Panspermie
Hypothesen und Theorien zum Ursprung des Lebens
Die traditionelle Position der Theologie und einiger Philosophen sieht den Ursprung des Lebens als Ergebnis eines übernatürlichen Ereignisses, das sich den Beschreibungsmöglichkeiten von Chemie und Physik dauerhaft entzieht. In ihrer allgemeinsten Form steht diese Auffassung nicht unbedingt im Widerspruch zu den heutigen wissenschaftlichen Erkenntnissen über die präbiotische Evolution, obwohl die biblischen Schöpfungsbeschreibungen in den ersten beiden Kapiteln der Genesis, wenn man sie wörtlich und nicht metaphorisch nimmt, nicht mit den modernen Erkenntnissen übereinstimmen.
Bis zur Mitte des 17. Jahrhunderts herrschte die Meinung vor, dass Gott den Menschen zusammen mit höheren Tieren und Pflanzen schuf, dass aber einfache Lebensformen wie Würmer und Insekten in kurzen Zeiträumen stetig aus Schlamm, Abfällen und verfaultem Material entstehen. Der Physiologe William Harvey (1578-1657), der die Fortpflanzung und Entwicklung von Rehen untersuchte, war der erste, der diese Ansicht in Frage stellte, indem er postulierte, dass jedes Tier aus einem Ei entsteht („omnia viva ex ovo“), lange bevor Karl-Ernst von Baer (1792-1876) die Existenz menschlicher Eizellen durch Mikroskopie entdeckte. Ein italienischer Wissenschaftler, Francesco Redi (1626-1698), stellte fest, dass Harveys Idee zumindest für Insekten zutreffend ist; er fand heraus, dass Maden im Fleisch aus Fliegeneiern entstehen. Später entdeckte Lazzaro Spallanzani (1729-1799), dass Samenzellen für die Fortpflanzung von Säugetieren notwendig sind. Noch vor Pasteur zeigte Spallanzani, dass lebende Materie („Infusorien“) nicht aus abgekochten Flüssigkeiten in geschlossenen Behältern entsteht. Obwohl die Erkenntnisse von Redi und Spallanzani definitiv bewiesen, dass sich Insekten und größere Tiere aus Eiern entwickeln, blieb es für die große Mehrheit offensichtlich, dass zumindest Mikroorganismen aufgrund ihrer Allgegenwärtigkeit ständig aus anorganischem Material entstehen. Die Debatte über die Frage, ob Leben spontan aus unbelebter Materie entsteht oder nicht, gipfelte in der berühmten Kontroverse zwischen Louis Pasteur und Félix-Archimède Pouchet (1800-1872), die Pasteur triumphierend gewann. Er zeigte, dass selbst Mikroorganismen in Flüssigkeiten von in der Luft schwebenden Keimen stammen, und er wies nach, dass Nährlösungen durch geeignete Sterilisierung wie Filtration oder Abkochen vor diesen Lebewesen geschützt werden können. Die zeitgenössischen Wissenschaftler waren mit Pasteurs Experimenten jedoch nicht zufrieden, denn eine heikle Frage blieb offen: Wenn lebende Organismen nicht aus unbelebter Materie entstehen, wie war das Leben dann überhaupt entstanden?
Im späten neunzehnten Jahrhundert wurde eine andere Hypothese von dem schwedischen Chemiker Svante Arrhenius (1859-1927) aufgestellt. Er glaubte fest daran, dass sich das gesamte Universum mit lebenden Keimen füllt, ein Phänomen, das er „Panspermie“ nannte. Er vermutete, dass sich Mikroorganismen und Sporen kosmischen Ursprungs von Sonnensystem zu Sonnensystem verbreiteten und so auf die Erde gelangten. Obwohl Arrhenius‘ Sichtweise das Problem des Ursprungs des Lebens eher umgeht als löst, und obwohl es extrem unwahrscheinlich ist, dass Mikroorganismen die interstellaren Auswirkungen von Kälte, Vakuum und Strahlung überleben, kehrten einige Wissenschaftler des 20. Zu diesen Wissenschaftlern gehören der Astronom Fred Hoyle (1915-) und der Molekularbiologe Francis Crick (1916-), die davon überzeugt sind, dass die Zeitspanne zwischen der Entstehung der Erde und dem Auftauchen der ersten zellulären Organismen auf diesem Planeten zu kurz war, als dass Leben spontan entstanden sein könnte.
Darwins Theorie der „natürlichen Auslese als Triebkraft der Evolution“ führte zu einer neuen Sichtweise auf das Phänomen des Lebens, die immer noch gültig ist. Obwohl Darwin sich nicht auf den Ursprung des Lebens festlegte, erweiterten zeitgenössische Wissenschaftler wie Thomas Huxley (1825-1895) seine Idee und behaupteten, dass Leben aus anorganischen Chemikalien entstehen könnte. Alexander Oparin (1894-1980) war der einflussreichste Verfechter einer sukzessiven Entstehung von zellulären Organismen aus unbelebter Materie, der diese Ansicht vertrat. Er vermutete, dass dieser Übergang durch eine Reihe regelmäßiger und fortschreitender chemischer Reaktionen unter den physikalischen und chemischen Bedingungen der frühen Erde stattfand. Zusammen mit John Scott Haldane (1860-1936) erkannte Oparin, dass die abiologische Produktion organischer Moleküle in der heutigen oxidierenden Atmosphäre der Erde höchst unwahrscheinlich ist. Stattdessen schlugen beide vor, dass der Beginn des Lebens in heißen Urwässern unter eher reduzierenden (d. h. wasserstoffreichen) Bedingungen stattfand. Darüber hinaus postulierte Oparin die Existenz von präzellulären Koazervaten – kugelförmige Einheiten mit membranartigen Oberflächenstrukturen -, die hohe Konzentrationen bestimmter chemischer Verbindungen aufweisen könnten. Tatsächlich bilden sich Koazervate spontan aus kolloidalen wässrigen Lösungen von zwei oder mehr makromolekularen Verbindungen.
Doch viele grundlegende Probleme beim Übergang von nicht lebender zu lebender Materie blieben ungelöst. Die zentrale Frage betraf die Rolle des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der das Gleichgewicht in einem isolierten System als einen Zustand maximaler Entropie definiert, was der Entstehung und Existenz hoch geordneter lebender Organismen zu widersprechen scheint. Erwin Schrödinger (1887-1961) gab eine entscheidende Antwort auf diese Frage, indem er feststellte, dass „lebende Materie den Zerfall zum Gleichgewicht“ oder den Tod vermeidet, indem sie die Produktion von Entropie ständig kompensiert. In jedem Organismus wird dies durch die Zufuhr von freier Energie oder energiereicher Materie erreicht, die von der zellulären Maschinerie genutzt wird, um wesentliche chemische Reaktionen anzutreiben. Schrödinger und andere erkannten auch, dass lebende Organismen thermodynamisch als offene Systeme beschrieben werden können, aber sie konnten die allgemeinen physikalischen Bedingungen für selbstordnende Prozesse nicht erklären. Diese wurden von Ilja Prigogine (1917-) und Paul Glansdorff (1904-1999) erkannt, die an einer thermodynamischen Theorie der irreversiblen Prozesse arbeiteten. Nach Prigogine können Selektion und Evolution in gleichgewichtigen oder nahezu gleichgewichtigen Reaktionssystemen nicht stattfinden, selbst wenn die richtigen Arten von Substanzen vorhanden sind. Stattdessen können bestimmte Kombinationen von autokatalytischen Reaktionen mit Transportprozessen zu eigenartigen räumlichen Verteilungen der Reaktionspartner führen, die als „dissipative Strukturen“ bezeichnet werden. Diese geordneten Strukturen sind von Bedeutung für die Ausbildung funktioneller Ordnung in der Evolution des Lebens, insbesondere für die frühe Morphogenese. Die ersten Schritte der Selbstorganisation umfassten jedoch wahrscheinlich nur eine geringe Organisation im physikalischen Raum, aber eine umfangreiche funktionelle Ordnung einer ungeheuer komplexen Vielfalt chemischer Verbindungen. Manfred Eigen (1927-) erklärte den Ordnungsprozess zwischen Molekülen, indem er das Prigogine-Glansdorff-Prinzip mit phänomenologischen Überlegungen zum Verhalten selbstreplizierender Moleküle ergänzte: Eine bestimmte Größe nähert sich einem Maximalwert in jedem offenen System, das sich mit ausreichender Treue autokatalytisch repliziert und dabei kontinuierlich Energie und Materie verbraucht. Diese Größe wird als „Information“ bezeichnet und ist eng verwandt mit der von Schrödinger postulierten „negativen Entropie“. Eigen hat nicht nur den Grundstein für eine molekulare Interpretation der biologischen Information gelegt, sondern auch die mathematischen Modelle zur Beschreibung der „Selektion“ entwickelt. Nach Eigen’s Theorie ist die Selektion das fundamentale Naturprinzip, das Ordnung in jede zufällige Anordnung von sich autokatalytisch replizierenden Arten bringt. Mit der Selektion wird sukzessive Information erzeugt, die zu einer stetigen Optimierung der Arten führt, die entweder Organismen oder Moleküle sein können.
Die von Eigen entwickelten mathematischen Modelle stützen eine detaillierte Hypothese der Entstehung des Lebens, die mehrere, aufeinander folgende Schritte für den Übergang von anorganischer zu lebender Materie umfasst. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass einige Wissenschaftler Theorien über die Entstehung des Lebens haben, die von Eigen’s Theorie abweichen. Dazu gehört Stuart Kauffman (1939-), der die natürliche Auslese zwar für wichtig, aber nicht für das einzige Ordnungsprinzip der biologischen Welt hält. Stattdessen hält er die spontane Selbstorganisation für die vorherrschende Quelle der natürlichen Ordnung. Kauffman wies nach, dass Gruppen miteinander verbundener autokatalytischer Reaktionen in einen neu geordneten (d. h. selbstorganisierten) Zustand übergehen können, sobald ihre Konnektivität einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Außerdem betont Kauffman, dass das Phänomen der Autokatalyse, das in seiner Theorie die zentrale Rolle spielt, nicht auf Nukleinsäuren beschränkt ist. Er kommt daher zu dem Schluss, dass auch Gene für die Entstehung des Lebens nicht notwendig waren. Im Gegensatz zu Kauffman unterscheidet Eigen die „zufällige“ autokatalytische oder selbstreplizierende Aktivität, die bei einer Vielzahl von Molekülarten beobachtet wird, von den „inhärent“ selbstreplizierenden Nukleinsäuren. Die inhärente Fähigkeit zur Selbstreplikation wiederum stellt nach der Eigen’schen Theorie die molekulare Grundlage für die natürliche Selektion dar.
Um die für die molekulare Evolution postulierten Prinzipien zu simulieren, wurden wohldefinierte Experimente erfunden. Mit bestimmten Versuchsanordnungen können Replikation und Selektion im Reagenzglas durchgeführt werden. Auch die chemischen Bedingungen auf der Urerde können im Labor nachgeahmt werden. Mehrere Wissenschaftler haben versucht, die Ideen des zwanzigsten Jahrhunderts zur Biogenese experimentell zu überprüfen. Ihre Experimente werden im folgenden Abschnitt besprochen.