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Ursprung des Lebens: Ohne Trockenheit gäbe es wohl kein Leben

Ohne Wasser kein Leben - mit Wasser keine großen Moleküle: Dieser Widerspruch plagt die Suche nach dem Ursprung des Lebens. Ein zweistufiger Prozess soll das Paradox auflösen.
Eine hydrothermale Quelle in Wai-o-Tapu, Neuseeland.
Hydrothermale Quellen wie diese könnten Zyklen von Austrocknung ermöglicht haben, die mit vulkanischen Phosphatmineralen die Vorläufer von Biomolekülen entstehen ließen.

Der Ursprung des Lebens auf der Erde enthält ein bemerkenswertes Paradox: Ohne Wasser gibt es kein Leben – aber die meisten Biomoleküle bilden sich in Wasser schlecht oder gar nicht. Bevor die erste echte Zelle entstand, müssen sie sich aber trotzdem spontan gebildet haben. Austrocknung und ein vulkanisches Mineral könnten den Widerspruch auflösen, berichten nun Hayley Boigenzahn und John Yin von der University of Wisconsin-Madison. In ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift »Origins of Life and Evolution of Biospheres« beschreiben sie, wie sich Aminosäuren, die Bausteine von Proteinen, dank dieser beiden Faktoren selbsttätig zu langen Ketten aneinanderlagern.

Der Prozess ist eine Reaktion, bei der sich kleine Bausteine zu großen Molekülen vereinen, indem sie Wasser abspalten. Doch eine solche Reaktion kann auch in die entgegengesetzte Richtung ablaufen – je mehr Wasser in der Umgebung vorhanden ist, desto stärker: Größere Moleküle binden Wasser und werden dadurch in kleinere Bauteile gespalten. Alle großen Biomoleküle bilden sich aus ihren kleineren Bestandteilen, indem sie Wasser abgeben. Und damit bilden sich diese Stoffe – neben Proteinen auch die Nukleinsäuren RNA und DNA sowie die aus Zuckern zusammengesetzten Kohlenhydrate – in Wasser nur schlecht.

Der von Boigenzahn und Yin vorgeschlagene Mechanismus ist nicht der erste Versuch, dieses Problem am Ursprung des Lebens durch regelmäßige Austrocknung zu umgehen. Boigenzahn und Yin postulieren jedoch einen zweistufigen chemischen Prozess, bei dem die erste Stufe der Reaktion den Boden für den nächsten Schritt bereitet. Entscheidend ist dabei, dass auch andere Bedingungen nicht gleich bleiben – neben der Trockenheit ändert sich auch der pH-Wert. Die Reaktion startet mit einer Lösung von Aminosäuren, im Experiment war es Glycin, die zusammen mit Metaphosphat in alkalischer Lösung auf 90 Grad erhitzt wurden. Dabei entstand einerseits eine Verbindung aus zwei Glycinmolekülen – und Säure, die die zuvor alkalische Lösung neutralisierte.

Bei neutralem pH-Wert wiederum verbinden sich diese so genannten Dimere zu längeren Ketten – allerdings extrem selten. Das änderte sich, als Boigenzahn und Yin die jeweils einen Milliliter fassenden Probengefäße austrocknen ließen. Dann nämlich entstanden relativ große Mengen von Ketten aus drei oder vier Glycinmolekülen. Und die meisten von ihnen erst kurz bevor die Probe komplett ausgetrocknet war. Das hat vermutlich zwei Gründe. Zum einen versammeln sich immer mehr Moleküle des Ausgangsprodukts auf engem Raum, wenn das Wasser verdampft. Und zum anderen läuft der Prozess naturgemäß umso besser, je weniger Wasser in der Nähe st.

Dass man hier tatsächlich auf einen Reaktionstyp vom Ursprung des Lebens gestoßen ist, darauf deutet auch der andere Bestandteil der Reaktion hin. Das ebenfalls enthaltene Metaphosphat ist ein Ring aus drei Phosphatgruppen und für die Bildung der Bindungen zwischen den Aminosäuren unerlässlich. Und genau diese drei Phosphatgruppen tauchen bis heute direkt oder indirekt überall dort auf, wo Zellen chemische Bindungen knüpfen. In Form der Nukleosidtriphosphate ATP und GTP liefern sie die Energie für alle Arten von Lebensprozessen. Und das tun sie so effizient, dass moderne Zellen nicht mehr austrocknen müssen, um die Einzelbausteine der Biomoleküle zu Ketten zu verknüpfen.

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