Was sind die Zutaten des Lebens?

Vom mächtigsten Blauwal bis zum winzigsten Paramecium nimmt das Leben, wie wir es kennen, dramatisch unterschiedliche Formen an. Dennoch sind alle Organismen aus den gleichen sechs essentiellen Grundbausteinen aufgebaut: Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel (CHNOPS).

Warum diese Elemente? Um das herauszufinden, befragte Life’s Little Mysteries Matthew Pasek, einen Biogeochemiker an der University of South Florida.

„Zunächst einmal geht Kohlenstoff leicht Bindungen mit anderen Kohlenstoffatomen ein. Das heißt, er bildet riesige Ketten, die als schönes Skelett für andere Atome dienen, an die sie sich binden können“, so Pasek. Mit anderen Worten: Kohlenstoffatome sind die perfekten Bausteine für große organische Moleküle. „Das begünstigt die Komplexität.“

Aber wie erklären sich die anderen fünf chemischen Bestandteile des Lebens? „Eine Sache, die Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff gut macht, ist, dass sie im Überfluss vorhanden sind“, sagte Pasek. „Sie weisen auch Säure-Basen-Effekte auf, was ihnen erlaubt, sich mit Kohlenstoff zu verbinden, um Aminosäuren, Fette, Lipide und die Nukleobasen zu bilden, aus denen DNA und RNA aufgebaut sind.“

„Schwefel sorgt für Elektronen-Shuffle“, so Pasek weiter. „Im Grunde genommen helfen Sulfide und Sulfate mit ihrem Überschuss an Elektronen, Reaktionen zu katalysieren. Einige Organismen verwenden Selen anstelle von Schwefel in ihren Enzymen, aber nicht viele.“

Zu guter Letzt ist Phosphor, meist in Form des Moleküls Phosphat, lebenswichtig für den Stoffwechsel, denn Polyphosphatmoleküle wie ATP (Adenosintriphosphat) sind in der Lage, eine riesige Menge an Energie in ihren chemischen Bindungen zu speichern. Bricht man die Bindung, wird die Energie freigesetzt; macht man dies oft genug, z. B. in einer Gruppe von Muskelzellen, kann man seinen Arm bewegen.

Ende letzten Jahres entdeckten NASA-Wissenschaftler in einem arsenhaltigen kalifornischen See die einzige bekannte Ausnahme von der Phosphoranforderung. Sie fanden einen Stamm von Mikroben, die in der Lage sind, in ihren Molekülen Arsenatome durch Phosphor zu ersetzen, wenn die Phosphorvorräte knapp sind. Arsen ist chemisch ähnlich wie Phosphor, was es für die meisten Lebensformen giftig macht, weil es die Stoffwechselwege stört.

Zusammenfassend lässt sich sagen: „Mit ein paar Ausnahmen ist das, was man zum Leben braucht, CHNOPS, plus eine Prise Salz und ein paar Metalle“, sagte Pasek. „Natürlich müssen diese Zutaten in der richtigen Bindungsstruktur vorliegen, aber das scheint natürlich zu sein. Aminosäuren entstehen spontan, ebenso wie Zucker, Lipide und Nukleobasen.“

Das gilt zumindest für die Erde. Damit sich die nötigen Molekülstrukturen bilden können, muss ein Planet genau den richtigen Abstand zu seiner Sonne haben, er darf weder zu heiß noch zu kalt sein, damit flüssiges Wasser existieren kann. Ein reichlicher Wasservorrat ist ebenfalls hilfreich, denn so können sich die Bestandteile leichter bewegen und aneinander stoßen, um interessante Verbindungen zu bilden. Auch die Schwerkraft muss genau richtig sein. Zu guter Letzt kann ein Blitz die dringend benötigte Energie liefern, um eine Reaktion zu katalysieren, die schließlich zur Produktion der komplexen Moleküle führt – Aminosäuren, Proteine, Fette, Kohlenhydrate, RNA und DNA, die sich für die Entstehung von Leben eignen. Zumindest so, wie wir es kennen.

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