Entstehung des Lebens in einer Ursuppe

Zum Ende des 19. Jahrhunderts war man der Meinung (Zitat aus einem Brief von Darwin) dass das Leben in einem warmen, kleinen Teich mit allen möglichen ammoniakalischen und phosphorigen Salzen darin, und Licht, Wärme und Elektrizität u.a.. In dieser einfachen Brühe sollen nach Darwins Vorstellungen über immense Zeiträume und zahllose chemische Prozesse hinweg immer komplexere Verbindungen und schließlich Leben entstehen. Ein anderer Forscher (Haldanes) erkannte in den 20er Jahres des 20. Jahrhunderts, dass man nicht ernsthaft glauben kann, dass Leben würde plötzlich, in einem Schritt, in einer einzigen erstaunlichen Reaktion entstehen. Sie beriefen sich auf Darwin und postulierten eine lange Entwicklungsphase, eine Abfolge chemischer Reaktionen, die allmählich zur ersten Mikrobe geführt hat. In dieser präbiotischen Phase ging auf noch zu erhellenden Wegen eine Mischung von Molekülen zu immer komplexeren Anordnungen über, bis sich schließlich etwas herausformte, dass die Züge eines lebenden Organismus trug.

Anstelle von Darwins "kleinem Teich" sah der Wissenschaftler Haldane die Weltmeere als den Schauplatz der Biogenese (Entstehung des Lebens). Regenfluten hätten alle möglichen Chemikalien von öden Landmassen in die Ozeane gespült. Dort hätten sie sich angesammelt, bis das Meer "die Konsistenz einer heißen, wässrigen Suppe hatte." Diese Beschreibung war griffig und der Begriff Ursuppe hat sich seitdem gehalten. 
(Quelle: Das fünfte Wunder, Paul Davies) 

Eine "Bestätigung" der Theorie, dass das Leben in einer Art Ursuppe entstanden sei, schien in den frühen fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts erbracht, nämlich das Experiment/Simulation von Miller und Urey

Anfang der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts in einem Chemielabor der Universität Chicago: Der junge Doktorand Stanley Miller füllt destilliertes Wasser in einen Rundkolben und saugt die Luft darüber ab.

 Er erhitzt die Mischung, Dampf steigt auf, fließt in einen zweiten Kolben mit einem Gasgemisch aus Methan, Ammoniak und Wasserstoff und von da aus wieder zurück in die Flasche mit dem Wasser. Unaufhörlich krachen elektrische Entladungen als Blitzersatz in diese Urwelt. Schon am Abend des ersten Tages hat sich der "Urozean" leicht verfärbt, ist jetzt gelblich und an den Elektroden klebt ein schwarzer Niederschlag. Die Analyse zeigt: In dem Wasser schwimmt Glycin, die einfachste der 23 Aminosäuren, die das Leben auf der Erde verwendet. Nach einer Woche ist das das Wasser tiefrot und es enthält etliche Aminosäuren. In einem Glaskolben brodelt bald Millers „Urozean“, im Kolben darüber wabert die „Atmosphäre“, eine Mischung aus Methan(CH4), Ammoniak (NH3), Wasserstoff (H2) und dem aus dem Wasser aufsteigenden Wasserdampf. Um jede Kontamination auszuschließen, verfrachtet der Forscher anschließend den gesamten Versuchsaufbau nach dem Befüllen für 18 Stunden in einen Autoklaven. Die Gasmischung setzt Miller kontinuierlichen elektrischen Entladungen aus – den „Blitzen“ seiner Miniaturwelt. Diese sollen die Energie für Reaktionen der Gase untereinander liefern.

Stanley Millers Experimente erregten in den 50er Jahren immenses Aufsehen, denn sie zeigten, dass aus einfachsten Zutaten zumindest einige Bausteine des Lebens entstehen konnten, ohne dass man dazu mehr als etwas Energie brauchte. In Millers Versuchen stand die Wiege des Lebens im Wasser und zwar in seichtem Wasser, damit genügend Energie in Form von Sonnenlicht und Blitzen verfügbar war. Zahllose Experimente folgten diesem Vorbild. Das ging von einer maßgeschneiderten Atmosphäre aus, deren Zusammensetzung optimal war für die Bedürfnisse der organischen Chemie. Zu Millers Zeiten waren die Geologen davon überzeugt, dass die Vulkane in der Frühzeit der Erde Methan und Ammoniak gefördert hätten.

Millers „Ursuppenexperiment“ erwies sich als bahnbrechend und belegte erstmals die Theorien von einer präbiotischen Entstehung wichtiger organischer Lebensbausteine. Doch die Grundfrage der Entstehung des Lebens löste es bei weitem noch nicht. Zu viele Fragen blieben offen.

Zu viel Wasser...
So ging Miller noch von einem Urozean aus, der einer wahren Kraftbrühe glich: Zehn Prozent sollte die Konzentration von organischen Molekülen durch die atmosphärischen Reaktionen betragen - ein Wert, der heute als um ein Vielfaches zu hoch angesehen wird. Ist die „Kraftbrühe“ aber stärker verdünnt, können sich die einzelnen Bausteine in der Weite des Urozeans schlicht nicht finden und daher nicht zu komplexeren Verbindungen weiter reagieren. 

Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Entstehung von längerkettigen Biomolekülen sinkt damit auf nahezu Null. Doch genau die werden dringend benötigt. Denn die kurzkettigen Aminosäuren sind gerade erst der allererste Schritt auf dem Weg zu Leben. Ihre wichtige Funktion beispielsweise als Bestandteil von Enzymen können sie nur in Form von komplex strukturierten Proteinen übernehmen. Ähnliches gilt auch für die Nukleinsäuren, langkettige, phosphorhaltige Zuckerverbindungen, die das Grundgerüst unserer Erbsubstanz, der DNA und RNA bilden.

Damit nicht genug, erschwert die dünne Ursuppe nicht nur die Bildung solcher komplexer Moleküle, sie sorgt auch dafür, dass sie schnell wieder zerfallen. Wässrige Zucker- und Aminosäurelösungen, das zeigen Laborversuche, sind extrem instabil und schon kürzere Ketten neigen dazu, sich wieder aufzuspalten. Noch dazu ist es bisher nicht gelungen, die beiden Basen Uracil und Cytosin, beides essenzielle Bestandteile der RNA, in verdünnten Lösungen zu erzeugen. 

Tümpel statt Ozean?
Für Miller allerdings tut dies auch heute noch der Theorie von der Ursuppe keinen Abbruch. Seiner Ansicht nach spielten sich die entscheidenden Prozesse ohnehin nicht in den Weiten des Urozeans ab, sondern an dessen Rand, in kleinen, immer wieder trockenfallenden Tümpeln. Durch die ständige Verdunstung und Austrocknung, so Millers These, könnte sich die Ursuppe hier soweit konzentriert haben, dass die für spontane chemische Reaktionen nötige Konzentration der Grundbausteine erreicht wurde.

Kritiker wenden dagegen allerdings ein, dass es in einem durchschnittlich 10.000 Meter tiefen Meer ohne nennenswerte Gezeiten schwer gewesen sein dürfte, Tümpel zu finden, die sich nicht nur immer wieder füllen und austrocknen, sondern dies auch tun, ohne dass die angereicherte Brühe durch einen Wasserschwall einfach wieder herausgespült wird. Ihre Hypothesen sehen daher ein ganz anderes Szenario vor.... 

Zu Millers Zeiten waren die Geologen davon überzeugt, dass die Vulkane in der Frühzeit der Erde Methan und Ammoniak gefördert hätten. Inzwischen steht fest, dass sie schon immer zu mehr als der Hälfte Wasserdampf plus ein Viertel Kohlendioxid ausgestoßen haben, dazu kommen noch Stickstoff und Schwefel sowie Spuren von anderen Gasen. Auch die Analysen der ältesten Sedimentgesteine sprechen dafür, dass die Erde vor Entstehung des Lebens eine dichte Atmosphäre aus Kohlendioxid, dem chemisch trägen Stickstoff und Wasserdampf hatte. Unter diesen Bedingungen formen sich im Experiment die Bausteine des Lebens nicht mehr so bereitwillig, das gestaltete den "Urknall" des Lebens in einem flachen Tümpel schwierig. Die Forschung stagnierte, denn weil alles Leben von der Sonne abhing, sollte sie auch bei dessen Entstehung die entscheidende Rolle gespielt haben.