Einer Hypothese zufolge entstand das primitive vorzelluläre Leben vor mehr als vier Milliarden Jahren an Land zwischen Vulkanen und Fumarolen, was die notwendige Chemie für seine Erhaltung und Ernährung lieferte. Dies hätte sowohl auf der Erde als auch auf dem Mars geschehen können.
Eine lebende Zelle ist ein sehr komplexer Organismus, der viele Elemente, Mechanismen und Prozesse kombiniert. Wie es entstanden ist, ist unbekannt. Einige Wissenschaftler versuchen, eine Zelle als Ganzes zu synthetisieren, andere gehen von einfach zu komplex über und finden heraus, wie ihre Bestandteile getrennt gebildet und dann über Milliarden von Jahren entwickelt wurden.
Lange Zeit glaubte man, dass das Leben in den Ozeanen entstanden sei, doch in letzter Zeit wurde dieser Standpunkt kritisiert. Obwohl Wasser Teil der Zelle ist, ist es schädlich für die spontane Synthese von Biomolekülen. Darüber hinaus gibt es keine Hinweise darauf, dass Meere und Ozeane vor mehr als vier Milliarden Jahren auf der Oberfläche des Planeten existierten, als vermutlich der Prozess der Entstehung des Lebens begann.
Chemie der RNA-Welt
Die Rolle des Proto-Lebens wird von Ribonukleinsäuremolekülen, RNA, beansprucht. Sie sind in der Lage, Informationen zu speichern, Proteine zu reproduzieren, zu synthetisieren und unabhängig voneinander viele verschiedene Funktionen auszuführen, die in einer modernen Zelle DNA, Enzyme und andere biologische Moleküle übernommen haben.
RNA-Moleküle bestehen aus alternierenden Nukleotiden, die durch Sauerstoffbrücken verbunden sind. Wissenschaftler haben lange versucht, die Glieder in der Polymerkette dieses komplexen Moleküls wiederherzustellen, aber der Durchbruch gelang erst 2009, als die britischen Forscher Matthew Powner und John Sutherland die Ergebnisse von Experimenten zur Synthese zweier RNA-Nukleotide - Cytosin und Uracil - veröffentlichten. Sie wurden unter Laborbedingungen aus einfacher organischer Substanz und Phosphat nach ultravioletter Bestrahlung erhalten.
„Sie haben zwei natürliche Nukleotide vollständig synthetisiert. Es war ein enormer Durchbruch “, sagt RIA Novosti Armen Mulkidzhanyan, Doktor der Biowissenschaften, Mitarbeiter des Forschungsinstituts für physikalisch-chemische Biologie von A. N. Belozersky, Staatliche Universität Lomonossow Moskau, Mitarbeiter des Fachbereichs Physik der Universität Osnabrück (Deutschland).
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Das Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, Zucker (Ribose) und Phosphatgruppen, an die gebunden ist, an die Energie gespeichert ist. Alexander Butlerov zeigte 1859, wie man aus organischen Stoffen Mischungen komplexer Zucker gewinnt. Eineinhalb Jahrhunderte später fand der amerikanische Chemiker Steven Benner heraus, dass Molybdänoxid als Katalysator benötigt wird, damit diese Reaktion selektiv Ribose bildet. Zusätzlich werden zur Stabilisierung der resultierenden Zucker viele Borate - Borsäuresalze benötigt. Benner vermutete, dass solche chemischen Bedingungen irgendwo in Wüsten existieren könnten, wie zum Beispiel in den trockenen Basalthöhen des Mars.
„In der Tat waren sich der frühe Mars und die Erde sehr ähnlich. Der Mars hatte möglicherweise eine noch stärker oxidierte Atmosphäre als die antike Erde, und dort wurden Boratablagerungen gefunden, was auf eine langjährige geothermische Aktivität hindeutet. Die Hälfte des Marsgebiets besteht aus Gesteinen, die älter als vier Milliarden Jahre sind. Daher ist es sinnvoll, dort nach Spuren des Lebens zu suchen. Aufgrund der Plattentektonik haben Gesteine dieser Zeit auf der Erde nicht überlebt “, erklärt Mulkidzhanyan.
Solfatara-Vulkan, Phlegraean Fields, Italien / CC BY 2.0 / NH53 / Solfatara, Phlegraean Fields.
Es gibt kein Leben ohne Licht
Der Zellenergie-Spezialist Armen Mulkidzhanyan beschäftigt sich seit langem mit dem Problem der Entstehung des Lebens, das in der sowjetischen und russischen Wissenschaft ehrwürdige Traditionen hat. Es genügt zu sagen, dass der Akademiker Alexander Oparin weltweit als Gründungsvater dieser wissenschaftlichen Leitung gilt.
Mulkidzhanyan und Kollegen schlugen vor, dass ultraviolettes Licht ein Schlüsselfaktor bei der Auswahl der ersten Biomoleküle sein könnte. Die alte Atmosphäre enthielt weder Sauerstoff noch Ozon. Es behielt jene Biomoleküle bei, die zunächst einfach durch die Sonnenstrahlen erwärmt werden konnten, ohne zu verfallen. Dies wird durch die Tatsache belegt, dass alle natürlichen stickstoffhaltigen Basen der RNA diese Eigenschaft haben. Aber lebende Protoorganismen hätten der harten kosmischen Strahlung kaum standgehalten, glaubt der Biologe. Dies bedeutet, dass von ihrer Lieferung durch Meteoriten vom Mars zur Erde keine Rede sein kann.
Geothermische Felder, die sich um Vulkane bilden, sind für den Ursprung des Lebens geeignet. Anstelle von Wasser wie bei Geysiren entweicht Dampf aus den heißen Quellen, gesättigt mit allen notwendigen Komponenten. Es enthält Kohlendioxid, Wasserstoff, Ammoniak, Sulfide, Phosphate, Molybdän, Borate, Kalium - und davon gibt es mehr als Natrium. Kalium überwiegt auch in den Zellen aller Organismen, da sonst eine Proteinbiosynthese unmöglich ist. Wie Mulkidzhanyan und Kollegen gezeigt haben, ist Kalium für die Funktion der ältesten Proteine essentiell. Bioinformatik Evgeny Kunin konnte sie im Jahr 2000 während der Rekonstruktion des gemeinsamen Vorfahren aller zellulären Organismen - LUCA (Last Universal Cellular Ancestor) - berechnen.
Die Proteine, die für die LUCA-Gene kodieren, verwenden auch Zinkionen als Katalysatoren oder Bausteine.
„Zinksulfide können alle Bakterien bilden. Interessanterweise können Kristalle aus Zinksulfid und einem ähnlichen Cadmiumsulfid unter ultraviolettem Licht Kohlendioxid zu organischen, möglicherweise „essbaren“Molekülen reduzieren. Daher könnten sich die ersten lebenden Organismen mit Kristallen dieser Mineralien bedecken, um sich vor ultravioletter Strahlung zu schützen und Nahrung zu erhalten “, erklärt der Wissenschaftler.
Zink ist flüchtig, kristallisiert langsam und fällt im Gegensatz zu Eisen und Kupfer an der Peripherie geothermischer Felder aus, wo es nicht heiß ist.
"An der kühlen Peripherie solcher Felder könnten sich um heiße Thermalquellen 'Lebensringe' gebildet haben", schließt der Forscher.
Auf der Erde gibt es immer noch geothermische Felder - im Gegensatz zum Mars, dessen Darm sich abgekühlt hat. Armen Mulkidzhanyan untersuchte zusammen mit dem Geochemiker Andrey Bychkov von der Lomonosov Moscow State University die chemischen Bedingungen von Fumarolen in der Nähe des Mutnovsky-Vulkans in Kamtschatka. Ähnliche Bedingungen werden im Yellowstone-Nationalpark in den USA, in den geothermischen Feldern von Lardarello in Italien und in Matsukawa in Japan beobachtet.
Kürzlich wurden in der australischen Region Pilbara Spuren eines 3,5 Milliarden Jahre alten geothermischen Feldes entdeckt, wo auch die ältesten Spuren lebender Gemeinschaften auf der Erde gefunden wurden.
Tatiana Pichugina
