Biomoleküle auf kosmischen Staubkörnern Chemie im All – Begann so das Leben auf der Erde?

Der Ursprung des Lebens ist schwer zu rekonstruieren. Doch es gibt plausible Theorien. So kamen organische Moleküle möglicherweise über Kometen und interstellaren Staub auf die Erde. Ob die Chemie im All die entsprechen Moleküle überhaupt bereitstellen kann, zeigen nun aktuelle Forschungsergebnisse von Astrophysikern.

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Max-Planck-Institut für Astronomie für Astronomie

Der Ursprung des Lebens auf der Erde könnte sowohl einen kosmischen als auch einen irdischen Anteil gehabt haben: Der kosmische Anteil wären organische Moleküle, die sich im Weltraum gebildet haben und von Meteoriten zur Erde getragen wurden. Sie haben womöglich die Bausteine geliefert, die bei der Entstehung des eigentlichen Lebens, d. h. von sich selbst reproduzierenden Einheiten wie Protozellen, eine Rolle spielten. Solche Szenarien stellen eine plausible Alternative zu einem rein irdischen Erklärungsansatz dar, bei dem die notwendigen organischen Chemikalien für die Entstehung von Lebensformen direkt auf der Erde entstanden.

Vor einigen Jahren haben Astronomen der McMaster University in Kanada und des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) eine Berechnung für Szenarien vorgelegt, in denen diese Art von Molekül-Lieferungen aus dem Weltall warme, flache Teiche auf der Erde in geeignete Orte für die Entstehung von Leben verwandelt haben. Offen ist jedoch, wie komplex die kosmischen organischen Moleküle überhaupt werden können – und damit auch, welche Beiträge zum Ursprung des Lebens sie hätten leisten können.

Eisiger Staub als kosmisches Chemielabor

Nun haben die Forscher neue Ergebnisse veröffentlicht, die sich um die eisigen Oberflächen von kosmischen Staubkörnern drehen. Solche Staubkörner entstehen beispielsweise in den äußeren Schichten kühler Sterne und in der Umgebung von Supernova-Explosionen. Neuere Forschungen zeigen aber, dass der meiste Staub in Galaxien direkt im interstellaren Medium gebildet wird – also in denjenigen Regionen in den riesigen Zwischenräumen zwischen den Sternen, die Materie geringer Dichte sowie Strahlung enthalten. Hier könnte ein entscheidender Schritt zur Entstehung des Lebens auf der Erde passiert sein.

Der Staub besteht aus Kohlenstoff- oder Siliziumatomen, die zu Konglomeraten von weniger als einem Millionstel Meter Durchmesser verklumpt sind. Lässt man Wasserstoff und Helium beiseite, dann besteht die restliche Materie in den riesigen Molekülwolken des interstellaren Mediums gut zur Hälfte aus Staub. Solche Molekülwolken sind der Ort, an dem neue Sterne geboren werden – und aus einem Teil des Staubs entstehen neue Planeten.

Der Schlüssel zur kosmischen Chemie der Staubkörner sind Eisschichten, die sich um die Staubkörner herum bilden. Dort können z. B. Wasser- und Kohlenmonoxid-Moleküle „hängenbleiben“. Die Eisschichten werden so zum kosmischen Chemielabor: Moleküle sammeln sich dort an und kommen einander nahe genug, um chemische Reaktionen auszulösen.

Phosphor aus dem Weltraum

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Wie komplex können Weltraum-Moleküle werden?

Aber wie komplex können Moleküle unter Weltraumbedingungen überhaupt werden? Die Antwort auf diese Frage könnte für die Entstehung von Leben auf der Erde von Bedeutung sein. Daran entscheidet sich schließlich, was Meteoroide oder größere Körper überhaupt an kosmischen Molekülen auf die Erde tragen können.

Die nun veröffentlichten Ergebnisse zeigen: Moleküle, die sich auf eisigen Staubkornoberflächen bilden, können komplexer werden als bisher angenommen. Genauer gesagt: Unter realistischen Bedingungen können die Bedingungen auf solchen eisigen Oberflächen sogar zur Bildung von Peptiden führen. Peptide spielen eine wichtige Rolle in der Physiologie der Lebewesen auf der Erde. Sie sind die Kurzversionen der Proteine, und die wiederum spielen eine zentrale Rolle für Leben, wie wir es kennen.

Reaktionsprobleme mit Wasser

Der Erstautor der Studie, Serge Krasnokutski (Universität Jena und Forschungsgruppe Laborastrophysik des Max-Planck-Instituts für Astronomie) beschäftigt sich seit längerem mit der Rolle einzelner, ungebundener Kohlenstoffatome (C-Atome) für die Chemie in Molekülwolken und in den Gas- und Staubscheiben um junge Sterne bei tiefsten Temperaturen. Gemeinsam mit der Leiterin der MPIA-Laborastrophysikgruppe, Cornelia Jäger, und MPIA-Direktor Thomas Henning veröffentlichte er 2020 einen durch experimentelle Daten untermauerten Vorschlag, wie sich Glycin, die einfachste Aminosäure (die eine wichtige Rolle für alles Leben auf der Erde spielt), mithilfe solcher C-Atome auf kosmischen Staubkörnern bilden könnte – und zwar ohne, dass ultraviolette Photonen als Energielieferanten für die fraglichen chemischen Reaktionen benötigt würden.

Mehr und mehr kam Krasnokutski zu der Überzeugung, dass C-Atome in der Tieftemperaturchemie unter Weltraumbedingungen eine Schlüsselrolle spielen. Er sagt: „Einzelne Kohlenstoffatome sind selbst bei niedrigsten Temperaturen erstaunlich reaktionsfreudig. Sie können als eine Art ‚molekularer Klebstoff‘ dienen, der Moleküle miteinander verbindet und anorganische Substanzen in organische verwandelt.“

Es lag nahe, den molekularbiologisch gesehen nächsten Schritt zu betrachten: Aminosäuren können kettenartige Moleküle bilden, nämlich Peptide (kürzere Ketten) oder Proteine (längere). Findet dieser Prozess in lebenden Organismen statt, muss er eine Hürde überwinden: die Aktivierungsenergie. Damit sich die Kette durch Polymerisation der einzelnen Bausteine bilden kann, müssen die Wassermoleküle von den Aminosäuren abgelöst werden. Das erfordert eine bestimmte Mindesttemperatur, und die liegt deutlich höher als die Temperatur der kosmischen Eiskörner.

Die Bildung von Glycin ist allerdings durch ein anderes Problem erschwert. Für diese Reaktion ist keine Abspaltung, sondern eine Anlagerung von Wassermolekülen erforderlich – was bei den niedrigen Temperaturen auf der vereisten Oberfläche eines kosmischen Staubkorns ebenfalls erschwert ist.

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Chemie auf dem direkten Weg

Wenn sowohl das Anlagern eines Wassermoleküls zur Bildung einer Aminosäure und später das Entfernen des Wassermoleküls zur Bildung von Peptiden oder Proteinen problematisch ist, dachte sich Krasnokutski, warum dann überhaupt diesen Umweg nehmen? Da Kohlenstoff im All nicht nur in der gebundenen Form von Kohlenmonoxid, sondern eben auch in Form einzelner C-Atome vorliegt, gibt es vielleicht einen direkteren Weg zu Peptiden, und damit auch zu den längeren Proteinen.

Mithilfe von quantenchemischen Berechnungen identifizierte Krasnokutski zumindest eine wahrscheinliche Vorläuferverbindung für einen solchen direkten Weg: aus Kohlenmonoxid, C-Atomen und Ammoniak kann Aminoketen entstehen – jedenfalls unter den Bedingungen, die auf den kleinen Eisflächen des Weltraumstaubes herrschen. Aminoketen entspricht chemisch gesehen der Aminosäure Glycin, minus einem Wassermolekül. Die Reaktion zu dem Keten kann laut den Berechnungen spontan und ohne zusätzlichen Energieaufwand bei den frostigen Temperaturen der Eisoberfläche ablaufen.

Kosmischer Staub in der Vakuumkammer

Die Bildung von Aminoketen ist ein vielversprechender Schritt hin zur Bildung der einfachsten Form von Peptiden, nämlich solchen, in deren Ketten Glycin eingebaut ist. Aber es gab keine Möglichkeit, einfach zu berechnen, was als Nächstes kommen würde und ob sich das Aminoketen tatsächlich in die für Peptide benötigten Polymerketten umwandeln würde. Hier waren Experimente gefragt.

Die Forscher verwendeten dafür eine High-Tech-Apparatur, welche die wichtigsten Eigenschaften einer eisigen Staubkornoberfläche im Weltraum reproduziert: Das Inter-Stellar Ice Dust Experiment (Inside), das einige Jahre zuvor in der MPIA-Laborastrophysik-Arbeitsgruppe an der Universität Jena unter Gruppenleiterin Jäger entwickelt worden war. Schlüsselelement des Aufbaus ist eine Ultrahochvakuumkammer, die künstlich einen Zustand ähnlich geringer Dichte erzeugen kann, wie er in Molekülwolken im interstellaren Medium herrscht.

Nachgestellte Eisoberflächen

In der für diese Experimente verwendeten Version wurde die Oberfläche der Staubkörner durch eine 2 mm dicke Kaliumbromidscheibe mit einem Durchmesser von 2,5 Zentimetern simuliert, deren Temperatur sehr genau reguliert werden kann, und zwar bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Auf dieser Oberfläche können sich Atome und Moleküle anlagern, und das unter recht ähnlichen Bedingungen wie man sie auf den Oberflächen kosmischer Staubkörner erwarten würde.

Mithilfe eines Infrarot-Spektrographen (FTIR), der die Probe mit Licht bestrahlt und diejenigen Anteile des Lichts analysiert, die auf der anderen Seite wieder herauskommen (also von der Probe weder absorbiert noch gestreut wurden), ist es möglich, bestimmte Moleküle oder Teile solcher Moleküle auf der Probenfläche anhand ihres „spektralen Fingerabdrucks“ zu identifizieren – also anhand der Art und Weise, wie sie bei bestimmten charakteristischen Wellenlängen Infrarotlicht absorbieren oder streuen.

Praxistest: Kann ein organischer Grundbaustein entstehen?

Konkret trugen die Forscher auf die Testoberfläche eine geringe Menge Kohlenmonoxid, C-Atome und Ammoniak auf ¬– eine Schicht, die höchstens ein paar Dutzend Moleküle bzw. Atome dick war. Sie kühlten die Testoberfläche auf 10 Kelvin ab (entsprechend der typischen Temperatur im Inneren von Molekülwolken) und untersuchten dann u. a. die Frage, ob die Reaktion stattfindet, wenn nur zwei der drei Zutaten vorhanden sind? Die Antwort: Nein, nur bei allen drei Zutaten kam es auf der nachgebildeten Eisoberfläche zur Reaktion.

Mittels Infrarotspektroskopie prüften die Wissenschaftler, ob es Hinweise auf die Bildung von Aminoketen gab. Außerdem beobachteten sie, was mit ihrer Probe geschah, als sie diese langsam wieder auf Raumtemperatur erwärmten. Dabei bestätigten sie durch Massenspektroskopie, dass der Rückstand tatsächlich die erwarteten Mengen von Molekülen mit genau der richtigen Masse enthielt. Offensichtlich entstand auf dem Staubkorn-Ersatz tatsächlich Aminoketen.

Protozellen

Gasblasen als Wiege des Lebens?

Ein bisschen Energie braucht es – doch woher?

Die Erwärmung der Probe diente dabei einem weiteren wichtigen Zweck. Bei Temperaturen um die 110 Kelvin (-163 °C) begann sich die auf dem künstlichen Staubkorn abgelagerte Substanz zu verändern. Die Infrarotspektroskopie zeigte Peptidbanden im Spektrum – verräterische Anzeichen für genau diejenige Art von chemischer Bindung, die einzelne Aminosäuren in den kürzeren Molekülketten von Peptiden sowie in den längeren Ketten von Proteinen in Form längerer Ketten zusammenhält.

Für interstellare Staubkörner gibt es dabei mehrere Möglichkeiten, wie diese leichte Erwärmung zustande kommen könnte. Insbesondere wird eine Staubwolke aufgewärmt, wenn in einigem Abstand davon ein neuer Stern entsteht. Es ist aber auch möglich, dass die entsprechenden Reaktionen erst stattfinden, wenn das Staubkorn bereits auf eine Planetenoberfläche gefallen ist. Ein Planet in der so genannten habitablen Zone seines Sterns kann per Definition Oberflächentemperaturen aufweisen, die flüssiges Wasser ermöglichen. Zusammengenommen können die Niedrigtemperatur-Reaktionen, bei denen Aminoketen entsteht, und die Erwärmung, bei der sich die Aminoketen-Moleküle zu Peptiden verbinden, Peptide auf interstellaren Staubkörnern erzeugen.

Fazit: Weltraumchemie mit einer neuen Reaktion

Zusammengefasst haben Krasnokutski und seine Kollegen einen neuen chemischen Weg für die Bildung von Peptiden und Proteinen gefunden. Entscheidend dabei war das Überspringen der Zwischenstufe der Bildung von Aminosäuren. Damit fällt auch der energieaufwändige Prozess des Wasserentzugs weg, der bei herkömmlichen Reaktionen nötig ist, um Aminosäuren zu Peptiden oder Proteinen zusammenzufügen. Die für die Reaktion benötigten Bestandteile (C-Atome, Kohlenmonoxid, Ammoniak) gehören zu den am häufigsten vorkommenden Molekülarten im interstellaren Raum. Da die Hürde des erhöhten Energiebedarfs entfällt, könnte die alternative Art der Bildung von Peptiden, und allgemeiner von Proteinen, zu einer beträchtlichen Menge an organischem Material im Weltraum führen.

Krasnokutski sagt: „Die einzelnen Kohlenstoffatome setzen eine reiche und vielfältige Chemie in Gang. Selbst unter den Bedingungen, die im Weltraum herrschen, geht diese Chemie viel weiter in Richtung dessen, was für die Entstehung von Leben notwendig ist, als bisher angenommen.“

Die nächsten Schritte

Der neue Weg zur Peptidbildung bei niedrigen Temperaturen eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten für die weitere Forschung. Vor einigen Jahren hatten MPIA-Direktor Henning und Krasnokutski eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, chemische Reaktionen bei niedrigen Temperaturen in Tröpfchen von flüssigem Helium ablaufen zu lassen. Würde der Weg zur Peptidbildung in dieser Umgebung funktionieren, wäre eine genauere Analyse der einzelnen Reaktionsschritte möglich.

Außerdem sind Glycin-Peptide nur eine von vielen Peptidarten, die für das Leben auf der Erde wichtig sind. Die Reaktion, bei der sich die Aminoketen-Moleküle verbinden, um die Kettenstruktur des Peptids zu bilden, sollte jedoch recht flexibel sein: Sind andere Sorten von Molekülen vorhanden, wenn die Reaktion stattfindet, sollten sich auch andersartige Peptide bilden können. Auch das wollen Krasnokutski und seine Kollegen näher untersuchen.

Allgemeiner sind die neuen Ergebnisse Teil eines umfassenderen Forschungsprogramms am Max-Planck-Institut für Astronomie, das Astronomie, Chemie und Molekularbiologie auf der Suche nach interdisziplinären Antworten auf die Frage nach dem Ursprung des Lebens auf der Erde miteinander verbindet. Zu den jüngsten Ergebnissen des Programms gehören beispielsweise auch Arbeiten von Oliver Trapp (LMU München und als Max-Planck-Fellow mit dem MPIA assoziiert), der eine andere Art der Bildung von Peptidbindungen als Schritt zum Ursprung des Lebens untersucht – in diesem Fall in einer Umgebung mit flüssigem Schwefeldioxid anstelle des klassischen Wassers.

Originalpublilation: Krasnokutski, S.A., Chuang, KJ., Jäger, C. et al. A pathway to peptides in space through the condensation of atomic carbon, Nat Astron (2022); DOI: 10.1038/s41550-021-01577-9

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