Theorien zur Entstehung des Lebens auf der Erde

Die Erde existiert seit rund 4,5 Milliarden Jahren. Das Präkambrium (auch Erdfrühzeit) bezeichnet den Zeitabschnitt in der Erdgeschichte von der Entstehung der Erde bis zur Entwicklung der Tierwelt zu Beginn des Phanerozoikums (übersetzt: Zeitalter des sichtbaren Lebens). Das Phanerozoikum beginnt mit dem Kambrium. In diesem Zeitalter entstanden in der sogenannten "Kambrischen Explosion" infolge von veränderten Umweltbedingungen im Meer (unter anderem ein erhöhter Sauerstoff-Anteil) fast alle heutigen Tierstämme. Der exakte Zeitpunkt und wie genau das Leben auf unserem Planeten entstanden ist, ist bis heute jedoch nicht eindeutig bekannt, denn es gibt keine fossilen Belege aus dieser Zeit.  Doch es gibt einige Theorien dazu. Denn wir können untersuchen, unter welchen Bedingungen Leben entsteht und versuchen die Mechanismen zu verstehen, die dazu führen, dass aus anorganischem Material Leben entsteht.

Die Ursuppen-Theorie
Die Ur-Atmosphäre der Erde enthielt lange Zeit keinen Sauerstoff. Heute nimmt man an, dass die Ur-Atmosphäre aus Wasserdampf, Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestand. Spurengase waren Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Ihre genaue Zusammensetzung ist jedoch unbekannt. Doch diese Bestandteile können unter den für diese Zeit angenommenen Umweltbedingungen (hohe Temperatur, ungefilterte UV-Strahlung, Blitzentladungen etc.) miteinander reagieren und verschiedene organische Moleküle (z.B. einfache Aminosäuren, Zucker und Formaldehyd) bilden.
In den 50er Jahren führten Stanley Miller und Harold Clyton Urey im Labor folgendes Experiment durch: Sie mischten und erhitzten in einem Glaskolben ein Gasgemisch aus Methan, Ammoniak, Wasser und Kohlendioxid. Dazu gaben sie elektrische Entladungen, welche Blitze simulierten. Dabei entstand ein Schlamm an der Glaswand der zahlreiche organische Moleküle – die Bausteine des Lebens – enthielt. Variation der Versuchsbedingungen und Beimischungen anderer Gase erzeugen andere  organische Moleküle. Urey und Miller konnten durch ihre Versuche die Entstehung von vier der heute bekannten 20 Aminosäuren nachweisen. Theoretisch können diese organischen Molekülen, wenn sie in genügend hoher Konzentration vorliegen, sich zu Kügelchen zusammenfinden und sich zu Zellverbänden entwickeln. Orte, an denen diese Vorgänge denkbar sind,  sind z.B. Tümpel oder flache Seen. Hier sind die beschriebenen Reaktionen wahrscheinlich, da die Sonne die Tümpel austrocknete und so die Reaktionspartner konzentrierte und gleichzeitig die Temperatur anstieg.

Hydrothermale Poren als Entstehungsort des ersten Lebens
Bei der Synthese von Makromolekülen könnten auch Gesteine eine katalytische Rolle gespielt haben. Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich stellten kürzlich die Theorie auf, dass die Bausteine der Erbsubstanz in hydrothermalen Gesteinsporen entstanden sein könnten.
Alle vier Basen der DNA (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin) lassen sich aus konzentrierten wässrigen Formamidlösungen (Formamid: CH₃NO) herstellen. war in den Meeren und Seen der frühzeitlichen Erde zwar vorhanden – aber nicht in ausreichender Konzentration. Für die DNA-Synthese sind zudem hohe Temperaturen und ein hoher Druck notwendig. Beides findet sich in porösem Gestein heißer Quellen, in sogenannten hydrothermalen Poren. Die Forscher fanden experimentell heraus, dass sich hier auch ausreichend hohe Formamidkonzentrationen bilden können, wenn zwei physikalisch Prozesse – Thermophorese und Konvektion – stattfinden. Bei der Thermophorese wandern Teilchen in einer Flüssigkeit von den wärmeren zu den kälteren Bereichen, bis ihre Konzentration so hoch ist, dass ein Gleichgewicht entsteht. Konvektion ist eine durch den Temperaturgradienten erzeugte Flüssigkeitsströmung, die Teilchen mitreißt. Durch diese Prozesse reichert sich das Formamid am kältesten Punkt der Porenböden an.

Die Erdkruste als Entstehungsort des ersten Lebens
Geologen der Universität Duisburg-Essen stellten 2014 die Theorie auf, dass das Leben in der Erdkruste begann. In den tiefreichenden tektonischen Störungszonen mit Kontakt zum Erdmantel sind die Verhältnise optimal: Hier steigen Wasser, Kohlenstoffdioxid und andere Gase auf, wie heute noch in der Eifel. Eine besondere Bedeutung kommt in diesem Fall dem Kohlenstoffdioxid zu. Denn ab einer Tiefe von etwa 800 Metern ist CO₂ zugleich flüssig und gasförmig ("überkritisch"). Kohlenstoffdioxid kann dann wie ein organisches Lösungsmittel wirken, wodurch die Zahl der möglichen chemischen Reaktionen erheblich gesteigert wird. Außerdem bildet es mit Wasser Doppelschicht-Membranen, welche ein wichtiges Strukturelement von lebenden Zellen sind. Mit dieser Theorie kann die Molekülherkunft, die Aufkonzentration der notwendigen chemischen Stoffe, die Energieversorgung und die Membranbildung erklärt werden.
Zudem fanden die Wissenschaftler in uralten australischen Gangquarzen zahlreiche organische Verbindungen, die während der Kristallbildung eingeschlossen wurden.

Die Tiefsee als Entstehungsort des ersten Lebens
Aber auch die Tiefsee wird als Entstehungsort für das Leben auf der Erde diskutiert. Denn in den 80er Jahren fand man schwarze Raucher – Schlote die mineralhaltiges heißes Wasser aus dem Erdinneren nach oben befördern. An ihnen wurde eine reiche Fauna gefunden, die sich auf urtümliche Bakterien gründet.

Meteoriten brachten das Leben auf die Erde
Als eine weitere Möglichkeit, wie das Leben auf der Erde entstanden sein könnte, werden Meteoriteneinschläge von der Wissenschaft diskutiert. So haben kürzlich japanische Forscher in Impakt-Tests ermittelt, dass bei Meteoriteneinschlägen aus anorganischem Material Nukleinbasen, und Aminosäuren entstehen können. Die Forscher haben dazu Hochgeschwindigkeits-Impakte in frühe Ozeane simuliert, in denen Hydrogencarbonat als Kohlenstoffquelle vorkommt. Sie stellen die Theorie auf, dass das Leben auf der Erde von außen entstanden sein könnte…

Quellen:

• IDW: Neues zur Entstehung des Lebens, Forschungszentrum Jülich, 14.04.2016
• Pressetext: Meteoriteneinschläge können DNA-Basen schaffen, 19.08.2015
• IDW: Das Leben begann in der Erdkruste, Universität Duisburg-Essen, 14.11.2014
• bernd-leitenberger.de: Die Entstehung des Lebens auf der Erde Teil 1