Forscher der Universität Cambridge haben einen Prozess namens Graphitisierung identifiziert, der ihrer Theorie nach auf der frühen Erde lebenswichtige Moleküle wie Proteine, Phospholipide und Nukleotide produzieren könnte. Dieser Prozess, der in einer Studie in der Zeitschrift Life hervorgehoben wird, legt nahe, dass die hohen Temperaturen, die durch Himmelseinschläge und Wechselwirkungen mit Eisen und Wasser entstehen, chemische Umgebungen vereinfachen und sie für die Bildung der lebensnotwendigen Komponenten begünstigen könnten.
Forscher der Universität Cambridge vermuten, dass wesentliche Moleküle für die Entwicklung des Lebens aus einem Prozess namens Graphitisierung entstanden sein könnten. Wenn dies durch Laborexperimente bestätigt wird, könnte es uns ermöglichen, Bedingungen zu simulieren, die wahrscheinlich zur Entstehung von Leben geführt haben.
Wie kamen die lebensnotwendigen Chemikalien dorthin?
Es wird seit langem darüber diskutiert, wie die scheinbar zufälligen Lebensbedingungen in der Natur entstanden sind, wobei viele Hypothesen in eine Sackgasse geraten. Allerdings haben Forscher der Universität Cambridge nun modelliert, wie diese Bedingungen auftreten könnten, wodurch die lebensnotwendigen Inhaltsstoffe in erheblichen Mengen produziert werden könnten.
Das Leben wird von Molekülen gesteuert, die Proteine, Phospholipide und Nukleotide genannt werden. Frühere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass nützliche stickstoffhaltige Moleküle wie Nitrile – Cyanacetylen(HC3N) und Blausäure(HCN) – und Isonitrile – Isocyanid(HNC) und Methylisocyanid(CH3NC) – könnte zur Herstellung dieser Bausteine des Lebens verwendet werden. Bisher gab es jedoch keine eindeutige Möglichkeit, all dies in derselben Umgebung in nennenswerten Mengen herzustellen.
In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Leben, hat die Gruppe nun herausgefunden, dass durch einen als Graphitisierung bekannten Prozess theoretisch erhebliche Mengen dieser nützlichen Moleküle hergestellt werden können. Wenn das Modell experimentell verifiziert werden kann, deutet dies darauf hin, dass der Prozess ein wahrscheinlicher Schritt für die frühe Erde auf ihrem Weg zum Leben war.
Warum ist es wahrscheinlicher, dass dieser Prozess stattgefunden hat als andere?
Ein Großteil des Problems bei früheren Modellen besteht darin, dass neben den Nitrilen auch eine Reihe anderer Produkte entstehen. Dadurch entsteht ein chaotisches System, das die Entstehung von Leben behindert.
„Ein großer Teil des Lebens ist Einfachheit“, sagte Dr. Paul Rimmer, Assistenzprofessor für experimentelle Astrophysik am Cavendish Laboratory und Mitautor der Studie. „Es ist Ordnung.“ „Es geht darum, einen Weg zu finden, einen Teil der Komplexität zu beseitigen, indem man kontrolliert, welche Chemie ablaufen kann.“
Wir erwarten nicht, dass das Leben in einer chaotischen Umgebung entsteht. Faszinierend ist also, wie die Graphitierung selbst die Umwelt reinigt, da bei dem Prozess ausschließlich diese Nitrile und Isonitrile entstehen, mit überwiegend inerten Nebenprodukten.
Eine schematische Darstellung des Szenarios, das wir hier für eine saubere, ertragreiche Produktion präbiotischer Rohstoffe vorschlagen. Die Ereignisse bewegen sich im Uhrzeigersinn von oben links: Erstens hat die Erde eine neutrale Atmosphäre. Dies wird nach einem riesigen Einschlag bei 4,3 Ga durch Oxidation des Metallkerns des Impaktors reduziert, um ein massives H zu erzeugen2 Atmosphäre mit erheblichem Methan- und Ammoniakgehalt. Diese Atmosphäre kühlt sich schnell ab (in <1 000 Jahren), wobei die Photochemie einen tholinreichen Dunst erzeugt, der komplexe stickstoffreiche organische Stoffe ablagert. Diese organischen Stoffe werden durch die Wechselwirkung mit Magma nach und nach vergraben und graphitisiert. Die Atmosphäre klärt sich, als H2 geht in den Weltraum verloren und wird wieder neutral. Schließlich interagieren magmatische Gase mit dem Graphit und werden gereinigt, um hohe Ausbeuten an sauberem HCN und HC zu erzeugen3N und Isonitrile. Bildnachweis: Oliver Shorttle
„Zuerst dachten wir, das würde alles verderben, aber tatsächlich macht es alles so viel besser.“ „Es reinigt die Chemie“, sagte Rimmer.
Dies bedeutet, dass die Graphitierung die Einfachheit bieten könnte, nach der Wissenschaftler suchen, und die saubere Umwelt, die für das Leben erforderlich ist.
Wie funktioniert der Prozess?
Das Hadean-Äon war die früheste Periode in der Erdgeschichte, als sich die Erde stark von unserer modernen Erde unterschied. Einschläge mit Trümmern, manchmal so groß wie Planeten, waren keine Seltenheit. Die Studie geht davon aus, dass das darin enthaltene Eisen mit Wasser auf der Erde reagierte, als die frühe Erde vor etwa 4,3 Milliarden Jahren von einem Objekt von etwa der Größe des Mondes getroffen wurde.
„Etwas von der Größe des Mondes traf die frühe Erde und hätte eine große Menge Eisen und andere Metalle abgelagert“, sagte Co-Autor Dr. Oliver Shorttle, Professor für Naturphilosophie am Institute of Astronomy und Department of Earth Sciences in Cambridge.
Die Produkte der Eisen-Wasser-Reaktion kondensieren auf der Erdoberfläche zu Teer. Der Teer reagiert dann mit Magma bei über 1500 °C und der Kohlenstoff im Teer wird zu Graphit – einer äußerst stabilen Form von Kohlenstoff – und zu dem, was wir in modernen Bleistiftminen verwenden!
„Sobald das Eisen mit dem Wasser reagiert, bildet sich ein Nebel, der kondensiert und sich mit der Erdkruste vermischt. „Beim Erhitzen bleiben, siehe da, die nützlichen stickstoffhaltigen Verbindungen übrig“, sagte Shorttle.
Welche Beweise gibt es, die diese Idee stützen?
Die Beweise, die diese Theorie stützen, stammen teilweise aus dem Vorhandensein komatiitischer Gesteine. Komatiit ist eine Art Vulkangestein, das entsteht, wenn sehr heißes Magma (>1500 °C) abkühlt.
„Komatiit wurde ursprünglich in Südafrika gefunden. „Die Gesteine stammen aus der Zeit vor etwa 3,5 Milliarden Jahren“, sagte Shorttle. „Entscheidend ist, dass wir wissen, dass sich diese Gesteine nur bei sengenden Temperaturen von etwa 1700 °C bilden!“ Das bedeutet, dass das Magma bereits heiß genug gewesen wäre, um den Teer zu erhitzen und unsere nützlichen Nitrile zu erzeugen.“
Nachdem der Zusammenhang bestätigt wurde, vermuten die Autoren, dass mit dieser Methode stickstoffhaltige Verbindungen hergestellt werden könnten. Da wir Komatiit sehen, wissen wir, dass die Temperatur des Magmas auf der frühen Erde manchmal über 1500 °C gelegen haben muss.
Was als nächstes?
Jetzt müssen Experimente versuchen, diese Bedingungen im Labor nachzubilden und zu untersuchen, ob das Wasser, das sich zwangsläufig im System befindet, die Stickstoffverbindungen auffrisst und sie auseinanderbricht.
„Obwohl wir nicht sicher wissen, ob diese Moleküle den Ursprung des Lebens auf der Erde hatten, wissen wir doch, dass die Bausteine des Lebens aus Molekülen bestehen müssen, die im Wasser überlebt haben“, sagte Rimmer. „Wenn zukünftige Experimente zeigen, dass die Nitrile alle auseinanderfallen, müssen wir nach einem anderen Weg suchen.“
Referenz: „A Surface Hydrothermal Source of Nitriles and Isonitriles“ von Paul B. Rimmer und Oliver Shorttle, 10. April 2024, Leben.
DOI: 10.3390/life14040498
Die Studie wurde von Cambridge Planetary Science und Life in the Universe Research Grants finanziert.