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#1

Forscher finden Bindeglied zwischen Geologie und Biologie

in Aus der Welt der Wissenschaft 02.07.2013 17:00
von franzpeter | 8.075 Beiträge

Dieser Blog


Freitag, 5. April 2013Entstehung des Lebens: Forscher finden bislang fehlendes Bindeglied zwischen Geologie und Biologie


Leeds (England) - Während mittlerweile die Vorstellung davon, dass die wichtigen Zutaten des Lebens mit Meteoriten auf die frühe Erde gelangt sind, weit verbreitet ist, war es bislang noch nicht möglich zu erklären, wie diese selbst unbelebten kosmischen Brocken zur Entstehung der Bausteine des Lebens geführt haben konnten. Britische Wissenschaftler glauben nun, genau dieses Rätsel gelüftet zu haben.

In ihrer aktuell im Fachjournal "Geochimica et Cosmochimica Acta" veröffentlichten Studie zeigen Dr. Terry Kee und sein Team von der University of Leeds, wie eine Chemikalie - ähnlich der, wie sie heute in allen lebenden Zellen zu finden und unerlässlich für die Erzeugung jener Energie ist, um Etwas lebendig werden zu lassen - entstanden sein könnte, als phosphorhaltige Meteoriten in heißen, säurehaltigen flüssigen Becken rund um Vulkane landeten, wie sie überall auf der noch jungen Erde weit verbreitet waren.

"Die Frage, wie - bildhaft gesprochen - lebende Organismen aus unbelebten Gestein gesprungen sein konnten, hat Wissenschaftler lange Zeit vor ein Großes Rätsel gestellt", erläutert Kee. "Jetzt aber glauben wir, dass die von uns entdeckten ungewöhnlichen Phosphorchemikalien ein Vorgänger jener 'Batterien' waren, die all' das Leben auf der Erde heute antreiben. Die Tatsache aber, dass diese (Chemikalien) relativ einfach unter Bedingungen, wie sie auf der frühen Erde herrschten, entstand, legt nahe, dass es sich dabei zugleich um das bislang fehlende Bindeglied zwischen Geologie und Biologie handelt."



Alles Leben auf der Erde wird von einem Prozess angetrieben, der als Chemiosmose bezeichnet wird, wenn das chemische Adenosintriphosphat (ATP) - sozusagen die wiederaufladbare Batterie des Lebens - durch Respiration sowohl aufgespalten als auch neuformiert wird und dabei jene Energie abgibt, die für den "Betrieb" des Lebens bzw. des Stoffwechsels notwendig ist. Die sowohl für die Herstellung als auch für das Aufspalten des ATP notwendigen komplexen Enzyme haben - so sind sich die meisten Experten einig - wahrscheinlich in jener Phase, in welcher das erste irdische Leben entstand, noch nicht existiert. Diese Einsicht führte die Wissenschaftler aus Leeds dazu, nach einer deutlich grundlegenderen Chemikalie mit ähnlichen Eigenschaften wie das ATP zu suchen, die jedoch keine Enzyme zur Energieübertragung benötigt.

Phosphor ist das Schlüsselelement im ATP sowie anderer grundlegender Bausteine des Lebens, wie beispielsweise der DNA. Die Form, die es jedoch für gewöhnlich auf der Erde annimmt, ist größtenteils nicht wasserlöslich and besitzt nur eine geringe chemische Reaktionsfähigkeit. Die frühe Erde wurde aber regelmäßig von Meteoriten und interstellarem Staub getroffen, die reich an exotischen Mineralen waren - darunter auch eine deutlich reaktivere Form des Phosphor wie das eisen-nickel-phosphorhaltige Schreibersit (Glanzeisen).

Die Wissenschaftler um Kee simulierten nun den Einschlag derartiger Meteoriten auf die heiße, vulkanisch-aktive junge Erde, in dem sie Proben des eisenhaltigen "Sikhote-Alin-Meteoriten", der 1947 in Sibirien niederging, in Säure aus der geothermal-aktiven Efri-Hveradalur-Region auf Island platzierten.

Nach vier Tagen Inkubationszeit in der von den umliegenden heißen Quellen erhitzten säurehaltigen Flüssigkeit, wurden die Proben weitere 30 Tage bei Raumtemperatur gelagert.

Die Analyse der sich daraus ergebenden Lösung offenbarte den Inhaltsstoff Pyrophosphit, einem molekularen Verwandten der Pyrophosphate (Diphosphate), die im ATP für den Energietransfer verantwortlich sind. Die Forscher glauben nun, dass genau dieser Stoff in dem, was sie als "chemikalisches Leben" bezeichnen, als eine frühe Form des ATP fungiert hat.

"Als 'chemikalisches Leben' bezeichnen wird jenen Zwischenschritt zwischen anorganischem Gestein und der allerersten lebenden biologischen Zelle", erläutert Kee. "Man kann sich das in etwas wie eine chemikalische Lebensmaschine vorstellen - beispielsweise einen Roboter, der zwar in der Lage ist, sich zu bewegen und auf seine Umgebung zu reagieren, aber eben noch nicht lebendig ist. Mit Hilfe dieser primitiven 'Batterien', wurden die Chemikalien auf eine Art und Weise organisiert, dass sie zu komplexerem Verhalten in der Lage waren und sich so schließlich irgendwann zu biologischen Strukturen entwickelt haben."





Erst kürzlich konnte die NASA mit der mobilen Laboreinheit "Curiosity" auch auf dem Mars Phosphor im Boden nachweisen. "Wenn der Rover Phosphor in einer jener Formen gefunden hat, die wir mittels der isländischen Quellen erzeugen konnten, so würde dies auch darauf hinweisen, dass auch der frühe Mars einst die Grundlagen für die Entstehung von Leben zur Verfügung stellte", fügt Kee hinzu.

Vor diesem Hintergrund arbeiten die Forscher aus Leeds derzeit auch schon mit dem Curiosity-Team des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA zusammen, um mehr darüber zu erfahren, wie diese frühen 'Batterien' und das chemikalische Leben, zu dessen Teil sie wurden, sich zu biologischem Leben entwickelt haben könnten. Als Teil dieser Arbeit wollen die Forscher Einrichtungen, die derzeit an der University of Leeds noch zur Erforschung von neuen Kraftstoffzellen genutzt werden, dazu verwenden, um eine "geologische Kraftstoffzelle" zu konstruieren und dazu Minerale und Gase verwenden, die es schon auf der frühen Erde gab. Anhand dieses Aufbaus wollen die Forscher dann beobachten, wie unterschiedlich beigegebene Chemikalien damit reagieren und erkunden, welche chemischen Produkte daraus entstehen. Hinzu hoffen die Forscher auch auf der grönländischen Disko-Insel reisen zu können, auf der es die einzigen natürlichen Schreibersit-Vorkommen der Erde gibt. Hier hoffen sie ihre Experimente wiederholen und zeigen zu können, dass sich dieselben Chemikalien auch in einem vollständig irdischen Milieu bilden können.

grenzwissenschaft-aktuell.de
Quelle: leeds.ac.uk


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franzpeter
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#2

Forscher lüften das Geheimnis einer Reaktion zur Synthese von organischen Molekülen

in Aus der Welt der Wissenschaft 02.07.2013 17:03
von franzpeter | 8.075 Beiträge

Mittwoch, 26. Juni 2013
Leben aus toter Materie:
Forscher lüften das Geheimnis einer Reaktion zur Synthese von organischen Molekülen



Mülheim a.d. Ruhr (Deutschland) - Die Frage, wie einst aus einem Haufen toter Materie komplexe Organismen werden konnten, wie also aus leblosen Stoffen organische Moleküle entstehen, die dann schließlich Bausteine für Tiere und Pflanzen bilden, stellte die Wissenschaft bislang vor ein großes Rätsel. Forschern am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung ist es jetzt gelungen, eines dieser Rätsel zu lüften, das sich hinter einer Synthese von organischem Material verbirgt und das Bausteine für Lebewesen bildet.

"Seit den 1960er Jahren weiß man, dass konzentrierter Cyanwasserstoff (HCN), auch als Blausäure bekannt, sogenannte Imidazole bildet", erläutert die Pressemitteilung des Instituts (kofo.mpg.de), "sobald er mit UV-Licht bestrahlt wird. Imidazole sind ringförmige Schlüsselmoleküle, die bei der Bildung von Nucleinsäuren und deren Bausteinen, den Nucleotiden, eine wichtige Rolle spielen."

Wie genau aber die Rolle des Lichts in dieser Reaktion von Blausäure zu Imidazolen ist, konnte bislang nicht erklärt werden. Einer internationalen Forschergruppe um Dr. Mario Barbatti vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung ist es nun gelungen, diese Reaktion anhand von Simulationen nachzuvollziehen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse aktuell in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" (doi: 10.1002/anie.201303246) veröffentlicht.



Mit unterschiedlichen Methoden der Computerchemie haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass beispielsweise, die Reaktion keinesfalls nur in einer heißen Umgebung stattfinden muss, obwohl Sonneneinstrahlung eine große Rolle spielt. "Das hat mit Hitze nichts zu tun, sondern mit Elektronen", erklärt Barbatti.

Die Blausäure durchlaufe während der Reaktion eine ganze Reihe von elektronisch aufgeladenen Stadien. Durch die UV-Strahlen, wie sie von der Sonne ausgestrahlt werden, werde das Molekül in einen "angeregten Zustand" versetzt. Das bedeutet, dass die Elektronen völlig anders verteilt sind als im normalen Zustand, wodurch sich die Eigenschaften des Moleküls verändern. "Das passiert in diesem Fall aber sehr schleppend", erklärt der Forscher, da die Zerstreuung der Sonnenstrahlen zu schnell vonstatten gehe. Jedes Molekül müsse darum mit hunderten von UV-Photonen beschossen werden, bevor endlich der entscheidende Schritt passiert und aus der Blausäure das Imidazol wird.

"Das ist sehr ineffizient und daher wirklich ungewöhnlich", so Barbatti weiter. Darum sei es auch nicht einfach gewesen, die Reaktion rechnerisch nachzuvollziehen, so der Physiker aus Brasilien. Schritt für Schritt haben er und seine Kollegen am Computer mögliche Zwischenstadien errechnet und ausprobiert, viele davon auch wieder verworfen, bevor sie den richtigen Weg gefunden haben, der mit der schnellen Zerstreuung der Energie und den Erkenntnissen aus der Experimentalchemie zusammenpasst.

Den Grund, weswegen die Forscher am Computer und nicht im Labor gearbeitet haben, erläutert Barbatti wie folgt: "Einige Zwischenstadien der Reaktion sind zu flüchtig. Sie verschwinden, bevor wir sie sehen können. Die Computerchemie erlaubt es jedoch, Reaktionen theoretisch nachzuvollziehen."

Die Umwandlung von Blausäure zu Imidazolen funktioniere nicht nur unter Hitze sondern auch in einer kalten Umgebung, beispielsweise in einem Kometen oder im Eis, das auf einem Planeten wie der Erde vorkommt, erläutert der Forscher abschließend. "In solchen Umgebungen ist auch die spontane Bildung von Blausäure viel wahrscheinlicher."

Grenz| Wissenschaft-aktuell


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franzpeter
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