Wie aus Molekülen Leben entstehen konnte

In der Wissenschaft wird das Phänomen, bei dem im Verbund völlig neue Eigenschaften auftreten, die sich nicht aus den einzelnen Bausteinen vorhersagen lassen, als „Emergenz“ bezeichnet. Eine Publikation der Goethe-Universität Frankfurt untersucht diesen Zusammenhang zwischen Emergenz und Komplexität aus chemischer, biologischer sowie philosophischer Sicht und beschreibt, wie aus einfachen Elementen Systeme entstehen, die Informationen speichern und Funktionen ausführen können.

Dieser Prozess beleuchtet insbesondere den Übergang von unbelebter zu belebter Natur, wie er sich etwa bei Bakterien zeigt: Obwohl diese Einzeller primär sich selbst steuern, bilden sie Kolonien, die sich wie ein komplexer Organismus verhalten. Innerhalb dieser Verbünde übernehmen einzelne Mikroben spezialisierte Aufgaben wie die Schleimproduktion, die Nährstoffversorgung oder die Ausbreitung, wodurch sie gemeinsam Leistungen erbringen, die für das Individuum unmöglich wären.

„Emergenz gibt es auch in der Welt der Moleküle“, sagt Prof. Harald Schwalbe. „Nehmen Sie beispielsweise Wasser: Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Wenn diese sich zu Wasser zusammenfügen, entsteht ein Molekül mit völlig neuen Eigenschaften, die sich nicht aus den Eigenschaften der einzelnen Atome ableiten lassen.“

Wasser prägte die Entstehung des Lebens

Die Polarität des Wassers, bei der das Sauerstoffatom leicht negativ und die Wasserstoffatome leicht positiv geladen sind, bildet die essenzielle Basis für das Leben. Da sich die Moleküle wie schwache Magneten anziehen, bleibt Wasser im irdischen Temperaturbereich flüssig und schafft so die Umgebung, in der Lebensbausteine entstehen und chemische Reaktionen beschleunigt ablaufen können. „Das ist wiederum eine Voraussetzung dafür, dass DNA Informationen speichern kann und Proteine eine bestimmte Struktur annehmen“, erklärt der Chemiker. Da die DNA sowohl aus polaren als auch aus unpolaren Bausteinen besteht, orientieren sich die wasserliebenden Teile nach außen, während die unpolaren ins Innere gedrängt werden – ein Prozess, der maßgeblich zur Ausbildung der stabilen Doppelhelix-Struktur beiträgt.

„Die emergenten Eigenschaften des Wassers zwingen also den komplexeren Molekülen eine bestimmte Ordnung auf“, erklärt Schwalbe. „Es ist wie bei einem Dirigenten, der dafür sorgt, dass die Musiker nicht zufällig vor sich hin spielen.“ Diese erzwungene Struktur ist die Grundlage dafür, dass die Moleküle selbst unvorhersagbare Fähigkeiten entwickeln. So führt die komplementäre Anordnung der DNA-Stränge dazu, dass sie sich wie passende Puzzleteile verhalten und sich replizieren können. Bei diesem für die Entstehung des Lebens zentralen Vorgang trennen sich die Stränge, um sich durch neue Bausteine wieder zu vervollständigen.

Evolution komplexer Systeme wird sich nicht exakt wiederholen

Die Publikation identifiziert insgesamt 13 Merkmale komplexer Systeme, darunter das Phänomen, dass diese kritische Zustände erreichen können, an denen sich ihre Eigenschaften durch Emergenz fundamental wandeln. Solche unvorhersehbaren Sprünge ermöglichen plötzlich neue Funktionen und markierten oft entscheidende Schritte in der Entstehung des Lebens. Voraussetzung für diese Prozesse ist ein ständiger Energiezustrom, der auf der Erde primär durch die Sonne gewährleistet wird.

Als wesentlicher Treiber fungierten dabei evolutive Mechanismen, die bereits vor dem eigentlichen Leben auf molekularer Ebene ansetzten und in Interaktion mit der Emergenz die heutige biologische Vielfalt hervorbrachten. Dennoch war der Verlauf dieser Entwicklung keineswegs festgeschrieben, wie Schwalbe betont: Wenn wir die Uhr vier Milliarden Jahre zurückdrehen könnten, würden ganz andere Lebensformen entstehen, als wir heute kennen.

Quelle

Goethe-Universität Frankfurt am Main (05/2026)