Eins Was verschwindet, wenn nur das Kopiertempo zählt
1967 unternahmen der amerikanische Molekularbiologe Spiegelman und zwei Kollegen ein kleines Experiment, dessen Ergebnis bis heute zitiert wird. Was sie taten, lässt sich in einem Satz sagen: Sie ließen einen RNA-Strang im Reagenzglas immer wieder Kopien von sich herstellen, und das einzige Auswahlkriterium war Tempo. Schon der Anfang ihres Aufsatztitels lautete: „Ein darwinistisches Experiment außerhalb von Zellen“.
Der Versuch ging so: Man nahm ein Virus, das auf die Infektion von Escherichia coli spezialisiert ist, und verwendete dessen Replikase, ein Protein, das nach der Vorlage eines RNA-Strangs neue RNA herstellt. Dieses Enzym kam zusammen mit den nötigen Bausteinen und ein wenig vollständiger RNA des Virus in ein Reagenzglas. Man ließ es eine Runde lang kopieren. Dann entnahm man eine kleine Menge, gab sie in ein neues Röhrchen mit frischen Bausteinen, ließ wieder kopieren, übertrug wieder eine Probe.
Die Zeit, die zum Kopieren blieb, wurde dabei in Abständen verkürzt, von zwanzig Minuten pro Runde bis hinunter auf fünf. Belohnt wurde also nur eines: sich in der verfügbaren Zeit schneller zu vervielfältigen. Hier gab es keine Zellen, keinen Wirt, nichts, was infiziert werden musste. Von der ganzen Welt waren nur Replikase, Bausteine und Zeit übrig.
Schon diese Versuchsanordnung war ein Sieb. Sie erfasste nur eine Sache und behielt deshalb nur, was mit dieser einen Sache zu tun hatte. Der ursprüngliche RNA-Strang des Virus bestand aus mehr als 4.200 Basen.
Mit jeder weiteren Übertragung wurde er kürzer. Der Grund ist einfach: Die Replikase muss jedes Mal vom Anfang bis zum Ende abschreiben. Je kürzer die Kette, desto früher ist eine Abschrift fertig, desto früher kann die nächste beginnen.
Nach der vierundsiebzigsten Runde war die verbliebene RNA nur noch etwa ein Sechstel so lang wie ursprünglich. Bei späteren Versuchen dieser Art wurden kurze Varianten mit gerade etwas mehr als zweihundert Basen ausgelesen; andere Labore erhielten später sogar welche mit nur noch gut fünfzig.
Von über 4.200 auf gut zweihundert. Das Gebilde hat einen geläufigen Spitznamen: Spiegelmans Monster.
Was war da gestrichen worden? Kein Müll.
Für ein Virus, das sein Dasein in Zellen fristet, codieren diese Sequenzen die Erkennung des Wirts, den Zusammenbau der Hülle, die Durchführung der Infektion. Jede dieser Aufgaben ist überlebenswichtig. Nur brachten diese Funktionen in einem Reagenzglas, das einzig die Kopiergeschwindigkeit maß, nicht den geringsten Ertrag. Sie leisteten keinen Beitrag und kosteten obendrein Zeit.
Was der Versuch vorführt, ist eng begrenzt, dafür aber zwingend: Selektion optimiert allein das, was ihr Auswahlkriterium festlegt. Alles, was zu diesem Kriterium nichts beiträgt und zugleich etwas kostet, wird gestrichen.
Es ist ein bisschen wie bei einem Langstreckenlauf, bei dem nur zählt, wer zuerst im Ziel ist. Wer Gepäck trägt, wird es früher oder später wegwerfen, selbst wenn darin alles steckt, was man nach der Ankunft zum Leben braucht.
Ändert man das Kriterium, bleiben andere übrig. 1974 gab dasselbe Labor einen Farbstoff in die Röhrchen, der das Kopieren behindert. Nach mehreren Übertragungsrunden setzte sich eine mutierte RNA durch, der dieser Farbstoff nichts anhaben konnte.
Anders gesagt: Schon das Auswahlkriterium ist ein Aufbau. So nennt diese Reihe etwas, das Grenzen und festgelegte Bestandteile hat und entscheidet, was bleiben darf. Es behält, was es belohnt. Alles außerhalb davon wird gestrichen, wie unentbehrlich es anderswo auch sein mag.
In der Natur ist das ebenfalls keine abstrakte Angelegenheit. Jede Umgebung legt auf ihre Weise fest, „was als Erfolg zählt“. Es hat nur niemand aufgeschrieben.
Im Reagenzglas legen die Experimentatoren den Maßstab fest. Wer legt ihn im offenen Wasser fest? Niemand. Gestrichen wird trotzdem.
Noch etwas müssen wir an diesem Reagenzglas genau sehen: Alle Moleküle schwimmen in derselben Flüssigkeit, sie teilen alles, und die Selektion sieht nur, wie schnell sie sich kopieren. Genau das verändert die Membran, um die es in diesem Beitrag geht.
Zwei Wem nützt der Vorteil?
Stellen wir uns ein vollkommen durchmischtes Gewässer vor, in dem viele Moleküle treiben, die Kopien von sich selbst herstellen können. Dafür gibt es einen Namen: Replikatoren. Alles, was nach dem eigenen Muster eine Kopie erzeugen kann, fällt darunter. Nehmen wir nun an, eines dieser Moleküle mutiert und bringt eine frei diffundierende katalytische Wirkung hervor. Irgendeine Reaktion läuft dadurch etwas schneller ab.
Die Kosten für diese Leistung trägt das betreffende Molekül. Und den Nutzen? Der breitet sich aus; alle Replikatoren im Becken können ihn in Anspruch nehmen. Wie in einem Haus, in dem eine Familie auf eigene Kosten den Aufzug reparieren lässt: Fahren dürfen alle, die zahlende Familie hat dadurch keinen besonderen Vorteil. Der Zusammenhang zwischen „Wer hat etwas verbessert?“ und „Wer hinterlässt mehr Nachkommen?“ wird schwächer, womöglich verschwindet er ganz.
Die wichtigste Wirkung der Abgrenzung besteht deshalb nicht darin, Moleküle zu schützen: Der Nutzen einer Verbesserung wird wieder an die Instanz gebunden, die diese Verbesserung hervorgebracht hat.
Dann ist da ein zweites Problem. Kopierfehler setzen eine harte Obergrenze.
1971 formulierte der deutsche Chemiker Manfred Eigen den Schwellenzusammenhang zwischen Kopierfehlern und der Informationsmenge, die sich erhalten lässt. Erst vier Jahre zuvor hatte er für die Untersuchung extrem schneller chemischer Reaktionen den Nobelpreis bekommen. Der Gedanke ist nicht kompliziert. Man kann ihn am Abschreiben eines Buches erklären.
Angenommen, du schreibst ein Buch ab und bei jedem Zeichen besteht eine Fehlerwahrscheinlichkeit von einem Prozent. Bei zehn Zeichen ist die Abschrift sehr wahrscheinlich fehlerfrei. Bei tausend ist ein Fehler nahezu sicher. Je länger der Text, desto rascher fällt die Wahrscheinlichkeit, dass er vollständig richtig abgeschrieben wird.
Nun kommt eine Bedingung hinzu: Die fehlerfreie Abschrift ist beliebter und wird deshalb häufiger als Vorlage für weitere Abschriften genommen. Auch die fehlerhaften Exemplare gehen um, nur sind sie weniger gefragt.
Ist das Buch so lang, dass kaum noch eine fehlerfreie Abschrift existiert, lässt sich die Information der „richtigen Fassung“ trotz deren größerer Beliebtheit in keiner einzelnen Abschrift mehr zusammenhalten. Die Information zerstreut sich.
Setzen wir zur Veranschaulichung Zahlen ein: Hat die richtige Version einen zehnfachen Vorteil und beträgt die Fehlerquote pro Position ein Prozent, liegt die Grenze bei ungefähr 230 Positionen. Sinkt die Fehlerquote auf ein Promille, liegt sie bei ungefähr 2.300.
Das sind Größenordnungen, die sich aus dem Modell ergeben. Heutige Zellen kopieren DNA mithilfe von Enzymen und mehreren Korrekturstufen so genau, dass nur ungefähr jeder milliardste Buchstabe falsch ist. Deshalb können sie Genome mit mehreren Milliarden Buchstaben bewahren.
Heutige RNA-Viren sind lebende Beispiele für diese Grenze. Beim Kopieren machen sie viele Fehler, ihre Genome umfassen meist nur einige Tausend bis etwas über zehntausend Buchstaben. Coronaviren kommen auf rund dreißigtausend und gehören damit zu den RNA-Viren mit den längsten Genomen. Und ausgerechnet sie bringen ein eigenes Korrekturenzym mit.
Die Richtung ist jedenfalls klar: Ohne Hilfe von Enzymen lässt sich beim Kopieren nur eine begrenzte Sequenzlänge erhalten. Um Enzyme herzustellen, die die Genauigkeit erhöhen, braucht es wiederum längere Sequenzen. Das ist das bekannte Eigen-Paradoxon.
Schon in seiner Arbeit von 1971 schlug Eigen einen Ausweg vor. Um 1977 arbeitete er ihn gemeinsam mit Schuster in einer Reihe systematischer Veröffentlichungen aus. Sie nannten ihn Hyperzyklus.
Der Gedanke: Nicht eine einzige lange Kette soll sämtliche Informationen allein bewahren. Stattdessen helfen sich mehrere kürzere Ketten gegenseitig. Das Produkt von A fördert die Vermehrung von B, B fördert C, und das letzte Glied fördert wieder A. Der Kreis ist geschlossen. So bleibt jede einzelne Kette kurz, während das Ganze eine große Informationsmenge tragen kann.
Auf die Schwachstelle wurde früh hingewiesen. Was geschieht, wenn eine Kette nach einer Mutation weiterhin die Hilfe ihres Vorgängers annimmt, dem nächsten Glied aber nicht mehr hilft? Sie verbraucht Replikationsressourcen, ohne etwas dafür zu leisten, und kopiert sich dank der gesparten Mühe sogar schneller. In einer gut durchmischten Suppe können solche Mitglieder, die „nur nehmen und nichts geben“, den ganzen Kreis aufzehren.
1979 stellte John Maynard Smith die Stabilität dieses Vorschlags ausdrücklich infrage. Im folgenden Jahr veröffentlichten drei weitere Forscher einen Aufsatz, dessen Titel drei Begriffe nebeneinanderstellte: Hyperzyklen, Parasiten, Verpackung. Das dritte Wort war der Ausweg.
1987 entwickelten zwei Forscher den Rahmen des später sogenannten stochastischen Korrekturmodells. Darin werden mehrere Ketten mit einander ergänzenden Funktionen auf viele kleine Kompartimente verteilt. Die Ketten vermehren sich in den Kompartimenten. Hat ein Kompartiment eine bestimmte Größe erreicht, teilt es sich, und seine Ketten werden zufällig auf die beiden Tochterkompartimente verteilt.
Der Clou: Die zufällige Verteilung erzeugt immer neue Unterschiede zwischen den Kompartimenten, und Erfolg oder Misserfolg auf der Ebene der Kompartimente sortieren diese Unterschiede aus. Manche erhalten zufällig eine recht ausgewogene Kombination und vermehren sich als Ganzes schneller. Wo die Mitglieder, die nur nehmen und nichts geben, stark überhandnehmen, sinkt die Leistungsfähigkeit des Ganzen. Solche Kompartimente hinterlassen weniger Tochterkompartimente.
Ein bisschen so, als würde man eine große Schulklasse für eine Aufgabe in viele kleine Gruppen aufteilen. In der großen Klasse gehen die Faulen in der Menge unter und bekommen ihre Punkte trotzdem. In kleinen Gruppen schafft diejenige, in der sich zufällig besonders viele drücken, die Aufgabe nicht. Die mit weniger Drückebergern schneidet gut ab. Das Faulenzen hat sich nicht verändert. Verändert hat sich, wen seine Folgen treffen: nun die eigene Gruppe.
Damit ziehen Selektionskräfte auf zwei Ebenen in verschiedene Richtungen. Auf der Ebene der Moleküle werden diejenigen begünstigt, die schneller kopieren. Auf der Ebene der Kompartimente werden umgekehrt diejenigen begünstigt, die ergänzende Funktionen bewahren können. Die Selektion auf der höheren Ebene begrenzt die Selektion auf der niedrigeren. Dieser Form werden wir im weiteren Verlauf der Reihe noch oft begegnen.
Wenn sich Einheiten einer niedrigeren Ebene jeweils selbst vervielfältigen können, zugleich aber in einer übergeordneten Einheit zusammengefasst sind, die sich als Ganzes vermehrt, kann die Selektion auf den beiden Ebenen in entgegengesetzte Richtungen wirken. Ob die höhere Ebene die niedrigere in Schach hält, hängt von einer Sache ab: Ist ihr Erfolg oder Misserfolg tatsächlich an ihre innere Zusammensetzung gekoppelt?
Ein Experiment von 2016 stützte diesen Mechanismus. Die Forscher trennten ein RNA-Replikationssystem in regelmäßigen Abständen in kleine Tröpfchen auf und mischten es anschließend wieder zusammen. In einem durchgehend homogenen System kann die RNA, die nur nimmt und nichts gibt, die Replikationsressourcen an sich reißen. Die periodische Aufteilung erzeugte dagegen Unterschiede zwischen den Gruppen. Weniger belastete Tröpfchen konnten mehr beitragen, und das System als Ganzes wurde nicht aufgezehrt.
Das ist eine heutige Vorführung im Labor, kein Protokoll dessen, was auf der frühen Erde tatsächlich geschah. Damit der Mechanismus greift, müssen außerdem Bedingungen erfüllt sein: Wie schnell ein Kompartiment wächst, muss wirklich von seinem Inhalt abhängen. Verschmelzen die Kompartimente zu rasch, werden ihre Unterschiede eingeebnet.
Und eine Membran ist nicht die einzige Möglichkeit. Moleküle, die an Mineraloberflächen haften oder sich nicht weit durch Diffusion entfernen können, halten den Nutzen auch ohne Membran in ihrer Nähe. Was Selektion wirklich braucht, ist räumliche Nähe zwischen dem Nutzen und dem, der ihn hervorbringt. Um die anderen Möglichkeiten geht es in Abschnitt sieben.
Drei Dreizehn Größenordnungen
Zunächst: Woraus besteht eine Membran? Ihre Moleküle haben eine Besonderheit. Das eine Ende liebt Wasser, das andere scheut es. Solche Moleküle heißen amphiphil. Das vertrauteste Alltagsbeispiel ist Seife. Mit einem Ende kann sie Fett greifen, mit dem anderen kann sie sich im Wasser lösen. Deshalb kann sie fettigen Schmutz mitnehmen.
Wirft man viele solcher Moleküle ins Wasser, geschieht etwas Interessantes. Das wasserscheue Ende dem Wasser auszusetzen ist energetisch ungünstig. Also sammeln sich die Moleküle von selbst so an, dass die wasserscheuen Enden aneinanderliegen, im Inneren verborgen, während die wasserliebenden Enden nach außen weisen.
Ab einer bestimmten Konzentration können sie sich in zwei Schichten anordnen: Zwei Reihen von Molekülen liegen Schwanz an Schwanz, ihre wasserliebenden Köpfe wenden sich dem Wasser auf der Innen- und der Außenseite zu. Doch auch die Ränder einer solchen Doppelschicht sind im Wasser energetisch ungünstig. Deshalb rollt sie sich von selbst ein, schließt ihre offenen Enden zusammen und bildet ein geschlossenes Bläschen.
Auch eine Seifenblase hat zwei Schichten aus Seifenmolekülen. Nur liegt zwischen ihnen eine Wasserschicht, und die Schwänze ragen nach außen in die Luft. Bei der Zellmembran ist es genau umgekehrt: Zwei Molekülschichten schließen eine Schicht Öl ein. Eine solche Membran ist nur etwa fünf Nanometer dick. Erst zwanzigtausend davon übereinander wären so dick wie ein Blatt Papier.
Für diesen Vorgang braucht es keine Katalyse durch Proteine. Er geschieht von selbst. 1985 extrahierte man organische Moleküle aus dem Murchison-Meteoriten, der 1969 in Australien niedergegangen war, und gab sie in Wasser. Auch sie schlossen sich von selbst zu Bläschen zusammen. Material für Membranen steckt selbst in Steinen, die vom Himmel fallen.
Manches hilft ihnen dabei noch auf die Sprünge. 2003 wurde entdeckt, dass ein sehr verbreitetes Tonmineral die Bildung von Fettsäurebläschen erheblich beschleunigt. Die Tonpartikel werden dabei gleich mit eingeschlossen.
Schon Jahre zuvor hatte man festgestellt, dass die Oberfläche dieses Tons RNA-Bausteinen helfen kann, sich Stück für Stück zu Ketten von einigen Dutzend Einheiten zu verbinden. Ein Tonkörnchen, zwei Hilfestellungen.
Doch für die Selbstorganisation gibt es ein Fenster günstiger Bedingungen, und es ist enger, als man vermuten würde. Damit sich die Moleküle überhaupt zusammenfinden, muss ihre Konzentration im Wasser einen bestimmten Wert erreichen. Dieser Wert ist keine Konstante. Er verändert sich mit Temperatur, Salzgehalt und Säuregrad und unterscheidet sich von Molekül zu Molekül gewaltig.
Die Phospholipide heutiger Zellmembranen ziehen pro Molekül zwei wasserscheue Schwänze hinter sich her. Die einfachsten Fettsäuren haben nur einen. Zu ihnen gehört die Ölsäure im Olivenöl.
In der Chemie gibt man Konzentrationen oft in Mol pro Liter an. Als Vergleich mit Kochsalz: Knapp sechzig Gramm in einem Liter Wasser entsprechen einem Mol pro Liter. Meerwasser kommt ungefähr auf die Hälfte davon.
Bei zweikettigen Phospholipiden liegt dieser Schwellenwert wegen ihrer starken wasserabweisenden Wirkung meist unter einem Millionstel Mol pro Liter. Bei den einfacher gebauten, einkettigen Fettsäuren kann er dagegen ein Tausendstel oder sogar einige Hundertstel Mol pro Liter erreichen. Dazwischen liegen mehrere Größenordnungen.
Das hat eine sehr praktische Bedeutung: Einfache Fettsäuremembranen und moderne Membranen sind grundverschieden, wenn es darum geht, wie viele Moleküle frei im Wasser schwimmen und wie schnell Material zwischen Membranen ausgetauscht wird.
Einfache Fettsäuren sind zudem wählerisch beim pH-Wert. Ölsäure bildet stabile Bläschen beispielsweise nur in dem engen Bereich von ungefähr pH acht bis neun. Wird es saurer, sammelt sie sich zu Öltröpfchen; wird es alkalischer, verteilt sie sich eher auf kleinere Aggregate.
Dann die Durchlässigkeit. Die Membran trennt innen von außen, aber wie sie das tut, ergibt eine Rangliste mit einer gewaltigen Spannweite. Moleküle wie Sauerstoff durchqueren ihren wasserabweisenden Bereich ausgesprochen leicht. Die Durchlässigkeit kann in der Größenordnung von über hundert Zentimetern pro Sekunde liegen. Bei Wasser liegt sie ungefähr bei einem Hundertstel Zentimeter pro Sekunde.
Glycerin ist klein und ungeladen, aber stark wasseranziehend; hier sinkt der Wert auf ungefähr fünf Millionstel Zentimeter pro Sekunde. Bei Kaliumionen kann er bis auf ein Billionstel Zentimeter pro Sekunde fallen.
Vom schnellsten Sauerstoff bis zu den langsamsten Kaliumionen erstreckt sich die Spanne über etwa dreizehn bis vierzehn Größenordnungen. Kaliumionen gelangen also mehr als zehn Billionen Mal langsamer hindurch als Sauerstoff.
Was sind dreizehn Größenordnungen? Ungefähr der Unterschied zwischen „einer Sekunde“ und „dreihunderttausend Jahren“. Dieselbe Membran steht dem einen Molekül beinahe offen und ist für das andere fast völlig geschlossen.
Diese Zahlen stammen von verschiedenen Membranen, Temperaturen und Messverfahren. Man darf sie nicht als einen einzigen präzisen Parametersatz behandeln. Doch die Größenordnungen machen äußerst zuverlässig eines deutlich: Hier steht keine Wand, hier liegt ein Sieb mit einem extrem steilen Gefälle der Durchlässigkeit. Und die Form dieses Siebs bestimmt, welche Probleme die Zelle lösen muss.
Weil die Membran Kaliumionen aufhält, kann die Zelle innen und außen unterschiedliche Ionenzusammensetzungen bewahren. In deinen Zellen ist die Kaliumkonzentration etwa dreißigmal höher als draußen, die Natriumkonzentration dagegen ungefähr zehnmal niedriger. Weil sie Wasser nicht aufhält, muss der osmotische Druck eigens behandelt werden.
Weil sie Sauerstoff nicht aufhält, kann die Zelle seiner Giftigkeit nicht durch Türenschließen entgehen. Umgekehrt gelangt auch der Sauerstoff aus deiner Lunge auf genau diesem Weg ins Blut: direkt durch die Membran, ganz ohne Tür.
In dieser Liste gibt es allerdings einen Ausreißer: das Proton, also den Kern, der übrig bleibt, wenn ein Wasserstoffatom sein Elektron verliert. Nach dem Maßstab anderer einfach geladener Ionen müsste es ungefähr im Bereich der Kaliumionen liegen.
Tatsächlich liegt es in der Größenordnung von einem Zehntausendstel bis zu einem Hundertstel Zentimeter pro Sekunde. Protonen entweichen sehr viel leichter als Kaliumionen; bei derselben Membran liegen sieben bis acht Größenordnungen dazwischen. Warum sie so leicht durchsickern, wird unterschiedlich erklärt.
Eine Erklärung lautet, dass sich in der Membran gelegentlich eine Reihe von Wassermolekülen bildet. Entlang dieser Reihe können Protonen von einem Molekül zum nächsten „weitergereicht“ werden, statt sich selbst hindurchzwängen zu müssen. Merken wir uns das vorerst. In Abschnitt fünf brauchen wir es wieder.
Mit der Selektivität entsteht sofort das Transportproblem. Einiges hält die Membran nicht auf, anderes hält sie allzu gründlich auf. Ausgerechnet zur zweiten Gruppe gehören viele der Bausteine, die eine Zelle benötigt.
Moderne Zellen lösen das mit drei Arten von Vorrichtungen. Kanäle bilden einen durchgängigen, wasserfreundlichen Weg, durch den Stoffe entlang ihres Konzentrationsgefälles gleiten. Dafür wird gewöhnlich keine Energie verbraucht. Transporter binden ihre Zielsubstanz, ändern ihre Form und bringen sie so auf die andere Seite. Pumpen verbrauchen unmittelbar Energie, um Stoffe gegen das Konzentrationsgefälle zu befördern.
Die frühesten Membranen brauchten solche Vorrichtungen womöglich noch nicht. Ein Experiment von 2008 verwendete Membranen aus einfachen Molekülen wie Fettsäuren. Gab man außen Bausteine hinzu, konnten die kleinen Moleküle hinein, während längere Nukleinsäureketten innen blieben. Das Rohmaterial kam also herein, die Vorlage lief nicht davon, und im Bläschen konnte nach dieser Vorlage eine neue Kette verlängert werden. Was damals zusammengesetzt wurde, war noch keine RNA. RNA nach einer RNA-Vorlage in solchen Bläschen aufzubauen gelang erstmals 2013.
Während des gesamten Vorgangs war kein einziges Transportprotein im Spiel. Zugleich legten diese Experimente einen Zielkonflikt offen. Je lockerer die Membran, desto leichter kommen Nährstoffe ohne Transportproteine hinein, doch desto leichter entweichen auch kleine Moleküle und Ionen aus dem Inneren. Je dichter die Membran, desto besser hält sie ihren Inhalt fest, desto mehr ist sie für die Aufnahme geladener Bausteine aber auf Spezialvorrichtungen angewiesen.
Hier gilt kein schlichtes „Je stabiler die Membran, desto besser“. Je länger die Ketten, desto stärker wirkt ihr wasserscheues Ende, desto stabiler wird die Membran und desto langsamer werden Eintritt, Austritt und Austausch der Moleküle. Bei kurzen Ketten ist es umgekehrt.
Besonders lästig sind zweifach geladene Metallionen wie Magnesium und Calcium. Sie binden an die Köpfe dieser Moleküle und lassen die Membran auseinanderfallen. Bläschen aus reiner Ölsäure werden schon durch wenige Millimol Magnesiumionen pro Liter zerstört. Dabei wird Magnesium ausgerechnet für viele RNA-katalysierte Reaktionen gebraucht.
Vier Die Grenze löst das Verdünnungsproblem und erzeugt Druck
Eine Membran hält bestimmte Moleküle in demselben örtlich begrenzten Volumen zusammen. Das Verdünnungsproblem ist entschärft. An seine Stelle tritt ein mechanisches Problem. Zunächst zur Osmose.
Nimm einen Beutel mit winzigen Poren in der Wand: Wassermoleküle passen hindurch, Zuckermoleküle nicht. Fülle Zuckerwasser hinein und lege den Beutel in reines Wasser. Was geschieht?
Wasser strömt in den Beutel. Er bläht sich auf, bis der dabei entstehende Druck weiteres Wasser am Einströmen hindert. Diesen Druck nennt man osmotischen Druck. Eine Rosine, die man in reines Wasser legt, schwillt allmählich an. Das Prinzip ist dasselbe.
Wie groß dieser Druck ist, hängt nur von einer Sache ab: wie viele „Teilchen, die nicht hindurchkönnen“, innen mehr vorhanden sind als außen. Ob die Teilchen groß oder klein sind, ist unerheblich; es kommt auf ihre Zahl an. Ersetzen wir den Beutel nun durch eine Zellmembran und den Zucker durch RNA, Proteine und andere große Moleküle. Es geschieht dasselbe.
Menschliche rote Blutkörperchen haben keine Zellwand. In reinem Wasser schwellen sie rasch an und platzen. Deshalb nimmt man im Krankenhaus für Infusionen physiologische Kochsalzlösung statt reinem Wasser.
Für verdünnte Lösungen lässt sich der osmotische Druck mit einem einfachen Zusammenhang abschätzen. Nahe der Raumtemperatur entspricht jedes Mol pro Liter eines Stoffes, der die Membran nicht durchqueren kann, einem Druck von ungefähr 2,5 Megapascal. Was heißt 2,5 Megapascal? Etwas mehr als das Zehnfache des Drucks in einem Autoreifen.
Schon ein Unterschied von zehn Millimol pro Liter zwischen innen und außen ergibt also etwa 25 Kilopascal. Bei hundert Millimol sind es ungefähr 250 Kilopascal. Winzige Konzentrationsunterschiede können ausreichen, um eine Lipidmembran bis zum Reißen zu spannen. Viele große Moleküle, die nicht durch die Membran passen, in ein Bläschen einzuschließen erhöht folglich nicht nur die Konzentration. Es erzeugt gleichzeitig eine dauerhafte Belastung.
Moderne Bakterien verteilen diese Aufgabe auf mindestens drei Mechanismen.
Die Zellwand trägt den größten Teil der mechanischen Last, die beim Anschwellen entsteht. In salzreicher Umgebung kann die Zelle bestimmte kleine Moleküle aktiv anreichern oder abgeben und so den Unterschied zwischen innen und außen regulieren. Gerät sie plötzlich in Süßwasser, gibt es in ihrer Membran Vorrichtungen wie das Sicherheitsventil eines Schnellkochtopfs: Bei steigender Spannung öffnen sie sich von selbst und lassen rasch Inhalt ab, damit die Membran nicht platzt.
Letztere sind keine gewöhnlichen Kanäle zur Nahrungsaufnahme. Es sind Notventile zum Druckablass.
Wie groß der Druck im Inneren moderner Bakterien tatsächlich ist, wird je nach Messmethode unterschiedlich beziffert: von einigen Dutzend Kilopascal bis ungefähr zwei Megapascal, wobei die höchsten Schätzungen für die Gruppe mit dicker Zellwand gelten. Der Zusammenhang der Größenordnungen ist klar. Die Lipiddoppelschicht allein hält nur begrenzte Spannung aus. Moderne Zellen haben die dauerhafte Last auf die Zellwand verlagert und fangen plötzliche Veränderungen mit Druckablassventilen ab.
Auch die Zellwand gibt es nicht umsonst. Wenn ein Bakterium wächst, muss die Wand fortwährend aufgeschnitten und neu aufgebaut werden. Genau diesen Wiederaufbau blockiert Penicillin. Geschnitten wird weiter, geflickt wird nicht mehr. Der eigene Innendruck bringt das Bakterium zum Platzen.
Eine große Gruppe von Bakterien legt außen um die Membran noch eine zweite. Sie hält viele schädliche Stoffe fern, allerdings auch einen Teil der Nährstoffe. Am weitesten geht die Gruppe um den Tuberkuloseerreger: Außen liegt eine wachsartige Lipidschicht, durch die viele Medikamente nicht hindurchkommen. Das ist einer der Gründe, weshalb Tuberkulose so schwer zu behandeln ist. Jede zusätzliche Schutzschicht stellt eine weitere Rechnung. Doch das sind die Rechnungen heutiger Zellen. Man darf sie nicht rückwirkend den frühesten Zellen aufmachen.
Experimente außerhalb von Zellen umgehen oder nutzen das Problem auf drei Arten. Man hält die Lösungen innen und außen möglichst gleich konzentriert. Oder man verwendet Stoffe, die rasch durch die Membran gelangen, damit das Volumen gemeinsam mit der Fläche wächst. Oder man macht es umgekehrt: Man fügt dem Inneren absichtlich große Moleküle hinzu, die nicht durch die Membran gelangen, und nutzt den Druckunterschied, um die Aufnahme von Membranmaterial im Wettbewerb mit anderen Bläschen anzutreiben.
Als Nächstes die Teilung. Soll ein Bläschen seinen Inhalt weitergeben, muss es wachsen und sich in zwei teilen können. Die früheste Methode war ziemlich grob. Noch einmal die Forschergruppe von 2003: Sie ließ Fettsäurebläschen wachsen, indem diese von außen zugegebene Fettsäuren aufnahmen. Dann presste sie die Bläschen gewaltsam durch enge Poren und zerlegte sie so in kleinere.
Damit lässt sich ein Zyklus durchlaufen. Doch das Pressen wird von der Versuchsanordnung erzwungen, und dabei geht Inhalt verloren. Genau hier setzte die Arbeit von 2009 an: Könnte man ein Bläschen von selbst bis an den Punkt der Teilung bringen, statt es von außen auseinanderzupressen?
Zuerst eine geometrische Tatsache. Die Oberfläche einer Kugel wächst mit dem Quadrat ihres Radius, ihr Volumen mit der dritten Potenz. Je größer die Kugel, desto knapper wird ihre Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Auch deshalb sind Zellen im Allgemeinen so klein: Werden sie zu groß, kommt die Membran mit den Lieferungen ins Innere nicht mehr hinterher.
Diese Beschränkung hat mit dem Material der Membran nichts zu tun. Sie ist reine Geometrie. Was passiert nun, wenn laufend Membranmoleküle hinzukommen und die Fläche vergrößern, während das Innenvolumen nicht schnell genug mitwächst?
Die Kugel ist dann nicht mehr die einzige Form, in der so viel Fläche unterzubringen ist. Die überschüssige Fläche zeigt sich als Ellipsoid, Röhre oder langer Faden. Geht es umgekehrt und nehmen Wasser oder Stoffe im Inneren schneller zu als die Membranfläche, steigt deren Spannung, bis sie undicht wird oder reißt.
Szostak erforschte in seinen frühen Jahren die Enden der Chromosomen und erhielt dafür 2009 gemeinsam mit anderen den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Seit den Neunzigerjahren richtete er sein Labor auf die Frage aus, wie das Leben begann.
2009 machten Ting Zhu und Szostak aus dieser geometrischen Beschränkung einen Weg von Wachstum zu Teilung, für den kein einziges Protein nötig war. Sie brachten große Ölsäurebläschen in eine Lösung, deren gelöster Stoff die Membran nur langsam durchquerte, und gaben Ölsäure hinzu: etwa das Fünffache der ursprünglich vorhandenen Membranlipide. Zuerst wuchs die Fläche der äußeren Membran. Das Innenvolumen konnte nicht im gleichen Tempo nachziehen.
So zogen sich die kugeligen Bläschen innerhalb einiger Dutzend Minuten zu langen Fäden aus. Anschließend reichten die Scherkräfte sanften Rührens aus, um die Fäden in mehrere Tochterbläschen zu zerlegen. Dabei trat erheblich weniger RNA aus dem Inneren aus als beim früheren mechanischen Durchpressen.
Dieselbe Arbeit lieferte auch den Kontrollversuch. Nahm man stattdessen einen Stoff, der die Membran rasch durchqueren konnte, gelangte er hinein, Wasser folgte, und das Volumenwachstum holte das Flächenwachstum ein. Die Bläschen blieben eher kugelig; die Fadenbildung wurde deutlich schwächer. Der Kontrollversuch sagt: Die Zugabe von Fettsäuren führt nicht automatisch zur Teilung.
Entscheidend ist ein vorübergehendes Missverhältnis zwischen Flächen- und Volumenwachstum, zu dem äußere Scherkräfte kommen, die das Zerbrechen vollenden. Wachstum und Teilung sind hier keine Fähigkeit. Sie sind die Folge eines Missverhältnisses. Dieser Punkt ist wichtig, denn er verändert die Form der Frage.
Ist Teilung eine „Fähigkeit“, muss man erklären, wo diese Fähigkeit herkommt. Ist sie dagegen das Ergebnis eines Missverhältnisses, muss man nur erklären, warum Fläche und Volumen nicht im gleichen Takt gewachsen sind. Die Antwort darauf lautet Geometrie und Durchlässigkeit, nicht irgendeine neue Vorrichtung.
Fünf Die Membran ist kein Behälter, sondern ein Generator
In diesem Abschnitt geht es um das am wenigsten intuitive Phänomen des ganzen Beitrags: Eine Membran kann selbst eine Energieanlage sein. Stell dir einen Staudamm vor. Wasser wird auf ein höheres Niveau gebracht, zwischen beiden Seiten entsteht ein Höhenunterschied. Dieses Gefälle selbst ist Energie. Öffnet man ein Wehr und lässt das Wasser zurück nach unten strömen, kann es ein Wasserrad antreiben.
Die Zelle tut dasselbe. Nur hebt sie kein Wasser, sondern Protonen an. Sie pumpt sie von einer Seite der Membran auf die andere. Dadurch entsteht zwischen beiden Seiten ein Unterschied in der Protonenkonzentration und im elektrischen Potenzial.
Dieser Unterschied ist das Gefälle. Wie groß ist es? Zwischen den beiden Membranseiten liegen nur etwas über hundert Millivolt. Doch die Membran ist bloß wenige Nanometer dick. Umgerechnet sind das dreißig Millionen Volt pro Meter. Manche vergleichen es mit einem Blitz.
In der Membran sitzt eine Vorrichtung wie ein Wasserrad. Strömen die Protonen das Gefälle hinab zurück, treiben sie es zum Drehen an. Mit dieser Drehung wird die Energiewährung der Zelle hergestellt. Die Menge dieser Währung, die ein Mensch an einem Tag erzeugt und wieder verbraucht, wiegt zusammengerechnet ungefähr so viel wie er selbst. Die Membran ist hier also kein Behälter. Sie ist der Staudamm selbst.
Und diese Erklärung wurde damals sechzehn Jahre lang zurückgewiesen. Im Juli 1961 veröffentlichte Peter Mitchell in Nature einen Aufsatz, der genau dieses Bild entwarf. Das vorherrschende Denkmodell war damals ein völlig anderes.
Nach der gängigen Vorstellung erzeugte die Atmungskette zunächst ein frei bewegliches „energiereiches Zwischenmolekül“, das seine Energie an den nächsten Schritt weitergab. Das passte zu einer anderen, damals bereits bekannten Form der Energiegewinnung. Viele Forscher erwarteten daher, ein bestimmtes Zwischenmolekül isolieren, abfangen oder nachweisen zu können.
Mitchell sagte: Das muss nicht so sein. Energie kann zunächst als Ungleichgewicht über eine Membran hinweg vorliegen, ohne dass ihr ein energiereiches Molekül im herkömmlichen Sinn entspricht. Die Hypothese stieß lange auf heftigen Widerstand, und das hatte mehr als bloß konservative Gründe.
Sie verlangte den Forschern etwas ab, das damals ausgesprochen befremdlich war: zu akzeptieren, dass Energie nicht in einem bestimmten Molekül stecken muss. Hinzu kamen technische Gründe. Die frühen Versuchspräparate ließen leicht Protonen entweichen, die Unversehrtheit der Membranen war schwer zu kontrollieren. Deshalb konnten viele Experimente die beiden Modelle nicht sauber voneinander unterscheiden.
Von den Fünfzigerjahren bis in die frühen Siebziger wurden zahlreiche Kandidaten für das energiereiche Zwischenmolekül vorgeschlagen. Fast jeder Bestandteil der Atmungskette geriet einmal in Verdacht. Für keinen gelang ein entscheidender Nachweis, der sich allgemein reproduzieren ließ. 1962 glaubte Boyer, der später für die Erforschung der rotierenden Vorrichtung den Nobelpreis bekam, einen solchen Kandidaten erwischt zu haben. Doch das Molekül war ein Zwischenprodukt der Arbeit eines anderen Enzyms und hatte mit der Sache nichts zu tun.
1963 verließ Mitchell aus gesundheitlichen Gründen die Universität. Im Südwesten Englands setzte er ein verfallenes altes Herrenhaus instand, gründete mit eigenem Geld ein kleines Forschungsinstitut und arbeitete dort mit seiner Kollegin Moyle. Mitte der Sechzigerjahre gelang ihnen noch etwas anderes.
Sie zeigten, dass Mitochondrien beim Einsetzen der Atmung messbar Protonen nach außen abgeben, und untersuchten die Mengenverhältnisse zwischen den einzelnen Schritten der Atmungskette und dem Protonentransport. Das stützte unmittelbar die Aussage: „Der Elektronentransport bewegt tatsächlich Protonen über die Membran hinweg.“
1966 gelang ein elegantes Experiment. Zwei Forscher brachten eine pflanzliche Membranstruktur zunächst in eine saure Umgebung, sodass sich ihr Inneres mit Protonen füllte. Dann überführten sie sie rasch in ein alkalischeres Medium mit den nötigen Bausteinen. So entstand künstlich ein Protonengefälle zwischen innen und außen.
Im Dunkeln, ohne jeden lichtgetriebenen Elektronentransport, trieb dieses Gefälle für kurze Zeit die Synthese der Energiewährung an. Das sprach stark für Mitchell. Doch auch dieser Versuch beendete den Streit nicht sofort. Die Anhänger des Zwischenmoleküls konnten ihr Modell abwandeln: „Das Gefälle erzeugt auf indirektem Weg ein noch unbekanntes Zwischenmolekül.“
Wirklich schwer zu umgehen war eine Rekonstruktion von 1974. Zwei Forscher bauten die lichtgetriebene Protonenpumpe eines salzliebenden Archaeons (zu dieser Gruppe gehören auch Organismen, die das Wasser in Salinen rosa färben) zusammen mit der rotierenden Vorrichtung der Mitochondrien in künstliche Bläschen ein. Nach dem Einschalten des Lichts erzeugte die Pumpe ein Gefälle, und die rotierende Vorrichtung nutzte es zur Herstellung der Energiewährung.
Alle übrigen Bestandteile der Elektronentransportkette hatte man aus diesem System entfernt. Übrig waren genau drei Dinge: eine Pumpe, eine dicht geschlossene Membran und ein Wasserrad. Die Energieumwandlung funktionierte trotzdem.
Von der ersten Formulierung 1961 bis zum Abklingen des Hauptstreits um 1977 vergingen ungefähr sechzehn Jahre. Der Nobelpreis für Chemie von 1978 ging allein an Mitchell.
Abklingen bedeutete allerdings nicht, dass eine Seite kapitulierte. Ende der Siebziger war der Hauptstreit darüber, ob das transmembrane Gefälle das zentrale Glied der Energieumwandlung sei, im Wesentlichen entschieden. Über die genaue Art der Kopplung herrschten im Detail weiterhin erhebliche Differenzen. 1977 verfassten einige Hauptvertreter der zuvor gegnerischen Lager gemeinsam einen Übersichtsartikel. Schon das zeigt, dass beide Seiten begonnen hatten, sich in einem größeren gemeinsamen Rahmen zu bewegen.
Auch auf die Größenordnungen des Mechanismus lohnt ein Blick. Nehmen wir die typische Atmungskette in den Mitochondrien von Säugetieren: Für jedes Elektronenpaar, das sie von NADH übernimmt, einem Träger von Elektronen aus dem Nahrungsabbau, befördern ihre verschiedenen Schritte zusammen ungefähr zehn Protonen auf die Außenseite der Membran. Der Rotor der Drehvorrichtung liegt in der Membran und besteht aus einem Ring sich wiederholender Bauteile. Eine volle Umdrehung erzeugt drei Moleküle der Energiewährung.
Hat der Rotorring zehn Bauteile, braucht eine Umdrehung also ungefähr zehn Protonen. Das sind rund 3,3 Protonen pro erzeugtem Molekül. Hat der Ring vierzehn Bauteile, sind es ungefähr 4,7.
Die in der Natur bekannten Ringe reichen von acht bis siebzehn Bauteilen. In Säugetiermitochondrien sind es acht, also rund 2,7 Protonen pro Molekül. Wie viele Protonen die Herstellung eines Moleküls der Energiewährung kostet, unterscheidet sich somit von Organismus zu Organismus.
Und die Drehung dieser Vorrichtung ist keine Metapher. 1997 befestigten japanische Forscher einen fluoreszierenden Faden an ihrer Achse und sahen unter dem Mikroskop unmittelbar, wie sich der Faden drehte.
Sie verwendeten nur die Hälfte der Vorrichtung, die aus der Membran herausragt. Fütterte man sie mit der Energiewährung, lief sie in umgekehrter Richtung: Sie drehte sich und verbrauchte dabei die Währung. Ein Wasserrad lässt sich auch als Wasserpumpe nutzen. Im selben Jahr erhielten Boyer, der die Drehung schon lange vorhergesagt hatte, und der Brite Walker, der die Struktur aufgeklärt hatte, gemeinsam den Nobelpreis für Chemie.
Noch ein Punkt: Dieser Mechanismus verlangt keine im mathematischen Sinn absolute Undurchlässigkeit der Membran für Protonen. Es genügt, wenn der unkontrollierte Protonenverlust hinreichend klein bleibt im Verhältnis zu den Flüssen beim Hinauspumpen und beim Rückstrom.
Die Bedingung betrifft ein Verhältnis, keinen absoluten Wert. Umstritten ist außerdem, ob die Ionen, die das Wasserrad antreiben, überhaupt Protonen sein müssen. Die eine Seite hält Natrium für älter. Einer ihrer Gründe ist physikalischer Natur: Wenn frühe Membranen besonders viele Protonen, aber weniger Natriumionen durchsickern ließen, konnte sich ein Natriumgefälle tatsächlich leichter über längere Zeit halten.
Die andere Seite hält Protonen für älter. Ihr Argument: Zwischen natürlichen alkalischen Hydrothermalflüssigkeiten und saurerem Meerwasser kann unmittelbar ein fertiges Protonengefälle entstehen. Die zunächst genutzte Energie könnte also von der Geochemie bereitgestellt worden sein. Welche Ionen das erste Wasserrad antrieben, lässt sich nach heutigem Kenntnisstand nicht unumstritten beantworten.
Eines hängt jedoch nicht von dieser Antwort ab. Der Mechanismus bewahrt keine „Protonenkonzentration“ in einer gleichförmigen Lösung. Er bestimmt Energie als Ungleichgewicht zwischen den beiden Membranseiten. Sobald sich beide Seiten frei vermischen, verschwindet das Gefälle.
Die Rekonstruktion von 1974 machte genau daraus einen Kontrollvergleich: Ohne geschlossene Bläschen entsteht aus der von der Pumpe bewirkten Protonenverschiebung kein Gefälle über die Membran. Sind die Bläschen intakt und die Wasserräder mit eingebaut, erzeugt Beleuchtung die Energiewährung.
Grenze und Energieanlage sind deshalb nicht zwei verschiedene Funktionen der Membran. Dass überhaupt ein Innen und ein Außen entsteht, ist selbst die physikalische Voraussetzung dafür, diese Art von Energie zu speichern.
Jetzt können wir zu dem Ausreißer aus Abschnitt drei zurückkehren. Die große Mehrheit der heutigen Lebewesen setzt bei diesem Energiesystem auf Protonen. Nur wenige Bakterien und Archaeen verwenden Natrium. Ausgerechnet Protonen aber sind unter den einfach geladenen Ionen diejenigen, die am leichtesten durch eine Membran entweichen.
Die gewählte Ionensorte lässt sich nicht nach Belieben austauschen. Soll sich das Gefälle zwischen den Membranseiten halten, gilt: Je langsamer etwas durchsickert, desto besser. Gewählt wurde ausgerechnet, was am schnellsten entweicht. Warum? Eine Richtung weist die Einschränkung am Ende von Abschnitt drei: Frühe Membranen vertrugen zweifach geladene Ionen wie Magnesium und Calcium schlecht. Zugleich ist Magnesium für die Katalyse unentbehrlich.
Von vornherein kamen nur wenige Ionensorten infrage.
Sechs Nicht alles drin, und schon wird geraubt
Indem eine Membran einige Moleküle einschließt, schließt sie andere aus. Das klingt wie eine Binsenweisheit, hat aber Folgen, die sich ausrechnen lassen.
Umschließt ein entstehendes Bläschen aus einer gleichförmigen Lösung bloß ein zufälliges Teilvolumen, dann verhält es sich mit der Zahl einer bestimmten Molekülsorte darin wie beim Streuen von Sesam über eine große Fläche voller kleiner Schälchen. Wie viele Körner im Durchschnitt auf ein Schälchen kommen, lässt sich berechnen. Wie viele in einem bestimmten landen, ist Zufall.
Rechnen wir es für ein Bläschen von hundert Nanometern Durchmesser durch. Liegt ein entscheidendes Molekül in der Umgebung mit einer Konzentration von einem Nanomol pro Liter vor, enthält jedes Bläschen im Mittel nur ungefähr 0,0003 Moleküle. Das heißt: Nur etwa drei von zehntausend Bläschen bekommen mindestens eines ab. Erhöht man die Konzentration auf ein Mikromol pro Liter, sind es durchschnittlich etwa 0,32 Moleküle; die Wahrscheinlichkeit, mindestens eines zu erhalten, liegt bei rund 27 Prozent.
Erst bei zehn Mikromol pro Liter, also durchschnittlich ungefähr 3,2 Molekülen, steigt die Wahrscheinlichkeit auf etwa 96 Prozent. Nehmen wir nun an, es werden fünf unterschiedliche Bestandteile gebraucht, jeder liegt mit einem Mikromol pro Liter vor, und von jedem muss mindestens ein Exemplar vorhanden sein.
Unter der vereinfachenden Annahme, dass ihre Verteilungen voneinander unabhängig sind, beträgt die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Fünferausstattung ungefähr 1,4 Promille. Für zehn Bestandteile sind es rund zwei Millionstel. Als bräuchte man für ein Gericht fünf Gewürze, von denen jedes zufällig nur in etwa jeder vierten Küche steht: Alle fünf zusammen findet man dann unter tausend Küchen gerade in einer oder zwei.
Diese Rechnung dient in Experimenten oft als Ausgangsmaßstab; reale Systeme können davon abweichen. Moleküle können an der Membran haften, sich zusammenlagern oder eine besondere Affinität zur Membran haben. Doch Richtung und Ausmaß solcher Abweichungen müssen für jedes System eigens gemessen werden. Man darf nicht einfach annehmen, dass sie stets zum Guten ausfallen.
Der Mechanismus, der Unterschiede zwischen den Kompartimenten erzeugt, ist derselbe, der dafür sorgt, dass ein einzelnes Kompartiment nicht alles beisammenhat. Das eine kannst du nicht ohne das andere haben.
Kleine Volumina bedeuten, dass die Zahl einer niedrig konzentrierten Molekülsorte tatsächlich null, eins oder zwei betragen kann: diskrete Stückzahlen. „Was fehlt?“ wird damit zu einem wesentlichen Unterschied zwischen Kompartimenten, nicht bloß zu einer kleinen Konzentrationsschwankung. Genau diese Unterschiede nutzt das stochastische Korrekturmodell. Und genau diese Unterschiede muss es zugleich aushalten.
Auch heutige Zellen entkommen dem nicht. 2002 baute man zwei Fluoreszenzgene in Escherichia coli ein. Das eine ließ die Zellen türkis leuchten, das andere gelb. Vor beide Gene setzte man völlig identische Schalter. Eigentlich hätte jede Zelle also gleich viel Licht beider Farben erzeugen müssen.
Unter dem Mikroskop sah es anders aus. In derselben Bakterienpopulation leuchteten manche Zellen eher türkis, andere eher gelb. Gleiche Schalter, gleiche Umgebung. Der Unterschied entstand, weil die wenigen Exemplare bestimmter Moleküle in der Zelle jeweils ihr eigenes Zufallsspiel spielten.
Neben der unvollständigen Ausstattung gibt es noch etwas Unmittelbareres: Kompartimente konkurrieren miteinander. 2004 schlossen drei Forscher, darunter wieder Szostak, RNA, die nicht durch die Membran gelangen konnte, in Fettsäurebläschen ein. Dadurch stieg deren innerer osmotischer Druck. Eine Fettsäuremembran ist aber kein fest verbautes Material. Einzelne Fettsäuremoleküle können durch das Wasser wandern und zwischen verschiedenen Bläschen wechseln.
Sind „prall gespannte“ und eher schlaffe Bläschen gleichzeitig vorhanden, nehmen die ersten Fettsäuren auf und lindern damit ihre Spannung, während die zweiten einen Teil ihrer Membran verlieren. Eines wächst, das andere schrumpft. Wie zwei Luftballons, bei denen der pralle dem schlaffen Stück für Stück die Haut abzieht. Je nach eingeschlossenem Inhalt nahm die Oberfläche der ersten Bläschen um zwanzig bis fünfzig Prozent zu. Der Mechanismus kommt vollständig ohne Katalyse aus.
RNA ist in diesem Experiment lediglich ein großes Molekül, das nicht durch die Membran passt: mehr RNA im Inneren, höherer Druck, Nettozustrom von Fettsäuren, größere Membranfläche. Ein chemischer Unterschied im Inneren verändert allein durch physikalische Kräfte die Wachstumsgeschwindigkeit der Grenze.
Das ist ein Laborexperiment, aber es macht etwas sichtbar: Was ein Beutel enthält, kann bestimmen, wie schnell er wächst. Dafür braucht es vom Anfang bis zum Ende kein einziges Enzym. Denken wir an das Reagenzglas aus Abschnitt eins zurück. Dort konnte die Selektion nur die Kopiergeschwindigkeit sehen. Hier ist der Inhalt eines Beutels an dessen eigenes Schicksal gekoppelt.
2011 mischte dasselbe Labor den Fettsäurebläschen geringe Mengen jener Phospholipide bei, die heutige Zellen verwenden. Die Bläschen mit Phospholipiden konnten Fettsäuren festhalten. Also nahmen sie den Bläschen ohne Zusatz Membranmaterial weg und wurden immer größer.
Das könnte erklären, warum Zellmembranen später auf Phospholipide umstellten: Schon ein winziger Anteil verschaffte anfangs im Kampf um Membranmaterial einen Vorsprung. Doch je mehr Phospholipide, desto dichter wurde die Membran. Auch das Rohmaterial von draußen kam nun nicht mehr hinein. Die Zelle musste eine neue Garnitur von Transportvorrichtungen bauen. Ein Vorteil brachte nebenbei schon das nächste Problem mit.
Sieben Ein Innen und Außen geht auch ohne Membran
In den Zellen deines Körpers gibt es genau jetzt zahlreiche „Räume“ ohne Membran. Der Nukleolus im Zellkern ist so ein Flüssigkeitströpfchen ohne umschließende Membran. Trifft eine Zelle Hitze oder anderer Stress, kondensiert innerhalb weniger Minuten eine neue Schar von Tröpfchen. Ist der Stress vorbei, lösen sie sich wieder auf.
In diesem Abschnitt geht es um drei Möglichkeiten, ohne Membran ein Innen und Außen zu erzeugen. Die erste Möglichkeit bieten solche Tröpfchen. Mischt man bestimmte geladene große Moleküle, sammeln sie sich von selbst in einem hoch konzentrierten Bereich, der neben der umgebenden verdünnten Lösung bestehen bleibt, ohne sich gleichmäßig mit ihr zu vermischen.
Das ähnelt der Trennung von Öl und Wasser, ist aber doch nicht ganz dasselbe. Die Tröpfchen enthalten viel Wasser, Moleküle gelangen rasch hinein und hinaus, nur verteilen sie sich bevorzugt ins Innere. Es entsteht eine Konzentrationsgrenze, keine durchgehende Barriere.
Das Phänomen ist seit Langem bekannt. 1929 beschrieben es zwei niederländische Kolloidchemiker systematisch. In den Dreißigerjahren griff der sowjetische Biochemiker Oparin es für seine Vorstellung vom Ursprung des Lebens auf. Er sprach von Koazervaten.
Schon zuvor hatten Oparin und der Brite Haldane unabhängig voneinander vermutet, dass sich im frühen Meer nach und nach organische Stoffe ansammelten, wie in einer dünnen Suppe. Die Koazervate waren das erste Gefäß, das Oparin den Molekülen in dieser Suppe gab.
Die moderne Zellbiologie begann um 2009, solche Tröpfchen erneut als Mechanismus der Zellorganisation zu untersuchen. Damals beobachtete man an einer Art von Granula in den Keimzellen von Fadenwürmern flüssigkeitstypisches Verhalten: Sie verschmolzen, tropften ab und tauschten rasch Material aus.
In einem Experiment von 2018 brachte man ein RNA-schneidendes Ribozym in Modelltröpfchen ein. Sowohl das Ribozym als auch die RNA, die es schneiden sollte, wurden darin um mehr als das Tausendfache angereichert. Die Spaltung fand weiterhin statt. Doch höhere Konzentration muss nicht besser sein: Bei gleicher Konzentration verlief das Schneiden in diesen Tröpfchen sogar ungefähr sechzigmal langsamer als in gewöhnlicher Lösung.
Die Nachteile der Tröpfchen sind ebenfalls konkret: Ohne durchgehende Barriere halten sie keine Ionen zurück und können deshalb das zuvor besprochene Gefälle nicht bewahren. Außerdem verschmelzen sie miteinander. Sobald das geschieht, sind ihre Unterschiede dahin.
Die Verschmelzung versucht man zu umgehen. In einer Arbeit von 2022 wurde ein System in beheizten Gesteinsmikroporen und an den Oberflächen von Gasblasen aufgebaut. Man beobachtete, wie sich Tröpfchen unter dem Einfluss von Temperaturunterschieden und Strömung anreicherten, wuchsen, verschmolzen und zerbrachen.
Das zeigt, dass Strömungen in der Umgebung einen Teil der Teilungsmaschinerie von Membranen ersetzen können. Es beweist nicht, dass eine bestimmte Gesteinspore im Archaikum tatsächlich eine solche Tröpfchenpopulation unterhalten hat.
Die zweite Möglichkeit ist eine Hülle aus Proteinen. In Bakterien gibt es kleine Proteinkäfige mit einer zwanzigflächigen Hülle, winzigen Fußbällen ähnlich. Typischerweise haben sie einen Durchmesser von hundert bis einigen Hundert Nanometern. Im Inneren sitzen Enzyme, die Kohlendioxid fixieren.
Dieses Enzym findet sich auch in Pflanzenblättern. Es wird oft als das mengenmäßig häufigste Protein der Erde bezeichnet. Die Käfighülle sorgt dafür, dass Kohlendioxid innen konzentrierter vorliegt als außen, und so kann das Enzym viel schneller arbeiten.
Solche Käfige kommen bei allen bekannten Cyanobakterien und bei einigen weiteren autotrophen Bakterien vor. Strukturelle Befunde deuten darauf hin, dass ihre beiden Haupttypen wahrscheinlich zwei unabhängig voneinander entstandene Systeme sind.
Andere Hüllen sind kleiner, ungefähr zwanzig bis vierzig Nanometer im Durchmesser. Sie setzen sich selbst aus Proteinen zusammen, die denen von Virushüllen ähneln, und schließen ihre Fracht anhand bestimmter Etiketten ein. Wieder andere Hüllen sind ausschließlich mit Gas gefüllt. Sie helfen vielen wasserlebenden Bakterien und Archaeen, Auftrieb und Absinken zu regulieren, ähnlich der Schwimmblase eines Fisches.
Viele dieser verschiedenen Kompartimente wurden unabhängig voneinander erfunden. Deshalb lässt sich keine Gesamtzahl dafür angeben, wie oft das „Abtrennen“ in der Evolutionsgeschichte stattgefunden hat.
Die dritte Möglichkeit wird überhaupt nicht von Lebewesen gebaut. Seit den Achtziger- und Neunzigerjahren des letzten Jahrhunderts wird die Auffassung vertreten, die ersten örtlich begrenzten Reaktionsräume müssten keine frei schwebenden Bläschen gewesen sein.
An manchen Stellen des Meeresbodens sickert Meerwasser ins Gestein, reagiert mit ihm und tritt als warme, alkalische Flüssigkeit wieder aus. Beim Mischen mit dem umgebenden Meerwasser fallen Mineralien aus. Es wachsen feine, poröse Wabenstrukturen mit dünnen Mineralwänden.
Im ersten Beitrag war von der „Lost City“ auf dem Grund des Atlantiks die Rede. Ihre weißen Karbonatschlote werden bis zu sechzig Meter hoch, so hoch wie ein zwanzigstöckiges Gebäude. Das Wasser jeder Pore wird nur begrenzt mit benachbarten Poren und der Umgebung ausgetauscht. Die Mineralstruktur stellt zunächst eine geometrische Abgrenzung bereit.
Diese Vorstellung wird von physikalischen Experimenten und Simulationen gestützt. 2002 untersuchten zwei Forscher mit Temperaturunterschieden auf kleinsten räumlichen Skalen das Verhalten von DNA im Wasser. Ein Temperaturgefälle allein lässt die DNA die kältere Seite bevorzugen. Kommt Konvektion hinzu, trägt die Strömung die Moleküle immer wieder in den Bereich des Temperaturgefälles zurück und fängt sie dadurch ein. In Experimenten und Modellen sind örtliche Anreicherungen um mehr als etwa das Tausendfache möglich.
2007 wurde dieses Zusammenspiel in hydrothermalen Porenkanälen am Computer weiter untersucht: In schmalen, länglichen, millimeterbreiten und an einem Ende geschlossenen Poren können sogar einzelne Nukleotide um mehr als das Hundertmillionenfache konzentriert werden.
Der Salzgehalt setzt allerdings eine konkrete Grenze. Bei ungefähr einem halben Mol Salz pro Liter, also etwa dem Salzgehalt des Meeres, wird der Effekt deutlich schwächer oder ist kaum noch nachweisbar. Die Ergebnisse von Versuchen bei niedrigem Salzgehalt lassen sich nicht unmittelbar auf die Ionenverhältnisse natürlichen Meerwassers übertragen.
Die Versuche und Simulationen zeigen, dass wärmegetriebene Strömungen in Mikroporen Moleküle tatsächlich anreichern können. In welchem hydrothermalen System des Archaikums das wirklich geschah, ist bislang nicht belegt.
Mineralporen haben jedoch ein Problem, das sie allein nicht lösen können. Eine Pore kopiert sich nicht. Sie kann anreichern, katalysieren und einen abgegrenzten Raum bieten. Aber sie stellt kein zweites Exemplar ihrer selbst her.
Tröpfchen können sich immerhin in zwei teilen. Proteinhüllen werden von der Zelle selbst gebaut und vermehren sich mit ihr. Eine Pore im Mineral ist bloß ein Ort. Sie bleibt, wo sie ist.
Entsteht in einer Pore eine günstige Molekülkombination, ohne dass die Pore selbst wächst, sich teilt und ihren Inhalt entlang einer Abstammungslinie an Tochterporen weitergibt, dann fehlt die „Vermehrung der Kompartimente“, die das stochastische Korrekturmodell voraussetzt.
Eine Strömung kann den Inhalt in neue Poren weiter stromabwärts tragen. Aber das ist nicht dasselbe, als würde ein ganzes Kompartiment mit sämtlichen Bestandteilen gemeinsam weiterziehen. Zwischen einem mineralischen Kompartiment und einer freien Zelle liegen mehrere Hürden: Wie wächst in der Pore eine Grenze heran? Wie löst sie sich mit ihrem Inhalt vom Mineral, ohne auseinanderzufallen? Wie kann sie danach aus eigener Kraft wachsen und sich teilen? Und wie erzeugt sie selbst ein Gefälle, wenn das schon vorhandene verloren geht?
Jeder dieser Schritte ist ein konkretes technisches Problem. Wo immer die früheste Chemie stattgefunden hat: Was später daraus hervorging, waren durchweg Zellen, die ihre Membran selbst mitbrachten.
Acht Die Grenze ist sichtbar, ihr Material nicht
Wie klein kann ein Kompartiment sein, das sich selbst erhält? Es muss Erbmaterial, Maschinen für die Proteinherstellung, grundlegende Stoffwechselproteine sowie genügend Wasser und Ionen unterbringen. Geht man davon aus, liegt die klassische Schätzung der Untergrenze für eine autonome kugelförmige Zelle bei etwa 250 Nanometern Durchmesser.
Diese Zahl hat eine Vorgeschichte. 1996 wurde berichtet, in einem Meteoriten vom Mars seien winzige bakterienähnliche Strukturen gefunden worden, nur einige Dutzend bis hundert Nanometer lang.
Zwei Jahre später berief die amerikanische National Academy of Sciences eigens eine Tagung darüber ein, wie klein Zellen mindestens sein müssen. Die dortigen Schätzungen der Untergrenze lagen ungefähr bei den genannten 250 Nanometern. Die „Marsbakterien“ waren zu klein, um die gesamte Ausrüstung einer Zelle unterzubringen.
Unter den kultivierten Bakterien des Meeresplanktons gehört Pelagibacter ubique zu den kleinsten frei lebenden, selbstständig replizierenden Zellen und zugleich zu den häufigsten Bakterien im Meer. Sein Volumen beträgt ungefähr 0,015 bis 0,058 Kubikmikrometer. Es ist nur etwas über hundert Nanometer breit. Erst gut fünfhundert nebeneinander ergeben die Dicke eines Haares.
Noch kleinere Kandidaten kommen auf Volumina um 0,01 Kubikmikrometer. Doch diese winzigen Gruppen besitzen oft stark reduzierte Genome und sind möglicherweise darauf angewiesen, dass andere Mitglieder ihrer Gemeinschaft sie mit Stoffwechselprodukten versorgen. Ob sie als „aus eigener Kraft lebensfähig“ gelten, ist deshalb eine umstrittene Definitionsfrage.
Mykoplasmen haben keine Zellwand. Zu dieser Gruppe gehört auch der Erreger der Mykoplasmenpneumonie. Ihre Zellen sind häufig nur ungefähr dreihundert bis achthundert Nanometer groß. Allerdings haben sie viele Synthesefähigkeiten verloren und benötigen zahlreiche Stoffe von ihrem Wirt. Manche Riesenviren sind größer als diese kleinsten Zellen.
Der Rekord für die „kleinste sich selbst kopierende Zelle“ ist also ein anderer als der für die „kleinste wirklich frei lebende Zelle“. Beide liegen jedoch an der Auflösungsgrenze eines gewöhnlichen Lichtmikroskops. Selbst tausendfach vergrößert sieht man nur einen verschwommenen Punkt.
Was haben die ersten Membranen dann hinterlassen? Die Membran selbst wird nicht zum Fossil. Nach dem Tod werden ihre Lipidmoleküle abgebaut. Zurückbleiben können die vergleichsweise stabilen Kohlenstoffgerüste ihrer Abbauprodukte.
Verschiedene Gruppen von Lebewesen erzeugen leicht unterschiedliche Gerüste. Daher nennt man solche Rückstände Biomarker. Die Suche nach den frühesten Membranen ist in Wirklichkeit die Suche nach den ältesten molekularen Resten, die sich Zellmembranen zuordnen lassen.
Das ist viel schwieriger, als es klingt. Die Konzentration solcher Moleküle im Gestein ist extrem gering, oft geringer als ein Milliardstel. Bohrspülung, Kunststoffe, Lösungsmittel aus dem Labor und Erdöl, das erst später im Untergrund eingedrungen ist: Sie alle können jüngeres organisches Material einschleppen.
Gegen Ende des zwanzigsten Jahrhunderts wurde berichtet, dass solche Moleküle in rund 2,7 Milliarden Jahre alten australischen Gesteinen vorkämen. 2012 entnahmen Forscher unter ultrareinen Bedingungen neue Bohrkerne. Die 2015 veröffentlichten Ergebnisse zeigten: Die gemessenen Mengen unterschieden sich kaum von denen der Leerkontrollen, in die gar keine Probe gegeben worden war. Diese Geschichte wird im fünften Beitrag ausführlich erzählt.
Nach solchen Überprüfungen reichen die zuverlässig als gleich alt wie ihr Gestein bestätigten Membranlipidmoleküle derzeit ungefähr 1,64 Milliarden Jahre zurück; es gibt auch Berichte über etwa 1,73 Milliarden Jahre alte. Zellähnliche Mikrofossilien dagegen kennt man aus der Zeit vor ungefähr 3,4 Milliarden Jahren. In den 1,7 Milliarden Jahren dazwischen hatten Zellen offensichtlich Membranen. Nur hinterließen diese Membranen keine Moleküle, deren Spur sich verfolgen lässt.
Die drei Beweisebenen jener Mikrofossilien wurden bereits im ersten Beitrag besprochen. Erhalten sind kohlenstoffhaltige Formen, mineralisierte Umrisse, fadenförmige Strukturen. Eine Lipiddoppelschicht in ihrer vollständigen molekularen Struktur bewahren sie nicht. Zwischen dem Erkennen einer zellähnlichen Grenze und dem Nachweis, woraus ihre Membran bestand, liegt ein weiter Weg.
Im zweiten Beitrag ging es darum, dass heutige Bakterien und Archaeen zwei verschiedene Arten von Membranlipiden verwenden. Ihre Grundgerüste sind Spiegelbilder, auch die Schwänze und die Bindungsarten unterscheiden sich. Zu welcher der beiden Arten die erste Membran gehörte, oder ob zu keiner, ist noch immer offen.
Nun zurück zu dem Aufbau, um den es in diesem Beitrag geht. Eine Membran definiert das „Außen“, indem sie ein „Innen“ definiert. Damit löst sie das Verdünnungsproblem, bindet den Nutzen einer Verbesserung wieder an den, der sie hervorgebracht hat, und wird nebenbei zur physikalischen Voraussetzung für die Speicherung von Energie. Vom Augenblick ihrer Entstehung an erzeugt sie aber auch ihren eigenen Rest. Was ein Aufbau nicht fassen und zugleich nicht beseitigen kann, heißt in dieser Reihe Rest.
Die Bestandteile, die bei der zufälligen Verteilung fehlen, sind ein Rest. Was fehlt, fehlt; ein kleines Volumen bedeutet nun einmal diskrete Stückzahlen. Der osmotische Druck ist ein Rest. Das Problem wurde nicht gelöst, sondern an Zellwand und Druckablassventile weitergereicht. Was hinausgepumpt werden muss, ist ein Rest; die Pumpe muss unablässig Energie verbrauchen. Und alles, was ausgesperrt bleibt, ist ebenfalls Rest.
Keiner dieser Reste wurde beseitigt. Sie sind alle noch da. Nur ihr Ort hat sich verändert, oder wer sie tragen muss. Im Gestein gibt es noch einen weiteren Rest: Wir sehen, dass diese Grenze einmal da war. Wir sehen nicht, woraus sie bestand.
Die Kriterien sieben weiter. Gestein wird wieder und wieder aufgeschnitten. Die Bläschen in den Laboren wachsen weiter zu Fäden, zerbrechen, entreißen einander Membranlipide.