By: Astrobiology Magazine staff
Is it alive?
A crystal can grow, reach equilibrium, and even move in response to stimuli, but lacks what commonly would be thought of as a biological nervous system.
Image Credit: National Ignition Facility Programs
How to define „life“ is a sweeping question that affects whole branches of biology, biochemistry, genetics, and ultimately the search for life elsewhere in the universe.
Vergleicht man die semantische Aufgabe mit der alten Hindu-Geschichte, einen Elefanten zu identifizieren, indem man jeden von sechs blinden Männern nur den Schwanz, den Rüssel oder das Bein berühren lässt, kann sich die Antwort eines Biologen dramatisch von der Antwort eines theoretischen Physikers unterscheiden.
Eine erste Übereinstimmung ist jedoch möglich. Lebewesen sind in der Regel komplex und hoch organisiert. Sie haben die Fähigkeit, Energie aus der Umwelt aufzunehmen und sie für Wachstum und Fortpflanzung umzuwandeln. Organismen neigen zur Homöostase: ein Gleichgewicht von Parametern, die ihre innere Umgebung bestimmen. Lebewesen reagieren, und ihre Stimulation führt zu Reaktionen wie Bewegung, Rückstoß und bei fortgeschrittenen Formen auch zum Lernen. Leben ist reproduktiv, da eine Art der Vervielfältigung erforderlich ist, damit sich die Evolution durch Mutation und natürliche Selektion in einer Population durchsetzen kann. Um zu wachsen und sich zu entwickeln, müssen Lebewesen in erster Linie Konsumenten sein, denn Wachstum beinhaltet die Veränderung von Biomasse, die Schaffung neuer Individuen und die Ausscheidung von Abfallstoffen.
Um als Lebewesen zu gelten, muss ein Lebewesen alle diese Kriterien in irgendeiner Form erfüllen. So kann beispielsweise ein Kristall wachsen, ein Gleichgewicht erreichen und sich sogar als Reaktion auf Reize bewegen, verfügt aber nicht über das, was man gemeinhin als biologisches Nervensystem bezeichnen würde.
Während eine „klare“ Definition erforderlich ist, verleihen die Grenzfälle der Definition von Leben eine ausgesprochen graue und unscharfe Qualität. In der Hoffnung, die Arbeitsdefinition zumindest terrestrisch einzuschränken, scheinen alle bekannten Organismen eine auf Kohlenstoff basierende Chemie zu haben, von Wasser abhängig zu sein und Fossilien mit Kohlenstoff- oder Schwefelisotopen zu hinterlassen, die auf einen gegenwärtigen oder vergangenen Stoffwechsel hindeuten.
Wenngleich diese Tendenzen eine Fülle von Merkmalen darstellen, sind sie kritisiert worden, weil sie die Geschichte des Lebens selbst ignorieren. Terrestrisch wird das Leben in vier biologische Familien eingeteilt: Archaeen, Bakterien, Eukaryoten und Viren. Archaeen sind der erst kürzlich definierte Zweig, der oft in extremen Umgebungen als Einzelzellen überlebt, und sie teilen Merkmale sowohl mit Bakterien als auch mit Eukaryoten. Bakterien, die oft als Prokaryonten bezeichnet werden, haben in der Regel kein Chlorophyll (mit Ausnahme der Cyanobakterien) und keinen Zellkern und produzieren Energie durch Gärung und Atmung. Zu den Eukaryonten gehören alle Organismen, deren Zellen einen Zellkern haben – der Mensch und alle anderen Tiere sind also Eukaryonten, ebenso wie Pflanzen, Protisten und Pilze. Die letzte Gruppe umfasst die Viren, die überhaupt keine Zellen haben, sondern Fragmente von DNA und RNA, die sich parasitär vermehren, wenn sie eine kompatible Wirtszelle infizieren. Diese Klassifizierungen verdeutlichen das große Rätsel des existierenden Lebens, tragen aber wenig zu einer endgültigen Definition bei.
Die Definition des Lebens nimmt einen noch faszinierenderen Charakter an, wenn sie über die Biosphäre der Erde hinausgeht. Die jüngste Aufnahme von Extremophilen (Archaeen) in den Baum des Lebens unterstreicht die Vorstellung, dass Leben durch das definiert wird, was wir kennen, was wir schon gesehen haben und was wir oft erfolgreich in einer Labor-Petrischale domestiziert haben.
Astrobiology Magazine hat zu dieser wichtigen Frage die Meinung von Dr. Carol Cleland eingeholt, die an der Colorado University in Boulder Philosophie lehrt und Mitglied des Astrobiology Institute der NASA ist. Während eines Sabbaticals in Madrid, Spanien, am Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA), teilte sie ihre Gedanken über die Macht von Definitionen zur Gestaltung von Wissenschaft und Philosophie.
Interview mit Carol Cleland
„Ich bin daran interessiert, eine Strategie für die Suche nach außerirdischem Leben zu formulieren, die es erlaubt, die Grenzen unserer erdzentrierten Konzepte von Leben zu erweitern.“ -Carol Cleland
Image Credit: University of Colorado
Q: Was halten Sie von Versuchen, „Leben“ zu definieren?
In einem kürzlich erschienenen Artikel in Origins of Life and Evolution of the Biosphere argumentieren Christopher Chyba und ich, dass es ein Fehler ist, zu versuchen, „Leben“ zu definieren. Solche Bemühungen spiegeln grundlegende Missverständnisse über das Wesen und die Macht von Definitionen wider.
Definitionen sagen uns etwas über die Bedeutung von Wörtern in unserer Sprache, nicht aber über die Natur der Welt. Im Falle des Lebens sind Wissenschaftler an der Natur des Lebens interessiert; sie sind nicht daran interessiert, was das Wort „Leben“ in unserer Sprache zufällig bedeutet. Worauf wir uns wirklich konzentrieren müssen, ist die Entwicklung einer angemessenen allgemeinen Theorie lebender Systeme, im Gegensatz zu einer Definition von „Leben“. Wie die bemerkenswerten biochemischen und mikrobiologischen Ähnlichkeiten zeigen, hat das Leben auf der Erde einen gemeinsamen Ursprung. Trotz seiner erstaunlichen morphologischen Vielfalt stellt das irdische Leben nur einen Einzelfall dar. Der Schlüssel zur Formulierung einer allgemeinen Theorie lebender Systeme liegt in der Erforschung alternativer Möglichkeiten für das Leben. Ich bin daran interessiert, eine Strategie für die Suche nach außerirdischem Leben zu formulieren, die es erlaubt, die Grenzen unserer erdzentrierten Konzepte von Leben zu erweitern.
Q: Würden Sie in der Kategorie dessen, was „lebendig“ ist, die so genannten „Grenzfälle“ ausschließen – Viren, selbstreplizierende Proteine oder sogar nicht-traditionelle Objekte, die einen gewissen Informationsgehalt haben, sich reproduzieren, verbrauchen und sterben (wie Computerprogramme, Waldbrände usw.)?
Das ist eine komplexe Frage. Die Sprache ist vage, und alle Begriffe sind mit Grenzfällen behaftet. Ist ein unverheirateter zwölfjähriger Junge ein „Junggeselle“? Wie steht es mit einem Achtzehnjährigen? Wie viele Haare braucht man, um aus einem „kahlen“ Mann einen Mann zu machen, der „keine Glatze“ hat? 20 oder 100 oder 1.000 Haare?
Die Tatsache, dass es Grenzfälle gibt – dass wir keinen genauen Grenzwert festlegen können – bedeutet nicht, dass es keinen Unterschied zwischen einem Junggesellen und einem verheirateten Mann gibt, oder zwischen einem Mann mit Glatze und einem Mann, der keine Glatze hat. Diese Schwierigkeiten stellen keine tiefgreifenden Schwierigkeiten dar, sondern sind lediglich Ausdruck der Tatsache, dass die Sprache eine gewisse Flexibilität aufweist. Ich glaube also nicht, dass Entitäten wie Viren eine sehr interessante Herausforderung für die Definition von „Leben“ darstellen.
Andererseits glaube ich nicht, dass die Definition von „Leben“ eine sehr nützliche Tätigkeit für Wissenschaftler ist, da sie uns nicht sagen wird, was wir wirklich wissen wollen, nämlich „was ist Leben“. Eine wissenschaftliche Theorie des Lebens (die nicht dasselbe ist wie eine Definition des Lebens) wäre in der Lage, diese Fragen zufriedenstellend zu beantworten.
Als Analogie dazu klassifizierten die mittelalterlichen Alchemisten viele verschiedene Arten von Substanzen als Wasser, einschließlich Salpetersäure (die „aqua fortis“ genannt wurde). Sie taten dies, weil Salpetersäure viele der sinnvollen Eigenschaften von Wasser aufwies und – was vielleicht am wichtigsten war – ein gutes Lösungsmittel war. Erst mit dem Aufkommen der Molekulartheorie konnten die Wissenschaftler verstehen, warum Salpetersäure, die viele der Eigenschaften von Wasser hat, dennoch kein Wasser ist. Die Molekulartheorie erklärt klar und überzeugend, warum dies der Fall ist: Wasser ist H2O – zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Salpetersäure hat eine andere molekulare Zusammensetzung.
Eine gute Theorie des Lebens würde das Gleiche für die von Ihnen erwähnten Fälle, wie z.B. Computerprogramme, tun. Eine bloße Definition des Begriffs „Leben“, die die von Ihnen bevorzugte nicht-traditionelle „lebende“ Entität einschließt, bringt dieses Projekt nicht voran.
Q: Welche Theorie bevorzugen Sie, wie das Leben auf der Erde entstanden sein könnte – Tonkristalle, RNA-Welt, Membranen oder eine andere Möglichkeit?
Freeman Dyson, Begründer der „Theorie des doppelten Ursprungs“
Bildnachweis: Kuratorium des Dartmouth College
Es scheint mir, dass alle Theorien über den Ursprung des Lebens vor zwei großen Hürden stehen. Die größte ist die Erklärung des Ursprungs des komplexen kooperativen Schemas, das zwischen Proteinen und Nukleinsäuren entwickelt wurde – die kontrollierte Produktion von sich selbst replizierenden katalytischen Systemen von Biomolekülen. Alle populären Erklärungen für den Ursprung des Lebens scheinen mir dieses Problem zu umgehen. Stattdessen konzentrieren sie sich auf die andere Hürde: die Herstellung von Aminosäuren und Nukleotiden und deren Polymerisation zu Proteinen und Nukleinsäuren (typischerweise RNA). Alle Szenarien, die für die Herstellung von RNA unter plausiblen natürlichen Bedingungen vorgeschlagen wurden, lassen sich experimentell nicht nachweisen, und das gilt auch für die RNA-Welt, die Tonkristalle und die Bläschen. Niemand war bisher in der Lage, RNA ohne die Hilfe von Proteinkatalysatoren oder Nukleinsäurevorlagen zu synthetisieren, und zu diesem Problem kommt noch die Zerbrechlichkeit des RNA-Moleküls hinzu.
Das schwerwiegendere Problem ist meiner Meinung nach jedoch die nächste Stufe des Prozesses, die Koordinierung von Proteinen und RNA durch einen genetischen Code zu einem sich selbst replizierenden katalytischen System von Molekülen. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies zufällig geschieht (bei einer zufälligen Mischung von Proteinen und RNA), scheint astronomisch gering zu sein. Dennoch scheinen die meisten Forscher davon auszugehen, dass, wenn sie die unabhängige Produktion von Proteinen und RNA unter natürlichen Urbedingungen nachvollziehen können, sich die Koordination irgendwie von selbst ergibt.
Wenn ich eine Lieblingstheorie wählen müsste, wäre es wohl Freeman Dysons Theorie des doppelten Ursprungs, die eine anfängliche Proteinwelt postuliert, die schließlich als Nebenprodukt eines immer ausgefeilteren Stoffwechsels eine RNA-Welt hervorbringt. Die RNA-Welt, die zunächst ein obligatorischer Parasit der Proteinwelt ist, bringt schließlich das kooperative Schema hervor und damit das Leben, wie wir es heute kennen. Ich finde es gut, dass in dieser Darstellung versucht wird, den Ursprung des kooperativen Schemas zu erklären.
Q: Glauben Sie, dass es mehrere Ursprünge des Lebens gegeben haben könnte, oder dass das Leben von irgendwo anders auf die Erde gekommen sein könnte?
Leben, das mehr als einmal aus unbelebtem Material entstanden ist, könnte anderswo als auf der Erde vorkommen, aber es könnte auch auf der Erde entstanden sein. Es ist möglich, dass außerirdisches Leben existiert und dass alles Leben dennoch einen gemeinsamen Vorfahren hat. Wissenschaftler glauben heute, dass Mikroben interplanetare Reisen überleben können, wenn sie in Meteoriten eingeschlossen sind, die bei Asteroideneinschlägen auf Planeten mit Leben entstehen. Mit anderen Worten, wir könnten alle Nachkommen von Marsmenschen sein – oder Marsmenschen, falls es sie gibt, könnten einen gemeinsamen Vorfahren mit uns haben! Kurz gesagt, die bloße Entdeckung von außerirdischem Leben ist keine Garantie dafür, dass das Leben mehr als einen Ursprung hat.
Q: Glauben Sie, dass wir den Ursprung des Lebens durch Experimente bestimmen können?
Ich hoffe es! Aber solange wir keine adäquate Theorie des Lebens haben, die die Formulierung der richtigen Experimente vorantreibt, wird es schwierig sein, das zu sagen. Ich nehme an, dass es immer möglich ist, dass das Leben keine natürliche Kategorie ist, und daher keine universelle Theorie des Lebens formuliert werden kann. Es ist auch möglich, dass das Leben auf der Erde das Produkt eines sehr komplexen historischen Prozesses ist, der zu viele Zufälligkeiten beinhaltet, als dass er für endgültige experimentelle Untersuchungen ohne weiteres zugänglich wäre. Eine hinreichend allgemeine Theorie des Lebens würde dies jedoch deutlich machen. Außerdem ist die historische Forschung durchaus in der Lage, empirische Beweise zu erbringen, mit denen sich solche historischen Fragen klären lassen – Beweise, die ebenso überzeugend sind wie die der klassischen experimentellen Forschung! Selbst wenn es uns also nicht gelingt, im Labor aus unbelebten Materialien Leben zu erzeugen, heißt das nicht, dass wir nie erfahren werden, wie das Leben auf der Erde entstanden ist.
Wie geht es weiter?
Die Europäische Weltraumorganisation wird im Frühsommer 2003 eine Marsmission starten. Nach den derzeitigen Plänen soll die Landefähre Beagle 2 biologische Experimente durchführen, um nach Hinweisen auf Leben auf dem Mars zu suchen. Als Beispiel dafür, wie die Definition von Leben die Erkundungswissenschaft direkt beeinflussen kann, wird die wissenschaftliche Nutzlast von Beagle 2 die gemeinsamen Merkmale untersuchen, die auf Leben hinweisen. So wird Beagle 2 beispielsweise nach dem Vorhandensein von Wasser, Karbonatmineralien, organischen Rückständen und einer Isotopenfraktionierung zwischen organischen und anorganischen Phasen suchen. Jedes dieser Elemente wird Hinweise auf die Wahrscheinlichkeit von Leben auf dem Mars liefern, wenn es mit den vorherrschenden Umweltbedingungen wie Temperatur, Druck, Windgeschwindigkeit, UV-Fluss, Oxidationspotenzial und Staubumgebung abgeglichen wird.
Abstract von Cleland, Chyba (2002): „Es gibt keine allgemein akzeptierte Definition von ‚Leben‘. Vorgeschlagene Definitionen stoßen auf Probleme, oft in Form von robusten Gegenbeispielen. Wir nutzen Erkenntnisse aus philosophischen Untersuchungen zur Sprache, um zu argumentieren, dass die Definition von ‚Leben‘ gegenwärtig ein ähnliches Dilemma darstellt wie das derjenigen, die vor der Existenz der Molekulartheorie hofften, ‚Wasser‘ zu definieren. In Ermangelung einer analogen Theorie über die Natur lebender Systeme ist eine endlose Kontroverse über die Definition von Leben unausweichlich.“
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, S. 387-393 (2002).