16.06.2020

Möglicher Beginn des Lebens auf der Erde im Labor simuliert



Entstand das Leben nicht auf, sondern unter der Erde? Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben ihre Theorie untermauert, dass erstes Leben tief in der Erdkruste angefangen haben könnte. In ihren Laborversuchen am Center for Nanointegration (CENIDE) entwickelten eigentlich unbelebte Strukturen innerhalb kurzer Zeit Überlebensstrategien. Im Juli veröffentlichen die Forscher ihr Buch zum Thema.

Am Anfang war das Vesikel: Ein von selbst entstandenes Bläschen mit einer Membran aus einer Lipiddoppelschicht, wie es sie auch auf der sehr jungen Erde gab, in einem zweiphasigen Lösemittelsystem aus Wasser und CO2. Drumherum ein Angebot aus verschiedenen Peptiden, dazu Temperaturen von 40 bis 80°C und ein erhöhter Druck von 60 bis 80 bar. Fertig sind die Bedingungen, wie sie vor rund 3,8 Milliarden Jahren geherrscht haben und es auch noch heute tun - weit unten in der Erdkruste, in rund einem Kilometer Tiefe.

Mit diesem Versuchsaufbau haben der Chemiker Christian Mayer vom Center for Nanointegration und Geologe Ulrich Schreiber, ebenfalls Professor an der UDE, wassergefüllte Spalten im Erdinnern und geothermale Quellen simuliert. In ihrem Laborversuch änderten sie regelmäßig im Abstand von 20 Minuten den Druck im System und damit die Qualität des Lösungsmittels, wie es auch in der Natur durch Gezeitenkräfte und Geysire vorkommt. Dabei wurden die Vesikel periodisch zerstört und wieder neu gebildet. Insgesamt 1.500 Vesikel-Generationen ließen sie so innerhalb von zwei Wochen entstehen und wieder zerfallen.

Weitergabe von Funktionen an folgende Generationen

Dabei konnten die Forscher feststellen, dass eine zunehmende Zahl von Vesikeln den Generationenwechsel überstand. Analysen ergaben, dass diese aus dem Pool der möglichen Peptide bestimmte Sequenzen aus 10 bis 12 Aminosäuren clusterförmig in ihre Membran eingelagert hatten. Weitere Tests, die gezielt mit einem dieser Peptide durchgeführt wurden, ließen drei Effekte auf die betreffenden Vesikel erkennen: Sie wurden thermisch stabiler, kleiner und dadurch widerstandsfähiger und - der wichtigste Aspekt - die Permeabilität ihrer Membran war deutlich erhöht.

"Wir haben daraus geschlossen, dass die Peptid-Cluster in der Membran erste Kanalstrukturen gebildet haben. So können die Vesikel den osmotischen Druck ausgleichen", erklärt Mayer. "Alle genannten Effekte sind Überlebensstrategien, wenn man so will." Peptid und Vesikel stabilisieren sich gegenseitig. Wird ein solches Gebilde nach einigen Zyklen doch noch zerstört, so nehmen die nachfolgenden Generationen die Peptidstruktur auf und integrieren sie wiederum in ihre Membran. Auf diese Weise wird eine Funktion über den molekularen Pool weitergegeben und im Verlauf einer Evolution fortentwickelt, wie es auch beim horizontalen Genaustausch zwischen Bakterien vorkommt.

NASA-Definition von Leben schon im Labor erfüllt

Zumindest nach der sehr großzügigen Definition der US-Raumfahrtbehörde NASA lässt sich damit bereits von einer Art Leben sprechen. Denn manche Astrobiologen sehen ein System bereits als lebendig an, wenn es zu irgendeiner Art der Evolution fähig ist. Nach der biologischen Definition, die sich bisher auf irdische Lebensformen beschränkt, fehlen jedoch noch wesentliche Punkte der Checkliste, wie zum Beispiel Stoffwechsel, Vermehrung und Wachstum.

Doch die Versuche haben zumindest einen Weg zu einer primitiven Vorstufe von Leben aufgezeigt, da sind sich Mayer und Schreiber sicher. "Wie wir es im Zeitraffer simuliert haben, könnten vor Milliarden von Jahren Funktionen entstanden sein, die solche Vesikel stabil genug werden ließen, um zum Beispiel mit dem Fluss tektonischer Flüssigkeiten oder aber bei Geysir-Ausbrüchen aus der Tiefe an die Oberfläche zu kommen", so Schreiber.

Anschließend könnte sich ein erster Stoffwechsel mit Konzentrationsgradienten als Energiequelle ausgebildet haben. Wenn später auch die Fähigkeit zur Selbstreplikation hinzugekommen ist, wird auch aus biologischer Sicht aus unbelebten Komponenten langsam ein lebendiger Organismus, eine erste Zelle.

"The First Cell" erscheint im Juli

Mit Ausnahme der Theorie, dass das Leben mit Meteoriten auf die Erde kam, steht die These von Mayer und Schreiber im Einklang mit gängigen Annahmen zum Ursprung des Lebens. "Wir vermuten", fasst Mayer zusammen, "dass diese Art der molekularen Evolution in der Tiefe parallel zu anderen Mechanismen oder zeitlich versetzt zu ihnen stattgefunden hat."

» "The First Cell" (Erscheinungstermin im Juli)

Quelle: Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE)




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