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Chemische Evolution auf der Vulkaninsel

VON UTA NEUBAUER

Wie im Chaos der Urerde komplexe Biomoleküle und schließlich die ersten Organismen entstanden, bleibt rätselhaft. Wissenschaftler der Universität Hohenheim favorisieren Vulkaninseln als Ursprungsort von Leben. Mit Laborexperimenten belegen sie ihre Theorie.

Chemische Evolution auf der Vulkaninsel© Franco di Meo - iStockphoto.comWissenschaftler der Universität Hohenheim vermuten Vulkaninseln als Ursprungsort menschlichen Lebens
Wie und wo sich vor etwa vier Milliarden Jahren die ersten lebenden Zellen aus toter Materie entwickelten, hat bislang niemand schlüssig erklärt. Nur eins scheint klar, wie Henry Strasdeit, Professor für bioanorganische Chemie an der Universität Hohenheim in Stuttgart, betont: "Leben ist nicht in einem Riesensprung entstanden, sondern in vielen kleinen Schritten." Vor der biologischen muss es eine chemische Evolution gegeben haben, denn Proteine und DNA sind so komplex, dass sie sich nicht spontan bilden. Der Hohenheimer Chemiker hat eine Ursprungstheorie entworfen, der zufolge das Leben auf Vulkaninseln begann, denn hier herrschten seiner Meinung nach ideale Bedingungen: Durch Blitze in den Eruptionswolken bilden sich aus vulkanischen Gasen organische Moleküle. Außerdem benötigten die einzelnen Schritte der chemischen Evolution - wie die Stufen einer Laborsynthese - unterschiedliche Reaktionsbedingungen, etwa tiefe oder hohe Temperaturen, saure oder alkalische Milieus. "Diesen Wechsel kann man sich auf Vulkaninseln besonders gut vorstellen", sagt Strasdeit, der mit seinem Mitarbeiter Stefan Fox kürzlich eine Expedition auf die Vulkaninsel Réunion im Indischen Ozean unternommen hat. Réunion ist zwar erst vor drei Millionen Jahren entstanden, aber so wie hier auf den Lavafeldern muss es auch auf urzeitlichen Vulkaninseln ausgesehen haben. Der Boden um den Vulkan Piton de la Fournaise ist immer noch warm vom Ausbruch im Jahr 2007, in den vielen Klüften und Gruben auf den Lavafeldern bilden sich Pfützen aus Meer- und Regenwasser. Sie erinnern Strasdeit und Fox an den "warm little pond", den warmen kleinen Teich, den einst Charles Darwin als Geburtsort der ersten lebenden Zellen vorgeschlagen hat.

Laborexperimente mit simulierter Ursuppe

Die ersten Stufen der chemischen Evolution stellen sich die Wissenschaftler so vor: Auf den heißen Lavaströmen, die ins Meer flossen, verdunstet das Wasser. Zurück bleiben Meersalz und andere zuvor im Urozean gelöste Substanzen wie Aminosäuren. Die Hitze der Sonne und der Lava zersetzt die Salzkruste, die Dämpfe treiben über die Insel und kondensieren in kühleren Gesteinsmulden, wo sie weiter reagieren. Im Labor haben Strasdeit und Fox diese Schritte nachvollzogen: Ihre Ursuppe aus Wasser, Natrium-, Kalium-, Calcium- und Magnesiumchlorid sowie Aminosäuren trockneten sie ein und thermolysierten sie anschließend bei einigen Hundert Grad Celsius unter Ausschluss von Sauerstoff, den es in der Uratmosphäre noch nicht gab. Wie spektroskopische und röntgenkristallographische Untersuchungen zeigten, bilden Aminosäuren in der Salzkruste Calcium- und Magnesiumkomplexe. Das hinderte sie am Sublimieren. Stattdessen thermolysierten die Aminosäuren zu Hunderten neuen Verbindungen. Mit GC/MS- und NMR-Analysen ließen sich beispielsweise unter den kondensierten Dämpfen von Alanin Pyrrole nachweisen. Fox hat in seiner Doktorarbeit abgeschätzt, dass nach einem einzigen urzeitlichen Vulkanausbruch 1000 Kilogramm Pyrrole entstanden sein könnten. Interessant ist diese Verbindungsklasse vor allem wegen ihrer Folgereaktionen: Pyrrole kondensieren mit Aldehyden wie dem auf der Urerde vorhandenen Formaldehyd. Eine anschließende Oxidation ergibt sowohl offenkettige als auch ringförmige Oligopyrrole, die Porphyrine. Porphyrine sind als Chlorophyll, Hämoglobin oder Cytochrome noch heute an Bioprozessen beteiligt. Sie könnten als elektronenübertragende Moleküle die nächsten Schritte der chemischen Evolution angestoßen haben.

Poren im Gestein als Urzelle

Doch wie ging es weiter? "Man braucht einen ordnenden Einfluss", sagt Strasdeit. Einen geschützten Raum, der die Moleküle zusammenhält, so wie jede lebende Zelle von einer Hülle umgeben ist. Amerikanische Chemiker um David Deamer von der University of California in Santa Cruz und Jack Szostak von der Harvard University in Boston schlagen Vesikel aus Fettsäuren als Protozellen vor - eine naheliegende Idee, da einfache Fettsäuren auf der Urerde vorhanden waren und heute noch wichtiger Bestandteil von biologischen Membranen sind. Da die Bildung der kleinen Bläschen zwar spontan erfolgt, aber von der Protonierung der Fettsäuren abhängt, sind die Vesikel allerdings nur in einem engem pH-Bereich stabil und zerfallen zudem bei hohen Salzkonzentrationen. Anderen Theorien zufolge haben sich Biomoleküle nicht in einer Hülle, sondern auf einer Mineraloberfläche entwickelt, etwa auf Eisen- Schwefel-Mineralen wie Pyrit oder in den Zwischenschichten von Tonmineralen. Auch die in heißen Tiefseequellen entdeckten Eisensulfid- Bläschen werden als Urzelle diskutiert. Der britische Paläobiologe Martin Brasier von der Universität Oxford wiederum hat die vielen kleinen Poren in vulkanischem Bimsstein als Vorstufen von Zellen vorgeschlagen.1) Sie könnten mit öligen Verbindungen ausgekleidet gewesen sein, die im Urmeer schwammen. Strasdeit und Fox verfolgen einen ähnlichen Ansatz. Von ihrer Forschungsreise nach Réunion haben sie kiloweise Lavagestein mitgebracht, mit dem sie ihre Laborexperimente jetzt wiederholen wollen. "Kleine Tröpfchen Fett könnten die Poren zeitweise verschlossen haben, und was nicht fettlöslich ist, kommt weder raus noch rein", erklärt Fox. Im Idealfall bildet sich in den winzigen Hohlräumen ein autokatalytisches System, ein Netzwerk aus Molekülen, die sich selbst vermehren und während der chemischen Reaktionszyklen immer komplexere Verbindungen hervorbringen. Unter den richtigen Bedingungen ist für Strasdeit "die Entstehung eines einfachen Metabolismus eine chemische Notwendigkeit." Forscherglück wäre, diese Bedingungen zu treffen. Doch selbst dann ist es bis zu Biomolekülen wie RNA und DNA noch ein weiter Weg.

Ein Baugerüst für die RNA

Eine peptidische Nukleinsäure, eine Kette aus Diaminosäuren, hat Peter Nielsen von der Universität Kopenhagen schon vor fast 20 Jahren als Vorgänger der Erbsubstanz vorgeschlagen. Sie soll als Baugerüst für RNA gedient haben, aus der sich schließlich DNA entwickelt hat. Diese Theorie verfolgt auch Uwe Meierhenrich von der Universität Nizza Sophia-Antipolis, der Diaminosäuren und andere einfache organische Verbindungen in Meteoritengestein und simulierten Kometen nachgewiesen hat.2) Vielleicht stammten sogar die ersten Lebensformen aus dem All. Tief eingeschlossen in Gestein, das Meteoriteneinschläge aus fremden Planeten herausschleuderten, hätten sie sowohl die kosmische Strahlung als auch die Hitze beim Eintritt in die Erdatmosphäre überlebt. Diese Theorie stehe nicht im Widerspruch zu dem Vulkaninsel-Szenario, das sich vermutlich ebenso gut auf dem Mars hätte abspielen können, sagt Strasdeit. Wie und wo das Leben seinen Anfang nahm, wird sich ohnehin nie endgültig klären lassen, da es keine fossilen Beweise der chemischen Evolution gibt. Ursprungsforscher können lediglich möglichst wahrscheinliche Szenarien entwerfen und mit Laborexperimenten untermauern. Wenn sich dabei zeigt, unter welchen Bedingungen sich Moleküle spontan zu katalytischen Netzwerken organisieren, ist nicht nur die Suche nach dem Lebensursprung einen Schritt weiter. Solche Systeme für die Synthese wirtschaftlich interessanter Stoffe zu nutzen, schlägt Strasdeit vor: "Wer weiß, vielleicht ließe sich die chemische Evolution dieser Systeme so steuern, dass sie - wie die grünen Pflanzen - Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle nutzen."3) So gesehen ist Ursprungsforschung auch Zukunftsforschung.

Literatur:
1)M. D. Brasier, R. Matthewman, S. McMahon, D. Wacey, Astrobiology 2011, 11, 725-735.
2)Nachr. Chem. 2011, 59, 710-713.
3)Moleküle aus dem All? (Hrsg.: K. Al- Shamery), Wiley-VCH, Weinheim, 2011.

Über die Autorin
Die promovierte Chemikerin Uta Neubauer arbeitet als Wissenschaftsjournalistin in Frankfurt.


Aus Nachrichten aus der Chemie» :: Februar 2012

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