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Chemische Evolution: Ursuppenreste

Stanley Miller, dessen klassisches Experiment jedes Biologie-Lehrbuch ziert, hatte mehrere Versionen seiner Ursuppe angesetzt. Die Analysentechnik der 1950er Jahre reichte jedoch nicht aus, um alle entstandenen Stoffe nachzuweisen. In weiser Voraussicht hat er seine alten Proben nicht weggeworfen.
Miller-Experiment
Man nehme einen Schuss Ammoniak, eine Prise Wasserstoff, etwas Methan, lasse das Ganze in Wasser rund eine Woche köcheln, garniere den Dampf mit elektrischen Funkenentladungen – und fertig ist das Leben. Ganz so einfach ist es natürlich nicht, doch das Experiment, dass der Chemiestudent Stanley Miller (1930-2007) einst ersonnen hatte, gilt heute als Klassiker der chemisch-biologischen Evolutionstheorie.

Millers Original-Versuchsaufbau | Das Miller-Experiment ist ein in den 1950er Jahren erstmals durchgeführtes Experiment zur Simulation präbiotischer Synthesen in einer künstlichen Uratmosphäre. Dabei werden vermutete Komponenten der Uratmosphäre – Ammoniak, Wasserstoff, Methan und Wasser – elektrischen Funkenentladungen ausgesetzt, die Blitzschläge simulieren. Die in der Kälte kondensierten Gase werden dann in einer Wasserfalle (dem "Urozean") aufgefangen, durch Erhitzen wieder in die Uratmosphäre gebracht und erneut Funkenentladungen ausgesetzt. Wenn das System über eine Woche lang unter den künstlichen Bedingungen der Uratmosphäre gehalten wird, bildet sich in der wässrigen Phase ein komplexes Gemisch organischer Verbindungen, worunter sich auch eine Reihe von einfachen Fettsäuren, Zuckern und Aminosäuren befinden.
Miller hörte Anfang der 1950er Jahre an der University of Chicago eine Vorlesung des Chemikers Harold Urey (1893-1981) – der 1934 den Chemie-Nobelpreis für die Entdeckung des Deuteriums erhalten hatte – über die Uratmosphäre. Nach damaligen Vorstellungen schwirrten auf der jungen Erde neben Wasser viel Wasserstoff, Methan und Ammoniak herum, und in dieser "Ursuppe" könnten mit Hilfe elektrischer Energie aus Blitzen die ersten Bausteine des Lebens auf rein chemischem Wege entstanden sein. Eine schöne Hypothese – nur, ausprobiert hatte es bis dato noch keiner.

Mit jugendlichem Elan wandte sich Miller an den Professor und schlug eben dieses Experiment als Thema einer Doktorarbeit vor. Urey blieb skeptisch, da ihm der Ausgang dieses Projekts als äußerst unsicher erschien, willigte dann aber doch ein. Sein Doktorand begann nach obigem Rezept zu kochen – und fand tatsächlich nach einer Woche die Aminosäuren Glycin, Asparaginsäure, alpha-Aminobuttersäure und zwei Versionen des Alanins, nebst weiteren Molekülen, die Biochemikern durchaus vertraut sind. Am 15. Mai 1953 erschien in "Science" die Beschreibung des Miller-Urey-Experiments [1] und machte den jungen Chemiker auf einem Schlag berühmt.

Stanley Millers zweite Apparatur | Wie beim klassischen Ansatz wird im unteren Glaskolben Wasser in einer Atmosphäre aus Wasserstoff, Methan und Ammoniak erhitzt (1). Die Dämpfe steigen zu einem zweiten Glaskolben auf, werden hier einer Funkenentladung ausgesetzt (2), um anschließend in einem Kühler zu kondensieren (3). In einem U-Rohr sammeln sich die entstandenen Reaktionsprodukte (4).
Neu hinzu kommt eine Düse im aufsteigenden Rohr, das die Dämpfe beschleunigt, sowie eine Brücke zum absteigenden Rohr. Damit sollen vulkanischen Eruptionen simuliert werden.
Miller hatte mehrere Ansätze ausprobiert, allerdings nur die Ausbeute eines Versuchsaufbaus publiziert. Mit einer weiteren Apparatur, bei der die aufsteigenden Gase über eine düsenförmige Engstelle beschleunigt und mit den Reaktionsprodukten, die bereits den Kondensator passiert hatten, vermischt wurden, wollte er die vulkanischen Eruptionen der Urerde simulieren.

Die Analysentechniken langten damals allerdings noch nicht aus, um hier mehr Stoffe aufzuspüren als im klassischen Ansatz. Doch in weiser Voraussicht hatte Miller seine Proben nicht weggeworfen. Nach seinem Tod am 20. Mai 2007 tauchten diese Originalproben nebst sauber geführten Notizen des Ursuppenkochs wieder auf – und gelangten in die Hände des Chemikers Jeffrey Bada von der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla.

Elf Proberöhrchen analysierten Bada und seine Kollegen diesmal mit modernsten Techniken wie Hochleistungsflüssigchromatografie und Flugzeitmassenspektrometrie.
"Die Apparatur, der Stanley Miller die geringste Aufmerksamkeit widmete, lieferte die aufregendsten Ergebnisse"
(Adam Johnson)
Mit Erfolg: Ganze 22 Aminosäuren sowie fünf Amine fanden sich in dem über ein halbes Jahrhundert alten millerschen Nachlass [2]. "Die Apparatur, der Stanley Miller die geringste Aufmerksamkeit widmete, lieferte die aufregendsten Ergebnisse", betont Erstautor Adam Johnson von der Indiana University in Bloomington.

Alte Proben | Stanley Miller hob alle seine Proben sorgfältig auf.
Demnach war der Vater der Ursuppe auf einer noch heißeren Spur, als er es selbst ahnte. Heutige Geowissenschaftler sind schon lange überzeugt, dass vulkanische Aktivitäten eine Schlüsselrolle bei der Entstehung des Lebens spielten.

Der Geistesblitz eines jungen Chemikers erscheint somit in noch größerem Licht. "Historisch gesehen gibt es nicht viele Experimente, die berühmter sein könnten", meint Johnson. "Sie haben unsere Ansichten vom Ursprung des Lebens umgeworfen und zeigen eindeutig, das die fundamentalen Bausteine des Lebens aus einem natürlichen Prozess stammen können."

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  • Quellen
[1] Miller, S. L.: A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. In: Science 117, S. 528–529, 1953.
[2] Johnson, A. P. et al.: The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment. In: Science 322, S. 404, 2008.

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