Wie begann das Leben auf der Erde? Münchner Forscher finden wichtige Hinweise

Eine Studie von Münchner Forschern macht einen Schritt nach vorn bei der Beantwortung der Frage, wie Leben auf der Erde entstanden ist.

In einem bahnbrechenden Experiment versuchte ein Wissenschaftler in den frühen 1950er Jahren, die Bedingungen der frühen Erde in einem Reagenzglas nachzubilden. Stanley Miller füllte einige einfache Zutaten, von denen man annahm, dass sie in der Atmosphäre und in den Ozeanen des jungen Planeten herumwirbelten, in miteinander verbundene Kolben, erhitzte sie und versetzte sie mit Strom, um Blitze zu simulieren. Die Ergebnisse wurden schnell berühmt: Aus dieser Ursuppe stammten die Aminosäuren, die chemischen Bausteine des Lebens.

Diese Entdeckung löste in der Chemie und Biologie eine Suche nach Experimenten aus, die zur Beantwortung einer der größten wissenschaftlichen Fragen der Menschheit beitragen könnten: Wie begann das Leben auf der Erde? Jetzt haben Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München einen aufregenden Schritt nach vorn gemacht, indem sie gezeigt haben, wie komplexere Moleküle, die für das Leben entscheidend sind, aus den Grundbausteinen der frühen Erde synthetisiert worden sein könnten.

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In ihrer Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, tauschten die Wissenschaftler Reagenzgläser gegen winzige Netzwerke verzweigter Risse aus, die denen ähneln, die sich in der Natur in Felsen bilden. Sie ließen Wasser zusammen mit wichtigen chemischen Bausteinen durch die Risse fließen und setzten dann Wärme ein, um einen Prozess zu imitieren, wie er in der Nähe von hydrothermalen Schloten im Ozean oder in porösem Gestein in der Nähe eines geothermischen Beckens stattfinden könnte.

Sie entdeckten, dass die durch diese geologischen Netze fließende Wärme die Moleküle sortierte und filterte und ihnen half, längere Ketten, so genannte Biopolymere, zu bilden, die für das Leben unerlässlich sind. „Das ist ein fantastischer Beweis dafür, dass einfache physikalische Prozesse so etwas bewirken können", sagte Matthew Pasek, ein Geowissenschaftsprofessor an der University of South Florida, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Da die Frage, wie das Leben entstanden ist, so groß ist, überschreitet sie die traditionellen Grenzen, die die Wissenschaft in verschiedene Disziplinen einteilen. Chemiker, Biologen, Astrophysiker und Geologen sitzen alle mit am Tisch, wenn sie versuchen, diese Frage zu beantworten. Diese Grenzen zu überbrücken, ist es, was Christof Mast, Biophysiker an der Ludwig-Maximilians-Universität München, interessiert. Sein Labor hat eine Versuchsanordnung entworfen, die den Bedingungen, unter denen die „präbiotische Chemie", aus der das Leben entstanden ist, etwas näher kommt.

Wie hat die Erde genügend Bausteine zusammengebraut, dass Leben entstehen konnte?

Jahrzehntelang haben Wissenschaftler mit dem Problem gerungen, dass die frühe Erde kein makelloses Labor mit Bechergläsern, perfekt getimten Reinigungsschritten und konzentrierten Vorräten an Inhaltsstoffen war. Es ist eine Sache, die Chemie des Lebens im Labor nachzubilden, aber Experimente, die in einem Glaskolben durchführbar sind, sind unter den chaotischen Bedingungen der realen Welt bestenfalls unwahrscheinlich. „Man kann sich die präbiotische Erde vorstellen, diese präbiotische Suppe, die stark verdünnt ist, und all diese verschiedenen Dinge reagieren auf eine sehr unkontrollierte Weise", so Mast.

Eines der bisherigen Probleme ist, dass bei chemischen Reaktionen im Labor oft Nebenprodukte entstehen, die ihre eigenen unerwünschten Reaktionen auslösen können, sodass den Wissenschaftlern nur winzige Mengen des Schlüsselmaterials zur Verfügung stehen. Wie also hat die frühe Erde genügend dieser Bausteine zusammengebraut, um schließlich Leben entstehen zu lassen?

Um das herauszufinden, schnitten die Forscher verzweigte Netze miteinander verbundener Risse in ein winziges Stück einer inerten teflonähnlichen Substanz namens FEP und klemmten es zwischen zwei Saphirplatten. Die Saphire wurden auf präzise, aber unterschiedliche Temperaturen gebracht, um einen Wärmefluss durch das geologische Netzwerk zwischen ihnen zu erzeugen, der die Art und Weise nachahmt, wie die Wärme wahrscheinlich auf der frühen Erde geflossen ist - vielleicht in der Nähe von Vulkanen oder hydrothermalen Schloten. Dann ließen sie Wasser und chemische Grundbausteine durch das Rissnetzwerk fließen und beobachteten, was geschah.

Aminosäuren sind wichtig, aber noch weit vom Leben entfernt

In einem Experiment zum Nachweis des Konzepts verwendeten sie Glycin, die einfachste Aminosäure, zusammen mit einer Substanz namens TMP, die reagieren kann, um zwei Glycinmoleküle zu verbinden. Solche Reaktionen sind in Wasser schwierig, sagte Mast, und TMP war auf der frühen Erde sehr selten. Wenn sie diese Zutaten einfach in einem Becherglas oder in geologischen Rissen ohne Hitze zusammenmischten, war die Menge des komplexeren Biopolymers, das sie erzeugten, „verschwindend gering", berichten die Forscher.

Als sie jedoch einen Wärmegradienten in die Risse einbrachten, stieg die Produktion des Biopolymers massiv an. Das ist bedeutsam, denn Aminosäuren sind zwar wichtig, aber noch weit vom Leben entfernt. Dieselben Grundbausteine wurden zum Beispiel auch auf leblosen Meteoriten gefunden. „Um die nächste Stufe zu erreichen, muss man mit der Herstellung von Polymeren beginnen - das ist ein grundlegender Schritt auf dem Weg zur nächsten Stufe des Lebens", so Pasek.

Die endgültige Frage, wie das Leben entstanden ist, kann mit dieser Einrichtung nicht beantwortet werden: War es in einem Teich, wie es ihn auf der Erdoberfläche gegeben haben könnte, oder in der Nähe eines hydrothermalen Schlots, wie man ihn tief im Ozean findet? Wärmeflüsse durch Gestein könnten in einer Vielzahl von geologischen Umgebungen auftreten, so Mast, und waren auf der frühen Erde wahrscheinlich „allgegenwärtig".

Der Versuchsaufbau kann aber auch dazu verwendet werden, andere Fragen zur frühen Chemie auf dem Planeten zu untersuchen. Mast hofft, als Nächstes ein Netzwerk von Rissen aus geologischem Material zu schaffen und größere Netzwerke miteinander verbundener Kammern zu bauen.

„Für das Kochen der ‚Ursuppe' ist der Topf wichtig"

Die Studie ist eine weitere Erinnerung daran, dass elegante chemische Experimente einen grundlegenden Teil der Ursuppe außer Acht lassen können: den Topf. Im Jahr 2021 fand ein Team von Wissenschaftlern heraus, dass bei dem berühmten Experiment aus den 1950er Jahren das Reagenzglas selbst - oder besser gesagt das Borosilikatglas, aus dem es hergestellt war - eine Rolle für die Ergebnisse spielte. Als die Wissenschaftler das Experiment in einem Glaskolben, einem Teflonkolben und dann in einem Teflonkolben mit ein wenig Borosilikatglas wiederholten, stellten sie fest, dass das Glas eine entscheidende Rolle bei der Katalyse der Reaktionen spielte.

„Mit anderen Worten, für das Kochen der ‚Ursuppe' ist der Topf wichtig", schrieb Juan Manuel García-Ruiz, ein Forschungsprofessor am Donostia International Physics Center in Spanien, der an dem Experiment beteiligt war, in einer E-Mail. Er lobte die neue Arbeit für ihren fantasievollen Ansatz und, was vielleicht am wichtigsten ist, dafür, dass sie „geologisch plausibel" ist.

„Es ist vielleicht nicht der einzige Mechanismus, aber er funktioniert und ist genial, und vor allem ist es eine experimentelle Demonstration", sagte García-Ruiz. „Ich denke, wir brauchen mehr experimentelle Ansätze, um den geochemischen Kontext des Planeten zu erforschen, als das Leben entstand."

Zur Autorin

Carolyn Johnson ist eine Wissenschaftsreporterin. Zuvor berichtete sie über das Gesundheitswesen und die Erschwinglichkeit der Gesundheitsversorgung für Verbraucher.

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Dieser Artikel war zuerst am 16. April 2024 in englischer Sprache bei der „Washingtonpost.com" erschienen - im Zuge einer Kooperation steht er nun in Übersetzung auch den Lesern der IPPEN.MEDIA-Portale zur Verfügung.