Der Ursprung des Lebens
Das Miller Experiment - Teil 1
Autorin: Sabine Himmelein Februar 2003

Vorwort
1. Der Ursprung des Lebens und seine Erforschung
2. Grundlegendes über die spontane Entstehung des Lebens auf der Urerde
2.1 Die chemische Evolution zum Leben
2.2 Die geochemische Entwicklung der frühen Erde
3. Die Oparin-Haldane-Theorie
4. Das Miller-Urey-Experiment
4.2 Der Versuchsaufbau
4.3 Die Versuchsdurchführung und Beobachtungen

VORWORT

Als ich mich vor einem Jahr für das Thema meiner Facharbeit entscheiden sollte, wählte ich es bewusst aus einem Stoffgebiet, das mich schon seit längerem interessiert: Der Entstehung des Lebens. Zuvor hatte ich manches über die Entwicklung des Universums und der Erde gelesen und war immer wieder begeistert davon, wie sehr unsere Existenz von der Evolution des gesamten Kosmos abhängt. Letztendlich besteht alle Materie aus dem Staub der Sterne; die Elemente, die unseren Körper aufbauen, sind die gleichen, aus denen sich einst das Universum bildete. Vom Urknall bis zum Menschen ist es dieselbe Evolution, die in Richtung wachsender Komplexität treibt und dazu führte, dass aus Teilchen, Atomen und Molekülen die ersten Zellen, Organismen und schließlich höher entwickelte Lebewesen, die Tiere und Menschen entstanden. Die Vorstellung, dass Leben aus einem unbelebten Etwas entstanden ist, schien lange unfassbar - heute aber steht fest, dass das Leben der fortgesetzten Evolution der Materie entspringt. Die Schritte dieser Entwicklung kann man nunmehr theoretisch nachvollziehen und auch im Experiment konnte man Ansätze eines solchen Prozesses mittlerweile bestätigen. Im Rahmen dieser Facharbeit beschäftigte ich mich mit dem ersten Experiment zur modernen Erforschung des Ursprungs des Lebens. Das Ergebnis meiner Recherchen und Versuche habe ich zusätzlich zu einer Homepage zusammengefasst, die unter www.urpool.de.vu zu erreichen ist.

1. Der Ursprung des Lebens und seine Erforschung

"It must be admitted from the beginning that we do not know how life began."¹
Stanley L. Miller, 1974

Die faszinierende Frage nach dem Ursprung des Lebens ist bis heute nicht vollständig beantwortet, aber gerade in den letzten fünfzig Jahren wurden auf diesem Gebiet der Forschung große Erfolge erzielt. Theorien und spekulative Erklärungsversuche zur Entstehung des Lebens gibt es Hunderte, um aber eine Hypothese erhärten zu können, muss sie empirisch belegt werden. Beobachtungen zur Entwicklung des Lebens bezieht man aus Erkenntnissen über Struktur und Funktionieren heutiger Organismen, mittels geochemischer Untersuchungen frühester Gesteine und Fossilien, oder aber durch chemische Experimente, die die Bedingungen der Urerde nachahmen.²

Die ersten experimentellen Befunde wurden im Jahr 1952 gewonnen, als der amerikanische Chemiedoktorand Stanley Loyd Miller ein Simulationsexperiment zur abiotischen Stoffsynthese auf der urzeitlichen Erde durchführte und eine Reihe organischer Verbindungen, unter anderem lebenswichtige Aminosäuren synthetisieren konnte. Damit stützte er die derzeit vorherrschende wissenschaftliche Theorie der spontanen Entstehung, wonach das Leben auf der frühen Erde zwangsläufig durch chemische Prozesse aus anorganischer Materie entstanden ist.

Dieses Experiment bildete den Auftakt zur modernen Erforschung des Ursprungs der ersten einfachen Organismen. Ausgehend davon arbeiten derzeit Wissenschaftler aller Nationen daran, ein Experiment zu konstruieren, welches Leben oder zumindest eine Vorstufe des Lebens zum Ergebnis hat. Sollte es schließlich gelingen Leben im Labor zu erzeugen, wäre das zweifelsohne eine Sensation, denn das uralte Rätsel um unseren Anfang wäre erstmals ganz ohne transzendente Phänomene rational klargelegt.

¹"Zunächst einmal muss zugegeben werden, dass wir nicht wissen wie das Leben begann." aus [2], S.1
² vgl. [4], S.23

2. Grundlegendes über die spontane Entstehung des Lebens auf der Urerde

2.1 Die chemische Evolution zum Leben

Aus Einsichten über den Bau und das Funktionieren der Zelle kann man ableiten, welche Entwicklungen Moleküle auf der jungen Erde durchlaufen mussten, um die ersten lebenden Organismen, die so genannten Protobionten zu bilden. Die chemische Evolution vollzieht sich demnach in vier Stadien:

Zunächst erfolgt die abiotische Synthese und Anhäufung einfacher organischer Moleküle, wie Aminosäuren und Nukleotide.
Im zweiten Schritt verknüpfen sich diese Bausteinmoleküle zu polymeren Makromolekülen, wie Proteinen und Nukleinsäuren.
Dann kommt es zu einer Strukturierung dieser Makromoleküle zu organell- und zellähnlichen Einheiten.
Im letzten Stadium schließlich entstehen aus den Bausteinen und Strukturen die Protobionten, die komplexe Moleküle replizieren können und daraus resultierend einen Vererbungsmechanismus entwickeln.³

Dieser Entwicklungsprozess sollte höchstens 10 Millionen Jahre gedauert haben. Einige Wissenschaftler nehmen sogar an, dass sich das Leben innerhalb von nur einigen tausend Jahren entwickelte.⁴ Eine genauere zeitliche Einordnung erlangt man anhand von geologischen Daten.

³ vgl. [4], S.85; [5], S.536; [8]; [10] Evolution
⁴ vgl. [3], S.258

2.2 Die geochemische Entwicklung der frühen Erde

Der chemischen Evolution zum Leben geht die Entstehung der Erde und somit die Entwicklung unseres Sonnensystems als Teil der physikalischen Evolution des gesamten Kosmos voraus. Nach allgemeiner Überzeugung bildete sich unsere Erde zusammen mit den anderen Planeten des Sonnensystems vor knapp 4,6 Milliarden Jahren, durch die Kollision von Gas, Staub und einer Unzahl kleiner Körper (Planetesimale) interstellarer Materie. Kurz nach ihrer Entstehung bestand die Urerde aus einer glühendheißen und chemisch homogenen flüssigen Masse. Die durch die einschlagenden Planetesimale freigesetzte kinetische Energie und der Zerfall (heute schon zerfallener) radioaktiver Elemente verhinderte eine rasche Abkühlung der Urerde und führte zu einer Differenzierung der chemischen Elemente im Erdinneren. Die schweren Elemente Eisen und Nickel reicherten sich im Zentrum an und bildeten einen Kern aus geschmolzenem Metall.

Leichtere Verbindungen wie Silicate, in denen der Sauerstoff fest gebunden war, häuften sich an der Oberfläche an und formten nach der Abkühlung die feste Erdkruste. Die leichtesten Moleküle Wasserstoff (H₂) und Helium (He) konnten wegen der zu schwachen Gravitation nicht in der Atmosphäre gebunden werden und verdampften ins Weltall. Über die weitere Entwicklung der Urerde, insbesondere die Ausbildung und Zusammensetzung der Uratmosphäre gibt es unterschiedliche Ansichten. Die Wissenschaft ist heute zwar in der Lage durch geochemische Analysemethoden Hypothesen aufzustellen, doch sind die meisten Gesteine, die diese belegen könnten, im Laufe der Erdgeschichte durch Plattentektonik subduziert (subduzieren = durch die Kollision zweier Erdplatten zerstört werden) worden und verschwunden. Die ältesten bisher gefundenen Gesteine sind 3,9 Milliarden Jahre alt, sodass es aus den ersten 700 Millionen Jahren der Erde keine direkten Hinweise auf ihre chemische Zusammensetzung gibt. Man nimmt aber an, dass durch den ausgeprägten Vulkanismus des noch heißen Erdkörpers, sowie durch die verdampfende Materie einschlagender Meteoriten, vor allem Wasserdampf (H₂O), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂), aber auch die reduzierten Formen Methan (CH₄), Wasserstoff (H₂), und Ammoniak (NH₃) freigesetzt wurden. Diese Gase bildeten die Uratmosphäre, wobei über die quantitative Zusammensetzung diskutiert wird. Atmosphärischer Sauerstoff lag allem Anschein nach nicht vor. Lediglich durch die Photolyse des Wassers

2H₂O ----> 2H₂ + O₂

könnte O₂ in geringen Mengen entstanden sein. Nach dem heutigen Wissensstand ist für die Bildung und Erhaltung organischer Verbindungen und der nachfolgenden einfachen Einzeller die Sauerstofffreiheit der frühen Atmosphäre von entscheidender Bedeutung (vgl. [4, 5]).

Bei der Abkühlung der Erdkruste, in den ersten hundert Millionen Jahren, kondensierte ab der 100°C-Grenze der freigesetzte Wasserdampf. So bildeten sich Wolken, die zu Niederschlägen führten, deren Wasser sich in den Becken der Ozeane sammelte.

Einschlagende Meteoriten, hohe Temperaturen, UV-Strahlung, die die Erde ungehindert erreichen konnte, sowie häufige elektrische Entladungen durch Blitze lieferten die nötige Energie für die chemische Evolution auf der frühen Erde. Kohlenstoffisotopenstudien in 3,9 Milliarden Jahre alten Sedimenten von Grönland weisen darauf hin, dass zu dieser Zeit bereits Leben existierte und die chemische Evolution somit abgeschlossen war. Die ältesten versteinerten Reste von Lebewesen wurden von dem Geologen William Schopf in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen in West Australien gefunden (vgl. Abb.2).

3,5 Milliarden Jahre alte Cyanobakterie — Abb.2: eingefärbtes Fossil einer 3,5 Milliarden Jahre alten Cyanobakterie

Ihr hohes Evolutionsstadium deutet darauf hin, dass die Anfänge des Lebens zu diesem Zeitpunkt schon lange beendet waren.⁶

⁶ vgl. [3] S.62ff.; [4], S.85ff.; [10] Abiogenese, Archaikum, Atmosphäre, Erdgeschichte, Evolution von Ökosystemen, Uratmosphäre, Wasserherkunft; [11]; [21]

3. Die Oparin-Haldane-Theorie

Die dargestellte Vorstellung zum chemischen Ursprung des Lebens gründet sich im Wesentlichen auf die Ideen und Arbeiten zweier Wissenschaftler aus den 20er Jahren.

Im Jahr 1924 veröffentlichte der russische Biochemiker Aleksandr I. Oparin das Buch "Ursprung des Lebens" mit dem er die Theorie der chemischen Evolution aufstellte. Er vermutete, dass einfache organische Verbindungen, wie Aminosäuren, Nukleinsäuren und Zucker aus Molekülen der Uratmosphäre entstanden seien.
Oparin behauptete, dass beim Abkühlen der Erde, durch die Zersetzung von Carbiden und Nitriden, Kohlenwasserstoffe und Ammoniak entstanden seien und bei der Reaktion dieser Stoffe zunächst Cyanid und Aminosäuren gebildet wurden. Weitere chemische Reaktionen hätten zu immer komplexeren Substanzen geführt, aus welchen schließlich Leben im Urozean, der Ursuppe, entstand. Der Prozess der chemischen Evolution wurde dabei nicht näher erläutert, allerdings stellte Oparin heraus, dass die chemischen Reaktionen in Abwesenheit von Lebewesen abgelaufen sein mussten, da diese die entstehenden Verbindungen sofort zerstört hätten.

Unabhängig davon publizierte 1928 der englische Wissenschaftler John B. S. Haldane eine ähnliche Vorstellung. Wie Oparin nahm er an, dass nachdem die Urerde sich soweit abgekühlt und eine feste Kruste ausbildete hatte, kein freier Sauerstoff in der Uratmosphäre vorhanden war. Dieser habe sich erst durch die Photosynthese in der Atmosphäre angesammelt. Er erklärte, dass die Uratmosphäre stattdessen vorwiegend aus Kohlenstoffdioxid und Ammoniak bestand. Unter der Einstrahlung von UV-Licht konnten chemische Reaktionen ablaufen, wobei organische Verbindungen gebildet wurden, die sich im Urozean zu einer "heißen, verdünnten Suppe"⁷ anreicherten. Chemische Folgereaktionen dieser Moleküle hätten die ersten primitiven Organismen hervorgebracht, die durch organische Verbindungen aus der Ursuppe mit Nahrung versorgt wurden.

Auch wenn Oparin und Haldane nur Vermutungen aufstellten, waren ihre Ideen dennoch Meilensteine im Verständnis um die Entstehung des Lebens. Sie waren die ersten Wissenschaftler, die sich theoretisch mit der präbiotischen Chemie beschäftigten. Besonders Oparin veröffentlichte noch weitere Bücher und Schriften, in denen er detailliert Reaktionswege beschreibt, die zu komplexen Molekülen führen.⁸

⁷[3] S.38
⁸ vgl. [3] S.35-40; [10] Oparin, Haldane, chemische Evolution

4. Das Miller-Urey-Experiment

4.1 Die Idee und Annahmen zum Simulationsexperiment

Der amerikanische Chemiker, Entdecker des Deuteriums und Nobelpreisträger Harold Urey gab 1951 eine Vorlesung an der Kent Hall Universität in Chicago bei der auch Stanley Miller als Chemiestudent anwesend war. Urey referierte über die Bildung der Planeten und die Entwicklung von chemischen Bedingungen auf der Urerde, welche die Entstehung von Leben ermöglichten. Er fasste seine Annahmen zur Uratmosphäre zusammen, die er nach neuesten Ansichten aus den Bereichen der Geo- und Kosmochemie für reduzierend hielt. Urey erklärte, dass die urzeitliche Atmosphäre aus den energiereichen Gasen Wasserstoff, Methan und Ammoniak bestand, die mittels vorhandener Energien zu organischen Verbindungen reagieren konnten. Außerdem schlug er vor, im Experiment zu erproben, ob unter den Bedingungen der Urerde organische Verbindungen entstehen würden. Bis dahin hatte dies noch niemand getan, obwohl Oparin diese Idee schon 25 Jahre zuvor geäußert hatte. Stanley Miller war daraufhin entschlossen ein solches Experiment durchzuführen. 1952 wurde er bei Urey vorstellig und bat darum, das vorgeschlagene Simulationsexperiment unter Ureys Leitung als Doktorarbeit verwirklichen zu dürfen. Dieser stimmte nur mit einer zeitlichen Einschränkung zu, da ihm das Projekt für eine Doktorarbeit zu unsicher erschien. Doch schließlich begann Miller in Harold Ureys Labor mit dem Entwerfen eines Experimentes, welches basierend auf den Annahmen Ureys die Bedingungen der frühen Erde simulieren sollte.⁹

⁹ vgl. [3] S.41-44; [8]; [10] Urey

4.2 Der Versuchsaufbau

Miller konstruierte diese geschlossene Apparatur (vgl. Abb.5). Zwei Glaskolben wurden durch zwei Glasrohre miteinander verbunden. Der 0,5- Liter Kolben sollte Wasser enthalten und konnte beheizt werden. Der 5-Liter Kolben enthielt zwei Elektroden, zwischen denen ein kontinuierlicher Funke überschlug und sollte mit dem Gasgemisch aus H₂ , CH₄ und NH₃ befüllt werden. Das Verbindungsrohr zum kleineren Kolben war umgeben von einer Wasserkühlung, sodass entstehende Dämpfe zurück in den mit Wasser gefüllten Kolben kondensieren konnten. Das sich anschließende U-Rohr verhinderte eine Zirkulation in die Gegenrichtung. Das zweite Glasrohr enthielt ein Ventil über das Miller die Apparatur ins Vakuum versetzen und die Gase einfüllen konnte. Diese Versuchsanordnung simulierte das Atmosphäre-Ozean-System der frühen Erde. Der mit Wasser befüllte Kolben bildete den Ozean und der beim Erhitzen entstehende Wasserdampf die Verdunstungsdämpfe des Meers nach. Der Wasserdampf stieg in den großen Kolben, der außerdem die reduzierenden Gase enthielt, welche die Uratmosphäre darstellten. Die elektrischen Entladungen imitierten Blitze, der auf der Urerde häufig vorkommenden Gewitter. Unter Einfluss dieser Energie konnten die Gase miteinander reagieren. Die Produkte der Reaktionen passierten den Kondensator und wurden in den "Ozean" (der kleine Kolben mit dem Wasser) gespült. Auf der Urerde waren Niederschläge für das Ausspülen der Reaktionsprodukte verantwortlich. Die schwerflüchtigen Verbindungen sammelten sich im kleinen Kolben und U-Rohr an, während die leicht flüchtigen Substanzen erneut an der elektrischen Entladung vorbei zirkulierten.¹⁰

10 vgl. [1]; [2] S.83-84; [3] S.44-45

4.3 Die Versuchsdurchführung und Beobachtungen

Nachdem ein Glasbläser die Apparatur eigens angefertigt hatte (vgl. Abb.7), konnte Miller mit der Durchführung des Experiments beginnen. Zunächst gab er 200 ml Wasser in den kleinen Kolben. Dann musste die Luft und somit aller Sauerstoff aus der Apparatur entfernt werden. Dies geschah aus zwei Gründen: Zum einen enthielt die Uratmosphäre nach Urey und Millers Annahmen keinen Sauerstoff und zum anderen bestand die Gefahr einer Knallgasexplosion, falls der Sauerstoff durch die elektrische Entladung der Elektroden mit dem zugeführtem Wasserstoff oder Methan reagieren würde. Nach Abpumpen der Luft gab Miller die Gase Wasserstoff, Methan und Ammoniak im Verhältnis (H₂) : (CH₄) : (NH₃) = 1:2:2 hinzu. Danach wurde das Wasser zum Kochen gebracht und der Funkenüberschlag gestartet. Das Experiment lief nun eine Woche lang durchgehend. Bereits nach einem Tag färbte sich das Wasser leicht rosa. Am Ende der Woche war die Lösung im kleinen Kolben tiefrot bis bräunlich und trübe. Auf der Innenseite des großen Kolbens hatte sich eine gelb-braune, ölige Schicht gebildet.¹¹

¹¹ vgl. [1]; [3] S.46