Lebensentstehung & Abiogenese

Anfang 1953 baute Stanley Miller, damals 23-jähriger Doktorand im Labor von Harold Urey in Chicago, einen heute ikonischen Versuch auf. In eine Glasapparatur füllte er Wasser — den Urozean — und darüber ein Gemisch aus Methan, Ammoniak und Wasserstoff, die damals vermutete reduzierende Atmosphäre. Er kochte das Wasser zu Dampf, schickte ihn durch das Gasgemisch und ließ elektrische Funken einschlagen, um Blitze nachzustellen. Nach einer Woche hatte sich das Wasser braun gefärbt, und die chemische Analyse fand Aminosäuren: Bausteine der Proteine, entstanden aus anorganischen Vorläufern. Die Arbeit erschien im Mai 1953 in Science, drei Wochen nach Watson und Crick, und wurde als ein vergleichbar grundlegendes Ergebnis behandelt. Dass sich die Moleküle des Lebens unter plausiblen Bedingungen der frühen Erde von selbst bilden ließen, verwandelte die Abiogenese aus einer metaphysischen Frage in ein empirisches Forschungsprogramm.

Das heutige Forschungsprogramm gliedert sich in verbundene Teilprobleme. Zuerst die präbiotische Synthese der Bausteine: Aminosäuren (Miller-Urey und Nachfolger), Nukleobasen (Adenin aus der Polymerisation von HCN, Joan Oró 1960), Zucker (die Formose-Reaktion). John Sutherland zeigte 2009 in Nature, dass sich ein aktiviertes Ribonukleotid auf einem einzigen durchgehenden Weg aus einfachen Vorläufern unter plausiblen Bedingungen der frühen Erde herstellen lässt — und dabei das alte Zuckerproblem umgeht. Dann die Polymerisation zu Biopolymeren: Peptide aus Aminosäuren, RNA aus aktivierten Nukleotiden, wobei Nass-Trocken-Zyklen und Montmorillonit-Tonoberflächen als Milieus dafür vorgeschlagen wurden. Und dahinter die zentrale Frage: Was war zuerst da, der Stoffwechsel oder die Replikation? Die Replikation-zuerst-Schule — Manfred Eigen, Jack Szostak, Gerald Joyce — sieht den Gründungsschritt in einem selbstreplizierenden Ribozym, der RNA-Welt, die Walter Gilbert 1986 in Nature auf den Begriff brachte, aufbauend auf Carl Woese, Francis Crick und Leslie Orgel. Szostaks Labor in Harvard hat Protozellen gebaut — Fettsäurevesikel mit eingeschlossener RNA —, die unter Laborbedingungen wachsen, sich teilen und darwinsche Selektion durchlaufen. Die Stoffwechsel-zuerst-Schule — Günter Wächtershäuser, Mike Russell, William Martin, Nick Lane — hält autokatalytische Stoffwechselnetze an alkalischen Hydrothermalquellen für älter als den genetischen Apparat. Solche Quellen erzeugen über dünne Mineralbarrieren hinweg natürliche Protonengradienten, analog zu den chemiosmotischen Gradienten, mit denen alles heutige Leben seine ATP-Synthese antreibt (brief 121). Jede Zelle auf der Erde nutzt die protonenmotorische Kraft, und das einzige naheliegende präbiotische Milieu, in dem solche Gradienten entstehen, ist die alkalische Hydrothermalquelle. Den letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens (LUCA) datieren molekulare Uhren auf etwa 3,5 bis 3,8 Milliarden Jahre; die phylogenomische Rekonstruktion verortet ihn in anaeroben Hydrothermalmilieus, mit Wood-Ljungdahl-Kohlenstofffixierung; rund 355 Genfamilien überstehen den strengsten Test auf Rückführbarkeit auf ihn, doch das ist eine Untergrenze des Rekonstruierbaren — neuere Rekonstruktionen setzen sein Genom eher bei 2.500 Genen an.