Warum die Wahrscheinlichkeit, dass sich aus anfänglich toter Materie von alleine und zufällig immer komplexere Organismen entwickeln, nahe Null liegt
Daraus wird dann abgeleitet, dass es plausibel sei, von der Möglichkeit einer spontanen Abiogenese auszugehen, also einer erdgeschichtlich sich zufällig und aus sich selbst heraus ereignenden Umwandlung von unbelebter Materie (Chemie) in belebte Materie (Biologie).
Doch das ist leider ein Schnellschuss. Denn zunächst einmal sollte man wissen, dass die Aminosäuren als solche natürlich noch keine lebendige Materie darstellen, sondern nur Bausteine für Proteine sind, die aber für sich genommen ebenfalls noch keine lebendigen Einheiten sind. Erst wenn Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate und Lipide in Form einer funktionierenden Zelle zusammenwirken, kann von Leben gesprochen werden. Der Schritt von der Aminosäure zur lebendigen Zelle ist also riesig! Es ist insofern schwer nachvollziehbar, wie man aus dem Miller-Urey-Experiment ableiten kann, die spontane Abiogenese sei erdgeschichtlich wahrscheinlich, geschweige denn eine Tatsache.
Die Grundstruktur der Aminosäure.
Bildquelle: publicdomainvectors.org (gemeinfrei)
Hinter diesen Fachbegriffen verbirgt sich eine unterschiedliche räumliche Gestalt von Molekülen. Aminosäuren sind Moleküle. Im Zentrum einer jeden Aminosäure sitzt stets ein Kohlenstoffatom (C). Um dieses Zentrum herum scharen sich jeweils die folgenden weiteren Atome:
- ein einfaches Wasserstoffatom – es ist in der schematischen Darstellung der Grundstruktur der Aminosäure ganz unten dargestellt (H)
- links eine sogenannte Aminogruppe, bestehend aus zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Stickstoffatom (N)
- rechts eine sogenannte Carboxylgruppe, bestehend aus einem Kohlenstoffatom (C), einem Sauerstoffatom (O) und einer sogenannten Hydroxylgruppe aus einem Sauerstoff- und einem Kohlenstoffatom (OH)
- oben eine sogenannte Restgruppe (R), deren Zusammensetzung je nach Art der Aminosäure variiert
Illustration: Möglicher Chiralsinn von Aminosäuren.
Bildquelle: Wikipedia (gemeinfrei)
Diese Gruppierung von Atomen und Atomgruppen kann in unterschiedlicher räumlicher Gestalt vorkommen. Das ist vergleichbar mit Ihren Händen: Linke und rechte Hand verfügen – sofern sie von Unfällen oder Verletzungen verschont wurden – über die gleichen Finger und sind fast identisch. Wenn Sie Ihre Hände vor sich nebeneinanderlegen, werden Sie aber bemerken, dass sie sich doch in einem Detail unterscheiden: Bei der einen Hand ist der Daumen links, bei der anderen Hand ist der Daumen rechts. Die eine Hand ist wie das Spiegelbild der anderen. So ist es auch bei den Molekülen der Aminosäuren. Chemiker nennen dieses Phänomen „Chiralität“: Die Moleküle können spiegelbildlich die eine oder die andere räumliche Gestalt annehmen und werden dann entweder als L- oder als D-Aminosäuren bezeichnet (siehe die Illustration mit den Händen zum möglicher Chiralsinn von Aminosäuren).
Erstaunlicherweise kommen in lebenden Organismen nur L-Aminosäuren vor. Und es kommen nur D-Zucker vor. Aus irgendeinem Grund baut die Natur also jeweils nur auf eine von zwei möglichen Gestaltformen. Chemiker nennen das „Homochiralität“. Das ist deshalb ein wichtiges Detail, weil es im Miller-Urey-Experiment nicht gelungen ist, Aminosäuren ausschließlich in der L-Form zu erzeugen. Wann immer Wissenschaftler versuchten, aus einer simulierten „Ursuppe“ Aminosäuren zu generieren, traten diese Aminosäuren zu gleichen Teilen in beiden Gestaltformen auf. Dieses Gemisch bezeichnen Chemiker als „Racemate“. Wie und warum die Natur bei der Bildung von Leben nicht die Racemate, sondern die homochirale Variante wählte, stellt die Wissenschaft vor ein ungelöstes Rätsel.
20:17 Minuten, deutsch
Für all diejenigen Leser, die in das spannende Detail mit der Homochiralität noch tiefer einsteigen wollen, finden Sie hier einen Online-Vortrag von Prof. Oliver Lazar. Dabei handelt es sich um den fünften Teil einer ganzen Vortrags-Reihe, die Prof. Lazar zum Thema „Abiogenese“ auf seinem YouTube-Kanal online gestellt hat. Dieser fünfte Teil befasst sich speziell mit dem Problem der Homochiralität. Die anderen Teile der Vortragsreihe befassen sich mit vielen weiteren ungelösten Problemen der Abiogenese, die Ihnen bei Interesse ein noch breiteres Bild vermitteln können.
Professor Lazar hat übrigens Medizin und Informatik studiert – eine interessante Kombination, wenn es um die Frage nach der Entstehung des Lebens geht. Als Mediziner ist Prof. Lazar in den Grundlagen der Chemie und Biologie bewandert. Weil Leben aber auch mit Information zu tun hat (biologische Baupläne, Erbgut, ...) und die Frage relevant ist, wo diese Information herkommt, erweist sich auch sein Hintergrund als Informatiker als bereichernd.
Eine bestimmte Anordnung von Basen im Molekülstrang der RNA lässt sich mit einer bestimmten Anordnung von Buchstaben auf einem Blatt Papier vergleichen. Oder mit einer bestimmten Abfolge von Einsen und Nullen in einem Computercode. All diesen Arten von Anordnungen ist gemeinsam, dass sie Information repräsentieren können.
Schauen Sie sich hierzu einfach das Illustrationsbild zu RNA und DNA an. Auf der linken Seite zeigt es den Aufbau einer RNA. Über die DNA auf der rechten Seite sprechen wir später. Wie Sie unschwer erkennen können, gleicht die RNA einem einfachen spiralförmigen Strang mit unterschiedlichen seitlichen Sprossen. Diese Sprossen stehen für verschiedene Basen. Und durch die Anordnung eben dieser Basen wird Information codiert, so wie die Anordnung bestimmter Buchstaben ein sinnvolles Wort ergeben kann. Viele Worte ergeben Sätze und viele Sätze einen ganzen Text. Und so können viele Sequenzen von Basen in einer bestimmten Reihenfolge den benötigten Bauplan für ein Molekül ergeben.
Sie stellte also nicht nur den „Bauplan“ zur Verfügung, sondern führte zugleich auch die „Bauarbeiten“ aus. Auf diese Weise konnte sie das realisieren, was biologisch betrachtet Leben in seiner einfachsten Form ausmacht: Kopien von sich selbst erzeugen. Bewiesen ist das alles freilich nicht. Es wird aber gemäß der sogenannten „RNA-Welt-Hypothese“ so angenommen, weil sich die Entstehung des Lebens in seiner Frühphase damit nach Meinung der meisten Biologen am besten erklären lässt.
Erst viel später sollen sich infolge weiterer Evolutionsschritte komplexe Zellen gebildet haben. Die RNA ist in diesen Zellen zwar noch enthalten, die Rolle des Informationsträgers hat inzwischen aber eine andere Nukleinsäure übernommen, nämlich die Desoxyribonukleinsäure (DNA). Wie Sie auf der rechten Seite der obigen Abbildung erkennen können, besteht die DNA aus zwei spiralförmig gewundenen Seitensträngen. Sie ist stabiler als die RNA und sie kann auch mehr Information speichern.
Die DNA kann jedoch im Gegensatz zur frühen RNA den „Bauplan“, den sie zur Verfügung stellt, nicht selbst ausführen. Hierfür sind in den Zellen die Proteine zuständig. Und weil die DNA innerhalb der Zelle mit den Proteinen gar nicht in direktem Kontakt steht, braucht es einen Übermittler der Information. Diese Aufgabe übernimmt nun die RNA. So bilden die drei Bestandteile unserer Zellen eine Art zusammenwirkendes Team: Die DNA fungiert als „Architekt und Baumeister“, die Proteine als „Arbeiter“ und die RNA als eine Art „Baustellenleiter“, welcher den Arbeitern Anweisung gibt und verständlich erklärt, was der Architekt, also die DNA, von ihnen erwartet.
Nun wissen wir also, wo der „Bauplan des Lebens“ steckt (nämlich in der DNA), wie er ausgeführt wird und wie die Codierung funktioniert. Aber wie plausibel ist die Behauptung, dass sich all das zufällig so entwickelte? Wie wahrscheinlich ist es, dass sich aus einer Ursuppe von unbelebten Molekülen lange Verkettungen bildeten, die dann zufällig Sequenzen von Basen enthielten, die ausgerechnet eine Bauanleitung für sich selbst ergaben? Wenn Sie eine Buchstabensuppe umrühren und mit dem Löffel nach dem Zufallsprinzip Buchtstaben aus der Suppe herausschöpfen, wie wahrscheinlich ist es, dass die Buchstaben auf dem Löffel dann als sinnvoller Text angeordnet sind, und zwar in genau der Weise, dass der Text das Rezept für die Buchstabensuppe enthält? Wie wahrscheinlich ist es, dass ein Molekül, das seinen eigenen Bauplan codieren kann, zufälligerweise gleichzeitig auch noch dazu in der Lage ist, diesen Bauplan auszuführen, so wie die RNA-Welt-Hypothese das behauptet? Und wie wahrscheinlich ist es außerdem, dass zufällige Mutation im Laufe der Zeit zu einer immer komplexeren und dichteren Informationscodierung führte? Bei der DNA, die wie gezeigt die RNA als Informationsträger ablöste, reden wir immerhin von einer Informationsdichte, die alles übersteigt, was wir Menschen mit modernster Informationstechnologie jemals hergestellt haben. Unsere DNA kann auf kleinstem Raum mehr Daten speichern als jede Festplatte. Die Computerfachzeitschrift „Computer Weekly“ rechnete kürzlich vor:
„Der Abstand von zehn DNA-Basenpaaren ist 3,4 Nanometer lang und hat einen Durchmesser von 2 nm. Jedes Basenpaar ist eine Kombination aus zwei Nukleotiden: Adenin (A) und Thymin (T), oder Cytosin (C) mit Guanin (G). Wenn jedes Paar ein Bit repräsentiert, zum Beispiel AT oder TA als „0“ und CG oder GC als „1“, könnte ein DNA-Strang denkbarerweise 10 Bits pro 6,8 nm2 enthalten. Mit anderen Worten: Die Informationsdichte der DNA beträgt 1,47 Terabit/mm2. Das ist mehr als das 800-fache der Dichte von Festplatten. Bedenkt man, dass ein mikroskopisch kleines menschliches Genom drei Milliarden Basenpaare enthält, die in jeder Zelle fest verwoben sind, sind die Möglichkeiten zur Speicherung von DNA-Daten enorm.“ (Marko, Kurt: Basiswissen: DNA-Datenspeicher und dessen Nutzung, in: Computerweekly.de vom 7. Juli 2021)
Kein Wunder, dass IT-Experten schon längst daran forschen, kommerziell nutzbare Speichermedien zu entwickeln, die auf biologischer DNA basieren. Schauen Sie sich hierzu gerne den nachstehend verlinkten Rückblick auf das High-Tech-Forum der Bundesregierung aus dem Jahr 2021 an, bei dem Biologen und Informatiker gemeinsam über die Chancen und Verfahren zur Speicherung digitaler Daten auf der DNA austauschten.
3:55 Minuten, deutsch
Rückblick auf das High-Tech-Forum der Bundesregierung aus dem Jahr 2021, bei dem Biologen und Informatiker gemeinsam über die Chancen und Verfahren zur Speicherung digitaler Daten auf der DNA austauschten.
Es gibt also sechs verschiedene Kombinationsmöglichkeiten für nur drei Wörter. Mathematisch können Sie diese sogenannte „Fakultät“ mithilfe einer einfachen Formel ermitteln. Dazu müssen Sie die Anzahl der verfügbaren Wörter (hier: drei) an den Beginn einer Kette von Multiplikationen setzten, in deren Verlauf die jeweils nächste Zahl stets um eins geringer ist als die vorherige. Bei drei Wörtern müssten Sie also 3x2x1 rechnen. Das ergibt dann sechs. Und wenn Sie von vier Wörtern ausgehen, kommen Sie auf 4x3x2x1 mögliche Kombinationen, das macht 24. Bei fünf Wörtern ergäben sich bereits 5x4x3x2x1, also 120 Möglichkeiten. Daran sehen Sie, dass die Kombinationsmöglichkeiten mit jedem einzelnen weiteren Wort superexponentiell ansteigen. Hierzu nun die Berechnung von Professor Lazar: Wie viele Versuche braucht man, um 200.000 Wörter zufällig in der richtigen Reihenfolge aus einem Sack zu ziehen? Und vor allem: Wie lange würde das dauern?
„Hätte das Buch [nur] fünf Wörter, bräuchte ich statistisch betrachtet 120 Versuche, bis ich einmal die korrekte Anordnung gezogen hätte. Wenn ich für das Ziehen von fünf Wörtern für eine mögliche Lösung eine Sekunde bräuchte, so hätte ich in zwei Minuten einmal die richtige Anordnung gefunden. Bei zehn Wörtern bräuchte ich dafür schon 42 Tage und bei 20 Wörtern mehr als unglaubliche 77 Milliarden Jahre. [Damit] überschreiten wir das Alter der Erde bereits um das 17-Fache. Wie würde es aussehen, wenn wir das gesamte Harry-Potter-Buch mit 200.000 Wörtern probieren würden? Und die DNA enthält nochmal ein Vielfaches mehr an Information, sie wäre kein Buch, sondern eine ganze Bibliothek.“ (Lazar, Oliver: Jenseits von Materie. Bewegende Erfahrungen eines Wissenschaftlers mit der geistigen Welt und seine Jenseitsforschung, Altendorf 2021, S. 115)