Abiogenese bezeichnet man den weitgehend unbekannten Mechanismus der Entstehung von Lebewesen aus organischen Stoffen.
Zurzeit des Bombardements, das vor ca. 4 Milliarden Jahren 100.000 Jahre andauerte, schlugen Meteorite und Kometen im Minutentakt auf der Erde ein. Diese luden zehnmal mehr Wasser ab, als derzeit in den Ozeanen der Erde vorhanden ist, und tausendmal mehr Gase, als die heutige Atmosphäre enthält. Und das ist noch nicht alles: Sie lieferten auch das reiche Büfett der organischen Moleküle, die wir im interstellaren Raum finden, und das in einer atemberaubenden Zahl von Portionen. Mindestens 10 Billionen Tonnen (oder 10.000.000.000.000.000 kg) organischer Kohlenstoff, vielleicht auch hundertmal so viel, sind aus dem Weltraum in unsere Atmosphäre eingedrungen. Das ist mindestens das Zehnfache der gesamten Kohlenstoffmenge, die heute durch lebende Zellen zirkuliert.
Das gesamte Wasser der Erde fließt einmal in 100.000 Jahren durch jeden denkbaren Punkt des Planeten. Also durch jeden hydrothermalen Schlot, an dem sich heute in unvorstellbarer Tiefe noch Leben existiert. Diese Schlote werden bis zu 60 Meter tief.
Was aber muss sich dort zusammenfinden und in welcher Reihenfolge? Wenn das Problem bereits gelöst wäre, könnten wir Leben im Labor erzeugen.
Ein paar der bekanntesten Hypothesen:
Die Liposomen-Welt-Hypothese: Die Abiogenese muss sich auf engem Platz abgespielt haben. Z.B. am Rande eines Felsen oder in dessen Mikrorissen in einer Tiefe von ca. 25 Meter unter der Meeresoberfläche, wo die UV-Strahlung die zusammenfindenden Moleküle nicht sofort wieder aufspaltet. Dort sammeltn sich Lipidschichten an die sich an den Gegenpolen anzogen und somit auf der Außenseite hydrophil (wasserliebend) und auf der Innenseite hydrophob waren. Sie bilden quasi Membranen die einige passierende Aminosäuren und jegliche organische Substanzen auffingen (dafür braucht es bewiesenermaßen keine Proteinkanäle wie in hochkomplexen Membranen). Eine Membran ist sehr wichtig, denn jeder Organismus hat die Eigenschaft seine „Innereien“ zusammen zu halten und von der Umwelt zu trennen und zu schützen.
Kaum hatten sich einige wenige Peptide und Nukleotide dort gebunden, so kamen sie aus der Membran nicht raus, da sie zu groß waren und die Membran zu unflexibel. Kleine Lipid-Bläschen bildeten sich im Druck des Wassers und lösten sich durch Wellen oder Erosionen wieder auf. Eine weitere wichtige Eigenschaft, welche alles Leben eint, ist die Selbstreplikation. Also die Autokatalyse (die sich selbst katalysierende Reaktion) mit Informationsweitergabe.
Ein Polymer (Makromolekül), der Kopien von sich anfertigen kann, ist bspw. Phosphatamidat-DNA. Es ist dazu auch noch zur Polymerisation (Fusion von Makromolekülen) fähig, was interessant wird, wenn wir annehmen, dass sich solch ein Polymer in einer heißen Quelle unter Wasser bildete. Dort sprudeln Vesikel, Liposome und all die anderen Fusionspotentiale für das sich bildende Leben. Und wenn man die Temperaturschwankungen und Dichteunterschiede miteinberechnet, dann kann man auch mit Schwankungen in der Bindungsfähigkeit rechnen und mit mechanischer Flexibilität der Bläschen rechnen. Der osmotische (von innen heraus ausdehnende) Druck kommt vor allem dann dazu, wenn die Substanz „metabolismusfähig“ ist, also stoffwechseln kann. Somit hätten wir auch schon eine Definition von primitivem Leben:
Ein sich selbsterhaltendes System, das zu Stoffwechsel, Replikation und Informationsweitergabe fähig ist und am evolutionärem Wettrennen teilnimmt.
Das ist wichtig für anstehende Projekte, denn nur wenn man weiß wonach man sucht kann man übergreifende Forschung möglich machen.
Stichwort Evolution: Die stabileren Membranen überlebten. Die schnelleren Replikatoren zeugtn mehr von sich. Daraus ergibt sich, dass sich die enzymatischen so wie die informellen Eigenschaften bspw. einer RNA bereits gut zeigten. Man kann von zufälligem Informationsaustausch sprechen. Fehler bei dem Replizieren werden von der natürlichen Auslese bestraft oder die „Erbsubstanz“ hat Erfolg. Erfolg + Erfolg = Mehr Erfolg (exponentiell). Das heißt, die Anfänge des Lebens waren viel mehr vom „verändere/verbessere dich oder ‚stirb‘“-Prinzip gekennzeichnet als das komplexe Leben heute. Zur Erinnerung: Unsere Erbsubstanz macht unter 1.000.000 (DNA-)Kopien nur einen Fehler.
Dadurch lief die Evolution damals aber schneller ab, was wichtig war, denn die Halbwertzeiten der molekularen Verbunde und das Schicksal auf der Urerde waren eine große Herausforderung für die Biogenese.
Die amerikanischen Wissenschaftler sind optimistischer was das Thema Abiogenese angeht. Sie haben einen breiteren Fokus, da viele der Meinung sind, Leben könnte interstellar entstanden und bereits in fertiger Form auf einem Träger (z.B. Meteorit) auf die Erde gebracht worden sein. Auch sind viele Wissenschaftler der Meinung, Leben kann selbst ohne Sonneneinstrahlung nur durch thermische Energien zu ersten Protozellen evolviert worden sein (ähnlich der heutigen Archaeen). Diese hydrothermalen Quellen findet man am mittelozeanischen Rücken, an dem durch Plattendrift Magma aus dem Erdmantel aufsteigt und neuer Meeresboden entsteht. Das Wasser kann einige hundert Grad erreichen (bei Ozeantiefen von 2000-3000 m). Die Geologen unterscheiden zwei Arten hydrothermaler Systeme:
- sedimentfreie, achsennahe Systeme (on-axis-systems) an plattentektonischen Spreizungszentren mit steilem Temperaturgradienten, da sie direkt über den Magmakammern liegen. Mittlere Temperatur des ausströmenden Wassers ~360 °C; Durchsatz 24 km³*a-1
- achsenferne Systeme (off-axis-systems), sie werden durch frei Konvektion angetrieben, entsprechend der Kühlung durch die Ozeankruste, mit Quellwassertemperaturen von etwa 150 °C.
Vor allem die Arbeiten von Russel (1989) und Wächterhäuser (1988) modifizierten das Modell der hydrothermalen Synthesen von Biomolekülen.
Wächterhäuser steht besonders in Kontrast zu den bisher genannten und beschriebenen Hypothesen. Seine Hypothese verneint das übliche präbiotische Ursuppenmodell, sowie das Vorliegen anderer "Welten (z. B. der RNA-Welt, Ton-Kristall-Welt usw.). Vorallem aber behauptet Wächterhäuser, dass nicht der primitive, genetische Apparat sondern ein einfacher Metabolismus (Stoffwechsel) funktionieren müsste um Biomoleküle zu einem System zusammen zu bringen.
Dieser geforderte Metabolismus lief an der Oberfläche bestimmter Mineralien ab, die nach Meinung vieler Geologne auf der Urerde reichlich vorhanden waren. Die für den Aufbau wichtiger Moleküle aus einfachen Bausteinen wie z. B. CO2 oder CO (wir Lebewesen sind nämlich Kohlenstoffgebilde) stammen aus der oxidativen Bildung von Pyrit.
Die Fixierung von CO2 an der Pyrit-Oberfläche führt zu anionischen Gruppen, wobei die Produkte in ihrem wachsenden Zustand gebunden werden. Ihre Verweilzeit am Pyrit entspricht ihrer Oberflächen-Bindungsstärke. Stark gebundene Produkte haben Zeit, um bestimme Reaktionen einzugehen. Sie bilden ein zweidimensionales Reaktionssystem, d. h. den Oberflächen-Metabolismus (bzw. zwei-dimensionalen Stoffwechsel).
Da Pyrit positiv geladen ist und die anionischen organischen Moleküle besser binden kann, gehe ich hier nur auf die „Pyrit-Hypothese“ ein, wobei es solche Überlegungen auch mit Tonmineralien gibt.
Mit Hilfe des Oberflächen-Metabolismus lassen sich auch Fragen zur Entstehung erster Zellstrukturen diskutieren. So könnte beispielsweise für den Zellmembran-Aufbau benötigte Moleküle im sog. reduktiven Citronensäure-Cyclus aufgebaut werden.
Abschließend stellte Wächterhäuser auch seine These über mögliche Nucleinsäure-Vorläufer vor. Danach bestand die prä-DNA nur aus Purinbasen. Die Pyrimidine konnten erst später enzymatisch synthetisiert werden.
Das Gebiet Astrobiologie und Abiogenese gehören zu den jüngsten Wissenschaften, was hoffentlich bedeutet, dass die nächsten Jahre und Jahrzehnte zu noch größeren Erkenntnissen und Lösungen für das Biogenese-Problem führen werden.
Autor: KATALYSE Institut