Wie alles anfing: Ein Reiseführer auf dem Weg zur Entstehung und Entwicklung des Lebens

Do, 24.11.2022 -— Inge Schuster Inge SchusterIcon Chemie

Vor 53 Jahren, als die Molekularbiologie noch in den Kinderschuhen steckte, habe ich den ebenso jungen Biochemiker Manfred Bühner auf einer wissenschaftlichen Tagung kennengelernt. Manfred war insbesondere von einem Vortrag des US-Amerikaners Michael Rossmanns fasziniert; dieser Pionier der Strukturaufklärung von Enzymen mittels Röntgenstrukturanalyse nahm dann Manfred als Postdoc in seiner Abteilung auf. Manfred konnte sich dort in die damals noch sehr neuen Methoden einarbeiten und baute nach seiner Rückkehr nach Deutschland in Würzburg das erste Forschungslabor an Hochschulen für Röntgenstrukturanalyse von Biomolekülen auf. Seine Forschungen zu Struktur, Funktion und deren Optimierung führten immer wieder zum Thema "chemische Evolution" . Manfred Bühner hat nun darüber ein großartiges Buch "Wie alles anfing - Von Molekülen über Einzeller zum Menschen" verfasst [1]. Die folgende Rezension soll einen kurzen Eindruck davon geben.

Wie ist auf unserem Planeten aus unbelebter Materie belebte Materie bis hin zu komplexen, intelligenten Lebensformen der Gegenwart entstanden? Anders als in den meisten deutschsprachigen Büchern über Evolution, deren Hauptaugenmerk auf der biologischen Phase - also auf der Entwicklung der Arten - liegt, steht in "Wie alles anfing" die präbiotische Phase, die chemische Evolution, im Zentrum.

"Leben ist aus einer geradezu banalen Aneinanderreihung von ganz einfachen und selbständig ablaufenden physikalischen und chemischen Reaktionen entstanden"

In vier Teilen, auf rund 170 Seiten (plus einem ausführlichen Anhang mit chemischen und physikalischen Grundlagen, sowie einem Glossar) führt der Biochemiker Manfred Bühner aus, dass und warum die Chemie die Basis für den Weg zum Leben, wie auch für das Leben in seiner ganzen Vielfalt ist. In der nüchternen, induktiven Betrachtungsweise des Naturwissenschaftlers, die von Beobachtungen und zu berücksichtigenden Rahmenbedingungen ausgeht, kommt er zu dem Schluss: "Leben ist aus einer geradezu banalen Aneinanderreihung von ganz einfachen und selbständig ablaufenden physikalischen und chemischen Reaktionen entstanden". Er bezieht sich dabei auf etabliertes Wissen über Struktur, Funktion und Steuerung der Bausteine lebender Materie und auf plausible Mechanismen ihrer Entstehung, die in der zweiten Hälfte des vorigen Jahrhunderts - dank der Fortschritte der Molekularbiologie - enorm ausgeweitet wurden. Bühner ist Zeitzeuge dieser Entwicklung und hat selbst seit den frühen 1970er Jahren an der Aufklärung der 3D-Struktur von Enzymen gearbeitet und sich eingehend mit deren Evolution zu den überaus präzisen Katalysatoren der Gegenwart befasst.
Abbildung 1. . Kohlenstoff im Zentrum der Chemischen Evolution. Von der Entstehung organischer Moleküle in der Uratmosphäre über Biomoleküle, Protozellen bis hin zur ersten Lebensform LUCA (Last universal common ancestor) . Quelle: Chiswick Chap, https://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis; Lizenz: cc-by-sa.

Entstanden ist ein umfassender Überblick über mehr als 4,5 Milliarden Jahre Evolution, der mit der Entstehung der chemischen Elemente im Universum und den chemischen Reaktionen von Atomen und Molekülen in der Uratmosphäre beginnt. Abbildung. Bühner erklärt, warum (nur) Kohlenstoff auf Grund seiner vielfältigen Bindungsmöglichkeiten die strukturelle Basis für die Bausteine des Lebens bieten kann und wie in den Reaktionen mit den am häufigsten vorhandenen Elementen - Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff - und dazu Phosphor und Schwefel zwangsläufig ein nahezu unendliches Spektrum von Biomolekülen entstehen konnte. Verständlicherweise konnten die weniger stabilen Makromoleküle - Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren - erst entstehen, als vor etwa 4,3 Milliarden Jahren die Oberflächentemperatur der Erde gesunken war und atmosphärischer Wasserdampf zu Meeren kondensierte; geschützt vor zu zerstörerischer UV-Strahlung reicherten sich die Moleküle der Uratmosphäre in diesen "Ursuppen" an, aggregierten und reagierten miteinander. Bühner zeigt wahrscheinliche Synthesewege auf, erläutert, welche Rolle dabei flüssiges Wasser spielte und woher die zur Polymerisierung notwendige Energie kommen konnte.

Wie er an späterer Stelle ausführt, sollten - nach den im ganzen Universum geltenden Gesetzen der Chemie und Physik und sofern es die planetar-physikalischen Bedingungen erlaubten - auch auf anderen Himmelskörpern die Moleküle der Uratmosphäre einer zumindest sehr ähnlichen chemischen Evolution unterworfen (gewesen) sein.

Hervorgehoben wird die zentrale Bedeutung der Nukleinsäuren, deren Fähigkeit komplementäre Nukleotide anzulagern und Kopien mit der in der Nukleotid-Abfolge gespeicherten Information entstehen zu lassen, die Grundvoraussetzung für Leben, Vermehrung und Vielfalt der Nachkommenschaft ist. Es wird gezeigt wie die Nukleotid-Sequenz der RNA - und später der längeren, stabileren DNA - für die Aminosäurensequenz von Proteinen kodiert, wie Ablesung und Übersetzung des Codes funktionieren, wie schlussendlich kompliziert gefaltete Proteine entstehen und was solche zu hocheffektiv, spezifisch arbeitenden Enzymen macht. Zur Lösung des Henne- Ei Dilemmas - Was kam zuerst - Proteine, die das Kopieren der Nukleinsäuren katalysieren oder Nukleinsäuren, die für solche Proteine kodieren? - verweist Bühner auf die sogenannten Ribozyme - Ribonukleinsäuren mit zusätzlichen katalytischen Eigenschaften, die in anfänglichen RNA-Welten imstande gewesen sein dürften ohne zusätzliche Katalysatoren den vorerst langsamen und fehlerbehafteten Kopierprozess von RNAs zu beschleunigen und verbessern.

Breiten Raum nimmt auch die Chemie der niedermolekularen Lipide und der daraus spontan gebildeten Membranen ein: wie aus Membran-umschlossenen Tröpfchen der Ursuppe mit darin gelösten Biomolekülen erste Protozellen generiert werden konnten und wie diese Protozellen Stoffwechselsysteme entwickelten, die energieliefernde Stoffe aus der Ursuppe aufnehmen, für Funktionen wie Kopieren und Katalyse einsetzen und Abfallprodukte ausscheiden konnten. Nach mehreren Hundertmillionen Jahren chemischer Evolution, in denen vermutlich unzählige Biomoleküle ausprobiert und verworfen worden waren, gab es vor etwa 3,7 Milliarden Jahren erstmals Voraussetzungen für die Entstehung von Leben, die - als die geophysikalischen Bedingungen taugten - zu ersten Prokaryoten, einzelligen Vorläufern von Bakterien und Archaeen, führten.

"Das Leben? Ist alles nur Chemie mit der Fähigkeit zum autonomen Selbstkopieren"

sagt Bühner. Dieses Kopieren ist Hauptthema des (wesentlich kürzeren, da in der populärwissenschaftlichen Literatur bereits ausführlichst behandelten) Teils über biologische Evolution: wie dem Zufall unterworfene Mutationen in den Nukleotid-Basen und Selektion der Nachkommenschaft durch Adaptation an die Umgebungsbedingungen die Basis für die Evolution der Arten schufen; wie Optimierung von Kopiermaschinerie und Reparatursystemen für defekte Nukleotide immer größere Speicherkapazitäten und damit komplizierter aufgebaute Organismen ermöglichten. Als wesentliche Meilensteine in dem ungeheuer langen Zeitraum der biologischen Evolution (immer mit dem Fokus auf deren Chemie) nennt der Autor die "Erfindung" der Photosynthese durch Cyanobakterien vor etwa 2,7 Milliarden Jahren (d.i. der Nutzung von Sonnenergie zur Synthese von Kohlenhydraten aus CO2 und H2O, wobei der entstehende, für viele Proteobakterien toxische Sauerstoff das erste große Artensterben auslöste) und die Entstehung von Eukaryonten aus Archaea und Proteobakterien durch Endosymbiose 1 Milliarde Jahre später. Der letzte Teil des Buches führt dann von der Entstehung von Mehrzellern vor 800 Millionen Jahren, dem Aufkommen der sexuellen Vermehrung, der Entstehung von kompliziert aufgebauten Organismen bis zu intelligentem Leben und dem Homo sapiens.

Fazit

Ohne philosophische Aspekte zu berühren, erklärt das Buch in überzeugender Weise, wie Leben durch chemische Evolution entstanden sein kann. Anspruchsvoll und sehr dicht geschrieben vermittelt jede Zeile profundes, sorgfältig recherchiertes Wissen und bietet selbst für den Chemiker neue, inspirierende Einblicke. Vor allem Studenten und Absolventen naturwissenschaftlicher und medizinischer Fachrichtungen, (Oberstufen-)Schüler aber auch am Thema Evolution interessierte Laien werden (mit etwas "Nach-Googeln") das Buch mit Gewinn lesen.

Addendum: In einer zweiten Auflage sollte der Verlag die chemischen Strukturformeln in einer dem heutigen Usus adäquaten Form wiedergeben.

 [1] In der Reihe De Gruyter De Gruyter Populärwissenschaftliche Reihe:

Bühner, Manfred. Wie alles anfing: Von Molekülen über Einzeller zum Menschen, Berlin, Boston: De Gruyter, 2022. https://doi.org/10.1515/9783110783155

 

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