Seit 90 Jahren ist die "Ursuppe" die beliebteste Erklärung der Wissenschaft für die Entstehung des Lebens. Neuere Forschungen geben einer alternativen Idee jedoch mehr Gewicht.
Bild über NOAA.
Durch Arunas L Radzvilavicius, UCL
Seit fast neun Jahrzehnten ist die "Ursuppe" die beliebteste Erklärung der Wissenschaft für die Entstehung des Lebens. Dies ist die Idee, dass das Leben aus einer Reihe chemischer Reaktionen in einem warmen Teich auf der Erdoberfläche begann, die durch eine externe Energiequelle wie Blitzschlag oder ultraviolettes (UV) Licht ausgelöst wurden. Jüngste Forschungen verstärken jedoch die alternative Idee, dass das Leben tief im Ozean in warmen, felsigen Strukturen entstand, die als hydrothermale Quellen bezeichnet werden.
Eine im letzten Monat in Nature Microbiology veröffentlichte Studie legt nahe, dass der letzte gemeinsame Vorfahr aller lebenden Zellen, die in einer heißen, eisenreichen Umgebung mit Wasserstoffgas versorgt werden, ähnlich wie in den Entlüftungsöffnungen. Befürworter der konventionellen Theorie waren skeptisch, dass diese Erkenntnisse unsere Sicht auf die Ursprünge des Lebens verändern sollten. Die oft als exotisch und kontrovers bezeichnete Hypothese der hydrothermalen Entlüftung erklärt jedoch, wie lebende Zellen die Fähigkeit entwickelt haben, Energie auf eine Weise zu gewinnen, die in einer ursprünglichen Suppe nicht möglich gewesen wäre.
Der konventionellen Theorie zufolge begann das Leben, als durch Blitz oder UV-Strahlen einfache Moleküle zu komplexeren Verbindungen zusammengefügt wurden. Dies führte zur Entstehung von informationsspeichernden Molekülen, die unserer eigenen DNA ähneln und sich in den Schutzblasen primitiver Zellen befinden. Laborversuche bestätigen, dass unter diesen Bedingungen tatsächlich Spuren molekularer Bausteine entstehen können, aus denen Proteine und informationsspeichernde Moleküle bestehen. Für viele ist die Ursuppe die plausibelste Umgebung für die Entstehung der ersten lebenden Zellen.
Im Leben geht es jedoch nicht nur darum, Informationen zu replizieren, die in der DNA gespeichert sind. Alle Lebewesen müssen sich reproduzieren, um zu überleben, aber die Replikation der DNA, das Zusammensetzen neuer Proteine und der Aufbau von Zellen von Grund auf erfordern enorme Energiemengen. Im Zentrum des Lebens stehen die Mechanismen, mit denen Energie aus der Umwelt gewonnen, gespeichert und kontinuierlich in die wichtigsten Stoffwechselreaktionen der Zellen geleitet wird.
Hat sich das Leben um Hydrothermalquellen in der Tiefsee entwickelt? Bild über die US-amerikanische National Oceanic and Atmospheric Administration / Wikimedia Commons.
Woher diese Energie kommt und wie sie dorthin gelangt, kann uns viel über die universellen Prinzipien erzählen, die die Evolution und den Ursprung des Lebens bestimmen. Jüngste Studien deuten zunehmend darauf hin, dass die Ursuppe nicht die richtige Umgebung war, um die Energie der ersten lebenden Zellen anzutreiben.
Es ist das klassische Buchwissen, dass alles Leben auf der Erde durch Energie angetrieben wird, die von der Sonne geliefert und von Pflanzen eingefangen oder aus einfachen Verbindungen wie Wasserstoff oder Methan gewonnen wird. Weit weniger bekannt ist die Tatsache, dass jedes Leben diese Energie auf die gleiche und ganz besondere Weise nutzt.
Dieser Prozess funktioniert ein bisschen wie ein Wasserkraftwerk. Anstatt ihre metabolischen Kernreaktionen direkt anzutreiben, verwenden Zellen Energie aus der Nahrung, um Protonen (positiv geladene Wasserstoffatome) in ein Reservoir hinter einer biologischen Membran zu pumpen. Dadurch entsteht ein sogenannter Konzentrationsgradient mit einer höheren Protonenkonzentration auf einer Seite der Membran als auf der anderen. Die Protonen strömen dann durch molekulare Turbinen zurück, die in die Membran eingebettet sind, wie Wasser, das durch einen Damm fließt. Dabei entstehen energiereiche Verbindungen, mit denen die übrigen Zellaktivitäten angeregt werden.
Das Leben hätte sich entwickeln können, um jede der unzähligen Energiequellen auf der Erde auszunutzen, von Wärme oder elektrischen Entladungen bis hin zu natürlich radioaktiven Erzen. Stattdessen werden alle Lebensformen von Protonenkonzentrationsunterschieden zwischen den Zellmembranen bestimmt. Dies legt nahe, dass die frühesten lebenden Zellen auf ähnliche Weise Energie ernteten und dass das Leben selbst in einer Umgebung entstand, in der Protonengradienten die am besten zugängliche Energiequelle waren.
Lüftungshypothese
Jüngste Studien, die auf einer Reihe von Genen basieren, die wahrscheinlich in den ersten lebenden Zellen vorhanden waren, führen den Ursprung des Lebens auf hydrothermale Tiefseequellen zurück. Dies sind poröse geologische Strukturen, die durch chemische Reaktionen zwischen festem Gestein und Wasser erzeugt werden. Alkalische Flüssigkeiten aus der Erdkruste strömen durch den Abzug in Richtung des saureren Meereswassers und erzeugen natürliche Protonenkonzentrationsunterschiede, die denen, die alle lebenden Zellen antreiben, bemerkenswert ähnlich sind.
Die Studien legen nahe, dass in den frühesten Stadien der Lebensentwicklung chemische Reaktionen in primitiven Zellen wahrscheinlich von diesen nicht-biologischen Protonengradienten getrieben wurden. Später lernten die Zellen, wie sie ihre eigenen Farbverläufe erzeugen und entkamen den Öffnungen, um den Rest des Ozeans und schließlich den Planeten zu besiedeln.
Während Befürworter der primordialen Suppentheorie argumentieren, dass elektrostatische Entladungen oder die ultraviolette Strahlung der Sonne die ersten chemischen Reaktionen des Lebens auslösten, wird das moderne Leben von keiner dieser flüchtigen Energiequellen angetrieben. Stattdessen bilden Ionengradienten über biologische Membranen den Kern der Energieproduktion des Lebens. In den warmen Teichen der Urbrühe auf der Erdoberfläche hätte sich nichts Ähnliches abzeichnen können. In diesen Umgebungen neigen chemische Verbindungen und geladene Teilchen dazu, gleichmäßig verdünnt zu werden, anstatt Gradienten oder Ungleichgewichtszustände zu bilden, die für das Leben so zentral sind.
Tiefsee-Hydrothermalquellen sind die einzige bekannte Umgebung, in der komplexe organische Moleküle mit der gleichen Art von Energiegewinnungsmaschinerie wie moderne Zellen hätten entstehen können. Die Suche nach den Ursprüngen des Lebens in der Ursuppe ergab Sinn, als wenig über die universellen Prinzipien der Lebensenergie bekannt war. Mit der Erweiterung unseres Wissens ist es jedoch an der Zeit, alternative Hypothesen aufzugreifen, die die Bedeutung des Energieflusses erkennen, der die ersten biochemischen Reaktionen antreibt. Diese Theorien schließen nahtlos die Lücke zwischen der Energetik lebender Zellen und nicht lebender Moleküle.
Arunas L Radzvilavicius, UCL
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.