Die ersten Organismen auf der Erde entstanden vermutlich in warmen Tiefseequellen. Im Labor vollziehen Wissenschaftler nun nach, was vor vier Milliarden Jahren geschah – und mussten dabei bereits eine berühmte Theorie verwerfen.

Eine zähflüssige, graue Masse schwappt durch ein Reagenzglas. Eisen, Nickel, Wasser und Kohlendioxid sind darin zusammengemischt. Gebannt verfolgt Bill Martin, Leiter am Institut für molekulare Evolution an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf, die Versuchsreihe seiner Doktorandin Martina Preiner. Das scheinbar simple Experiment soll Antwort auf eine der großen Menschheitsfragen geben: Wie konnte auf der Erde Leben entstehen?

„Es ist ein urmenschliches Bedürfnis, darüber nachzudenken“, sagt Martin beim Gespräch in seinem Labor. „In jeder Kultur gibt es eine Geschichte, die erzählt, wie alles angefangen hat.“ Nicht nur alte Mythen versuchen, eine Antwort darauf zu geben. Heute erforschen Wissenschaftler, wie vor etwa vier Milliarden Jahren auf einer unwirtlichen Erde der erste Organismus entstehen konnte.

Überlegungen, wie tote Materie lebendige Wesen hervorbringen kann, stellen Wissenschaftler schon länger an. Doch bei allen bisherigen Konzepten gab es fundamentale Probleme, die sich nicht auflösen ließen. Seit einigen Jahren aber kristallisiert sich eine neue Theorie heraus, die zunehmend an Überzeugungskraft gewinnt. Demnach nahm der erste lebende Organismus, aus dem sich später alles Lebendige entwickelte, im porösen Gestein warmer Tiefseequellen seinen Anfang. Das neue Szenario bricht mit älteren Theorien, die sich vor allem um den Informationsträger DNA drehen. Es geht nun mehr um die nötige Energiequelle, die erste Stoffwechselwege antrieb. Die faszinierende Konsequenz: Der Beginn des Lebens ist vielleicht kein seltener Zufall, sondern benötigt nur relativ simple Zutaten, die im Universum weitverbreitet sind – Wasser, Kohlendioxid und eisenhaltiges Felsgestein.

Die Idee kam erstmals dem Geochemiker Michael Russell, als er in den 80er-Jahren eigenartige poröse Gesteinsfunde aus der Tiefsee untersuchte. Die winzigen Poren und Kanäle waren geologischen Ursprungs, erinnerten aber an lebende Zellen. Vielleicht, so überlegte Russell, hatten sie sich an Orten gebildet, wo mineralreiches warmes Wasser aus der Erdkruste dringt und sich im umgebenden kühleren Wasser niederschlägt. Und in einer Art Eingebung kam ihm der Gedanke, dass an solchen Orten das Leben auf der frühen Erde entstanden sein könnte.

Die Wärme der „Verlorenen Stadt“

Über Jahrzehnte handelte es sich nur um die wenig beachtete Spekulation eines Außenseiters. Dann aber stieß im Jahr 2000 ein internationales Forscherteam mitten im Atlantik auf bizarre Kalksteinformationen, die in 800 Meter Tiefe turmartig bis zu 60 Meter in die Höhe ragen und die „Lost City“ getauft wurden. Anders als bei schon länger bekannten „schwarzen Rauchern“ stammt die Wärme der „Verlorenen Stadt“ nicht von aufsteigendem Magma, sondern aus einer chemischen Reaktion. Meerwasser trifft hier auf Gestein aus dem Erdmantel und reagiert mit dem eisenhaltigen Mineral Olivin. Dadurch entstehen Wasserstoff und warmes, alkalisches Wasser, das beim Aufsteigen die Kalksteinformationen bildet. Es war ein Ort, wie ihn Russell vorhergesagt hatte. Und im Gegensatz zu den viel heißeren und kurzlebigen „schwarzen Rauchern“ können die alkalischen Quellen über Millionen von Jahren bestehen und waren in der Frühzeit des Planeten vermutlich weitverbreitet.

Russell hatte sich inzwischen mit dem aus Texas stammenden Biologen Bill Martin zusammengetan, gemeinsam entwickelten die beiden Amerikaner ihre Theorie vom Ursprung des Lebens. Mit einer ersten Veröffentlichung 2002 sorgten sie für einiges Aufsehen, auch weil sie der gängigen Theorie widersprachen, dass das Leben in einer Art Ursuppe entstanden ist. „Es gibt viele Theorien zum Ursprung des Lebens, aber unsere ist die erste, die mit der Zelle beginnt“, sagte Martin vor 16 Jahren nach der Veröffentlichung. Nach der neuen Theorie entstanden erste organische Moleküle in den Mikroporen des Gesteins – den Vorläufern der späteren Zellen.

„Das war damals gewagt. Wir haben uns mit dieser Hypothese auf ganz schön dünnem Eis bewegt“, sagt er heute. Es habe aber in der Theorie einfach viel gepasst. Was fehlte, waren Experimente, die die Theorie stützten. Um die Vorgänge besser zu verstehen, hat Martin ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern an seinem Institut in Düsseldorf versammelt. „Je genauer wir hinsehen, je mehr wir lernen, umso mehr zeigt sich, wie ähnlich die Reaktionen in der tiefen Erde den Lebensvorgängen der ursprünglichen Zellen sind.“

Die frühe Erde im Labor nachzustellen, um mehr über den Ursprung des Lebens zu erfahren – dieser Ansatz ist nicht neu. 1953 sorgten der Nobelpreisträger Harold Urey mit dem 22-jährigen Studenten Stanley Miller von der University of Chicago für Aufsehen. Im Miller-Urey-Experiment simulierten beide die frühe Erde. Für die Atmosphäre vermengten sie Wasserstoff, Methan und Ammoniak miteinander, ein mit Wasser gefüllter Kolben stand für den Ozean, elektrische Funkenentladungen ahmten Blitze nach. Nach einer Woche hatten sich im Wasser verschiedene organische Verbindungen wie Zucker, Fett- und Aminosäuren gebildet. Als tschechische und französische Wissenschaftler das Experiment 2017 wiederholten, konnten sie mit der seit den 50er-Jahren verbesserten Analytik sogar die vier Bausteine der Ribonukleinsäure (Englisch: RNA) nachweisen – ein Molekül, das der DNA zumindest ähnlich ist und ebenfalls in allen lebenden Zellen vorkommt.

Millers Entdeckung war der Startschuss für die Erforschung einer chemischen Evolution. Schließlich hatte er experimentell gezeigt, dass unter den vermeintlich lebensfeindlichen Bedingungen der frühen Erde wichtige Bausteine für das Leben entstehen konnten. Auch aufgrund dieser Erkenntnis entwickelte sich in den 80er-Jahren die Theorie, dass der Ursprung des Lebens in der Entstehung der RNA liegen könnte. 1986 nannte der Biochemiker und Nobelpreisträger Walter Gilbert diese Hypothese die RNA-Welt.

„Als Wissenschaftler darf man sich nicht einlullen lassen“

Als die Theorie zur RNA-Welt aufkam, erforschte Bill Martin am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Köln die Pflanzenevolution. Angeregt durch seinen Doktorvater Heinz Saelder, begann er aber auch, sich mit der Frage vom Ursprung des Lebens zu beschäftigen, und las viel über die Überlegungen zur RNA-Welt. „Das ist ein sehr attraktiver Gedanke, und es klingt alles ganz plausibel. Aber das bedeutet nicht, dass es wahr ist. Als Wissenschaftler darf man sich nicht einlullen lassen.“Aber was bedeutet Leben überhaupt? Was verbindet Einzeller, Pflanzen und Menschen, und was unterscheidet sie von einem Stein? „Das Leben ist eine chemische Reaktion“, sagt Martin und ergänzt: „Wenn etwas lebt, wird Energie frei. Das kann jeder beobachten, der eine kleine Maus in den Händen hält.“

Die Energie für ihre quirligen Bewegungen gewinnt die Maus aus der Nahrung. Dank ihres Stoffwechsels kann sie Nüsse, Samen oder auch Insekten in Energie umwandeln. Alle Lebewesen verfügen über eine solche Energiequelle – Tiere verzehren andere Organismen, und verwerten ihre Bestandteile, Pflanzen fangen die Energie der Sonne ein. Das gelingt ihnen aber nur durch eine hochkomplexe Maschinerie aus Proteinen, die Reaktionen katalysieren und Stoffwechselwege antreiben.

Der Weg des Lebens

„Das Leben ist eine chemische Reaktion“

Doch wie konnten erste Stoffwechselwege entstehen, als es eine solche molekulare Maschinerie noch gar nicht gab? Das Problem ist für Bill Martin elementar. In Stanley Millers Experiment waren es elektrische Entladungen, die Blitze auf der frühzeitlichen Erde nachahmen sollten. Doch bei genauerer Überlegung aber sind Blitze keine plausible Energiequelle, um kontinuierlich erste Stoffwechselreaktionen anzutreiben.

Bill Martin, der sich in seiner Forschung viel mit Energiestoffwechsel beschäftigte, fragte sich also, wo die Energie in einer frühen RNA-Welt herkommen sollte. „Die RNA kann ohne Energie nicht arbeiten, weder in der modernen Zelle noch am Anfang des Lebens. Aus biologischer Sicht machte für mich vieles einfach keinen Sinn. Und auch wenn die RNA-Welt bis heute als Theorie sehr populär ist, sie beschreibt nicht das Leben. Denn das Leben ist eben eine chemische Reaktion.“

Klar ist: Kohlenstoffdioxid muss dabei eine entscheidende Rolle gespielt haben. Denn zum Zeitpunkt, als sich die ersten Organismen gebildet haben, machte das Gas einen großen Teil der Erdatmosphäre aus. „Im Stoffwechsel der ursprünglichsten Zellen wird Kohlendioxid zunächst in Ameisensäure umgewandelt, dann in Acetat und dann in Pyruvat“, erklärt er den chemischen Ablauf. „Wenn der Stoffwechsel so entstand, dann müssen diese Reaktionen auch spontan, das heißt auf rein chemischem Wege, ohne Enzyme, ablaufen.“

Für diese vergleichsweise einfachen Reaktionen brauchen lebende Zellen etwa 20 Enzyme. Enzyme sind große Eiweißmoleküle, die Reaktionen anderer Stoffe begünstigen. „Aber wenn Martina ihre Versuche macht, entstehen auch ohne Enzyme genau diese Verbindungen. Ohne unser Zutun. Mit Wasser, Kohlendioxid und einfachen blanken Metallen wie im Bergbau: Eisen und Nickel.“ Bill Martin ist ganz aufgeregt, wenn er über die Ergebnisse der Experimente spricht. „Auf einmal sehen wir einen mikrobiellen Stoffwechsel vor unseren Augen. Ganz von allein. Das muss man erst mal fassen.“ Was ihn zusätzlich begeistert: Alles, was es für den Versuchsaufbau braucht, gibt es auch in Hydrothermalquellen.

Die nötige Energie stammt in diesen Quellen aus der Tiefe und wurde wahrscheinlich über Jahrmillionen kontinuierlich geliefert. Sie wird freigesetzt, wenn Wasser mit dem Olivin des Erdmantels reagiert. Dabei entsteht Wasserstoff, der dann wiederum die Nickel-Eisen-Verbindungen im Gestein produziert. Die darin gespeicherte Energie kann Reaktionen antreiben, wie sie Bill Martin und Martina Preiner nun im Reagenzglas nachvollziehen: Wasser und Kohlendioxid verbinden sich zu ersten organischen Molekülen.

Ohne Stoffwechsel gibt es keine Informationen

Außer einer Energiequelle und einem Stoffwechsel gibt es allerdings noch etwas, das allem Lebenden gemeinsam ist: Es speichert Informationen. In allen Zellen speichern RNA oder DNA sowohl die Bauanleitung für Proteine als auch den Ablauf für den Stoffwechsel. „Sehr stark vereinfacht kann man sagen, dass es ohne Stoffwechsel keine Informationen gibt und ohne Informationen keinen Stoffwechsel“, erklärt die Doktorandin Martina Preiner.

Betrachtet man die Schlacke im Reagenzglas der Chemikerin, fällt es tatsächlich schwer, sich vorzustellen, dass die Mischung irgendetwas mit einem Stoffwechsel oder der Doppelhelix eines DNA-Strangs zu tun hat. Doch auch über den weiteren Verlauf gibt es inzwischen detaillierte Theorien. In den geschützten Kompartimenten der Gesteinsporen in den warmen Quellen reicherten sich demnach immer komplexere organische Moleküle an. Daraus entstanden erste RNA-Moleküle, die sich selbst replizierten, und schließlich auch Enzyme, DNA und Lipidmembranen. Irgendwann müssen sich die ersten Protozellen aus den Poren gelöst haben und zu modernen Zellen und letztlich zu Vielzellern entwickelt haben. Einige dieser Ideen sind von Bill Martin gemeinsam mit dem britischen Biochemiker Nick Lane entwickelt worden, der die Theorie in seinem Buch „Der Funke des Lebens“ ausführlich schildert.

Bill Martin ist nur aus aus einem Grund ein bisschen enttäuscht: Ein Forscherteam um Joseph Moran aus Straßburg hat ähnliche Experimente mit Nickel-Eisen-Verbindungen durchgeführt, ist zu denselben Ergebnissen gekommen und hat diese noch vor ihm und seinem Team veröffentlicht. „Es ist das erste Mal in 30 Jahren Forschung, dass mir jemand zuvorgekommen ist.“ Doch das scheint er ganz gut zu verkraften. Nicht zuletzt, weil die Ergebnisse seine Theorie von 2002 stützen. „Als wir sie publiziert haben, war das Eis superdünn. Doch nach und nach wurde es immer dicker. Irgendwann hätten wir mit einem Auto rüberfahren können. Inzwischen ist es ein Panzerübungsplatz.“

Die Frage nach dem Ursprung des Lebens ist damit nicht abschließend beantwortet. Noch lange werden sich Biologen und Chemiker um die Details streiten, ihre Theorien verfeinern oder vielleicht auch noch einmal ändern. Ganz sicher können sie niemals sein, was vor vier Milliarden Jahren geschah. Doch je mehr die Forschung voranschreitet, desto plausibler wird, was zugleich wie ein Wunder erscheinen muss: dass aus chemischen Reaktionen lebendige Gebilde entstehen. Gebilde, die Stoffwechsel betreiben, sich vervielfältigen und weiterentwickeln – und die Milliarden Jahre später sogar Gedanken und Gefühle hervorbringen.

Wo schwarze Raucher sind, ist der Gehalt von Bunt- und Edelmetallen hoch

Erklärung 1: Die Entstehung der Erde

Am Anfang war es eine heiße Kugel aus glühendem, flüssigem Gestein – vor 4,6 Milliarden Jahren entstand die Erde. Die Uratmosphäre war nur schwach an den jungen Planeten gebunden und verflüchtigte sich größtenteils ins Weltall. Etwa 400 Millionen Jahre später kühlte die Erde langsam ab. In der Sonne hatte die erste Kernfusion gezündet, und UV-Strahlen trafen ungehemmt von einer Ozonschicht auf die Erde. Vulkane spien Gase und Wasserdampf aus, daraus entstand die erste Atmosphäre auf der Erde. Sie bestand, so vermuten Forscher, zu einem großen Teil aus Wasserdampf, außerdem aus Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Spuren weiterer Moleküle. Erst als die Erde weiter abgekühlt war, bildeten sich aus dem Wasserdampf Wolken, und ein etwa 40.000 Jahre währender Regen setzte ein. Ein Großteil des Wassers befand sich fortan nicht mehr in der Atmosphäre, sondern sammelte sich auf dem Planeten – die ersten Ozeane entstanden. Anders als die heutigen Lebewesen mussten die ersten Organismen ohne Sauerstoff auskommen, denn der reicherte sich erst viel später in der Atmosphäre an.

Erklärung 2: Der gemeinsame Urahn

Sein Name war LUCA – als „Last Common Universal Ancestor“ bezeichnen Wissenschaftler den letzten gemeinsamen Vorfahren, von dem alle Lebewesen auf der Erde abstammen. So vielfältig uns die irdische Flora und Fauna auch erscheinen mag, alles bekannte Leben ist im Inneren der Zellen überraschend uniform. Ob Säugetier, Pflanze oder Bakterium, alle Organismen basieren auf DNA-Molekülen, auf den gleichen 20 Aminosäuren und Lipidmembranen. Auch die Art der Energiegewinnung und die Struktur der Enzyme, die die grundlegenden Stoffwechselwege katalysieren, lassen sich nur durch einen gemeinsamen Ursprung erklären. Wann genau LUCA gelebt hat, weiß man nicht. Doch Isotopenanalysen von Gesteinsfunden in Grönland legen nahe, dass es bereits 3,8 Milliarden Jahren lebende Organismen gab – als die Erde gerade erst ein Bombardement von Asteroiden überstanden hatte. Seit jener Zeit hat sich das Leben bis in jeden Winkel des Planeten ausgebreitet und dabei an jede noch so extreme Umweltbedingung angepasst.