Das Geheimnis des Lebens

Das Leben selbst ist das größte Geheimnis

Fragen, was ist das Leben, wie entsteht Leben, was sind die Merkmale des Lebens? Was unterscheidet Leben von Nichtleben beschäftigen den Menschen seit Jahrhunderten. Allgemein anerkannt sind folgende Merkmale des Lebens. Obwohl nicht lebende Dinge einige dieser Eigenschaften auch zeigen können, besitzen nur Lebewesen alle von ihnen:

  1. Bewegung: Alles, was lebt, bewegt sich.
  2. Wachstum: Lebewesen durchlaufen ein geregeltes Wachstum. Dieses Merkmal des Lebens drückt sich im Größen- und Gestaltwandel eines Lebewesens aus. Wachstum ist die irreversible Volumenzunahme eines Organismus oder seiner Teile.
  3. Reizbarkeit: Durch die Fähigkeit, Reize aufzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren, steht ein Lebewesen in ständiger Beziehung zur Umwelt.
  4. Fortpflanzung: Lebewesen können sich selbst reproduzieren, um neue Organismen zu schaffen. Durch Fortpflanzung und Vermehrung sichert ein Lebewesen die Erhaltung seiner Art.
  5. Stoff- und Energiewechsel liefert die stofflichen und energetischen Grundlagen für die anderen Lebensmerkmale wie Wachstum, Entwicklung, Bewegung, Reizverarbeitung und Fortpflanzung.

Dabei wird unterschieden zwischen autotrophen und heterotrophen Organismen. Autotrophe Organismen nehmen für ihren Stoffaufbau anorganische Stoffe (Kohlenstoffdioxid, Wasser und Mineralsalze) auf. Heterotrophe Organismen nehmen organische Stoffe (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) auf. Autotrophie erfordert Energie. Je nach der Energiequelle unterscheidet die Forschung zwischen Photoautotrophie und Chemoautotrophie. Unter ersterer sind vor allem Fotosynthese betreibende Primärproduzenten (insbesondere Pflanzen) zu nennen. Bei ihnen dient Licht als Energiequelle. Fast alle Pflanzen und Algen sowie einige Bakterien, wie z. B. Schwefelpurpurbakterien und Grüne Schwefelbakterien, wandeln mithilfe von Chlorophyll-haltigen Systemen Lichtenergie in chemische Energie (ATP) um, die sie zum Aufbau von Bau- und Reservestoffen aus anorganischen Stoffen verwenden. Chemoautotrophie ist die Nutzung von chemischer Energie für die Nutzung von CO2 zum Aufbau von Biomasse. Chemoautotrophie kommt bei Bakterien und Archaeen vor. Beispiele sind u. a. Schwefelbakterien, nitrifizierende Bakterien und einige Methanbildner. Kohlenstoff-autotrophe Organismen verwenden für die Bildung organischer Baustoffe in der Regel Kohlenstoffdioxid CO2 als anorganische Kohlenstoffquelle. Die anorganischen Kohlenstoffverbindungen werden reduziert und der Kohlenstoff in organische Verbindungen eingebaut. Die wichtigsten biologischen Stoffwechselvorgänge, mit deren Hilfe Kohlenstoffdioxid assimiliert wird, sind der Calvinzyklus (chemische Umsetzungen, durch die Kohlenstoffdioxid zu Glucose reduziert und assimiliert wird, z. B. in C₃-Pflanzen), der Wood-Ljungdahl-Weg (Stoffwechselweg autotropher, strikt anaerober Mikroorganismen), der reverse Citratzyklus (wurde bei Grünen Schwefelbakterien sowie bei Grünen Nichtschwefelbakterien entdeckt) und die Carboxylierung von Pyruvat. Alle Pflanzen assimilieren Kohlenstoffdioxid mithilfe des Calvinzyklus, der gleichzeitig der energieaufwändigste ist. Weiteres Merkmal für Leben sind die Zellen, der Grundbaustein jeglichen Lebens. Lebewesen bestehen aus Zellen. Die Zelle ist die kleinste lebende Einheit aller Organismen. Meistens wird auch die Evolution – also die Weiterentwicklung von Lebewesen und die Anpassung an die Umgebung – als Merkmal des Lebens angesehen.

Wie und wann Leben auf der Erde begonnen hat, ist nach wie vor ein Geheimnis. Die derzeit populärste (autotrophe) Theorie zur Entstehung des Lebens postuliert die Entwicklung eines primitiven Stoffwechsels auf Eisen-Schwefel-Oberflächen unter reduzierenden Bedingungen, wie sie in der Umgebung von vulkanischen Ausdünstungen anzutreffen sind. Im Äonzeitalter, vor zwischen 4,6 und 3,5 Milliarden Jahren, war die Erdatmosphäre wahrscheinlich reich an Gasen, vor allem Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, während in den heißen Ozeanen relativ hohe Konzentrationen an Ionen von Übergangsmetallen wie Eisen (Fe2+) oder Nickel (Ni2+) enthalten waren. Forscher nehmen aber an, dass sich das Leben vor etwa 3,5 Milliarden Jahren in der Tiefsee in der Umgebung von hydrothermalen Quellen, den sogenannten Schwarzen Rauchern entwickelte. Ein starkes Indiz für die Theorie, dass Leben in der Tiefsee in der Nähe von heißen Quellen entstanden ist, sind Archaebakterien. Sie sind die ältesten Lebensformen, die wir heute kennen und leben in Habitaten mit extremen Umgebungsbedingungen. Allerdings beantwortet diese Theorie nicht die Frage, wie Leben prinzipiell entstanden ist. Die Forschung geht davon aus, dass sich nur eine Form von Leben, nämlich die auf Nukleinsäuren (RNA und DNA) beruhende, durchgesetzt hat. Entscheidendes Indiz für diese Theorie ist die Gleichheit der Bausteine der zwei wesentlichsten Lebens-typischen Makromoleküle in allen bekannten Lebensformen. Das sind die fünf Nukleotide als Bausteine der Nukleinsäuren und die 21 Aminosäuren als Bausteine der Proteine, sowie der universell gültige genetische Code. Ob es weitere Lebensformen gegeben hat bzw. weitere überhaupt möglich sind, ist unbekannt. Mit dem genetischen Code, der bei allen bekannten Arten von Lebewesen in den Grundzügen gleich ist, wird die Weise bezeichnet , mit der die Abfolge der Nukleotide (= Bausteine der Nukleinsäuren sowohl in Strängen der Ribonukleinsäure) einer Nukleinsäure, üblicherweise Desoxyribonukleinsäure (DNS, englisch DNA) oder Ribonukleinsäure (RNS, englisch RNA), eines RNA-Einzelstrangs in die Aminosäurensequenz der Polypeptidkette eines Proteins übersetzt wird. In der Zelle geschieht dies, nachdem zuvor die in der Abfolge von Basenpaaren des DNA-Doppelstrangs niedergelegte Erbinformation in die Sequenz des RNA-Einzelstrangs (Boten- oder Messenger-Ribonukleinsäure, mRNA) umgeschrieben wurde. Die spezifische Abfolge der Basen in einem sogenannten Triplett, (= Verschlüsselung der genetischen Information für die Eiweißsynthese in der DNA und RNA), stellt dabei die kleinste bedeutungstragende Einheit des genetischen Codes dar, ein Codon. Ein Basentriplett besteht aus drei aufeinanderfolgenden Nukleobasen einer Nukleinsäure.

Genetischer Code

 Die schematische Darstellung des genetischen Codes dient dazu, die Basentripletts der mRNA in die entsprechende kanonische Aminosäure zu übersetzen. In der Abfolge von innen nach außen wird einem Basentriplett der mRNA (gelesen von 5′ nach 3′ also in der gleichen Richtung, in der die Polymerase die Nukleinsäure aus Nukleotiden synthetisiert) hier eine der zwanzig kanonischen Aminosäuren zugeordnet oder ein Stopcodon markiert. Bei der Notation werden für die Nukleinbasen der Nukleotide die Anfangsbuchstaben ihrer Bezeichnungen verwendet: für Adenin A, Guanin G, Thymin T, Uracil U und Cytosin C. Bei der DNA kommen die vier Basen Adenin, Guanin, Thymin , bei der RNA die vier Basen Adenin, Guanin, Uracil und Cytosin. Vor vier Milliarden Jahren entstand aus unbelebter Materie die erste Zelle. Dieses Rätsel der Biologie wird als Abiogenese bezeichnet, die besagt, das Leben unter bestimmten (größtenteils noch unbekannten) Umständen auch aus Nicht-Lebendigem entstehen könne. Der bis ins 19. Jahrhundert bestehende Glaube Leben könne spontan aus toter Materie entstehen, wurde insbesondere durch Louis Pasteur widerlegt, indem er nachwies, dass alle Organismen, aus biologischen Vorläuferorganismen entstanden sind. Doch wie funktioniert der Übergang von toter zu lebender Materie? Diese Frage konnte bis heute nicht zweifelsfrei geklärt werden. Der Ausdruck Omne vivum ex vivo (= Alles Lebendige [kommt] aus Lebendigem.) zusammen, ist als Gesetz der Biogenese bekannt. Es besagt, das Leben in seinen gegenwärtigen Formen nicht aus Nicht-Lebendigem spontan entsteht. Das widerspricht allerdings logisch dem allgemein anerkannten Standardmodell der Kosmologie, nach dem beim Urknall (Beginn des Universums) noch nicht einmal (unbelebte) Materie existierte, sondern diese sich erst aus Energie aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie bildete.  Letztere ist ein 1905 von Albert Einstein im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie entdecktes Naturgesetz, das besagt dass Masse und Energie letztendlich dasselbe sind. Eine jede Masse m entspricht einer wohlbestimmten Energie E, aber ebenso entspricht jede Energie  einer wohlbestimmten Masse. Dieses Prinzip wird durch die Formel E=m*C² beschrieben. Aus der Theorie des Urknall folgt logisch die Schlussfolgerung, das Lebendes ja nur aus Lebendem entstanden sein, das bereits beim Urknall vorhanden gewesen sein müsste.

Es gab viele Versuche, Leben aus Nicht-Lebendigem zu erschaffen, aber bisher war keine erfolgreich. In sogenannten Miller-Urey-Experimenten, wurden 1953 von dem im Labor der University of Chicago Umweltbedingungen simuliert, wie sie nach damaligem Forschungsstand in der Frühphase der Erdgeschichte (spätes Hadaikum) geherrscht haben könnten. Es gelang einige organische Moleküle, darunter auch Aminosäuren, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, aus einer Atmosphäre von Methan, Ammoniak und Wasserdampf zu produzieren. Eine spätere Analyse ergab 22 Aminosäurevarianten und noch einige Stickstoffverbindungen. Das wurde als Bestätigung der Hypothese interpretiert, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre die Bildung von organischen Verbindungen, insbesondere Aminosäuren, als Voraussetzung für die Entstehung primitiver einzelliger Lebensformen möglich ist (= chemische Evolution). Spätere Versuche dieser Art führten zur Synthese von weiteren Aminosäuren und Nukleinsäure-Bausteinen wie Adenin und Guanin. Die  Bedingungen eines der drei von Miller durchgeführten Experimenten entsprechen exakt denen, die in den Dampfwolken von Vulkanen herrschten. Da dort zudem ständig elektrische Entladungen stattfinden, ist auch die nötige Energie vorhanden. Das lässt die Schlussfolgerung zu, dass die ersten Lebensbausteine innerhalb von Vulkanen entstanden sein könnten und ähnliche Prozesse möglicherweise auch auf anderen Planeten wie dem Mars kurz nach seiner Entstehung stattgefunden haben.

Die unbekannte Mischung anorganischer Substanzen, welche die Entstehung von Leben ermöglichte, wird häufig als Ursuppe bezeichnet. Die Ursuppentheorie hat jedoch viele Fehlerquellen und daher mittlerweile überholt. Eine konzeptionelle Alternative zur Ursuppe bieten in vielerlei Hinsicht Hydrothermalquellen. Die in der Tiefsee zuerst entdeckten Hydrothermalquellen wurden als „schwarze Raucher“ bezeichnet. Sie beherbergten hochdiversifizierte Ökosysteme, deren Energiequelle größtenteils vom Vulkanismus am Meeresboden stammt. Ihre Schlote führten 360° C heißes Wasser und ihre Sulfid-Schornsteine entsprachen mit reaktiven Gasen, gelösten Übergangsmetallen und thermischen sowie chemischen Gradienten dem Bild eines Urhabitats auf der frühen Erde. Doch die Umgebungstemperatur bis zu 400 Grad ist zu heiß für die Entstehung von Leben. Der Temperaturrekord für mikrobielles Wachstum liegt bei „nur“ bei 121° C .  Im Jahre 2000  wurde jedoch ein völlig neuer Typ von Tiefsee-Hydrothermalquellen entdeckt, dessen austretendes Wasser eine Temperatur um die 40° C bis 90° C besaß [9]. Der erste Vertreter dieser Klasse wurde „Lost City“ genannt. Im Gegensatz zu den schwarzen Rauchern, die eher kurzlebig sind, ist Lost City seit circa 100.000 Jahren aktiv. Das Austrittswasser bei Lost City enthält sehr viel H2, CH4, sowie andere kurzkettige (bis C5) Kohlenwasserstoffe. Hydrothermalsysteme wie Lost City setzen  eine geochemische Reaktionsabfolge in der Erdkruste in Gang die Serpentinisierung genannt wird.  Dieser Prozess setzt H2 frei,  der mit dem Hydrothermalwasser  an die Oberfläche davongetragen wird. Im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens ist die H2-Bildung der Serpentinisierung von besonderer Bedeutung, weil H2 für viele Mikroben, insbesondere für Chemolithoautotrophe, eine lebenswichtige Form von chemischer Energie ist. Man geht davon aus, dass die Serpentinisierung genau so alt ist, wie die Ozeane auf der Erde selbst. Anders ausgedrückt, Hydrothermalsysteme vom Lost City-Typ hat es schon immer auf der Erde gegeben. Am Anfang aller Ökosysteme steht die CO2-Fixierung, das Leben besteht aus reduzierten Kohlenstoffverbindungen, die alle letztendlich aus CO2 stammen. Heute kennt man nur zwei Gruppen von Organismen, die CO2 in den globalen biologischen Kohlenstoff-Kreislauf des Lebens hineinbringen: Photoautotrophe und Chemoautotrophe. Erstere nutzen die Energie des Sonnenlichts, um CO2 zu fixieren. Letztere nutzen rein chemische Energie, beispielsweise in der Form von H2, der als zentraler Elektronen-Donor im Stoffwechsel vieler Prokaryoten dient. Das sind zelluläre Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen. Zu ihnen zählen Bakterien und Archaeen (kleine einzellige Mikroorganismen (Mikroben)), während Pflanzen, Tiere und Pilze zu den Eukaryoten gehören. An Tiefsee-Hydrothermalquellen gedeihen ganze Ökosysteme in völliger Finsternis. Am Anfang ihrer Nahrungskette steht nicht die Sonne, sondern chemische Energieträger wie molekularer Wasserstoff, die aus dem Erdinneren strömen. Seit ihrer Entdeckung vor 30 Jahren werden Hydrothermalquellen im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens diskutiert, weil die Erde dort chemische Energie spendet. Manche Hydrothermalquellen bilden sogar heute noch Methan aus CO2  auf rein geochemischem Wege. Die chemischen Bedingungen dort sind also für die Umwandlung von CO2  in organische Substanzen – die Bausteine des Lebens – günstig. 2002 gelang es Wissenschaftlern, ein Poliovirus künstlich herzustellen, da dessen bekannter genetischer Bauplan  im Labor reproduziert werden konnte. Seitdem wurden weitere Viren synthetisch produziert. Diese Experimente gelten allerdings nicht als Beispiele für Abiogenese, da Viren nicht die Standard-Kriterien für Leben erfüllen. Sie reagieren nicht auf Reize, haben keine koordinierte Bewegungssteuerung, es fehlt die Fähigkeit zum Wachstum oder zur Reproduktion, und sie besitzen keine Zellen. Dennoch halten Anhänger der Abiogenese diese Ergebnisse als Bestätigung ihrer Position, da nicht-lebendige Viren und lebende Bakterien nur „molekulare Maschinen“ von unterschiedlicher Komplexität seien. Es wird erwartet dass Wissenschaftler auch Bakterien einmal synthetisch herstellen können. Dazu fehlt aber bisher die notwendige Technologie. Die meisten Wissenschaftler halten es auch für unwahrscheinlich, dass der vollständige Ablauf der Lebensentstehung jemals im Labor simuliert werden kann.

Warum werden manche Menschen 120 Jahre alt und andere nicht mal 70? Und was lässt einige Menschen bis ins hohe Alter fit bleiben, während andere sich schon vor dem Rentenalter mit Wehwehchen rumschlagen müssen? Schon lange suchen Wissenschaftler nach der biologischen Basis für unsere Lebensdauer. Eine Untersuchung anhand des Stammbaums von mehr als 400 Millionen Menschen kam zu dem Ergebnis:  Die Erblichkeit der Lebensdauer ist offenbar geringer als bisher angenommen. Die Wissenschaftler kamen für den Einfluss der Gene auf einen Wert von maximal sieben Prozent. Selbst dieser Wert könnte durch soziokulturelle Einflüsse geprägt sein, so dass der reine Effekt der Gene möglicherweise noch niedriger liegt. Das bedeutet: Selbst wer aus einer Familie von eher Langlebigen kommt, kann sich nicht auf die Vererbung als Lebensverlängerer verlassen.

Eine neue Studie der schottischen Universität Edinburgh hat nun ergeben dass die Proteine LPA und VCAM1 einen besonders starken Einfluss auf den Alterungsprozess haben. Das eine Protein Apolipoprotein(a) (LPA) wird in der Leber produziert und kann eine Rolle bei der Blutgerinnung spielen. Zu viel LPA kann zu einem erhöhten Arteriosklerose-Risiko führen, also zu einer Verstopfung der Arterien mit fetthaltigen Substanzen. Außerdem wird es mit einem erhöhten Risiko für Herzkrankheiten und Schlaganfälle in Verbindung gebracht. Das andere Protein, das sogenannte vaskuläre Zelladhäsionsmolekül 1 (VCAM1) steuert die Ausdehnung und den Rückzug von Blutgefäßen – eine wichtige Funktion sowohl bei der Blutgerinnung als auch bei Immunreaktionen. Der körpereigene VCAM1-Spiegel steigt tendenziell an, wenn Menschen mit einer Infektion kämpfen. Menschen, die von ihren Eltern DNA geerbt hatten, die diese beiden Proteine enthielt, neigten dazu, gebrechlicher zu sein, hatten einen schlechteren allgemeinen Gesundheitszustand und im Vergleich zu anderen eine geringere Wahrscheinlichkeit alt zu werden. Die Forscher gehen davon aus, dass Medikamente, die den LPA- und VCAM1-Spiegel senken, sowohl die Lebensqualität als auch die Lebenserwartung verbessern könnten. In einer aktuell laufenden Studie wir ein Medikament getestet, das die LPA-Konzentration senkt, um das Risiko von Herzerkrankungen zu verringern. Klinische Studien, die sich auf VCAM1 konzentrieren, gibt es zurzeit zwar nicht, aber Untersuchungen an Mäusen hat gezeigt, dass eine Senkung des VCAM1-Spiegels die Gehirngesundheit im Alter verbessert.

Es gibt verschiedene Vorstellungen, was nach dem Tod passiert: Fegefeuer, Limbus (Theologie), Partikulargericht, Leben nach dem Tod, Reinkarnation, Hölle.

Aus Sicht der Philosophie und Religion lassen sich vier Grundauffassungen unterscheiden:

  1. Der Tod ist das endgültige Ende der körperlich-organischen und der aktiven, physisch feststellbaren geistigen Existenz eines Lebewesens (so etwa die Ganztodtheorie). Die Ganztodtheorie nimmt an, dass mit dem Tod der ganze Mensch – Leib und Seele – stirbt. Die auch in der Bibel oft erwähnte  Unsterblichkeit der Seele wird bestritten. Mt 25,46: Und sie werden weggehen und die ewige Strafe erhalten, die Gerechten aber das ewige Leben. Mt 10,28: Fürchtet euch nicht vor denen, die den Leib töten, die Seele aber nicht töten können, sondern fürchtet euch vor dem, der Seele und Leib ins Verderben der Hölle stürzen kann. Joh 11,25: Jesus erwiderte ihr: Ich bin die Auferstehung und das Leben. Wer an mich glaubt, wird leben, auch wenn er stirbt. Die Anhänger der Ganztodtheorie erwarten zwar eine Auferstehung , diese wird aber als  Neuschöpfung des ganzen Menschen nach dessen vollständiger Auslöschung verstanden. Die Ganztodtheorie wird  von einigen evangelischen Theologen und Religionsgemeinschaften (z. B. die Zeugen Jehovas) vertreten.
  2. Der Tod ist nur eine Phase, die schließlich zu einem neuen individuellen Leben führt (Wiederverkörperung durch Reinkarnation).
  3. Der Tod ist der unumkehrbare Übergang in einen anderen Seinszustand (Weiterleben in einem Totenreich, Jenseits, Auferstehung, Himmel, Unsterblichkeit), s. a. Leben nach dem Tod.
  4. Leben und Tod sind indifferent (in einigen mystischen Richtungen, wie im Zen.

Kaum eine wissenschaftliche Frage fasziniert uns Menschen mehr als die nach Ursprung und Wesen des Bewusstseins. Der Neurophysiologe Christof Koch entwickelte (1916 – 2004) seine »neuronale Theorie des Bewusstseins«, die besagt das unser Eindruck eines kontinuierlichen Stroms von Sinneseindrücken und Gedanken auf einer Illusion beruht. In Wirklichkeit arbeitet unser Bewusstsein wie eine Filmkamera – immer wieder neue Momentaufnahmen erregen unserer Aufmerksamkeit. In der Großhirnrinde wechseln sich Wahrnehmungen, Assoziationen und Erinnerungen ab, aktiviert durch teils weit auseinander liegenden Neuronenverbänden.