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Der Anfang des Lebens

Nach der Entstehung der Erde bildeten sich im Ur-Ozean aus einzelnen Molekülen nach und nach komplexe genetische Informationen. Physiker haben nun gezeigt, wie ein einfacher Temperaturgradient diesen Prozess in Gang gesetzt haben könnte.

Alles Leben fängt einmal klein an. So war es schon zu Beginn unseres Planeten, als sich aus einzelnen Atomen und kleinen Molekülen langsam komplexe Strukturen entwickeln konnten. Die wichtigste Verbindung war damals vermutlich die Ribonukleinsäure (RNA). Dieses lange Polymer kann ähnlich einem Enzym erste biochemische Reaktionen und seine eigene Synthese katalysieren. Zugleich ist es in der Lage, wie die erst später entstandene DNA genetische Informationen zu speichern.

Noch ist aber unklar, wie die allerersten RNA-Polymere entstanden sind. Die erste RNA-Struktur, welche RNA vervielfältigen kann wird auf eine Länge von mindestens 200 RNA-Bausteinen (Nukleotide) geschätzt, die sich ohne Katalysatoren zusammengesetzt haben müssen. Bisher konnten Wissenschaftler im Reagenzglas unter urzeitlichen Bedingungen aber nur Ketten von etwa 20 Nukleotiden bilden.

Gesteinspore als Mini-Labor

LMU-Physiker um Professor Dieter Braun und Professor Ulrich Gerland, die beide dem Exzellenzcluster „Nanosystems InitativeMunich” (NIM) angehören, haben nun gezeigt, wie die Physik das Problem der zu kurzen Polymere gelöst haben könnte – und sind damit dem Geheimnis über den Ursprung des Lebens ein gutes Stück näher gekommen.

Die Forscher entwickelten zunächst ein theoretisches Modell. Hiermit konnten sie zeigen, dass ein einfaches Temperaturgefälle ausreicht, um die nötigen Bausteine aufzukonzentrieren und selektiv die Bildung von langen Polymeren zu ermöglichen. Dabei gingen sie von einem realistischen Urzeit-Szenario aus: Eine mit Meerwasser gefüllte Gesteinspore liegt in der Nähe einer Wärmequelle, wie zum Beispiel einer heißen Tiefseequelle. Auf diese Weise ist die zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer als die andere. Das so entstandene Temperaturgefälle erzeugt eine kreisförmige Bewegung der Flüssigkeit zwischen der heißen und der kalten Seite. Zusätzlich drückt es die darin enthaltenen Biomoleküle zur kalten Seite durch einen Effekt, der Thermophorese genannt wird.

„Die Bewegung der Flüssigkeit und die Thermophoresekombinieren sich zu einer thermalen Falle, dielange Polymere besser akkumuliert als kurzeund somit ein chemisches Ungleichgewicht bewirkt“, erklärt Christof Mast, Erstautor der Studie. „Da die Polymerisierung der Ketten allerdings auch von ihrer lokalen Konzentration abhängt, erhöht die Falle die Wahrscheinlichkeit, dass diese langen Polymere immer länger werden. Beide Effekte verstärken sich überexponenziell.“

Dem Urozean abgeschaut

Dieses Modell konnten die Münchner Physiker auch durch Experimente belegen: Dabei stellten sie die Pore in Form einer feinen Glaskapillare nach und sorgten für einen Temperaturgradienten von zehn Kelvin. Dem Meerwasser entsprach eine einfache Salzlösung. Statt RNA-Nukleotiden setzten siekurze DNA-Abschnitte als Bausteine ein, die reversibel miteinander polymerisieren können. DNA anstelle von RNA wurde verwendet, weil entsprechend der langen Evolutionsdauer im Urozean die Bildung von ausreichend langen RNA-Polymeren selbst unter optimalen Laborbedingungen hunderte Jahre dauern würde. Da sich die Polymerisation von RNA und der Versuchs-DNA jedoch prinzipiell nicht voneinander unterscheiden, bestätigte dieser Versuchsansatz das theoretische Modell im gleichen Maße.

„Die Physik hinter einem einfachen Temperaturgradient in einer Pore reicht also aus, auch die Polymerisation von sehr langen RNA Polymeren zu ermöglichen“, fasst Professor Dieter Braun die Ergebnisse zusammen. „Durch diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Zwischenschritt für den Ursprung des Lebens erstmalig demonstriert.“ (Quelle: idw)

Publikation:
Escalation of Polymerization in a Thermal Gradient.Christof B. Mast, SeverinSchink, Ulrich Gerland and Dieter Braun. PNAS online 30. April 2013

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Wie aus nichts alles entsteht: Die Entstehung des Lebens.


Wie entstanden vor rund 3,8 Milliarden Jahren aus einem Dutzend chemischer Elemente die ersten lebenden Zellen? Hatte dabei ein geheimnisvoller „intelligenter Designer“ seine Hand im Spiel? Zellbiologen, Physiker, Mathematiker, Philosophen und Theologen der Universität Bonn haben nun ein neues Buch zu dieser Frage vorgelegt. Darin erteilen sie dem „Intelligent Design“ als Konkurrenz zur Evolutionstheorie eine klare Absage. Sie zeigen aber auch, dass unser Bild von den Anfängen des Lebens noch sehr unvollständig ist.

Regina-Pacis-Weg 3: Wie lange müsste wohl ein Kleinkind auf der Computertastatur herumhämmern, um zufällig die Adresse des Hauptgebäudes der Uni Bonn zu Papier zu bringen? Man kann leicht ausrechnen, dass dazu selbst Milliarden von Jahren nicht einmal in Ansätzen reichen würden.

Noch unwahrscheinlicher ist es, dass in den 4,6 Milliarden Jahren seit der Entstehung der Erde auch nur eine einzige Aminosäure per Zufall entstehen konnte – geschweige denn ein so komplexes Molekül wie das Hämoglobin, eine Zelle oder gar ein ganzer Organismus. Auf diesem Argument fußt das Gedankengebäude des „Intelligent Design“, das gerade in den USA momentan enorm populär ist: Das Leben sei zu komplex, als dass es ohne lenkenden Eingriff einer intelligenten Macht hätte entstehen können.

Doch dieses Argument ist wenig stichhaltig, wie die Autoren des Buches „Lebensentstehung und künstliches Leben“ zeigen. Denn chemische Reaktionen gehorchen Regeln. „In atomaren und molekularen Strukturen stecken Informationen, die das rein Zufällige der Entstehung einschränken“, erklärt der Herausgeber Professor Dr. Volker Herzog. Es ist, als würde das Kind nicht auf der Tastatur eines Computers, sondern auf dem Bedienfeld eines Navigationsgerätes herumklimpern: Dort sind nur Eingaben erlaubt, die zu existierenden Adressen führen können. Auch wer gar nicht schreiben kann, kann mit so einem Gerät also nur korrekte Straßennamen produzieren. Dass dabei zufällig der Regina-Pacis-Weg entsteht, ist dann plötzlich gar nicht mehr so unwahrscheinlich.

Die Komplexität des Lebendigen spricht also nicht unbedingt dafür, dass dabei ein Schöpfer seine Hand im Spiel hatte. Doch wie ist das Leben dann entstanden? Und was ist Leben überhaupt? Dieser Frage versuchen sich fünf Wissenschaftler der Universitäten Bonn und Groningen sowie des Forschungszentrums Jülich aus völlig verschiedenen Perspektiven zu nähern: Professor Dr. Volker Herzog (Zellbiologie), Professor Dr. Wolfgang Alt (theoretische Biologe), Professor Dr. Gunter Schütz (Physik), Dr. Stephan Schleim (Philosophie) und Professor Dr. Ulrich Eibach (Theologie).

Bereits 1953 hat der amerikanische Chemiker Stanley Miller versucht, der Frage nach der Entstehung des Lebens experimentell auf den Grund zu gehen. Mit einer einfachen Apparatur stellte er die Bedingungen nach, die vor dreieinhalb Milliarden Jahre auf der Erde geherrscht haben könnten. Dabei gelang es ihm, aus einer Handvoll anorganischer Zutaten unter anderem einige Aminosäuren herzustellen – die Bausteine der Proteine. Seine Entdeckung war eine wissenschaftliche Sensation. Der gerade mal 23-jährige Miller legte damit den Grundstein zu einer völlig neuen Wissenschaftsdisziplin, der synthetischen Biologie. Die Autoren zeichnen die enormen Fortschritte nach, die diese Fachrichtung seitdem gemacht hat. Selbst die Herstellung künstlichen Lebens erscheint heute in nicht allzu ferner Reichweite. Andererseits gebe es aber noch viele ungeklärte und möglicherweise unklärbare Geheimnisse des Lebendigen. (Quelle: idw).

Bücher:

Lebensentstehung und künstliches Leben

Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie