Андрей Тихомиров
Der Ursprung des Lebens

Deutsche Biologen haben experimentell bewiesen, dass Transport-RNA-Moleküle ein Hauptelement in der Evolution früherer Lebensformen sein könnten. Unter bestimmten Bedingungen sind sie in der Lage, sich in funktionellen Einheiten zu sammeln, die die genetische Information geometrisch reproduzieren.

Die Übertragung 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-Molekülen codiert und im Zellkern gespeichert sind, verteilen sie während der Teilung gleichmäßig 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 für 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 für den Aufbau einer sogenannten Matrix- oder Informations-RNA (mRNA), die dann an der Übertragung beteiligt ist.

Das heißt, und auf molekularer Ebene stellt sich die uralte Frage nach dem Ursprung des Lebens – was ursprünglich war – ein Ei oder ein Huhn: Proteine werden benötigt, um genetische Informationen zu übertragen, aber ihre Synthese hängt von der Transkription ab.

Biologen der Ludwig-Maximilians-Universität München haben zum ersten Mal experimentell bewiesen, dass kleine Veränderungen in Transport-RNA-Molekülen (tRNA) es ihnen ermöglichen, sich selbst zu einer funktionellen Einheit zu sammeln, die Informationen reproduzieren kann.

Die Transport-RNA, die als Vermittler zwischen mRNA und Proteinen fungiert, könnte daher ein Schlüsselelement in der Entwicklung früherer Lebensformen sein: tRNA-Moleküle könnten autonom miteinander interagieren, um eine Art Replikationsmodul zu bilden, das Informationen exponentiell replizieren kann.

"Unsere Forschung zu den frühen Formen der molekularen Replikation und unsere Entdeckung des Zusammenhangs zwischen Replikation und Übersetzung bringen uns der Rekonstruktion des Ursprungs des Lebens näher", heißt es in einer Pressemitteilung der Universität 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 binäre Musterstruktur unter periodisch wechselnden Bedingungen wiederholt kopiert werden kann. Ein solcher Replikationsmechanismus könnte in einem hydrothermalen Mikrosystem auf der frühen Erde stattfinden.

Insbesondere nach Ansicht der Autoren könnte sich eine günstige Umgebung für solche Reaktionszyklen in porösen Gesteinen auf dem Meeresboden entwickeln, wo natürliche Temperaturschwankungen mit Konvektionsströmen verbunden sind.

Paläontologen haben in alten Riffen, die 890 Millionen Jahre alt sind, Fossilien entdeckt, die an Schwämme erinnern. Wenn die Ergebnisse bestätigt werden, wird dies der älteste Fund von vielzelligen lebenden Organismen auf der Erde sein.

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

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

Die gut erhaltenen ältesten fossilen Schwämme sind seit der kambrischen Periode bekannt, die vor 541 Millionen Jahren begann, aber phylogenetische Analysen und Biomarker zeigen, dass Schwämme viel früher existierten und Wissenschaftler in Sedimentgesteinen im Alter von 750 Millionen Jahren Siliziumspikeln gefunden haben – Elemente des mineralisierten Skeletts von Schwämmen.

Die kanadische Paläontologin Elizabeth Turner von der Lawrence University hat in alten Riffen im Nordwesten Kanadas Fossilien entdeckt, die in ihrer Struktur Schwämmen sehr ähnlich sind. Riffe gehören zu bakteriellen Gebäuden, sind mit Kalziumkarbonat gestapelt und haben ein Alter von 890 Millionen Jahren.

In Gesteinsproben identifizierte Turner verzweigte Netzwerke von röhrenförmigen Strukturen, die mit Calcit – kristallinem Calciumcarbonat – mineralisiert wurden. Der Forscher stellte fest, dass diese Strukturen dem faserigen Skelett von Hornschwämmen sehr ähnlich sind, die heutzutage zur Herstellung von Waschschwämmen verwendet werden.

Der Autor glaubt, dass diese Strukturen versteinerte Überreste von Hornschwämmen sein könnten, die noch 90 Millionen Jahre auf Karbonatriffen lebten, bevor der Sauerstoffgehalt der Erde auf Konzentrationen anstieg, die für die Erhaltung des Tierlebens als notwendig erachtet wurden.

Wenn sich die Annahmen des Wissenschaftlers bestätigen, stellt sich heraus, dass die Evolution der frühen Tiere auf unserem Planeten unabhängig von der Sauerstoffversorgung – der Sauerstoffsättigung – stattfand und die ersten Organismen die schwersten globalen Kältevereisungen der kryogenen Periode zwischen 720 und 635 Millionen Jahren überleben konnten.

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

Die Seltenheit der Funde von Schwämmen im neoproterozoischen Alter liegt daran, dass sie höchstwahrscheinlich 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 Strukturabdrücken von Weichteilen, die die Struktur erhalten haben. Solche Strukturen haben Paläontologen schon einmal gefunden, aber sie haben sie als fossile Kolonien von Algen oder Protozoen interpretiert.