Wie kam das Leben auf die Erde? Eine Spurensuche
Wann,
wie und wo Leben auf der Erde entstand, beschäftigt verschiedenste
Bereiche der Wissenschaft. Eindeutige Antworten fehlen, doch die
Hinweise verdichten sich
"Als ich das las, dachte ich mir: Jetzt geht das wieder los!" Martin Whitehouse, Geologe am Stockholmer Reichsmuseum für Naturgeschichte, hatte keine rechte Freude mit einer kürzlich im Fachblatt "Nature" (Bd. 549, S. 516) erschienenen Studie. Und das, obwohl darin von einem aufsehenerregenden Fund berichtet wurde: den bislang ältesten Lebensspuren auf der Erde.
Ein Team um Tsuyoshi Komiya, Universität Tokio, hatte in der Saglek-Region in Labrador in Kanada Graphitkörner aus uraltem Gestein untersucht und darin ein ungewöhnliches Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope C12 und C13 nachgewiesen. Das deutet darauf hin, so schrieben zumindest Komiya und Kollegen in "Nature", dass dieser Kohlenstoff einst Teil urtümlicher Lebewesen war – Einzeller, die vor 3,95 Milliarden Jahren in dieser Region lebten.
Am Mistaken Point in Neufundland befindet sich das besterhaltene präkambrische Fossil.
Dieser Interpretation stimmen allerdings nicht alle Fachkollegen zu. Whitehouse etwa hält die Altersbestimmung des Gesteins für unsicher und sagt seinen japanischen Kollegen voraus, die wissenschaftliche Sensation könnte bei näherer Überprüfung "wie ein Kartenhaus in sich zusammenstürzen". Derlei Debatten gab es in den vergangenen Jahren des Öfteren. Auch Strukturen im Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel in der kanadischen Provinz Quebec oder im Isua-Gneis am Rande des grönländischen Eisschildes wurden schon als älteste Mikrofossilien der Erde bezeichnet – und auch hier kamen alsbald Zweifel auf.
Denn Einzeller sind fragil, im Gestein zeigt sich ihre vergangene Existenz allenfalls indirekt. Jedenfalls nicht so zweifelsfrei, wie das bei versteinerten Knochen der Fall ist. Fazit: Mit Geologie kommt man auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens zwar weit, aber nicht weit genug. Der Anfang verliert sich im Dunkel der Erdgeschichte.
Ursprung des Lebens: Wann?
Im Jahr 1650 versuchte der irische Theologe James Ussher das Alter der Erde mithilfe von Angaben aus der Bibel zu bestimmen – und schloss messerscharf: Die Schöpfung fand am Sonntag, dem 23. Oktober 4004 v. Chr., statt. Das deckt sich nicht ganz mit den Befunden der modernen Geologie und Astronomie, die das Alter der Erde auf rund 4,5 Milliarden Jahre datieren. Die ersten Meere auf dem noch jungen Planeten könnten sich laut neueren Berechnungen bereits 100 Millionen Jahre danach gebildet haben ("Nature", Bd. 409, S. 175). Wobei das Wasser nicht nur irdischen Ursprungs gewesen sein muss.
Wie Untersuchungen des Asteroiden Vesta zeigen ("Science", Bd. 346, S. 623), führt auch dieser messbare Mengen Wasser mit sich. Wasser, das wohl durch Einschläge von Meteoriten auf seine Oberfläche gelangt ist. Gut möglich, dass Ähnliches auch mit der jungen Erde geschah – und ein Teil der heute existierenden Ozeane eigentlich aus dem All stammt. Was das mit der Entstehung des Lebens auf der Erde zu hat? Für Leben – zumindest so, wie wir es kennen – ist Wasser unverzichtbar.
Diese Aufnahme zeigt den Krater Aelia an der Oberfläche des Asteroiden Vesta.
Daraus ergibt sich ein nach geologischen Maßstäben relativ schmales Zeitfenster: Vor 4,4 Milliarden Jahren besaß die junge Erde bereits genug Wasser für die Entstehung des Lebens. Vor knapp vier Milliarden Jahren waren vermutlich schon primitive Zellen da. Dazwischen muss es passiert sein. Die Frage ist nur: Wie und wo?
Ursprung des Lebens: Wo?
Schon Charles Darwin äußerte 1871 in einem Brief an den Botaniker Joseph Hooker die Vermutung, das Leben könnte dereinst in einem "warm little pond ", also in einem kleinen Tümpel, entstanden sein. Damit bewies er – wie so oft – einen guten Riecher: Laut dem Biophysiker Armen Mulkidjanian von der Universität Osnabrück könnten nämlich Dämpfe aus den Tiefen der Erde den Urkeim des Lebens gezeugt haben. Und zwar in geothermischen Quellen, wie sie heute noch im Yellowstone-Nationalpark zu finden sind.
In fast dreitausend Metern Wassertiefe befindet sich diese Tiefseequelle auf dem Mittelatlantischen Rücken.
Für diese Hypothese spricht die chemische Zusammensetzung dieser Quellen: Sie beinhalten relativ hohe Konzentrationen an Zink, Mangan und Phosphor sowie ein hohes Verhältnis von Kalium zu Natrium ("PNAS", Bd. 109, S. 5156). All das ist auch typisch für den Stoffwechsel heute lebender Zellen. Mulkidjanian glaubt, dass das kein Zufall ist. Sollte er recht behalten, wäre das Leben also an Land entstanden und nicht, wie früher vermutet, im Meer. Gleichwohl ist damit die alternative Theorie nicht vom Tisch. Hydrothermale Quellen auf dem Meeresgrund gelten nach wie vor als gute Kandidaten für die "Urzeugung ". Oder, wie man heute sagt: für die Bildung des ersten Replikators.
Die Suche nach dem Urkeim
Der Replikator – nein, dieser Begriff entstammt nicht der neuesten "Blade Runner"-Verfilmung von Denis Villeneuve, sondern der theoretischen Chemie: Der Replikator ist ein Ding, das Kopien seiner selbst herstellt. Es geht um jenes Molekül, das sich zum ersten Mal durch Mutation und Selektion entwickelt hat. Jenes Molekül, das die Stunde null der Evolution markiert.
Dazu bedarf es einer gewissen chemischen Reaktionsfreudigkeit. Die DNA stellt bei der Fortpflanzung zweifelsfrei Kopien ihrer selbst her. Sie ist das "Back-up " der genetischen Information in den Zellen von Pflanzen, Tieren inklusive Mensch, doch sie ist chemisch träge. Ohne Proteine ist die DNA gewissermaßen hilflos. Die Proteine wiederum, die "Exekutive " in der lebenden Zelle, gäbe es nicht, wenn die Anleitung für ihre Herstellung nicht in der DNA festgeschrieben wäre. Beide Moleküle können nicht ohne das jeweils andere existieren.
Die
DNA-Doppelhelix ist chemisch zu träge, um die Stunde null der
Evolution zu markieren. Diese Aufgabe könnte einem ähnlichen Molekül,
der RNA, zukommen.
Das ist im Grunde eine Neuformulierung des klassischen Henne-Ei-Problems, aus dem es anscheinend kein Entrinnen gibt. Oder doch? In den 1980ern entdeckten die beiden Amerikaner Thomas Cech und Walter Altmann, dass ein der DNA ähnliches Molekül, die RNA, die Fähigkeit hat, beides zu tun: Information zu speichern und chemische Reaktionen anzutreiben. Die RNA übernimmt noch heute eine wichtige Rolle in der Verarbeitung der genetischen Information. Sie könnte das Molekül sein, das die Geschichte des Lebens angestoßen hat. Sollte diese Hypothese stimmen, wäre sie ein Relikt der Lebenszeugung, eine Art chemisches Fossil, das alle Lebewesen, Mensch inklusive, im Inneren tragen.
Leben aus dem All?
Die Hypothese der urzeitlichen "RNA-Welt " (der Begriff stammt vom Harvard-Forscher Walter Gilbert) hat nur einen Schönheitsfehler. Bislang ist es nicht gelungen, Leben im Labor aus unbelebten chemischen Zutaten herzustellen. Was in gewisser Hinsicht nicht verwundert: Die Evolution hatte dafür hunderte Millionen Jahre Zeit, und der Prozess lässt sich wohl auch nicht beliebig beschleunigen.
Zumal es für das Rezept der Ursuppe derart viele Variationsmöglichkeiten gibt, dass sich noch Generationen von Forschern an der experimentellen Antwort auf die Frage aller Fragen abarbeiten können. So kursieren denn nach wie vor alternative Modelle im Diskurs der Biochemiker. Der Schotte Graham Cairns-Smith vermutete etwa, dass die Urgene aus einem ganz anderen Material bestanden, nämlich aus Tonmineralen, die der RNA in einem späteren Stadium der Evolution erst auf die Sprünge halfen.
War es ein Asteroid, der Leben auf die Erde importierte?
Ähnlich argumentiert der Münchner Biochemiker Günter Wächtershäuser: Er geht davon aus, dass die Urzeugung an der Oberfläche von Eisen-Schwefel-Mineralien passiert ist – Moleküle, die noch heute in der Umgebung von Tiefseevulkanen entstehen und Energie für spontane Reaktionen liefern. Bliebe freilich noch die Möglichkeit, dass das Leben gar nicht auf der Erde entstanden ist, sondern irgendwo da draußen im Weltall. In diesem Fall müssten die Urkeime des Lebens per Kometen- oder Asteroideneinschlag auf unseren Planeten gelangt sein.
Nobelpreisträger Francis Crick war einer derjenigen, die sich für diese Hypothese starkgemacht haben. In seinem Buch "What Mad Pursuit" notierte er: "Das Leben auf der Erde entwickelte sich aus Mikroorganismen, die zu uns gesandt wurden. Oder es stammt von einem unbemannten Raumschiff einer fernen Zivilisation." Ob Crick, der alte Spötter, das wirklich ernst gemeint hat, ist bis heute unklar.
Zum Thema
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