Aus Steinen kleine Käfer?

Von Erwin Lausch

Man nehme ein altes Hemd und eine Handvoll Weizenkörner und warte 21 Tage. Nach dieser Frist sind, so behauptete Anfang des 17. Jahrhunderts Jan Baptista van Helmont, einer der bedeutendsten Chemiker seiner Zeit, aus Stoff und Körnern lebendige Mäuse entstanden. Die Zuverlässigkeit dieses Rezepts glaubte der Forscher durch Experimente bewiesen zu haben.

Die Vorstellung, daß sich aus toter Materie Lebendiges entwickeln könne, war den Gelehrten jahrtausendelang selbstverständlich. Aristoteles war überzeugt davon, daß Aale aus Schlamm und Wasser von selbst entstehen könnten. Zweitausend Jahre danach war der Glaube an eine ständig wirkende Urzeugung noch nicht erschüttert.

"Das ganze All", so schrieb 1605 der Astronom Johannes Kepler, "ist von gestaltendem Geist beseelt, der weiß, was aus jeglicher überschüssiger Materie zu machen ist; so verwandelt er den Schweiß der Menschen und Hunde in Läuse und Flöhe, den Tau in Heuschrecken, den Morast in Frösche, die Erde in Pflanzen, das Aas in Würmer, den Kot in Käfer."

Wenige Jahrzehnte später gelang Francesco Redi in Florenz, dem Leibarzt der Großherzöge von Toskana, der Nachweis, daß Fliegen nicht aus faulendem Fleisch entstehen, sondern aus Eiern, die eine Fliege in das Fleisch gelegt hat. Doch trotz immer neuer Belege setzte sich die Erkenntnis, daß Lebendiges nur aus Lebendigem entsteht, nur langsam durch. Schließlich blieben nur noch die Bakterien übrig, die "von allein" entstehen sollten. Im vorigen Jahrhundert endlich, Anfang der sechziger Jahre, ließen Versuche des Franzosen Louis Pasteur keinen Zweifel mehr daran, daß es eine Urzeugung nicht gab. Der Gedanke, Lebewesen könnten sich jederzeit aus toter Materie bilden, war begraben.

Doch genau zu diesem Zeitpunkt tauchte die Vorstellung unter einem anderen Gesichtspunkt wieder auf: Zwar war geklärt, daß eine Urzeugung heute nicht mehr stattfindet. Aber wie war das früher, in den Urzeiten der Erde?

1859 veröffentlichte der Engländer Charles Darwin sein epochales Werk "Über die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl". Der Gedanke der Evolution, die Lehre, daß sich alle Lebewesen einschließlich des Menschen im Laufe der Erdgeschichte allmählich aus niederen Organismen entwickelt haben, brach sich Bahn.

Aus Steinen kleine Käfer?

Diese Anschauung, die von keinem Wissenschaftler mehr bestritten wird, brachte die Urzeugung zu neuen Ehren. Verfolgen wir nämlich in Gedanken den Entwicklungsweg der Lebewesen immer weiter in die Vergangenheit zurück, so gelangen wir schließlich zu den allerersten, primitivsten Organismen, die gerade schon als Lebewesen bezeichnet werden können. Und gehen wir noch einen Schritt weiter zurück, kommen wir in jenes Stadium der Evolution, in dem aus toter Materie lebende Substanz entstanden sein muß.

Kein Zeugnis kündet von dieser bedeutsamen Entwicklungsstufe in der Geschichte unserer Erde. Und doch haben Wissenschaftler im letzten Jahrzehnt eine erstaunliche Anzahl von Prozessen, die der Entstehung des Lebens vorausgegangen sein müssen, aufklären und sogar "unter Urweltbedingungen" nachvollziehen können.

Eine Fülle von Fragen stellte sich den Erforschern der Lebensanfänge, bevor sie die ersten Experimente einleiten konnten. Welche Zeiträume standen für die Prozesse zur Verfügung, die zur Entstehung des Lebens führten und die heute als "chemische Evolution" bezeichnet werden? Wie sah es damals auf der Erde aus? Unter welchen Bedingungen also mußten Experimente angesetzt werden? Schließlich auch: Was ist eigentlich Leben? Welche Stufe muß ein System erreicht haben, will man es als "lebendig" ansprechen?

Einer der verdientesten Forscher auf diesem Gebiet, der amerikanische Nobelpreisträger Professor Dr. Melvin Calvin, Ordinarius für Chemie und Molekularbiologie an der Universität Berkeley in Kalifornien, forderte von einem System, das als lebend bezeichnet werden kann, zweierlei:

  • Es muß erstens in der Lage sein, Energie in geordneter Weise umzuformen und zu übertragen, es muß also einen Stoffwechsel besitzen.
  • Es muß zweitens über die Fähigkeit verfügen, sich an diese Leistungen zu erinnern, nachdem es sie einmal gelernt hat, und muß diese "Information" auf ein anderes, ihm selbst ähnliches System, das es selbst hervorbringt, übertragen können. Kurz: Ein lebendes System muß neben dem Stoffwechsel das Phänomen der Vererbung aufweisen.

Die ältesten sicheren Spuren vergangenen Lebens, die in den Gesteinen der Erde aufgespürt wurden, stammen aus der Zeit vor rund einer Milliarde Jahren. Damals schon war die Erde keineswegs mehr jung. Nach den heutigen Vorstellungen entstand sie vor 4,7 Milliarden Jahren, aber es ist nicht ausgeschlossen, daß sie noch älter ist. Für die chemische Evolution, die Entwicklung zum ersten echten Lebewesen, stand also mehr Zeit zur Verfügung, als für die Entwicklung vom primitivsten Einzeller zum Menschen erforderlich war.

Und wie sah es auf der Erde aus, als sich die Vorstufen des Lebens entwickelten? Auf Grund astronomischer Beobachtungen nehmen die Wissenschaftler an, daß sich damals die Atmosphäre unseres Planeten von der heutigen Lufthülle wesentlich unterschied. Sie enthielt keinen freien Sauerstoff – der wurde erst durch die Tätigkeit der Pflanzen freigesetzt – und bestand aus Wasserstoff, Methan, Ammoniak und Wasser. "Wir erkennen in diesen Substanzen das wesentliche Material wieder", erläuterte Calvin, "das noch heute die Energiequellen und den Rohstoff für den Aufbau lebender Organismen bildet."

Aus Steinen kleine Käfer?

Für die Synthese komplizierter Verbindungen aus einfachen war Energie erforderlich. Die gab es auf der Urerde in mannigfaltiger Form. Die ultraviolette Strahlung der Sonne mag Energie für die chemische Evolution geliefert haben, die kosmische Strahlung, radioaktive Mineralien an der Erdoberfläche, Blitzentladungen oder auch Wärme, die bei Vulkanausbrüchen frei wurde.

Die ersten Experimente zur Aufklärung der chemischen Evolution unter Urweltbedingungen machte 1950 Calvin in Berkeley. Calvin löste Kohlendioxyd, das ebenfalls früh in der Erdatmosphäre aufgetreten sein muß, in einer Mischung aus Wasser und Wasserstoff und setzte die Lösung der Strahlung eines Elektronenbeschleunigers aus. Es bildeten sich die schon ein wenig komplizierteren Moleküle Ameisensäure und Formaldehyd.

Mehr Aufsehen erregte ein Experiment, das drei Jahre später im chemischen Institut der Universität Chikago stattfand. Professor Stanley L. Miller ließ eine Woche lang ein Gasgemisch aus den Bestandteilen der Uratmosphäre, aus Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf in einer geschlossenen Apparatur unter elektrischen Entladungen kreisen. Als Miller nach Ablauf des Versuchs das Gemisch analysierte, stellte er fest, daß sich die drei Aminosäuren Glycin, Alanin und Asparagin gebildet hatten. Aminosäuren sind die Bausteine der Eiweißstoffe.

Dieses Ergebnis löste zahlreiche weitere Experimente unter Urweltbedingungen aus. Die Lebensforscher sind inzwischen große Schritte vorangekommen. Bei Anwesenheit von Metallkatalysatoren, die durchaus auch bei den chemischen Vorgängen in der Frühzeit der Erde eine Rolle gespielt haben können, bildeten sich sogenannte Porphyrine, dem roten Blutfarbstoff und dem grünen Blattfarbstoff verwandte Substanzen. Im vergangenen Jahr entstand bei derartigen Versuchen Adenin, ein Bestandteil der Erbsubstanz.

Mehr noch: In der Lösung bildeten sich auch verschiedene Zucker. Eine Zuckerart verband sich mit Adenin zu Adenosin, und damit war nun schon ein noch komplizierterer wichtiger Baustein der Erbsubstanz entstanden. Schließlich wiesen die Forscher in dem Reaktionsgemisch, nachdem sie Phosphorsäure zugegeben hatten, auch Adenosintriphosphorsäure nach, kurz ATP genannt, jene Substanz, die als Energiespeicher und Energiequelle im Stoffwechsel eine Schlüsselrolle spielt.

Anfang dieses Jahres berichteten zwei Wissenschaftler der Universität Florida, Professor Sidney W. Fox und Dr. Kaoru Harada, über zwei weitere Aufsehen erregende Experimente. Während bis dahin als Energiequelle elektrische Entladungen oder Strahlung aus einem Elektronenbeschleuniger gedient hatten, benutzten Fox und Harada lediglich Hitze.

Die Forscher ließen das Uratmosphärengas Methan durch Ammoniaklösung perlen. Dabei mischte sich Methan mit Ammoniak. Das Gasgemisch leiteten die Forscher durch ein auf rund 1000 Grad erhitztes Glasrohr, das sie bei den einzelnen Versuchen mit verschiedenartigem Material gefüllt hatten, so mit Quarzsand aus Florida oder mit vulkanischer Asche vom Stromboli. Dann wurde das Gasgemisch in kalter Ammoniaklösung aufgefangen und unter allen Vorsichtsmaßnahmen analysiert. Es enthielt 18 verschiedene Aminosäuren.

Aus Steinen kleine Käfer?

Bei einer zweiten Gruppe von Experimenten tropfte Fox eine Lösung verschiedener Aminosäuren auf Lavastücke, die er von einem Ausflug nach Hawaii mitgebracht hatte. Er erhitzte die Lava vier Stunden lang auf 170 Grad und spülte sie mit verdünnter Salzlösung ab, so die Wirkung der Meeresbrandung auf heiße Lava nachahmend. Der Forscher fand in der Salzlösung eine große Anzahl mikroskopisch kleiner, sehr beständiger Kügelchen, die sich durch Zusammenlagerung von Aminosäuren gebildet hatten.

"Das biochemische Wissen, das innerhalb weniger Jahre angesammelt worden ist", so schrieb kürzlich Dr. Cyril Ponnamperuma in Kalifornien, der selbst wertvolle Erkenntnisse über den Ursprung des Lebens beisteuerte, "hat uns einen tiefen Einblick in einige der geheimsten Prozesse der Natur gegeben, Mit diesem Verstehen dauert es vielleicht nicht mehr lange, bis unser Problem gelöst ist."

Zahlreiche Untersuchungen sprechen heute schon dafür, daß lebende Substanz sich nicht grundsätzlich von toter unterscheidet. Leben ist, so scheint es, nichts anderes als eine spezielle und komplizierte Eigenschaft der Materie, eine Eigenschaft, die zwangsläufig auftritt, wenn sich bestimmte Atome zu bestimmten, sehr verwickelten Strukturen zusammenschließen.

Allerdings: Eine große Lücke in unserem Wissen klafft noch gerade an jenem Punkt der Entwicklung, an dem die chemische Evolution in die biologische übergegangen sein muß. "Wir verfügen bisher", erklärte der Molekularbiologe Calvin, "kaum über Hinweise auf die physikalischen und chemischen Prinzipien, unter deren Einfluß sich Makro-Moleküle zu jenen geschlossenen, von Membranen abgegrenzten Einheiten organisiert haben, die wir ‚Zellen‘ nennen."