Biologie Wie das Leben auf die Erde kam

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Von Jack W. Szostak und Alonso Ricardo

5. Teil: Teile dich und herrsche


Einen zweiten Ansatz, der auf der Konkurrenz zwischen Protozellen beruht, untersuchte Irene Chen, damals Doktorandin in unserem Labor. Modellprotozellen, die RNA oder ähnliche Moleküle enthielten, schwollen an, weil durch Osmose Wasser in die Zelle strömte. Die dadurch gedehnten Membranen wuchsen, indem sie den entspannten Membranen der Nachbarvesikel Fettsäuren stahlen - wodurch diese schrumpften.

Im Jahr 2008 beobachtete Ting Zhu, ebenfalls Doktorand in unserem Labor, das Wachstum der Modellprotozellen, nachdem er sie mit frischen Fettsäuren gefüttert hatte. Zu unserem Erstaunen streckten die anfangs kugelförmigen Bläschen zunächst ein dünnes Filament aus, das im Lauf einer halben Stunde länger und dicker wurde, wodurch sich das ganze Vesikel allmählich in eine lange, dünne Röhre verwandelte. Diese Struktur war sehr zerbrechlich. Schon durch leichtes Schütteln - wie durch die Wellen, die der Wind auf einem Tümpel erzeugt - zerfiel sie in kleinere, kugelförmige Tochterprotozellen, die dann selbst wuchsen und den Zyklus wiederholten.

Teile dich und herrsche

Wenn die richtigen Bausteine vorhanden sind, erscheint demnach die Bildung von Protozellen nicht allzu schwierig: Membranen fügen sich selbst zusammen, genetische Polymere ebenfalls, und die beiden Komponenten können auf vielfältige Weise zusammenfinden - beispielsweise, indem die Membranen um bereits existierende Polymere herum entstehen. Diese mit Wasser und RNA gefüllten Säckchen wachsen, absorbieren neue Moleküle, konkurrieren um Nährstoffe und teilen sich. Um wirklich zu leben, müssen sie sich jedoch reproduzieren und weiterentwickeln. Insbesondere müssen sie ihre RNA-Doppelstränge trennen, damit jeder Einzelstrang als Vorlage für einen neuen Doppelstrang dienen kann, der an eine Tochterzelle weitergegeben wird.

Dieser Vorgang kam nicht ganz von selbst in Gang, sondern brauchte ein wenig Hilfe. Stellen wir uns zum Beispiel eine Vulkangegend auf der ansonsten kalten Früherde vor; damals schien die Sonne mit nur 70 Prozent ihrer heutigen Kraft. Vermutlich gab es Kaltwassertümpel, die teilweise von Eis bedeckt, aber von heißem Gestein flüssig gehalten wurden. Die Temperaturunterschiede riefen Konvektionsströme hervor, und dadurch wurden die Protozellen im Wasser höheren Temperaturen ausgesetzt, wenn sie die heißen Steine passierten, aber fast augenblicklich vom kalten Wasser wieder abgekühlt. Die plötzliche Erwärmung spaltete die Doppelhelix in Einzelstränge, und bei der Rückkehr in die Kälte konnten sich nach diesen Vorlagen neue Doppelstränge bilden - getreue Kopien des Originals.

Sobald die Umwelt die Protozellen zur Reproduktion anregte, setzte auch die Evolution ein. Insbesondere mutierten einige RNA-Sequenzen irgendwann zu Ribozymen, die das Kopieren der RNA beschleunigten - ein klarer Wettbewerbsvorteil. Schließlich begannen Ribozyme die RNA ohne Hilfe von außen zu kopieren.

Es ist leicht vorstellbar, wie RNA-Protozellen sich dann weiterentwickelt haben. Der Stoffwechsel entstand allmählich, indem neuartige Ribozyme den Zellen ermöglichten, in ihrem Inneren Nährstoffe aus einfacheren und häufiger vorkommenden Ausgangsmaterialien selbst herzustellen. Als Nächstes erweiterten die Organismen ihre chemische Trickkiste um die Proteinsynthese.

Mit ihrer erstaunlichen Vielseitigkeit haben die Proteine dann die Rolle der RNA beim Kopieren der Erbinformation und im Stoffwechsel übernommen. Später lernten die Organismen, DNA herzustellen, und kamen dadurch in den Besitz eines robusteren Trägers der Erbinformation. Erst an diesem Punkt wurde die RNA-Welt zur DNA-Welt - und das Leben, wie wir es kennen, begann.



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