Forscher der Universität Newcastle haben erhebliche Fortschritte beim Verständnis der Ursprünge des Lebens auf der Erde erzielt, indem sie die Bedingungen früherer hydrothermaler Quellen simulierten. Dies führte zur Entstehung wichtiger organischer Moleküle, die möglicherweise die frühesten Zellmembranen bildeten. Ihre Erkenntnisse, die für das Verständnis der frühen Entwicklung des Lebens von entscheidender Bedeutung sind, weisen auch auf die Möglichkeit der Entstehung von Leben unter eisigen Mondoberflächen in unserem Sonnensystem hin.
Wissenschaftler der Universität Newcastle haben sich mit Unterstützung des britischen Natural Environmental Research Council dem Geheimnis der Entstehung des Lebens auf der Erde vor über 3,5 Milliarden Jahren gewidmet.
Sie haben die Umwandlung inerter geologischer Materialien in die ersten lebenden Systeme erforscht. Ihre Experimente umfassten die Kombination von Wasserstoff, Bikarbonat und eisenreichem Magnetit unter Bedingungen, die denen milder hydrothermaler Quellen ähneln. Dieser Prozess führte zu einer Reihe organischer Moleküle, darunter insbesondere Fettsäuren mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen.
In der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikation Erde und UmweltIhre Ergebnisse offenbaren möglicherweise, wie einige Schlüsselmoleküle, die für die Entstehung von Leben erforderlich sind, aus anorganischen Chemikalien hergestellt werden, was für das Verständnis eines wichtigen Schritts bei der Entstehung des Lebens auf der Erde vor Milliarden von Jahren von entscheidender Bedeutung ist. Ihre Ergebnisse könnten eine plausible Entstehung der organischen Moleküle liefern, die alte Zellmembranen bilden und die möglicherweise durch frühe biochemische Prozesse auf der Urerde selektiv ausgewählt wurden.
Fettsäuren in den frühen Lebensphasen
Fettsäuren sind lange organische Moleküle mit Regionen, die Wasser sowohl anziehen als auch abstoßen und auf natürliche Weise automatisch zellähnliche Kompartimente im Wasser bilden. Diese Art von Molekülen könnten die ersten Zellmembranen gebildet haben. Doch trotz ihrer Bedeutung war es ungewiss, woher diese Fettsäuren in den frühen Lebensstadien kamen. Eine Theorie besagt, dass sie sich möglicherweise in den hydrothermalen Quellen gebildet haben, wo heißes Wasser, gemischt mit wasserstoffreichen Flüssigkeiten aus Unterwasserquellen, mit CO-haltigem Meerwasser vermischt wurde2.
Die Gruppe reproduzierte in ihrem Labor entscheidende Aspekte der chemischen Umgebung, die in den frühen Ozeanen der Erde zu finden war, und die Vermischung des heißen alkalischen Wassers aus der Umgebung bestimmter Arten hydrothermaler Quellen. Sie fanden heraus, dass beim Mischen heißer wasserstoffreicher Flüssigkeiten mit kohlendioxidreichem Wasser in Gegenwart eisenbasierter Mineralien, die auf der frühen Erde vorhanden waren, die Arten von Molekülen entstanden, die zur Bildung primitiver Zellmembranen erforderlich waren.
Der Hauptautor, Dr. Graham Purvis, führte die Studie an der Newcastle University durch und ist derzeit Postdoktorand an der Durham University.
Er sagte: „Von zentraler Bedeutung für die Entstehung des Lebens sind Zellkompartimente, die für die Isolierung der inneren Chemie von der äußeren Umgebung von entscheidender Bedeutung sind. Diese Kompartimente waren maßgeblich an der Förderung lebenserhaltender Reaktionen beteiligt, indem sie Chemikalien konzentrierten und die Energieerzeugung erleichterten, und dienten möglicherweise als Eckpfeiler der frühesten Momente des Lebens.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Konvergenz von wasserstoffreichen Flüssigkeiten aus alkalischen Hydrothermalquellen mit bikarbonatreichem Wasser auf eisenbasierten Mineralien die rudimentären Membranen früher Zellen ganz am Anfang des Lebens gebildet haben könnte. Dieser Prozess könnte eine Vielfalt von Membrantypen hervorgebracht haben, von denen einige möglicherweise als Wiege des Lebens dienten, als das Leben begann. Darüber hinaus könnte dieser Transformationsprozess zur Entstehung spezifischer Säuren beigetragen haben, die in der Elementzusammensetzung von Meteoriten vorkommen.“
Der leitende Forscher Dr. Jon Telling, Dozent für Biogeochemie an der School of Natural Environmental Sciences, fügte hinzu:
„Wir glauben, dass diese Forschung den ersten Schritt zur Entstehung des Lebens auf unserem Planeten darstellen könnte. Die Forschung in unserem Labor geht nun weiter mit der Bestimmung des zweiten Schlüsselschritts; wie diese organischen Moleküle, die zunächst an den Mineraloberflächen „haften“, sich abheben können, um kugelförmige, membranumgrenzte zellähnliche Kompartimente zu bilden; die ersten potenziellen „Protozellen“, die später das erste zelluläre Leben hervorbrachten.“
Interessanterweise vermuten die Forscher auch, dass membranbildende Reaktionen, ähnliche Reaktionen, auch heute noch in den Ozeanen unter der Oberfläche eisiger Monde in unserem Sonnensystem stattfinden könnten. Dies erhöht die Möglichkeit alternativer Lebensursprünge in diesen fernen Welten.
Referenz: „Erzeugung langkettiger Fettsäuren durch wasserstoffgetriebene Bikarbonatreduktion in alten alkalischen Hydrothermalquellen“ von Graham Purvis, Lidija Šiller, Archie Crosskey, Jupiter Vincent, Corinne Wills, Jake Sheriff, Cijo Xavier und Jon Telling, 10. Januar 2024, Kommunikation Erde und Umwelt.
DOI: 10.1038/s43247-023-01196-4
Die Studie wurde vom Natural Environmental Research Council finanziert.