Der Ursprung des Lebens

Deutsche Biologen haben experimentell bewiesen, dass Transport-RNA-Molek"ule ein Hauptelement in der Evolution fr"uherer Lebensformen sein k"onnten. Unter bestimmten Bedingungen sind sie in der Lage, sich in funktionellen Einheiten zu sammeln, die die genetische Information geometrisch reproduzieren.

Die "Ubertragung genetischer Informationen erfolgt sequentiell: Zuerst von DNA zu RNA (dieser Prozess wird als Transkription bezeichnet), und dann wird die Proteinsynthese (Translation) auf der RNA-Matrix realisiert. In einer Operation, die als Replikation bekannt ist, duplizieren Proteine genetische Informationen, die in DNA-Molek"ulen codiert und im Zellkern gespeichert sind, verteilen sie w"ahrend der Teilung gleichm"assig zwischen zwei Tochterzellen, und der Prozess wird wiederholt.

Das Paradox des zentralen Dogmas der Molekularbiologie besteht darin, dass komplexe Proteinverbindungen – Enzyme, die bereits im ersten Schritt als Katalysatoren f"ur die Transkription fungieren, als Katalysatoren dienen: In einem bestimmten Abschnitt wird die DNA-Doppelhelix unter dem Einfluss von Enzymen aufgedreht und eine der Ketten wird zur Matrix f"ur den Aufbau einer sogenannten Matrix- oder Informations-RNA (mRNA), die dann an der "Ubertragung beteiligt ist.

Das heisst, und auf molekularer Ebene stellt sich die uralte Frage nach dem Ursprung des Lebens – was urspr"unglich war – ein Ei oder ein Huhn: Proteine werden ben"otigt, um genetische Informationen zu "ubertragen, aber ihre Synthese h"angt von der Transkription ab.

Biologen der Ludwig-Maximilians-Universit"at M"unchen haben zum ersten Mal experimentell bewiesen, dass kleine Ver"anderungen in Transport-RNA-Molek"ulen (tRNA) es ihnen erm"oglichen, sich selbst zu einer funktionellen Einheit zu sammeln, die Informationen reproduzieren kann.

Die Transport-RNA, die als Vermittler zwischen mRNA und Proteinen fungiert, k"onnte daher ein Schl"usselelement in der Entwicklung fr"uherer Lebensformen sein: tRNA-Molek"ule k"onnten autonom miteinander interagieren, um eine Art Replikationsmodul zu bilden, das Informationen exponentiell replizieren kann.

"Unsere Forschung zu den fr"uhen Formen der molekularen Replikation und unsere Entdeckung des Zusammenhangs zwischen Replikation und "Ubersetzung bringen uns der Rekonstruktion des Ursprungs des Lebens n"aher", heisst es in einer Pressemitteilung der Universit"at zu den Worten von Dieter Braun, einem der Autoren der Studie.

Damit ein solches System funktioniert, braucht es ein ungleiches Umfeld, um die entsprechenden physikalischen und chemischen Prozesse zu starten, glauben die Wissenschaftler. Daher beinhalteten alle ihre Experimente eine sich wiederholende Abfolge von Temperaturschwankungen.

Jedes Experiment begann mit einem Muster – einer Informationsstruktur, die aus zwei Arten von zentralen Nukleotidsequenzen bestand. Die Forscher haben gezeigt, dass eine bin"are Musterstruktur unter periodisch wechselnden Bedingungen wiederholt kopiert werden kann. Ein solcher Replikationsmechanismus k"onnte in einem hydrothermalen Mikrosystem auf der fr"uhen Erde stattfinden.

Insbesondere nach Ansicht der Autoren k"onnte sich eine g"unstige Umgebung f"ur solche Reaktionszyklen in por"osen Gesteinen auf dem Meeresboden entwickeln, wo nat"urliche Temperaturschwankungen mit Konvektionsstr"omen verbunden sind.

Pal"aontologen haben in alten Riffen, die 890 Millionen Jahre alt sind, Fossilien entdeckt, die an Schw"amme erinnern. Wenn die Ergebnisse best"atigt werden, wird dies der "alteste Fund von vielzelligen lebenden Organismen auf der Erde sein.

Es wird angenommen, dass die ersten mehrzelligen Organismen, die mit Sicherheit Tieren zugeschrieben werden k"onnen, vor etwa 635 Millionen Jahren in Ediacaria – der letzten geologischen Periode der Proterose – auf der Erde erschienen sind. Wir sprechen von Vendobionten – mysteri"osen radial- und bilateral-symmetrischen Organismen, die einen sitzenden oder sitzenden Lebensstil f"uhrten.

Einige Wissenschaftler glauben jedoch, dass die ersten Tiere auf der Erde Schw"amme waren – Marine, die am Boden befestigt sind, sind vielzellig, die heute auf der ganzen Welt weit verbreitet sind.

Die gut erhaltenen "altesten fossilen Schw"amme sind seit der kambrischen Periode bekannt, die vor 541 Millionen Jahren begann, aber phylogenetische Analysen und Biomarker zeigen, dass Schw"amme viel fr"uher existierten und Wissenschaftler in Sedimentgesteinen im Alter von 750 Millionen Jahren Siliziumspikeln gefunden haben – Elemente des mineralisierten Skeletts von Schw"ammen.

Die kanadische Pal"aontologin Elizabeth Turner von der Lawrence University hat in alten Riffen im Nordwesten Kanadas Fossilien entdeckt, die in ihrer Struktur Schw"ammen sehr "ahnlich sind. Riffe geh"oren zu bakteriellen Geb"auden, sind mit Kalziumkarbonat gestapelt und haben ein Alter von 890 Millionen Jahren.

In Gesteinsproben identifizierte Turner verzweigte Netzwerke von r"ohrenf"ormigen Strukturen, die mit Calcit – kristallinem Calciumcarbonat – mineralisiert wurden. Der Forscher stellte fest, dass diese Strukturen dem faserigen Skelett von Hornschw"ammen sehr "ahnlich sind, die heutzutage zur Herstellung von Waschschw"ammen verwendet werden.

Der Autor glaubt, dass diese Strukturen versteinerte "Uberreste von Hornschw"ammen sein k"onnten, die noch 90 Millionen Jahre auf Karbonatriffen lebten, bevor der Sauerstoffgehalt der Erde auf Konzentrationen anstieg, die f"ur die Erhaltung des Tierlebens als notwendig erachtet wurden.

Wenn sich die Annahmen des Wissenschaftlers best"atigen, stellt sich heraus, dass die Evolution der fr"uhen Tiere auf unserem Planeten unabh"angig von der Sauerstoffversorgung – der Sauerstoffs"attigung – stattfand und die ersten Organismen die schwersten globalen K"altevereisungen der kryogenen Periode zwischen 720 und 635 Millionen Jahren "uberleben konnten.

Gemessen an den Ergebnissen der mikrometrographischen Rekonstruktion war der "alteste Schwamm ein von den ersten Millimetern bis zu einem Zentimeter grosser wurmartiger Organismus, der auf der Oberfl"ache oder innerhalb von Riffen lebte, die von kalzifizierenden Cyanobakterien-Photosynthesizern – gebaut wurden.

Die Seltenheit der Funde von Schw"ammen im neoproterozoischen Alter liegt daran, dass sie h"ochstwahrscheinlich keine mineralisierten Skelette – Kiesel oder kalkhaltige – hatten, sondern ausschliesslich aus Protein – Sponge- oder Keratinverbindungen bestanden. Daher glaubt der Wissenschaftler, dass man in den alten Ablagerungen nicht nach Skelettelementen – Spicula – suchen sollte, sondern nach den Strukturabdr"ucken von Weichteilen, die die Struktur erhalten haben. Solche Strukturen haben Pal"aontologen schon einmal gefunden, aber sie haben sie als fossile Kolonien von Algen oder Protozoen interpretiert.