Vom warmen kleinen Teich zur ersten Zelle

Wer wissen will, wie das Leben begann, stößt auf eine Frage, die sich anders verhält als die meisten naturwissenschaftlichen Probleme: Sie lässt sich nicht direkt beobachten und nicht einfach im Labor wiederholen. Bis heute gilt sie als eines der größten Rätsel der modernen Naturwissenschaften — auch nach dem aktuellen Stand der Forschung ist nicht beantwortet, über welche Schritte und Mechanismen das Leben tatsächlich entstanden ist.

Charles Darwin kannte diese Grenze genau, und sie störte ihn. In „On the Origin of Species“ räumte er ein, dass vor der untersten kambrischen Gesteinsschicht die Welt von Lebewesen gewimmelt haben müsse, dass sich für diese frühesten Zeiträume aber keine reichen fossilführenden Ablagerungen finden ließen. Den Fall nannte er unerklärlich und gestand zu, man könne ihn als stichhaltiges Argument gegen seine eigene Theorie anführen. Über den Ursprung des Lebens selbst wollte er lange gar nicht erst spekulieren: 1863 schrieb er seinem Freund, dem Botaniker Joseph D. Hooker, es sei „mere rubbish“, derzeit über den Ursprung des Lebens nachzudenken — ebenso gut könne man über den Ursprung der Materie nachdenken. 1868 wiederholte er das Urteil, die Entstehung des Lebens liege „quite beyond the scope of science“.

Und dann, 1871, tat er es doch. In einem inzwischen berühmten Brief an Hooker entwarf Darwin ein Bild, das die Forschung bis heute begleitet: einen „warm little pond“, einen warmen kleinen Teich, in dem Ammoniak und Phosphorsalze mit Licht, Wärme und Elektrizität zusammenkommen, sodass sich eine Eiweißverbindung bildet, bereit für noch komplexere Veränderungen. Heute, fügte er hinzu, sei so etwas unmöglich: Solche Materie würde augenblicklich verzehrt oder aufgenommen, was vor der Existenz von Lebewesen eben nicht der Fall war.

Der erste Beleg dafür, dass die Frühzeit des Lebens überhaupt Spuren hinterlassen hat, kam fast ein Jahrhundert später. 1953 entdeckte Stanley Tyler im rund 1900 Millionen Jahre alten Gunflint-Chert im südlichen Kanada vielfältige mikroskopische Fossilien — der Anfang eines neuen Fachgebiets, der präkambrischen Paläobiologie. Heute sind die ältesten Fossilien der Erde rund 3,5 bis 3,7 Milliarden Jahre alt; einzelne Funde werden auf 3,95 oder sogar 4,1 Milliarden Jahre datiert, gelten aber als deutlich unsicherer. Unabhängig von Gesteinen rechnet die molekulare Uhr über weitgehend konstante Mutationsraten zurück: Sie setzt den letzten gemeinsamen Vorfahren aller Lebewesen, LUCA, auf ein Alter von 3,6 bis 4,3 Milliarden Jahren.

Aus dem unlösbaren Rätsel ist damit ein eingegrenztes geworden — die Frage bleibt offen, aber sie hat einen Zeitrahmen bekommen.

Wie wird aus lebloser Chemie ein Lebewesen? Diese Frage galt lange als zu groß für das Labor — man konnte über sie spekulieren, aber kaum an ihr experimentieren. Im 20. Jahrhundert änderte sich das: Aus einer philosophischen Grübelei wurde eine Versuchsanordnung mit Gasen, Kolben und Stromstößen. Der Weg dorthin beginnt mit zwei Forschern, die einander nicht kannten, und endet vorerst bei Bakterien, die von der Ursuppe tatsächlich satt werden.

In den 1920er Jahren veröffentlichten der sowjetische Biochemiker Alexander Oparin und der Brite J. B. S. Haldane unabhängig voneinander eine der bekanntesten Hypothesen zur Entstehung des Lebens. Beide nahmen an, die frühe Erdatmosphäre sei reduzierend gewesen — chemisch also das Gegenteil der heutigen, sauerstoffgeprägten Lufthülle — und habe damit die Bildung organischer Moleküle begünstigt. Als Antrieb dachten sie an eine äußere Energiequelle, etwa sehr intensive ultraviolette Strahlung. Oparin prägte 1924 den Begriff der „Ursuppe“ für jenen Urozean, in dem Sonnenenergie und reduzierende Atmosphäre organische Moleküle erzeugten; Haldane legte 1929 nach. Beide vermuteten, die ersten Lebensformen seien heterotroph gewesen, hätten sich also aus dem Vorrat ihrer Umgebung bedient, statt ihn selbst herzustellen.

Rund drei Jahrzehnte später baute Stanley Miller, Doktorand bei Harold Urey an der University of Chicago, genau diese Idee nach. In einen geschlossenen Glasapparat kamen Methan, Ammoniak und Wasserstoff im Verhältnis 2:2:1, dazu Wasser als Modell des Ozeans. Ein elektrischer Lichtbogen spielte den Blitz. Nach einem Tag war die aufgefangene Lösung rosa, nach einer Woche tiefrot und trüb. Mit Papierchromatographie identifizierte Miller fünf Aminosäuren — Glycin, α-Alanin und β-Alanin sicher, Asparaginsäure und α-Aminobuttersäure nur als blasse Flecken. Urey verzichtete darauf, als Autor genannt zu werden, weil sein Ruf Millers Anteil in den Schatten gestellt hätte; die Veröffentlichung erschien 1953.

Robuster wurde der Befund erst durch das, was danach kam. Millers ehemaliger Student Jeffrey Bada fand in einer alten Pappschachtel nie ausgewertete Proben aus abgewandelten Versuchen der 1950er Jahre. Moderne Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie förderten daraus höhere Ausbeuten und ein deutlich vielfältigeres Aminosäurespektrum zutage. Und 2015 wurde die Ursuppe sogar zur Mahlzeit: Frisch ist die Mischung wegen ihrer Cyanide giftig, doch diese Stoffe sind flüchtig. Getrocknet und wieder angerührt, trug die Brühe das Wachstum von E.-coli-Bakterien, die zuvor an Glycin und racemisiertes Alanin gewöhnt worden waren — sie wuchsen darauf sogar schneller als in der Vergleichslösung.

Aus einem einzelnen, hübsch gefärbten Kolben war damit ein belastbares Prinzip geworden.

Wer heute eine Zelle betrachtet, findet eine saubere Arbeitsteilung: Die DNA verwahrt die Information, Proteine erledigen die Chemie, die RNA vermittelt dazwischen. Genau diese Ordnung führt aber in ein Paradox, denn keines der drei Moleküle kommt ohne die anderen aus. Wer war also zuerst da? Die Antworten der Forschung zerfallen seit Jahrzehnten in zwei Lager: Am Anfang stand die Erbinformation — oder am Anfang stand der Stoffwechsel.

Die bekanntere Antwort heißt RNA-Welt. Carl Woese formulierte sie erstmals 1967: Frühes Leben habe allein auf Ribonukleinsäuren beruht, die zugleich Information speicherten und chemische Reaktionen katalysierten — beides Aufgaben, die heute das chemisch stabilere Speichermedium DNA und die funktionell flexibleren Proteine übernehmen. Lange blieb das ein Gedankenspiel, weil niemand RNA je beim Katalysieren beobachtet hatte. Anfang der 1980er-Jahre gelang das Thomas Cech als Erstem; er prägte für solche RNA den Namen Ribozym und teilte sich 1989 dafür den Chemie-Nobelpreis mit Sidney Altman, der unabhängig zum selben Befund gekommen war. Den eindrucksvollsten Beleg lieferte dann das Ribosom, die Proteinfabrik jeder Zelle: Sobald die ersten Strukturbilder vorlagen, zeigte sich, dass sein katalytisches Zentrum vollständig aus RNA besteht — die Proteine bilden nur das Gerüst. Das Ribosom ist selbst ein Ribozym, und es reicht stammesgeschichtlich bis vor den letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens zurück: ein molekulares Fossil.

Das Gegenmodell setzt beim Stoffwechsel an. Es sieht am Anfang einfachere Molekülnetzwerke, die Energie aus geologischen Ungleichgewichten schöpfen und aus denen genetische Komplexität erst hervorgeht; Leben kristallisierte demnach zunächst als kollektiver, sich selbst reproduzierender Stoffwechsel. Eine Simulationsstudie von 2010 setzte diesem Bild hart zu. Sie untersuchte Ensemble-Replikatoren, bei denen nicht eine Sequenz, sondern die Zusammensetzung eines Molekülgemischs die Information trägt. Das Ergebnis: Die Weitergabe dieser kompositionellen Information ist so ungenau, dass sich fittere Zusammensetzungen nicht durch Selektion halten lassen — dem System fehlt die Evolvierbarkeit. Die Autoren mahnen deshalb zur Vorsicht gegenüber Metabolismus-zuerst-Theorien, halten aber für möglich, dass frühe Stoffwechselsysteme einen stabilen Lebensraum boten, in dem später Polymer-Replikatoren entstanden.

Eine dritte Kritik trifft beide Lager zugleich. Jedes dieser Modelle greife eine einzelne heutige Funktion heraus — Replikation hier, Stoffwechsel dort —, erhebe sie über alle anderen und versetze sie zurück in die Frühzeit. Solche Modelle einer „privilegierten Funktion“ erkaufen ihre scheinbare Einfachheit mit Übernahmen, in denen ein molekularer Werkzeugkasten den nächsten ablöst; rechnet man diese Übergänge mit, erscheinen sie hochkomplex und wenig vorhersagekräftig. Tatsächlich rücken die Lager inzwischen zusammen: Die Bausteine von RNA und DNA sind Zwischenprodukte von Stoffwechselnetzwerken, und Metabolismus- und Genetik-Hypothesen gelten immer seltener als einander ausschließend.

Kaum eine Frage der Ursprungsforschung wird so hartnäckig verhandelt wie die nach dem Ort. Wo genau soll aus lebloser Chemie das erste Lebendige geworden sein? Die vorgeschlagenen Schauplätze – heiße Quellen an Land, untermeerische Hydrothermalschlote, vulkanische Landschaften, warme kleine Teiche – gehören zu den stärksten Streitpunkten des Feldes.

Der prominenteste Kandidat der Tiefsee wurde im Jahr 2000 entdeckt: ein völlig neuer Typ hydrothermaler Quelle mit 40 bis 60 Meter hohen Schornsteinen aus Carbonat und Ton, getauft auf den Namen Lost City. Solche Türme wachsen dort, wo heißes, 90 bis 100 Grad warmes alkalisches Wasser aus dem Erdinneren auf kaltes, leicht saures, eisenhaltiges Ozeanwasser trifft und dabei Pyrit, Silikate, Carbonate und magnesiumhaltigen Montmorillonit-Ton ausfallen lässt.

Den Antrieb liefert ein Prozess namens Serpentinisierung. Eisen-Magnesium-Silikate der Erdkruste reagieren bei 150 bis 200 Grad mit zirkulierendem Wasser; das enthaltene zweiwertige Eisen gibt Elektronen ab, und das Wasser wird zu Wasserstoff reduziert. Weil ein Großteil der Erdkruste aus solchem Olivin besteht, steht damit ein fast unerschöpflicher Elektronenspeicher bereit, der seit jeher beträchtliche Mengen Wasserstoff liefert – genug, um gelöstes Kohlendioxid zu Methan zu reduzieren.

Wichtig sind auch die Türme selbst. Ihre semipermeablen Poren wirken als anorganische Kompartimente: Sie halten Reaktionsprodukte zurück, statt sie ins offene Meer diffundieren zu lassen, und wirken zugleich katalytisch. In ihnen sammelten und konzentrierten sich Aminosäuren, einfache Peptide, Zucker und stickstoffhaltige Basen; der Montmorillonit-Ton dürfte die Polymerisation von Nukleotiden zu RNA erleichtert haben.

Die Gegenseite hält ein schlichtes chemisches Argument dagegen: Die konzentrierten Ionen des Meerwassers stören genau jene Reaktionen, weshalb Biochemiker im Labor gereinigtes Wasser verwenden. Süßwasser entsteht in der Natur durch Destillation und sammelt sich in Tümpeln, Bächen und heißen Quellen. Darwins warmer kleiner Teich kehrt so als heißer hydrothermaler Tümpel wieder, der abwechselnd austrocknet und neu gefüllt wird: Beim Verdunsten drängen sich die gelösten Stoffe zu einem dünnen Film auf Mineraloberflächen zusammen, in dem Reaktionen ablaufen, die in verdünnter Lösung unmöglich sind – etwa die enzymfreie Bildung RNA-ähnlicher Oligomere. Noch weiter geht das Szenario eines nuklearen Geysirs auf dem Urkontinent, in dem ionisierende Strahlung organische Bausteine erzeugt und Eruptionen sie in Oberflächenseen schleudern.

Vielleicht ist das Entweder-oder falsch gestellt. Manche Forscher vermuten, verschiedene geologische Schauplätze hätten verschiedene Biomoleküle beigesteuert; andere fragen, wie Protozellen von Schloten am Meeresboden in tonausgekleidete Tümpel an Land gelangt sein könnten.

Bevor es Zellen gab, brauchte es einen Behälter. Ein Tropfen Chemie, der sich in offenem Wasser verdünnt, kann nichts anhäufen und nichts weitergeben — erst eine Hülle macht aus verstreuten Molekülen ein System, das Bestand hat. Wie sie entstand, klärt sich im Wechselspiel aus Laborversuch und Rückschluss aus heutigen Bakterien.

Der erste Teil der Antwort ist verblüffend einfach: Man muss die Hülle nicht bauen. Lipide und andere amphiphile Moleküle — solche mit einem wasserliebenden und einem wasserscheuen Ende — lagern sich in wässriger Umgebung von selbst zu Mizellen und Doppelschicht-Vesikeln zusammen. Solche Vesikel entstehen auch spontan unter periodischen Druckschwankungen, wie sie in der Erdkruste auftreten.

Was solche Bläschen können, hat das Labor durchgespielt. Jack Szostak und Mitarbeiter zeigten 2008 an Vesikeln aus einfachen Fettsäuren, Fettalkoholen und Fettsäure-Glycerinestern eine Kombination von Eigenschaften: Sie sind zwischen 0 und 100 Grad Celsius thermostabil, sie können DNA- und RNA-Polymere im Innern einschließen, sie erlauben bei erhöhter Temperatur das Trennen der Nukleinsäurestränge, ohne dass die Einzelstränge verloren gehen, und sie nehmen Nukleotide auch ohne Transportsysteme in der Membran sehr schnell auf. Schon 1970 hatte Sydney Fox beobachtet, dass proteinartige Mikrosphären sich durch eine semipermeable Membran abgrenzen, Material aufnehmen, wachsen und sich wieder in kleinere Tröpfchen zerteilen.

Den engsten Zusammenhang zwischen Inhalt und Behälter lieferte ebenfalls das Experiment: Die Vermehrung von DNA löste Wachstum und Teilung von Lipidvesikeln aus und koppelte damit die Reproduktion eines Informationsträgers an die des Kompartiments. Das ist ein Laborbefund, keine Auskunft darüber, wie die Urzelle es anstellte. Er zeigt aber, dass Systeme, die weit einfacher gebaut sind als Zellen, das Zusammenspiel von Membran und Inhalt nachbilden können.

Von echter Vererbung ist das noch entfernt. Protozellen konnten sich mechanisch teilen, wobei ihr Inhalt ungleich auf die Hälften fiel; damit sich ein Vorteil durchsetzt, müssen Information und Struktur an die Töchter weitergegeben werden. Wie das in einer Zelle aussieht, lässt sich an heutigen Bakterien rückwärts lesen: Zuerst wird die ringförmige DNA verdoppelt, die Zelle streckt sich, die beiden Chromosomen wandern an die Enden, in der Mitte schnürt sich der FtsZ-Ring wie ein Beutelband zu, bis das Cytoplasma geteilt ist. Die frühen Zellgemeinschaften verständigten sich zudem über die Populationsdichte; ein Beispiel für solches Gruppenverhalten ist die Bildung von Biofilmen.

Der Weg vom Bläschen zu dieser Choreografie ist damit nicht erklärt — aber er ist keine bloße Leerstelle mehr, sondern ein Gelände, das sich experimentell abschreiten lässt. Manche halten die Suche nach der einen ersten Zelle ohnehin für falsch gestellt: Zellwerdung wäre dann kein Ereignis, sondern ein sukzessiver Prozess evolutionärer Verbesserungen.

Kam die entscheidende Hilfe für das Leben von außen? Das ist die Grundidee der Panspermie. Der Begriff stammt aus dem Altgriechischen, von „pan" für alles und „sperma" für Samen, und er ist alt: Geprägt hat ihn der griechische Philosoph Anaxagoras um 500 v. Chr. — die „Aussaat von Samen" aus anderen Welten. Was genau da gereist sein soll, darüber sind sich seine Nachfolger allerdings bis heute uneins.

Die verbreitetere Lesart ist die bescheidenere: Nicht das Leben selbst kam aus dem All, sondern seine organischen Bausteine, geliefert von Kometen und Meteoriten. Dafür gibt es handfestes Material. Am 28. September 1969 zog ein orangefarbener Feuerball über den Nachthimmel im ländlichen Victoria und zerbrach mit einem Überschallknall; rund um den Ort Murchison fanden Anwohner seltsame, kohleartige, auffällig riechende Steine. Rund 100 Kilogramm wurden geborgen und seither Schicht um Schicht analysiert. Eine Untersuchung von 1997 fand mehr als 90 verschiedene Aminosäuren, von denen nur 19 auch auf der Erde vorkommen; 2001 kamen Zucker hinzu, eine Studie von 2010 zählte über 14.000 verschiedene Molekülkombinationen. Auch Nukleinbasen, die chemischen Einheiten der DNA, steckten in den Bruchstücken. Und die Raumsonde Rosetta samt Lander Philae wies 2014 am Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko 16 organische Verbindungen nach, darunter die Aminosäure Glycin.

So eindrucksvoll das klingt: Diese Stoffe sind unstrittig abiotisch entstanden, also ohne Zutun von Organismen, und ihre Konzentrationen im Gestein sind sehr niedrig — manchen Fachleuten zu niedrig für eine ernsthafte Rolle bei der Lebensentstehung. Hinzu kommt die Landung selbst: Meteoriten treten mit bis zu 260.000 Kilometern pro Stunde in die Atmosphäre ein, die Stoßwelle heizt ihre Oberfläche auf fast 1750 Grad Celsius auf, und organische Verbindungen an der Außenseite verdampfen dabei.

Die kühnere Variante schickt Mikroben selbst auf die Reise — und die halten mehr aus als gedacht. In den EXPOSE-Experimenten, deren Proben zwischen 2008 und 2016 außen an der Internationalen Raumstation dem Vakuum ausgesetzt waren, überlebten Organismen anderthalb Jahre; in einem Fall blieben unter marsähnlichen Bedingungen sämtliche bakteriellen Endosporen lebensfähig. Nach 18 Monaten im All enthielten Bakterienkolonien auf antarktischem Gestein noch immer lebensfähige Algen und Pilze, und mit etwas Schutz überstanden Sporen, Flechten und sogar Bärtierchen einige Jahre draußen.

Nur: Überleben ist nicht dasselbe wie Ankommen. Zwischen zwei Planeten zu reisen sei für Mikroben theoretisch plausibel, aber bislang nicht gezeigt, hält der Astrobiologe Ian Crawford dagegen — und selbst wenn, löse Panspermie das Problem des Lebensursprungs nicht, sondern verlagere es nur an einen anderen Ort im Universum. Prüfbar wäre die Idee trotzdem: Fände man anderswo Leben, das sich fundamental vom irdischen unterscheidet, wäre sie widerlegt.

Verfolgt man den Stammbaum des Lebens weit genug zurück, laufen alle Äste in einem Punkt zusammen. Was dort steht, ist kein Fundstück aus dem Gestein, sondern eine Rekonstruktion — und genau deshalb umstritten.

Der letzte universelle gemeinsame Vorfahr, kurz LUCA, gilt als jüngste gemeinsame Vorläuferpopulation einzelliger Organismen, von der alle späteren Lebensformen der drei Domänen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten abstammen. Dabei war LUCA nicht die erste Zelle, sondern die letzte vor dieser Aufspaltung. Fossile Belege sind keine bekannt; dass es die Population gab, gilt dennoch als weithin akzeptiert, weil sich die Biochemie aller heutigen Lebewesen bis ins Detail gleicht.

Wie sie lebte, versuchte 2016 eine Analyse von Madeline C. Weiss und Kollegen zu klären: Sie durchsuchten 6,1 Millionen proteincodierende Gene und 286.514 Proteincluster aus sequenzierten Prokaryotengenomen und ordneten 355 Cluster LUCA zu — ein sehr spezifisches, zugleich umstrittenes Ergebnis. Das Bild, das daraus entsteht: anaerob, CO2-fixierend, wasserstoffabhängig, stickstofffixierend und thermophil, mit einer Biochemie voller Eisen-Schwefel-Cluster. Weil Methanbildner und Clostridien nahe der Wurzel dieses Stammbaums lagen, könnte LUCA demnach an einem anaeroben hydrothermalen Schlot gelebt haben, wo Meerwasser auf heißes Magma unter dem Ozeanboden trifft.

Genau dieser thermophile Befund ist angegriffen worden: Die betreffenden Gene könnten erst später in Archaeen oder Bakterien entstanden und dann per horizontalem Gentransfer zwischen ihnen gewandert sein. Als Musterfall gilt die reverse Gyrase, ein Enzym, das nur Hitzeliebhaber besitzen: zunächst LUCA zugeschrieben, ergab eine phylogenetische Untersuchung später einen jüngeren Ursprung samt Gentransfer. Ein zweites Indiz liefert die Aminosäurezusammensetzung: Der Anteil einer bestimmten Gruppe, abgekürzt IVYWREL, hängt mit der optimalen Wachstumstemperatur zusammen; für LUCAs Proteine deutet er auf ein Ideal unter 50 °C hin. LUCA könnte also ein gemäßigt temperierter Organismus gewesen sein, der CO2 fixierte, auf Wasserstoff angewiesen war und nahe hydrothermaler Schlote lebte.

Die Forschungsfront versucht deshalb, solche Fragen nicht allein am Genom zu entscheiden: Seit Langem besteht der dringende Bedarf, zwei Zugänge zusammenzuführen — den der Biologen, die das lebende Material untersuchen, und den der Physiker und Chemiker, die dem toten Stoff neue Eigenschaften abgewinnen. Oparin verglich sie 1924 mit zwei Trupps, die von entgegengesetzten Enden denselben Tunnel graben; das „sehr, sehr bald“, das er erwartete, ist bis heute nicht eingetreten. Künftige Aufbauten sollen die Bedingungen von Tiefseeschloten und hydrothermalen Feldern vor vier Milliarden Jahren nicht nur nachbilden, sondern auch miteinander verbinden.

Der Streit um LUCAs Temperatur zeigt, wie weit Indizien tragen — und wo sie einander widersprechen. Parallel dazu richtet sich die Suche nach draußen: Andrew Rushby, der Bedingungen für Bewohnbarkeit im Sonnensystem und darüber hinaus untersucht, fahndet spektroskopisch nach Biosignaturen: nach Molekülen in Planetenatmosphären, die nur oder sehr wahrscheinlich von biologischen Systemen erzeugt werden. Sauerstoff etwa ist sehr wahrscheinlich, aber nicht zwangsläufig ein Produkt der Biosynthese; es braucht weitere Belege, bevor er als Biosignatur gilt. Voreilige Schlüsse verbieten sich also; die erste goldene Regel laute: „It's probably not life!“