Eine kurze Geschichte des Lebens

Während die Entstehung des Lebens auf der Erde vor ca. 4 Milliarden Jahren weiterhin Rätsel aufgibt, tüfteln Forscher in aller Welt an synthetischen Lebensformen

Über die Entstehung des Lebens gibt es bekanntlich – wie durch unten stehende Auswahl veranschaulicht werden soll – verschiedenste Theorien:

  • Theorie A: Leben entstand in der elektrischen Entladungen ausgesetzten „Ursuppe“ des Archaikums
  • Theorie B: Leben entstand im Inneren von Kometen zu unbestimmter Zeit
  • Theorie C: Leben entstand in der Nähe von hydrothermalen Quellen im Archaikum
  • Theorie D: Leben entstand am Freitag, den 16. November 2007, um 20:34 MEZ am J. Craig Venter Institute (9704 Medical Center Drive, Rockville, Maryland 2085, USA), unmittelbar nach der zweiten Kaffeepause

Geschichte wird vordringlich entlang der Bruchlinien prägnanter Zäsuren geschrieben. Historische Zäsuren stellen in aller Regel markante Einschnitte politischer oder soziokultureller Natur dar, welche im Erinnerungsdiskurs oftmals synonym mit griffigen Jahreszahlen (bspw. 1914, 1933, 1945,1989 etc.) Verwendung finden.

Während sich die gesellschaftspolitische Geschichte der westlichen Welt einigermaßen chronologisch in einzelne Epochen einfassen lässt, fällt es außerordentlich schwer, der Wissenschaftsgeschichte, insbesondere jener des 20. und 21. Jahrhunderts, mittels einzelner Jahreszahlen zu Leibe zu rücken. Dies leuchtet deshalb ein, weil wissenschaftlicher Forschritt in aller Regel auf einer über mehrere Jahre bzw. Jahrzehnte hinweg betriebenen Grundlagenforschung wurzelt, deren Untersuchungsergebnisse, falls überhaupt, erst schrittweise als praktisch anwendbare Technologie Einzug in die Gesellschaft halten.

Eine klare, systematische Chronologisierung bestimmter Technologien wird dadurch naturgemäß erschwert. Bei dem Bemühen, das Profil der wissenschaftlichen Errungenschaften des 20.Jahrhunderts zu schärfen, indem man selbigen einzelne Jahreszahlen zuordnet, ist somit äußerste Vorsicht geboten. Es soll zwar an dieser Stelle von einem mehr oder weniger dubiosen Ranking der eminenten „Wissenschaftsjahre“ des 20.Jahrhundert abgesehen werden, dennoch sei in diesem Zusammenhang ein Jahr hervorgehoben, welches sich unter Berücksichtigung vergangener, gegenwärtiger und wohl auch zukünftiger Forschungsschwerpunkte, von zentraler Bedeutung erweist. Die Rede ist vom Jahr 1953.

Dwight D. Eisenhower wurde zum 34. Präsidenten der Vereinigten Staaten ernannt, in der DDR brach ein Volksaufstand aus, der ein blutiges Ende fand, und Generalissimus Josef Stalin schied infolge eines Schlaganfalls unheldenhaft aus dem Leben – retrospektiv betrachtet, erweist sich 1953 als Wendejahr für Vieles.

Aber was geschah aus wissenschaftlicher Sicht in diesem Jahr Relevantes? Die Erstbesteigung des Mount Everest durch Edmund Hillary und Tenzing Norgay am 29. Mai 1953 kann zwar als denkwürdiges Ereignis der Rubrik „Entdeckung“ hinzugerechnet werden, aus dem Blickwinkel der Naturwissenschaften nimmt der Gipfelsturm jedoch einen eher untergeordneten Stellenwert ein. Die im selben Jahr erfolgte Entschlüsselung des strukturellen Aufbaus der DNA durch James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins und Rosalind Franklin hatte da schon ungleich weitreichendere Konsequenzen zur Folge. Die räumliche Darstellung der Doppelhelix-Struktur der DNA, deren einzelne Nukleotide sich aus Phosphorsäure, den vier Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin und einem Zucker (Desoxyribose) zusammensetzen, ebnete den Weg für die moderne Gentechnik und Molekularbiologie.

1953 war jedoch nicht nur das Jahr, in dem erstmals eine richtige Vorstellung vom strukturellen Aufbau der DNA gewonnen werden konnte, sondern zudem auch ein Jahr, das mit wichtigen Einsichten bei der Klärung der Frage nach dem Ursprung des Lebens aufwartete. Mithilfe einer relativ einfachen Versuchsapparatur (im Wesentlichen bestand diese aus zwei Glaskolben, die durch zwei Glasröhren miteinander verbunden waren), mit der das Atmosphäre-Ozean-System der Urerde nachgebildet wurde, gelang dem erst 23 jährigen Chemiestudenten Stanley Miller eine sensationelle Entdeckung. Nachdem der Student Wasser in einen der beiden Kolben geleert und dem ganzen Versuchssystem Sauerstoff entzogen hatte, fügte er Wasserstoff, Methan und Ammoniak hinzu. In einem Folgeschritt wurde nun das Wasser zum Kochen gebracht und mittels zweier Elektroden elektrischen Entladungen ausgesetzt. Unter den vorherrschenden Bedingungen bildete sich bereits nach wenigen Tagen ein komplexes Gemisch aus organischen Verbindungen (Aminosäuren, Fettsäuren, Zuckern).

Das sogenannte Miller-Urey-Experiment, welches im Mai 1953 veröffentlicht wurde, stellte das wissenschaftliche Denken über die Entstehung des Lebens auf der Erde schlagartig auf eine neue Grundlage – zeigte es doch eindrücklich auf, dass Vorstufen des Lebens (Aminosäuren) unter verhältnismäßig einfachen chemischen Bedingungen gebildet werden konnten. Die Fachwelt war fasziniert. Eine letztliche, allumfassende Erklärung für die Entstehung des Lebens schien in greifbarer Nähe. Doch die Euphorie war verfrüht.

Heute, mehr als 55 Jahre nach Millers Versuchsreihen, ist man immer noch nicht imstande, die vor etwa 4 Milliarden Jahren erfolgte Entstehung des Lebens auf der Erde akkurat nachzuzeichnen. Genetik und Mikrobiologe haben sich indes zu breit gefächerten Forschungsfeldern ausdifferenziert, wodurch die Frage nach der Entstehung des Lebens auf andere Bedeutungsebenen verfrachtet wird. Zur Frage nach der Entstehung des „natürlichen“ Lebens gesellte sich jene nach der Erzeugung künstlicher Organismen. Letztere dürfte sich neuerdings – wohl gemerkt – mehr aus moralischer und weniger aus technologischer Sicht aufwerfen. Da die Moral in der Wissenschaft allenfalls ein Element der Verzögerung darstellt, quasi immer nur dazu befähigt ist, einzelne Schlachten zu gewinnen, auf lange Sicht aber jeden Krieg zu verlieren scheint, dürften auch die ethischen Bedenken im Bereich der Synthetischen Biologie bloß von ephemerer Natur sein. Künstliches Leben, sofern es dieses noch nicht gibt (siehe Interview), ist nichts anderes als eine Frage der Zeit.

Bereits in den siebziger Jahren kam es zur Herstellung der ersten gentechnisch veränderten Bakterien, wenig Jahre später erfolgte mit der Entwicklung der Sanger-Methode (Kettenabbruch-Synthese) der erste Schritt in Richtung einer vollständigen Sequenzierung der menschlichen DNA, welche im Jahre 2003 unter Federführung von Craig Venter, dem schillernden Enfant terrible der Genforschung, ihren offiziellen Abschluss fand. Trotz einer weitverbreiteten Skepsis gegenüber der Gentechnik, haben gentechnisch veränderte Pflanzen, welche höhere Erträge erlauben und größere Widerstandsfähigkeit gegen Schädlinge, Spritzmittel und Trockenheit aufweisen, längst den Weg zum Endverbraucher gefunden. Auch die rote (medizinische Biotechnologie) und weiße (Industrielle Biotechnologie) sind bereits zu maßgeblichen Zugpferden des wirtschaftlichen Wachstums geworden und werden sich aller Voraussicht nach zu den Leittechnologien der ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts aufschwingen.

Vor einigen Monaten gelang Forschenden am J. Craig Venter Institute das Bravourstück, das vollständige Genom eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen. Gegenwärtig basteln Venter und Kollegenen am ersten synthetisch hergestellten Bakterium, das sich selbst replizieren kann (Künstliches Genom eines Bakteriums geschaffen). Dieser unter dem Projektnamen Mycoplasma laboratorium geführte Organismus soll den Ausgangspunkt für weitere synthetische Designer-Bakterien bilden, die eines nicht allzu fernen Tages der Menschheit auf unterschiedlichste Art und Weise (Abbau von CO2 in der Atmosphäre; Erzeugung von Biotreibstoffen; Erzeugung pharmazeutischer Wirkstoff) zu Diensten stehen sollen.

Abseits von Craig Venter, der ob seiner unorthodoxen Methoden, charismatischen Strahlkraft und nicht zuletzt aufgrund seiner wegweisenden wissenschaftlichen Errungenschaften einen Gutteil der medialen Aufmerksamkeit auf sich zu lenken weiß, gibt es eine Reihe von anderen, vorwiegend amerikanischen Forschergruppen, die im Bereich der Synthetischen Biologie bahnbrechende Forschungsarbeiten verrichten.

Vergleich zwischen der künstlich hergestellten xDNA und der „natürlich“ vorkommenden DNA. Bild: The Kool Research Group/Stanford University

Die Gruppe um den Biochemiker Steven A. Benner, einem der geistigen Urheber des institutionellen Feldes der Synthetischen Biologie, tat sich hierbei in den letzten Jahren vor allem mit Pionierleistungen bei der Erstellung neuer DNA-Basen-Paare hervor (siehe Interview). Gleiches trifft auf die Forscher rund um den Stanford-Wissenschaftler Eric Kool zu, der vor Jahren den Begriff der „Synthetischen Biologie“ prägte. In Kools Laboratorium schlägt man insofern einen Sonderweg ein, als man bei der Konstruktion einzelner DNA-Abschnitte mitunter gänzlich auf die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen- Paaren verzichtet. Analog zu den Arbeiten in Benners Labor findet auch bei Kool die Erstellung neuartiger Basen-Paar-Architekturen große Beachtung. Das Schlagwort in diesem Zusammenhang lautet xDNA – ein gegenüber der natürlichen DNA modifiziertes, erheblich größeres Erbmolekül, von dem man sich unter anderem neue Aufschlüsse über die Funktion der natürlich vorkommenden DNA erhofft.

Richtet man derlei Fragen an gestandene Astronomen/innen so bekommt man in aller Regel zur Antwort, die Wahrscheinlichkeit, dass sich Leben nur auf der Erde entwickeln konnte, gehe gegen Null. Prof. Ronald Weinberger vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck ergänzt: „Zahlreiche Planeten (oder große Monde) mit bloß `bakteriellem` Leben dürfte es sehr wohl geben, aber Planeten mit (auch) komplexerem Leben dürften überaus dünn gesät sein.“

Auch wenn die Suche nach E.T. bisher keine Erfolge vorweisen kann, stehen die Chancen gar nicht schlecht, dass die Menschheit innerhalb der nächsten Jahrzehnte außerirdisches Leben entdecken wird. Prof. Weinberger: „Vielleicht wird man auf dem Mars `konservierte` Einzeller finden. Das wäre dann der gesuchte Nachweis. Oder man findet ferne Planeten mit Sauerstoff in deren Atmosphären. Das wäre dann vermutlich ein indirekter Nachweis von Leben. Kurz und gut, ich bin hierfür einigermaßen optimistisch.“

In dasselbe Horn stößt im Übrigen Prof. Kool und erinnert darüber hinaus an den Jupitermond Europa und den Saturnmond Enceladus, unter deren Oberflächen Ozeane von flüssigem Wasser vermutet werden. Wie das Leben dort aussehen könnte, lässt sich nicht sagen. Synthetisch ist es ganz sicher nicht.

Professor Benner, halten Sie es für wahrscheinlich, dass sich Leben auf dem Saturnmond Titan entwickeln konnte?
Steven A. Benner: Es ist möglich. Ob es wahrscheinlich ist – das weiß ich nicht. Viele angesehene Wissenschaftler, einschließlich des Physikers Freeman Dyson, des Mathematikers Stuart Kauffman und des Zellbiologen und Nobelpreisträgers Christian de Duve neigen zur Annahme, dass Leben eine natürliche und unausweichliche Konsequenz organisch-chemischer Reaktivität in komplexen Gemischen darstellt. Zweifellos herrschen solche Bedingungen auf Titan. Folgt man also dieser Annahme – dann ist das Leben auf Titan unvermeidbar.
Chemiker, wie ich selbst, Robert Sharpiro und Graham Cairns-Smith zeigen sich diesbezüglich aber schon vorsichtiger: Wir weisen darauf hin, dass diese organisch-chemische Reaktivität nicht zwangsläufig zu Leben führt, sondern lediglich mit hoher Wahrscheinlichkeit teerartige Strukturen hervorbringt.
Die Rolle von Wasser als Lösungsmittel für Leben ist nicht klar. Titan könnte flüssiges Wasser unter der Oberfläche besitzen, welches durch Ammoniak vor dem Gefrieren geschützt ist. Die bei weitem am öftesten vorkommende Flüssigkeit auf Titan ist aber Methan, nicht Wasser – und man weiß bis heute nicht, ob Methan und die Entstehung von Leben kompatibel sind.
Gab es im Hinblick auf die Frage nach der Entstehung des Lebens irgendwelche bedeutende Entdeckungen in jüngster Zeit?
Steven A. Benner: Ja, die gab es. Am wichtigsten erscheint mir das wachsende Verständnis der Rolle von Mineralien bei der Bildung von organischen Molekülen. Der spezifische Aufbau von Mineralien kann hierbei auf die Geschwindigkeit und den Ablauf der organisch-chemischen Reaktivität Einfluss nehmen.
Welche anderen Himmelskörper in unserem Sonnensystem, abgesehen von der Erde und Titan, eignen sich für die Entstehung von Leben?
Steven A. Benner: Wenn man die Entstehung von Leben auf flüssiges Wasser beschränkt, so kommt hier der Mars (Gebiete unter Oberfläche) in Frage. Auch der Jupiter-Mond Europa könnte unter seinem Eispanzer Leben beherbergen.
Wie stehen Sie zur Panspermie-Hypothese?
Steven A. Benner: Aus meiner Sicht hilft diese Hypothese nicht, das zentrale Problem im Hinblick auf die Entstehung des Lebens zu lösen. Die Frage nach dem Unterschied zwischen organischen Molekülen, die sich bloß zu teerartigen Schlamm vereinigen und solchen, die sich nach evolutionären Gesetzmäßigkeiten reproduzieren, ist zentral.
Die Panspermie-Hypothese erhöht ganz einfach die Zahl der Plätze, wo potentiell Leben entstehen könnte, ohne nach dem eigentlichen Problem zu fragen. Gleichzeitig verlangt sie dem anderswo entstandenen Leben eine Reise durch den großen, unwirtlichen (Kosmische Strahlung) Weltraum ab.
Wann wird es der Wissenschaft – beziehungsweise Ihrem Forschungsteam – möglich sein, künstliches Leben zu erschaffen?
Steven A. Benner: Das ist eine Frage der Definition. Wenn man unter künstlichem Leben ein künstliches chemisches System versteht, welches den Regeln der Evolutionstheorie gehorcht, dann haben wir bereits künstliches Leben erschaffen. Wir haben ein DNA-System aus 6-Nukleotiden (nicht nur 4, wie in natürlicher DNA) gebaut, welches den Gesetzen der Evolutionstheorie unterworfen ist. Definiert man jedoch künstliches Leben zudem über die Fähigkeit zur Selbsterhaltung – dann ist dieser Schritt, die Erschaffung von künstlichem Leben, noch nicht gelungen. Unser künstliches DNA-System stirbt, wenn wir uns nicht fortwährend um selbiges kümmern. Auch dann, wenn man unter künstlichem Leben etwas versteht, das nicht auf natürlicher Biologie beruht, haben wir noch kein künstliches Leben hergestellt. Wir verwenden bei unseren Arbeiten natürlich vorkommende DNA-Polymerasen.
Wenn wir unser System von all dem befreien würden, was sich durch evolutionäre Prozesse in den letzten 4 Milliarden Jahren gebildet hat und die Selbsterhaltung des Systems sicherstellen könnten, wobei nicht sicher ist, ob wir das eigentlich wollen, dann wird es noch immer Frage im Raum stehen, ob es der Definition „Künstliches Leben“ gerecht wird. Die einen werden sagen: "Zunächst musst du es in eine Zelle implantieren." Andere werden sagen: "Eine Lebensform hat sich an natürlich gegebene Herausforderungen der Umwelt anzupassen und nicht an die Herausforderungen, die im Labor künstlich erzeugt werden." Und so weiter und so fort…
Glauben Sie, dass die Wissenschaft innerhalb der nächsten 50 Jahre die Existenz von Leben außerhalb der Erde nachweisen wird können?
Steven A. Benner: Ich hoffe. Wir haben gute Chancen innerhalb der nächsten 20 Jahre Leben unter der Marsoberfläche zu finden. Zum Teil ist meine Zuversicht auch dadurch bedingt, dass es bereits Ozeane aus flüssigem Wasser auf dem Mars gegeben hat, als es auf der Erde zur Entstehung von Leben gekommen ist. Außerdem haben sich sowohl die NASA als auch die ESA dazu verpflichtet, die Suche nach Leben unter der Marsoberfläche in den nächsten Jahren zu forcieren.
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