Geochemie – Projekt Protos Wie Mineralien das Leben auf der Erde starteten

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Die junge Erde war ein karger Ort. Was es in großen Mengen gab, waren Mineralien wie Siliziumdioxid. Deren Rolle als Keimzelle des Lebens auf der Erde untersucht in den kommenden Jahren ein Projekt mit Beteiligung der Uni Konstanz.

Wie ist unser Planet bewohnbar geworden? Die ersten fünfhundert Millionen Jahre des Planeten Erde – das so genannte Hadaikum – lagen bislang im Dunkeln, weil es keine Gesteinsreste aus jener Zeit gibt. Die Entdeckung, dass es auf unserem Planeten schon damals Wasser gab, eröffnete neue Perspektiven für die Erforschung eines Zeitalters, in dem sich erste Formen lebenswichtiger Moleküle wie Amino- oder Nukleinsäuren entwickelt haben könnten. Die Bedingungen dafür im Hadaikum wird eine Gruppe von Forschenden mithilfe von Laborexperimenten simulieren.

Das Projekt „The role of silica at the dawn of life on our planet“ (Protos) wurde mit einem ERC Synergy Grant ausgezeichnet, der mit knapp zehn Millionen Euro dotiert ist und hat eine Laufzeit von 72 Monaten (bis 2029).

Experiment zum Ursprung des Lebens

Wie warme Pfützen das Leben auf die Erde gebracht haben könnten

Von einer Welt der Minerale zum Leben

Ziel der Forscher ist es, zu untersuchen, wie das Leben von Grund auf entstanden ist, also wie der Übergang von einer mineralischen Welt zum Leben erfolgte. „Dazu konzentrieren wir uns auf die geochemischen Prozesse, die in den ersten Milliarden Jahren der Erdgeschichte stattgefunden haben“, sagt Projektleiter Juan Manuel Garcia Ruiz vom spanischen Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT). „Wenn Mineralien aus einer Lösung ausfallen, können sie selbstorganisierend sein und Strukturen bilden, die primitive Lebensformen nachahmen“, erklärt er. „Aber wo liegen die Grenzen der mineralischen Selbstorganisation? Und kann sie nahtlos zu Leben führen?“

Bei der Suche nach einer Antwort auf diese Fragen dürfte Siliziumdioxid eine entscheidende Rolle spielen. „Es wurden Spuren von Wasser auf der Erde entdeckt, die aus einer Zeit von vor ungefähr 4,3 Milliarden Jahren stammen“, sagt Helmut Cölfen von der Universität Konstanz. „Durch Wasser-Gesteins-Reaktionen wurden die Meere alkalisch und siliziumhaltig. Siliziumdioxid ist bekannt dafür, präbiotische Reaktionen zu beschleunigen, aus denen wiederum organische Moleküle wie Aminosäuren – die Bausteine des Lebens – entstehen können.“

Der Konstanzer Professor für physikalische Chemie beschäftigt sich mit der Analyse sehr kleiner Spezies wie Ionen, ihrer anschließenden Aggregation und ihrer Rolle bei der Keimbildung sowie dem Wachstum von Kristallen. „Diese analytischen Vorarbeiten bilden die Grundlage für die Analyse von Siliziumdioxid-Lösungen aus der Wechselwirkung von Wasser mit Festgestein. Wir gehen nämlich davon aus, dass sie eine komplexe Zusammensetzung haben und mehrere Arten wie verschiedene Siliziumdioxid-Oligomere enthalten. Die Größe der Gebilde und die Reaktivität müssen wir jedoch erst noch verstehen“, erläutert Cölfen.

Zeitreise im chemischen Reaktor

Das Projekt Protos verfolgt einen experimentellen Ansatz, der technisch anspruchsvoll ist. Um Informationen vom Nanometer- bis zum Planetenmaßstab zu erhalten, werden die Wissenschaftler eine Reihe von Reaktoren verwenden, „Hadean-Simulator“ genannt. Damit führen sie Experimente unter den frühesten atmosphärischen Bedingungen der Erde durch, um herauszufinden, wie Flüssigkeiten mit Gestein interagieren. Sie wollen experimentell die Rolle von Mineralien untersuchen, insbesondere Siliziumdioxid: Welchen Effekt hat es bei der Auslösung präbiotischer Reaktionen und Bildung mineralisch-organischer selbstorganisierender Strukturen, die zu lebenswichtigen Molekülen wie Amino- oder Nukleinsäuren führen? Die Wissenschaftler erforschen auch den Einfluss von Siliziumdioxid bei der Fossilisation und Erhaltung von Überresten frühester Mikroorganismen und Biomorphen.

Cölfen betont: „Die Universität Konstanz verfügt über viele hoch entwickelte Analysegeräte, die für die Durchführung solch anspruchsvoller Experimente erforderlich sind.“ Die Synergien zwischen den Laboratorien der vier beteiligten Einrichtungen bilden eine vielversprechende Ausgangsbasis, um die Bedingungen im Hadaikum in ihren komplexen Kombinationen systematisch zu testen.

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