Da Phosphor eine Schlüsselrolle beim Ursprung des Lebens auf der Erde gespielt hat, haben Wissenschaftler großflächige Natronseen, in denen der natürlicherweise rare Mineralstoff in hoher Konzentration enthalten ist, als möglichen Ursprung allen Seins auserkoren.
Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren verdichtete sich im Weltall eine Wolke aus Gas und Staub zur Sonne und zu den Planeten, darunter auch unsere Erde. Doch was sich dort danach in einem unwirtlichen Umfeld abgespielt hatte, birgt nach wie vor zahlreiche ungelöste Rätsel. Wobei vor allem die Frage, wie sich während der Zeitspanne vor dreieinhalb bis vier Milliarden Jahren aus einer Masse toter Materie Leben entwickeln konnte, die Menschheit und die Wissenschaft seit jeher am meisten beschäftigt. „Alle Theorien gehen von einer gemeinsamen Annahme aus: Dass spätestens ab dem Zeitpunkt, als chemische Reaktionen zur Vermehrung der daran beteiligten Moleküle führten, eine Art Evolution möglich war“, so die „Süddeutsche Zeitung“. Der renommierte US-Biologe und Biomolekular-Techniker Prof. David W. Deamer von der University of California in Santa Cruz, der sich in seinen Forschungen auch viel mit dem Ursprung des Lebens beschäftigt hat, ging noch einen kleinen Schritt weiter: „Leben kann entstehen, wo Physik und Chemie sich überschneiden.“ In einem Leitartikel der „National Library of Medicine“ stand zu lesen: „Aus evolutionschemischer Sicht kann man davon ausgehen, dass das Leben aus einem Gemisch aus unbelebter Materie entstanden ist: organische und anorganische Verbindungen. Solche Verbindungen reagierten unter günstigen Bedingungen und bildeten Moleküle, die allgemein als ‚biotisch‘ bezeichnet werden und die dank einer Selbstorganisation die ersten Biopolymere und den ersten Proto-Stoffwechsel hervorbrachten.“
Überschneidung von Physik und Chemie
Es würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen, auf sämtliche Theorien zur Entstehung von Lebewesen aus anorganischen oder organischen Stoffen einzugehen, was im Fachjargon als sogenannte chemische Evolution oder auch als sogenannte Abiogenese bezeichnet wird. Ob die „Ursuppe“ für das chemische Labor der jungen Erde bestimmend war oder ob äußere Einflüsse aus dem All wie Kometeneinschläge gemäß der „Panspermie-Theorie“ dabei eine Rolle gespielt hatten, wird noch immer kontrovers diskutiert. Andere Theorien legen besonderen Wert auf die Reihenfolge, in der die Bestandteile des Lebens aufgetaucht sind, ob es zuerst zur Entstehung von RNA gekommen ist oder ob der Bildung des Erbguts womöglich die Formation von Stoffwechselkreisläufen vorgeschaltet gewesen war. Im Folgenden soll das Problem der Benennung des Ursprungsorts für frühes Leben im Mittelpunkt stehen, wofür es ebenfalls eine ganze Reihe von gängigen Hypothesen gibt. Dabei hatte Charles Darwin schon 1871 die Theorie eines warmen Gezeitentümpels aufgestellt, aus dem abwechselnd Wasser verdunsten und nasser Nachschub aus dem Ozean gelangen konnte, was auf Dauer in dem Tümpel zu einem starken Anstieg des Gehalts an organischen Molekülen geführt habe. Auch die These für einen biologischen Startschuss in der Tiefsee des Ur-Ozeans in der Nähe von Hydrothermalquellen, aus deren bizarren Schloten, sogenannten Schwarzen Rauchern, heiße, mit einem Chemiecocktail aus Gasen und Mineralien angereicherte Flüssigkeit entströmt sein soll, hatte jahrelang viele Befürworter. Nicht zuletzt wurden auch tektonische Spalten, Eisschichten, Einschlagskrater oder Geysire als mögliche Kandidaten gehandelt, weil sich in ihnen womöglich die erforderlichen Minerale und Moleküle in ausreichend hoher Konzentration ansammeln konnten.
DNA und RNA aus Phosphat
Einen gänzlich anderen Herkunfts-Pfad, der allerdings noch Berührungspunkte mit Darwins Theorie aufwies, schlugen ab dem Jahr 2020 Wissenschaftler der University of Washington in Seattle ein. Dafür begaben sie sich auf den Weg zur Lösung des sogenannten Phosphat-Problems in der präbiotischen Chemie oder präbiotischen Evolution. Für die Bildung der ersten Bausteine des Lebens auf der Erde aus anorganischen Molekülen war eine deutlich höhere Konzentration von Phosphor, der am häufigsten in Form von Phosphat vorzukommen pflegt, erforderlich, als es diesen Mineralstoff üblicherweise unter natürlichen Bedingungen auf dem jungen Planeten gegeben haben konnte. In Labor-Experimenten konnte das Team sowohl Aminosäuren, die Bausteine der Proteine, als auch Nukleotide, die Bausteine von DNA und RNA, erschaffen. Es stellte sich heraus, dass die zusätzlich dafür benötigten Phosphat-Konzentrationen millionenfach höher waren als die Mengen, die normalerweise in irdischen Gewässern vorkommen.
Mit einer Ausnahme, die die Wissenschaftler tatsächlich in Gestalt der sogenannten Natronseen, die auch als sogenannte Sodaseen bezeichnet werden, ausfindig machen konnten. Es handelt sich um abflusslose Binnengewässer in meist niederschlagsarmen Regionen mit ungewöhnlich hohen pH-Werten und gleichzeitig außerordentlich hochkonzentrierten Anteilen gelöster (Salz-) Mineralien. Manche Natronseen sind reich an Biomasse und gehören zu den produktivsten Ökosystemen der Welt, wobei die dort lebenden Organismen zugleich alkaliphil (eine alkalische Umgebung mit hohem pH-Wert liebend) und halophil (eine Umgebung mit erhöhter Salzkonzentration bevorzugend) sein müssen.
Nachdem die Forscher mittels Labor-Experimenten und chemischen Modellen überprüft hatten, dass sich speziell auch das Phosphat in den Natronseen durch natürliche Prozesse so stark anreichern kann, um mit der hohen Konzentration die Entstehung von Biomolekülen zu ermöglichen, führten sie einen umfangreichen Praxistest im durchschnittlich gerade mal einen Meter tiefen und auf vulkanischem Basaltgestein ruhenden „Last Chance Lake“ in der kanadischen Provinz British Columbia durch. „Weltweit ist kein anderes Gewässer mit einer höheren natürlich vorkommenden Phosphatkonzentration bekannt“, schreibt das Team in einer Anfang 2024 veröffentlichten Untersuchung. „Diese Studie ergänzt die zunehmenden Belege dafür, dass verdunstende Natronseen eine Umgebung bieten, die die chemischen Voraussetzungen für die Ursprünge des Lebens erfüllt. Basaltgestein war auf der frühen Erde wahrscheinlich weit verbreitet, sodass es plausibel ist, dass sich Natronseen bildeten und die Grundlage für die Entstehung des Lebens lieferten“, argumentieren die Forscher. Da die Atmosphäre und das Wasser laut den Wissenschaftlern damals noch weniger Sauerstoff enthalten hatten als heute und weil zudem noch kein Leben vorhanden war, das Phosphat hätte verbrauchen können, seien die Phosphatkonzentrationen in den urzeitlichen Natronseen wahrscheinlich noch deutlich höher gewesen als heutzutage.
Mit explizitem Bezug auf die Forschungen der Kollegen der University of Washington hat der Geowissenschaftler Dr. Craig Robert Walton von der Trinity College University of Cambridge an der Spitze eines Teams von Origin-of-Life-Spezialisten im Rahmen eines Stipendiums am Center for Origin and Prevalence of Life der ETH Zürich eine neue, im Februar 2025 im Fachmagazin „Science Advances“ veröffentlichte Studie zum Ursprung des frühen irdischen Lebens aus geochemischer Perspektive mit Schwerpunkt auf Phosphor und dessen Vorkommen in Natronseen untersucht.
Laut Dr. Walton ist Phosphor neben Stickstoff und Kohlenstoff ein ganz essenzielles Element für das Leben auf der Erde. Da Phosphor ein zentraler Bestandteil von Molekülen wie DNA, RNA, die für die Übertragung und Speicherung von genetischer Information wichtig ist, oder des ATP (Adenosintriphosphat) ist, das Zellen zur Energiegewinnung benötigen. Auch für den Ursprung des irdischen Lebens dürfte Phosphor laut Dr. Walton eine Schlüsselrolle gespielt haben. „Damit biochemische Prozesse, die dem Leben vorausgehen, ins Laufen kommen können, braucht es bestimmte Bedingungen. Eine davon ist ausreichend Phosphor. Seine Verfügbarkeit reguliert das Wachstum und die Aktivitäten von Organismen. Anders als Stickstoff oder Kohlenstoff ist Phosphor auf der Erdoberfläche relativ selten – das galt in der Ära bevor es Leben gab, genauso wie heute“, erklärt das Forscherteam.
Phosphor verbleibt bei Verdunstung in den Becken
Gerade weil Phosphor auf der Erde so rar und selten verfügbar ist, obwohl es von Lebewesen stark nachgefragt wird, wundern sich Wissenschaftler schon seit Langem, wie überhaupt einst Leben entstehen konnte. Zur Beantwortung dieser Frage nahm das Team zunächst einmal Labor-Experimente in Angriff. Diese zeigten, dass die präbiotische Chemie (präbiotisch = Evolution vor der Entstehung des ersten Lebens auf der Erde) sehr hohe Phosphorkonzentrationen erfordert haben musste – etwa 10.000-mal mehr Phosphor, als in Wasser natürlicherweise vorzukommen pflegt. Was zwangsläufig die Frage aufwerfen musste, wie und wo solch hohe Phosphor-Konzentrationen im Wasser auf der Erde vor Milliarden von Jahren angetroffen werden konnten. Die naheliegende Erklärung waren natürlich die Natronseen. Allerdings machte Dr. Walton sogleich die Einschränkung, dass es sich dabei um möglichst große Sodaseen ohne natürlichen Abfluss handeln musste, weil nur diese Kategorie die Phosphorkonzentration auch dann ausreichend lange hochhalten konnte, wenn sich irgendwann darin Leben entwickelt und ständig Phosphor verbraucht.
Laut Dr. Walton geben diese Seen nur durch Verdunstung Wasser ab, das Phosphor verbleibt im Becken und kann nicht durch Flüsse oder Bäche abgeführt werden. Auf Dauer konnten die großen Natronseen daher eine sehr hohe Phosphorkonzentration aufbauen. In kleineren Seen sei das nicht möglich gewesen. „Sobald sich Leben in ihnen entwickelt, würde ihr Phosphorvorrat schneller zur Neige gehen, als er wieder aufgefüllt werden könnte. Dies würde sowohl die chemischen Reaktionen als auch das sich daraus entwickelnde Leben im Keim ersticken“, so Dr. Walton. Bei großen Natronseen seien hingegen die Phosphor-Konzentrationen hoch genug, um sowohl die grundlegenden chemischen Reaktionen als auch das Leben langfristig zu versorgen. Solch hohe Phosphor-Konzentrationen hätten auf einem starken Zustrom von phosphorhaltigem Flusswasser basiert.
Als prägnantes Beispiel für einen idealen Natronsee mit konstant hoher Phosphor-Konzentration von fast einem Millimol führte das Team den kalifornischen „Mono Lake“ an, wo auf einer Fläche von gut 180 Quadratkilometern, doppelt so groß wie der Chiemsee, eine Vielzahl von Lebewesen gedeihen kann. In frühen Erdzeiten könnte der Phosphor-Gehalt in großen Sodaseen noch ganz deutlich höher gelegen haben. „Wenn die Phosphor-Umsatzraten langsamer waren, was für präbiotische Systeme im Vergleich zu biologischen Systemen plausibel erscheint, könnten die Phosphor-Konzentrationen bis zu 100 Millimol betragen haben“, sagt Dr. Walton. Dr. Walton und sein Team halten große Natronseen mit konstant hohem Phosphor-Angebot in der Frühgeschichte der Erde für eine geradezu perfekte Umgebung zur Entstehung des Lebens. Sie gehen davon aus, dass sich das Leben eher in solch großen Gewässern als in kleinen Tümpeln à la Darwin entwickelt hatte. „Diese neue Theorie hilft dabei, ein weiteres Stück des Rätsels um den Ursprung des Lebens auf der Erde zu lösen“, sagt Dr. Walton.