Wie begann das Leben? Wir werden nie mit Sicherheit wissen, wie die Erde vor vier Milliarden Jahren aussah oder welche Reaktionen damals zur Entstehung von Leben führten, aber es gibt eine andere Möglichkeit, die Frage zu stellen. Wenn wir fragen: „Wie kann Leben entstehen?“ statt „Wie hat das Leben begonnen?“, bietet diese einfache Änderung der Verben Hoffnung. Es scheint durchaus möglich, dass wir eine Reihe von offensichtlichen Schritten zum Ursprung des Lebens aufzeigen können, die vielleicht zu einer synthetischen Version des Lebens im Labor führen. Dann werden wir in der Lage sein, eine zufriedenstellende Antwort auf die zweite Frage zu geben: Wie kann Leben auf der Erde und anderen bewohnbaren Planeten entstehen?
Der erste Schritt zum Leben beinhaltet eine grundlegende Frage, die wir beantworten können: Woher kommen die Elemente des Lebens? Werfen Sie einen Blick auf das vereinfachte Periodensystem unten. Sehen Sie die sechs Elemente in Grün? Das sind die sogenannten biogenen Elemente.
Wenn man alle Atome zusammenzählt, aus denen eine lebende Zelle besteht, machen diese sechs fast 99% der elementaren Zusammensetzung von Proteinen, Nukleinsäuren und Zellmembranen aus. Das Leben braucht diese sechs Elemente, aber es funktioniert nur, wenn sich die Elemente zu Molekülen verbunden haben.
Betrachten wir, was passiert, wenn wir zwei oder mehr der Elemente zu einer Verbindung zusammenfügen. Aus Kohlenstoff und Wasserstoff werden zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, und die Kohlenwasserstoffketten in den Zellmembranen sind ein wesentlicher Bestandteil des Lebens. Lässt man drei Elemente zusammenkommen, wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, erhält man Kohlenhydrate wie Zucker und Zellulose. Fünf Elemente – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel – bilden die Aminosäuren der Proteine, und wenn wir Phosphor gegen Schwefel austauschen, bilden fünf Elemente auch Nukleinsäuren wie die DNA. Auch wenn wir die ultimative Quelle der biogenen Elemente kennen, müssen wir auch wissen, wie sie zu Verbindungen werden, und dann, wie die Verbindungen ausreichend komplex wurden, um Leben auf der sterilen Erde vor vier Milliarden Jahren entstehen zu lassen.
Nun können wir zur Quelle der biogenen Elemente zurückkehren. Mit einer Ausnahme wurden die biogenen Elemente, aus denen alles Leben auf der Erde besteht, einschließlich elementarem Silizium und Eisen (aus denen die Erde selbst besteht), in Sternen synthetisiert. Die Ausnahme ist Wasserstoff, und der einzige Grund, warum er auf der Erde als eines der biogenen Elemente vorhanden ist, ist, dass der Wasserstoff im Wasser – H2O – das Glück hatte, nicht von der Sonne eingefangen zu werden, als unser Sonnensystem entstand. Tatsächlich macht Wasserstoff, gemessen an der Anzahl der Atome, etwa 70 Prozent aller Atome des Lebens auf der Erde aus.
Wie könnten die Elemente des Lebens von Sternen stammen? Im Jahr 1946 hatte Fred Hoyle, ein junger britischer Astronom, eine Idee. Hoyle war voller Ideen und hat die meisten davon mutig veröffentlicht, aber nur eine hat die experimentellen und theoretischen Tests überlebt. Um seine Idee zu verstehen, müssen wir uns ein wenig an die Schulchemie erinnern. Alle Materie besteht aus Atomen, und alle Atome haben einen winzigen Kern, der aus Teilchen namens Protonen und Neutronen besteht, die von orbitalen Wolken aus viel leichteren Elektronen umgeben sind. Aber in Sternen ist die Temperatur so hoch, dass die Elektronen abfallen, so dass Sterne wie unsere Sonne aus einem Gas von nackten Atomkernen bestehen, hauptsächlich Wasserstoff und Helium. Wasserstoff ist das leichteste Element, mit einem einzelnen Proton in seinem Kern, und Helium ist das zweitleichteste Element, mit zwei Protonen und zwei Neutronen in seinem Kern. Wenn die Temperatur hoch genug ist, etwa 10 Millionen Grad, verbinden sich die Wasserstoffe zu Helium und setzen eine enorme Menge an Energie frei. Das ist die Energie, die Sterne zum Leuchten bringt.
Hoyles brillante Erkenntnis war, dass eine zweite Fusionsreaktion beginnt, wenn sich ein Stern dem Ende seines Lebens nähert und seine Temperatur 100 Millionen Grad erreicht. An diesem Punkt verschmelzen zwei Heliumkerne zu Beryllium, dem leichtesten metallischen Element, das dann mit einem weiteren Heliumkern zu Kohlenstoff fusionieren kann. Frühere theoretische Modelle hatten bereits gezeigt, dass, wenn Kohlenstoff in einem Stern vorhanden ist, Stickstoff und Sauerstoff in einem Prozess entstehen können, der als Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus bezeichnet wird und die primäre Quelle der Fusionsenergie in großen, heißen Sternen auf dem Weg zu Novas und Supernovas ist. Diese Modelle beinhalteten keine Kohlenstoffquelle, und hier füllte Hoyle eine Lücke.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Atome von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor, aus denen alles Leben auf der Erde besteht, in Sternen bei Temperaturen geschmiedet wurden, die heißer sind als jede Wasserstoffbombe. Als lebende Organismen sind wir in keiner Weise vom Rest des Universums getrennt. Stattdessen leihen wir uns einen winzigen Bruchteil seiner Atome für ein paar Jahre und bauen sie in die vergänglichen molekularen Strukturen der Zellen ein, die die lebendige Einheit allen Lebens auf der Erde sind.
Bildnachweis: „Butterfly Nebula in narrow band of Sulfur, Hydrogen and Oxygen“ von Stephan Hamel. CC BY-SA 4.0 via Wikimedia.