Wo das Leben vielleicht begann

Wo haben sich auf diesem Planeten erste komplexe organische Moleküle und erste primitive Einzeller entwickelt? Wo lag der Ursprung des Lebens? Als mögliche Ursprungsregionen werden unter Biowissenschaftlern alle möglichen Lokalitäten auf der Erdoberfläche diskutiert, von der Tiefsee bis hin zu flachen Tümpeln. Forscher der Uni Duisburg-Essen glauben, die Antwort nicht auf diesem Planeten gefunden zu haben, sondern in ihm.

Die Erdkruste wurde bisher als mögliches Entstehungsgebiet des Lebens mehr oder weniger ignoriert. Und gerade dort liegt der Ursprung des Lebens auf diesem Planeten. Zumindest deuten die Forschungsergebnisse des Geologen Prof. Dr. Ulrich Schreiber und des Physikochemikers Prof. Dr. Christian Mayer von der Universität Duisburg-Essen (UDE) in diese Richtung [ 1 ].

Ursprung des Lebens? Steil stehende Bruchzonen in der Erdkruste bieten Wege nicht nur für Wasser. Die in ihnen aufgestiegenen Gase trugen zur Bildung der Atmosphäre bei. Diesen Gase können eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung komplexer biologischer Moleküle gespielt haben. Grafik: UDE / G. Berberich

Ursprung des Lebens? Steil stehende Bruchzonen in der Erdkruste bieten Wege nicht nur für Wasser. Die in ihnen aufgestiegenen Gase trugen zur Bildung der Atmosphäre bei. Diesen Gase können eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung komplexer biologischer Moleküle gespielt haben. Grafik: UDE / G. Berberich

Nach Meinung der Wissenschaftler können tief reichende und untereinander verbundene Bruchzonen Reaktionsumgebungen geboten haben, in denen sich die Vorstufen heutiger Biomoleküle bildeten. In den tief reichenden tektonischen Störungszonen mit Kontakt zum Erdmantel sind die Verhältnisse optimal, so Prof. Schreiber. Dort steigen Wasser, Kohlendioxid und andere Gase auf, wie heute noch in der Eifel. Sie enthalten alle erforderlichen Stoffe, die man für organisch-biologische Moleküle benötigt.

Ein wichtiges Argument dafür, dass der Ursprung des Lebens in der Erdkruste lag, ist das Kohlendioxid. Ab einer Tiefe von etwa 800 Metern wird es aufgrund des hohen Umgebungsdruckes und seiner hohen Temperatur überkritisch. Es ist dann dicht wie eine Flüssigkeit, strömungsfähig wie ein Gas und bietet den meisten Stoffen ein hervorragendes Lösungsmittel. „Mit diesem besonderen Zustand können wir viele Reaktionen erklären, die im Wasser nicht funktionieren. Kohlendioxid wirkt dann nämlich wie ein organisches Lösungsmittel und erweitert die Zahl der möglichen chemischen Reaktionen erheblich“, erläutert Prof. Mayer. Mit Wasser bildet es darüber hinaus Grenzflächen, die schrittweise zu einer Doppelschicht-Membran führen, dem wichtigsten Strukturelement der lebenden Zelle.

Neu ist, so Prof. Mayer, dass das UDE-Modell den Entstehungsprozess umfassend beschreibt und mehrere Probleme löst: die Molekülherkunft, die Aufkonzentrierung, die Energieversorgung per Erdwärme und die Membranbildung. Im Labor ließen sich in Hochdruckanlagen mit überkritischem Kohlendioxid bereits diese grundlegenden Schritte auf dem Weg zum Mikroorganismus nachweisen: Seien es erste zellähnliche Strukturen oder die Entstehung komplexer Moleküle wie Proteine und Enzyme.

„Besonders attraktiv für das Erklärungsmodell ist zudem die Tatsache, dass diese Entstehungsbedingungen schon in bestimmten Gesteinen aus der Frühzeit der Erde nachgewiesen werden konnten“, so Chemieprof. Oliver Schmitz. In winzigen Flüssigkeitseinschlüssen, wie sie in uralten australischen Gangquarzen vorkommen, fanden die Wissenschaftler zahlreiche organische Stoffe aus der Frühzeit der Erde. Weil sie während der Kristallbildung eingeschlossen wurden, haben sie sich bis heute erhalten. Sie helfen dabei, die Ergebnisse der Laborversuche mit der Wirklichkeit abzugleichen.

Das UDE-Modell im Detail

Damit sich längere Molekülketten oder sogar Zellstrukturen bilden konnten, war ein effektives Sammelsystem der entstandenen Moleküle nötig. Darin mussten sie, bevor sie wieder zerfielen, in stabilere Verbindungen überführt werden. Die Verkopplung präbiotischer Moleküle zu längeren Ketten ist in wässriger Umgebung kaum möglich ohne spezielle Hilfsmoleküle. Heute haben in der Chemie des Lebens Enzyme diese Funktion, damals gab es sie noch nicht. Kritisch war deshalb die Frage, welche Substanz die Moleküle wirkungsvoll verketten konnte. Die Antwort liefert in dem vorgestellten Modell überkritisches Kohlendioxid, das sich wie ein organisches Lösungsmittel verhält:

  • Kohlendioxid steigt in der mittleren Erdkruste in Form überkritischer Bläschen im Wasser der Bruchzonen auf, dort wo Wasser bereits wieder normal flüssig ist.
  • Die Kohlendioxid-Bläschen sammeln die meisten der unabhängig gebildeten präbiotischen Moleküle aus dem Wasser auf. Das Innere der Bläschen bietet einen Raum für weitere Reaktionen zwischen den eingesammelten Molekülen.
  • Viel wirkungsvollere Reaktionsräume bilden sich an Vorsprüngen der Bruchzonen. Das aufsteigende überkritische Kohlendioxid fängt sich an ihnen und bildete Taschen (Mikroautoklaven) als eine Art Zwischenspeicher. In ihnen vereinen sich Bläschen zu einer großen Blase, in der unterschiedlichste chemische Reaktionen stattfinden können.
  • Erreichen die Blasen ein gewisses Volumen, trennen sich neue Bläschen ab, die Reaktionsprodukte einschließen und eine erste Lipidhülle ausbilden.
  • Sie steigen weiter nach oben auf, in den nächsten Autoklaven. Dadurch wurden über lange Zeiträume ständig präbiotische Moleküle über die aufsteigenden Bläschen in den Autoklaven angesammelt und erzeugten hohe Molekülkonzentrationen. Sie sind die Voraussetzung für die Entwicklung größerer Moleküle.
  • Die Lipid-umhüllten Bläschen erreichen schließlich die Grenzfläche Wasser/Luft. Dort laufen weitere Reaktionen unter neuen Bedingungen ab: Katalysatoren wie metallischen Oberflächen und Tonen, Gasgeysire, UV-Strahlung, Süßwasser oder der Transport in die Ur-Ozeane.

Link

[ 1 ] Ulrich Schreiber, Oliver Locker-Grütjen, Christian Mayer: Hypothesis: Origin of Life in Deep-Reaching Tectonic Faults, Origins of Life and Evolution of Biospheres, February 2012, Volume 42, Issue 1, pp 47-54, DOI: 10.1007/s11084-012-9267-4
http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11084-012-9267-4

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