Das Leben entstand nicht aus Aminosäuren

Beobachtungen an interstellaren Staubwolken zeigen, dass der Staub, aus dem die Erde einst entstand, neben Mineralen gigantische Mengen organischer Moleküle enthielt. Doch nach seiner Entstehung war unser Planet aufgeschmolzen und von einem Magmaozean bedeckt, der alle im primordialen Baumaterial enthaltenen komplexen Kohlenstoffverbindungen vernichtete. Als die Erde endgültig abkühlte, war sie nicht nur steril, sondern auch völlig anorganisch.

Dass es dabei nicht blieb, erkennen wir unter anderem daran, dass wir heute hier sind. NASA-Forscher haben jetzt mal wieder demonstriert, wo der Nachschub herkam: Organische Moleküle in Meteoriten überstehen tatsächlich die Bedingungen eines Meteoriteneinschlags. Da davon reichlich auf die junge Erde fielen, brachten sie auch genug Material mit, dass das Leben starten konnte.

Die Experimente selbst sind ganz OK (das Video demonstriert erschöpfend was die Forscher gemacht haben), allerdings bin ich mit einer unausgesprochenen Prämisse nicht glücklich. In der Veröffentlichung geht es – mal wieder – um Aminosäuren. Das ist einerseits nachvollziehbar, denn Aminosäuren sind die Bausteine der ubiquitären Proteine. Nur, die Autoren erheben den Anspruch, über den Ursprung des Lebens zu reden, und da gibt es mit Aminosäuren ein erhebliches Problem.

Die große Organisationslücke

Wissenschaftler befassen sich jetzt seit über 50 Jahren mit der Frage, woher jene Proteine und Nucleinsäuren kamen, die heute die Maschinerie lebender Zellen ausmachen. Inzwischen gibt es eine ganze Liste von Szenarien, wie auf der präbiotischen Erde Aminosäuren, Nucleobasen und einfache Zucker auftauchten, sei es aus dem All oder durch chemische Reaktionen anorganischer Moleküle. Und wir haben inzwischen auch eine ganz gute Vorstellung davon, was alles möglich ist, sobald sich diese Bausteine zu längeren Kettenmolekülen zusammenschließen: Forscher haben katalytische RNA-ähnliche Moleküle hergestellt, die ihre eigene Vermehrung bewerkstelligen und dergleichen mehr.

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Moderner (links) und vermutlich urtümlicher Membranbaustein im Vergleich. Forscher gehen davon aus, dass die frühesten Membranen wesentlich dünner und durchlässiger waren.

Zwischen beiden Ebenen tut sich allerdings bis heute eine Lücke auf. Noch niemand hat einigermaßen schlüssig erläutern können, wie sich die kleinen Moleküle zu den erforderlichen regelmäßigen Kettenmolekülen selbst organisieren konnten. Damit zum Beispiel das RNA-Welt-Szenario funktioniert braucht man mindestens kontinuierlichen Nachschub an genau den richtigen Bausteinen in vergleichsweise hoher Konzentration und wohl auch einen Schutzraum, in dem diese Reaktionen weiter stattfinden können. Ein, zwei glückliche Zufälle reichen dafür bei weitem nicht aus, dafür ist die für Replikation notwendige Chemie zu spezifisch. Die molekulare Evolution, so viel ist klar, hatte Vorbedingungen, die weit über die bloße Gegenwart der richtigen Bausteine hinausgeht.

Insofern stört mich die einseitige Konzentration auf Aminosäuren, die ja seit Miller und Urey zum guten Ton der allermeisten Experimente zur Präbiotik gehört, schon ganz erheblich. Zumal es wesentlich interessantere Moleküle in diesem Zusammenhang gibt, die auch noch in deutlich größeren Mengen vorkommen. Dazu muss man allerdings mal von den ewigen Kettenmolekülen und ihren Bausteinen wegkommen und sich andere bekanntermaßen selbstorganisierende Systeme angucken: Membranen, Micellen und Liposomen.[1]

Selbstorganisierende Membranstrukturen

Diese seifenblasenartigen Strukturen bestehen aus amphiphilen Stoffen, also solchen, die ein polares, wasserliebendes und ein unpolares Ende haben. In Wasser sortieren sich diese Verbindungen so, dass die unpolaren Enden sich zusammenlagern und die polaren Molekülteile zum Wasser zeigen. Diese einfach aufgebauten Bläschen leisten nun, was mit den komplexeren Stoffen nicht gelungen ist: Mit ihnen kann man eine plausible Reaktionskette formulieren, die von einfachsten Molekülen lückenlos bis zu komplexen katalytisch aktiven und zur Vermehrung fähigen Strukturen reicht.

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Organisationsstrukturen amphiphiler Moleküle. Allen gemeinsam ist ein wasserabweisender Schutzraum im Innern, in dem sich hydrophobe Moleküle anreichern können.

Das Universum ist voll mit komplexen organischen Verbindungen, die entweder selbst amphiphil sind oder es durch einfache chemische Reaktionen werden können. Astronomen haben gigantische Mengen kohlenstoffreicher Moleküle in interstellaren Staubwolken und auch in den Meteoriten des Sonnensystems entdeckt. Auch für die frühe Erde gibt es gute Indizien, dass Methan und die durch UV-Licht daraus entstehenden komplexen Kohlenwasserstoffe[2] in großen Mengen in der Atmosphäre präsent waren: Die Sonne war zu jener Zeit schwächer, zu schwach als dass der Treibhauseffekt des Kohlendioxids allein flüssiges Wasser hätte garantieren können. Die Differenz, so die Vermutung, machte das Methan aus.

All diese aussichtsreichen Stoffe sind aus dem All oder der Atmosphäre auf die Erde hinabgerieselt und im Wasser, der Wiege des Lebens gelandet. Damit aber handelt man sich zuerst einmal ein Problem ein: Egal ob Ozean, Fluss, Thermalquelle oder was auch immer, die organischen Verbindungen werden in hoher Verdünnung vorliegen. Schlimmer noch, wenn ein Proto-Metabolismus die ersten Reaktionsprodukte erzeugt, werden die sofort im gesamten Wasserkörper verteilt statt für weitere spannende Reaktionsketten zur Verfügung zu stehen.

Das Verdünnungsproblem und der hydrophobe Effekt

Damit landet man in der erwähnten konzeptionellen Sackgasse. Denn egal ob man am Ursprung den ersten Replikator oder den ersten Stoffwechsel vermutet, damit sich die Komponenten solcher Systeme zu höherer Komplexität organisieren können, müssen sie gemeinsam in hoher Konzentration vorliegen und irgendetwas muss verhindern dass sie wieder verschwinden. Dieses Verdünnungsproblem ist nach meinem Verständnis der Kern der Frage nach dem Ursprung des Lebens: Wie die Bausteine entstehen weiß man inzwischen, und auch was man mit ihnen alles anstellen kann, sobald sie sich zu größeren Strukturen zusammenschließen. Man muss nur möglichst viele von ihnen auf engem Raum zusammenbekommen. Wie das mit Aminosäuren, Nucleobasen oder vergleichbaren Stoffen gehen soll ist mir nicht klar.[3]

Das ist der große Auftritt der amphiphilen Stoffe. Sie gehören zu dem unglaublich diversen Mix an organischen Verbindungen, der aus dem All und der Atmosphäre auf die Erde hinabregnete. Man hat solche Verbindungen unter anderem im Murchison-Meteoriten gefunden. Anders als alle anderen Moleküle, die Forscher sonst so am Ursprung des Lebens verorten, können sie sich ohne fremde Hilfe in Wasser zu größeren Strukturen organisieren. Außerdem können sie wachsen, indem sie weitere amphiphile Verbindungen aufnehmen, und sich durch mechanische Teilung vermehren. Das Schöne daran ist, dass all dies auf einem einfachen physikalischen Mechanismus basiert und. Das entscheidende Organisationsprinzip ist der hydrophobe Effekt.

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Liposomen aus einem organischen Extrakt des Murchison-Meteoriten. Unterste Bilder: Mit eingekapselten Nucleinsäuren. Quelle: Deamer et al.: The First Cell Membranes. Astrobiology 2 (2002), S. 371-381.

In Wasser lagern sich automatisch jene Molekülteile zusammen, die nicht polar genug sind um sich an das Netzwerk des Wassers anzuschließen. Polare oder geladene Stoffe gehen kurzfristige Bindungen mit Wassermolekülen in ihrer Umgebung ein und werden so ins Netz eingebaut, unpolare Stoffe dagegen bilden effektiv kleine Löcher im Wasser. Durch die Oberflächenspannung sind diese Löcher sehr energiereich und tendieren dazu, ihre Gesamtoberfläche zu verkleinern, und das tun sie, indem sich die wasserabweisenden Moleküle und Molekülteile auf einem Haufen sammeln. Amphiphile Moleküle drehen ihr polares Ende natürlich zum Wassernetzwerk hin, so dass sie völlig vom umgebenden Wasser abgeschirmt sind. Dadurch entstehen aus ihnen automatisch Micellen und Liposomen, die innerhalb der wässrigen Umgebung einen öligen, wasserabweisenden Raum in ihrem Inneren schaffen.

So eine Ansammlung hydrophober Stoffe tendiert dazu, aus dem umgebenden Wasser weitere hydrophobe Verbindungen aufzunehmen, angetrieben durch die Oberflächenenergie des Wassers. Wenn man annimmt, dass das Leben mit Kohlenwasserstoffen und Membranbläschen begonnen hat, stellt sich die Frage gar nicht, wie deren Bausteine und andere komplexe Verbindungen aufkonzentriert wurden – es geschieht automatisch. Andersherum sieht man sofort, warum Aminosäuren, Zucker und andere Biomoleküle den Theoretikern solche Probleme bereiten: Sie alle können diesen Trick nicht. Um sich in ausreichend hoher Konzentration an einem Ort zu versammeln brauchen sie sehr spezielle, meist nur vorübergehend vorhandene Bedingungen – oder eben eine Infrastruktur, die sie gezielt erzeugt und anreichert.

Deswegen überzeugen mich Ansätze wie die am Anfang vorgestellte Arbeit eben nicht. Die Aminosäuren kamen keineswegs aus dem All oder aus irgendeiner Ursuppe – die ersten biologischen Kettenmoleküle entstanden in den frühen Membranen. In denen fand da bereits ein rudimentärer Stoffwechsel statt, angetrieben vom stetigen Nachschub an hydrophoben organischen Verbindungen, katalytischen Metallionen und energiereichen kleinem Molekülen wie Wasserstoff. Dort reagierten die ersten Ausgangsstoffe zu Peptiden und Nucleinsäuren die – polar wie sie nun mal sind, aus der Membran ausgestoßen wurden. Im Innenraum der Liposomen reicherten sich diese Stoffe an, und der Rest ist Geschichte.
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[1] Ich bin natürlich nicht der erste, der diese Idee hatte. David Deamer hat schon in den 80ern mehrere Paper darüber veröffentlicht.

[2] Sobald Methan vorhanden ist, erzeugt UV-Strahlung Methylradikale, Ethen und Ethin, die wiederum – vermutlich über die Zwischenstufe Butadiin – zu verschiedenen kettenförmigen Kohlenwasserstoffen mit acht und mehr Kohlenstoffatomen reagieren. Das ist auch die Größenordnung, ab der diese Substanzen als Ausgangspunkt für amphiphile Verbindungen interessant werden. Die entstehenden Kohlenwasserstoffe sind sehr ungesättigt, so dass sie leicht mit Sauerstoff- und Stickstoffhaltigen Molekülbausteinen reagieren und vor allem mit dem bei photochemischen Reaktionen ebenfalls entstehenden Wasserstoff. Die Photochemie des Methans liefert also potentiell mittelgroße Polyole, Nitrile, Amine und Carbonsäuren, und natürlich tonnenweise komplexerer amphiphiler Stoffe.

[3] Ich weiß, es gibt die These, dass die Moleküle durch wiederholtes Eintrocknen von kleineren Tümpeln oder dergleichen aufkonzentriert wurden. Ich halte das für nicht überzeugend, denn was man auf diese Weise zu allererst aufkonzentriert sind Salze, und extrem hohe Salzkonzentrationen sind für die meisten präbiotischen Reaktionen, insbesondere die früher oder später unverzichtbaren Membranen, sehr ungünstig.

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Ich bin gelernter Chemielaborant und habe ab 1999 in diesem Beruf gearbeitet. Anschliessend habe ich an der Uni Hamburg Chemie studiert. Seit dem Abschluss Ende 2006 veröffentliche ich Beiträge in meinem Fischblog und verkaufe Artikel an andere Publikationen. Seit 2008 wohne ich im Raum Heidelberg und bin bei Spektrum der Wissenschaft für das Blogportal Scilogs verantwortlich. Daneben arbeite ich als freier Journalist und Redakteur unter anderem für die digitalen Angebote von Spektrum, veröffentliche auf verschiedenen Social-Media-Plattformen und experimentiere mit Mobile Reporting. Zu meiner Webseite

13 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Hydrophobe Bereiche

    In den hydrophoben Bereichen der Membranen sind Reaktionen mit hydrophilen Molekülen wie zum Beispiel mit Phosphat oder mit den Zuckern sehr unwahrscheinlich, weil sich diese dort nur selten, und in geringer Konzentration aufhalten können.

    In die Innenräume der Liposomen gelangen die hydrophilen Moleküle ebenfalls nur sehr schwer hinein, beziehungsweise wird ihre Anfangskonzentration innerhalb und ausserhalb der Liposomen nahezu gleich sein.

  2. Laienfrage

    Meine Frage ist eigentlich:

    Wie kommt man dann zu hohen Konzentrationen von hydrophilen Molekülen?

    Wird ein Teil der Moleküle in den Membranen oxidiert und zerlegt?

  3. Das ist natürlich ein wichtiger Aspekt

    Ich hab das im Artikel ganz weggelassen um die Leser zu schonen, aber es gibt reichlich Forschungen zum Thema, die ganz gut in das Modell passen.

    Ich gehe davon aus dass die Protomembranen für sehr kleine Moleküle und Ionen wie Formaldehyd, Kohlenmonoxid, Cyanid und Metallionen noch ziemlich durchlässig sind (eine in der Forschung akzeptierte Annahme) und dass einige der Bestandteile der Membran Metallatome komplexieren können.

    Man weiß aus entsprechenden experimenten, dass Aminosäuren, Zucker und Nucleobasen und deren größere Aggregate durch Kondensation solcher kleiner organischer Moleküle in Gegenwart von Metallatomen entstehen können. Ich vermute, dass die kleinen Moleküle Metallatome in der Membran komplexiert haben und durch die katalytische Wirkung des Metalls größere Einheiten wie zum Beispiel Aminosäuren oder zuckerähnliche Stoffe gebildet haben.

    Die funktionellen Gruppen dieser neu entstandenen Stoffe können die Metallatome weiter komplexieren und dort katalytisch mit anderen Molekülen reagieren. Entsprechend wären dann nicht die einzelnen Bausteine entstanden, sondern gleich größere Aggregate wie Peptide und Nucleoside, oder noch größere Moleküle. Die Komplexe solcher Stoffe mit Metallatomen sind oft selbst hydrophob (wenn alle polaren Molekülteile das Metall komplexieren) und können in der Membran bleiben.
    Grundsätzlich sind diese Moleküle natürlich hydrophil, so dass sie früher oder später aus der Membran ausgestoßen werden (vom Metallatom verdrängt durch neue kleine Moleküle?). Je nach Ladung und Polarität können sie aber an der Membran fixiert werden (oder sie hängen noch am Metall). Wenn diese großen Moleküle in den Innenraum eines Liposoms ausgestoßen werden, kommen sie wegen ihrer Größe nicht mehr weg und reichern sich dort an.

    Also tl;dr: Aminosäuren und Zucker entstehen durch Kondensation kleiner anorganischer Moleküle an Metallen in der Membran.

    Klingt das plausibel?

  4. @ Fischer

    Wenn ich ein nicht ganz ernst gemeintes Wortspielchen zu einem schönen Aufsatz beisteuern darf:

    Lebensentstehung

    „Die erste Zelle
    war die Mi-Zelle,
    und dann kam schon
    das Liposom.

    Seht, das Leben danket viel
    Stoffen, welche amphiphil.
    Denn wär’n die Dinger amphiphobisch,
    gäb’s kein Leben, das ist logisch..

    D.h. nein, das stimmt ja nicht!
    Weil, die schiere Logik spricht:
    amphiphil und amphiphobisch,
    sind ja dasselbe, so rein logisch.
    Beides fürchten, beides lieben,
    Wasser hier und Fette drüben,
    mit fett’gem Schwanz, polarem Kopf:
    amphiphilphob sind die Stoff!

    Weil so die schiere Logik spricht,
    so sag‘ ich Dir – so war das nicht!

    Ein Irrtum war’s! Von Anfang an!
    Man merkt’s – sieht man die Folgen an.“

  5. Wenn hier wieder Helmut als Schöngeist unterwegs ist, dann will ich nicht länger zurückstehen.

    Ob amphiphil oder amphiphob,
    mir ist das viel zu doof.

    Hach, was für ein Meisterwerk der Schlichtheit.

  6. @ Huhn

    „Ob amphiphil oder amphiphob,
    mir ist das viel zu doof.

    Hach, was für ein Meisterwerk der Schlichtheit.“

    Dein’s Reimes schlichte Eleganz
    überzeugt mich beinah
    doch ganz nicht.
    (Mist)
    nicht ganz doch.
    (Mist)
    nicht zur Gänze.
    (Mist)
    nicht gänzlich.
    (Mist)
    nicht völlig.
    (usw..)

  7. Schwarze Raucher?

    Aber begann das Leben nicht mit höherer Wahrscheinlichkeit an den Rauchern, also mit Schwefel…bakterien im weitesten Sinn (oder veränderten die sich kaum und wie soll man das beurteilen können) und deren Vorstufen?

  8. Extraterrestrische Abiogenese möglich

    Die obigen Ausführungen schliessen die Entstehung erster Zellvorläufer in Asteroiden nicht aus. Zumal es wasserhaltige Asteroiden gibt (die vielleicht sogar der Ursprung der Meere sind) und grössere Asteroiden gute Wärmespeicher sind, die wenn einmal erwärmt über längere Zeit eine stabile chemische Umgebung bieten könnten, in der UV-Strahlung die Energie für chemische Reaktionen geliefert haben könnte.

  9. Hallo Lars Fischer,

    danke für die ausführliche Antwort.

    Vorher war ich eher für die eintrocknenden Tümpel, vor allem, weil dort die Polykondensation von hydrophilen Molekülen leicht geschehen kann.

    Beim Wiederauflösen in Regenwasser bilden sich dann wieder Liposomen, die zuerst alles mögliche einschliessen, und aus denen dann beim weiteren Verdünnen bevorzugt die Salze herausdiffundieren, während die grösseren Moleküle drinnen bleiben.

  10. Das Leben entstand nicht aus Aminosäuren

    Guten Tag und so.

    Wenn man annimmt das der Beitrag im Inhalt auf dem richtigen Weg ist, so kommt die Frage, wie geht es weiter. So wird man, ob man will oder nicht, ab diesem Punkt wie ein Religiöser werden. Da werden ja die Philosophen wieder gerufen werden müssen. Auch bei Ritchie Dawkins „nichts neues im Westen“.

    Da werden wohl immer wieder „Schutzräume“ für die Weiterentwicklung benötigt. So sehe ich bei der Evoforschung nur eine Irrfahrt die irgendwo im nirgendwo endet. Wenn ich so die Bücher über das Unbelebte lese, so kann sehr vieles erklärt und belegt werden. Das sieht beim Belebten dann doch ganz anders aus. Schon die Forschung an lebendige Lebewesen sind sehr begrenzt möglich. Daher kann man wie bisher nur an toten Lebewesen irgendwas erforschen.

    Der Genrummel wird in der Zukunft immer weniger beachtet werden, weil man da wieder in eine Sackgasse landet. Man wird in der Zukunft noch so manches da rausholen an Erkenntnissen, aber dabei wird es wohl bleiben. Dann muss wieder auf eine erlösende Nachricht gewartet werden, das man wieder neues Land gesichtet hat. Die unendliche Robinsonstory geht weiter.

  11. Explaining All: Autocatalytic Sets

    Autokatalytische Sets könnte die chemische Evolution erklären, die zu Leben führte.
    Im obigen Beitrag von Lars Fischer liest man:
    „Die molekulare Evolution, so viel ist klar, hatte Vorbedingungen, die weit über die bloße Gegenwart der richtigen Bausteine hinausgeht.“

    Diese große Organisationslücke könnte durch autokatalytische Sets erklärt werden, welche so definiert sind:
    „These are self-sustaining chemical factories, in which the product of one reaction is the feedstock or catalyst for another. The result is a virtuous, self-contained cycle of chemical creation.“

    Die unwahrscheinlichen bis unmöglichen Selbstorganisationsprozesse und chemischen Übergänge, die im obigen Beitrag aufgezeigt werden, scheinen durch folgenden Aspekt autokatalytischer Sets abgedeckt zu sein:
    „… such a set can be made up of many autocatalytic subsets of different types, some of which can overlap.

    In other words, autocatalytic sets can have a rich complex structure of their own.
    They go on to show how evolution can work on a single autocatalytic set, producing new subsets within it that are mutually dependent on each other. This process sets up an environment in which newer subsets can evolve. „

    tldr: Autokatalytische Sets können Subsets enthalten und evolvieren. Sie könnten die Entstehung von Leben über komplexe Zwischenschritte erklären.

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