Biogenese – Entstehung erster Lebewesen aus anorganischer Materie?

„Die Aussagen der Evolutionsbiologie werden bis heute sehr kontrovers diskutiert – einerseits aus religiös-weltanschaulichen Gründen: die Frage nach der Herkunft des Menschen (und damit „Was ist der Mensch?“ – Produkt einer Kette erstaunlicher Zufälle oder ein geistiges Wesen…oder beides…?) beeinflusst unser Weltbild sehr grundlegend. Andererseits krankt die ‚materialistische‘ Evolutionsthese an einer zentralen Stelle – ganz am Anfang: Wie die allerersten Schritte zur Entstehung ‚belebter Materie‘ im einzelnen vor sich gingen, weiß man nach wie vor nicht.
Die vor etwa 3,5 bis 4 Milliarden Jahren vorherrschenden Umweltbedingungen lassen sich näherungsweise vermuten, doch es liegen so gut wie keine geologischen und Fossilbefunde als Belege für probiotische Entwicklungsstufen vor.

  • „Ein höllischer Beginn – Die Entstehung des Lebens in einer vulkanischen Eisen-Schwefel-Welt“
    Diese Vorlesung von Prof. Günter Wächtershäuser vermittelt einen Einblick über die von ihm vertretene Hypothese (Dauer: 40 Minuten):

https://univerlag.uni-goettingen.de/dokumente/audio/ring2007-11-20.mp3

Als chemische Evolution bezeichnet man den nicht vollständig bekannten Mechanismus der Entstehung von Lebewesen aus organischen Stoffen. Sie begann vor etwa 4 Milliarden Jahren im ersten Abschnitt des
Präkambrium.

Schematische Darstellung eines prokaryotischen einzelligen Lebewesens. (Quelle: Wikipedia)

Im Eoarchaikum, dem zweiten Abschnitt des Präkambrium, vollzog sich die Evolution zellulärer Organismen. Es entstanden Prokaryoten, d.h. zelluläre Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen. Ihr Zelltyp wird als Protocyte bezeichnet. Bakterien und Archaeen sind Prokaryoten.

Die postulierte Mischung anorganischer Substanzen, die die Entstehung von Leben ermöglichten, wird häufig als Ursuppe (primordial soup) bezeichnet. Wie Wächtershäuser darlegt, wirft diese Vorstellung grundlegende Fragen und Kritikpunkte auf: In so einer Ursuppe seien die eventuell gebildeten Bausteine des Lebens viel zu dünn verteilt gewesen.

Woher kommen die Monomere1)? …Sie sollen über Tausende oder Millionen von Jahren sich in einer Ursuppe ansammeln und stehen dann später für die Bildung von Polymeren2) zur Verfügung.
Für die Ursuppe und die präbiotische Chemie, die dort stattfinden soll,  dafür gibt gibt es keinerlei geologischen Beleg. Aber sie wird benötigt für diese Theorie, also hat man sie postuliert.

Alle diese Theorien haben sehr, sehr viele Schwierigkeiten, die kaum überwindbar sind…

Flüssiges Wasser zählt zu den unverzichtbaren Voraussetzungen dieser theoretisch angenommenen Form der Biogenese. „Aber das flüssige Wasser ist der Feind der Kondensations-Reaktionen“, welche gleichfalls elementar sind für die Bildung von Biopolymeren laut Ursuppen-Theorie.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, schlägt Prof. Wächtershäuser nun eine Eisen-Nickel-Schwefel-Welt vor, in der in Anwesenheit von Wasser die Bildung organischer (=Kohlenstoff enthaltenden) Grundbausteine im Wege von Redox-Reaktionen3) erfolgt. Dafür ist eine Ursuppe mit sehr spezifischer Zusammensetzung verzichtbar.
Da noch keine Nukleinsäuren vorliegen, kann eine Reproduktion der sog. ‚Pionierorganismen‘ nicht so erfolgen, wie dies bei heutigen Organismen mit Hilfe von langkettigen DNA-/RNA-Molekülen geschieht. Hier postuliert nun Wächtershäuser einen Vorläufer-Evolutionsprozess – „das geht eigentlich ganz einfach“:

Man müsse lediglich den biologischen Begriff der Reproduktion ersetzen durch den chemischen Begriff der synthetischen Autokatalyse4) – ein Prozess der positiven Rückkopplung, der sich selbst beschleunigt und zudem synthetisch wirkt, also aus einfachen Verbindungen komplexere Produkte erzeugt.

Nach Wächtershäuser entstanden die ersten Biomoleküle an der Oberfläche von Eisen-Schwefel-Mineralien die sich heute noch durch geologische Prozesse an Tiefsee-Vulkanen, sogenannten schwarzen Rauchern bilden. Die Reduktion von teilweise oxidierten Sulfid-Mineralien (z.B. Pyrit) mit Wasserstoff liefert genügend Energie für die Synthesereaktionen monomerer Bausteine und deren Polymerisierung.

Und dann?

Damit ist natürlich noch kein Leben entstanden – es fehlt die Ausbildung von Lipiden, Membranen und Zellen.
Lipide sind Naturstoffe, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung eine gewisse Polarität besitzen: Die meisten biologischen Lipide sind amphiphil, d.h. sie besitzen einen hydrophilen (wasserliebenden) ‚Kopf‘ und

Mizelle in Wasserlösung

zugleich einen lipophilen (fettliebenden) ‚Schwanz‘; diese Polarität veranlasst sie dazu dazu, in polaren Lösungsmitteln wie Wasser Micellen oder Membranen zu bilden. Dieser Vorgang wird Selbstassemblierung genannt.

Ihre Wasserunlöslichkeit rührt vor allem von den langen Kohlenwasserstoff-Resten her, welche die allermeisten Lipide besitzen.

Liposom und Mizelle

Ein Liposom ist nun ein Bläschen (Vesikel), das eine wässrige Phase einschließt und dessen einfache Membranhülle aus einer Doppelschicht jener Lipide besteht.

In lebenden Organismen werden Lipide daher als Strukturkomponenten in Zellmembranen, als Energiespeicher oder als Signalmoleküle gebraucht.

Eine positive elektrische Ladung hält die neuen, negativ geladenen Teilchen an der Oberfläche fest. „Die Lipide mit ihrer geringen Wasserlöslichkeit bleiben auf den mineralischen Oberflächen hängen“ – sobald Lipide entstehen, haben sie gar keine andere Wahl, als sich unweigerlich zu geschlossenen Membranschichten zu formen. Dies läuft natürlich dreidimensional ab, es entstehen ‚automatisch‘ Liposom-Kugeln, wobei sich sowohl in ihrem Inneren als auch in deren äußeren Umgebung Wasser befindet.

Liposom mit wässrigem ‚Kern‘

Dieses Gebilde, durch auf physikalisch-chemischen Prinzipien beruhender Selbstorganisiation entstanden, besitzt noch keine Eigenschaften eines lebenden Organismus, könne aber als Vorstufe einer Zelle betrachtet werden. Wächtershäuser spricht hier von einer „Halbzelle“.

In deren ‚Kern‘, komme es nun zur Enzymatisierung durch metallhaltige Einschlüsse.

[Exkurs: Mikrosphären

Im Jahr 1970 konnte Sydney Fox nachweisen, dass sich aus den proteinartigen Produkten (Proteinoide), die beim Erwärmen trockener Aminosäuregemische entstehen, auch durch Selbstaggregation wachsende Tröpfchen ergeben können, sogenannte Mikrosphären.

Mikrosphären

Sie grenzen sich von der Umgebung durch eine semipermeable Membran ab und nehmen weiteres proteinartiges Material aus der Umgebung auf. Dadurch wachsen sie weiter und zerteilen sich wieder in kleinere Tröpfchen. Des Weiteren fand Fox, dass diese Systeme enzymatische Eigenschaften haben, Glucose abbauen oder sich wie Esterasen oder Peroxidasen verhalten, ohne dass von außen Enzyme hinzugefügt worden wären. In diesem Kontext wird auch von Protein-Protozellen gesprochen.]

Auch die Bausteine der Nukeinsäuren, also der Erbträger von Organismen,  sind Liganden, wie Wächtershäuser nun ausführt (lat. ligare = „binden“). D.h. sie sind in der Lage, über eine koordinative Bindung an ein zentrales Metall-Ion zu binden („koordinieren“) kann. Sie hätten „ihren  Lebensunterhalt bereits verdient“, indem sie schon frühzeitig an der o.a. Autokatalyse beteiligt waren – „sonst wären Nukleotide5) und damit Nukleinsäuren nie entstanden.“. Bis zur Ausbildung einer genetischen Reproduktionsfähigkeit (Teilung der ‚Zelle‘ in zwei identische Tochterzellen) ist es noch ein weiter Weg: es müssen die Bestandteile der Nukleinsäuen  gebildet werden – und diese müssen sich zu einem sinnvollen Träger der späteren Erbinformation formieren. Parallel setze seine eine „weiteren Vervollkommnung der Stoffwechselprozesse“ ein.

Spätestens an dieser Stelle zucke ich: Wie kann stabile und verlässlich vererbbare Information allein aus Zufallsprozessen entstehen, bei denen die Wahrscheinlichkeit zur Bildung sinn-freier (=nicht lebensfähiger) und sinnstiftender Kombination (=Erbinformation, Genom der Zelle) gleich groß ist? Um eine funktionierende Tochterzelle zu bilden ist eine Genomgröße (=Anzahl von Basenpaaren) in der Größenordnung von mindestens n*106 notwendig, um die Erbinformation vollständig abzubilden.
Nun mag man hier einwenden, die allerersten Zellen seien doch weit weniger komplex gewesen und hätten demzufolge auch weitaus weniger Erbinformation weitergeben müssen. Das ist richtig, doch selbst die einfachsten bekannten organismusähnlichen Strukturen, die Viren, kommen nicht mit weniger als 10.000 Basenpaaren aus (HIV-Virus: 9.700). Zwar bin ich mathematisch nicht allzu bewandert, aber die Wahrscheinlichkeit zur zufälligen Bildung eines intakten Genoms aus 10.000 vorgegebenen Komponenten ist, hm, sehr sehr klein.

Experimentelle Überprüfung

Zum Ablauf der chemischen Evolution existieren heute diverse Hypothesen. Sie werden hauptsächlich durch Experimente gestützt, die auf geologischen Erkenntnissen über die damalige chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre beruhen mit einer wesentlichen Einschränkung: Zwar wurde die chemische Entstehung komplexer Moleküle beobachtet, die für biologische Abläufe notwendig sind, jedoch noch keine Bildung eines lebenden Systems.

„Die Experimente reichen momentan nicht zur Formulierung einer geschlossenen Theorie aus, die erklären kann, wie das Leben entstand.“

Sicher zu sein scheint, dass sich nur eine Form von Leben, nämlich die auf Nukleinsäuren (RNA und DNA) beruhende, durchgesetzt hat (falls es je mehrere verschiedene gegeben haben sollte). Wesentliche Indizien für diese Theorie sind die Gleichheit der Bausteine der zwei wesentlichsten lebenstypischen Makromoleküle in allen bekannten Lebensformen (die fünf Nukleotide als Bausteine der Nukleinsäuren und die 20 Aminosäuren als Bausteine der Proteine) und der universell gültige genetische Code.

Die RNA-Welt-Hypothese besagt, dass unseren heutigen Lebensformen eine Welt vorausging, deren Leben auf Ribonukleinsäuren (RNA) als universellen Bausteinen zur Informationsspeicherung und zur Katalyse chemischer Reaktionen basierte. Es wird angenommen, dass freie oder zellgebundene RNA im Rahmen der Evolution vom chemisch stabileren Informationsspeichermedium Desoxyribonukleinsäure (DNA) und von den funktionell flexibleren Proteinen abgelöst beziehungsweise um diese ergänzt wurde.
Diese Hypothese ist ein Bindeglied zwischen den Hypothesen zur chemischen Evolution und der Kooperation mehrerer RNAs, die eine biologische Selektion in Gang bringen, sowie der heutigen biologischen Evolution auf Basis eines DNA-Genoms. Das Aufkommen zellulärer Lebensformen steht möglicherweise nicht am Ende dieses Prozesses, denn zelluläre Organismen auf RNA-Basis (Ribozyten) könnten bereits in der RNA-Welt entstanden sein.

Vom Einzeller zum Vielzeller

An die 2 Milliarden Jahre tummelten sich auf der Erde offenbar ausschließlich einzellige Lebewesen, Bakterien, Archaeen etc. Wie aus diesem ‚Universum der Einzeller‘ dann vor 1,5 Milliarden Jahren relativ plötzlich vielzellige Lebewesen hervorgegangen sind, war lange Zeit unklar. Die Symbiose verschiedener Einzeller könnte ein möglicher Auslöser dafür gewesen sein: Die Endosymbiontentheorie wird in diesem kurzen Video der Max-Planck-Society anschaulich erläutert:

Zunächst kam es also zur Ausbildung eines Zellkerns und weiterer Zell-Organellen – ein wichtiger Schritt auf dem Wege zu komplexeren Systemen.

Die Mehrzelligkeit ist wahrscheinlich mehrmals unabhängig entstanden. Älteste Fossilbefunde mehr-

Gabonionta, möglicherweise früheste Form multizellularen Lebens auf der Erde

zelliges Lebewesen weisen auf ein Alter von etwa 2 Milliarden Jahren hin. Komplexere Mehrzeller treten erstmals vor 2,1 Milliarden Jahren auf (Gabonionta) und ab einem Alter von etwa 600 Millionen Jahren im mit der Ediacara-Fauna und den Vielzelligen Tieren (Metazoa). In der Evolution impliziert jeder Entwicklungsschritt einen zusätzlichen Überlebensvorteil, andernfalls würde er sich nicht dauerhaft durchsetzen. Vorteile multizellulärer Organismen bestehen in der Differenzierung und Spezialisierung ihrer Zellen, was wiederum eine Arbeitsteilung ermöglicht und damit mutmaßlich weniger Energie erfordert.

Mein Fazit?

Nein, wirklich nicht. Ein Fazit setzt ein gewisses Fachwissen voraus, welches zu einer abwägenden Beurteilung einer Theorie oder These befähigt. Zu gravierend sind die Wissenslücken meinerseits, um eine persönliche Ansicht auch nur halbwegs kompetent vertreten zu können. Zwar neige ich der Idee einer theistischen Evolution mindestens im Hinblick auf die Festlegung der Naturgesetze und -konstanten des Universums zu. Falls ein „physiko-chemischer Determinismus“ den Weg der chemischen Evolution vorgab (wie Wächtershäuser zu Beginn seines o.a. Vortrages befindet), sähe ich darin meine Haltung bei aller Vorsicht bestätigt:
Er scheint die Auffassung zu begünstigen, wonach die Rahmenparameter in Form von Naturgesetzen und -prinzipien festgelegt wurden – zum Entstehungszeitpunkt des Universums, das sich von da an ’nur noch‘ zu ent-wickeln brauchte. Mit dieser Sicht kann ich mehr anfangen, als hinter jedem neu entdeckten Strauch, jedem Unglück und jedem Fortschritt eine unermüdliche, äußerst umtriebige Gottheit zu vermuten.

Anders gesagt: Wenn wir jemals erwachsen werden wollen, sollten wir aufhören, unaufhörlich die Elternrolle sowie die Schuld für vieles Unverstandenem auf Gott zu projizieren.

Freilich entsteht meine diesbezügliche Motivation aus emotionalen Widerständen – z.B. gegen die Überbewertung von gemutmaßten Zufallsketten in einem Universum, dessen Konstanten auf ein Trillionstel genau abgestimmt sind …und sein müssen, damit wir überhaupt darin leben können) – sowie der intuitiven Annahme, da müsse mehr sein als pure Materie.

Erstaunlich ist, wie sehr wir alle (oder die meisten von uns) an einmal erworbenen Denk- und Vorstellungsmustern festhalten… es muss überaus unangenehm sein, eine emotional positiv besetzte, lieb gewonnene Überzeugung kritisch-ergebnisoffen zu hinterfragen. Weshalb sonst erweisen sich die Dogmatiker unter den Kreationisten als ebenso unwillig wie die Dogmatiker des strikt materialistischen Lagers, die auf beiden Seiten vorhandenen, gut begründeten Kritikpunkte und Fragen auch nur zur Kenntnis zu nehmen?

  • Dass die Erde weniger als 10.000 Jahre alt sei, wie es der Junge-Erde-Kreationismus unablässig behauptet, kann im Licht der heute vorliegenden Befunde und Fakten nur noch als Realitätsverlust gewertet werden.
  • Umgekehrt scheint (aus meiner Sicht) fast ebenso offensichtlich, dass sich die gut erforschten Mechanismen der Mikroevolution (Entwicklung von Variationen und Adaptionen innerhalb einer Art) eben nicht 1:1 auf die Makroevolution (Entstehung neuer Gattungen und ganzer Tierstämme) anwenden lassen.
    (Dass sämtliche Wale vom Indischen Hirschferkel abstammen, glaube ich erst, nachdem Fossilbefunde von Übergangsformen vorgelegt werden, die einen solchen Entwicklungsweg nachvollziehbar und plausibel erscheinen lassen. Bloße Analogien einzelner Merkmale („spezielle anatomische Merkmale, die nur bei Walen vorkommen, darunter die charakteristische Verdickung einer Knochenleiste im Mittelohr, die Anordnung der Schneidezähne und die Kronenform der Backenzähne“) reichen dazu meines Erachtens nicht aus.)

Literaturhinweise

Anmerkungen/Ergänzungen

Die biochemischen Zusammenhänge werden in diesem Beitrag allenfalls benannt, aber nicht ausführlich erläutert …das überlasse ich den Fachleuten. Einen recht guten Überblick gewinnt man als Laie jedoch schon, indem man die verlinkten Beiträge (meist Wikipedia-Artikel) wenigstens überfliegt. Dass RNA (Ribonukleinsäure) und die chemisch stabilere DNA (Desoxyribonukleinsäure) die Träger der Erbinformation eines jeden Organismus auf der Erde sind, habe ich als Allgemeinwissen vorausgesetzt.

  1.  Monomere (altgriechisch μόνος monos ‚ein‘, ‚einzel‘ und μέρος meros ‚Teil‘, ‚Anteil‘) sind niedermolekulare, reaktionsfähige Moleküle, die sich zu unverzweigten oder verzweigten Polymeren zusammenschließen können. Monomere können Einzelsubstanzen, aber auch Gemische unterschiedlicher Verbindungen sein.
  2. Ein Polymer ist ein chemischer Stoff, der aus Makromolekülen besteht.[1] Die Makromoleküle eines Stoffes sind aus einer oder mehreren Bausteinen oder Struktureinheiten (d.h. den Monomeren), den konstitutionellen Repetiereinheiten, aufgebaut. Das Adjektiv polymer bedeutet entsprechend „aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“.
    Es braucht also Monomere in ausreichender Menge, um an die Bildung von Bio-Polymeren auch nur zu denken.
  3. Bei Redoxreaktionen (eigentlich: Reduktions-Oxidations-Reaktion) laufen Oxidation und Reduktion gleichzeitig ab → chemische Reaktion, bei der ein Reaktionspartner Elektronen auf einen anderen überträgt. Hierbei findet also eine Elektronenabgabe (Oxidation) durch einen Stoff (ein sog. Reduktionsmittel, beispielsweise Wasserstoff) sowie eine Elektronenaufnahme (Reduktion) durch einen anderen Stoff (ein sog. Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff) statt. Viele Stoffwechsel- und Verbrennungsvorgänge, technische Produktionsprozesse und Nachweisreaktionen basieren auf solchen Reaktionen.
  4. Autokatalyse bezeichnet eine besondere Form der katalytischen chemischen Reaktion, bei der ein Endprodukt als Katalysator für die Reaktion wirkt. Durch die fortlaufende Bildung dieses Katalysators wird die Reaktion ständig beschleunigt. Es handelt sich dabei um eine positive Rückkopplung.
  5. Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren DNA und RNA. Die Bausteine der DNA bestehen aus einem Zuckermolekül (Ribose/Desoxyribose), einem Phosphat und einer Base. Die Basen heißen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin.

    Aufbau von Nukleosiden und Nukleotiden. Ein Nukleosid ist die Verbindung einer Nukleinbase (Base) mit einem Einfachzucker, einer Pentose.

Vom Aufbau her ist die RNA der DNA ähnlich. RNA-Moleküle sind – im Gegensatz zur doppelsträngigen DNA – in der Regel einzelsträngig:

RNA und DNA im Vergleich

Die Einzelsträngigkeit erhöht die Zahl der Möglichkeiten für dreidimensionale Strukturen der RNA und erlaubt ihr chemische Reaktionen, die der DNA nicht möglich sind – dieser Unterschied macht die RNA weniger stabil im Vergleich zur DNA. In der RNA kommen die folgenden organischen Basen vor: Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil. Die ersten drei Basen kommen auch in der DNA vor. Uracil dagegen ersetzt Thymin als komplementäre Base zu Adenin. Vermutlich nutzt RNA Uracil, da dieses energetisch weniger aufwändig herzustellen

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