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Wie aus unbelebter Natur Leben werden kann
Redaktion
/ Pressemitteilung der Goethe-Universität Frankfurt
astronews.com
12. Mai 2026
Wie entsteht Leben? Eine unlängst vorgestellte Studie hat
sich mit der Frage befasst, wie aus einfachen Bausteinen über viele
Zwischenschritte Systeme entstehen, die Informationen speichern, sich
replizieren und schließlich Funktionen ausführen können. Die Untersuchung wirft
einen neuen Blick auf den Übergang von der unbelebten zur belebten Natur.
Die polaren Wassermoleküle sorgen dafür,
dass sich die DNA als Doppelhelix bildet mit den apolaren
Elementen innen und den polaren außen.
Bild: Markus Bernards / ChatGPT [Großansicht] |
Viele Eigenschaften von Molekülen lassen sich nicht aus den Eigenschaften der
Atome vorhersagen, aus denen sie bestehen: Diese Eigenschaften tauchen erst im
Verbund auf - ein Phänomen, das in der Wissenschaft als „Emergenz“ bezeichnet
wird. Eine Publikation der Goethe-Universität Frankfurt beleuchtet aus
chemischer, biologischer und philosophischer Perspektive, wie Emergenz und
Komplexität zusammenhängen. Die Forschenden zeigen, wie aus einfachen Bausteinen
über viele Zwischenschritte Systeme entstehen, die Informationen speichern, sich
replizieren und schließlich Funktionen ausführen können. Ihre Arbeit wirft einen
neuen Blick auf den Übergang von der unbelebten zur belebten Natur. FRANKFURT.
Bakterien sind Lebewesen, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen, und sie
steuern erst einmal nur sich selbst. Und dennoch können sich Bakterien vieler
Arten zu Kolonien zusammenschließen, die sich wie ein komplexer Organismus
verhalten. Darin übernehmen die einzelnen Mikroben plötzlich unterschiedliche
Aufgaben: Einige produzieren einen Schleim, der die Kolonie zusammenhält; andere
versorgen ihre "Geschwister" mit Nährstoffen und Energie; wieder andere sind
besonders beweglich und sorgen so dafür, dass die Kolonie sich ausbreitet.
Zusammen leisten sie also etwas, was jedes einzelne für sich nicht leisten
könnte.
Das plötzliche Auftauchen einer neuen, unvorhersagbaren Eigenschaft eines
Verbunds ist ein Phänomen, das Forschende als Emergenz bezeichnen. "Emergenz
gibt es auch in der Welt der Moleküle", sagt Prof. Harald Schwalbe vom Institut
für organische Chemie und chemische Biologie der Goethe-Universität Frankfurt.
"Nehmen Sie beispielsweise Wasser: Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen und
einem Sauerstoffatom. Wenn diese sich zu Wasser zusammenfügen, entsteht ein
Molekül mit völlig neuen Eigenschaften, die sich nicht aus den Eigenschaften der
einzelnen Atome ableiten lassen."
So ist Wasser polar: Das Sauerstoffatom ist leicht negativ geladen, die
Wasserstoffatome leicht positiv. Ohne die Verbindung dieser Eigenschaften im
Wasser gäbe es kein Leben – zumindest nicht in der heutigen Form. Denn die
Polarität sorgt dafür, dass zwei Wassermoleküle einander anziehen, ähnlich wie
schwache Magneten. Dieser Zusammenhalt ist der Grund, weshalb Wasser zwischen 0
und 100 Grad flüssig ist und nicht gasförmig. Das ist der Temperaturbereich auf
der Erde – bedingt durch ihre Entfernung zur Sonne. Unter den physikalischen
Bedingungen auf der Erde ist Wasser die Flüssigkeit, in deren Umgebung die
Moleküle des Lebens entstehen können und in der chemische Reaktionen in
Organismen beschleunigt werden.
"Das ist wiederum eine Voraussetzung dafür, dass DNA Informationen speichern
kann und Proteine eine bestimmte Struktur annehmen", erklärt der Chemiker. So
besteht DNA aus unterschiedlichen molekularen Bausteinen, die schon vor der
Entstehung des Lebens entstanden sind und von denen einige ebenfalls polar sind,
andere dagegen unpolar. Die polaren Bestandteile fühlen sich in Wasser wohl -
sie drehen sich daher in wässriger Umgebung nach außen. Die unpolaren kommen
dadurch innen zu liegen. Das ist einer der Gründe dafür, warum die DNA unter
natürlichen Bedingungen eine Doppelhelix-Struktur annimmt, ähnlich wie eine
Wendeltreppe, bei der die polaren Geländer außen liegen und die unpolaren Stufen
verdreht übereinandergestapelt sind.
"Die emergenten Eigenschaften des Wassers zwingen also den komplexeren
Molekülen eine bestimmte Ordnung auf", erklärt Schwalbe. "Es ist wie bei einem
Dirigenten, der dafür sorgt, dass die Musiker nicht zufällig vor sich hin
spielen." Diese Ordnung ist dann wiederum eine der Grundlagen dafür, dass diese
komplexen Moleküle ebenfalls bestimmte, unvorhersagbare Eigenschaften
entwickeln. Sie ist beispielsweise mit dafür verantwortlich, dass DNA aus zwei
umeinander verdrehten Strängen besteht. Diese verhalten sich normalerweise
komplementär zueinander - wie zwei zueinander passende Puzzleteile. Daher hat
DNA etwa die Fähigkeit, sich zu replizieren, also Kopien von sich anzufertigen.
Dazu trennen sich die DNA-Stränge, und an jeden Einzelstrang lagern sich aufs
Neue passende Puzzleteilchen an. Die Fähigkeit zur Replikation ist für die
Entstehung des Lebens zentral.
Die kürzlich veröffentlichte Studie nennt insgesamt 13 Merkmale komplexer
Systeme. Eines davon ist das Phänomen, dass diese Systeme manchmal kritische
Zustände erreichen, an denen sich ihre Eigenschaften durch Emergenz fundamental
ändern. Dadurch werden plötzlich neue Funktionen möglich. Wann das genau
passiert, lässt sich nicht vorhersagen. Diese Sprünge waren oft wichtige
Schritte auf dem Weg zur Entstehung des Lebens. Damit sie stattfinden können,
benötigen Systeme einen ständigen Eintrag von Energie – auf der Erde stammt sie
von der Sonne.
Ein Treiber dieser Entwicklung sind evolutive Mechanismen, die bereits vor
der Entstehung des Lebens bei der Entwicklung der Moleküle ansetzten. Sie haben
im Zusammenspiel mit der Emergenz dafür gesorgt, dass sich das Leben zu seinen
vielfältigen Formen entwickelt hat, die wir heute auf der Erde vorfinden. Trotz
dieser Wirkkräfte sei die genaue Art und Weise dieser Entwicklung aber nicht
vorgezeichnet gewesen, betont Schwalbe: Wenn wir die Uhr vier Milliarden Jahre
zurückdrehen könnten, würden ganz andere Lebensformen entstehen, als wir heute
kennen.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie
International Edition veröffentlicht.
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