Das Leben auf der Erde könnte seinen Ursprung in Tiefseeschloten haben

Uralte Mikroben weisen auf das Leben hin

Karbonatstrukturen an einer hydrothermalen Quelle im Ozean umfassen heute diese Spitzen mit einer Höhe von 90 Fuß. Der weiße, gewundene Dorn ist frisch abgelagertes Karbonatmaterial. (Bildnachweis: Kelley, University of Washington, IFE, URI-IAO, NOAA)



Dies ist Teil 3 einer sechsteiligen Serie, die die Geschichte der Bemühungen der Menschheit erzählt, die Ursprünge des Lebens zu verstehen, indem sie in extremen Umgebungen danach suchen, in denen das Leben gedeiht, ohne sich auf die Sonne als Energiequelle zu verlassen.



Es folgt einer ozeanographischen Expedition zum Mid-Cayman Rise unter der Leitung von Chris German von der Woods Hole Oceanographic Institution und den Bemühungen der NASA, eine zukünftige Mission zu planen Jupitermond Europa . Wenn wir verstehen, wie Leben ohne Sonne leben kann, können wir herausfinden, wie das Leben auf unserem Planeten begann und ob die Erde der einzige Ort im Universum ist, der eine Biosphäre unterstützen kann.

Schwefelwasserstoff ist ein Giftgas, das schon in sehr geringen Konzentrationen für den Menschen tödlich ist. Diese Verbindung – zwei Teile Wasserstoff, ein Teil Schwefel – erwies sich jedoch als Nahrungsquelle für Bakterien, die ein völlig neues Ökosystem antreiben. (Zumindest neu für uns. Einige Wissenschaftler vermuten, dass diese Art von Ökosystem tatsächlich das älteste auf unserem Planeten ist.)



Biologen wissen seit mehr als einem Jahrhundert, dass Bakterienleben auf der Grundlage von Chemosynthese existieren kann, aber vor der Galapagos Hydrothermal Expedition 1977 hatte niemand gedacht, dass ein ganzes Ökosystem allein aus chemosynthetischen Prozessen entstehen könnte. [ Extremophile: Das seltsamste Leben der Welt ]

Chemosynthese ist die biologische Umwandlung von Kohlenstoffmolekülen und Nährstoffen in organische Substanz – die Stoff des Lebens . Während die Photosynthese die Energie des Sonnenlichts nutzt, um Kohlendioxid in diese organische Substanz umzuwandeln, wobei als Nebenprodukt Sauerstoff freigesetzt wird, verwendet die Chemosynthese anorganische Moleküle (wie Schwefelwasserstoff) oder Methan und kombiniert sie mit einer Sauerstoffquelle (in diesem Fall Meerwasser), um einfache Zucker.

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Diese Zucker sind der Treibstoff, von dem Bakterien leben, und die Bakterien sind der Treibstoff, den größere Organismen zum Überleben brauchen. Bei der Chemosynthese mit Schwefelwasserstoff entsteht als Nebenprodukt Schwefel – und dieser Schwefel riecht nach faulen Eiern.

Schwefelwasserstoff ist eine von vielen Verbindungen, die im überhitzten Wasser mitfahren und zurück an die Oberfläche des Meeresbodens schießen, nachdem sie sich durch Risse nach unten geschlichen haben, um auf Magmataschen aus dem Erdmantel zu treffen.



Diese Stoffe werden durch das heiße Wasser aus den Felsen, die die Spalte auskleiden, gelöst, wodurch ein chemisch angereichertes Wassergemisch entsteht. Diese Mischung wird dann beim Erhitzen schwimmfähig und entweicht schließlich zurück in das eiskalte Meerwasser.

Aber wie konnte hier ein solcher außerirdischer Prozess existieren, der sich grundlegend von der Grundlage für die überwiegende Mehrheit allen Lebens auf der Erde unterscheidet?

Das Forschungs-U-Boot Alvin greift mit seinem mechanischen Arm zu einem Hochtemperatur-Schwarzraucher im Endeavour-Segment, Juan de Fuca Ridge, um methanogene Mikroben zu untersuchen.

Das Forschungs-U-Boot Alvin greift mit seinem mechanischen Arm zu einem Hochtemperatur-Schwarzraucher im Endeavour-Segment, Juan de Fuca Ridge, um methanogene Mikroben zu untersuchen.(Bildnachweis: Bruce Strickrott von WHOI)

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens

Betritt Günter Wächtershäuser. Wächtershäuser (ausgesprochen VEK-terz-hoizer), ein deutscher Chemiker, der zum Patentanwalt wurde und sich auf chemische und biochemische Erfindungen spezialisiert hat, schlug 1988 erstmals vor, dass ein ähnlicher chemosynthetischer Prozess wie der auf der Galapagos Hydrothermal Vent Expedition beobachtete schon seit Jahren auf der Erde existiert eine sehr lange Zeit.

Er argumentiert, dass dieser Prozess nicht nur dem Planeten Erde während seiner gesamten Geschichte gemeinsam war, sondern auch für alle lebenden Ökosysteme grundlegend war, die bis zur allerersten Entstehung des Lebens vor etwa vier Milliarden Jahren zurückreichten. [ 7 Theorien über den Ursprung des Lebens ]

Wenn wir in diese Zeit zurückreisen könnten, würden wir eine ganz andere Erde sehen als die, die wir heute sehen. Wir würden einen Planeten sehen, der aus der Katastrophe eines Einschlags mit einem Schurkenplaneten hervorgeht, der den Mond geschaffen hat und der die Erdachse um etwa 23,5 Grad geneigt haben soll.

Die Erde wäre erst vor kurzem genug abgekühlt, um eine feste Kruste zu tragen, und intensiver Vulkanismus und geologische Umwälzungen hätten eine giftige Atmosphäre geschaffen, die fast vollständig frei von Sauerstoff ist. Ohne Ozonschicht würde der Planet mit massiven Dosen von ultraviolettem Licht und Strahlung der Sonne durchtränkt.

Wir würden Kometen, Meteoriten und Asteroiden in einer Zeit schwerer Bombardements über die Landschaft regnete und kondensiertes Wasser zurückließ, das Wolken bildete und schließlich, kombiniert mit vulkanischen Ausgasungen, Ozeane. Die Photosynthese würde auf der Erde vielleicht noch zwei Milliarden Jahre lang nicht stattfinden.

Doch in dieser buchstäblichen Hölle auf Erden hätten wir (wenn wir daran gedacht hätten, ein Mikroskop mitzunehmen) die ersten Lebensformen gesehen.

Eine Künstlerin

Künstlerische Darstellung eines Planeten, der durch ein kontinuierliches Bombardement von Kometen und Meteoren sterilisiert wird. Eine neue Studie zeigt, dass solche Einschläge die frühe Erde nicht vollständig sterilisiert hätten(Bildnachweis: David A. Hardy/www.astroart.org)

Leben aus den Tiefen der Erde?

Wächtershäuser, der auch Honorarprofessor für Evolutionäre Biochemie an der Universität Regensburg in Deutschland ist, verweist auf die frühen Ozeane der Erde und die Zeit hoher vulkanischer Aktivität als perfekte Umgebung für die Geburt der Erden-Lebensform Nr. 1 , oder der Pionierorganismus, ein azelluläres (keine Zellen enthaltendes) Wesen, das wahrscheinlich innerhalb von Minuten das einsamste Leben in der Geschichte des Planeten durchlebte.

Seine Prämisse vom Ursprung des Lebens heißt die Eisen-Schwefel-Welttheorie . Es geht davon aus, dass heißes, unter Druck stehendes Wasser gemischt mit gelösten Gasen (einschließlich Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Blausäure und Ammoniak) aus prähistorischen Schloten und über verschiedene Mineralien, die Eisen, Nickel und andere Metalle enthalten, in den Gesteinen um die Schlote strömte. [ Galerie: Kreaturen von Tiefseeschloten ]

Diese Metalle dienten als Katalysatoren für eine Kettenreaktion, bei der organische Verbindungen synthetisiert und einige von ihnen mit anderen Metallen gekoppelt wurden, um neue Verbindungen mit größerer Fähigkeit zu neuen chemischen Reaktionen zu bilden.

Diese Kopplung zwischen Katalysator und Produkt einer organischen Reaktion ist der entscheidende erste Schritt von Wächtershäusers Theorie.

Was als nächstes kommt, ist das Wunder der Evolution. Ausgehend davon, dass diese Metalle und Gase bei der Entstehung des Lebens miteinander reagieren, beginnt die Evolution laut Wächtershäuser mit dem Beginn eines primitiven Stoffwechsels, der immer komplexere chemische Reaktionen hervorruft, die schließlich im Laufe der Zeit zur Bildung von DNA führen – den Bauplänen des Lebens, um heute mehr lebende Zellen herzustellen.

Bevor es lebende Zellen gab, reagierten diese Metalle und Gase im rein chemischen Sinne nach vorgegebenen Reaktionswegen miteinander. Damals gab es nur so viele Verbindungen und nur so viele Möglichkeiten, wie diese miteinander reagieren konnten.

Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid. Blausäure, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Stickstoff, Ammoniak, sagte Wächtershäuser, pausieren vor Zugabe, Oh, Phosphoroxid, P4ODER10. Das ist es.

Abgesehen von einigen anderen Spurenmolekülen waren dies die Gase, die aus dem Bauch des Planeten sprudelten und die ersten chemischen Reaktionen bildeten, die als Vorläufer des Lebens dienten.

Hydrothermale Entlüftungsöffnungen speien heiße Chemikalien in die Umgebung.

Hydrothermale Entlüftungsöffnungen speien heiße Chemikalien in die Umgebung.(Bildnachweis: OAR/National Undersea Research Program (NURP), NOAA)

Füttere es nach vorne

Wenn diese Gase aus der Tiefe der Erde aufsteigen, bewegen sie sich von einem Zustand mit hohem Druck und hoher Temperatur zu einem Zustand mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur. Dies geschieht schnell und verursacht einen Nichtgleichgewichtszustand, der als Quenchen bezeichnet wird – bei dem das Verhältnis von Gasen bei einer hohen Temperatur beim Übergang in eine Umgebung mit niedriger Temperatur in der gleichen Konzentration eingefroren wird.

Nehmen wir an, bei hohen Temperaturen habe man ein Gleichgewichtsverhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid von 1:1, sagte Wächtershäuser. Und bei niedrigen Temperaturen können Sie ein Gleichgewichtsverhältnis von 10.000:1 haben. Wenn Sie also abschrecken, haben Sie möglicherweise eine Mischung mit niedriger Temperatur, die immer noch eine hohe Konzentration an Kohlenmonoxid aufweist.

Das Abschrecken ist wichtig, weil es ein chemisches Potential erzeugt. Das chemische Potenzial treibt die Reaktionen zwischen Gasen und Metallen bei hydrothermale Quellen . Dort beginnen sich aufgrund der einzigartigen Kombination der richtigen Gase und der richtigen Metalle bei den richtigen Temperaturen Reaktionen gegenseitig aufzubauen, wodurch eine Synthesereaktion entsteht, bei der die synthetisierten organischen Produkte wiederum die Geschwindigkeit einer anderen Reaktion fördern, sagte Wächtershäuser .

Mit anderen Worten, bestimmte Reaktionen erzeugen Nebenprodukte, die dann verwendet werden, um andere Reaktionen zu beschleunigen, was zu längeren, komplexeren Ketten organischer Moleküle führt.

Nach seiner Theorie geschieht die gesamte Evolution mit dieser Methode von Feed-Forward-Reaktionen, bei der organische Produkte andere Reaktionen fördern, die neue organische Produkte mit zunehmender Komplexität ergeben. Daraus entstanden Aminosäuren, Peptide, Zucker, Proteine, Nukleotide und Nukleinsäuren wie DNA und RNA.

Danach entwickelte das Leben, wie die Theorie besagt, ein höheres Maß an Komplexität und wagte sich über die Vent-Gemeinschaften hinaus. Es ist nicht klar, wann die Photosynthese zum ersten Mal entstand, aber die meisten Schätzungen reichen von 2,5 bis 3 Milliarden Jahren. Der Rest ist, wie man sagt, Geschichte.

Die „Replikator-zuerst“-Theorie

Da wir die Zeit nicht zurückdrehen können, werden wir nie wissen, ob Günters Theorie des Lebens, das aus den Tiefen der geschmolzenen Innereien der Erde aufsteigt, wahr ist oder nicht. Und er ist nur einer von mehreren konkurrierenden Ursprungstheorien des Lebens , die im Allgemeinen in zwei Lager fallen.

Metabolism-first-Theorien (wie die Iron-Sulfur World Theory) beginnen mit einfachen Molekülen, die immer komplexer werden. Replikator-First-Theorien hingegen legen nahe, dass einfache organische Moleküle natürlich vorkommen und sich von Anfang an selbst replizieren können.

Der Chemiker Stanley Miller befindet sich im Replikator-First-Lager. Miller, der manchmal als der Vater der Ursprungschemie des Lebens bezeichnet wird, wurde früh berühmt für ein klassisches Experiment, das er 1952 als Doktorand mit Harold Urey durchführte, in dem er demonstrierte, wie Aminosäuren in einer Laborumgebung aus einfachen Verbindungen erzeugt werden können elektrischen Entladungen in der frühen Erdatmosphäre ausgesetzt. [ Was sind die Zutaten des Lebens? ]

Die spontane Bildung von Aminosäuren funktioniert nicht von selbst den Ursprung des Lebens erklären , da es immer noch ein großer Sprung ist, von einfachen Aminosäuren zu komplexen, sich selbst replizierenden Ketten genetischer Anweisungen in DNA und RNA zu gelangen. Aber seine Ergebnisse legten den Grundstein für die Erforschung des Ursprungs des Lebens und weckten viele neugierige Köpfe, um alle möglichen Kombinationen von Bedingungen zu testen, die es auf der frühen Erde gegeben haben könnte. Doch 60 Jahre später war keine dieser Bemühungen in der Lage, das Leben in einem Labor von Grund auf nachzubilden.

Eine der führenden Varianten des Replikator-First-Lagers ist die RNA-Welttheorie, die darauf hindeutet, dass RNA-Moleküle vor den ersten Proteinen entstanden sind, da es vor ihnen kein Vererbungsmolekül oder Blaupausenmolekül gegeben hätte, um andere Moleküle konsequent herzustellen.

Befürworter dieser Theorie sagen, dass es eine Zeit gab, in der RNA allein alle Wartungsaktivitäten einer Zelle erledigte und sowohl als genetisches Material als auch als Katalysator für Stoffwechselreaktionen fungierte. Die Evolution der DNA verteilte dann die Arbeit für die Replikation und die genetische Speicherung auf das stabilere DNA-Molekül.

Blick in Richtung Europa

Aber Wächtershäuser hält es für einen zu großen Sprung, anzunehmen, dass das Leben mit der Fähigkeit zur Selbstreplikation begann. Der Anfang der genetischen Maschinerie ist nicht die Replikation. Replikation habe keinen Zweck an sich, sagte Wächtershäuser.

Für ihn beginnt der Beginn der genetischen Replikationsmaschinerie mit der Chemie, die im Kern des Ribosoms vor sich geht, das ein bisschen wie die Produktionsstätte aller Zellen ist. Diese Chemie läuft auf die Peptidbildung hinaus – im Grunde genommen einfache Aminosäuren, die miteinander verbunden sind.

Es ist ein entscheidender Schritt und etwas, das seine Experimente im Labor unter Hochtemperaturbedingungen erzeugen konnten – die gleichen Bedingungen, die man in der frühen Erde um hydrothermale Schlotsysteme herum vermutete. Es ist kein schlüssiger Beweis, dass seine Theorie richtig ist, aber er kommt näher.

Unglücklicherweise für Wächtershäuser liegt der vielleicht beste Beweis für seine Theorie etwa 500 Millionen Meilen (800 Millionen Kilometer) von seinem Labor in Deutschland entfernt, unter der eisigen Hülle eines Mondes, die vor mehr als 400 Jahren von einem Mann namens Galileo Galilei entdeckt wurde: Jupiter Es ist Mond Europa.

Diese Geschichte wurde bereitgestellt von Astrobiologie-Magazin , eine von der NASA gesponserte webbasierte Veröffentlichung Astrobiologie-Programm . Folgen Sie demokratija.eu auf Twitter @spacedotcom . Wir sind auch dabei Facebook & Google+ .