Eine Aromatische Welt

Nach Jahren der Forschung kämpfen Wissenschaftler immer noch damit zu verstehen, wie das Leben auf unserem Planeten begann. Obwohl es mehrere Hypothesen über den Ursprung des Lebens gibt, existiert kein überzeugender Beweis der das eine Szenario wahrscheinlicher macht als ein anderes.

Tatsächlich, wenn man sich chemische Systeme anschaut, gibt es nicht einmal eine klare Definition darüber was “Leben” von “Nicht-Leben” unterscheidet. Wissenschaftler sind sich aber einig darüber, dass Leben, egal wo im Universum, drei grundsätzliche Eigenschaften miteinander teilt. Erstens muss Leben in der Lage sein eine Identität für sich in Anspruch zu nehmen, die unabhängig vom Umfeld ist. Bei den frühen Formen des Lebens auf der Erde war dies wahrscheinlich ein Container, vielleicht Membran-Beutel oder –Sack, der die Chemikalien enthielt.

Viele der Zutaten für das Leben bildeten sich im Weltraum. Die Erde bildete sich aus Sternstaub, und später lieferten Kometen und Meteoriten weiteres Material auf unseren Planeten. Wissenschaftler sind sich aber immer noch nicht sicher, welche Moleküle die entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens spielten.
Image Credit: European Space Agency

Zweitens, Leben isst (es wandelt um – metabolisiert). Der Beutel mit Chemikalien muss in irgendeiner Art und Weise Energie und Nährstoffe aufnehmen, um fortzubestehen. Für Menschen kann dies ein Hamburger mit Pommes sein, aber für so etwas wie ein Bakterium, dass in einem hydrothermalen Schlot lebt, kann das Mittagessen aus Schwefelwasserstoff bestehen.

Schlussendlich, damit Leben fortbesteht, muss es Kinder haben. Leben muss seine genetischen Informationen irgendwie mit der Zeit weitergeben. Wenn nicht wäre ein Sack aus Chemikalien eine “Eintagsfliege”, eine Anomalie die einst lebte und dann starb, ohne Spuren seiner Existenz zu hinterlassen.

Pascale Ehrenfreund, eine Professorin der Astrophysik an der Universität von Leiden in Holland, untersucht den Nachthimmel nach Anzeichen für Leben. Im Gegensatz zu SETI-artigen Suche mittels Radiosignalen, schaut sie nach chemischen Zeichen für Leben. Es gibt 143 Arten von Molekülen im interstellaren Medium und einige davon sind vielleicht wichtig für den Ursprung des Lebens – nicht nur in unserem eigenen Sonnensystem, sondern im gesamten Universum.

In einem Artikel der im der Zeitschrift Astrobiology veröffentlicht wurde, schlagen Ehrenfreund und ihre Kollegen vor, dass Polycyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), organische Moleküle die man überall im Weltraum findet, vielleicht eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Leben gespielt haben.

Diese Moleküle aus Kohlenstoff und Wasserstoff werden aufgrund ihrer zahlreichen Schleifen von Kohlenstoffatomen „polycyklisch“ genannt, und „aromatisch“ wegen der starken chemischen Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen. PAKs finden sich auf der Erde überall dort wo Materialien aus Kohlenstoff unvollständig verbrannt werden – in den Abgasen von LKWs genauso wie in der schwarzen Schmiere eines verrußten Grills.

In diesem Interview mit Leslie Mullen vom Astrobiology Magazin, erklärt Ehrenfreund wie PAKs vielleicht die drei Eigenschaften geliefert haben könnten, die für die Entstehung von Leben notwendig waren.

Pascale Ehrenfreund von der Universität in Leiden.
Photo Credit: Leslie Mullen

Astrobiology Magazine (AM): In Ihrer Arbeit suchen Sie nach Chemikalien im Weltraum und in Meteoriten und finden dabei die Grundstoffe, mit denen das frühe Leben arbeitete.

Pascale Ehrenfreund (PE): Wenn Sie sich die moderne Biochemie anschauen finden Sie, dass die drei Hauptkomponenten für zelluläre Systeme Nukleinsäuren, Proteine und Membranen sind. Einige dieser Bausteine findet man im Weltraum.

Das meiste pre-biotische Material findet sich in kohlenstoffhaltigen Meteoriten, wobei es auch Hinweise auf einige komplexe Moleküle in der Gasphase des interstellaren Mediums gibt. Zum Beispiel gibt es Hinweise auf einfache Zuckermoleküle wie Glykolaldehyd und die einfache Aminosäure Glycin. Ich bin mir aber nicht sicher, ob dies etwas mit dem Ursprung des Lebens zu tun hat.

Das interstellare Medium bietet die Bausteine für die Planeten- und Sternenbildung. Im Sonnennebel laufen zahlreiche chemische Prozesse ab. Die Bildung des Sonnensystems war ein dynamischer Prozess – Material wurde neu ausgerichtet, zerstört, getrennt und neu gebildet. Es gibt offene Fragen bezüglich der Turbulenz – wie viel Material vermischte sich mit den äußeren Schichten und kehrte dann zurück. In Kometen finden wir kristalline Silikate, die nur aus der Nähe eines sich formenden Sterns stammen können. Aber da Kometen in den äußeren Bereichen des Sonnensystems entstehen, muss es eine Diffusion des Materials gegeben haben – eine Mischung von Innen und Außen.

AM: Dies war eines der Ergebnisse der Stardust Mission, richtig? Man entdeckte, dass der Kometenstaub Material enthielt, dass sich nur in den heißen Regionen, nahe der Sonne, gebildet haben konnte.

PE: Dies wussten wir bereits vor Stardust – wir hatten früher solche Hinweise in interstellaren Staubteilchen gefunden. Aber ich bin sicher, dass Stardust unser Wissen diesbezüglich beweisen wird.

Interstellares Staubteilchen.
Credit: UWSTL, NASA

Wenn man sich pre-biotische Komponenten wie Aminosäuren, Kernbasen und einfachen Zuckern anschaut sieht man, dass sie Probleme haben Hitze und Strahlung zu widerstehen. Wenn solches Material also irgendwo in der Gasphase, wie dem interstellaren Medium, gebildet wurde, hätte es immer vor hoher Temperatur und Strahlung geschützt sein müssen, während es an der Bildung des Sonnensystems beteiligt war. Es ist wahrscheinlich, dass große Teile des Materials jedoch irgendeiner Art von Energie ausgesetzt waren.

Schaut man sich Meteoriten an, wo sie eine Festkörperchemie sehen die flüssiges Wasser beinhaltet, findet man über 80 verschiedene Aminosäuren. Sie finden auch Purin, Pyrimidin, einfache Zucker und Kernbasen in Meteoriten. Es gibt keine Lipide, allerdings findet man Komponenten, die einen sehr einfacher Container bilden können – zum Beispiel Alkane, Karbocyklische Säuren, die Komponenten von Membranen sind. Meteoriten sind eine Art Kristallkugel für komplexe organische Chemie.

Wir wissen nicht ob dieses Material wirklich wichtig war für den Ursprung des Lebens. Aber da wir wissen, dass es außerirdischen Ursprungs ist und intakt auf der jungen Erde ankam, haben wir ein Beispiel für ein Material, dass wichtig für die weitere Verarbeitung gewesen sein könnte und vielleicht für eine Erhöhung der Komplexität gesorgt hat.

Vielleicht sollten wir den Molekülen der modernen Biochemie nicht zuviel Kredit dafür geben die ultimativen Materialien gewesen zu sein, welche das Leben formten. Die Temperatur- und Strahlungsbedingungen auf der jungen Erde verbesserten sich nach ein paar hundert Millionen Jahren merklich, und am Anfang war es eine zu feindliche Umgebung, damit sich Aminosäuren zu Proteinen zusammensetzen konnten. Man benötigte vielleicht eine andere Art von Material, dass viel stabiler war.

AM: Und in Ihrem neuen Artikel schlagen sie vor, dass Polycyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe – PAKs – dieses stabile Material gewesen sein könnten, dass wichtig war für die Entstehung des Lebens.

Polycyklischer Aromatischer Kohlenwasserstoff.
Credit: NASA/Caltech

PE: Ja. Wir fanden komplexe aromatische Kohlenstoffringe im interstellaren Medium, in Kometen und Meteoriten. Dieses makromolekulare Material ist sehr stabil gegen jede Art der Degeneration, inklusive Strahlung. Es wird vielleicht modifiziert, aber nicht vollständig zerstört. Selbst wenn es zerbrochen wird, stehen die Teile für zukünftige chemische Prozesse zur Verfügung. Wenn Aminosäuren beispielsweise durch ultraviolette Strahlung zerstört werden, bleibt nichts von ihnen übrig.

Die kohlenstoffhaltigen Meteoriten enthalten etwa drei Prozent Kohlenstoff, höchstens. Von diesen drei Prozent sind 80 Prozent in aromatische Netzwerken eingebunden. Das aromatische Material ist also reichlich vorhanden und sehr stabil – es ist stabil gegen Hitze, es ist teilweise unlöslich und recht widerstandsfähig gegen Strahlung. Aus diesem Grund denken wir mittlerweile, dass dieses Material auf der jungen und sehr unwirtlichen Erde, wichtiger war als es bisher angenommen wurde.

AM: Wozu können PAKs werden? Gibt es nur spezifische chemische Wege, oder können sie die Basis für eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle sein?

PE: Polycyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe können genutzt werden um einfache Membranstrukturen aufzubauen. Max Bernstein, von NASAs Astrochemistry Lab, versucht Mizellen oder Blasen aus PAK Derivaten herzustellen to.

Der Murchison Meteorit fiel am 28. September 1969, nahe Australien auf die Erde. Dieser kohlenstoffhaltige Meteorit enthält Mineralien, Wasser und komplexe organische Moleküle wie Aminosäuren.
Credit: NASA

PAKs können auch Photosensibilisatoren sein, weil sie eine Verschiebung der Ladung von Plus nach Minus durchführen können. Sie können also als eine metabolische Komponente für Energieumwandlung genutzt werden. Meine Co-Autoren Steen Rasmussen und Liaohai Chen, von den Los Alamos und Argonne National Laboratories, nutzen Komponenten, die den Polycyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen ähnlich sind, als metabolische Komponenten für das Los Alamos Protocell Assembly Project. Das PACE Project der Europäischen Gemeinschaft nutzt ebenfalls PAKs auf diese Art und Weise.

Nicholas Platts, vom Carnegie Institution in Washington, hat vorgeschlagen, dass durch die Stapelung von PAKs, etwas einer Nukleinsäure Ähnliches gebildet werden kann. Pier Luigi Luisi, von der RomaTre University, hat versucht PAK in diesem Kontext zu stapeln.

In unserem Artikel schlagen wir vor, dass aromatisches Material als Container, als metabolische Einheit und als genetischer Informationsträger genutzt werden kann. Wir denken, dass aromatisches Material für alle drei Bedingungen des Lebens genutzt werden kann.

Was wir versucht haben in unserem Artikel herauszuarbeiten ist, dass man alle drei Bedingungen gleichzeitig erfüllen muss. Man kann nicht eine Komponente haben um etwas zusammenzusetzen und später einfach etwas hinzufügen, um weitere Funktionalitäten zu erhalten. Sie müssen von Anfang an kombiniert sein – Leben benötigt eine Identität, es benötigt Energie und es muss in der Lage sein sich zu reproduzieren und weiterzuentwickeln. Darum sind PAKs vielleicht so mächtig, weil man mit diesen aromatischen Komponenten alle drei Funktionen gleichzeitig erfüllen kann.

AM: Werden PAKs derzeit in modernen Systemen genutzt?

Rote Gebiete in den Spiralarmen stehen für Infrarotemissionen von staubigeren Teilen der Galaxie, in denen sich neue Sterne bilden. Credit: NASA/JPL-Caltech/S. Willner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

PE: Nur in Form von Kernbasen, die Ringstrukturen mit Heteroatomen und Seitengruppen sind. Aber es gibt eine Menge aromatischer Moleküle – die nicht direkt PAKs sind – die eine Funktion im Leben haben, insbesondere bei metabolischen Prozessen.

AM: Wir sind nicht sicher wie die Umgebung der jungen Erde aussah – ob es kalt oder heiß war. Würde das einen Unterschied machen?

PE: Für PAKs würde es kaum einen Unterschied machen. PAKs würden Temperaturschwankungen und Strahlung viel besser widerstehen als Zucker, Aminosäuren oder andere typische Komponenten der Biochemie. Hätte man auf der jungen Erde hohe Temperaturen gehabt, hätten sich keine Zucker bilden können oder wären zerfallen. Aminosäuren reagieren ebenfalls empfindlich auch Hitze, ebenso wie einige der Kernbasen. Kernbasen sind eine Art PAK, aber der Stickstoff im Ring macht sie instabiler als die echten PAKs. Sie sind sicherlich alle viel anfälliger für Strahlung als aromatisches Material, was unser Co-Autor Jim Cleaves untersucht hat.

Die Polycyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe sind die am häufigsten vorkommenden freien, organischen Moleküle im Weltraum. Und das All ist ganz sicher weniger komfortabel als die Erde, da es dort keine schützende Atmosphäre gibt. Das zeigt, dass sie wesentlich besser überleben können als jedes andere Material.

AM: Diese Idee macht deswegen soviel Sinn, weil es wahrscheinlicher aussieht, dass Leben aus den häufigsten und robustesten Materialien, die vorhanden waren, entstand, und nicht aus zerbrechlichen Materialien, die Schutz oder spezielle Bedingungen benötigten.

Einige der Zutaten für Leben werden in den Sternenfeldern im All produziert.
Credit: NASA/STScI/ESA

PE: Das ist auch meine Meinung. Aminosäuren bilden sich recht einfach – sie sind überall – und weil sie so einfach gebildet werden, bin ich mir sicher, dass sie später eine wichtige Rolle spielten. Ich denke aber auch, dass es logischer wäre, dass sie in lebenden Systemen eine Rolle spielten, als die Zeit für sie günstig war. Ich persönlich glaube nicht, dass diese Art von Material der Grundbaustein für das Leben war.

AM: Glauben Sie, dass PAKs die Basis für Leben auf jedem Planeten darstellen, da sie ja so robust sind? Dass ein Planet keine erdähnlichen Bedingungen benötigt, um Leben hervorzubringen?

PE: Ja, das ist sehr wahrscheinlich. Es ist wesentlich wahrscheinlicher als einige zerbrechliche Komponenten zu haben, die weniger häufig vorkommen. Der Anfang des Lebens muss auch einfach sein. Nukleoside sind nicht einfach. Wir haben auch nach 50 Jahren chemischer Experimente immer noch große Schwierigkeiten sie im Labor herzustellen! Ich denke wir müssen für den Anfang mit etwas ganz Einfachem beginnen, dass unter vielen verschiedenen Bedingungen funktioniert.

Diesen Artikel weiterempfehlen