Suche nach Ursprung des Lebens Chemische Evolution in Gasblasen

Es ist eine der zentralen Fragen der Wissenschaft: Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Um der Lösung dieses Rätsels näher zu kommen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Biochemie die möglichen Reaktionen zum Ursprung des Lebens untersucht. Sie fanden Hinweise, dass Gasblasen im Vulkangestein entscheidend gewesen sein könnten.

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Max Planck-Institut für Biochemie

Martinsried – Vor circa 4,6 Milliarden Jahren ist die Erde entstanden – zunächst ein unwirtlicher, toter Planet. Doch mit dem Abkühlen der Erdoberfläche konnte Wasser kondensieren und die Meere füllen. Dies war eine erste Voraussetzung für die Entstehung des Lebens.

Doch welche chemischen Bedingungen müssen für den Ursprung des Lebens erfüllt gewesen sein und wie sind diese entstanden? Mit diesen Fragen beschäftigt sich ein internationales Forscherteam und liefert nun neue Ansätze für den Start einer chemischen Evolution.

Die Evolution vor der Evolution

Es muss eine Vielzahl physikalisch-chemischer Prozesse gegeben haben, damit auf der frühen Erde Leben entstehen konnte. Denn vor der biologischen Evolution muss es zu einer chemischen Evolution gekommen sein, in der sich die ersten informationstragenden Moleküle, die sich selbst vervielfältigen konnten, geformt haben.

Schon länger ist in der Diskussion, dass poröses Vulkangestein rund um heiße Quellen den Schauplatz solch einer chemischen Evolution gebildet hat. Die Forscher haben nun einen grundlegenden Mechanismus untersucht, der bei der Entstehung des Lebens mutmaßlich eine wichtige Rolle spielte. Beteiligt waren das Max-Planck-Institut für Biochemie sowie die Universitäten München und London.

Gasblasen als Keimzellen des Lebens

Die Wissenschaftler haben sich auf die Effekte an Grenzflächen zwischen Wasser und Luft konzentriert. Die Frage war, welche chemischen Reaktionen dort in Gang kommen konnten, die die ersten Schritte der Evolution auslösten. Eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens haben danach kleine Gasblasen gespielt, die sich in dem porösen Gestein festsetzten und mit diesem interagierten.

In Experimenten haben die Wissenschaftler nachvollzogen, was damals auf der jungen Erde geschehen sein könnte: Ist eine Seite der Gasbläschen wärmer als die andere, kommt es an der wärmeren Seite zur Verdunstung von Wasser, welches dann auf der kälteren Seite kondensiert und wie Regentropfen an einer Fensterscheibe nach unten und wieder aus der Blase herausläuft. Dieser Vorgang kann unendlich oft wiederholt werden, da das Wasser kontinuierlich verdunstet und kondensiert. Als Folge davon werden Moleküle auf der warmen Seite auf sehr hohe Konzentration gebracht.

Ursprung des DNA-Moleküls

Nahm das Leben den einfachen Reaktionsweg?

Hinweis auf Entstehung von Zellmembranen

Die Wissenschaftler testeten dann eine Reihe von physikalischen und chemischen Prozessen, die bei der Entstehung des Lebens eine zentrale Rolle gespielt haben müssen. Dabei stellten sie fest, dass sie alle von den Bedingungen an der Gasblase deutlich beschleunigt wurden – manche wurden sogar erst in der Gasblase möglich.

Einige der untersuchten Prozesse waren für die Entstehung von Biopolymeren wichtig. Wie die Experimente der Forscher zeigten, sind in der Gasblase chemische und katalytische Reaktionen verbessert. Tatsächlich konnten in solchen Experimenten Moleküle bei hohen Konzentrationen in Lipide verpackt werden, wenn die Wissenschaftler entsprechende chemische Bestandteile zugaben. Dabei entstanden zwar keine perfekten Vesikel, aber der Befund kann bereits einen Hinweis darauf geben, wie erste rudimentäre Protozellen und ihre äußeren Membranen entstanden sein könnten.

Temperaturgradient als Triebkraft

Damit derartige Prozesse in den Blasen ablaufen, ist nicht entscheidend, aus welchem Gas die Blase besteht. Wichtig ist nur, dass das Wasser durch den Temperaturunterschied an einer Stelle verdunstet und an einer anderen wieder kondensiert. „Dieser Mechanismus erlaubt es zum ersten Mal, die fundamentalen Prozesse der RNA-Entstehung, -Katalyse und -Verkapselung in einem Ort zu vereinen“, sagt Hannes Mutschler, Leiter der Forschungsgruppe „Biomimetische Systeme“ am Max-Planck-Institut für Biochemie.

Originalpublikation: M. Morasch, J. Liu, CF. Dirscherl, A. Ianeselli, A. Kühnlein, K. L. Vay, P. Schwintek, S. Islam, MK. Corpinot, B. Scheu, DB. Dingwell, P. Schwille, H. Mutschler, M. W. Powner, C. B. Mast & D. Braun: Heated gas bubbles enrich, crystallize, dry, phosphorylate and encapsulate prebiotic molecules, Nature Chemistry, Volume 11, Pages 779–788 (2019); DOI: 10.1038/s41557-019-0299-5

* Dr. C. Menzfeld, MPI für Biochemie, 82152 Martinsried

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