Was unterscheidet belebte Materie von toter? Sind es die Gene? Oder die Zellen? Biologen tun sich schwer damit, den Begriff des Lebens zu definieren. Es sei eben unfassbar komplex, sagen sie.
Hannover - Die Frage ist uralt, die Antwort längst überfällig: Was ist Leben? Doch trotz der Rechenleistung der Computer und der Fähigkeiten moderner Großgeräte findet die Naturwissenschaft keine einfache Beschreibung und schon gar keine universale Erklärung. „Biologen mögen diese Frage nicht“, gesteht Petra Schwille, Direktorin am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München. Sie ist Biophysikerin und versteht ihre eigene Rolle lieber als die einer Beobachterin. „Wir sammeln unzählige Informationen und wissen einiges“, sagt Schwille, doch trotz aller Erkenntnisse stehe die Forschung bei der alten Menschheitsfrage, was Leben sei, noch am Anfang.
Die Volkswagenstiftung will die Suche nach einer Antwort mit einem Forschungsprogramm ankurbeln und hat Naturwissenschaftler zu einer Expertentagung nach Hannover eingeladen. Dort wurde deutlich, dass sich einige Prinzipien scheinbar schnell formulieren lassen: „Leben ist die aktive Erhaltung des eigenen Systems“, erklärt Petra Schwille – also Vermehrung oder Vervielfältigung. Doch diese Vorgabe erfüllen auch manche modernen Maschinen: Roboter, die so programmiert wurden, dass sie Roboter bauen können. Menschen tun sich schwer damit, eine Maschine mit dem Begriff Leben zu verbinden.
Ein anderer Ansatz ist eher philosophisch: „Leben ist gerichtet, es will irgendwo hin“, schlägt die Biophysikerin vor. Doch dieser Formulierung fehlt die nötige Objektivität, sie lebt vor allem durch die Einschätzung des Betrachters. Manche Bakterien dürfte dieses Prinzip überfordern, während primitiv aufgebaute Viren ein klares Ziel zu verfolgen scheinen, wenn sie sich im Körper verbreiten.
Das Leben bringt Ordnung in das Chaos der Moleküle
Hilfestellung liefern die Gedanken eines Physikers: Erwin Schrödinger. Der rückte in den 1940er Jahren eine andere Fähigkeit in den Vordergrund: Leben sei irgendwie in der Lage, Ordnung zu schaffen aus ungeordneten Molekülen aufgrund von Energieaufnahme. Der Energieumsatz unterscheidet Leben von toter Materie. Schrödingers Ordnung passt zu Beobachtungen, dass Pflanzen Blätter oder Blüten austreiben und Tiere Haut und Gliedmaßen entwickeln. Solche Prozesse der lebendigen Natur entstehen ohne lenkende Hand. Sie sind Ergebnis einer Selbstorganisation, bei der einzelne Moleküle den Gesetzen von Chemie und Physik folgen und deshalb eine Struktur bilden.
Ist das die Basis des Lebens? Das Produkt des natürlichen Prozesses der Selbstorganisation kann lebensnah sein, aber es kann auch sehr industriell werden, wie die Bio-Materialien, die Ehud Gazit produziert. Der Chemiker an der Universität Tel Aviv hat die Selbstorganisation von natürlichen Aminosäuren erforscht, die nach dem Bauplan der Gene gebildet werden. „Wir finden komplexe Strukturen dieser Aminosäuren beispielsweise in den reflektierenden Augen der Krokodile und im Farbenspiel der Chamäleons“, erklärt er.
Doch wenn Gazit die Bedingungen für die Selbstorganisation verändert, entwickeln die Produkte einen technischen Charakter. „Unsere auf diesem Weg hergestellten Bio-Peptide besitzen eine ähnliche Festigkeit wie Metalle“, sagt er. Dieses Prinzip lässt sich beliebig ausweiten. Die 20 Aminosäuren, die als Bausteine für lebenswichtige Peptide identifiziert wurden, bilden viele interessante Strukturen – aber wohl keine, die man als Leben bezeichnen kann.
Viele Biologen konzentrieren sich deshalb auf das, was sie am besten kennen: die Zelle. Sie eignet sich gut als minimale Einheit des Lebens. Sie besitzt eine Hülle und kann sich dadurch von der Umgebung abgrenzen. Sie hat einen Stoffwechsel, nimmt Energie auf und produziert lebensnotwendige Substanzen, die sie mit ihrer Umwelt austauscht. Und die Zelle besitzt etwas, was Menschen mit Leben verbinden – eine Identität, eine Steuereinheit, nämlich das Erbgut: die DNA mit den Genen.
Der Heubazillus kommt zur Not mit 610 Genen aus
So richtet sich die Forschung auf die Frage, was denn die Minimalausstattung einer Zelle ausmacht. Wie sieht die einfachste Form des Lebens aus? Einige Mechanismen einer Zelle sind einfacher als erwartet. Die Zellteilung beispielsweise wird von nur zwei Molekülen kontrolliert, berichtet Petra Schwille. Eines der Moleküle formt durch Selbstorganisation einen Ring, der immer enger wird und schließlich die Zelle zwingt, sich in zwei Hälften zu teilen. Das Streben nach Minimalismus lässt sich leicht bei den Genen austesten. Biologen der Universität Göttingen haben den Heubazillus (Bacillus subtilis) aus das Wesentliche reduziert. Dieses Bakterium ist für Biologen überschaubar, denn es besitzt weniger als 5000 Gene, von denen auch nur 610 existenzwichtig sind. 40 Prozent der Gene lassen sich ausschalten, ohne das Bakterium zu gefährden. Es wächst weiter und teilt sich noch.
„Wenn wir weitere Gene ausschalten, schränken wir die Überlebensfähigkeit des Bakteriums ein“, erklärt Jörg Stülke. Der Organismus werde empfindlicher, die Teilung langsamer, und die Genomstabilität nehme ab. Letztlich wird die Lebensdauer des Heubazillus verringert. Die Biologie bewegt sich auf dem schmalen Grat zwischen Leben und dauerhaftem Überleben.
Sind die 610 Gene des Heubazillus also die Basis des Lebens? Sind sie die Grundausstattung aller primitiven Lebensformen? Der Düsseldorfer Forscher William F. Martin widerspricht. Er untersucht den Anfang des Lebens aus der anderen Richtung: Wie entstand Leben auf der unbelebten Erde? Nach seiner Ansicht hat die DNA der ersten Lebensformen vor drei Milliarden Jahren andere Aufgaben erfüllen müssen als heute und sah deshalb anders aus. Seit dem bewirkt die Evolution, dass sich Leben an verändernde äußere Bedingungen anpassen kann.
„Leben besitzt eine unfassbare Komplexität“, sagt Schwille. Es ist eine Erklärung, warum die Naturwissenschaft sich mit einer Antwort so schwer tut. Man muss nur eine Sorge haben: Wenn die US-Weltraumbehörde Nasa fremdes Leben im Weltraum sucht, wird sie es möglicherweise gar nicht erkennen. Denn es fehlt die Antwort, was Leben eigentlich ist.
Wie entstand das Leben?
Grundlagen
In der Chemie und der Physik erklären die Quantentheorie und das Standardmodell der Teilchenphysik, wie Materie aufgebaut ist, was die Welt zusammenhält und warum chemische Reaktionen ablaufen. Der Biologie fehlt eine ähnlich umfassende Theorie.
Darwin-Prinzip
Die Evolution nach Charles Darwin erklärt zwar die Veränderung und die Entstehung neuer Arten, aber anders als die Theorien der Physik und Chemie kann sie nicht rückwärts interpretiert werden – sie liefert keine Information über den Anfang des Lebens.
Ursprung
Erste Möglichkeit: Die Erde geriet vor vier Milliarden Jahren unter einen Dauerbeschuss von Meteoriten, die mit Aminosäuren die Grundbausteine des Lebens mitbrachten. Zweite Möglichkeit: Durch Blitzeinschläge oder heiße Quellen an der Oberfläche von Vulkangestein bildeten sich aus den Bestandteilen der Ursuppe auf der Erde die ersten Bio-Moleküle. An geschützten Stellen wie in porösem Gestein könnten sie genug Zeit gehabt haben, um größere Moleküle und schließlich Leben zu bilden. Der Vorteil dieses Konzepts liegt darin, dass der Zufall eine geringere Rolle spielt.