Evolution Entstand das Leben in einer RNA-Welt?

In Chicago konnten die Wissenschaftler zwar beweisen, dass auf einer unbelebten Urzeit-Erde organische Verbindungen entstehen konnten. Die Frage, die Forscher seit dem beschäftigte, war nun aber: Könnten unter diesen Bedingungen auch die richtigen Moleküle entstehen? Also jene Bausteine, die für Leben unabdingbar sind.

2016 konnten Forscher um Thomas Carell an der Universität München einen wichtigen Teil des Puzzles vollenden: Sie wiesen nach, dass unter Urzeitbedingungen tatsächlich alle vier wichtigen Bauteile der Ribonukleinsäure, kurz: RNA, entstehen konnten. Experimente anderer Forscher haben darüber hinaus gezeigt, dass sich die RNA-Bausteine auf der jungen Erde tatsächlich zu RNA-Strängen verbinden konnten.

Die RNA ist so etwas wie die kleine, einfacher gebaute Schwester der DNA - jenes Stoffes, aus dem die Erbmasse irdischen Lebens heute besteht. Die RNA ist deshalb von großer Bedeutung, weil sie gleich für zwei wichtige Funktionen des frühen Lebens gebraucht wird:

  • Erstens als Informationsspeicher, der für die Fortpflanzung notwendig ist. In allen heutigen Lebewesen wird diese Aufgabe von der DNA übernommen. Die DNA ist mit ihren zwei verschraubten Strängen, der Doppelhelix, aber viel komplexer als die RNA, die nur aus einem Strang besteht und so viel leichter entstehen konnte.
  • Zweitens kann die RNA, anders als die DNA, auch eine wichtige Rolle im Stoffwechsel übernehmen: Sie kann als Katalysator in chemischen Prozessen wirken. Das Leben, so nehmen viele Forscher deshalb an, hat sich zuerst in einer "RNA-Welt" entwickelt.

Das Molekül, das Forscher für den Ursprung des Lebens halten

Ribonukleinsäuren, kurz RNA, könnten der Schlüssel zum Verständnis des Lebens sein - und künftig Krankheiten wie Krebs besiegen. Von Kathrin Zinkant mehr ...

Ein Problem allerdings ist geblieben: Bislang haben sich in den Experimenten nie RNA-Stränge mit mehr als 100 Bausteinen gebildet. Das ist eindeutig zu kurz, um die Erbinformationen selbst eines denkbar einfachen Lebewesens zu enthalten. Erbinformationen werden in der Natur gespeichert, in dem sich Moleküle miteinander zu langen Ketten verbinden - ähnlich wie die Buchstaben in einem Satz. Nur dass es in dem DNA- und RNA-Alphabeten der Natur lediglich vier verschiedene Buchstaben gibt.

RNA-Stränge mit mehr als 100 Bausteinen wurden und werden bislang nur von Lebewesen erzeugt - nicht im Labor. Die Existenz langer RNA-Stränge ist also die Voraussetzung für die weitere Produktion langer Stränge. Die Forscher stehen demnach vor einem Henne-und-Ei-Problem.

Eine Lösung des Rätsels sehen manche Wissenschaftler in bislang noch unbekannten Proteinen, die sich auf der Urzeit-Erde spontan gebildet haben könnten. Diese, so die Idee, hätten den RNA-Ketten geholfen, eine ausreichende Länge zu erreichen.

Zuerst der Stoffwechsel, dann die RNA?

Es gibt allerdings auch noch eine Idee, die eine Alternative zur RNA-Welt darstellt: Die "Stoffwechsel-zuerst" (Metabolism First) Hypothese geht davon aus, dass anfänglich nicht das Erbgut in Form von RNA-Strängen entstand, sondern andere komplexe Moleküle, die innerhalb begrenzter Räume - etwa in Hohlräumen von porösen Gesteinsoberflächen - in Wechselwirkung traten. So hätte es zu ersten Stoffwechselkreisläufen kommen können.

Erst dann wären RNA-Stränge aufgetaucht, die diese Prozesse unterstützen, entsprechende Erbinformationen übernehmen und sich selbst vervielfältigen konnten.

Wie das Henne-und-Ei-Problem gelöst wurde, dafür gibt es also Vorschläge. Doch eine weitere Hürde auf dem Weg zum ersten Organismus blieb noch zu überwinden.

Moleküle im Sack

Denn egal, welche Bausteine des Lebens zuerst entstehen - zum ersten Lebewesen können sie nur werden, wenn sie über längere Zeit ungestört miteinander reagieren. Ein kleiner Wellenschlag in den Tümpeln an den Gestaden des Urmeers, ein Zittern der jungen Erdkruste, ein Windhauch, oder eine leichte Strömung im Meer könnte ausreichen, um die Bausteinen durcheinanderzuwirbeln und sie für immer zu trennen.

Deshalb mussten sich Hüllen bilden, in denen diese Prozesse vor der Umwelt geschützt stattfinden konnten. Jack Szostak von der Harvard University vermutet deshalb, dass am Anbeginn des Lebens noch ein weiterer Stoff im Spiel war: Fett. Genauer Fettsäuremoleküle, die sich zu blasenartigen Formen zusammenfinden. Diese "Vesikel" könnten RNA-Stränge und Stoffwechselmoleküle umhüllen, sodass eine Art Protozelle entsteht.

Irgendwann während der Entstehung des Lebens muss es zu ersten Stoffwechselprozessen innerhalb von Membranen gekommen sein.

(Foto: William Martin/HHU)

Solche Hüllen wachsen durch weitere Fettsäuren aus der Umgebung zu langen, dünnen Rohren an, während sich im Innern die RNA-Stränge vervielfältigen können. Lassen äußere Erschütterungen solche Protozellen in kleinere Tochter-Protozellen zerfallen, könnte es zu einer ersten "Vermehrung" kommen. Zumindest theoretisch. Ob es tatsächlich so war, ist offen - ein experimenteller Beweis steht noch aus.