Bakterien sind Lebewesen, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen, und sie steuern erst einmal nur sich selbst. Und dennoch können sich Bakterien vieler Arten zu Kolonien zusammenschließen, die sich wie ein komplexer Organismus verhalten. Darin übernehmen die einzelnen Mikroben plötzlich unterschiedliche Aufgaben: Einige produzieren einen Schleim, der die Kolonie zusammenhält; andere versorgen ihre „Geschwister“ mit Nährstoffen und Energie; wieder andere sind besonders beweglich und sorgen so dafür, dass die Kolonie sich ausbreitet. Zusammen leisten sie also etwas, was jedes einzelne für sich nicht leisten könnte.
Das plötzliche Auftauchen einer neuen, unvorhersagbaren Eigenschaft eines Verbunds ist ein Phänomen, das Forschende als Emergenz bezeichnen. „Emergenz gibt es auch in der Welt der Moleküle“, sagt Prof. Harald Schwalbe vom Institut für organische Chemie und chemische Biologie der Goethe-Universität Frankfurt. „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
So ist Wasser polar: Das Sauerstoffatom ist leicht negativ geladen, die Wasserstoffatome leicht positiv. Ohne die Verbindung dieser Eigenschaften im Wasser gäbe es kein Leben – zumindest nicht in der heutigen Form. Denn die Polarität sorgt dafür, dass zwei Wassermoleküle einander anziehen, ähnlich wie schwache Magneten. Dieser Zusammenhalt ist der Grund, weshalb Wasser zwischen 0 und 100 Grad flüssig ist und nicht gasförmig. Das ist der Temperaturbereich auf der Erde – bedingt durch ihre Entfernung zur Sonne. Unter den physikalischen Bedingungen auf der Erde ist Wasser die Flüssigkeit, in deren Umgebung die Moleküle des Lebens entstehen können und in der chemische Reaktionen in Organismen beschleunigt werden.
„Das ist wiederum eine Voraussetzung dafür, dass DNA Informationen speichern kann und Proteine eine bestimmte Struktur annehmen“, erklärt der Chemiker. So besteht DNA aus unterschiedlichen molekularen Bausteinen, die schon vor der Entstehung des Lebens entstanden sind und von denen einige ebenfalls polar sind, andere dagegen unpolar. Die polaren Bestandteile fühlen sich in Wasser wohl - sie drehen sich daher in wässriger Umgebung nach außen. Die unpolaren kommen dadurch innen zu liegen. Das ist einer der Gründe dafür, warum die DNA unter natürlichen Bedingungen eine Doppelhelix-Struktur annimmt, ähnlich wie eine Wendeltreppe, bei der die polaren Geländer außen liegen und die unpolaren Stufen verdreht übereinandergestapelt sind.
„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 Ordnung ist dann wiederum eine der Grundlagen dafür, dass diese komplexen Moleküle ebenfalls bestimmte, unvorhersagbare Eigenschaften entwickeln. Sie ist beispielsweise mit dafür verantwortlich, dass DNA aus zwei umeinander verdrehten Strängen besteht. Diese verhalten sich normalerweise komplementär zueinander - wie zwei zueinander passende Puzzleteile. Daher hat DNA etwa die Fähigkeit, sich zu replizieren, also Kopien von sich anzufertigen. Dazu trennen sich die DNA-Stränge, und an jeden Einzelstrang lagern sich aufs Neue passende Puzzleteilchen an. Die Fähigkeit zur Replikation ist für die Entstehung des Lebens zentral.
Evolution komplexer Systeme wird sich nicht exakt wiederholen
Die Publikation nennt insgesamt 13 Merkmale komplexer Systeme. Eines davon ist das Phänomen, dass diese Systeme manchmal kritische Zustände erreichen, an denen sich ihre Eigenschaften durch Emergenz fundamental ändern. Dadurch werden plötzlich neue Funktionen möglich. Wann das genau passiert, lässt sich nicht vorhersagen. Diese Sprünge waren oft wichtige Schritte auf dem Weg zur Entstehung des Lebens. Damit sie stattfinden können, benötigen Systeme einen ständigen Eintrag von Energie – auf der Erde stammt sie von der Sonne.
Ein Treiber dieser Entwicklung sind evolutive Mechanismen, die bereits vor der Entstehung des Lebens bei der Entwicklung der Moleküle ansetzten. Sie haben im Zusammenspiel mit der Emergenz dafür gesorgt, dass sich das Leben zu seinen vielfältigen Formen entwickelt hat, die wir heute auf der Erde vorfinden. Trotz dieser Wirkkräfte sei die genaue Art und Weise dieser Entwicklung aber nicht vorgezeichnet gewesen, betont Schwalbe: Wenn wir die Uhr vier Milliarden Jahre zurückdrehen könnten, würden ganz andere Lebensformen entstehen, als wir heute kennen.
Goethe-Universität Frankfurt
Originalpublikation:
Harald Schwalbe, Josef Wachtveitl, Alexander Heckel, Florian Buhr, Sabrina Toews, Thomas M. Schimmer. The Role of Chemistry Across Disciplines From Humanities to Life Sciences in Understanding Complexity and Emergence. Angewandte Chemie International Edition (2026); https://doi.org/10.1002/anie.202523427
