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Erster Beweis dafür, dass Aminosäuren kurz nach dem Urknall entstanden sind
Bereits 1952 reproduzierten die Chemiker Stanley Miller und Harold Urey die Bedingungen, die vor etwa vier Milliarden Jahren auf der Erde herrschten. Sie mischten Wasser, Ammoniak, Methan und Wasserstoff in einem versiegelten Kolben, erhitzten es und versetzten es mit Funken, um einen Blitz zu simulieren. Das Experiment ist berühmt, weil sich der Kolben innerhalb weniger Tage mit komplexen organischen Molekülen wie Aminosäuren, den Bausteinen des Lebens, zu füllen begann.
Die Implikationen waren klar. Wenn die Bausteine des Lebens einfach herzustellen sind, dann ist das Leben selbst vielleicht nicht so schwer zu erschaffen. Es warf die vorläufige Möglichkeit auf, dass Leben im Universum entstehen könnte, wo immer die Bedingungen dies zulassen.
Astronomen haben seitdem Hinweise auf dieselben Moleküle auf anderen Planeten, in Asteroiden und sogar im interstellaren Raum gefunden.
Und das wirft einige interessante Fragen auf. Wie entstanden Moleküle im Universum, und wann entstanden die komplexeren? Und was sagt das über den Ursprung des Lebens aus?
Heute erhalten wir eine Antwort aus der Arbeit von Stuart Kauffman am Institut für Systembiologie in Seattle und Kollegen an der Eötvös-Universität in Budapest. Diese Jungs haben simuliert, wie sich Moleküle im frühen Universum gebildet haben müssen, und gezeigt, wie dies die chemische Mischung reproduziert, die Astronomen jetzt im Weltraum beobachten. Die Arbeit hat wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis des Ursprungs des Lebens und darauf, wie wir es im Labor mit synthetischer Biologie nachbauen könnten.
Zunächst etwas Hintergrund. Auf der Erde scheint das Leben vor etwa vier Milliarden Jahren unter Bedingungen begonnen zu haben, die ganz anders sind als die heutigen. Miller und Urey reproduzierten diese in ihrem berühmten Experiment.
Aber wie kam es überhaupt dazu, dass die Erde diese Mischung hatte? Astronomen können im Weltraum Hinweise auf einfache Moleküle wie Wasser und Ammoniak sehen, aber auch auf komplexere wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und Aminosäuren. Wie kam es zu dieser Mischung?
Die allgemeine Antwort lautet, dass der Urknall riesige Mengen an Wasserstoff und Helium erzeugte, die im Inneren der ersten Sterne zu schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff verschmolzen. Und weitere Sternentstehung formte die schwerere Gruppe von Elementen, die wir heute auf der Erde sehen.
Aber die Art und Weise, wie sich diese Elemente zu Molekülen verbinden, ist nicht eindeutig geklärt. Ein Grund dafür ist, dass die Zahl möglicher Moleküle riesig ist. Die Anzahl verschiedener Moleküle steigt superexponentiell mit der Größe der Menge [der Atome], sagen Kauffman und Co.
Also vereinfachen sie das Problem, indem sie nur die Masse möglicher Moleküle betrachten. Dies ist eine kleinere Gruppe und daher einfacher zu betrachten, da viele verschiedene Moleküle die gleiche Masse haben können.
Die Verteilung von Molekülen auf der Erde ist ein guter Ausgangspunkt, da sie die chemisch vielfältigste Umgebung darstellt, die der Wissenschaft bekannt ist.
Also untersuchten Kauffman und Co. die Verteilung der Molekülmassen auf der Erde, entnommen aus dem PubChem-Datenbank aus über 90 Millionen Molekülen, von denen die überwiegende Mehrheit natürlich ist. Diese Verteilung erreicht ihren Höhepunkt bei etwa 290 Dalton (entsprechend der Masse von etwa 24 Kohlenstoffatomen).
Allerdings haben viele verschiedene Moleküle dieselbe Masse. Die Verteilung hat auch einen langen Schwanz von Molekülen mit hoher Masse, die in Tausenden von Dalton gemessen werden.
Als nächstes verglichen die Forscher diese Verteilung mit der im Murchison-Meteoriten, einem großen, gut untersuchten Weltraumfelsen, der 1969 auf die Stadt Murchison in Australien fiel.
Verschiedene Analysen zeigen, dass dieses Gestein mindestens 58.000 verschiedene Moleküle enthält. Aber aus experimentellen Gründen können Massen unter 200 Dalton und über 2.000 Dalton nicht gemessen werden, also müssen Kauffman und Co. dieses Versäumnis korrigieren.
Die Massenverteilung in diesen Molekülen folgt dann einem ähnlichen Muster wie in der PubChem-Datenbank. Die Murchison-Verteilung erreicht ihren Höhepunkt bei etwa 240 Dalton und hat einen verlängerten Schwanz. Das ist nützlich, denn der Murchison-Meteorit stammt aus der Entstehung des Sonnensystems vor etwa fünf Milliarden Jahren und ist damit eine Momentaufnahme der chemischen Entwicklung aus einer früheren Zeit.
Die Schlüsselidee in diesem Papier ist, dass es durch den Vergleich der beiden Verteilungen möglich ist, herauszufinden, wann sich komplexe Moleküle zuerst gebildet haben müssen.
Ein wichtiger Teil des Rätsels ist, wie dieses Verteilungsmuster entstanden ist. Um das herauszufinden, untersuchen Kauffman und Co. den Raum aller möglichen Chemikalien und zeigen, dass Moleküle auf zwei verschiedene Arten wachsen können.
In der ersten bilden sich größere Moleküle aus den Reaktionen kleinerer Moleküle in einer zufälligen Anhäufung. Dabei entstehen nach einer gewissen Zeit fast alle möglichen kleinen Moleküle und Zusammensetzungen, sagen die Forscher.
Allerdings kann eine zufällige Akkumulation die Verteilung sehr großer Moleküle nicht erklären. Kauffman und Co sagen, dass sich diese in einem anderen Prozess bilden müssen, der als bevorzugte Bindung bezeichnet wird. So entstehen beispielsweise Peptidketten oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe nicht durch zufällige Ansammlung von Atomen, sondern überwiegend aus der Ansammlung größerer Blöcke wie Aminosäuren und aromatischer Ringe, heißt es.
Der Schlüssel ist, dass jeder Prozess zu einer anderen Verteilung führt. Die zufällige Akkumulation verursacht den Peak bei 240 Dalton von kleinen Molekülen, die sich relativ schnell bilden. Die bevorzugte Bindung erzeugt den langen Schwanz größerer Moleküle, die sich viel später bilden.
Durch den Vergleich der relativen Größen dieser beiden Verteilungen auf dem Murchison-Meteoriten und auf der Erde sollte es möglich sein, rückwärts zu extrapolieren, um herauszufinden, wann der Prozess der bevorzugten Bindung zum ersten Mal begann – mit anderen Worten, als Aminosäuren zum ersten Mal im Universum auftauchten.
Genau das tun Kauffman und Co. Und die Antwort ist, dass Aminosäuren zum ersten Mal etwa 168 Millionen Jahre nach dem Urknall auftauchten, was kosmologischer Hinsicht nur ein Wimpernschlag war.
All dies rückt das Miller-Urey-Experiment in eine ganz andere Perspektive. Anstatt die Bedingungen zu simulieren, unter denen das Leben auf der Erde entstand, reproduziert dieses Experiment tatsächlich die Bedingungen, unter denen sich Aminosäuren erstmals im frühen Universum gebildet haben. Tatsächlich scheint dies viel früher geschehen zu sein, als sich irgendjemand vorgestellt hatte.
Das hat erhebliche Auswirkungen auf unser Denken über die Ursprünge des Lebens. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Hauptbestandteile des Lebens, wie Aminosäuren, Nukleotide und andere Schlüsselmoleküle, sehr früh entstanden sind, etwa 8-9 Milliarden Jahre vor dem Leben, sagen Kauffman und Co.
Da die genauen Bedingungen, unter denen sich das Leben auf der Erde entwickelt hat, weitere acht bis neun Milliarden Jahre brauchten, um sich herauszubilden, können Aminosäuren überhaupt kein Zeichen für Lebenspotential sein, wie man nach dem Urey-Miller-Experiment gedacht hatte. Ihre Existenz in Proben ist keineswegs ein unmittelbarer Vorläufer des Lebens, sagen Kauffman und Co.
Das erklärt auch, warum Versuche, Experimente wie die von Urey und Miller über Monate und Jahre auszudehnen, nie zu etwas Interessantem geführt haben. Selbst Computersimulationen zur Entstehung des Lebens haben nie eindeutige Hinweise darauf geliefert, wie der Schritt von Aminosäuren zu autokatalytischen chemischen Netzwerken und dann zu sich selbst reproduzierenden Molekülen des Lebens gehen kann.
Das versetzt der Vorstellung, dass das Universum voller Leben sein könnte, einige Dämpfer. Stattdessen müssen sich Biologen, die den Ursprung des Lebens untersuchen, viel genauer mit den besonderen Bedingungen befassen, unter denen die biologische – oder, wie Kauffman und Co es ausdrückten, die postchemische – Evolution abläuft. Die Geheimnisse des Lebens sind in den Wechselwirkungen und der postchemischen Evolution dieser Molekülfamilien kodiert, sagen sie.
Offensichtlich gibt es viel zu tun.
Ref: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : Die Uhr der chemischen Evolution