Entstehung des Lebens auf der Erde Meteoriten als Starthilfe der Biologie

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Woher kommt das Leben auf der Erde? Endgültig klären lässt sich diese Frage wohl nie, doch Forscher können plausible Szenarien aufzeigen, wie aus toter Materie die Bausteine für unsere Zellen entstanden sein könnten. Ein nun vorgestellter neuer Mechanismus sieht Eisenmeteoriten als Katalysatoren vor.

Nach unserem heutigen Kenntnisstand entstand das Leben auf der Erde nur rund 400 bis 700 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde selbst. Das ist eine vergleichsweise schnelle Entwicklung, wenn man bedenkt, dass es danach etwa zwei Milliarden Jahre dauerte, bis sich die ersten richtigen (eukaryotischen) Zellen bildeten. Die Voraussetzung zur Entstehung von Leben ist dabei die Bildung von organischen Molekülen, die als Bausteine für Organismen dienen können. Unter Berücksichtigung, wie schnell das Leben insgesamt entstanden ist, scheint es plausibel, dass sich dieser vergleichsweise einfache erste Schritt ebenfalls schnell vollzog.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München haben nun einen neuen Weg aufgezeigt, wie solche organischen Verbindungen unter den auf der frühen Erde herrschenden Bedingungen entstehen konnten. Die Schlüsselrolle dabei spielen Eisenpartikel aus Meteoriten, die als Katalysator wirken.

Industrielle Chemie als Katalysator des Lebens

Inspiration für die Forschung kam ausgerechnet aus der industriellen Chemie. Konkret fragte sich Oliver Trapp, Professor an der LMU München und Max-Planck-Fellow am MPIA, ob das so genannte Fischer-Tropsch-Verfahren zur Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Kohlenwasserstoffe mithilfe metallischer Katalysatoren nicht eine Entsprechung auf einer frühen Erde mit einer kohlendioxidreichen Atmosphäre gehabt haben könnte. „Als ich mir die chemische Zusammensetzung des Campo-del-Cielo-Eisenmeteoriten ansah, der aus Eisen, Nickel, etwas Kobalt und winzigen Mengen Iridium besteht, war mir klar, dass dies ein perfekter Fischer-Tropsch-Katalysator ist“, erklärt Trapp. Der logische nächste Schritt war die Durchführung von Experimenten, um die kosmische Version von Fischer-Tropsch zu testen.

Die Initialidee, die katalytischen Eigenschaften von Eisenmeteoritenpartikeln zur Synthese von Lebensbausteinen experimentell zu untersuchen, erweiterte MPIA-Mitarbeiter Dmitry Semenov um einen weiteren Punkt. Er schlug vor, auch die katalytischen Eigenschaften von Vulkanascheteilchen zu untersuchen. „Schließlich sollte die frühe Erde geologisch aktiv gewesen sein. In der Atmosphäre und auf den ersten Landmassen der Erde hätte es reichlich feine Aschepartikel geben müssen“, erläutert Semenov.

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Kosmische Katalyse simulieren

Die erste Zutat für die verschiedenen Varianten des Experiments war jeweils eine Quelle von Eisenpartikeln: Eisen aus einem echten Eisenmeteoriten, oder Partikel aus einem eisenhaltigen Steinmeteoriten oder vulkanische Asche vom Ätna, letztere als Ersatz für die eisenhaltigen Partikel, die auf der frühen Erde mit ihrem hochaktiven Vulkanismus vorkommen würden. Anschließend wurden die Eisenpartikel mit verschiedenen Mineralien vermischt, wie sie auch auf der frühen Erde vorgekommen sein sollten. Diese Mineralien dienten als Trägerstruktur für die Katalysatorpartikel.

Die Größe der Partikel ist bei dieser Art von Experiment wichtig. Die feinen Aschepartikel, die bei Vulkanausbrüchen entstehen, sind in der Regel nur wenige Mikrometer groß. Bei Meteoriten, die durch die Atmosphäre der frühen Erde fallen, würde die atmosphärische Reibung dagegen Eisenpartikel in Nanometergröße abtragen. Der Einschlag eines Eisenmeteoriten (oder des Eisenkerns eines größeren Asteroiden) wiederum würde durch Fragmentierung direkt mikrometergroße Eisenpartikel erzeugen, und zusätzlich nanometergroße Partikel, wenn das Eisen in der starken Hitze verdampft und später in der umgebenden Luft wieder erstarrt.

Die Forscher versuchten, diese Vielfalt an Partikelgrößen auf zwei verschiedene Arten nachzubilden. Indem sie das Meteoritenmaterial in Säure auflösten, erzeugten sie aus ihrem präparierten Material Partikel in Nanometergröße. Und indem sie entweder das meteoritische Material oder die Vulkanasche 15 Minuten lang in eine Kugelmühle gaben, stellten die Wissenschaftler auf mechanischem Wege größere, mikrometergroße Partikel her.

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Chemie des Lebens in der Druckkammer

Zum Schluss wurde das jeweilige Gemisch in eine Druckkammer gebracht, die überwiegend mit Kohlendioxid (CO₂), aber auch mit etwas Wasserstoffgas gefüllt war, um die Atmosphäre der frühen Erde zu simulieren. Da die ursprüngliche Erdatmosphäre keinen Sauerstoff enthielt, hatten die Forscher zuvor durch geeignete chemische Reaktionen fast den gesamten Sauerstoff aus dem Probengemisch entfernt.

Sowohl das Mischungsverhältnis als auch der Druck wurden von Versuch zu Versuch variiert. Das Resultat: Dank des Eisenkatalysators entstanden in beträchtlichen Mengen organische Verbindungen wie Methanol, Ethanol und Acetaldehyd, aber auch Formaldehyd. Insbesondere Acetaldehyd und Formaldehyd stellen wichtige Bausteine für Fettsäuren, Nukleobasen, Zucker und Aminosäuren dar, also zentrale Moleküle für die Entwicklung des Lebens.

Wichtig ist außerdem, dass diese Reaktionen unter einer Vielzahl von Druck- und Temperaturbedingungen erfolgreich abliefen. Die Tatsache, dass sich die organischen Moleküle unter so unterschiedlichen Bedingungen bildeten, ist ein starkes Indiz dafür, dass solche Reaktionen auf der frühen Erde stattgefunden haben könnten – weitgehend unabhängig von der genauen Zusammensetzung der Erdatmosphäre in jener Zeit, die wir derzeit noch nicht kennen.

Zahlreiche Szenarien für Entstehung des Lebens denkbar

Mit diesen Ergebnissen gibt es nun eine neue Möglichkeit, wie die ersten Bausteine des Lebens auf der Erde entstanden sein könnten. Zu den bislang diskutierten Mechanismen gehören die Synthese rund um Hydrothermalquellen am Meeresboden, elektrische Entladungen in einer methanreichen Atmosphäre (wie beim Urey-Miller-Experiment) sowie Modelle, die vorhersagen, wie sich organische Verbindungen in den Tiefen des Weltraums gebildet haben könnten und von Asteroiden oder Kometen zur Erde transportiert wurden. Die neue Studie schlägt nun vor, dass Eisenpartikel aus Meteoriten oder feine Vulkanasche, die als Katalysatoren in einer frühen, kohlenstoffdioxidreichen Atmosphäre wirken, den Ursprung des Lebens auf der Erde befeuert haben.

Mit dieser Bandbreite an Möglichkeiten sollten zukünftige Forschungen zur atmosphärischen Zusammensetzung und zu den physikalischen Eigenschaften der frühen Erde gute Chancen haben herauszufinden, welcher der verschiedenen Mechanismen unter realistischen Bedingungen die höchste Ausbeute an Bausteinen liefert – und somit der wichtigste Mechanismus für die ersten Schritte zum Leben auf unserem Heimatplaneten gewesen sein dürfte.

Originalpublikation: Peters, S., Semenov, D.A., Hochleitner, R. et al. Synthesis of prebiotic organics from CO2 by catalysis with meteoritic and volcanic particles, Sci Rep 13, 6843 (2023); DOI: 10.1038/s41598-023-33741-8

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