Viren: Ursprung des Lebens?

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Was ist ein Virus? Interview mit Astrobiologe Aleksandar Janjic über die Grenzen des Wissbaren

Ist in der Krise noch ein sachlicher Blick auf das Thema Virus möglich? Das Virus als Krankheitsträger suggeriert für manche Autoren und User eine Verbindung mit konspirativer Politik, Geheimdienstmachenschaften und tabuloser Forschung. Dass aber Viren von Beginn der Evolution an als wichtige Informationsträger unseren Planeten mitgestaltet haben und dies weiterhin tun, wird leicht übersehen.

Der Astrobiologe Aleksandar Janjic von der TU München erklärt im Interview die faszinierende Welt der Viren und überlegt: "Es gibt Forschung, die die Hypothese aufstellt, dass Viren älter als Zellen wären und somit nicht nur als Krankheitserreger und Plagen, sondern vielleicht sogar als Beginn des Lebens selbst zu sehen." Diese Thesen lassen sich nicht auf der Erde nachprüfen, weil fossile Viren aus der Zeit vor 4 Milliarden Jahren fehlen. Die Suche nach Viren auf anderen Planeten könnte jedoch Antworten liefern. Auch wenn es angesichts der aktuellen Todeszahlen in Bezug auf Corona makaber klingt, Viren könnten uns entscheidende Hinweise auf die Entstehung, den Ursprung und die Geschichte des Lebens geben. Janjic geht auf das Thema auch in zwei Büchern ein, die bei Springer Nature erschienen sind: "Lebensraum Universum: Einführung in die Astrobiologie" (2017) und"„Astrobiologie – die Suche nach außerirdischem Leben" (2019).

Wie kann man ein Virus definieren?
Aleksandar Janjic: Bei einem Virus handelt es sich um genetische Information in Form eines Virions, das sich in einem Wirt befindet und sich dort vermehrt. Viele Laien vergessen diesen Unterschied: Wenn ein Viruspartikel in der freien Luft oder sonst wo umherschwebt, spricht man von einem Virion und nicht von einem Virus. Dieses Virion besteht (meistens) aus RNA und einer Hülle. Erst wenn dieses Virion in eine biologische Zelle eindringt und dort im genetischen Apparat des Wirts Arbeit verrichtet, spricht man von einem Virus. Ein Virus ist also zuvor "freie" genetische Information (meist RNA), die sich innerhalb eines Wirts eingenistet hat und sich dort vervielfältigt, um die Information dann wieder in die Umwelt freizusetzen.
Was besagt die Virus-First-Hypothese, die Sie letztes Jahr bei der NASA vorgeschlagen haben?
Aleksandar Janjic: Heute wissen wir nicht genau, wie das Leben auf der Erde entstanden ist - ebenso wissen wir nicht, wann und wie Viren auf der Erde entstanden sind. Hierzu gibt es hauptsächlich drei konkurrierende Hypothesen in der evolutionären Virologie. Bei manchen geht man davon aus, dass Viren erst nach den Zellen entstanden sind - quasi als übrig gebliebener RNA - und DNA-Müll von Zellen (Virus escape hypothesis) oder sogar stark reduzierte Bakterien selbst (Virus regression hypothesis). Tatsächlich kennt man heute ein paar seltene Fälle, in denen sich ein Bakterium so stark in seinem Genom reduziert hat, dass es sich eigentlich wie ein Virus verhält. Die Virus-First-Hypothse geht jedoch einen anderen Weg: Hier wird davon ausgegangen, dass vor der DNA erst einmal die RNA auf der Erde entstanden ist.
Heute können wir RNA im Labor ziemlich simpel spontan entstehen lassen und auch auf der Urerde war dies möglich. Die meisten Viren arbeiten interessanterweise mit RNA, die einfacher aufgebaut ist als die uns vertraute DNA. Die Idee ist also: Bei der Entstehung des Lebens sind zuerst nicht Zellen, sondern zunächst sogenannte Viroide und irgendwann Virionen aus RNA entstanden, die einfach als chemische Schnipsel in die Umwelt freigegeben wurden und als chemische Informationsträger umherschwirrten. Wir sagen, dass sich chemische Information von RNA im Umwelt-Kontext ausgebreitet hat. Somit wären Viren älter als Zellen und somit nicht nur als Krankheitserreger und Plagen, sondern vielleicht sogar als Beginn des Lebens selbst zu sehen.
Das Problem ist: Auf der Erde ist es kaum möglich, die Hypothesen gegeneinander zu testen, weil wir keine fossilisierten Viren aus der Zeit vor 4 Milliarden Jahren haben. Deshalb ist es hier besonders interessant zu sehen, was wir im Boden vom Mars finden könnten, da hier sehr altes Gestein überdauert hat, was auf der Erde nur sehr selten zu finden ist.
In der Raumfahrt ist die Kontamination immer ein Problem. Wäre es also klüger, keine Astronauten auf den Mars zu schicken?
Aleksandar Janjic: Kontamination ist sogar bei unbemannten Missionen ein wichtiges Problem, weshalb es eigens dafür sogenannte "Planetary Protection"-Abteilungen gibt, die sich damit beschäftigen, Raumsonden so steril wie möglich zu halten. Bei bemannten Missionen würden selbstverständlich auch allerlei Mikronauten an Bord sein, das kann man nicht verhindern.
Nun kann man zwei Positionen einnehmen: Entweder sagt man, dass man eher davon Abstand halten sollte, weil sonst die Gefahr besteht, ein potentielles Ökosystem zu verändern, das wir gar nicht kennen - genauso, wie wenn wir entlegene Regenwald-Systeme zum ersten Mal betreten. Besonders dämlich wäre hier natürlich, dass wir verkünden, wir hätten außerirdisches Leben gefunden - und am Ende ist es einfach nur eine Verschmutzung, die man von der Erde selbst mitgenommen hat.
Andererseits kann man aber auch davon ausgehen, dass Mikroben möglicherweise schon völlig natürlich unter Planeten ausgetauscht wurden, was als Transspermie oder Panspermie bezeichnet wird. Tatsächlich gibt es Hinweise darauf, dass es einige extreme Mikroorganismen gibt, die beispielsweise einen Asteroideneinschlag überstehen könnten und dann irgendwann als toter DNA-Junk oder vielleicht sogar als noch lebendige Entitäten auf anderen Himmelskörpern ankommen (im Inneren des Gesteins). Hier würde man also sagen, dass Planeten ohnehin keine isolierten biologische Systeme sind und eine "Verschmutzung" schon immer stattgefunden hat. Ich tue mich hiermit schwer - vermutlich wird der Nachhaltigkeitsgedanke in der Astrobiologie auf lange Sicht keine große Rolle spielen.
In der Astrobiologie gibt es die Hypothese, dass die Erde von anderen Planeten auch "Lebenselemente" erhalten haben könnte, durch Meteoriteneinschlag zum Beispiel. Wie solide sind die Argumente und Beweise?
Aleksandar Janjic: Das wird eigens als "Pseudopanspermie" bezeichnet und ist heute als plausibles Szenario anerkannt. Es ist natürlich davon auszugehen, dass die Erde als planetarer Körper selbst viele wichtige Elemente bereitstellte, aber besonders in der Frühphase unseres Sonnensystems war es ziemlich turbulent und es ging drunter und drüber.
Heute sind wir uns ziemlich sicher, dass viele Elemente, die das Leben heute benutzt und verbraucht, nicht nur irdischen Ursprungs sind, sondern - wie zum Beispiel Wasser-Reserven - von außen über Einschläge kamen. Übrigens: Es gibt ein paar Studien, bei denen man Mikroorganismen mit außerirdischem Gestein füttert. Und siehe da: Sie lieben es und verkosten es genauso gerne wie irdisches "Futter".
Was könnten uns Viren auf der Oberfläche des Mars erzählen?
Aleksandar Janjic: Auf der Oberfläche des Mars werden wir mit hoher Sicherheit keine Virionen finden können. Das fehlende Magnetfeld führt dazu, dass auf der Oberfläche zu viel Strahlung ankommt - biologische Strukturen würden hier also schnell degradieren, weil es auf der blanken Oberfläche keinen Schutz gibt. Deshalb zielen wir eher auf den Untergrund oder auf Mikro-Nischen.
Es gibt hier drei Szenarios: (1) Wir finden gar nichts und wir sind genauso schlau wie zuvor. (2) Wir finden Überreste von Zellen und Virionen. Dann haben wir außerirdisches Leben nachgewiesen, können aber immer noch nicht sicher sein, ob Viren wirklich vor Zellen in der Evolution entstehen. (3) Das dritte Szenario ist das interessanteste aus meiner persönlichen Sicht: Stellen Sie sich vor, dass wir sehr viele Überreste von Virionen finden, aber keine einzige Zelle. Das könnte darauf hindeuten, dass in der Evolution erst RNA-Systeme bis hin zu Virionen entstehen und erst viel später biologische Zellen. Da der Mars relativ kurz lebensfreundlich war, könnte die Evolution der chemischen Komplexität hier nach 500 Millionen Jahren zum Erliegen gekommen sein - also genau dann, als es auf der Erde vor 4 Milliarden Jahren erst so richtig mit dem Leben angefangen hat und - laut Virus-first-Hypothese - bereits erste Virionen-Vorläufer aus RNA gab (zum Beispiel sogenannte Viroide).
Könnten Corona oder auch andere Krankheiten außerirdischen Ursprungs sein?
Aleksandar Janjic: Hält man die Panspermie-Hypothese für akzeptabel, könnte man darüber nachdenken, ob biologische Entitäten natürlicherweise ab und zu auf die Erde kommen. Dafür gibt es heute - soweit ich weiß - keine Hinweise, auch nicht mit der extra hierfür durchgeführten Tanpopo-Mission der Japaner. Grundsätzlich ist es eine spannende Frage, ob wir im Erdorbit etwas finden könnten (z.B. biochemische Verbindungen), die wir von der Erde nicht kennen. Von willkürlichen Behauptungen und dogmatischen Aussagen würde ich aber abraten - ich sehe keine Hinweise dafür.
Es kursieren Informationen im Netz, dass Corona in einem Labor gezüchtet wurde. Wie realistisch ist solch ein Szenario und sitzt man dabei vielleicht einer Verschwörungstheorie auf?
Aleksandar Janjic: Jede Frage darf in den Naturwissenschaften gestellt werden. Jede Hypothese ist erlaubt und sollte bei Interesse getestet werden. Jedoch bedarf es bei außergewöhnlichen Aussagen auch außergewöhnliche Indizien, was hier meiner Meinung nach nicht gegeben ist.
Einige Zeitungen berichteten über ein Forschungslabor, deren Leiterin viel mit Fledermauskot und den darin enthaltenen Coronaviren arbeitete. Es werden verschiedene Szenarien erwähnt, wie das Covid-19-Virus in die Stadt Wuhan gelangt sein könnte. Yanzhong Huang, Senior Fellow für Globale Gesundheit beim Council on Foreign Relations, schrieb vor kurzem in Foreign Affairs gegen die kursierenden Verschwörungstheorien, erwähnte aber auch Indizien, die für eine Freisetzung aus dem Labor sprechen. Wie sicher sind Viren-Labore und gibt es Informationen über die Arbeit an deutschen Viren-Laboren?
Aleksandar Janjic: Viren-Labore, die mir bekannt sind, sind äußerst sicher. Teilweise arbeitet man extra auf Inseln, auch im Norden Deutschlands. Wie das Labor in China aufgebaut ist, weiß ich nicht. Ich kenne die Leute und das Labor nicht und kann dazu sodann auch nichts sagen. Solange es plausible Szenarien gibt, die das Virus natürlicherweise erklären, wäre ich mit willkürlichen Anschuldigungen sehr vorsichtig. Ich halte es aber grundsätzlich für richtig, andere plausible Möglichkeiten zumindest zu überprüfen.
Medial ist ein (biologisches) Virus immer eine Sensation. Wie häufig trifft der Leser auf spektakuläre Schlagzeilen wie "Killerviren" oder ähnliches. Wie sieht aber der naturwissenschaftliche Kenntnisstand aus?
Aleksandar Janjic: Viren und Virionen sind ein faszinierendes Mysterium, obwohl sie allgegenwärtig sind. Sie sind die häufigsten biochemischen Entitäten auf unserer Erde - ein außerirdischer Besucher würde vermutlich denken, dass unsere Erde in erster Linie eine Viren-Welt ist, weil selbst in winzigen Wasserproben tausendfach mehr Viren als irgendwelche Mikroben vorhanden sind. Man spricht hier auch von der "Virosphäre" - und die ist auf der Erde extrem viel größer als die eigentliche Biosphäre.
Für uns gibt es hier noch viel zu tun. Wann und wie sind Virionen auf der Erde entstanden? Gibt es mehrere Szenarien, oder nur eines? Entstehen heute auch neuartige Viren, wenn sich Bakterien genetisch reduzieren oder genetisches Material verlieren? Gibt es Viren, die unsere Gesundheit fördern und zum Ziel haben, dass ein Wirt so lange wie möglich überlebt?
Die spannendste Frage für mich ist jedoch: Wie verhält sich Information in einem Virus? Wie baut sie sich auf und wie nimmt Information Raum und Zeit in dieser Welt in Anspruch, um sich zu vervielfältigen? Sie merken es schon - bei der Frage nach der Entstehung des Lebens und nach dem Wesen von Viren geht es am Ende vielleicht gar nicht mehr um die Biologie oder Chemie, sondern vielmehr um theoretische Physik und Informationswissenschaft.
Könnten Sie die Rolle der Physik und Informationswissenschaft noch etwas erklären? Welche Methoden und Ausgangsfragen tauchen hier auf?
Aleksandar Janjic: Bei der Frage nach der Entstehung des Lebens steht natürlich erstmal grundsätzlich die Frage, was Leben überhaupt sein soll. In den vergangenen Jahrzehnten wurde das Wesen des Lebens oft über äußere Eigenschaften definiert, was aus heutiger Sicht nicht zielführend ist, auch wenn es in Schul-Lehrbüchern noch immer so steht. Merkmale wie Replikation, Stoffwechsel, Evolution, Wachstum usw. sind oft widersprüchlich, weil es ab und zu lebende Systeme gibt, die diese Merkmale nicht zeigen (z.B. Nervenzellen, die sich nicht replizieren oder Lebewesen, die ihren Stoffwechsel zeitweise komplett auf 0 setzen) - und noch viel schwieriger: Es gibt Phänomene, die uns nicht-lebendig erscheinen, obwohl sie sich replizieren, oder einen Stoffwechsel aufweisen und evolvieren (von Viren, die in der klassischen Biologie nicht als lebendig angesehen werden, über selbstordnende Computersysteme bis hin zu Städten). Bei der NASA spricht man hier auch eigens vom "Problem of Counter Example".
Es ist also dasselbe Problem wie bei dem Wasser vor 500 Jahren: Wenn Menschen vor 500 Jahren das Wesen des Wassers beschreiben wollten, mussten sie sich auf die äußeren Eigenschaften beschränken - also z.B., dass es nass ist und fließt. Das war damals das Wasser. Erst heute haben wir natürlich ein "inneres" Verständnis über Wasser, und zwar durch die Beschreibung von chemischen Molekülen in Form von H2O. Es ist davon auszugehen, dass uns bei der Beschreibung des Lebens ebenfalls eine "innere" Beschreibung mehr erzählen wird, als die bloße Auflistung von äußeren Eigenschaften. Hier kommt die theoretische Physik und Informationswissenschaft ins Spiel. Hierbei geht es um Entropie und die Selbstordnung von Information in chemischen Systemen.
Einfach gesagt ist die Annahme von mir und Kollegen, dass sich Information in einem Umwelt-Kontext aufbauen kann, wenn genügend Material- und Energieaustausch stattfindet und Systeme sich somit fern des thermodynamischen Gleichgewichts befinden. Was wir versuchen, ist, einen Punkt oder Schwellenwert herauszufinden, ab dem selbstordnende Information so komplex wird, dass eine Selbstorganisation eintritt. Hier geht es wiederum um Begriffe wie Emergenz von Information, also dem Aufstieg neuer Strukturen und Funktionen, die aus dem vorherigen System nicht abzuleiten wäre.
In der deutschen Sprache wechselt der Artikel, wenn es sich um einen PC-Virus (der) oder ein biologisches Virus (das) handelt. Gibt es sonst Verbindungen zwischen diesen Arten von Viren?
Aleksandar Janjic: In beiden Fällen breitet sich Information in einem Umwelt-Kontext aus, wobei im zweiten Fall die Umwelt digital ist. Beide Welten sind faszinierend und sie hängen aus Sicht der Informationswissenschaft inhaltlich zusammen. Computerviren können sich mittlerweile teilweise selbstständig ordnen und vervielfältigen. Generell ist bei Computerwissenschaften immer eine Schnittstelle zur Astrobiologie zu finden: Was ist Leben aus physikalischer Sicht? Wie wird Information kodiert und gibt es hier mehrere Möglichkeiten für Leben (statt DNA und RNA binäre Lebensformen?). Wie entsteht Leben aus physikalischer Sicht aus Informationsmaximierung durch Entropieverlust? Ist auch maschinelles Leben ab einer gewissen Komplexitätsstufe und Selbstorganisation von Information möglich? Wir leben in spannenden Zeiten. (Dominik Irtenkauf)