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Biologie: Wie das Leben auf die Erde kam

Von Jack W. Szostak und Alonso Ricardo

Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Was genau ist Leben überhaupt? Allmählich lichtet sich der Nebel um eines der größten Geheimnisse der Natur. Im Labor wiederholen Forscher die tastenden Schritte, mit denen einst aus unbelebter Materie die ersten Organismen entstanden.

Junger Planet: Wie das Leben auf der Erde entstand Fotos
REUTERS

Jede lebende Zelle, selbst das einfachste Bakterium, wimmelt nur so von molekularen Maschinen, die einen Nanotechniker vor Neid erblassen lassen. Sie zappeln, krabbeln und schrauben sich rastlos durch die Zelle, sie zerschneiden, kleben und kopieren Erbmoleküle, sie transportieren Nährstoffe hin und her oder verwandeln sie in Energie, sie bauen und reparieren Zellmembranen, sie übertragen mechanische, chemische oder elektrische Signale - die Aufzählung scheint gar kein Ende zu nehmen, und mit jeder neuen Entdeckung wird sie länger.

Wie um alles in der Welt soll sich diese Zellmaschinerie, die vorwiegend aus Katalysatoren auf Eiweißbasis - so genannten Enzymen - besteht, vor rund 3,7 Milliarden Jahren ganz von selbst zusammengebaut haben? Gewiss, unter geeigneten Bedingungen entstehen einige Proteinbausteine, die Aminosäuren, ohne Weiteres aus einfacheren Chemikalien; das haben Stanley L. Miller und Harold C. Urey in den 1950er Jahren an der University of Chicago mit ihren legendären Experimenten nachgewiesen. Doch von dort zu Proteinen und Enzymen ist es noch ein gewaltiger Schritt.

Wenn eine Zelle Proteine synthetisiert, trennen komplizierte Enzyme die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix voneinander, andere Enzyme lesen die darauf in Genen kodierten Protein-Bauanleitungen ab und übersetzen sie in die fertigen Produkte. So Somit tritt bei dem Versuch, den Anfang allen Lebens zu erklären, ein paradoxes Problem auf: Anscheinend sind - abgesehen von der in der DNAev gespeicherten Information - Proteine nötig, um Proteine zu fabrizieren.

Das Paradoxon verschwände allerdings, wenn die ersten Organismen ganz ohne Proteine ausgekommen wären. Neue Experimente zeigen, dass Erbmoleküle, die der DNA oder der strukturell nahe verwandten RNA ähneln, spontan hätten entstehen können. Und da solche Moleküle sich unterschiedlich zusammenzufalten und einfache Reaktionen zu katalysieren vermögen, wurden sie vielleicht fähig, sich ohne die Hilfe von Proteinen selbst zu kopieren.

Schwieriger Beginn

Wie konnte in der Frühzeit der Erde aus einfachen Molekülen genetisches Material entstehen? Betrachtet man die Funktion der RNA in heute lebenden Organismen, so liegt es nahe, dass die RNA vor der DNA auftrat. Wenn heutige Zellen ein Protein fabrizieren, kopieren sie zunächst das entsprechende Gen von der DNA in RNA und benutzen die RNA dann als Bauanleitung für das Protein. Dieser zweite Schritt könnte anfangs unabhängig existiert haben; erst später wäre die DNA dank ihrer besseren chemischen Stabilität als dauerhaftere Speicherform aufgetreten.

Es gibt noch einen weiteren Grund, weshalb Forscher annehmen, die RNA sei zuerst entstanden. Ribozyme - Enzyme aus RNA statt Protein - spielen auch in heutigen Organismen noch eine zentrale Rolle. Die Gebilde, welche die als RNA angelieferten Baupläne in Proteine umsetzen, sind selbst Komplexe aus RNA und Protein, wobei die RNA den eigentlichen Katalysator darstellt. Anscheinend enthält jede unserer Zellen in ihren Ribosomen "fossile" Relikte einer urtümlichen RNA-Welt.

Darum konzentrieren sich viele Forscher auf den Ursprung der RNA. Erbmoleküle wie DNA und RNA sind Polymere, das heißt Stränge aus kleineren Molekülen, in diesem Fall aus Nukleotiden. Die wiederum bestehen aus drei Komponenten: einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer Nukleinbase. Es gibt vier verschiedene Nukleinbasen; sie bilden das Alphabet, mit dem das Polymer seine Information kodiert. DNA-Nukleotide enthalten jeweils eine der Nukleinbasen A, G, C oder T (Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin). Im Alphabet der RNA steht U (Uracil) an Stelle von T. Die Nukleinbasen sind stickstoffreiche Verbindungen, die sich nach einer einfachen Regel paaren: A bindet immer an U - beziehungsweise an T -, und G bindet stets an C. Diese Basenpaare bilden die Sprossen der spiralförmigen DNA-Leiter, der bekannten Doppelhelix. Die korrekte Paarung ist entscheidend dafür, dass bei der Reproduktion der Zelle exakte DNA Kopien entstehen. Zucker und Phospatgruppen bilden das Rückgrat jedes Strangs.

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Spektrum der Wissenschaft
März 2010

Inhaltsverzeichnis

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Leben neu erschaffen
Um den Ursprung des Lebens zu enträtseln, versuchen einige Wissenschaftler, aus künstlichen Materialien einen selbstreplizierenden Organismus zu fabrizieren. Am schwierigsten ist es, ein genetisches Molekül zu finden, das sich selbst autonom zu replizieren vermag. Die Autoren entwerfen und synthetisieren zu diesem Zweck chemisch modifizierte Versionen von RNA und DNA. Die RNA selbst löst das Problem wahrscheinlich nicht, denn ihre Doppelstränge trennen sich nur schwer in Einzelstränge für die Replikation.
Zur Person
Alonso Ricardo, geboren in Cali (Kolumbien), ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Howard Hughes Medical Institute der Harvard University. Derzeit forscht er über selbstreplizierende chemische Systeme.

Jack W. Szostak ist Professor für Genetik an der Harvard Medical School und am Massachusetts General Hospital. Er konstruiert biologische Strukturen im Labor, um auf diese Weise Lebensvorgänge besser zu verstehen. 2009 erhielt Szostak den Medizin-Nobelpreis.


Weiterführende Literatur
Gesteland, R. F. et al. (Hg.): The RNA World. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 3. Auflage 2006.

Hazen, R. M.: Genesis: The Scientific Quest for Life’s Origins. Joseph Henry Press, Washington 2005.

Nielsen, P. E.: Ein neues Molekül des Lebens? In: Spektrum der Wissenschaft 10/2009, S. 42 – 49.

Shapiro, R.: Ein einfacher Ursprung des Lebens. In: Spektrum der Wissenschaft 11/2007, S. 64 – 72.

Szostak, J. et al.: Synthesizing Life. In: Nature 409, S. 387 – 390, 2001.

Was ist Leben?

Wissenschaftler bemühen sich seit Langem, den Begriff "Leben" so weit zu fassen, dass er auch noch unentdeckte Lebensformen einschließt. Hier sind nur einige der vielen vorgeschlagenen Definitionen aufgeführt:

1. Der Physiker Erwin Schrödinger postulierte als grundlegende Eigenschaft lebender Systeme, dass sie sich entgegen der natürlichen Tendenz zu wachsender Entropie – oder Unordnung – selbst organisieren.

2. Nach der von der NASA übernommenen Arbeitsdefinition des Chemikers Gerald Joyce ist Leben "ein chemisches System mit der Fähigkeit zur Selbsterhaltung und zur darwinschen Evolution".

3. Gemäß der "kybernetischen Definition" von Bernard Korzeniewski ist Leben ein Netzwerk von Rückkopplungsmechanismen.


Was entsteht Leben?

PNA zuerst
Peptid-Nukleinsäure ist ein Molekül, bei dem die Nukleinbasen auf einem proteinähnlichen Rückgrat sitzen. PNA ist einfacher aufgebaut als RNA und auch chemisch stabiler. Daher glauben einige Forscher, dass dieses Polymer in den ersten Lebensformen die Erbinformationen trug.

Stoffwechsel zuerst
Da es schwierig ist, die Entstehung von RNA aus unbelebter Materie zu erklären, bevorzugen manche Forscher die Annahme, das Leben sei in Form von vernetzten Katalysatoren entstanden, die gemeinsam Energie verarbeiteten.

Panspermie
Weil zwischen der Entstehung der Erde und dem Auftreten erster Lebensformen "nur" ein paar hundert Millionen Jahre liegen, meinen einige Wissenschaftler, die allerersten Organismen seien aus dem Weltall auf die Erde gelangt.

In Kürze
Erbmolekül RNA
Forscher haben vorgeführt, wie das Erbmolekül RNA aus Chemikalien entstehen konnte, die auf der unbelebten Früherde vorhanden waren.
Ursprung
Andere Experimente stützen die Hypothese, dass am Ursprung allen irdischen Lebens primitive Zellen standen, die RNA-ähnliche Moleküle enthielten. Diese Zellen konnten sich spontan bilden, reproduzieren und weiterentwickeln.
Künstliche Organismen
Wissenschaftler versuchen jetzt künstliche Organismen zu kreieren, die sich komplett selbst zu replizieren vermögen. Wenn im Labor praktisch ein zweites Mal Leben entsteht, lässt sich besser verstehen, wie es ursprünglich entstand.

Lexikon
DNA
Die DNA (chemisch: Desoxyribonukleinsäure) ist ein in allen Lebewesen und DNA-Viren vorkommendes Biomolekül und Trägerin der Erbinformation. Sie enthält unter anderem die Gene, die für RNA (Ribonukleinsäuren) und Proteine kodieren, welche für die biologische Entwicklung eines Organismus und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. Vom Aufbau her ist die RNA der DNA ähnlich, beide bestehen aus verketteten Grundbausteinen, den Nukleotiden. RNA-Moleküle sind – im Gegensatz zur doppelsträngigen DNA – in der Regel einzelsträngig.
Boten-RNA
Als Boten-RNA, fachlich auch Messenger-RNA, wird die "Abschrift" eines Proteingens bezeichnet. Sie dient dann der "Übersetzung" der genetischen Bauanweisung in das entsprechende Protein.
Mikro-RNA
Bei Mikro-RNAs (fachlich kurz: miRNAs) handelt es sich um einzelsträngige RNA-Moleküle von etwa 21 Nukleotiden Länge. Sie spielen bei der Steuerung einer Vielzahl von zellulären Prozessen eine entscheidende Rolle: Bei Pflanzen regulieren sie Wachstum und Blütenbildung, in der Taufliege den programmierten Zelltod, in menschlichen Zellen die Differenzierung von potentiell unsterblichen Stammzellen zu spezialisierten Geweben.
Spleißen
Spleißen heißt ein wichtiger Schritt bei der Bearbeitung der primären RNA-Abschrift vieler Gene im Zellkern, die eine Art Informationsmosaik enthalten. Dabei entsteht aus der recht langen Primärabschrift durch Herausschneiden und Zusammenfügen (Spleißen) relevanter Abschnitte erst die reife Boten-RNA. Auf diesem Weg kann die Zelle auch mehr als eine Proteinsorte nach demselben Gen erzeugen.
Ribozyme
Ribozyme von Ribonukleinsäure (RNA) und Enzym sind katalytisch aktive RNA-Moleküle, die wie Enzyme chemische Reaktionen katalysieren.
Transgene Organismen
Transgene Organismen sind gentechnisch veränderte Lebewesen, denen man zusätzliche Gene aus anderen Arten eingebaut hat.
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