Wissenschaft

Evolution: Essener Forscher simulieren den Beginn des Lebens

Vesikel in der Ursuppe zeigt diese mikroskopische Aufnahme aus dem Projekt „Origin“. Eine dieser Vorstufen zur Zelle ist etwa ein Hunderstel Millimeter groß.

Vesikel in der Ursuppe zeigt diese mikroskopische Aufnahme aus dem Projekt „Origin“. Eine dieser Vorstufen zur Zelle ist etwa ein Hunderstel Millimeter groß.

Foto: Maria Dávila / Uni Essen-Duisburg

Essen.  Entstand das Leben nicht im Ozean, sondern in der Erdkruste? Ihre Theorie untermauern Essener Forscher, indem sie die Evolution im Labor starten.

Was ist der Ursprung des Lebens? Das ist eine der ganz großen Fragen. Ein Experiment am Universitätscampus zu Essen hat nun eine mögliche Antwort geliefert, glauben die Chemiker Christian Mayer und Oliver Schmitz sowie der Geologe Ulrich Schreiber. Ihnen ist es gelungen, im Labor eine Vorstufe zum Leben entstehen zu lassen. „Experiment in Progress“ steht über dem Versuchsaufbau: zwei steuerradähnliche Armaturen, Zifferblätter für Druck und Gase; nur ein Computermonitor deutet an, dass High-Tech arbeitet in dem schwarz ummantelten Zylinder in der Mitte. 120,44 Grad und 77,26 Bar Druck herrschen gerade darin, er ist gefüllt mit Ursuppe.

In solch einem Gemisch aus Wasser, Kohlendioxid und Aminosäuren sollen sich die ersten Bausteine des Leben von allein zusammengesetzt haben, da sind sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt recht sicher. Doch unter welchen Bedingungen genau? Die einen glauben: in der frühen Atmosphäre. Andere sagen: im Meer, in Tümpeln, heißen Quellen oder am Auslass von unterseeischen Vulkanen. „Wir gehen in die Tiefe“, erklärt Christian Mayer. Er und seine Essener Kollegen glauben, dass der Ursprung des Lebens in wassergefüllten Erdspalten liegt, wo Plattenverschiebungen die Erdkruste zerrissen haben, ziemlich genau ein bis zwei Kilometer tief.

Was ist Leben?

An der Oberfläche der frühen Erde, wären die ersten Zellen (oder ihre Vorstufen) dem zerstörerischen UV-Licht ausgesetzt gewesen, erklärt Mayer. An den rauchenden Schloten der Tiefsee hätten sie sich wohl zu schnell mit dem Umgebungswasser gemischt. In der Tiefe der Erde jedoch hat man „extrem konstante Bedingungen“. Und die haben die Essener nun nachgestellt. Aber um zu verstehen, was in ihrer Schöpfkelle Ursuppe drei Wochen lang stattgefunden hat, müssen wir eine weitere große Frage wagen:

Was ist Leben?

Leben ist Struktur. Diese Struktur besteht aus einer oder mehreren Zellen, die sich von der Unordnung ihrer Umwelt abgrenzen. Es gibt komplizierte Zellen (unsere) und recht einfache, die sogar ohne Kern auskommen (Bakterien) - und es gibt „Zellen ohne alles“, blanke Hüllen, die man Vesikel nennt. Diese einfachen Bläschen kommen auch in unseren Zellen vor und erledigen dort Transporte. Es gilt jedoch als sehr wahrscheinlich, dass sich alle Zellen aus ihnen entwickelt haben. Am Anfang also war das Vesikel.

Der Takt der Tiefe

Wie kann es von allein entstehen? Das Essener Team hat seine Theorie, die es nun experimentell untermauerte, erstmals 2012 publiziert: Rhythmisch wechselnde Druckunterschiede in der Wassersäule einer Erdspalte sollen eine chemische Evolution in Gang gesetzt haben. Gezeiten oder Geysire könnten diesen Takt der Tiefe vorgeben: Steigen Druck und Temperatur wechselt das CO2 seinen Aggregatzustand zu „überkritisch“ und trennt sich vom Wasser wie Öl. An den Grenzflächen bildet sich aus Kohlenwasserstoffen eine Hülle.

Zugleich reagieren bei diesem Übergang gelöste Aminosäuren miteinander und bilden zufällige Molekülketten. Dabei gibt es Abermilliarden Varianten kurzer Ketten, so genannter Peptide (Eiweißvorstufen); einige davon werden in die Vesikelhülle eingebaut und bieten Vorteile. Sie machen das Bläschen stabiler, so dass es vielleicht zwei oder drei Druckzyklen übersteht, bis es zerbricht – und seine Bauteile in den Pool zurückgibt. So reichern sich genau die Moleküle in der Ursuppe an, die Vesikel stabiler machen. Die Essener haben diesen Prozess drei Wochen lang im Zeitraffer ablaufen lassen: 1500 Zyklen entsprechen ebenso vielen „Generationen“ von Vesikeln.

Für die Nasa wäre das schon Leben

Die Astrobiologen der Nasa würden das Ergebnis schon großzügig als Leben bezeichnen, denn es gibt bereits eine Art von Evolution, bei der nachfolgende „Generationen“ von Vesikeln Eigenschaften „erben“. Zum Leben im biologischen Sinne fehlen jedoch Stoffwechsel, Vermehrung und Wachstum. Auf jeden Fall ist es Forschern nach eigener Aussage das erste Mal gelungen, Bedingungen herzustellen, unter denen solche Strukturen sich entwickeln. Es wird Spektrum der Wissenschaft im Juli einen Titel wert sein.

Dabei hat das Essener Team keinen Sonderforschungsbereich, hat nicht mal einen eigenen Etat für seine Suche nach dem Ursprung des Lebens. Das Projekt „Origin“ begann im Kreis von befreundeten Kollegen, die bei vielen Abendessen ihre Ideen entwickelten, um sie dann als Forscher zu überprüfen - als ob auch die Hypothesenbildung periodischer Zustandswechsel bedurfte. Die Mittel kommen nun aus ihren jeweiligen Disziplinen: Um zu bestimmen, welche Peptide sich denn nun in der Ursuppe angehäuft haben, sind extrem präzise Messungen nötig. Prof. Oliver Schmitz aus der Angewandten Analytischen Chemie kann mit den neuesten „Molekülwaagen“ (Massenspektrometer) sogar die Reihenfolge von Atomen in einem Molekül bestimmen.

Ursuppe in der Dose

Zum Versuchsaufbau hat maßgeblich der Geologe Ulrich Schreiber beigetragen, der in einem der ältesten Gesteine der Erde nach Spuren suchte, die die Theorie der Freunde belegen würde. In dreieinhalb bis vier Milliarden Jahre alten Quarzen aus Australien, entstanden in eben jenen Erdspalten, fand er vor drei Jahren Flüssigkeitseinschlüsse: Ursuppe in Dosen. Darin: organische Molekülketten, die die Forscher als Vorstufen des Lebens deuteten – bevor es Leben gab. Und nun haben sie eben solche Bausteine selbst geschaffen.

Die Vertreter der herkömmlichen Ursprungstheorien – Meteoriten, Schlote, Atmosphäre – stehen der These der Newcomer „sehr reserviert“ gegenüber, sagt Christian Mayer. Lediglich aus der „Heiße-Quellen-Fraktion“ kommt Unterstützung. Die Essener haben schließlich nur gezeigt, wie eine Vorstufe des Lebens entstanden sein könnte. Die Vesikel müssen aber weitere chemische Prozesse durchlaufen, womöglich, wenn sie an die Oberfläche gespült worden sind, bis sich echte Zellen bilden konnten. Darunter die eine, von der wir alle abstammen.

Um ihre These zu stärken, haben die Essener bereits in der Eifel gebohrt, einen Kilometer tief. Der Bohrkern liegt in nummerierten Stücken in einer Kammer bereit; sie hoffen darin Spuren von Aminosäuren zu finden, ähnlich wie in Australien. Denn ja, der von ihnen beschriebene Prozess müsste an vielen Orten in der Erdkruste abgelaufen sein. „In der Tat gibt es keinen Grund anzunehmen, dass er jemals gestoppt hat“, sagt Mayer. Und die Eifel böte perfekte Bedingungen – woraus folgt: Die Ursuppe ist eine extrem saure Form von Brohler. Ja, das Leben entstand in Sprudelwasser!

>> Info: So geht es weiter

Freilich macht den Essenern noch die Reproduzierbarkeit ihres Experiments sorgen. Denn es entstehen zwar immer Vesikel mit Peptiden, aber aufgrund der vielen Kombinationsmöglichkeiten konzentrieren sich nicht immer exakt die gleichen, nur sehr ähnliche. Was aber auch mit den Messverfahren zu tun haben kann. Darum wollen die Essener, die Evolution im Wasserglas weitertreiben und Vesikel entstehen lassen, die einen Stoffwechsel haben. Vereinfacht: Man gebe einen Schuss Phosphor in die Ursuppe und schaue, ob sich Peptide bilden, die wie Tunnel in der Membran sitzen und durch die Energieunterschiede ausgeglichen werden. Sollte das gelingen, wäre es in der Tat eine Sensation.

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