Der Ursprung des Lebens auf der Erde ist eine Reihe von Paradoxen. Damit Leben entstehen konnte, muss es ein genetisches Molekül gegeben haben – etwas wie DNA oder RNA -, das in der Lage war, die Baupläne für die Herstellung von Proteinen, den wichtigsten Molekülen des Lebens, weiterzugeben. Moderne Zellen können DNA und RNA jedoch nicht ohne die Hilfe von Proteinen selbst kopieren. Erschwerend kommt hinzu, dass keines dieser Moleküle seine Aufgabe ohne Fettlipide erfüllen kann, die die Membranen bilden, die die Zellen benötigen, um ihren Inhalt in sich zu halten. Eine weitere Komplikation ist, dass für die Synthese der Lipide Enzyme auf Proteinbasis (die durch genetische Moleküle kodiert werden) erforderlich sind.
Jetzt behaupten Forscher, dass sie diese Paradoxe gelöst haben könnten. Chemiker berichten heute, dass ein Paar einfacher Verbindungen, die auf der frühen Erde reichlich vorhanden gewesen wären, ein Netzwerk einfacher Reaktionen hervorrufen können, die die drei Hauptklassen von Biomolekülen – Nukleinsäuren, Aminosäuren und Lipide – produzieren, die für die früheste Form des Lebens notwendig waren, um ihren Anfang zu nehmen. Auch wenn die neue Arbeit nicht beweist, dass das Leben auf diese Weise entstanden ist, könnte sie doch dazu beitragen, eines der größten Rätsel der modernen Wissenschaft zu erklären.
„Dies ist eine sehr wichtige Arbeit“, sagt Jack Szostak, ein Molekularbiologe und Forscher zum Ursprung des Lebens am Massachusetts General Hospital in Boston, der nicht an der aktuellen Forschung beteiligt war. „Er schlägt zum ersten Mal ein Szenario vor, bei dem fast alle wesentlichen Bausteine für das Leben in einem geologischen Umfeld entstanden sein könnten.“
Wissenschaftler haben lange Zeit ihre eigenen Lieblingsszenarien für die erste Entstehung von Biomolekülen propagiert. Die Befürworter der „RNA-Welt“ behaupten zum Beispiel, dass die RNA der Pionier gewesen sein könnte, da sie nicht nur in der Lage ist, genetische Informationen zu tragen, sondern auch als proteinähnlicher chemischer Katalysator dienen kann, der bestimmte Reaktionen beschleunigt. Die Befürworter der Metabolism-First-Hypothese argumentieren hingegen, dass einfache Metallkatalysatoren im Gegensatz zu fortschrittlichen proteinbasierten Enzymen eine Suppe aus organischen Bausteinen erzeugt haben könnten, aus der die anderen Biomoleküle entstanden sind.
Die RNA-World-Hypothese erhielt 2009 großen Auftrieb. Chemiker unter der Leitung von John Sutherland von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich berichteten, dass sie entdeckt hatten, dass relativ einfache Vorläuferverbindungen namens Acetylen und Formaldehyd eine Reihe von Reaktionen durchlaufen konnten, um zwei der vier Nukleotidbausteine der RNA zu erzeugen, was einen plausiblen Weg aufzeigte, wie sich die RNA in der Ursuppe von selbst – ohne die Notwendigkeit von Enzymen – gebildet haben könnte. Kritiker wiesen jedoch darauf hin, dass Acetylen und Formaldehyd selbst noch recht komplexe Moleküle sind. Das warf die Frage auf, woher sie kamen.
Für ihre aktuelle Studie wollten Sutherland und seine Kollegen von diesen Chemikalien ausgehend zurückgehen, um zu sehen, ob sie einen Weg zur RNA aus noch einfacheren Ausgangsstoffen finden könnten. Das ist ihnen gelungen. In der aktuellen Ausgabe von Nature Chemistry berichtet das Team um Sutherland, dass es Nukleinsäurevorstufen nur mit Cyanwasserstoff (HCN), Schwefelwasserstoff (H2S) und ultraviolettem (UV) Licht herstellen konnte. Die Bedingungen, unter denen die Nukleinsäurevorstufen hergestellt werden, erzeugen laut Sutherland auch die Ausgangsstoffe, die für die Herstellung natürlicher Aminosäuren und Lipide benötigt werden. Das deutet darauf hin, dass eine einzige Reihe von Reaktionen die meisten Bausteine des Lebens gleichzeitig hervorgebracht haben könnte.
Sutherlands Team argumentiert, dass die frühe Erde ein günstiges Umfeld für diese Reaktionen war. HCN ist in Kometen reichlich vorhanden, die in den ersten paar hundert Millionen Jahren der Erdgeschichte ununterbrochen einschlugen. Die Einschläge hätten auch genügend Energie erzeugt, um HCN aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff zu synthetisieren. Ebenso, so Sutherland, war H2S auf der frühen Erde vermutlich weit verbreitet, ebenso wie die UV-Strahlung, die die Reaktionen vorantreiben konnte, und metallhaltige Mineralien, die sie katalysiert haben könnten.
Allerdings gibt Sutherland zu bedenken, dass die Reaktionen, die zu den einzelnen Bausteinen geführt hätten, so unterschiedlich sind – sie erfordern beispielsweise unterschiedliche Metallkatalysatoren -, dass sie wahrscheinlich nicht alle am selben Ort stattgefunden hätten. Vielmehr, so sagt er, könnten geringfügige Variationen in der Chemie und der Energie die Bildung einer Gruppe von Bausteinen gegenüber einer anderen, wie Aminosäuren oder Lipide, an verschiedenen Orten begünstigt haben. „Regenwasser würde diese Verbindungen dann in einen gemeinsamen Pool spülen“, sagt Dave Deamer, ein Forscher zum Ursprung des Lebens an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Könnte das Leben in diesem gemeinsamen Pool entstanden sein? Dieses Detail ist mit ziemlicher Sicherheit für immer in der Geschichte verloren. Aber die Idee und die „plausible Chemie“, die dahinter steckt, ist eine sorgfältige Überlegung wert, sagt Deamer. Szostak stimmt ihm zu. „Dieses allgemeine Szenario wirft viele Fragen auf“, sagt er, „und ich bin sicher, dass es noch einige Zeit lang diskutiert werden wird.