Entstehung von Leben auf der Erde und im Sonnensystem

Eines der Dauerbrennerthemen bei Sendungen über Astronomie ist es, wo es noch Leben geben könnte. Man kann ja viel spekulieren über fremde Planeten, doch am meisten wird natürlich über Leben in unserem Sonnensystem spekuliert. Die NASA nährt das sehr gut, vor allem beim Mars. Auch wenn sie von „Der Suche nach dem Leben“ auf „Spur des Wassers“ als Motto umgeschaltet hat, kommt doch immer ein Hinweis darauf, dass Wasser eine Grundvoraussetzung für Leben ist. Daneben gibt es auch noch Postulate über Leben auf dem Mond Europa, manchmal auch auf Enceladus und Titan aber auch Jupiter und die Venus tauchen immer wieder auf. Bei manchen Sendungen ist es ganz einfach: Man braucht nur flüssiges Wasser, eine Energiequelle und einfache organische Verbindungen und es bildet sich von alleine Leben. So ist zumindest as Resümee in vielen Wissenschaftssendungen, die sich mit dem Planetensystem oder Alien oder ähnlichem beschäftigen. Um meine Meinung dazu geht es in diesem Beitrag.

Leben ensteht? ein Automatismus?

Kommen wir zuerst einmal auf einen Punkt: Wie kommt man zu dieser optimistischen Einstellung? Wann immer in der Vergangenheit man annahm oder postulierte, die Erde oder die Menschheit wäre etwas Besonderes, dann lag man falsch. Das gab früher große Auseinandersetzungen, auch weil viele dieser Ansichten religiös motiviert waren. So lag man falsch, als man annahm, dass die Erde in der Mitte des Sonnensystems liegt. Kopernikus brachte ein zweites Modell ins Spiel, das sich als richtig erwies. Dann brachte Darwin die Vorstellung ins Wanken, dass der Mensch die Krönung der Schöpfung sei. Wir sind nur eine von vielen Arten, wenn auch vielleicht die intelligenteste. In der Astronomie entdeckte man noch später, dass Wir uns weder in der Mitte der Milchstraße befinden, noch das unsere Milchstraße, was Besonderes ist, sondern die meisten Nebel, die man mit dem Teleskop am Himmel sieht, sind auch Galaxien sind. Selbst unsere Sonne ist weder besonders groß noch besonders klein, auch wenn sie nicht zur häufigsten Klasse der roten Zwergsterne gehört die die meisten Sterne stellen.

Heute ist die Vorstellung daher genau umgekehrt: man nimmt an das unser Planetensystem typisch ist und dass auch die Entstehung von Leben so eine typische Sache ist, die ein Planet hervorbringt, wenn er in der richtigen Entfernung vom Stern ist und aus Gestein besteht. So entdeckte man 1995 die ersten Exoplaneten. Die waren zuerst ziemlich groß, bewegten sich auf exzentrischen Bahnen oder nahe der Sonne. Sie waren also völlig anders als die Planeten, die wir kennen. Doch die Forscher waren sich sicher. Man wird auch erdähnliche Planeten finden. Es war nur eine Frage der Messtechnik, die immer besser wurde. Die Exoten konnte man nur zuerst entdecken, weil sie starke Effekte auf ihre Sonne hatten. Heute kann man auch den kleineren Effekt eines erdgroßen Planeten nachweisen und nun hat man im August bei Proxima Centauri einen Planeten gefunden, der etwas größer als die Erde ist und sich in einer habitablen Zone befindet. Bisher war man mit der Annahme also erfolgreich. So ist heute auch die Vorstellung für die Entstehung von Leben. Heute nimmt man an, dass wenn die Startbedingungen geeignet sind, automatisch Leben entsteht.

Argumente für eine schnelle Entstehung von Leben

Dafür gibt es zwei wesentliche Argumente. Das Erste ist das Miller-Experiment. In den Fünfziger Jahren hat Stanley Miller ein Experiment durchgeführt. Er brachte in einen Kolben Wasser und Gase hinein, die er für die Bestandteile der Uratmosphäre hielt, und setzte das elektrischen Entladungen aus und kochte es. Die kondensierte Flüssigkeit wurde wieder zurückgeleitet. Nach zwei Wochen beendete er das Experiment und analysierte den Inhalt. Der größte Teil war Teer oder komplexe aromatische/aliphatische Verbindungen, die aus Methan entstanden. Darunter waren aber vier Aminosäuren und die Fettsäure Propionsäure. So entstehen also zumindest in diesem Experiment von allein einfache organische Moleküle, die man auch in Organismen findet. Das Experiment wurde wiederholt, modifiziert, indem man andere Ausgangsstoffe nahm oder die Energiequelle wechselte und man kam so noch auf weitere Biomoleküle.

Der zweite Umstand ist, dass die ältesten Lebensspuren, die man mit Sicherheit bestimmt hat, 3,5 Milliarden Jahre alt sind. 3,8 Milliarden alte Spuren von Kohlenstoff scheinen von Organismen zu stammen und nun hat man schon in 4,1 Milliarden Jahren alten Zirkonen ein auffälliges Kohlenstoff-13 zu 12-Verhältnis gefunden was eine Spur von Leben sein kann. Die beiden letzten Beweise sind aber indirekt. Auf der anderen Seite gibt es auch nur wenig Gestein aus dem frühen Präkambrium das erhalten bleib. Beides zusammen – die Bildung von organischen Molekülen aus der Uratmosphäre und das frühe Auftreten von Lebensspuren führt dazu, dass man heute der Ansicht ist Leben entsteht fast automatisch bei geeigneten Startbedingungen.

Einige Gegenargumente

Ich möchte diese Suppe aber ein bisschen versalzen. Wenn Leben so zwangsläufig entsteht, dann müsste es damals sehr oft entstanden sein, also an verschiedenen Stellen auf der Erde. Selbst wenn ich annehme, das bestimmte Dinge gemeinsam sind, z.B. Fett genutzt wird, um eine Doppelmembranhülle zu bilden oder Aminosäuren die wichtigsten Biomoleküle bilden, da sie die größte Variation an Strukturen ermöglichen, dann ist doch seltsam, dass in allen Zellen die es heute gibt, egal ob Viren, Archaebakterien, Pflanzen oder dem Menschen die gleichen Aminosäuren und Fette verwendet werden. Das ermöglicht uns auch alle anderen Organismen zu verdauen, außer die haben später noch was Neues erfunden wie Pilze oder Insekten weitere Gerüstsubstanzen wie Chitin, die für uns unverdaulich sind. Aser selbst die Archaebakterien, die wegen ihrer Anpassung an extreme Bedingungen wie sie auch damals herrschten, als urtümlich gelten, haben die gleichen Aminosäuren wie wir und mehr noch der genetische Code ist gleich. Daher können wir ein Gen aus dem Menschen in Bakterien verpflanzen und die produzieren dann Humaninsulin.

Das Leben nutzte von sehr vielen möglichen Aminosäuren, Fettsäuren oder Zuckermolekülen nur wenige. Es sind z.B. selbst wenn man die Kohlenstoffanzahl auf 7-8 beschränkt, enorm viele Aminosäuren denkbar. Es gibt 16-verschiedene Zucker mit 6 Kohlenstoffatomen und einer Aldehydbindung, doch in der Natur werden nur zwei häufig verwendet. Vor allem ist das Leben sehr selektiv, was die Stereochemie betrifft. Zucker und Aminsäuren haben mit wenigen Ausnahmen Stereoisomere. Das sind Moleküle mit identischer Struktur aber unterschiedlicher räumlicher Ausrichtung. Chemisch unterscheiden sich Stereoisomere nicht, sie entstehen auch beim Miller Experiment in gleichen Mengen, doch heute können wir nur L-Aminosäuren verdauen. Wir bilden auch nur L-Aminosäuren und viele Stereoverbindungen von Biomolekülen, die die „falsche“ räumliche Ausrichtung haben, sind unwirksam, unverdaulich oder sogar giftig. Das gilt für viele Moleküle, auch Zucker und Vitamine. Wenn aber die anderen Verbindungen in der Uratmosphäre entstanden, wo sind sie geblieben? Warum sind sie heute unverdaulich oder giftig? Selbst wenn man den Standpunkt einnimmt, man hätte sie mal verdaut und später sich auf einen Syntheseweg beschränkt, so müssten wir heute ja noch die Fähigkeit haben, die anderen Verbindungen wie D-Aminosäuren abzubauen. Zahlreiche andere Abbauwege, die wir von Bakterien übernommen haben, wie der Abbau von Zucker zu Milchsäure, sind ja immer noch aktiv.

Schlüsse

Nun gibt es zwei Auswege aus dem Dilemma. Das eine ist das Leben, nachdem es entstand, sich so schnell durchsetzte, das kein anderes mehr entstehen konnte, es verzehrte praktisch die Nahrungsgrundlage oder vielleicht sogar die anderen Zellen. Das bringt aber ein anderes Problem mit sich. Nachdem die Erde abkühlte, erstarrte das Gestein und wurde weniger stark ausgelaugt, auch vulkanische Gase, aus denen sich Nachschub an Biomolekülen bildete, wurden weniger ausgestoßen. Der Mond rückte weiter von der Erde weg und sein Gezeiteneffekt, der alles schön durchmischte und viele Stoffe aus der Erdoberfläche auswusch, nahm schnell ab. Damit auch der Nachschub an organischen und anorganischen Substanzen als Nahrung für das Leben. Die Photosynthese als Voraussetzung, dass das Leben unabhängig von oxidierbaren Substanzen wurde, wurde erst 1 Milliarde Jahre später erfunden. Wovon hat sich das Leben in der Milliarde Jahren dann ernährt, wenn es anfangs sich so schnell bildete und ausbreitete, dass es die Verhinderung anderer Zellen auf anderer chemischer Basis verhinderte?

Zudem sehen wir ja gerade an den Archaebakterien aber auch anderen „lebenden Fossilien“, das viele Arten in Nischen überleben können, wenn sonst ihre Umgebung für sie lebensfeindlich ist. Archaebakterien sterben bei Umgebungsbedingungen, die wir schön finden, ab. Sie brauchen zum Überleben je nach Art hohe Temperaturen, Säuren oder für uns giftige Substanzen. Es fällt schwer zu glauben, dass es damals nicht auch abgeschottete Nischen gab wie Binnenmeere. Noch heute leben Archaebakterien z.B. um die schwarzen Raucher und bilden dort ein eigenes Ökosystem.

Sehr offen ist aber vor allem der Sprung von Miller-Experiment zur einfachen Zelle. Im Miller Experiment entstanden nur einfache Moleküle, schon keine komplexeren Moleküle. Selbst die einfachsten Stoffwechselkreisläufe erfordern aber einige Enzyme, die aus vielen Aminosäuren bestehen. Enzyme nutzen wiederum nichts, wenn man sie nicht neu bilden kann. Man braucht also noch einen Mechanismus zur Vererbung und eine Zelle muss von der Umgehung isoliert sein damit die Substrate, die man umsetzen, will nicht wegschwimmen, trotzdem muss die Hülle selektiv durchlässig sein. Selbst die einfachsten Bakterien haben eine so hohe Komplexität, dass dies nicht einfach so aus dem Nichts entstehen kann. Selbst die einfachsten Stoffwechselvorgänge brauchen zwei bis drei Enzyme, die verbunden sind, da meist ein Energie kostender Schritt mit einem Energieliefernden verknüpft ist (die Moleküle müssen erst aktiviert werden). Die gämgigen Coenzyme zur Aufnahme von Energie wie ATP (Adenosintriphosphat) und NADH (Nikotinamiddinukleotid) sind schon relativ komplexe Biomoleküle aus mindestens drei Einzelmolekülen.

Viren, die noch einfacher sind, werden nicht als Lebensvorläufer angesehen, sondern extrem einfache Organismen die andere Organismen nutzen, um sich zu vermehren. Ohne eigenen Replikationsapparat können sie aber nicht vor dem Leben entstanden sein. Ganz realistisch ist das Miller-Experiment übrigens nicht. Denn es führte die Substanzen immer wieder zurück. Im Urmeer hätten sie sich dagegen verteilt. So sind schon die Chancen für die Entstehung von Molekülen mit mehr als einem C-Atom minimal.

Turbo und Fahren mit angezogener Bremse

Der zweite Punkt ist der folgende: das Leben entstand ja nach gängiger Theorie recht schnell. Doch danach ruhte es sich erst mal aus. Das Leben brauchte dann weitere 800 Millionen Jahre für die „Erfindung“ der Photosynthese auf Basis von Schwefelwasserstoff, weitere 300-600 Millionen Jahre für die moderne Photosynthese, die Wasser als Elektronenakzeptor nimmt. Das ist immerhin ein neuer Stoffwechselkreislauf. Aber nur die Bildung eines Zellkerns, in dem die Vermehrung stattfindet, anstatt wie bei Bakterien im Zellplasma verteilt dauerte weitere 1,5 Milliarden Jahre. In etwa auf dieselbe Zeitdauer taxiert man die Aufnahme von Mitochondrien und Chloroplasten als Zellorganellen, die zuvor eigenständige Zellen waren. Primitive Zellen, die sich aber immerhin vermehren konnten und Gärungen durchführen, bildeten sich also ganz schnell. Doch danach ging es ganz langsam weiter. Schwer zu verstehen.

Nachdem das Leben so mindestens 2 Milliarden Jahre von einer Bakterie zu einer „echten Zelle“ brauchte, (mit der neuen Datierung sogar 2,6 Milliarden Jahre) entstanden dann trotzdem nun keine Vielzeller. Dabei ist dazu nicht mehr nötig als eine unvollständige Teilung. Das dauerte weitere 900 Millionen Jahre, bevor die Vielzeller kurz vor dem Kambrium auftauchten. Dann ging jedoch alles ganz schnell. An der Grenze zum Kambrium kam es zu einer Artenexplosion. In den letzten 540 Millionen Jahren, also einem Siebtel bis Achtel der Gesamtzeit, entstanden dann enorm viele Arten, wurde das Land besiedelt, nachdem vorher nur die Meere belebt waren. Irgendwie ist das schon etwas komisch. Man könnte fast annehmen, dass man vor 600 Millionen Jahren ein Turbo-Schalter umgelegt wurde. Die Frage ist aber: Wenn man eine Urzelle mit der Fähigkeit zur Vermehrung und einem Stoffwechsel der immerhin die Gärung beherrscht, also eine Art Bakterie schon vor 3,8 Milliarden Jahre hatte, wenige Hundert Millionen Jahre, nachdem überhaupt sich die Meere bildeten, warum dauerte es dann so lange bis zur ersten richtigen Zelle? Und warum ging es danach dann so schnell mit der Weiterentwicklung der Arten?

Entstehung von Leben im Sonnensystem?

Kommen wir aber zu den Möglichkeiten der Lebensentstehung woanders im Sonnensystem zurück. Auf der Venus gab es niemals die Chancen für flüssiges Wasser. Es konnte dort kein Leben entstehen. In den Wolken gibt es heute zwar eine Region, die von dem Druck und der Temperatur her geeignet ist, doch kein Wasser. Zumal ist nicht sicher, ob es diese Zone früher auch schon gab.

Bei Europa gibt es zwar durch die Gezeitenkraft Jupiters einen Ozean und wahrscheinlich setzt dieser auch Mineralien aus dem Kern frei. Doch die Eisschicht schützt vor der Sonne und die ist dort sehr schwach. Ohne Licht, nur auf chemische Energie angewiesen, geht dem Leben aber bald die Energie aus. Die Oxidation einfacher Verbindungen, wie Schwefelwasserstoff, liefert viel zu wenig Energie und diese ist auch bei Europa endlich. Sie reicht mit Sicherheit nicht bis heute aus.

Das kann man auch auf alle Ozeane jenseits Europa im Sonnensystem übertragen. In Jupiters Atmosphäre findet man Methan, Wasserdampf und mit Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Phosphin auch die anderen Elemente, die man im Leben findet. UV-Strahlung könnte als Energiequelle dienen. Doch die Atmosphäre wird dauernd umgewälzt, was auch für schwebende Organismen schwierige Bedingungen sind. Sind sie zu schwer, was wahrscheinlich die erste Evolutionsstufe ist, so sinken sie herab und sterben. Wäre eine Atmosphäre ein guter Ort für die Entstehung von Leben, es hätte sich auch bei uns dort und nicht im Wasser entwickelt. Vor allem aber müssten die Organismen die Photosynthese vor der Gärung erfinden. Denn eine andere dauerhafte Energiequelle als das Licht gibt es nicht. Oxidieren sie die Spurengase in der Atmosphäre so verarmt diese rasch an ihnen und aus, war es mit dem Leben.

Zuletzt zum Mars. Beim Mars gab es niemals einen Mond und damit ein Magnetfeld, das vor dem Sonnenwind schützte. So verlor er rasch die Atmosphäre und das Wasser sublimierte und ging auch verloren. Er ist auch zu klein um auch sonst Wasser halten zu können zudem ist er weiter von der Sonne entfernt, sodass Leben vielleicht schneller entstanden sein könnte, aber auch schneller die Bedingungen unwirtlich wurden. Als kleiner, Planet ohne Mond, gab es auch weniger Vulkanismus und weniger Freisetzung von Treibhausgasen. Nach der Entstehung des Mondes rotierte die Erde in 6 Stunden war durch den Einschlag sehr aktiv. Unser Mond wälzte die Ozeane, nachdem die Erde sich abgekühlt hatte, enorm schnell um, da er damals zehnmal näher an der Erde war als heute. Das erodierte das Land und spülte so erst viele Metallionen ins Wasser, die auch als einfache Katalysatoren dienen konnten.

Resümee

So gesehen glaube ich nicht an weiteres Leben in unserem Sonnensystem. Es ist auch erstaunlich dass wir über das frühe Leben trotz weitestgehender Aufklärung der Stoffwechselkreisläufe, der Vererbung und der Kartierung des genetischen Codes vieler Organismen wir heute noch diesen Riesensprung von einfachen Biomolekülen bis zu einem einfachen Bakterium nicht klären können. Selbst ein einfaches Bakterium, wie Mycoplasma genitalium hat 580.000 Basenpaare, die zu 480 Genen gehören. Das bedeutet. Dieses Bakterium kann 480 Substanzen bilden die. Der Bauplan umfasst also rund 190.000 Aminosäuren. Oft reicht es aus ein einziges Enzym zu blockieren, um die Zelle abzutöten. So funktionieren z. B. Sulfonamide oder andere Antibiotika. Es ist und nicht gelungen Leben zu synthetisieren, selbst in einfachster Form oder auch nur (ohne Vererbung und Replikation) einen einfachen Stoffwechselkreislauf aufzubauen. Ich sehe hier noch eines der größten Rätsel in der Wissenschaft und man sollte in dieses Gebiet mehr investieren, anstatt nach Higgs-Bosonen zu suchen oder 1 Milliarde Sterne zu kartieren.