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Wo und wie begann das Leben?
Auf dem Grund des Ozeans, wo kein Sonnenlicht hinkommt und der Druck ein U-Boot wie eine Blechdose zerquetschen würde, brodeln Vulkane und sprudeln Chemikalien aus Spalten im Meeresboden. Hier, in völliger Dunkelheit und bei eisiger Kälte, gedeihen einige der bizarrsten und unwahrscheinlichsten Lebensformen unseres Planeten. Diese Orte – sogenannte hydrothermale Quellen – sind mehr als nur fremdartige Oasen des Lebens. Sie könnten auch die Antwort auf eine der größten Fragen enthalten, die jemals gestellt wurden: Wo und wie begann das Leben?
Artikel von Ila France Porcher, X-Ray Magazine
Eine Welt ohne Sonnenlicht
Während eines Großteils der Menschheitsgeschichte ging man davon aus, dass alles Leben direkt oder indirekt von der Sonne abhängig ist. Pflanzen absorbierten Sonnenlicht durch Photosynthese, Pflanzenfresser fraßen die Pflanzen und Raubtiere fraßen die Pflanzenfresser. Jeder Schritt in der Nahrungskette basierte auf Sonnenenergie. Doch 1977 wurde diese Vorstellung auf den Kopf gestellt. Jack Corliss von der Oregon State University und Tjeerd van Andel von der Stanford University entdeckten am 17. Februar 1977 bei der Erforschung der hydrothermalen Schlote des Galápagos-Rifts mit dem Forschungs-U-Boot DSV Alvin ein reichhaltiges Ökosystem.
Obwohl die Wassertemperatur in einigen Bereichen 400 °C erreichte und das Wasser mit Chemikalien wie Schwefelwasserstoff und Methan angereichert war, gab es überall Leben. Riesige Röhrenwürmer, gespenstisch weiße Krabben, Matten aus mikrobiellem Leben, wie man sie noch nie zuvor gesehen hatte, und unzählige andere unbekannte Arten füllten ihre Lichtstrahlen.
Hier, in völliger Dunkelheit, blühte das Leben ohne einen einzigen Sonnenstrahl. Es war ein Ökosystem, das auf der eigenen Wärme des Planeten basierte.
Chemisches Feuer: Leben aus der Tiefe
Das Geheimnis war die Chemosynthese. Anstatt sich zur Energiegewinnung auf Sonnenlicht zu verlassen, nutzten Mikroorganismen in der Umgebung der Schlote chemische Reaktionen, um sich mit Energie zu versorgen. Spezielle Bakterien wandelten Schwefelwasserstoff, ein für die meisten Organismen giftiges Gas, in nutzbare Energie um. Sie bildeten die Grundlage eines gesamten Nahrungsnetzes.
Weitere Forschungen haben unterschiedliche Ökosysteme rund um hydrothermale Schlote auf der ganzen Welt entdeckt, die alle wie etwas von einem anderen Planeten aussehen: Felder mit rot gefiederten Röhrenwürmern, Gruppen von Schnecken mit Eisenschalen und Garnelen mit lichtempfindlichen Flecken auf dem Rücken anstelle von Augen. Einige Schlote beherbergen noch unbeschriebene Arten, die unter extremer Hitze, Druck und chemischen Bedingungen leben, die bisher als unbewohnbar galten.
Und diese Tiefsee-Ökosysteme sind uralt und spiegeln möglicherweise die allerersten Ökosysteme wider, die jemals existiert haben.
Möglicher Geburtsort des Lebens
Die Bedingungen um hydrothermale Quellen herum ähneln auffallend denen, die für die frühe Erde vor etwa 4 Milliarden Jahren angenommen werden. Damals war unser Planet ein chaotischer Ort. Er wurde von Asteroiden bombardiert, der Himmel war rot, die Luft war unatembar, und noch keine Pflanzen hatten sich auf das Land gewagt.
Daher vermuten einige Wissenschaftler heute, dass das Leben nicht, wie einst angenommen, in flachen, sonnenbeschienenen Gewässern entstanden ist, sondern in den dunklen chemischen Schmelztiegeln der Tiefsee. Die Bausteine des Lebens – einfache organische Moleküle wie Aminosäuren – könnten sich in den warmen, mineralreichen Gewässern um hydrothermale Schlote gebildet haben. Natürliche Strukturen, sogenannte Kamine, die aus porösem Gestein bestehen und reich an Metallen sind, könnten wie primitive Zellen gewirkt haben, indem sie Chemikalien konzentrierten und die ersten selbstreplizierenden Reaktionen katalysierten.
Das tiefste Geheimnis
Trotz zunehmender Beweise und vielversprechender Theorien bleibt der wahre Ursprung des Lebens jedoch eine der größten unbeantworteten Fragen der Wissenschaft. Wie wurden einfache Moleküle komplex? Wie entstanden selbstreplizierende Systeme aus einem leblosen Gemisch aus Mineralien und Hitze?
Hydrothermale Quellen bieten zwar eine überzeugende Umgebung – eine reichhaltige Mischung aus Hitze, Mineralien und organischen Molekülen –, doch die genauen Schritte, durch die nicht-lebende Chemie zu lebenden Zellen führte, sind noch unbekannt.
Das große Problem ist die unglaubliche Komplexität der einfachsten Form des Lebens: der Zelle. Von Bakterien bis zum Menschen ist die grundlegende Form der Zelle dieselbe. Innerhalb der Zelle befinden sich viele Organe, von denen jedes eine komplexe Maschine ist und jedes für das Funktionieren des Ganzen notwendig ist. Es wird angenommen, dass sich in den warmen Meeren der jungen Erde einfache Moleküle wie Aminosäuren und Nukleotide spontan gebildet haben. Unter bestimmten günstigen Bedingungen könnten sie sich zu Polymeren wie RNA aufgebaut haben, die schließlich zu sich selbst replizierenden Molekülen wurden. So entstand möglicherweise eine „RNA-Welt”, in der Moleküle sowohl Informationen als auch katalytische Funktionen trugen. Schließlich konnten einfache membrangebundene Vesikel (Protozellen) diese Moleküle einfangen und konzentrieren. Dies könnte selektive Vorteile mit sich gebracht haben, die sich im Laufe der Zeit und dank der natürlichen Selektion zu effizienteren und komplexeren Systemen entwickelten, aus denen schließlich die erste echte Zelle hervorging.
Wissenschaftler diskutieren weiterhin, ob dieser Prozess durch die Chemie der Schlote, durch Blitzeinschläge in Gezeitentümpeln oder sogar durch außerirdisches Material ausgelöst wurde, das von Kometen gebracht wurde.
Schwarze Raucher und weiße Raucher: Die Schlote selbst
Nicht alle hydrothermalen Schlote sind gleich. Einige werden als schwarze Raucher bezeichnet, benannt nach den dicken, dunklen Rauchwolken, die sie ausstoßen. Diese sind mit Eisensulfiden gefüllt und ähneln Rauch. Sie sind heiß und sauer, beherbergen jedoch oft dichte Gemeinschaften hitzeunempfindlicher Lebewesen.
Andere, sogenannte weiße Raucher, stoßen kühlere Flüssigkeiten aus, die reich an Barium, Kalzium und Silizium sind. Eines der faszinierendsten Systeme weißer Raucher, das entdeckt wurde, ist Lost City, eine hoch aufragende Landschaft aus Entlüftungsschornsteinen aus Karbonatmineralien, die bis zu 60 Meter hoch sind. Im Gegensatz zu schwarzen Rauchern, die auf vulkanische Hitze angewiesen sind, wird Lost City durch Serpentinisierung angetrieben – eine chemische Reaktion zwischen Meerwasser und dem Gestein des Erdmantels.
Lost City ähnelt möglicherweise eher den Bedingungen der frühen Erde und ist daher ein idealer Ort für die Erforschung des Ursprungs des Lebens. Seine Schlote stoßen seit Zehntausenden von Jahren aktiv Flüssigkeiten aus – möglicherweise viel länger als schwarze Raucher, die dazu neigen, in kürzeren Zeiträumen zusammenzubrechen und sich wieder aufzubauen.
Lebewesen der Tiefsee
Das Leben, das rund um die Schlote gedeiht, sieht oft so fremdartig aus wie die Umgebung selbst. Riesenröhrenwürmer (Riftia pachyptila) werden über zwei Meter lang und haben weder Mund noch Verdauungssystem. Stattdessen sind sie vollständig auf symbiotische Bakterien in ihrem Körper angewiesen, um Chemikalien in Energie umzuwandeln.
Schuppenfußschnecken kommen nur in den Schloten des Indischen Ozeans vor. Sie haben mit Eisen angereicherte Schalen und Schuppen, die als natürliche Panzerung dienen, die im Tierreich ihresgleichen sucht.
Um die Schlote des Mittelatlantischen Rückens herum kommen Schlotgarnelen vor. Sie sind fast blind und navigieren mithilfe von Wärmesensoren. Ihre einzige Nahrung stammt von den Bakterien, die ihren Rücken bedecken.
Pompeji-Würmer leben in Röhren in der Nähe von schwarzen Rauchern. Mit Temperaturen von über 80 °C (176 °F) gehören sie zu den hitzeunempfindlichsten Tieren der Erde. Auf ihrem Rücken beherbergen sie Bakterien, die ihnen möglicherweise als Isolierung dienen.
Jedes dieser Lebewesen hat sich auf eine Weise angepasst, die unser Verständnis von Biologie und Evolution in Frage stellt.
Was bedeutet das für das Leben außerhalb der Erde?
Wenn Leben in kochenden, sauren Umgebungen mit hohem Druck, ohne Sonnenlicht und Sauerstoff gedeihen kann, ist es anpassungsfähiger an extreme Umgebungen, als die Wissenschaft bisher angenommen hatte. Die Entdeckung einer solchen Vielfalt an Leben rund um Tiefsee-Hydrothermalquellen wirft die Frage auf, ob es sich auch unter extremen Bedingungen auf anderen Planeten entwickelt haben könnte.
Viele Wissenschaftler richten ihren Blick nun auf Europa (ein Mond des Jupiter) und Enceladus (ein Mond des Saturn), von denen beide vermutlich unterirdische Ozeane haben, die durch Gezeitenkräfte erwärmt werden und möglicherweise hydrothermale Quellen enthalten.
Bei Enceladus wurde sogar beobachtet, dass er Wasserdampfwolken in den Weltraum sprüht, die mit organischen Molekülen durchsetzt sind. Es ist nicht abwegig, sich vorzustellen, dass Tiefseequellen auf diesen Monden mikrobielles Leben oder sogar komplexere Lebensformen beherbergen – außerirdische „Röhrenwürmer”, die sich lautlos in fremden Strömungen wiegen, und noch seltsamere Lebensformen, die es auf der Erde nicht gibt.
Noch immer so viele Fragen
Trotz jahrzehntelanger Forschung bleiben hydrothermale Quellen geheimnisvoll. Wir wissen immer noch nicht, wie lange viele dieser Ökosysteme bestehen bleiben, wie Organismen neue Quellen besiedeln oder wie sich das Leben in den Quellen im Laufe der Zeit verändert. Ein Großteil der Tiefsee ist noch unerforscht – mehr als die Oberfläche des Mars – und es werden immer noch neue Quellensysteme entdeckt.
Die Wissenschaft hat gerade erst begonnen, diese abgelegenen Orte zu erforschen. Jeder Tauchgang in die Tiefsee bringt zwar faszinierende neue Erkenntnisse, aber jede Entdeckung vertieft auch die Geheimnisse.
Die Erforschung der Tiefsee wird mit fortschrittlichen Tauchbooten und ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs) fortgesetzt, die dem Druck und der Temperatur der Umgebung der Schlote standhalten können. Jüngste Missionen zum Mid-Cayman Rise, zum Indischen Ozean und zum Antarktischen Rücken haben bisher unbekannte Arten entdeckt und Hydrothermalquellenfelder von der Größe ganzer Städte kartografiert.
Wenn Hydrothermalquellenfelder altern, sich verschieben und sterben, müssen ganze Lebensgemeinschaften wandern oder sterben. Wie sie das tun und wie fragil oder widerstandsfähig diese Ökosysteme wirklich sind, ist noch unbekannt. Angesichts drohender Gefahren wie dem Tiefseebergbau wird es immer dringlicher, diese Lebensräume zu verstehen, bevor sie irreparabel geschädigt werden.
Leben, geschmiedet im Feuer
Die Geschichte des Lebens auf der Erde begann möglicherweise nicht in sonnenbeschienenen Untiefen, sondern in lichtlosen Tiefen – zwischen dampfenden Spalten im Meeresboden und chemischen Plumes. Hydrothermale Quellen sind nicht nur wissenschaftliche Kuriositäten. Sie sind lebende Zeitmaschinen, die Hinweise aus einer Zeit flüstern, bevor es Pflanzen, Tiere oder sogar DNA, wie wir sie kennen, gab.
Sie erinnern uns daran, dass Leben hartnäckig ist und auch in der Dunkelheit entstehen kann. Und vielleicht beginnt es auf einem weit entfernten Mond oder Planeten gerade wieder von vorne.