Entstehung des Lebens in der Tiefsee

Zwei Studien lösen das Problem niedriger Ausgangskonzentrationen von Biomolekülen

 

lava-meer-2Die Entstehung des Lebens aus unbelebter Materie setzt relativ hohe Konzentrationen von Ausgangsstoffen (Bausteinen des Lebens) voraus, aus denen sich komplexere Moleküle bilden können.  Hohe Konzentrationen aber können in der Ursuppe sicher nur lokal vorgelegen haben. Dieser Einwand, der oft aus dem Lager der Kreationisten gegen eine natürliche Entstehung des Lebens vorgetragen wird, hat zwar kein großes Gewicht: Schon lange ist bekannt, dass sich Moleküle teils selektiv an mineralischen Oberflächen wie Eisen- und Zinksulfid, in den Poren von Tonmineralien und Meteoriten sowie in Fettsäure-Vesikeln anreichern und dort miteinander reagieren können (vgl. etwa GLAVIN & DWORKIN 2009; MULKIDJANIAN, 2009; SPIRIN 2005; WÄCHTERSHÄUSER 1988). Gleichwohl waren konkrete, empirisch untermauerte Szenarien dafür bislang Mangelware.

Im vergangenen Jahr konnte das Forscherteam um den Biophysiker Dieter BRAUN von der Ludwig-Maximilians-Universität München erstmals nachweisen, dass wasserumspülte Gesteinsporen unter dem Einfluss von Hitze (etwa in den hydrothermalen Schloten in der Tiefsee) tatsächlich günstige Reaktionsräume für die Entstehung und Anreicherung komplexer Biomoleküle wie RNA und DNA darstellen (KREYSING et al. 2015). Wichtig ist dabei vor allem, “… dass die Gesteinspore einseitig erhitzt ist, sodass die der Wärmequelle zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer ist als die andere”, lässt BRAUN auf der Ludwig-Maximilians-Universität München verkünden, der auch Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) und des Center for NanoScience (CeNS) ist.

Der Effekt basiert auf dem Prinzip der so genannten Thermophorese: Befinden sich Moleküle in einem fluiden Medium, in dem ein Temperaturgefälle herrscht, bewegen sich die Moleküle von der warmen zur kalten Seite. Werden porenreiche Mineralien oder Gesteine von diesem ungleichmäßig heißen Medium umspült, sammeln sich die Moleküle in den kühleren Poren, konzentrieren sich dort auf und bleiben gefangen – das poröse Gestein wird zur “Molekülfalle”.

Inspiriert durch diese Ergebnisse modellierte kürzlich eine Forschergruppe um die Chemikerin Simone WIEGAND ein solches System, um die Anreicherung eines präbiotisch wichtigen chemischen Ausgangsstoffs zu simulieren: Formamid (HCONH2), das z. B. bei verschiedenen “Ursuppen-Experimenten” aus Atmosphärengasen entsteht und bei der Bildung komplexer Biomoleküle wie Nukleinbasen eine bisher unterschätzte Rolle zu spielen scheint, entsteht in aller Regel nur in sehr niedriger Konzentration. In dieser stark verdünnten Form ist sie für die Entstehung von Biomolekülen kaum von Bedeutung. NIETHER et al. (2016) konnten jetzt erstmals zeigen, dass eine stark verdünnte Formamid-Lösung unter bestimmten Bedingungen bis auf 85 Gewichtsprozent aufkonzentriert werden kann und somit die Entstehung von Nukleinbasen erklären könnte. (Man kann davon ausgehen, dass auch andere niedermolekulare organische Verbindungen auf diese Weise in den Kapillar-Röhren angereichert werden und somit für diverse präbiotische Synthesen zur Verfügung stehen können.)

Vulkane, deren Lava sich ins Meer ergießt, bieten geradezu ideale Voraussetzungen für diesen Prozess – ebenso die hydrothermalen Schlote der Tiefsee, die so genannten Schwarzen Raucher (Abb. 1). Diese speien unaufhörlich kochend heißes Wasser, Vulkangase und Metallsulfide ins Meer. Entlang der Strömungskanäle kommt das Wasser mit den Poren umliegenden Gesteins im Berührung und erzeugt jenes Temperaturgefälle, das es zum Festhalten und Aufkonzentrieren der eindringenden Moleküle braucht – eine Voraussetzung für die Entstehung und Vervielfältigung komplexer Biomoleküle. Bereits HUBER et al. (2012) konnten nachweisen, dass sich unter hydrothermalen Bedingungen an entsprechenden Eisen- und Nickel-Katalysatoren zunächst einfache organische Verbindungen wie die Aminosäuren Alanin, Glycin und Serin bilden, die, und das ist das Interessante, eine Lawine von Folgereaktionen auslösen können. In den vulkanischen Schloten ändern sich Temperatur, Druck und pH-Wert entlang des Strömungswegs und bieten so ein graduelles Spektrum von Reaktionsbedingungen – geradezu ideale Voraussetzungen für die Bildung aller relevanten Biomoleküle.

Schwarzer Raucher

Abb. 1: Schwarze Raucher sind hydrothermale Schlote in der Tiefsee, deren Energie sich aus Magmakammern speist, die bis in den Erdmantel hinauf reichen. Ihnen entströmt mineralhaltiges, bis zu 370°C heißes Wasser, das wegen des enormen Drucks nicht verdampft. In ihm gelöst sind vulkanische Gase wie Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan, Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak, die sich in der Hitze zu einfachen organischen Verbindungen, wie etwa Formaldehyd, Harnstoff, Blausäure und Formamid umsetzen, sowie Sulfide und andere Salze von Eisen, Nickel, Molybdän, Kupfer und Zink, die als Katalysatoren wirken. Diese Salze werden im kalten Ozeanwasser gefällt und treten als schwarze Rauchfahne aus dem Schlot. Entlang des Strömungskanals befindet sich porenreiches Gestein, in dem sich die Moleküle anreichern und zu komplexeren Biomolekülen reagieren können.

Die Erkenntnisse von BRAUN und NIETHER et al. stärken dieses Szenario, da sie nun auch die erforderlichen Schritte der Kompartimentierung und Aufkonzentrierung erklären können. Vor allem bei offenen Poren werden die für die Evolution wichtigen Kettenmoleküle wie Oligo- und Polypeptide, Proteine und Nukleinsäuren (DNA, RNA) festgehalten und begünstigen thermodynamisch die Kettenbildung, während in freier Lösung die Spaltungsreaktion begünstigt wird.

Bislang nur graue Theorie, könnte man meinen – immerhin wurde schon vor Jahren thermodynamisch gezeigt, dass ein Temperaturgefälle, das sich über submillimetergroße Poren erstreckt, DNA-Bausteine anreichern und die Kettenbildung (Polymerisation, Entstehung von Nukleinsäuren und Lipid-Vesikeln) begünstigen kann (MAST et al. 2013). Die Wissenschaftler um BRAUN jedoch haben die Gesteinsporen im Labor nachgebildet und konnten  nachweisen, dass dieses System funktioniert: “Wir haben eine natürliche Pore mit winzigen Glaskapillaren nachgebaut, einseitig geheizt und mit Wasser durchspült, das DNA-Bausteine unterschiedlicher Länge enthielt. Unter diesen Bedingungen werden nur die langen DNA-Bausteine tatsächlich in der Pore festgehalten”, heißt es auf BRAUNs Internetseite. “Geheizte Poren”, so BRAUN weiter, “kamen im Vulkangestein der jungen Erde oft vor, dieses Szenario ist also sehr realistisch. Noch besser wird der Temperatureffekt, wenn man den Einfluss von im Gestein eingeschlossenen Metallen einbezieht, die eine hundertfach höhere Wärmeleitfähigkeit haben als Wasser”.

Doch die DNA- und RNA-Moleküle werden nicht nur in der Pore festgehalten, sondern vermehren sich auch: Bildet sich durch Anlagerung passender Nukleotide an eine Matrize ein Doppelstrang, trennen sich dieser in der heißen Zone der Pore wieder auf. Die Einzelstränge werden durch den Konvektionsstrom wieder in kühlere Bereiche transportiert und ergänzen sich mit neuen Bausteinen zu einem Doppelstrang. Dieses Spiel setzt sich solange fort, bis keine weiteren Moleküle mehr in der Pore gehalten werden können. Die replizierten Moleküle verlassen die Pore und verbreiten sich in benachbarten Porensystemen.

Damit ist es den Forschern erstmals gelungen, im Labor ein System nachzubauen, das eine autonome, Darwinsche Evolution von immer komplexeren Molekülen ermöglicht – also die Voraussetzungen für die Entstehung von Leben schafft. “Leben bedeutet immer thermodynamisches Nichtgleichgewicht. Deswegen muss die Entstehung ersten Lebens durch eine externe Energiequelle angestoßen werden – etwa durch einen Temperaturunterschied”, meint BRAUN, “dass dies so elegant und einfach möglich ist, hat uns selbst sehr überrascht. Möglich war dieser Erfolg nur durch die enge Zusammenarbeit aller im Team”.

Literatur

GLAVIN, D.P. & DWORKIN, J.P. (2009) Enrichment of the amino acid L-isovaline by aqueous alteration on CI and CM meteorite parent bodies. PNAS 106, 5487–5492.

HUBER, C.; KRAUS, F.; HANZLIK, M.; EISENREICH, W.; WÄCHTERSHÄUSER, G. (2012) Elements of metabolic evolution. Chemistry 18, 2063–2080.

KREYSING, M.; KEIL, L.; LANZMICH, S. & BRAUN, D. (2015) Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2155.

MAST, C.B.; SCHINK, S.; GERLAND, U. & BRAUN, D. (2013) Escalation of polymerization in a thermal gradient. PNAS 110, 8030–8035.

MULKIDJANIAN, A.Y. (2009) On the origin of life in the Zinc world: I. Photosynthesizing, porous edifices built of hydrothermally precipitated zinc sulfide as cradles of life on Earth. Biology Direct 4, DOI: 10.1186/1745-6150-4-26.

NIETHER, D.; AFANASENKAU, D.; DHONT, J.K.G. & WIEGAND, S. (2016) Accumulation of formamide in hydrothermal pores form prebiotic nucleobases. PNAS 113, 4272-4277.

SPIRIN, A.S. (2005) RNA world and its evolution. Molekular Biology 39, 550-556.

WÄCHTERSHÄUSER, G. (1988) Before enzymes and templates: theory of surface metabolism. Microbiological Reviews 52, 452–484.

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