Entstehung des Lebens

Ursprung des Lebens – Pressemitteilung

Das Leben entstand in der Erdkruste

Davon jedenfalls sind der Geologe Prof. Dr. Ulrich Schreiber und der Physikochemiker Prof. Dr. Christian Mayer von der Universität Duisburg-Essen überzeugt.

„Es ist das erste Modell zur Entstehung des Lebens, das einen umfassenden Prozess der Zellbildung beschreibt, bei dem die Probleme der Molekülherkunft, Aufkonzentrierung, Energieversorgung und Membranbildung gelöst sind“, so Prof. Mayer aus der Fakultät für Chemie.

Worum geht es? Die Verhältnisse der jungen Erde und die Bedingungen für die Entstehung des Lebens liegen aufgrund der großen zeitlichen Distanz zu heute weitgehend im Dunkeln. Fehlende Randbedingungen verhindern eine klare Eingrenzung der möglichen Prozesse, sodass eine Vielzahl von Vorläufermodellen immer nur eng begrenzte Aussagen zu einzelnen Reaktionen machen konnten. Hierbei wurden alle Lokalitäten auf der Erdoberfläche, von der Tiefsee bis zu flachen Tümpeln diskutiert. Mangels plausibler Alternativen wurden in der letzten Zeit extraterrestrische Regionen wie der Mars oder der Weltraum insgesamt als Lösung vorgeschlagen.

Der Bereich der kontinentalen Kruste wurde hingegen mehr oder weniger vernachlässigt. „Hier“, so Prof. Schreiber von der Fakultät für Biologie, „liegen aber optimale Verhältnisse vor.“ Ausgangspunkt sind tiefreichende tektonische Störungszonen, die Kontakt zum Erdmantel haben. Von dort steigen, wie zum Beispiel auch heute noch in der Eifel, Wasser, CO2 und andere Gase auf, die alle erforderlichen Stoffe für die Bildung organisch-biologischer Moleküle enthalten. Eines der kräftigsten Argumente für diesen Ort ist das CO2, das ab einer Tiefe von ca. 800 Metern in den überkritischen Zustand übergeht und damit Eigenschaften sowohl von einer Flüssigkeit als auch einer Gasphase annimmt. „Hiermit können wir viele Reaktionen erklären, die im Wasser nicht möglich sind. Überkritisches CO2 wirkt wie ein organisches Lösungsmittel und erweitert die Zahl der möglichen chemischen Bildungsreaktionen erheblich. Mit Wasser bildet es darüber hinaus Grenzflächen, die schrittweise zur Ausbildung einer Doppelschicht-Membran führen und so das wichtigste Strukturelement der Zelle formen. “, so Prof. Mayer.

Im Labor ließen sich bereits grundlegende Schritte auf dem Weg zu einer Zelle nachweisen. Hierzu gehören die Bildung von Vesikeln, die als erste zellähnliche Strukturen gelten können, sowie die Verknüpfung von Aminosäuren zu längeren Ketten, die Basis für die Entstehung komplexer Moleküle wie Proteine und Enzyme. Besonders attraktiv für das Modell ist die Tatsache, dass die Bedingungen für die Entstehung des Lebens in hydrothermalen Ganggesteinen aus der Frühzeit der Erde dokumentiert wurden.

Prof. Oliver Schmitz: „In winzigen Flüssigkeitseinschlüssen, wie sie in archaischen Gangquarzen Australiens von Prof. Schreiber gefunden wurden, verbirgt sich eine Vielzahl organischer Stoffe aus dieser Zeit. Sie wurden während der Kristallbildung eingeschlossen und so konserviert. Sie helfen uns, die Bedingungen für die Laborversuche der Wirklichkeit anzunähern.“ Prof. Schmitz, Fakultät für Chemie, leistet mit seinem analytischen Labor tatkräftige Unterstützung bei der Entschlüsselung der Reaktionsprodukte.

Weitere Informationen bei:      

Prof. Dr. Ulrich Schreiber, Fakultät für Biologie, Fachrichtung Geologie, ulrich.schreiber@uni-due.de

Prof. Dr. Christian Mayer, Fakultät für Chemie, Physikalische Chemie, christian.mayer@uni-due.de

Prof. Dr. Oliver Schmitz, Fakultät für Chemie, Applied Analytical Chemistry, oliver.schmitz@uni-due.de

Literatur:

Mayer, C., Schreiber, U., Davila, M.J.: Periodic vesicle formation in tectonic fault zones – an ideal environment for molecular evolution, Orig. Life Evol. Biosph. June 2015, Volume 45, Issue 1-2, pp 139-148.

Schreiber, U., Locker-Grütjen, O. and Mayer, Chr. (2012): Hypothesis: Origin of Life in Deep-Reaching Tectonic Faults. Prebiotic Chemistry. Origins of Life and Evolution of Biospheres. DOI: 10.1007/s11084-012-9267-4

Gordon Research Conference "Origin of Life"

Vom 12. bis 17. Jan. 2014 fand in Galvestone/Texas die Gordon Research Conference zum Thema "Origin of Life" statt (http://www.grc.org/programs.aspx?year=2014&program=origins). Christian Mayer (Physikalische Chemie der Universität Duisburg-Essen) und Ulrich Schreiber (Geologie) stellten in zwei eingeladenen Vorträgen das an der UDE entwickelte Modell zur Entstehung des Lebens an tiefreichenden Bruchzonen der frühen kontinentalen Erdkruste vor. Untermauert wurde das Modell durch Funde einer komplexen organischen Chemie in Flüssigkeitseinschlüssen archaischer Quarze aus Quarzgängen Westaustraliens. Darüber hinaus konnten erste Laborergebnisse von Experimenten präsentiert werden, bei denen unter Verwendung überkritischen Kohlendioxids Verknüpfungen biologischer Ausgangsmoleküle zu größeren Einheiten erfolgten.

Abb. 1 Hypothetisches Modell: Seitenverschiebungen boten Wässern und Gasen eine Wegsamkeit

Neues Projekt

Die Entstehung des Lebens in tiefreichenden tektonischen Störungszonen der ersten Kontinentfragmente

Ein hypothetisches Modell mit Chancen auf eine Nachweisbarkeit

Veröffentlicht in: http://www.springerlink.com/content/0574541317523221/

Das Modell umfasst die physiko-chemischen Rahmenbedingungen in einem frühen Zeitabschnitt nach Bildung der Erde. Voraussetzung ist die Entwicklung erster Protokontinente, die sich in ihrer Krustenzusammensetzung deutlich von der ersten ozeanischen Kruste unterscheiden. Es bildeten sich Granite, Gneise, Vulkanite ohne Wasserkontakt (subaerisch) und erste Sedimente. In Störungszonen bildeten sich Gänge aus magmatischen Gesteinen und Gangmineralisationen unterschiedlichster Zusammensetzung. Hauptmineral war Quarz, Eisen, Erze aus allen Metallen, Baryt? und Sekundärminerale wie Zeolith und Ton.

Steilstehende Störungszonen (Seitenverschiebungen) boten nicht nur Wässern eine Wegsamkeit. Auf ihnen stiegen die Gase auf, die zur Bildung der Atmosphäre beitrugen. Diesen Gasen kam eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung komplexer biologischer Moleküle zu (Abb. 1).

Die Störungszonen boten über die Tiefe ein breites Spektrum unterschiedlichster Bedingungen hinsichtlich Druck, Temperatur und Reaktionsräumen an. In Ihnen traten Wasser und Gase gemeinsam in wechselnden Zuständen auf. Von besonderer Bedeutung war Kohlendioxid, das das chemische Rüstzeug für die Entwicklung der Kohlenstoffchemie lieferte. Im untersten Krustenabschnitt lagen Wasser und CO2 im überkritischen Zustand vor. Hierbei vereinigen sich Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen zu einer hochmobilen Substanz. Im mittleren Teil der Kruste ging das Wasser in den normalen, unterkritischen Zustand über, während Kohlendioxid noch überkritisch blieb. Lag CO2 in reiner Konzentration vor, hielt der überkritische Zustand bei den Temperaturen der frühen Erdkruste bis in eine Tiefe von knapp 1.000 Metern unter der Oberfläche an.

Neben Kohlendioxid stiegen weitere Gase wie Stickstoff, Kohlenmonoxid in geringen Konzentrationen, Wasserstoff, Ammoniak und Edelgase auf. Die wässrigen Lösungen waren sauer durch verschiedene Säuren wie Salzsäure und Schwefelsäure. Sie enthielten gelöste Metalle und vor allem Phosphate, die aus der Auflösung von Apatit, ein häufiges Mineral in magmatischen Gesteinen, stammte. Somit waren alle Ausgangssubstanzen, die für die Startphase der organischen Chemie benötigt wurden, vorhanden. Durch Laborversuche wurde nachgewiesen, dass unter Druck- und Temperaturbedingungen, wie sie in der Erdkruste auftreten, einfache präbiotische Moleküle entstehen können. Es müssen nur entsprechende Ausgangssubstanzen vorliegen. Die notwendige Energie stammte von der Erdwärme, die durch Zirkulation und Durchmischung infolge starker Erdgezeiten in den Störungszonen zur Verfügung stand sowie chemischen Reaktionen. Hinzu kam radioaktive Strahlung aus dem Zerfall radioaktiver Elemente, die sich auf den Störungen anreicherten. Da Störungszonen häufig mit Quarzmineralisationen ausgekleidet sind, können piezoelektrisch bedingte Stromflüsse infolge von Spannungsaufbau bei Plattenbewegungen (Erdbeben) in Betracht gezogen werden. Notwendig für die Entwicklung längerer Molekülketten oder gar Zellstrukturen war ein effektives Sammelsystem der entstandenen Moleküle, die, bevor sie wieder zerfielen, in neue stabilere Verbindungen überführt werden konnten. Weiterhin sind Ankopplungen von präbiotischen Molekülen zu längeren Ketten im wässrigen Umfeld ohne spezielle Hilfsmoleküle kaum möglich. Hilfsmoleküle (Enzyme), die heute in der Biologie diese Funktion einnehmen, sind aber erst später entstanden. Eine der zentralen Fragen war deshalb bislang, welche Substanz eine effektive Verbindung der Moleküle erlaubte. Es fehlte quasi ein organisches Lösungsmittel, das es noch nicht geben haben konnte.

Die Lösung bietet in dem vorgestellten Modell überkritisches Kohlendioxid, das sich wie ein organisches Lösungsmittel verhält. Es konnte in der mittleren Kruste, in dem Bereich, in dem Wasser bereits wieder normal flüssig ist, als überkritische Bläschen im Wasser aufsteigen und die meisten der unabhängig gebildeten präbiotischen Moleküle hieraus aufsammeln. Die Bläschen boten in ihrem Inneren einen Raum, der weitere Reaktionen zwischen den eingesammelten Molekülen ermöglichte.

Viel effektivere Reaktionsräume bildeten sich allerdings an Vorsprüngen der Störungsfläche, die häufig durch Abrisse entstanden sind (s. Abb. 2). Das aufsteigende überkritische Gas fing sich an den Vorsprüngen und bildete Taschen (Mikroautoklaven), die eine Art Zwischenspeicher darstellten. In ihnen sammelten sich die Bläschen zu einer großen Blase, in der unterschiedlichste Reaktionen stattfinden konnten. Nach Überschreiten eines Grenzvolumens konnten sich randlich neue Bläschen abtrennen, wobei sie Reaktionsprodukte einschlossen und eine erste Lipidhülle ausbildeten. Sie stiegen weiter nach oben auf, in den nächsten Autoklaven. Durch diesen Vorgang wurden über lange Zeiträume ständig präbiotische Moleküle über die aufsteigenden Bläschen in den Autoklaven angesammelt, wodurch sich hohe Molekülkonzentrationen einstellten. Sie waren die Voraussetzung für die Entwicklung größerer Moleküle.

Die Lipid-besetzten Bläschen erreichten schließlich die Grenzfläche Wasser/Luft (s. Abb. 3). Hier kam es zu weiteren Reaktionen unter neuen Bedingungen (metallische Oberflächen und Tone waren als Katalysatoren vorhanden), Übergang zur Uratmosphäre über Gasgeysire oder artesische Brunnen, Einwirkung der UV-Strahlung, Kontakt mit Süßwasser, Transport in die Ur-Ozeane etc.).

Das Besondere an diesem Modell ist, dass es sich einerseits in der Natur, andererseits im Labor nachweisen lässt. Für Versuche stehen Hochdruckanlagen zur Verfügung, in denen mit überkritischem CO2 Experimente durchgeführt werden können, die den Bedingungen der frühen Erdkruste entsprechen.

Bedingungen der frühen Kruste sind auch heute noch in vulkanisch aktiven Regionen zu finden. Hier bilden sich Minerale, die winzige Flüssigkeitsmengen einschließen (fluid inclusions). Sie können auf einfache präbiotische Moleküle untersucht werden. Aus dem Verhältnis der links- und rechtsdrehenden Anteile kann darauf geschlossen werden, ob sie Produkte der heutigen Biologie sind oder aber völlig unabhängig davon in der Kruste entstanden sind, unter Bedingungen, die denen der frühen Erde gleichen (racemische Gemische).

Abb. 2 Ausbildung von effektiven Reaktionsräumen an Vorsprüngen der Störungsfläche

Abb. 3 Reaktionsabläufe in den Mikroautoklaven