Experiment zum Ursprung des Lebens Wie warme Pfützen das Leben auf die Erde gebracht haben könnten

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Verdanken wir das Leben auf der Erde warmen Pfützen mit Harnstoff? Forscher haben die Reaktionen von Harnstoff unter Lichteinwirkung studiert und dabei aufgedeckt, wie reaktive Spezies entstehen. Diese könnten Ausgangspunkt für komplexere Biomoleküle gewesen sein – der Grundlage irdischen Lebens.

Wie begann das Leben auf der Erde? Diese Frage fasziniert die Fachwelt seit langem, im Laufe der Zeit schmiedete sie diverse Theorien. Eine der Hypothesen geht davon aus, dass die Ursprünge unseres Daseins in warmen Pfützen zu suchen sind, die es vor vier Milliarden auf der Erde gegeben haben soll. Das Wasser darin hatte vermutlich Harnstoffmoleküle enthalten, welche der UV-Strahlung der Sonne ausgesetzt waren, die damals relativ ungehindert zur Erdoberfläche durchdringen konnte. Das energiereiche Licht vermochte den Harnstoff umzuwandeln und aus den Reaktionsprodukten konnten sich Biomoleküle bilden, die später als Bausteine des Lebens fungierten – so die Idee.

Diese „Warme-Pfützen“-Theorie war einer der Beweggründe für ein neues Experiment, konzipiert von einem Forschungsteam aus Hamburg, Zürich und Genf und unter der Leitung von Hans Jakob Wörner von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und Jean-Pierre Wolf von der Universität Genf. Mit einer speziellen Röntgenquelle gelang es den Fachleuten, die ersten, extrem schnell ablaufenden Schritte der lichtinduzierten Harnstoff-Umwandlung nachzuverfolgen.

Versuchsreihe mit Lichtblitzen und Harnstoff

Für ihr Experiment schossen die Forscher in Laboren der Universität Genf die Lichtpulse eines Lasers durch einen Strahl aus einer hochkonzentrierten Harnstoff-Lösung. Dabei ionisierten die Lichtblitze manche der Harnstoffmoleküle und schlugen jeweils ein Elektron aus ihnen heraus. Unmittelbar darauf schickten die Fachleute einen ultrakurzen Blitz aus weicher Röntgenstrahlung hinterher. Dieser fungierte als Sonde und verriet im Detail, wie der Harnstoff auf das Herausschlagen des Elektrons reagierte. Dann wiederholte die Arbeitsgruppe den Versuch mehrmals und veränderte dabei systematisch den zeitlichen Abstand zwischen Laser- und Röntgenpuls.

Dadurch ließ sich der Ablauf des Geschehens präzise rekonstruieren – bis auf wenige Femtosekunden (billiardstel Sekunden) genau. Eine besondere Herausforderung bestand darin, die gemessenen Spektren zu interpretieren. „Dazu bedurfte es detaillierter Computersimulationen, die wir hier bei Desy in jahrelanger Arbeit entwickelt haben“, erläutert Physiker Ludger Inhester vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einer gemeinsamen Einrichtung des deutschen Elektronen-Synchrotron Desy, der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

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Protonen-Deal zwischen Harnstoff-Molekülen

Mit diesem Setup enträtselten die Fachleute die ersten Schritte der Harnstoff-Umwandlung: Wird ein Harnstoffmolekül ionisiert, verliert es ein Elektron und ist elektrisch positiv geladen. Diese positive Ladung versucht es loszuwerden. Möglich wird das, wenn sich ein anderes, nicht ionisiertes Harnstoffmolekül in unmittelbarer Nähe befindet. „Dann schiebt das erste Molekül ein Proton, also einen Wasserstoffkern, zum neutralen Molekül hinüber“, erläutert Desy-Forscher Inhester. „Durch diesen Protonentransfer entsteht ein Harnstoff-Radikal sowie ein positiv geladenes Harnstoff-Ion.“ Beide sind chemisch reaktiv und könnten vor Jahrmilliarden zur Entstehung von RNA-Molekülen geführt haben – essenziellen Bausteinen des frühen Lebens.

Mit ihrem Experiment haben die Fachleute nicht nur erstmals den rasanten „Protonen-Deal“ zwischen zwei Harnstoffmolekülen nachgewiesen, sondern auch seine Dauer bestimmt – der Prozess nimmt nur wenige hundert Femtosekunden in Anspruch. „Das Neue an unserem Experiment ist, dass wir extrem schnelle Prozesse bei einem Molekül beobachten konnten, das in einer wässrigen Umgebung vorliegt“, betont Inhester. „Frühere Versuche hatten sich solche Reaktionen nur in der Gasphase angeschaut.“

Reaktionsanalyse in Flüssigkeiten

Das Verhalten von Molekülen, die in einer Flüssigkeit wie Wasser schwimmen, ist für viele Fragen besonders relevant – insbesondere für biologische Prozesse. Experimente in einer solchen Umgebung bilden nicht nur für die Messtechnik eine Herausforderung, sondern auch für die Computerberechnungen, die zur Interpretation der Messdaten nötig sind.

Künftig könnte die neue Methode verraten, was im Detail passiert, wenn ionisierende Strahlung auf Gewebe trifft und dort Strahlenschäden verursacht – Arbeiten, wie sie etwa am „Centre for Molecular Water Science“ angedacht sind, das in internationaler Kooperation auf dem Desy-Campus entsteht. Ferner liebäugeln die Forschenden damit, ähnliche Experimente auch an einer sehr viel größeren Röntgenquelle zu machen – dem europäischen Röntgenlaser European XFEL in Hamburg. Die gut drei Kilometer lange Anlage, an der Desy maßgeblich beteiligt ist, liefert die stärksten Röntgenblitze der Welt. „Auf diese Weise könnten wir den Protonentransfer aus anderen Blickwinkeln untersuchen“, sagt Inhester. Er hofft, dadurch weitere Einzelheiten über diesen sehr fundamentalen Prozess herauszufinden.

Originalpublikation: Zhong Yin, Yi–Ping Chang, Tadas Balčiūnas, Yashoj Shakya, Aleksa Djorovic, Geoffrey Gaulier, Giuseppe Fazio, Robin Santra, Ludger Inhester, Jean–Pierre Wolf and Hans Jakob Wörner: Femtosecond Proton Transfer in Urea Solutions Probed by X-ray Spectroscopy, „Nature“, 2023; DOI: 10.1038/s41586-023-06182-6

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