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BIOCHEMIE: WIE ENTSTAND DAS LEBEN?


Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung - epaper ⋅ Ausgabe 2/2018 vom 27.04.2018

Bislang vermuteten Forscher den Ursprung des Lebens in der Tiefsee. Neue Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass die ersten Einzeller in heißen Quellen vulkanisch aktiver Landschaften entstanden.


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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung, Ausgabe 2/2018

Das Leben könnte an Orten wie der »Grand Prismatic«- Thermalquelle im Yellowstone-Nationalpark begonnen haben.


DOTYPICTURE / GETTY IMAGES / ISTOCK

Martin J. Van Kranendonk leitet das Australian Centre for Astrobiology an der University of New South Wales. Seit mehr als 30 Jahren erforscht der Geologe weltweit Gesteinsformationen aus der frühen Erdgeschichte.


Tara Djokic promoviert bei Van Kranendonk und untersucht in ihrer Arbeit geologische Hinweise auf das erste primitive Leben in Westaustralien. ...

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Tara Djokic promoviert bei Van Kranendonk und untersucht in ihrer Arbeit geologische Hinweise auf das erste primitive Leben in Westaustralien.


David Deamer arbeitet im Department of Biomolecular Engineering der University of California, Santa Cruz. Der Biochemiker ist Verfasser und Mitherausgeber von Büchern wie »First Life« oder »The Origins of Life«.


► Die Nacht ist rabenschwarz. Zwei von uns (Djocik und Van Kranendonk) kämpfen sich in der Pilbara, einer entlegenen Region Nordwestaustraliens, durch das Unterholz zurück zu unserem Wagen, den wir auf einer kleinen Hochebene geparkt haben. Der Grund für diese unplanmäßige Nachtwanderung im Juni 2014: Djocik hat hier tagsüber in 3,48 Milliarden Jahre altem Sedimentgestein – bekannt als Dresser-Formation – eine Entdeckung gemacht, die uns die Zeit vergessen ließ. Die Felsen der Formation bestehen zum Teil aus orangefarbenen und weißen Schichten, so genanntem Geyserit. Diese Schichten entstanden durch vulkanische Geysire an der Erdoberfläche und enthalten Hohlräume. Wahrscheinlich wurde hier einst Gas in einem klebrigen Film eingeschlossen, den bakterienähnliche Mikroorganismen gebildet hatten. Das Gestein und die darin eingeschlossenen Hinweise auf frühe biologische Aktivität stützen eine neue Theorie zu einem der größten Rätsel der Wissenschaft: dem Ursprung des Lebens. Unsere Ergebnisse und weitere Studien deuten darauf hin, dass sich die ersten Zellen vor etwa vier Milliarden Jahren auf dem Festland bildeten, in vulkanischen heißen Quellen und Tümpeln.

Die Theorie steht in deutlichem Widerspruch zu einer verbreiteten Vorstellung von der Entstehung des Lebens, die Wissenschaftler seit 1977 entwickelt haben. In jenem Jahr entdeckte eine Expedition mit dem Forschungs-U- Boot »Alvin« Hydrothermalquellen am Grund des Pazifiks. Diese Geysire der Tiefsee (bekannt als Schwarze oder Weiße Raucher) stoßen Eisen- und Schwefelminerale aus, zudem Gase wie Methan oder Schwefelwasserstoff. Ferner sind sie dicht besiedelt von einzelligen Bakterien und Archaeen sowie von großen Würmern – ein blühendes Ökosystem fernab des Sonnenlichts. Seither mutmaßen Biologen, dass sich das Leben vor zirka vier Milliarden Jahren an solchen Hydrothermalquellen entwickelt hat, weil diese Energie und Nährstoffe liefern und geschützt sind vor Naturkatastrophen an der Oberfläche des Planeten. Aber die Tiefseehypothese hat ihre Schwächen. Die größte: Der Ozean enthält Unmengen Wasser. Moleküle, die miteinander reagieren müssen, um Zellmembranen und einen primitiven Stoffwechsel zu bilden, würden darin möglicherweise zu stark verdünnt.

Daher nehmen wir und andere Forscher inzwischen an, dass es Orte an Land gab, die viel geeigneter waren, Leben entstehen zu lassen: Hydrothermalbecken, deren Wasserstände fortwährend fielen und wieder stiegen. Unseren Erkenntnissen nach boten sie ausreichend hohe Temperaturen, um chemische Reaktionen zu katalysieren. Darüber hinaus konnten sich einfache Moleküle in Trockenperioden zu komplexeren organischen Makromolekülen verbinden, die sich bei höherem Wasserpegel verteilten. Wiederkehrende Trockenzeiten konzentrierten diese Polymere und erleichterten so weitere Reaktionen. Mitunter wurden Moleküle dabei in Kompartimenten aus Fettsäuren eingeschlossen – den Vorläufern von Zellmembranen.

AUF EINEN BLICK: DER URSPRUNG DES LEBENS

1 Die Entwicklung von Organismen auf der Erde setzt Energie zum Bilden komplexer chemischer Verbindungen voraus sowie Mechanismen, die Moleküle konzentrieren und vor Zerfall schützen.

2 Heiße Quellen und Tümpel in Vulkanlandschaften könnten die notwendigen Grundbausteine geliefert haben. Ständige Nass-trocken-Wechsel beschleunigten dann eine Auslese essenzieller Biomoleküle.

3 Die landbasierte Entstehungstheorie der ersten Einzeller deutet bei der Suche nach außerirdischem Leben auf andere Orte in unserem Sonnensystem als die populäre Tiefseehypothese.

Darwins Bauchgefühl führt zu warmen Tümpeln auf der vulkanischen Halbinsel Kamtschatka
Heute ist die Dresser-Formation ein heißer, unwirtlicher Ort im australischen Outback. Wir haben jedoch deutliche geologische Belege dafür gefunden, dass einst ein aktives Geothermalfeld die Landschaft prägte, mit dampfenden Quellen und sprudelnden Geysiren wie im US-amerikanischen Yellowstone-Nationalpark. Das Gestein hier ist gespickt mit versteinerten Zeugen frühen Lebens, das eng mit den heißen Quellen verbunden war. Die Formation mag nicht genau der Ort sein, wo sich die ersten Einzeller bildeten. Tatsächlich berichteten japanische Forscher jüngst im Fachmagazin »Nature«, dass 3,95 Milliarden Jahre altes Sedimentgestein im Norden Labradors biogenen Kohlenstoff und damit die bislang ältesten mikrobiellen Fossilien enthält. Unsere Entdeckungen belegen dennoch eindeutig die Existenz terrestrischer Hydrothermalquellen in der frühen Erdgeschichte.

Charles Darwin mutmaßte schon 1871, Mikroorganismen wären in »warmen, kleinen Tümpeln« entstanden. Der Begründer der Evolutionstheorie könnte damit intuitiv einen Volltreffer gelandet haben. Und diese Annahme weist sogar weit über unseren Heimatplaneten hinaus: Wenn das Leben an Land und nicht in den Ozeanen entstanden ist, müssen wir unsere Suche nach extraterrestrischen Organismen auf andere Orte im Sonnensystem konzentrieren als bisher.

MIT FRDL. GEN. VON MARTIN J. VAN KRANENDONK

Die orangefarbenen Felsen in der australischen Pilbara bestehen aus so genanntem Geyserit, einem Mineral, das Geysire heißer Quellen einst ausspuckten (1).

MIT FRDL. GEN. VON MARTIN J. VAN KRANENDONK

In der Vergrößerung sieht man die charakteristischen Bänder des Gesteins: dunkle, die reich an Titan sind, sowie helle, die überwiegend aus Kalium bestehen (2).

MIT FRDL. GEN. VON MARTIN J. VAN KRANENDONK

Die winzigen Bläschen (Durchmesser zirka 200 Mikrometer) in diesem 3,5 Milliarden Jahre alten Geyserit entstanden vermutlich durch Gaseinschlüsse in klebrigen Bakterienmatten (3).

Bereits zehn Jahre vor unserer Nachtwanderung durch die Pilbara zeigte einer von uns (Deamer), dass Darwins Tümpel die Bildung der Grenzflächen erlauben, die Grundlage allen Lebens sind: Lipidmembranen, die Zellen und Zellkompartimente umschließen. Deamer leitete eine Expedition im fernen Osten Russlands, auf der vulkanisch geprägten Halbinsel Kamtschatka. Ziel war der aktive Vulkan Mutnovsky. Die Gegend vermittelte den Forschern eine Vorstellung davon, wie unser Planet vor vier Milliarden Jahren ausgesehen haben mag, bevor Leben auf der Erde existierte. So gibt es hier heiße Quellen mit wechselnden Feucht- und Trockenphasen. Deamer vermutete: Die Schwankungen des Wasserstands könnten aus einfachen Molekülen lange Polymere wie Nukleinsäuren entstehen lassen, die Informationen verschlüsseln – eine wesentliche Voraussetzung für Wachstum und Fortpflanzung erster primitiver Lebensformen. Auf gleiche Weise könnten sich andere essenzielle organische Polymere bilden, etwa Peptide aus Aminosäuren. Und in Kompartimenten aus Lipiden (Fetten) wären komplexe chemische Verbindungen vor Zerfall geschützt, womit sämtliche Bedingungen für die Entstehung einfacher Zellen erfüllt wären. Die heißen Quellen und Geysire am Mutnovsky waren für Deamer der ideale Ort, um seine Hypothese zu testen.

Er hatte ein weißes Pulver mitgebracht, eine Art Urstoff, dessen Bestandteile es vermutlich auf der noch unbelebten Erde gab. Die Mischung enthielt vier Aminosäuren, Nukleinbasen (wichtige DNA- und RNA-Bausteine) sowie Phosphat, Glyzerin und ein Lipid. Deamer schüttete das Pulver in eine kleine, kochend heiße Quelle. Binnen Minuten bildete sich an ihrem Rand ein weißer Schaum; zahllose, winzige Bläschen mit einer Lipidmembran, die alle etwas von dem Urstoff enthielten.

Wenn die Quelle am Rand austrocknete, würden sich die Inhalte benachbarter Kompartimente dann zu Polymeren verbinden? Könnte ein solcher Schritt bei der Entstehung des Lebens entscheidend gewesen sein? Deamer und seine Kollegen kehrten in ihre Laboratorien zurück und mischten Nukleotide (die Grundeinheiten von Nukleinsäuren) mit Lipiden. Bei niedrigem pH-Wert und hohen Temperaturen simulierten die Wissenschaftler mehrere Nass-trocken-Zyklen, wie sie in der Kamtschatka-Quelle auftraten. Das Ergebnis waren Polymere, die zwischen 10 und über 100 Nukleotide enthielten. Anschließende Untersuchungen mittels Röntgenbeugung zeigten, dass diese Moleküle Ribonukleinsäuren (englisch: RNA) ähnelten. Zudem waren sie von Fetten eingekapselt und bildeten unzählige mikroskopische Kompartimente. Zwar waren diese Zellvorläufer – oder Protozellen – noch keine Organismen, die sich hätten fortpflanzen können, sie wiesen aber eindeutig in Richtung erster Lebensformen.


Zwar waren diese Zellvorläufer noch keine Organismen, sie wiesen aber eindeutig in Richtung erster Lebensformen


Schöpfungslandschaft

Einer neuen Theorie zufolge setzten heiße Quellen, Tümpel und Geysire chemische Prozesse in Gang, die für die Entstehung des Lebens notwendig waren. Letztere verlief demnach in sieben Schritten und begann mit der Synthese verschiedener Moleküle. Darauf folgten Zyklen zunehmender chemischer Komplexität. Schließlich eroberten die ersten Einzeller vielfältige Lebensräume.

LANDSCHAFT: JOSÉ MIGUEL MAYO / SCIENTIFIC AMERICAN AUGUST 2017;
METEORITENHAGEL: PETROVICH9 / GETTY IMAGES / ISTOCK; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

LANDSCHAFT UNTEN: JOSÉ MIGUEL MAYO; ZYKLUS: JEN CHRISTIANSEN / SCIENTIFIC AMERICAN AUGUST 2017; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

Innerhalb weniger Nass-trocken-Zyklen konnten Deamer und Co in ihrem Experiment vergleichsweise komplexe chemische Verbindungen erzeugen. Der Computerwissenschaftler Bruce Damer, ein Kollege von der University of California, Santa Cruz, vermutete, dass zusätzliche Zyklen ein anderes Schlüsselelement hinzufügen würden: »survival of the fittest«. Er nahm an, dass die Lipidmembranen in Trockenperioden durchlässig würden für Polymere und Nährstoffe, wodurch sich die Inhalte verschiedener Kompartimente vermischen können. In den Nassphasen würden die Membranen also stets einen neuen Molekülcocktail umschließen. Jede Mischung wäre eine Art natürliches Auslese-Experiment. Komplexere Protozellen mit einer großen Molekülvielfalt hätten unter sehr wechselhaften Umweltbedingungen bessere Chancen zu überdauern. Die Zellen, die gut an ihre Umgebung angepasst wären, könnten überlebenswichtige Polymere an die nachfolgende Generation »vererben« – ein weiterer Evolutionsschritt. Damer vergleicht dieses Modell mit einem chemischen Computer, der die Funktionen des Lebens »hochfährt« – mit zufälligen »Befehlen« kodiert durch Polymere.

Dehydrierte Bakterien liefern den entscheidenden Hinweis zum Ursprung von Einzellern
2015 erweiterte Damer sein Modell um eine dritte Phase. Die Idee dazu kam ihm während einer gemeinsamen Expedition zur Dresser-Formation. Wir suchten nach Stromatolithen, das sind fossile Bakterienmatten, die zu den frühesten Belegen für irdisches Leben zählen. In der Nähe von Gallery Hill, einer Graniterhebung übersät mit Petroglyphen (Felsbildern) der Aborigines, entdeckte Damer braune, scheinbar leblose Bakterienmatten in kleinen Vertiefungen der Felsformation. Als er ein wenig Wasser daraufgoss, nahmen die Matten eine gelartige Konsistenz an und ergrünten, sie erwachten gewissermaßen zu neuem Leben. Wenn es auch in den Geburtsbecken des Lebens eine Feuchtphase gab, in der Protozellen solche Gele bildeten, mutmaßte Damer, hätten Polymere und Nährstoffe durch die Lipidmembranen hindurch ausgetauscht werden können. Derart interagierende Zellvorläufer hätten jene Moleküle, die ihr Überleben sichern, besser hervorbringen können. Bereits 1977 haben die Evolutionsbiologen George Fox und Carl Woese eine hypothetische Urgemeinschaft des Lebens beschrieben. Aus einem Kollektiv so genannter Progenoten gingen demnach alle einzelligen Organismen hervor. Eine ähnliche Situation findet sich auch in Damers Gelmodell.


Hydrothermalfelder sind chemisch äußerst komplex, da hier drei Grenzflächen Molekülreaktionen begünstigen


Die trockene Region Pilbara im Nordwesten Australiens war einst geprägt von heißen Quellen und Geysiren.


CUHRIG / GETTY IMAGES / ISTOCK

Auf Grund der Gaseinschlüsse und der Zusammensetzung des Gesteins erscheint uns die Dresser-Formation als geeigneter Ort für einen dreiphasigen Zyklus inklusive Gelphase. Geht man davon aus, dass einst heiße Quellen das Landschaftsbild der Pilbara prägten, dann lieferte die Gegend weitere Zutaten für die Entstehung des Lebens. Erdwärme und in hydrothermalen Flüssigkeiten gelöster Wasserstoff stellten üppige Energiequellen dar. Die säurehaltigen Fluide konnten Phosphatminerale aus tieferen Gesteinsschichten lösen. Phosphat ist essenzieller Bestandteil von Nukleinsäuren und dient in Form von ATP (Adenosintriphosphat) als zellulärer Energielieferant. Zudem enthalten die Felsen große Mengen Bor, ein Element, das unentbehrlich ist für die Synthese von Nukleinsäuren. Die Reste hydrothermaler Quellen und Verdunstungsablagerungen (Evaporite) ehemaliger Kraterseen weisen einen hohen Zink- und Mangangehalt auf. Beide Elemente finden sich in Enzymen sämtlicher Lebensformen. Schließlich gibt es in der Dresser-Formation Tongestein, dessen elektrisch geladene mineralische Oberfläche die Bildung komplexer organischer Strukturen katalysieren kann.

Was diesen Ort, der womöglich dem Ausgangspunkt des Lebens gleicht, besonders spannend macht, ist seine ungemeine Vielfalt. Zwar ist die Dresser-Formation heute trocken und felsig. Kurz nach ihrer Entstehung sind Geothermalfelder jedoch geprägt von hunderten heißer Quellen, die sich hinsichtlich pH-Wert, Temperatur, gelöster Ionen und anderer Parameter alle leicht unterscheiden. Chemisch sind diese Felder äußerst komplex, da hier drei Grenzflächen Molekülreaktionen begünstigen: zwischen Wasser und Gestein, Wasser und Luft sowie Gestein und Luft. Wenn man nun all diese Faktoren zusammennimmt – mehrmals täglich Nass-trocken-Wechsel, die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der Quellen, reaktive Grenzflächen, den Austausch von Molekülen, wenn Geysire Wasser ausspeien und wieder aufsaugen, sowie ein unterirdisches Netzwerk fluidhaltiger Spalten und Risse –, dann erzeugt eine vulkanisch aktive Gegend mit 100 Quellen problemlos eine Million neuer Kombinationen an Umweltfaktoren pro Jahr.

Jeder warme Tümpel wird so zu einem »Innovationspool «, einem Labor für anpassungsfähige Molekülensembles, denen es gelingt, sich zu vervielfältigen – während eine große Menge an Molekülen wieder zerfällt. Um die erste primitive Version einer Zelle zu erschaffen, mussten wahrscheinlich unzählige solcher Experimente ablaufen. Auf Grund der Vielzahl an chemischen Kombinationsmöglichkeiten in terrestrischen Hydrothermalfeldern könnte die Entwicklung des Lebens jedoch binnen lediglich zehn Millionen Jahren erfolgt sein. Die ersten Organismen wären demnach entstanden, sobald die Erde eine stabile Kruste hatte und vulkanische Landmassen aus dem Ozean ragten, vor ungefähr vier Milliarden Jahren.

Durchaus nicht jeder Wissenschaftler teilt unsere Einschätzung, dass terrestrische heiße Quellen die ersten Einzeller hervorbrachten. Viele favorisieren weiterhin die Theorie vom Ursprung des Lebens am Meeresgrund. Der Biochemiker Mike Russell vom Jet Propulsion Laboratory der NASA hat nach der Entdeckung von Hydrothermalquellen in der Tiefsee ein elegantes Modell entwickelt. Dem zufolge bildeten mineralische Membranen in den Schloten, die heiße Flüssigkeiten ausstießen, winzige, zellähnliche Poren. Diese trennten zunächst das alkalische Fluid und das saure Wasser des Urozeans. Das pH-Gefälle an den Schloten – vergleichbar dem zwischen Salmiakgeist (Ammoniaklösung) und Orangensaft – ließ sich energetisch nutzen; heutige Bakterien tun genau dies, um ATP für ihren Stoffwechsel zu generieren. Ozeanische heiße Quellen entlassen zudem energiereiche, reaktive Gase ins Meer, etwa Wasserstoff. Vermischte sich Letzterer mit dem im Urozean gelösten Kohlenstoffdioxid, so die Überlegung von Russell und seinen Kollegen, reduzierten Wasserstoffelektronen den Kohlenstoff im CO2-Molekül und trieben so die Synthese komplexer organischer Verbindungen an. Irgendwann entstand daraus ein primitiver Stoffwechsel.

Gibt es außerirdisches Leben unter dem Eis entfernter Monde oder auf dem Mars?
Welches der beiden Modelle wir für richtig erachten, hat einige weit reichende Folgen: So rücken bei der Suche nach den ersten Einzellern entweder die Tiefen der Meere oder vulkanisch aktive Landmassen in den Mittelpunkt. Des Weiteren legen die beiden Hypothesen für die Jagd nach extraterrestrischen Lebensformen unterschiedliche Strategien nahe. Sollten tatsächlich ozeanische Hydrothermalquellen der Geburtsort des Lebens sein, dann sind die Saturn- und Jupitermonde Enceladus und Europa aussichtsreiche Kandidaten. Astronomen vermuten bei beiden Monden unter der Eiskruste einen Ozean sowie hydrothermale Aktivität. Wenn jedoch heiße Quellen mit schwankenden Wasserpegeln den Anfang markierten, dann sind diese Welten vermutlich leblos.

Wie stünden die Chancen bei unserem Nachbarplaneten, dem Mars? Es gibt zwar starke Indizien für einstige Seen an seiner Oberfläche, aber nichts deutet hier auf einen globalen Ozean oder tektonisch aktive Spreizungszonen hin, an denen man wie auf der Erde Hydrothermalquellen finden könnte. Sollten fortpflanzungsfähige Zellen im Meer entstanden sein, käme der Rote Planet als Heimat ähnlicher Lebensformen also kaum in Frage. Gehen die frühesten Organismen der Erde jedoch auf terrestrische Geothermalfelder zurück, dann wäre der Mars ein viel versprechender Bewerber. Es gibt dort Wasser und Anzeichen für vulkanische Aktivität – die wichtigsten Komponenten heißer Quellen. Tatsächlich entdeckte der Rover »Spirit« in den Columbia Hills des Mars im Jahr 2008 Ablagerungen, die vermutlich von ehemaligen heißen Quellen stammen. Forscher haben diese auf ein Alter von 3,65 Milliarden Jahren datiert. Damit würden sie grob in die aktive Phase der Dresser-Formation fallen.


Der Rover »Spirit« entdeckte 2008 Ablagerungen auf dem Mars, die vermutlich von ehemaligen heißen Quellen stammen


Egal ob der Ursprung des Lebens an Land oder im Meer zu finden ist: Beide Modelle werden die Wissenschaft wohl noch lange beschäftigen, bevor sich eine Theorie durchsetzen kann. Denn trotz der jüngsten geologischen und chemischen Entdeckungen bleiben offene Fragen. Zum Beispiel ist unklar, warum manche Tümpel der Dresser-Formation bestimmte Elemente in hoher Konzentration aufweisen und wie sich Geothermalfelder zeitlich entwickeln. Auch die Mechanismen, die der Synthese und dem Zerfall organischer Moleküle zu Grunde liegen, verstehen wir bislang nur unzureichend. Versuchsreihen mit temperierten Becken etwa könnten aufzeigen, wie komplexe Polymere entstehen und interagieren, wenn sie von Membranen umgeben sind. Wir sind zuversichtlich, dass wir so schrittweise ein präziseres Bild von der Entstehung der ersten lebensfähigen Organismen auf der Erde gewinnen werden.

QUELLEN

Damer, B.: A Field Trip to the Archaean in Search of Darwin’s Warm Little Pond. In: Life 6, 21, 2016

Damer, B., Deamer, D.: Coupled Phases and Combinatorial Selection in Fluctuating Hydrothermal Pools: A Scenario to Guide Experimental Approaches to the Origin of Cellular Life. In: Life 5, S. 872–887, 2015

Djokic, T. et al.: Earliest Signs of Life on Land Preserved in ca. 3.5 Ga Hot Spring Deposits. In: Nature Communications 8, 15263, 2017

Pearce, B. K. D. et al.: Origin of the RNA World: The Fate of Nucleobases in Warm Little Ponds. In: PNAS 10.1073/pnas.1710339114, 2017

Tashiro, T. et al.: Early Trace of Life from 3.95 Ga Sedimentary Rocks in Labrador, Canada. In: Nature 549, S. 516–518, 2017