Meteoriten, Eisen, Blubberblasen und das Leben

Meteor

Die Frage nach dem Ursprung des Lebens hat die Menschen schon immer beschäftigt. Religionen bieten Schöpfungsmythen an. Wissenschaftler stellen mögliche Bedingungen auf einer frühen Erde im Labor nach. Zwei Arbeiten von 2019 stehen beispielhaft für das Bemühen, aus vielen kleinen Teilaspekten vielleicht einmal ein großes Bild zusammenzufügen.

Die chemische Schöpfung

„Die Erde war wüst und leer“ – sagt die Genesis. Die moderne Wissenschaft sagt, dass zur Zeit der Schöpfung des ersten Lebens wahrscheinlich ein Salzwassermeer die Erdoberfläche bedeckte. Es gab auch Festland, geformt aus vulkanischem Silikatgestein. Die Atmosphäre bestand aus Stickstoff, Wasserstoff und Methan, geschwängert mit Kohlendioxid, Ammoniak, Schwefelgasen und Methan aus den reichlichen, gewaltigen Vulkanausbrüchen. Immer wieder fielen Meteoriten vom Himmel und ließen Wasser und Gestein verdampfen.

Aus dieser Salzwasser-Stein-Gas-Urwüste erwuchs vor etwas weniger als vier Milliarden Jahren das Leben. Heute versuchen die Wissenschaftler, diesen Vorgang nachzubilden. In den 1950er Jahren jagten Harold Urey und Stanley Miller durch eine Mischung aus Wasser, Ammoniak, Methan und Wasserstoff elektrische Entladungen (als Blitze) und suchten in ihrer „Ursuppe“ nach Lebenszeichen. Sie fanden einige Bausteine des Lebens, also Moleküle, die in der lebenden Zelle unverzichtbar sind wie Glycerin, Ameisensäure, Harnstoff und einfache Aminosäuren. Aber größere Strukturen, die Zuckern, DNA oder Proteinen ähnlich sein könnten, bildeten sich nicht.

Blitze oder Entladungen können problemlos chemische Bindungen aufbrechen und neu schließen, die Energie dafür ist da. Was aber fehlt, ist die ordnende oder richtungsweisende Kraft bei der Synthese. Und auch wenn die Forscher mittlerweile in Ursuppen-Experimenten bis zu RNA-ähnlichen Substanzen gekommen sind (RNA gilt als der Vorläufer der Erbsubstanz DNA), lässt die „Urzelle“ noch auf sich warten.

Anstelle mit einem einzigen Experiment die gesamte Schöpfung erklären zu wollen, konzentrieren sich die Wissenschaftler deshalb auf bestimmte Fragen. Welche Bausteine waren vorhanden? Gibt es oszillierende Prozesse, die vielleicht eine Urzelle angetrieben haben? Wo kam die Energie her? Welche Umgebung eignet sich? Welche Rolle spielen bestimmte Mineralien? Ein besonderes Charakteristikum des Lebens sind biochemische Kreisläufe. Solche Kreisläufe und ihre mögliche Rolle beim Ursprung des Lebens untersuchen Wissenschaftler an der Universität Straßburg um den Chemiker Joseph Moran.

Eisen und Zyklen

Kreisläufe oder Zyklen verknüpfen wie Zahnräder die verschiedenen Stoffwechselwege in lebenden Zellen und liefern immer wieder Bausteine nach, zum Beispiel Kohlenstoffketten für Fette, Aminosäuren für Proteine und Alkohole für Zucker. Die Energie dafür stammt aus energiereichen Molekülen aus dem Zuckerabbau. Der Citrat- oder Krebs-Zyklus (nach seinem Entdecker Hans Krebs) ist einer der ursprünglichsten Zyklen. An zentraler Stelle steht das Zitronensäuremolekül („Citrat“). Es ist eine Art Gerüst zur Speicherung und Wiederabgabe von kleinen Verbindungen mit zwei oder drei Kohlenstoffatomen.

Moran und seine Kollegen führten folgendes Experiment durch: Sie erhitzten eine organische Säure aus zwei Kohlenstoffatomen und eine aus drei Kohlenstoffatomen zusammen mit Wasser und einem Eisensalz unter Ausschluss von Sauerstoff. Nach einiger Zeit konnten sie ein Panoptikum von neuen Kohlenstoffverbindungen nachweisen. Neun davon waren Zwischenprodukte des Citratzyklus. Das ist deshalb bemerkenswert, weil der Citratzyklus elf Stationen aufweist. Also wurde der Zyklus auch unter lebensfreien Bedingungen fast vollständig durchlaufen. Die Ergebnisse haben die Wissenschaftler im letzten Jahr in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41586-019-1151-1).

Moran glaubt, dass der Citratzyklus auf der Urerde schon als chemisches Netzwerk vorhanden war und erste Lebensformen mit Energie und Bausteinen versorgt haben könnte.

Auch der Physiker Dieter Braun von der Ludwigs-Maximilian-Universität in München verfolgt ein Forschungsprojekt zum Ursprung des Lebens. Er meint, dass der Nachweis der Produkte allein nicht als Beweis gelten könne, dass es solche „Ur-Stoffwechselwege“ gegeben habe. „Dieses metabolische Netzwerk ist tatsächlich ähnlich den jetzigen metabolischen Netzwerken. Aber für den ganzen Zyklus sind hoch evolvierte Proteine am Werk“, sagt er und ergänzt: „Aber dass da etwas passiert unter diesen Bedingungen, das ist schon sehr interessant“.

Szenarien – so war es (vielleicht)

Moran verwendete kleine organische Säuren und ein Eisensalz als Katalysator. Kleine organische Säuren sind in anderen Ursuppenexperimenten bereits nachgewiesen worden. Eisen findet sich als Element vor allem tief unter der Erde, im Erdkern. Eisensalze könnten aber entstanden sein, wenn eisenhaltige Meteoriten einschlugen und bei dem Impakt glühendes Eisen mit Wasserdampf reagiert.

Kann also auf der Erde das Leben in Meteoritenkratern entstanden sein?

Die Meteoritenkrater-Hypothese geht indirekt auf Charles Darwin zurück, den Begründer der Evolutionstheorie. Darwin erwähnte einmal in einem Brief, dass sich die erste Proteinverbindung, wenn überhaupt, in einem „kleinen warmen Tümpel“ gebildet haben könnte. Wissenschaftler argumentieren nun, dass sich in Meteoritenkratern, Darwins Tümpeln, chemische Moleküle durch Austrocknung anreichern und miteinander reagieren könnten.

Aber dafür braucht es Energie, viel Energie, und sie muss konstant fließen. Es gibt noch andere Theorien. In den 1990er Jahren wurde eine Hypothese zum Ursprung des Lebens aufgestellt, nach der der Übergang von Nichtleben nach Leben an vulkanischen Schloten auf dem Meeresgrund stattfand, den „schwarzen Rauchern“. Kern der These ist, dass in einer sehr heißen Umgebung gelöste Stoffe gut miteinander reagieren können.

Allerdings müssten sich kohlenstoffhaltige Verbindungen, wenn sie denn überhaupt vorhanden sind, im Wasser schnell verdünnen. In der Frage, welches Szenario wahrscheinlicher ist, sind sich die Wissenschaftler höchst zerstritten.

Die Forscher um Braun könnten mit ihren jüngsten Experimenten der Meeresvulkan-These Nahrung geben. Die Physiker befassen sich mit energetischen Aspekten der Lebensentstehung. In ihrem Experiment ließen sie Gasbläschen in winzigen Kanälen mit heißem Wasser mit verschiedenen gelösten Substanzen aufsteigen. Dann beobachteten sie die Reaktionen an den Bläschenwänden. Dort bildeten sich stark konzentrierte molekulare Einheiten. und es entstanden sogar kettenförmige Biomoleküle ähnlich der RNA, wie die Autoren in der Fachzeitschrift Nature Chemistry vom Juli 2019 schreiben (DOI: 10.1038/s41557-019-0299-5).

Offenbar sind die Wände der Gasbläschen ideal, um Stoffe zu konzentrieren und Reaktionen zu fördern. Wie bei einem nassen Luftballon, auf den man einen Fön hält, treibt die aufsteigende Hitze die gelösten Bausteine auf die kühlere Seite der Bläschen. Dort reichern sie sich an und reagieren miteinander.

Meteorit und Tümpel oder Vulkan und Meeresboden – beide Szenarien haben ihre Verfechter. Viele Wissenschaftler, und dazu gehören auch Braun und Moran, möchten sich mit Festlegungen zurückhalten und sind lediglich froh, mit einem Puzzlesteinchen zum Gesamtbild beitragen zu können. Ihre beiden Forschungsarbeiten verdeutlichen, dass Eisensalze ein Reaktionsnetzwerk aufbauen können und dass Gasbläschen in heiß aufsteigendem Wasser gute Bedingungen für Reaktionen bieten. Zwei Puzzlesteinchen, die eine gute Grundlage für weitere Experimente legen.