Die Selbstorganisation der Materie und die Evolution biologischer Makromoleküle" – so lautete das Thema zweier zweistündiger Vorlesungen, die Professor Manfred Eigen vom Max-Planck-Institut für Physikalische Chemie (Göttingen) in der vorigen Woche in München gehalten hat. Mehrere hundert Wissenschaftler aus allen Teilen der Bundesrepublik waren gekommen, um Eigens neues Evolutionsmodell kennenzulernen.

Das große Interesse an diesem Thema rührt daher, daß die Naturwissenschaftler auf diesem Gebiet in einer Sackgasse stecken und ungeduldig darauf warten, daß von irgendeiner Seite ein befreiender Durchbruch gelingt.

Eigen, Nobelpreisträger 1967, machte klar, daß man drei Evolutionsphasen voneinander trennen muß, die allerdings zeitlich nebeneinander abgelaufen sein können: 1. Diepräbiotische "chemische" Phase, in der sich die Elemente zu den Molekülen zusammenlagerten, die für die Entstehung des Lebens gebraucht wurden. 2. Die Phase der Selbstorganisation dieser Moleküle zu den einfachsten vermehrungsfähigen "Individuen" und 3. die Evolution der Arten, die nach Darwins Prinzip – das am besten Angepaßte überlebt – abläuft.

Mit der ersten Phase haben sich vorwiegend Chemiker befaßt. Mit der Simulation einer "Uratmosphäre" im Labor ließ sich zeigen, daß sich alle zum Aufbau der biologisch wichtigen Makromoleküle notwendigen Bausteine unter präbiotischen Bedingungen bilden und miteinander verknüpfen (polymerisieren) konnten. Biologen haben sich lange Zeit nur mit der dritten Phase beschäftigt, also der Differenzierung einfachster Lebewesen zu den heute auf der Erde lebenden vielfältigen Arten.

Eigens Interesse gilt vor allem der zweiten Phase, in welcher der Übergang von toter Materie – den einzelnen chemischen Molekülen – zu dem ersten lebenden System, etwa einem Einzeller, stattfindet. Seiner Theorie liegen vier plausible Annahmen zugrunde:

  • Die Evolution geht von Zufallsereignissen aus. Das heißt aber nicht, daß das erste lebende System durch zufällige Anordnung seiner Bausteine zustande gekommen ist. Schon vor einigen Jahren hatte Eugene Wigner errechnet: Nach den Gesetzen der Quantentechnik ist es unmöglich, daß Leben durch zufällige Ordnung seiner Bausteine entstanden sein kann. Er zog daraus den Schluß, daß die gegenwärtigen quantenmechanischen Gesetze und Konzepte modifiziert werden müssen, bevor sie auf das Problem des Lebens angewandt werden können. Eigen demonstrierte in seinen Vorträgen, daß nicht die Quantenmechanik geändert werden muß, sondern bei ihrer Anwendung nur die besonderen Voraussetzungen für einen evolutionären Selektionsprozeß zu berücksichtigen sind. Eine dieser Voraussetzungen ist, daß die Selbstorganisation nicht zufällig, sondern mit Hilfe bestimmter Instruktionen erfolgt. Eigen sagt:
  • Instruktion erfordert Information. Im täglichen Leben entsteht Information durch Übereinkunft. Die Menschen legen fest, was bestimmte Laute und Zeichen bedeuten sollen. Wie aber ist die Information, die in den Genen der Lebenswesen enthalten ist, entstanden? Eigen sagt:
  • Information entsteht durch Selektion. Dieses Prinzip liegt der Darwinschen Evolutionstheorie zugrunde. Darwin selbst hielt die Selektionsfähigkeit für eine typische Eigenschaft des Lebendigen. Eigen versucht nun, Selektion quantitativ zu erfassen und aus den bekannten Eigenschaften der Materie abzuleiten. Dabei stellt er allerdings fest:
  • Selektion erfolgt nur in bestimmten Systemen unter bestimmten einschränkenden Bedingungen. Was er damit meint, macht er mit einem Spiel klar: Das Ziel des Spiels ist es, eine Kette mit hundert Aminosäure-Molekülen aus den zwanzig verschiedenen Aminosäuren in vorher festgelegter Reihenfolge aufzubauen und dazu einen ikosaedrischen Spielwürfel zu benutzen – also einen Körper, mit zwanzig Flächen, wobei jede Fläche für eine der zwanzig Aminosäuren steht. Wenn man ohne zusätzliche Regeln der Reihe nach für jede Position würfelte, wäre das ein sehr langweiliges Spiel, denn für unsere Aminosäurekette gibt es 10 130 (eins mit 130 Nullen) verschiedene Aminosäureanordnungen und man müßte entsprechend lange würfeln, bis einem hundert richtige Würfe gelingen. Führt man aber eine "Selektionsregel" ein, nach der für jede richtig besetzte Position nicht mehr gewürfelt zu werden braucht, so verringert sich die Zahl der Würfe auf durchschnittlich 950. Wie ist es der Natur gelungen, Proteine – also Aminosäureketten – mit bestimmter Sequenz (Reihenfolge der Aminosäuren) herzustellen, ohne alle Möglichkeiten ausprobieren zu müssen? Sie hat auch geraten, aber immer dann, wenn ein bestimmter Baustein in bestimmter Funktion einen Vorteil erbrachte, hat sie die betreffende Information gespeichert, bis schließlich ein Molekül mit optimalen Funktionseigenschaften entstand. Es wurden also die Möglichkeiten statistisch durchgespielt und funktionelle Vorteile dadurch erhalten, daß sie sich bevorzugt reproduzierten.

Ganz ähnliche Überlegungen gelten auch für die zweite Gruppe lebenswichtiger Makromoleküle, nämlich die Nukleinsäuren, die aus vier verschiedenen Bausteinarten zusammengesetzt sind, wobei die Reihenfolge der Bausteine – ihr wichtigster Bestandteil sind die sogenannten Nukleinbasen – die Information dafür enthält, in welcher Reihenfolge die Aminosäuren in den Proteinen zusammengesetzt werden sollen. Bei den Lebewesen liegen die Nukleinsäuren in den Genen der Chromosomen und ihre Information wird über einen komplizierten Mechanismus von dort zu den Stellen in der Zelle transportiert, an denen die Proteine synthetisiert werden. Da an diesem Informationstransport wiederum verschiedene Proteine entscheidend beteiligt sind, ist die Frage, ob Information (sprich: Nukleinsäure) oder Funktion (sprich: Protein) zuerst da waren, sinnlos, genauso wie es sinnlos ist, die Frage zu stellen: "Wer war zuerst da, die Henne oder das Ei?"