Rolle dem Vorhandensein eines Metabolismus zuschreiben

Entsprechende Modelle erscheinen sehr attraktiv, da sie vielleicht erklären können, auf welchen Wegen präbiotische Chemie imstande war ein ausreichendes, passendes Reservoir für die abiotische Synthese von Biomolekülen bereitzustellen. Metabolismus, der innerhalb eines abgegrenzten Raums (Kompartiments) stattfindet, anorganische Materialien umsetzt und von einer Energiequelle außerhalb des Raums angetrieben wird, könnte alle notwendigen Bausteine für das Wachstum und die Vermehrung einer Proto-Zelle produzieren und somit autotroph sein.

Die meisten der aktuellen Metabolismus-Modelle basieren auf dem einleuchtenden Argument, daß aus dem enorm vielfältigen Repertoire organischer Moleküle, die unter präbiotischen Bedingungen entstanden sein konnten, in katalytischen Kreisläufen Verlauf Teilmengen von Verbindungen selektiert wurden. Leider fehlen für diese Annahmen experimentelle Beweise und die Existenz größerer katalytischer Zyklen erscheint zumindest fragwürdig. Dies ist insbesondere der Fall bei Zyklen mit vielen Komponenten (wie z.B. dem Citronensäure Zyklus), die offensichtlich ohne katalytisch aktive Proteine nicht auskommen, da ihre einzelnen Schritte mit hoher Spezifität und Effizienz verlaufen müssen um Endprodukte in ausreichender Menge zu produzieren. (Ein Zyklus mit 10 Einzelschritten, von denen jeder mit einer hohen Ausbeute von 80 % erfolgt, bringt eine Ausbeute von nur 11 %!)

Modelle der räumlichen Abgrenzung (Kompartimentierung) an primärer Stelle

Diese Modelle basieren auf der Tatsache, daß amphiphile Moleküle (Moleküle, die wasserabstoßende – hydrophobe – Teile und mit Wasser interagierende – hydrophile – Gruppen besitzen) unter präbiotischen Bedingungen existierten. Derartige Moleküle aggregieren im wäßrigen Milieu, wobei unterschiedliche Aggregate entstehen können: von Micellen, welche die die hydrophoben Teile ins Innere, die hydrophilen Teile an der Grenzfläche mit Wasser ausrichten, bis hin zu Vesikeln, kugelförmige Gestalten, deren wäßriges Inneres durch eine Membran – eine Doppelschicht aus amphiphilen Molekülen- von dem umgebenden wäßrigen Milieu abgetrennt wird. Diese Membranen sind von speziellem Interesse, da sie grundlegende Eigenschaften von Zellmembranen besitzen.

Auf der Basis relativ einfacherer Micellen-artiger Aggregate (Composomen) wurde ein Konzept entwickelt, das deren selbst-verstärkende Bildung und Evolution zum Thema hat (GARD-Modell). Eine Analyse der Composomen-Theorie ergab allerdings, daß derartige Partikel nur beschränkt evolvierbar sind und zwischen Formen iterieren, die bereits unter anfänglichen Bedingungen vorhanden waren.

Auf dem Weg zu künstlichen Zellen

Vor rund einem Jahrzehnt wurde von der Gruppe um Jack Szostak ein Programm zur Synthese artifizieller Zellen (Protocells) vorgeschlagen, welche die wesentlichen Eigenschaften die „Leben“ charakterisieren, besitzen sollten. Die grundlegende Idee war, genetisches Material in Vesikel einzuschließen, welches die Replikation ermöglichen und zur damit assoziierten Teilung der Vesikel führen sollte (entsprechend der am Beginn des Artikels angeführten Kriterien würden Protocells i), ii) und iv) erfüllen). Inzwischen wurde eine breite Palette an Protocells erzeugt, die erfolgreich unterschiedliche Funktionen des „frühen Lebens“ simulieren. In Lipidvesikeln lassen sich zunehmend kompliziertere Prozesse ausführen, wie die Umschreibung (Translation) von RNA in Proteine oder cyclisch ablaufende Stoffwechselvorgänge (entsprechend Kriterium iii)). Die kürzlich gezeigte Aufnahme von Nukleotiden (Bausteinen der Nuleinsäuren) in derartige Lipidvesikel und deren dort erfolgender Einbau in genetische Polymere stellt einen ‘proof of concept’ dar für die Vorstellung eines heterotrophen Ursprungs der ersten Zellen.

Evolution des Metabolismus

Information darüber, wie sich nach einem Beginn über eine RNA-Welt der Metabolismus entwickelt hat, kann auf einfachere Weise erhalten werden. Ein aktueller Ansatz beruht auf der vergleichenden Analyse der Genome („comparative genomics“) und Strukturen von Proteinen: Die Prüfung evolutionärer Verwandschaften („Phylogenomics“) von Protein-Architekturen zeigt die zeitliche Reihenfolge auf, in welcher die in heutigen Metabolismus-Netzwerken agierenden Module aufgetreten sind. Aus diesen Untersuchungen kann geschlossen werden, daß die erste „Übernahme“ präbiotischer Chemie durch enzymatische Katalyse mit der Synthese der Nukleotide für die RNA-Welt erfolgte. Weitere „Übernahmen“ betrafen Stoffwechselwege, die zu Aminosäuren, Kohlehydraten und zu Lipiden führten. Auf diese Anfangsphasen folgte eine schnelle Entwicklung zu den Proteinen der drei großen Reiche der Lebewesen (kingdoms of life): der Eubakterien, Archäbakterien und Eukaryoten.

Befunde aus den phylogenomischen Untersuchungen sprechen (ebenso wie die oben erwähnten Protocell-Vesikel-Modelle) für einen Ursprung des Lebens auf heterotropher Basis: molekulare Bausteine dürften ja auf der prebiotischen Erde vorhanden gewesen sein, und Urzellen konnten diese inkorporieren. Es scheint auch einfacher zu sein, Selektivität für die Inkorporierung der „richtigen“ Moleküle aufzuweisen als die präbiotische Chemie so zu lenken, daß nur benötigte Moleküle entstehen. In jedem Falls mußten aber die „richtigen“ Moleküle in der „Ursuppe“ angereichert vorliegen.

Ausblick

Den pessimististischen Äußerungen von Gegnern eines natürlichen Ursprungs des Lebens zum Trotz, existiert bereits eine eindrucksvolle Sammlung von Befunden, die alle für eine konkrete Reihenfolge von präbiotischen Ereignissen sprechen und von Prozessen, die über Netzwerke dynamisch verknüpfter kleiner Moleküle und amphiphiler Moleküle zu biologischen Makromolekülen führten, zu Kompartiments und schließlich zur Urzelle. Wie die lebende Urzelle entstanden ist, kann zwar keines der vorgeschlagenen Szenarien für sich allein erklären, wohl ist dies aber bei deren Kombination plausibel.

Beginnend von einer RNA-Welt, die sich im Inneren von Vesikeln befand und der Darwinschen Evolution unterworfen war, vermochte sehr wohl eine Entwicklung zu starten hin zu moderner Biochemie, welche auf DNA, RNA und Protein basiert, ebenso wie auf dem bekannten Protein-katalysierten Metabolismus. Zur Zeit stellt dieses Konzept noch ein unvollständiges Puzzle dar mit einer Reihe fehlender Teile. Zur Vervollständigung bedarf es außer experimentellen Untersuchungen auch einer neuen umfassenden Theorie chemischer Systeme, welche eine direkte Analyse dynamischer Netzwerke (Netzwerke, die sich zeitlich verändern) erlaubt.

Anmerkungen der Redaktion

Anstelle eines Glossars und detaillierter Literaturangaben (die für die meisten Leser wohl kaum zugänglich sind):

• VIDEO: Entstehung des Lebens – Abiogenese (10 minütige Diashow in deutsch; dies ist eine Übersetzung von The Origin of Life - Abiogenesis - (darunter) Dr. Jack Szostak und der erste Teil der “Origin Series“, von der es weitere Folgen gibt u.a. zu „Origin of the Genetic Code“, „Origin of Intelligence“, „Origin of the Brain“)
• Webseite von Jack Szostak (Nobelpreis für Physiologie/Medizin 2009). Auf dieser Seite gibt es sehr einfache, hübsche Beschreibungen der Vesikel, die zur Protocell führen sollen, dazu einige kurze Movies und insbesondere den link auf ExploringOrigins.org, welcher eine Serie weiterführender links bietet (origins of life, RNA World, und insbesondere Building a protocell)

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  Über den Autor: Emer. Univ. Prof. Dr. Peter Schuster, Jg. 1941, hat an der Universität Wien Chemie und Physik studiert, war langjähriger Ordinarius für Theoretische Chemie und Leiter des Computerzentrums in Wien, Gründungsdirektor des Instituts für Molekulare Biotechnologie in Jena, Vizepräsident und Präsident der ÖAW, Mitglied höchstrangiger Akademien. Forschungsschwerpunkte: Theorie der: chemischen Bindung, Dynamik, molekularen Evolution, Struktur/Funktion von RNA und Proteinen, Netzwerke.