Entstehung des Lebens in der Tiefsee

Zwei Studien lösen das Problem niedriger Ausgangskonzentrationen von Biomolekülen

 

lava-meer-2Die Entstehung des Lebens aus unbelebter Materie setzt relativ hohe Konzentrationen von Ausgangsstoffen (Bausteinen des Lebens) voraus, aus denen sich komplexere Moleküle bilden können.  Hohe Konzentrationen aber können in der Ursuppe sicher nur lokal vorgelegen haben. Dieser Einwand, der oft aus dem Lager der Kreationisten gegen eine natürliche Entstehung des Lebens vorgetragen wird, hat zwar kein großes Gewicht: Schon lange ist bekannt, dass sich Moleküle teils selektiv an mineralischen Oberflächen wie Eisen- und Zinksulfid, in den Poren von Tonmineralien und Meteoriten sowie in Fettsäure-Vesikeln anreichern und dort miteinander reagieren können (vgl. etwa GLAVIN & DWORKIN 2009; MULKIDJANIAN, 2009; SPIRIN 2005; WÄCHTERSHÄUSER 1988). Gleichwohl waren konkrete, empirisch untermauerte Szenarien dafür bislang Mangelware.

Im vergangenen Jahr konnte das Forscherteam um den Biophysiker Dieter BRAUN von der Ludwig-Maximilians-Universität München erstmals nachweisen, dass wasserumspülte Gesteinsporen unter dem Einfluss von Hitze (etwa in den hydrothermalen Schloten in der Tiefsee) tatsächlich günstige Reaktionsräume für die Entstehung und Anreicherung komplexer Biomoleküle wie RNA und DNA darstellen (KREYSING et al. 2015). Wichtig ist dabei vor allem, “… dass die Gesteinspore einseitig erhitzt ist, sodass die der Wärmequelle zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer ist als die andere”, lässt BRAUN auf der Ludwig-Maximilians-Universität München verkünden, der auch Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) und des Center for NanoScience (CeNS) ist.

Der Effekt basiert auf dem Prinzip der so genannten Thermophorese: Befinden sich Moleküle in einem fluiden Medium, in dem ein Temperaturgefälle herrscht, bewegen sich die Moleküle von der warmen zur kalten Seite. Werden porenreiche Mineralien oder Gesteine von diesem ungleichmäßig heißen Medium umspült, sammeln sich die Moleküle in den kühleren Poren, konzentrieren sich dort auf und bleiben gefangen – das poröse Gestein wird zur “Molekülfalle”.

Inspiriert durch diese Ergebnisse modellierte kürzlich eine Forschergruppe um die Chemikerin Simone WIEGAND ein solches System, um die Anreicherung eines präbiotisch wichtigen chemischen Ausgangsstoffs zu simulieren: Formamid (HCONH2), das z. B. bei verschiedenen “Ursuppen-Experimenten” aus Atmosphärengasen entsteht und bei der Bildung komplexer Biomoleküle wie Nukleinbasen eine bisher unterschätzte Rolle zu spielen scheint, entsteht in aller Regel nur in sehr niedriger Konzentration. In dieser stark verdünnten Form ist sie für die Entstehung von Biomolekülen kaum von Bedeutung. NIETHER et al. (2016) konnten jetzt erstmals zeigen, dass eine stark verdünnte Formamid-Lösung unter bestimmten Bedingungen bis auf 85 Gewichtsprozent aufkonzentriert werden kann und somit die Entstehung von Nukleinbasen erklären könnte. (Man kann davon ausgehen, dass auch andere niedermolekulare organische Verbindungen auf diese Weise in den Kapillar-Röhren angereichert werden und somit für diverse präbiotische Synthesen zur Verfügung stehen können.) Weiterlesen

Flagelle weg, Flagelle da

Evolutions-Experimente zur Regulation der bakteriellen Flagelle zeigen exemplarisch, wie flexibel genetische Netzwerke auf starken Selektionsdruck reagieren.

(c) University of Reading

(c) University of Reading

Wie reagieren Organismen und deren Genome auf Selektionsdruck? Welche evolutionären Mechanismen führen dazu, dass Gene neue Aufgaben übernehmen? Ein Forscherteam um Robert Jackson und Louise Johnson (Universität Reading)  stellt zu diesen Fragen ein schönes Experiment vor, in dem die Flagelle des Bakteriums Pseudomonas fluorescens im Zentrum steht (Science 347:1014-17). Die Flagelle, ein Fortbewegungsorgan vieler Bakterien, besteht aus einem beweglichen „Faden“ und einem „Motor“, die über einen Haken verknüpft sind. Aufgebaut wird der ganze Apparat aus einer Vielzahl verschiedener Proteine.

Die Gene für diese Flagellenproteine stehen unter Kontrolle eines Master-Kontrollgens, FleQ. FleQ kodiert für ein „Enhancer-Binde-Protein“. Das heißt, das FleQ-Protein bindet an Kontrollelemente der DNA bestimmter Zielgene (in diesem Fall der Flagellen-Gene) und ermöglicht so, dass die Zielgene zuerst in Boten-RNA (mRNA) umgeschrieben und daraus dann das eigentliche Genprodukt hergestellt wird, also zum Beispiel die Bestandteile des Motors der Flagelle.

Wenn man den „Master-Regulator“ FleQ zerstört, hat Pseudomonas folglich keine Flagelle mehr, denn die nötigen Einzelteile werden nicht mehr hergestellt. Die Forscher um Jackson wollten nun wissen, was passiert, wenn man Pseudomonas-Stämme mit defektem FleQ einem starken Selektionsdruck für Beweglichkeit aussetzt. Findet der Prozess aus spontaner Mutation und natürlicher Selektion eine neue Lösung für das Anwerfen der Flagellen-Gene? Dazu ließen sie Pseudomonas-Stämme mit gentechnisch ausgeschaltetem FleQ unter Bedingungen wachsen, unter denen in den punktförmigen Kolonien der Kulturschale schnell die Nährstoffe ausgehen, und die Bakterien folglich verhungern, wenn sie sich nicht vom Fleck bewegen.

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Experimentelle Evolution der Vielzelligkeit

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C. reinhardtii Zell-Cluster (c) Ratcliff et al. , CC-BY-NC

 

Der Übergang von Einzellern zu vielzelligen Lebewesen ist ein markantes evolutionäres Ereignis. Markant, aber nicht einzigartig, denn Vielzeller sind mehrere Male unabhängig voneinander aus einzelligen Vorfahren hervorgegangen. Und selbst in Labor-Experimenten kann man die ersten Schritte der Evolution der Vielzelligkeit in Echtzeit beobachten.

Wie kann der evolutionäre Prozess aus Mutation und Selektion dazu führen, dass die Nachkommen von Einzel-Zellen plötzlich Verbände bilden? Um diesen dramatischen Übergang schlüssig zu erklären, müssen Evolutionsbiologen einen konkreten Vorteil der beginnenden Vielzelligkeit aufzeigen – eine Situation also, in der einfache, recht unorganisierte Zellverbände mehr lebensfähige Nachkommen haben als Einzeller der gleichen Art. Weiterlesen

Graduelle Evolution der Blatt-Mimikry

Der Schmetterling Kallima paralekta sieht mit geschlossenen Flügeln aus wie ein totes Blatt. Wie entstand diese Tarnung durch Nachahmung (Mimikry) im Lauf der Evolution? Schritt-für-Schritt oder doch in einem großen Sprung?

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Flügel v. K. paralekta (unten rechts) und verwandte Arten. Suzuki et al, Fig 1 (Ausschnitt) , CC-BY

Wieso die Blatt-Imitation für heute lebende Kallima-Arten vorteilhaft ist, liegt auf der Hand. Der Schmetterling wird nicht so leicht gefressen und hat daher Chancen, mehr Nachkommen in die Welt zu setzen als das auffällige Tier vom Nachbarbusch, das gerade von einem Fressfeind verspeist wird.

Kniffliger ist schon die Frage, auf welchen evolutionären Wegen diese spezielle Mimikry entstand. Denn Vorfahren von K. paralekta oder K. inachus sahen aus wie ganz normale Schmetterlinge, ebenso wie viele heute lebende, nahe verwandte Arten anderer Gattungen. Weiterlesen

Der Evolutionsbeweis in unserem Blut

Was der Lebenssaft über unsere evolutionäre Vergangenheit verrät

In: Neukamm, M. (Hg.) Darwin Heute. WBG, Darmstadt, 123-126

 

In meinem kürzlich erschienenen Buch (“Darwin Heute”) wird an diversen Beispielen immer wieder eines deutlich: Viele Erscheinungen ergeben ohne die Annahme einer (kosmischen, chemischen oder biologischen) Evolution nicht den geringsten Sinn; alternative Erklärungen sind nicht zur Hand. Im 4. Kapitel, welches sich unter anderem der chemischen Evolution widmet, stelle ich einen etwas ungewöhnlichen Evolutionsbeleg vor – genauer gesagt, einen Beleg dafür, dass unsere Vorfahren einst im Meer zuhause waren. Wie die Überschrift andeutet, liegt uns dieser Beweis buchstäblich im Blut. Weiterlesen