Präbiotische Synthese

Die Entstehung des Lebens  Kapitel 9: Die Bedeutung und Ursprünge des Stoffwechsels

von

 

Im letzten Beitrag haben wir festgestellt, dass die Weißen Raucher in der Tiefsee ideale Bedingungen für die Entstehung von Leben liefern können: ein hoher Kohlenstoff- und Energiefluss, der physikalisch über anorganische Katalysatoren geleitet wird und so eingeschränkt ist, dass sich hohe Konzentrationen an organischen Stoffen ansammeln können. Die hydrothermalen Fluide sind reich an gelöstem Wasserstoff und enthalten geringe Mengen anderer reduzierter Gase wie Methan, Ammoniak und Sulfid (Russel et al. 1988, 1994, 1998, 2003, 2013, Russel 2003, 2011, Russel & Hall 1997, 2002, Herschy 2014, Herschy et al. 2014, Lane et al. 2010, Lane 2017, Martin et al., 2008, 2014, Martin & Russel 2003, 2007, Martin 2012, Nitschke & Russel 2009, Branscomb & Russel 2018a,b). Lost City und andere bekannte alkalische Schlote (Kelley et al. 2001, 2005, 2007) sind mikroporös – es gibt keinen zentralen Schornstein, sondern das Gestein selbst ist wie ein mineralisierter Schwamm, mit dünnen Wänden, die miteinander verbundene Poren von Mikrometern bis Millimetern Größe voneinander trennen und insgesamt ein riesiges Labyrinth bilden, durch das die alkalischen hydrothermalen Fluide sickern (Abb. 1). Da diese Fluide nicht durch Magma überhitzt werden, begünstigen ihre Temperaturen nicht nur die Synthese organischer Moleküle, sondern auch langsamere Fließgeschwindigkeiten. Die Fluide werden nicht mit rasender Geschwindigkeit herausgepumpt, sondern schlängeln sich sanft über katalytische Oberflächen. Und diese Schlote bleiben Jahrtausende lang bestehen, im Fall von Lost City mindestens 100.000 Jahre.

Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 8: Entstand das Leben in der Tiefsee?

von

Das Problem mit der Ursuppe   Die letzten Beiträge befassten sich mit der Herstellung von Biomolekülen unter präbiotischen Bedingungen. Wir konnten zeigen, dass nahezu alle organischen Moleküle unter natürlichen Bedingungen entstehen können. Doch das ist nur der erste Schritt auf dem langen Weg zur ersten Zelle. Tatsächlich reicht es definitiv nicht aus, einige Moleküle miteinander … Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 7: Panspermie

von

Darwin und die Fossilien aus dem All

Text als pdf

Die ältesten Fossilien, die die Existenz von frühem Leben auf der Erde bezeugen, sind etwa 3,4-3,8 Mrd. Jahre alt (Schidlowski et al. 1979, Mojzsis et al. 1996, Nutman et al. 2016). Als Charles Darwin mit seiner Theorie der natürlichen Selektion die Bildung neuer Arten erklärte, waren ihm diese frühen Spuren des Lebens nicht bekannt. Während man in Gesteinsschichten des Kambriums, also im Zeitraum von 541 bis vor 485,4 Mio. Jahren, komplexe Organismen mit Schalen, wie Muscheln und Trilobiten, findet, waren zu Darwins Zeiten aus älteren Gesteinsschichten keine Fossilien bekannt. Dementsprechend stellten sich einige Naturforscher, unwissend über die Fossilbelege aus den älteren Gesteinsschichten, die Frage, wie sich Arten anscheinend aus dem Nichts entwickeln konnten.

Otto Hahn, eigentlich Rechtsanwalt, jedoch mit einem Interesse für Naturkunde und Amateurgeologe, hatte Ende der 1870er Jahre eine Lösung: Das Leben auf der Erde stammt aus dem Weltall.

Erst wenige Jahre vorher hatte der kanadische Staatsgeologe John William Dawson (1820–1899) aus einem präkambrischen Kalkstein, der entlang des Ottawa River gefunden wurde, das Eozöon canadensis (das kanadische Tier der Morgenröte des Lebens Abb. 1) beschrieben. Deutlich grünlich-weiß geschichtete Lagen und Knollen im Kalkstein erinnerten Dawson an die Schalen von Foraminiferen, einzellige Organismen, die aus Kalzit oder Quarz einen ihren weichen Körper umhüllende Schalen bilden können. Bald darauf glaubte der Geologe Carl Wilhelm von Gümbel (1823–1898), Begründer der systematischen geologischen Landesaufnahme in Bayern, mit Eozöon bavaricum (das bayerische Tier der Morgenröte, Abb. 1) die älteste Lebensform der Erde entdeckt zu haben. Gümbel rekonstruierte Eozöon als eine Art beschalte Riesenamöbe. Hahn war von dieser Entdeckung dermaßen begeistert, dass er sich auf die Suche nach ähnlichen Fossilien in vergleichbar alten Gesteinen machte. Bald schon wurde er fündig, und nicht nur in Sedimentgesteinen. Hahn beschreibt organische Strukturen aus metamorph überprägten Gesteinen und sogar magmatischen Gesteinen, die direkt aus einer abgekühlten Schmelze entstehen (Bressan 2023).

Weiterlesen

Die Entstehung des Lebens Teil 6: Chiralität und Enantiomere

von

Isomerie

 

Bei vielen organischen Molekülen findet sich das Phänomen der Isomerie. Isomerie bedeutet, dass die Summenformel des Moleküls die gleiche ist, die Strukturformel jedoch eine andere. Das heißt, dass ein Molekül die gleiche Anzahl von Atomen haben kann, diese aber unterschiedlich angeordnet sein können.

Sehen wir uns hierfür als Beispiel das Propanol an (Abb.1). Propanol gehört zur Familie der Alkohole, welche durch eine OH-Gruppe als funktionelle Gruppe gekennzeichnet sind. Propanol ist ein Alkohol mit drei Kohlenstoffatomen. Beim Propanol kann die OH-Gruppe entweder an einem der äußeren Kohlenstoffatome verbunden sein, dann bezeichnet man diese Form des Propanols als Propan-1-ol (bzw. n-Propanol). Die OH-Gruppe kann aber auch am mittleren Kohlenstoffatom verbunden sein. Die Zahl der Atome, also die Summenformel, ist die gleiche (C3H8O; bzw. auch als C3H7OH). Die Position der funktionellen Gruppe jedoch eine andere, womit wir eine andere Strukturformel haben. Dieses Isomer des Propanols bezeichnet man als Propan-2-ol. Solche Strukturisomere haben dann auch andere chemische und physikalische Eigenschaften.

Abb. 1: Isomere von Propanol

Chiralität

 

Neben diesen Strukturisomeren kommt bei organischen Molekülen auch etwas vor, dass man als Chiralität bezeichnet (Abb. 2).

Weiterlesen

Die Entstehung des Lebens Teil 5: Polymerisation von Biomolekülen

von

Einleitung: Grundlagen der Polymerisation

 

In den letzten beiden Episoden haben wir das Experiment von Miller und weitere Ursuppenexperimente gezeigt, die bestätigen, dass unter abiotischen Bedingungen die Grundbausteine des Lebens: Aminosäuren, Nukleinsäuren, Zucker und Lipide auf natürliche Weise entstehen können. Diese Grundbausteine bezeichnen wir als Monomere. Man konnte belegen, dass sich praktisch alle relevanten Biomoleküle abiotisch, auf der Grundlage physiko-chemischer Gesetze bilden können.

Der nächste Schritt ist es, dass sich die einzelnen Monomere zu komplexeren Makro-Molekülen vereinigen. Man spricht hier von Polymerisation.

Aminosäuren verbinden sich zu Proteinen, Nukleotide zu RNA und DNA. Monosacharide verbinden sich zu komplexeren Kohlenhydraten. Lipide vereinen sich zu komplexeren Lipidschichten, die wir z. B. in Zellmembranen haben (Abb. 1).

Weiterlesen

Die Entstehung des Lebens Teil 4: Präbiotische Synthese von Nukleinsäuren, Zuckern, Fetten

von

 

 

Der wohl historisch wichtigste Durchbruch in der Erforschung zur Entstehung des Lebens wurde 1953 durch Stanley Miller und Harold Urey erreicht (Miller 1953), indem sie aus einer Mischung aus Gasen wie Ammoniak, Methan, Stickstoff und CO2 Aminosäuren herstellen konnten. Damit war der Weg geebnet für die Erforschung zur Entstehung des Lebens. Natürlich haben Miller und Urey kein Leben erschaffen, konnten aber zeigen, dass die wichtigsten Baustoffe des Lebens – Aminosäuren – auf natürliche Wiese entstehen können. Doch wie sieht es mit den anderen Biomolekülen, also Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden aus? Können auch diese unter natürlichen Bedingungen entstanden sein? In diesem Beitrag gehen wir genau dieser Frage nach.

Weiterlesen