Grundvorlesung Allgemeine Mikrobiologie

Die Umwelt auf der präbiotischen Erde war von der heutigen Situation drastisch verschieden. Unsere
Atmosphäre wird dominiert von den Gasen Stickstoff und Sauerstoff. Nennenswerte Mengen Sauerstoff gibt
es aber erst seit rund zwei Milliarden Jahren. Nahezu der gesamte Sauerstoff unserer Atmosphäre stammt aus
der Photosynthese, aus der Spaltung von Wasser unter Verwendung von Lichtenergie. Wir verdanken unsere
Atmosphare dem Wirken der frühen grünen Pflanzen. Die Uratmosphäre hingegen kommt uns heute sehr
lebensfeindlich vor. Neben Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff dominierten
Methan, Wasserdampf und Ammoniak. Vermutlich kennen Sie die Versuche von Stanley Miller und Harald
Urey aus den frühen Fünfziger Jahren, die in einer simulierten Uratmosphäre unter dem Einfluß von
Blitzentladungen in erstaunlich kurzer Zeit eine Vielzahl auch komplizierter organisch chemischer Moleküle
erhalten konnten. Da die präbiotische Evolution sehr viel länger Zeit hatte, läßt sich vermuten, daß im Laufe
der Zeit in den Urmeeren sehr hohe Konzentrationen an den vielfältigsten chemischen Verbindungen
entstanden sein müssen. Dazu − und auch das kann man im Simulationsexperiment zeigen − gehören auch
Makromoleküle, Polymere aus Aminosäuren und auch Nukleinsäurebestandteile. Anders als heute existierten
zunächst keine anderen als rein chemische Prozesse, die diese Verbindungen wieder abgebaut hätten;
Lebewesen, die von organischen Substanzen gelebt hätten, waren noch lange nicht erfunden.
Coazervate
Unter diesen Bedingungen entstehen aus genügend konzentrierten Lösungen von Makromolekülen von selbst
Tropfen und Kügelchen, die zwar noch leblos sind, aber doch in vielfacher Hinsicht schon an Zellen erinnern.
Sie können solche Vesikel im Experiment sehr leicht erhalten, wenn Sie Moleküle wie die Lipide unserer
heutigen Biomembranen in Kontakt mit Wasser bringen.
• Ausrichtung an der Phasengrenze Wasser/Luft
• Bildung von Mizellen und Liposomen
• Entstehung der Doppelmembran
• Stabilisierung durch Auflagerung von Proteinen
Coazervate ("Zusammengehäuftes") nennt man solche Tröpfchen aus mehreren Polymeren. Die Größe solcher
im Labor simulierten mutmaßlichen Vorformen des Lebens liegt zwischen 5 und 100 µm. Das ist tatsächlich
so etwa in der Größe unserer heutigen Zellen. Besonders von Oparin, einem bedeutenden russischen
Biochemiker dieses Jahrhunderts, wurden solche Coazervate als Vorformen lebender Zellen propagiert.
Schließt man im Experiment bestimmte Enzyme in das Innere solcher Coazervate ein, so kann man
beobachten, daß diese Tröpfchen so etwas wie einen Stoffwechsel entwickeln. Substanzen können ins Innere
augenommen, dort durch die Enzyme umgewandelt und schließlich wieder nach außen abgegeben werden. Sie
sehen, daß einige Kriterien, die sehr lebensnah wirken, durchaus im einfachen Experiment simulierbar sind.
Die Entstehung von Zellen
Grundvorlesung Allgemeine Mikrobiologie
Richtiges Leben sind die Coazervate noch nicht. Auch ist der Weg vom Coazervat zur lebenden Zelle noch
sehr weit; so weit jedenfalls, daß wir ihn in experimentell zugänglichen Zeiträumen nicht überwinden können.
Die Evolution hat sehr lange Zeit gehabt. Leider haben wir auch nur sehr ungenaue Vorstellungen darüber,
wie es zur Entstehung der ersten sich selbst vermehrenden Zellen gekommen ist. Fossilien aus dieser Zeit der
Erdgeschichte gibt es natürlich nicht. Die ältesten bekannten Fossilien sind dann schon richtige Einzeller aus
über zwei Milliarden Jahre alten Sedimentgesteinen. Eins ist aber klar: Sobald eine sich selbst vermehrende
und sich immmer wieder reorganisierende Zelle erst einmal entwickelt hatte, hatte sie anfangs enorme
Chancen, sich zu großen Stückzahlen zu vermehren. Mangel an organischen Verbindungen, die wir jetzt auch
erstmalig als "Nahrung" ansprechen können, gab es zunächst nicht; die Ursuppe war recht dick. Freßfeinde
gab es zunächst auch nicht. Zunächst: Denn als Folge der Vermehrung der ersten Zellen wurde die Ursuppe
immer dünner, so daß es erstmals in der Geschichte des Lebens zu dem kam, was wir heute Selektionsdruck
nennen. Unter dem Druck der knapper werdenden organisch−chemischen Ressourcen hatten manche Zellen
einen Vorteil gegenüber anderen. Vorteilhaft war es sicherlich, mit wenig Material auszukommen; das konnte
man aber nur, wenn man lernte, möglichst wenig nach außen zu verlieren und von außen Angebotenes
Coazervate 10