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Ursprung des Lebens

„Seit Urzeiten denken Menschen über den Anfang der Welt und ihre eigene Herkunft nach. Ihre Deutungen haben sie in heilige Geschichten gefasst, von denen wir heute aus allen Kulturen eine unübersehbare Zahl kennen. In den Schöpfungsmythen schaffen Götter oder übermenschliche Wesen aus dem Chaos die Erde und bringen das Meer, Gebirge, Pflanzen, Tiere und schließlich den Menschen hervor. Die Erzählungen gelten als wahr. Sie werden von Generation zu Generation weitergegeben und bieten Orientierung in einer als geheimnisvoll und übermächtig empfundenen Welt. Anders als unsere modernen Theorien zur Entstehung der Welt durch z. B. den Urknall und die Evolution kommen diese Erzählungen ohne wissenschaftliche Belege aus. Mythen werden auch so geglaubt.“
Dieses Statement findet man auf einem Plakat im sehenswerten Neanderthal Museum in Mettmann.

Seit nunmehr sechs Jahren arbeiten wir in einer interdisziplinär aufgestellten Gruppe aus Geologen, Physikochemikern und Analytikern an der wissenschaftlichen Erforschung des Ursprungs des Lebens.

Das älteste bekannte fossile Beweisstück für Leben auf der Erde ist ungefähr 3,5 Milliarden Jahre alt. Leider hat die vorangehende präbiotische Ära, die mit der Bildung der Erde vor zirka 4,5 Milliarden Jahren begann, keine direkten Zeugnisse hinterlassen. Oder vielleicht doch? Dazu später mehr.

Alexander Oparin und J.B.S. Haldane stellten in den 1920er Jahren die These auf, dass durch die ultraviolette Strahlung der Sonne und/oder durch Blitzentladungen Moleküle der Uratmosphäre unter Bildung einfacher organischer Verbindungen miteinander reagierten. 1953 zeigten Stanley Miller und Harold Urey solch einen Reaktionsablauf, indem sie eine Mischung aus Wasser, Methan, Ammoniak und Wasserstoff mehrere Tage lang elektrischen Entladungen aussetzten und zahlreiche organische Substanzen, unter anderem Aminosäuren, in dem Reaktionsgemisch nachweisen konnten. Mittlerweile weiß man, dass das Leben nicht auf diese Weise entstehen konnte und hat deshalb nach anderen Erklärungen gesucht. Hier wären neben einigen sehr exotischen Ideen auch die Hydrothermalquellen, also schwarze oder weiße Raucher, am Meeresboden zu nennen. Neueste wissenschaftliche Erkenntnisse lassen aber fundierte Zweifel an dieser Ursprungsidee des Lebens aufkommen. Aktuell bleiben aus meiner Sicht nur noch zwei Quellen für die Entstehung des Lebens auf der Erde übrig, und zwar Meteoriten oder hydrothermale Störzonen in der Erdkruste.

1969 fiel ein großer kohlenstoffreicher Meteorit in der Nähe der Stadt Murchison in Australien auf die Erde. Analysen ergaben, dass dieser Meteorit „außerirdische“ Aminosäuren, Nukleobasen, Carbonsäuren und andere organische Moleküle enthält, die für ein Leben (wie wir es kennen) essentiell sind. Daraus hat sich eine Forschungsrichtung gebildet, in der nach weiteren Belegen gesucht wird, dass das Leben auf der Erde einer kosmischen Quelle zu verdanken ist. Jedoch verlagert man − meiner Meinung nach − damit die Entstehung des Lebens nur auf einen anderen Himmelskörper, da die organischen Moleküle im Murchison-Meteoriten (mittlerweile hat man auch in anderen Meteoriten solche Moleküle gefunden) irgendwo gebildet werden mussten.

Hier setzt unsere Theorie an, die von dem Geologen Prof. Ulrich Schreiber und dem Physikochemiker Prof. Christian Mayer, beide von der Universität Duisburg-Essen, entwickelt wurde [1, 2]. Laut dieser Theorie könnten sich ein großes Spektrum organischer Moleküle und vielleicht auch die ersten lebenden Zellen in tiefen Spalten der kontinentalen Kruste gebildet haben [3]. Schon vor mehreren Milliarden Jahren (und auch heute noch) gab es tektonische Bruchzonen, die den Erdmantel mit der Erdoberfläche verbanden und in denen Gase und Flüssigkeiten zirkulierten. In diesen Spalten herrschen hydrothermale Bedingungen, d. h. das Wasser kann auf Grund des hohen Drucks noch bei weit über 100 Grad Celsius flüssig sein und somit sehr viele gelöste Gase und Mineralien enthalten. Die Bedingungen für die Entstehung von Leben waren dort wahrscheinlich günstig.

Können wir beweisen, dass unter diesen Bedingungen in den Tiefen der Erdkruste präbiotische organische Moleküle gebildet wurden bzw. immer noch gebildet werden?

Ja, und zwar mit Hilfe modernster instrumenteller Analytik. In diesen tektonischen Bruchzonen konnten sich Quarze bilden, bei deren Bildungsprozess winzige Flüssigkeitsmengen (ca. 1 µL, also ein millionstel Liter) eingeschlossen wurden, sogenannte liquid inclusions.

 

Bohrung in der Vulkaneifel und Gewinnung eines Bohrkerns aus 1000 m Tiefe. © Oliver J. Schmitz

Wir haben Flüssigkeitseinschlüsse von den ältesten bekannten Quarzmineralien aus Westaustralien analysiert, die ca. 3,2 Milliarden Jahre alt sind. Zweidimensionale gaschromatographische Untersuchungen ergaben, dass in diesen Einschlüssen eine Vielzahl an organischen Verbindungen wie Alkane, Halogenkohlenwasserstoffe, Alkohole und Aldehyde vorhanden sind, die zeigen, dass einfache und auch komplexere präbiotische organische Moleküle durch hydrothermale Prozesse gebildet wurden. Die Analyse stabiler Isotope bestätigte darüber hinaus, dass das in den Einschlüssen enthaltene Methan aus abiotischen Quellen durch hydrothermale Chemie gebildet wurde [2]. Interessanterweise läuft dieser Prozess heute immer noch ab, was wir durch eine 1000 m tiefe Bohrung in der Vulkaneifel bei Maria Laach durch Analysen des Bohrkerns eindrucksvoll belegen konnten.

Ich hoffe, dass dieser kurze Ausflug in meine Welt der analytischen Chemie Interesse bei Ihnen geweckt hat und aufzeigen konnte, wie vielseitig und spannend die Arbeit eines analytischen Chemikers sein kann.

Prof. Dr. Oliver J. Schmitz

Professor für Angewandte Analytische Chemie an der Universität Duisburg-Essen

Literatur:

1U. Schreiber (2019) Das Geheimnis um die erste Zelle: Dem Ursprung des Lebens auf der Spur (1. Aufl.) Springer, Heidelberg

2U. Schreiber, C. Mayer, O. J. Schmitz, P. Rosendahl, A. Bronja, M. Greule, F. Keppler, I. Mulder, T. Sattler, H. F. Schöler Organic compounds in fluid inclusions of Archean quartz – archives of prebiotic chemistry on early Earth, PLoS ONE (2017) 12(6):

3C. Mayer, U. Schreiber, M. J. Dávila, O. J. Schmitz, A. Bronja, M. Meyer, J. Klein, S. W. Meckelmann Molecular Evolution in a Peptide-Vesicle System, Life (2018) 8: 16

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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