Auf der Suche nach der Ur-Lebenszelle: Heißwasser sprudelnde Schlote in vulkanischem Gestein

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Das Leben auf der Erde hat angefangen und zwar vor mindestens einer Milliarde Jahren. Das ist sicher. Aber rund um diese Tatsache türmen sich ganz grundsätzliche Fragen: Wo, wie und warum entstand Leben? In multidisziplinärer Zusammenarbeit bearbeiten Wissenschaftler die Themen rund um die Fragen nach dem Ursprung des Lebens. Ein Team von der Ludwig-Maximiliam-Universität München hat in Experimenten die urweltlichen Bedingungen von vulkanischen Schloten, in denen heißes Wasser aufsteigt, nachgestellt und festgestellt, dass unter diesen Bedingungen eine ursprüngliche Biochemie möglich gewesen sein kann (M. Morasch et al, Nat. Chem., 2019, DOI: 10.1038/s41557-019-0299-5). „Biochemie“ bedeutet, dass chemische Vorgänge, wie sie für das Leben unerlässlich sind, stattfinden.

Der chemische Ursprung des Lebens

Damit sich etwas „Lebendes” bilden kann, etwa eine urtümliche lebende Zelle oder der erste Vorläufer eines Bakteriums, müssen sich bestimmte Bausteine des Lebens zusammenfügen und räumlich abschotten und somit erste Zellen bilden. Wie das ging, ist rätselhaft. Seit Langem suchen die Wissenschaftler nach den Bedingungen, unter denen eine Lebenserstehung möglich wäre.

Wo, wie und warum entstand vor einer Milliarde Jahren Leben?

Welche Bedingungen das sein könnten, dazu gibt es viele Vorschläge. Zur Mitte des vorigen Jahrhunderts begannen Harold Urey (893–1981) und Stanley Miller (1930–2007) mit der sogenannten Ursuppe zu experimentieren: sie setzten Mischungen aus Wasser und verschiedenen einfachen organische Substanzen elektrischen Entladungen aus. Der Energieeintrag produzierte zwar etliche größere Bausteine, die für die Biochemie des Lebens wichtig sind. Aber Leben entstand nicht. Inzwischen haben die Wissenschaftler diese Experimente vielfach verfeinert. Auf der Suche nach den Bedingungen für die Lebensentstehung sind sie aber immer noch.

 

Verschiedene Szenarien

Geologen haben inzwischen ein paar Szenarien eingrenzen können, die auf der frühen Erde für den Ursprung des Lebens eine Rolle gespielt haben könnten. Eines dieser Szenarien ist aufsteigendes, gasreiches heißes Wasser in vulkanischem Gestein. Solche Hydrothermalschlote sind jetzt noch in vulkanisch aktiven Gebieten auf dem Meeresgrund zu finden sind. Nach dieser These sollte das aufsteigende heiße, gasbeladene Wasser genügend Energie besitzen, um bestimmmte chemische Grundbausteine in den Schloten selbst oder aus dem umgebenen Gestein gelöst zu größeren Bausteinen zusammenzufügen. In den 1990er Jahren war diese Theorie sehr populär, aber die Experimente brachten zunächst nicht genügend belastbare Ergebnisse.

Eine andere These ist die Idee, dass Meteoriten auf das Land einschlugen und die Krater sich periodisch mit Regenwasser füllten und wieder austrockneten. Die Meteoriten brachten viele chemische Bestandteile mit, ohne die Leben nicht existieren kann, und viel Energie zu ihrer chemischen Verknüpfung. Und durch die Austrocknung könnten kleine Zentren mit stark konzentrierten chemischen Mischungen entstanden sein. Aber auch dieses Szenarium blieb vorerst Theorie.

 

Das Experiment

Die Münchner Forschergruppe um den Physiker Dieter Braun orientiert sich derzeit wieder eher in Richtung der hydrothermalen Schlote. Die Forscher simulierten im Labor folgendes Szenarium: Vulkanisches sogenanntes mafisches Gestein ist sehr porös. Durch die Poren steigt, angetrieben durch vulkanische Aktivität, heißes Wasser mit vielen Gasbläschen auf. Damit ergeben sich zwei besondere physikalische Bedingungen: einerseits gibt es Grenzflächen zwischen Gasblasen und wässriger Lösung, andererseits ist die Temperatur nicht gleichmäßig. An Grenzflächen wie am Rand eines Luftbläschens können sich Substanzen anreichern, und die Hitzeunterschiede, der Wärmegradient, kann Reaktionen antreiben. Diese Bedingungen simulierte das Team mit einer sogenannte mikrofludischen Kammer, also einem durch 3D-Druch hergestellten Kunststoffblock, der von Kanälen durchzogen ist. Die Kanäle sind mikroskopisch dünn, mit Durchmessern von dem eines Haars, und Kupferelemente auf beiden Seiten des Blocks erhitzten beziehungsweise kühlten den Aufbau und sorgten für die Wärmegradient.

Dann füllten die Wissenschaftler den Block mit Wasser und verschiedenen Ur-Molekülen als möglichen Bausteinen des Lebens und beobachteten, was sich in ihrer Apparatur gebildet hatte. Nach nur 30 Minuten verzeichneten sie bereits aufregend viel Chemie: Bausteine wurden verknüpft, kurze Stücke von RNA vereinigten sich zu größeren Verbänden, es bildeten sich Vesikel, also abgeschlossene Einheiten, die RNA enthielten, und RNA-Bausteine verbanden sich chemisch mit Phosphat, was eine ganz wichtige biochemische Reaktion ist. Die RNA ist in heutigen lebenden Zellen der Botenstoff zwischen dem Erbgut, der DNA, und den Proteinen. Weil in manchen Viren RNA aber auch selbst das Erbmaterial ist und weil RNA außer der Funktion als Botenstoff noch sehr viele andere Aufgaben in der Zelle hat, wird seit langem vermutet, mit dieser Substanz habe das erste Leben angefangen zu existieren.

 

Nur ein ganz kleiner Zwischenschritt

Mit dem Experiment konnten die Autoren zeigen, dass hydrothermale Schlote in Frage kommen, um solche Bestandteile zu liefern, aus denen sich vielleicht eine lebende Zelle einmal bilden könnte. In ihrem Experiment fand chemische Synthese statt, die RNA und ihre Bausteine wurden konzentriert, lagerten sich zusammen und verkapselten sich wie in einer Zelle. Offen bleibt die Frage, woher die Bausteine kommen sollten, die die Forscher hier so sorgfältig ausgewählt und in die aufgeheizten Mikrokanäle eingespeist hatten. Wo und unter welchen Bedingungen sind diese entstanden? Und natürlich wäre es besonders spannend zu sehen, was weiter passiert – setzen die Forscher eines Tages wirklich das ganze Puzzle der Lebensentstehung aus solchen einzelnen Experimenten zusammen? Spannend.
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