Nicht nur der Haifisch, der hat Zähne, quer durch das Reich des Lebens wird mit Unbelebtem - Mineralien - gebaut. Wie ist das möglich, wie kam es dazu? Ein steiniger Weg.
G old is for the mistress, silver for the maid / Copper for the crafts man cunning at his trade / ,Good!', said the Baron, sitting in his hall, / ,But Iron - Cold Iron - is master of them all'". Kaltes Eisen? Rudyard Kipling meinte damit eine Erfindung des Menschen, die Kanonenkugel im Besonderen und die Nutzung der Schätze der Erde im Allgemeinen. Geologe Joseph Kirschvink, der das Zitat ausgegraben hat, meint etwas Grundlegenderes, die Nutzung der Schätze der Erde durch die belebte Natur, Zähne, Knochen, Schalen. Überall wird mit Kalzium gebaut - und wie, aus brösligem Kalziumkarbonat, Kalk, bilden Seeigel nadeldünne Stacheln, die mit ihren 30 Zentimeter Länge der Brandung standhalten -, deshalb hieß das Gebiet lange "Kalzifizierung".
Aber das war zu eng: 1961 saß Heinz Lowenstam an einer Küste der Bermudas und sah kaltes Eisen respektive dessen Spuren. Wer? Lowenstam ist einer der Vergessenen, ein Geologe, der 1937 aus Deutschland emigriert war und bei Harold Urey in Chicago die Techniken vorangetrieben hatte, mit denen man aus dem Isotopenverhältnis in Fossilien die Umweltbedingungen rekonstruieren kann, die zu Lebzeiten der Fossilierten herrschten. Der "atomic paleontologist" verfeinerte die Kunst derart, dass er aus der Schulpe eines Tintenfischs - auch etwas Kalzifiziertes - den Jahresgang der Temperatur vor 80 Millionen Jahren lesen konnte. Zum Eichen musste er lernen, wie die Materialien gebaut werden, er konzentrierte sich auf Korallen und merkte ganz nebenher, dass das poröse Gestein alter und längst mit Sedimenten bedeckter Riffe oft Erdöl speichert. Er merkte es mitten im Krieg, die US-Marine blieb ihm dankbar, sie flog ihn später quer durch den Pazifik, von einem Riff zum anderen. So saß er 1961 auf den Bermudas vor Kalkstein, über den sich lange, dünne und ineinander verschlungene Bänder zogen, wie Nudeln.
Dann sah er den, der die Muster zog, es war ein Chiton, eine Meeresschnecke, die sich von Algen ernährt, die im Stein leben. Den raspelt die Schnecke mit einer zahnbewehrten Zunge ab, nach damaligem Stand der Forschung ein Ding der Unmöglichkeit, Weichtiere bauten laut Lehrbuch ihre Zähne aus Proteinen, wie wir unsere Fingernägel, viel zu weich für Stein. Lowenstam betrachtete die Zähne, sie waren schwarz und hart, er analysierte sie, sie bestanden aus einem Eisenoxid, Magnetit, Fe3O4.
Das war noch ein Ding der Unmöglichkeit, Magnetit bildete sich - in den Büchern - nur bei hohen Drücken und Temperaturen, in der Erde ("geogen") oder in den Schmelzen und Hütten der Menschen, keinesfalls in Lebewesen bei Raumtemperatur, "biogen". Die Zunft stand Kopf und vermutete, der Chiton müsse fertiges Magnetit aus dem Sand aufgenommen haben, so wie Haie es tun, die damit das Gleichgewichtsorgan im Innenohr ausstatten. Aber Lowenstam konnte rasch zeigen, dass der Chiton selbst der Schmied war: Zuerst werden Fe3+-Ionen in ein Protein eingelagert (Ferritin), dann wird aus dem das Eisen als Ferrihydrit (Fe2O3Â9H2O) in eine Protein-Matrix überführt, die die Form des Zahns hat, dort wandelt es sich in Magnetit. Das hat seinen Namen nicht von ungefähr, vor der Erfindung des Kompasses ließen sich Seeleute von "Leitsteinen" - an Fäden hängenden Magnetiten - den Weg weisen. Und als Lowenstam einen Magneten an das Chiton-Magnetit hielt, richtete es sich danach aus. Der Biomagnetismus war entdeckt, viele hatten darauf gewartet, man vermutete lange schon, dass manche Tiere sich am Magnetfeld orientieren, dazu brauchen sie Eisen, auch der Chiton folgt seinen Zähnen.
Allein zur Härtung muss es nicht Eisen sein, vor drei Jahren fand die Kärntnerin Helga Lichtenegger (heute TU Wien, damals University of California, Santa Barbara) etwas, was Science mit Lowenstams Fund verglich, eine Kupferverbindung, Atacamit, Cu2(OH)3Cl. Mit ihr schützt Glycera dibranchiata, ein räuberischer Meereswurm, seine Zähne vor Abrieb. Warum Kupfer? Vermutlich stärkt Glycera damit nicht nur die Zähne, sondern auch die Gifte, die es durch sie injiziert (Science, 298, S. 389). Heute sind über 70 solcher Gesteine bekannt - man hat das Feld in "Biomineralisierung" umgetauft -, mengenmäßig dominieren Kalzium und Silizium, Knochen und Zähne sind aus Hydroxylapatit (Ca5(PO4)3OH), Kieselalgen hüllen sich in Siliziumdioxid (SiO2), Brennnesseln machen damit ihre Haare spröde, auf dass sie bei Berührung brechen; zwei der drei Modifikationen von Kalziumkarbonat (CaCO3) werden breit genutzt, mit Kalzit bauen Vögel ihre Eier und Korallen ihre Häuser, aus Aragonit wird Perlmutt, das der Abalone-Muschel etwa. Die lagert das Mineral in elastische Proteine ein, die nur drei Gewichtsprozent der Schale ausmachen, aber das Kalzit um das 3000fache festigen. Das Geheimnis all dieser Materialien liegt in der Kombination, allerdings ist nur im Prinzip verstanden, was an der Grenze des Belebten und Unbelebten vor sich geht: Anorganische Vorläufer werden von Lebewesen zum Kristallisieren angeregt und dann entweder einfach wachsen lassen - so machen es Korallen - oder durch Biomatrizen in Form gebracht, so machen es Zähne, die Kristalle in vollendeter Form und höchster Reinheit produzieren. Die Details liegen im Dunkeln, "poorly understood", heißt es in den Übersichtsarbeiten, "still far from completely elucidated", oder, einmal zur Abwechslung: "Has remained a mystery".
Das gilt auch für die Ursprünge. Steigen wir hinab in die Tiefe der Zeit und der Meere, der Weg führt über die Berge: Anno 1666 ging Fischern vor Livorno etwas ins Netz, was sie noch nie gefangen hatten, ein Weißer Hai, 1,2 Tonnen. Die Kunde drang nach Florenz, an die "Accademia del Cimento", das bedeutendste Forscherkolleg seiner Zeit, in dem auch der Däne Steno arbeitete, ein begnadeter Anatom. Er sezierte und beschrieb den Schädel, auch die Zähne, die etwas glichen, was damals häufig als Arznei und Amulett Verwendung fand: "Glossopetren", Zungensteine. Die lagen auf Bergen, niemand wusste, was sie waren und woher sie kamen. Steno sah, dass sie Haifischzähne waren, er fand auf Bergen bald auch Muscheln, Salzwassermuscheln, im Gestein.
Die passten schlecht zur herrschenden Lehre, ebenso wie die Berge selbst: In der Genesis erschafft der Herr keine Berge, und später kommt zwar die große Flut, aber es regnet Süßwasser, und nach 150 Tagen ist alles vorbei, so rasch wachsen Muscheln nicht, und im Gestein wachsen sie ohnehin nicht. Aber auch die Konkurrenz der herrschende Lehre, die aufkommende Naturforschung, winkte ab und übersah, dass Steno Ähnliches geleistet hatte wie Galileo und Kopernikus. Sie hatten den Ort des Menschen im Raum revolutioniert, er hob den in der Zeit aus den Angeln: Die Erde war nicht am 23. Oktober 4004 vor Christus erschaffen worden - wie es der anglikanische Erzbischof James Usher gerade errechnet hatte -, sie war viel älter und Schicht für Schicht gewachsen, "stratum super stratum", formulierte der "Anatom der Erde" und Gründer der Geologie. Er geriet in Vergessenheit - wurde Priester und hungerte sich zu Tode -, seine Wissenschaft auch.
Als sie wieder kam, wusste man das Archiv der Erde zu nutzen und las darin, dass das Leben steinalt ist, die ersten Bakterien entstanden vor 3,5 Milliarden Jahren, bald kamen auch "magnetotaktische" Bakterien, die sich mit selbst gebautem Magnetit orientieren. Aber die hohe Zeit der Biomineralisierung - mit ihr: der Fossilien - brach erst vor 520 Millionen Jahren an, in der "kambrischen Revolution", das Leben explodierte, zuvor war wenig, zumindest hat es wenig hinterlassen: Vor 600 Millionen Jahren begann das Ediacarum, in den Ozeanen hausten Lebewesen, von denen man nicht weiß, was sie waren, Vorläufer unserer Würmer und Quallen oder ganz eigenständige Lebensformen, die am ehesten aufgeblasenen Luftmatratzen glichen. Der Streit darüber ist hart und nicht entschieden (Science, 305, S. 1115), fest steht, dass die Ediacara keine Biomineralien bildeten - und dass die wenigen Abdrücke im Gestein, die von ihnen geblieben sind, keine Bissspuren zeigen.
Herrschte Paradiesesfriede, bis in der kambrischen Revolution einer den Zahn erfand, und der andere eine schützende Schale, und der Erstere einen stärkeren Zahn und so weiter bis zum kalten Stahl - "Jenny Fowler ward gefunden / Mit 'nem Messer in der Brust / Und am Kai geht Mackie Messer / der von allem nichts gewusst" - und zur Uranmunition und den schussfesten Westen von heute? Wo kam das Material her, wo das Know-how, über das mit einem Schlag alle verfügten? Für Letzteres bietet Kirschvink "A Grand Unified Theory of Biomineralization" an, in aller Bescheidenheit und mit fröhlichem Wink hinüber zur Physik: Seine Theorie habe den Vorteil, dass man sie prüfen könne. Die geht so: Die molekularen Mechanismen für den Umgang mit Mineralien wurden früh entwickelt, aber für andere Zwecke. Viele magnetotaktische Bakterien hatten Magnetit in sich, manche wurden wohl von eukaryontischen Zellen aufgenommen - das sind die mit Kern, wie sie alle höheren Lebensformen haben - und taten dort weiter ihren Dienst, auch Forellen und Tauben orientieren sich mit Magnetit. Und beim Teilen eukaryontischer Zellen spielen Kalzium-Ionen eine Schlüsselrolle. Das Leben kannte also die Materialien, das Werkzeug war da, beides konnte für neue Zwecke eingesetzt werden, "Exaptation" nennt man das, die Natur arbeitet häufig damit, in diesem Fall hat sie ihr altes Wissen in neue Zähne und Schalen gehärtet.
Liegt es daran, dass die Maja aus Perlmutt Zähne machten und sie implantierten? Abgestoßen wird Perlmutt von unserem Körper nicht, es wächst ein, regt gar die umgebenden Knochen zum Wachstum an, es muss ein alter Bekannter sein. Mit solchen Hinweisen begleitet Kirschvink seine Universaltheorie, systematisch getestet hat er sie nicht, er hat noch anderes zu tun: Er hat 1992, gestützt auf magnetotaktische Bakterien in Meeressedimenten, den "snowball earth" postuliert, die Hypothese, die Erde sei mehrfach rundum vereist gewesen; er hat 1997 Magnetit im Marsmeteor ALH 84001 identifiziert, das so perfekt kristallisiert ist, dass es seiner Überzeugung nach nur von Leben: Bakterien stammen kann (www.gps.caltech.edu/users/jkirschvink/).
Spekulieren wir zu Ende: Warum hob das große Biomineralisieren in der kambrischen Revolution an? Weil die Konzentration von freiem Kalzium in den Ozeanen in kurzer Zeit um das Dreifache stieg, vermutlich waren Tiefseevulkane aktiv geworden, und das war - wieder vermutlich - für das Leben kein Segen, sondern ein Gift, das entsorgt werden musste, in harmloser Form irgendwo gelagert. Deshalb wurden sie Baumeister (Geology, 6, S. 473). Ähnliche Vermutungen gibt es für die frühe Bildung der Magnetite, damit könnten Bakterien sich vor zu viel freiem Eisen geschützt haben. Dann allerdings wäre Eisen, kaltes Eisen, der Meister nicht nur unter den Metallen, es hätte auch die Evolution vorangetrieben. [*]