Den Ursprüngen des Lebens anhand der frühen Chemie der Erde auf der Spur

Vor Milliarden von Jahren war die Erde ein völlig anderer Planet, der durch eine raue Umwelt gekennzeichnet war, die kein Leben ermöglichen konnte. Vulkanausbrüche, Gewitter und der ständige Beschuss durch Meteoriten und Kometen prägten seine Atmosphäre und Oberfläche.

Diese turbulenten Bedingungen trugen maßgeblich zur Entstehung organischer Moleküle wie Aminosäuren, Nukleotide und Einfachzucker bei, die schließlich das Leben, wie wir es kennen, hervorbringen würden.

Aber wie genau diese Transformation stattgefunden hat, bleibt eines der beständigsten Rätsel der wissenschaftlichen Forschung, und Wissenschaftler erforschen dieses uralte Rätsel unermüdlich.

In eine aktuelle Studie veröffentlicht in Kleine Methodenstellt ein Team von Wissenschaftlern eine faszinierende Hypothese vor. Sie gehen davon aus, dass „nicht-biologische“ organische Moleküle – solche, die auf Kohlenstoff basieren, aber heute in biologischen Systemen normalerweise nicht verwendet werden – eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung primitiver chemischer Systeme zu ihren heutigen, komplexen Formen gespielt haben könnten.

„Niemand weiß wirklich genau, was auf der frühen Erde passiert ist oder welche Chemikalien oder Reaktionen vorhanden waren“, erklärte Tony Z. Jia, eigens ernannter außerordentlicher Professor am Earth-Life Science Institute des Tokyo Institute of Technology und einer der Hauptautoren der Studie. in einer E-Mail.

„Ohne eine Zeitmaschine ist es zwar unmöglich, es genau zu wissen, aber wir tun unser Bestes, plausible Bedingungen im Labor nachzubilden, in der Hoffnung zu verstehen, wie die frühe Chemie der Erde zur Entstehung des Lebens führte“, fügte er hinzu.

Polyester-Mikrotröpfchen – Protozellenmodelle?

Modernes Leben ist wasserabhängig und es wird allgemein angenommen, dass das Leben in alten wässrigen Umgebungen entstand. Um diese Hypothese besser zu verstehen, konzentrierten sich die Forscher in der vorliegenden Studie auf α-Hydroxysäuren, Moleküle mit ähnlicher Struktur α-Aminosäuren, die möglicherweise auf der frühen Erde vorhanden waren und möglicherweise durch elektrische Funken, hydrothermale Reaktionen, ultraviolette Photochemie oder sogar durch Meteoriteneinwirkung entstanden sind.

Interessant ist, dass in Lösungen, die primitive wässrige Umgebungen auf der frühen Erde simulieren, α-Hydroxysäuren bilden gelartige Polyester, die sich nach Dehydratisierung und Rehydratisierung zu Mikrotröpfchen zusammenlagern. Das Team vermutet, dass solche Tröpfchen, wenn sie existierten, möglicherweise auch Salze absorbiert hätten – wesentliche Bestandteile lebender Systeme.

„Es wurde angenommen, dass frühe Ozeane einen viel höheren Salzgehalt im Vergleich zum heutigen Salzgehalt hatten“, fügte Chen Chen hinzu, Postdoktorand am RIKEN (zuvor wissenschaftlicher Mitarbeiter am Earth-Life Science Institute des Tokyo Institute of Technology, wo diese Arbeit durchgeführt wurde). abgeschlossen wurde) und Co-Hauptautor der Studie. „Insbesondere viele Arten von Salzionen spielen immer noch eine Schlüsselrolle bei der Regulierung vielfältiger, gesunder biochemischer Aktivitäten im modernen Leben.“

Das Vorhandensein von Salzen könnte die Struktur dieser Mikrotröpfchen durch die Trennung oder Konzentration essentieller Biomoleküle wie RNA beeinflusst haben. Als solche könnten sie als frühe Protozellen gedient haben – vereinfachte Versionen primitiver Zellen.

„Polyester-Mikrotröpfchen wurden erstmals vor einigen Jahren von Forschern am ELSI als Protozellenmodelle vorgeschlagen, und seitdem haben wir große Fortschritte beim Verständnis ihrer Zusammensetzung, Struktur und Funktion gemacht“, sagte Jia. „In einer früheren Studie haben wir beobachtet, dass die Zugabe von Salz dazu führt, dass die Tröpfchen zusammenwachsen, und haben uns immer gefragt, warum.“

Die Wissenschaftler spekulieren, dass diese primitiven Mikrotröpfchen möglicherweise primitive Merkmale besessen haben, die mit lebenden Systemen verbunden sind, wie etwa die Fähigkeit, chemische Reaktionen durchzuführen und ein gewisses Maß an interner Organisation aufrechtzuerhalten.

„Vor kurzem haben Forscher membranlose Kompartimente als Vorläufer membranbasierter Kompartimente untersucht“, erklärte Sudha Rajamani, Astrobiologin am Indian Institute of Science Education and Research (IISER) in Pune, die nicht an der Studie beteiligt war. „Nur wenige Studien haben sich mit der Charakterisierung von Tröpfchen aus präbiotisch plausiblen – nicht-synthetischen – Vorläufern befasst.“

Ob die Polyester-Mikrotröpfchen direkt zu den ersten Zellen führten oder ob es sich stattdessen um einen Zwischenzustand handelte, bleibt unbekannt. Aber ihre Neigung zur Bildung und ihre Fähigkeit, Analyten wie Salze aufzunehmen, könnten helfen, wichtige Fragen zu beantworten.

„Die Bildung von Biopolymeren wie RNA und Peptiden aus ihren Monomeren und die Bildung protozellulärer Kompartimente, die rudimentäre Zellfunktionen erfüllen, sind zwei der größten ungelösten Probleme bei der Erforschung des Ursprungs des Lebens“, sagte Tommaso Faccia, Assistenzprofessor Er ist Ph.D. für Pharmakologie und Biomolekularwissenschaften an der Universität Mailand und ein Physiker für weiche Materie mit Erfahrung in Flüssig-Flüssig-Phasentrennungen, der nicht an der Studie beteiligt war.

„Diese Studie skizziert, wie ein System, das von kleinen präbiotisch plausiblen Molekülen ausgeht (α-Hydroxysäuren) können durch einfache Prozesse (Trocknen und Erhitzen) effizient Polymere herstellen, die sich bei der Rehydratisierung wiederum in membranlosen Kompartimenten zusammensetzen“, fügte er hinzu. „Die Einfachheit der Systemzusammensetzung und der beteiligten Prozesse sind sehr wichtig, um robuste Lösungen für die Polymerisations- und Kompartimentierungsprobleme in präbiotischen Szenarien vorzuschlagen.“

Untersuchung der Salzaufnahme mit neuen Techniken

Das präbiotische chemische Umfeld war komplex und chaotisch. „Wir haben uns daher gefragt, wie die gleichzeitig vorhandenen Salze die protozelluläre Dynamik wie Stabilität und Koaleszenz in der primitiven Umgebung beeinflusst haben könnten“, sagte Chen.

„Die Salzaufnahme durch Polyester-Mikrotröpfchen trägt möglicherweise nicht direkt zur Entstehung von Leben bei, hätte aber einige Auswirkungen auf die Stabilität und Funktionalität der Mikrotröpfchen als potenzielle Protozellen“, fuhr er fort. „Salze können als Katalysatoren oder Modulatoren bestimmter chemischer Reaktionen wirken, die für die Entstehung des Lebens relevant sind, und können auch die molekularen Wechselwirkungen beeinflussen, die innerhalb und um die Polyester-Mikrotröpfchen herum stattfinden.“

Um diese Bedingungen wiederherzustellen, unterzog das Forschungsteam eine Reihe von α-Hydroxysäuren zur Dehydratisierung, was zur Bildung von Polyestern führte, die dann auf ihre Fähigkeit untersucht wurden, sich zu Mikrotröpfchen zusammenzusetzen.

„Da unzählige unregulierte Reaktionen zwischen einer großen Anzahl miteinander vermischter Chemikalien ablaufen, kann die chemische Zusammensetzung je nach Fall unterschiedlich gewesen sein [the] Umwelt“, sagte Jia. „Tatsächlich ist es sogar möglich, dass die frühe Chemie der Erde ganz anders aussah als die, die wir heute in der Biologie sehen, weshalb wir mehr darüber verstehen müssen, wie Polyester und andere Moleküle, die in der modernen Biologie nicht allzu häufig vorkommen, zur Entstehung von beigetragen haben könnten.“ Leben.”

Unter den α-Hydroxysäuren, die sie untersuchten, zeigte DL-3-Phenylmilchsäure eine starke Tendenz zur Tröpfchenbildung und wurde als Modell für ihre Studien ausgewählt. Da wahrscheinlich elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Salzmolekülen und den Polyesterpolymeren die Aufnahme von Salz in die Mikrotröpfchen steuern würden, entwickelten die Forscher drei Varianten davon α-Hydroxysäuren: neutral, basisch und sauer.

Anschließend inkubierten die Wissenschaftler die verschiedenen Polyester-Mikrotröpfchen in wässrigen Lösungen, die aus unterschiedlichen Konzentrationen von Chloridsalzen (wie NaCl, KCl, MgCl) bestanden_2, und CaCl₂), die in den frühen Ozeanen möglicherweise reichlich vorhanden waren.

Um die Menge der von den Polyester-Mikrotröpfchen absorbierten Salzkationen zu analysieren, verwendeten sie eine fortschrittliche Analysetechnik namens induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS), eine Analysetechnik, mit der Elemente in Spurenmengen in biologischen Flüssigkeiten gemessen werden können. Dies wurde im Pheasant Memorial Lab am Institut für Planetenmaterialien der Universität Okayama durchgeführt, wo Wissenschaftler diese Technik normalerweise zur Analyse außerirdischer Proben verwenden, beispielsweise von Meteoriten wie Ryugu.

Jia betonte die Bedeutung der Anwendung solcher Spitzentechniken aus angrenzenden Bereichen auf die Ursprünge des Lebensforschung und erklärte, dass sie es Forschern ermöglicht hätten, Systeme wie dieses in beispielloser Detailtiefe zu untersuchen.

„Dies skizziert einen sehr systematischen Ansatz zur Beschreibung, wie membranlose Kompartimente, wie Mikrotröpfchen auf Polyesterbasis, mit verschiedenen Kationen interagieren, von denen viele für präbiotische Prozesse, einschließlich RNA-Oligomerisierung, Replikation, Katalyse sowie Kompartimentbildung und -funktion, von zentraler Bedeutung sind“, fügte Rajamani hinzu .

„Dies ist angesichts der Verbreitung von Salzen (manchmal in hohen Konzentrationen) in frühen Nischen der Erde von großer Bedeutung, von denen man annimmt, dass sie zur Entstehung von Leben geführt haben“, fuhr sie fort. „Wichtig ist, dass sie eine sehr empfindliche Technik (ICP-MS) verwendet haben, um die Salzkonzentration direkt in den Tröpfchen zu erkennen; ein neuartiges und informatives Element dieser Studie mit Auswirkungen auf die präbiotische Chemie und die damit verbundene Forschung.“

Ein Schritt vorwärts

Die Ergebnisse des Teams waren faszinierend. Chen erklärte: „Wir haben herausgefunden, dass Polyester-Mikrotröpfchen Salze aufnehmen können und dass unterschiedliche Salze unterschiedlich schnell aufgenommen werden.“ Darüber hinaus neigten die Salze dazu, sich in der Nähe der geladenen Oberflächen der Tröpfchen anzusammeln, was zu einer allgemeinen Neutralisierung der Oberflächenladung der Tröpfchen führte.

„Dadurch hörten die Tröpfchen auf, sich gegenseitig abzustoßen, und begannen stattdessen zu verschmelzen“, fügte Chen hinzu. „Dies ist von Bedeutung, da es erklären könnte, wie primitive Polyester-Mikrotröpfchen gewachsen sein könnten – ein Kennzeichen des Lebens.“

Diese Erkenntnisse geben Aufschluss darüber, dass bereits geringfügige Schwankungen der Salzaufnahme die Struktur dieser möglichen Protozellen erheblich beeinflussen können. Diese Beobachtung bietet auch eine mögliche Erklärung für die vielfältigen chemischen Prozesse, die in primitiven Systemen beobachtet werden, die in unterschiedlichen wässrigen Umgebungen entstehen, von Süßwasser über ozeanische bis hin zu hypersalinen Salzlaken unter dem Meer.

„Es ist überhaupt nicht trivial, sich auf membranlose Koazervatsysteme zu konzentrieren, die hohe Salzkonzentrationen tolerieren und möglicherweise auch in diesen funktionieren können“, fügte Rajamani hinzu. „Dies wird dazu beitragen, analoge Umgebungen zu identifizieren, in denen präbiotisch wichtige Reaktionen ohne weiteres möglich gewesen wären. Solche Studien helfen nicht nur, Antworten auf drängende Fragen im Bereich zu finden [the origins of life]sondern haben auch direkte Auswirkungen auf die Bewohnbarkeitsforschung an anderen vielversprechenden Körpern und Exoplaneten des Sonnensystems.“

„Wir wissen immer noch sehr wenig über die Bedingungen, die zum Leben führten, und der variable Raum ist so groß“, fügte Faccia hinzu. „Daher sind alle Anstrengungen, die sich der Prüfung physikalisch-chemischer Bedingungen widmen […] kann uns dabei helfen, „Randbedingungen“ festzulegen, das kann […] treiben die Suche nach Leben in anderen Teilen des Universums voran.“

Obwohl diese Ergebnisse einen vielversprechenden Fortschritt darstellen, bleiben einige Fragen unbeantwortet. Welche Bedeutung hat beispielsweise die Entstehung unterschiedlicher Salzaufnahmeraten? Könnte dies mit der Entstehung biologischer Systeme zur Aufrechterhaltung unterschiedlicher Salzverhältnisse zusammenhängen, beispielsweise der Kalium- und Natriumionenpumpen?

Aber Jia und Chen sagen, dass sie noch nicht fertig sind. „Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, hoffen wir, die Stabilität und Struktur der Polyester-Mikrotröpfchen weiter untersuchen zu können und gleichzeitig andere neue Funktionen sowie die chemische Entwicklung von Polyestern zu untersuchen“, sagte Jia.

„Wir hoffen, dass dies der Ausgangspunkt für zukünftige Untersuchungen anderer primitiver Umgebungen sein könnte, die die Stabilität und Funktionalität von Polyester-Mikrotröpfchen beeinflussen“, fügte Chen hinzu. „[This understanding] könnte auch wertvolle Informationen über die potenzielle Bewohnbarkeit außerhalb unseres Sonnensystems liefern.“

Referenz: Chen Chen, Tony Z. Jia, et al., Spektroskopische und biophysikalische Methoden zur Bestimmung der unterschiedlichen Salzaufnahme durch primitive membranlose Polyester-Mikrotröpfchen, Kleine Methoden (2023). DOI: 10.1002/smtd.202300119

Bildnachweis des Beitrags: Chen Chen, Tony Jia et al.