Atmospheric UV synthesis of aldehydes and oxidant from CO2, CO and H2O initiating the first ancestral metabolism

Bevor das Leben beginnen konnte, benötigte die Erde einen Weg, um einfache, leblos wirkende Gase in die komplexen Bausteine der Biologie zu verwandeln. Wissenschaftler debattieren seit langem darüber, wie dieser Übergang stattgefunden haben könnte, wobei sie sich auf zwei Hauptmöglichkeiten konzentrieren: Entweder erschienen zuerst genetische Moleküle wie RNA oder ein Netzwerk chemischer Reaktionen, das wir heute als Stoffwechsel bezeichnen. In beiden Szenarien ist der Ausgangspunkt derselbe: Die frühe Atmosphäre war gefüllt mit Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf. Die Frage ist, wie das Sonnenlicht auf diese Zutaten einwirken konnte, um die Zucker, Säuren und Proteine zu erzeugen, die für den Beginn des Lebens notwendig sind. Jahrzehntelang wussten Forscher, dass Sonnenlicht Kohlenmonoxid und Wasser in Formaldehyd verwandeln kann, ein einfaches, zuckerähnliches Molekül. Es war jedoch unklar, ob dieser Prozess die reiche Vielfalt an Chemikalien erzeugen konnte, die nötig waren, um ein lebendes System anzukurbeln, oder ob die raue, oxidierende Umgebung der frühen Erde diese fragilen Moleküle einfach zerstören würde, bevor sie etwas Nützliches bewirken konnten.

Ein Team von Forschern unter der Leitung von Yuichiro Ueno am Institute of Science Tokyo hat nun demonstriert, dass diese atmosphärische Chemie weitaus produktiver und komplexer ist als bisher angenommen. Durch die Simulation der Bedingungen der frühen Erdatmosphäre in einem Glasgefäß zeigten sie, dass das Sonnenlicht nicht nur Formaldehyd erzeugt, sondern eine ganze Familie kleiner Aldehyde, einschließlich Acetaldehyd und Glyoxal. Wenn diese Gase in Wasser gelöst werden, liegen sie nicht einfach nur da oder bauen sich ab. Stattdessen beginnen sie miteinander zu reagieren, in einem selbsterhaltenden Zyklus, der die Kernprozesse der modernen biologischen Atmung nachahmt. Die Studie, die in einer überarbeiteten Fassung für die Fachzeitschrift PEPS veröffentlicht wurde, legt nahe, dass eine primitive Form des Stoffwechsels spontan aus der Wechselwirkung von Sonnenlicht, Wasser und Kohlenstoffgasen entstanden sein könnte, was eine stabile chemische Grundlage bot, damit das Leben schließlich Fuß fassen konnte.

Das Experiment begann damit, dass ein Glasgefäß mit Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserdampf gefüllt und dann dem ultravioletten Licht ausgesetzt wurde, das das intensive Sonnenlicht der frühen Erde nachahmte. Die Forscher beobachteten, was geschah, als das Licht Wassermoleküle aufbrach und hochreaktive Fragmente erzeugte, die die Kohlenstoffgase angriffen. Sie fanden heraus, dass der Prozess nicht nur das erwartete Formaldehyd produzierte, sondern auch signifikante Mengen an Acetaldehyd und Glyoxal. Diese Moleküle sind entscheidend, da sie als Ausgangspunkte für den Aufbau größerer, komplexerer Strukturen dienen. Das Team verfolgte dann, wie sich diese Gase verhielten, sobald sie sich im flüssigen Wasser am Boden des Gefäßes lösten. Im Wasser wurde die Chemie noch dynamischer. Die gelösten Aldehyde reagierten zur Bildung von Hydroxyaldehyden, die Vorläufer von Zuckern sind, sowie verschiedener Säuren wie Glykolsäure und Milchsäure.

Was diese Entdeckung besonders bemerkenswert macht, ist das Verhalten des Systems im Laufe der Zeit. Die Forscher beobachteten, dass während das Sonnenlicht starke Oxidationsmittel erzeugte, die organische Moleküle hätten zerstören können, eine spezifische Gruppe von Chemikalien überlebte und sich sogar selbst regenerierte. Das System arbeitete durch einen Zyklus der Kondensation, bei dem kleine Moleküle zu größeren verschmolzen; der Oxidation, bei der sie Sauerstoff aufnahmen, um zu Säuren zu werden; und der Decarboxylierung, bei der sie ein Kohlenstoffatom verloren, um zu einer kleineren Form zurückzukehren. Dieser Zyklus ermöglichte es, dass bestimmte Moleküle, wie etwa Glycolaldehyd und Acetaldehyd, kontinuierlich recycelt wurden. Die Autoren nennen dies den Primitiven Respirationszyklus (Atmungszyklus). Er fungiert wie ein chemischer Motor, der einen spezifischen Satz von Molekülen in Umlauf hält und sie davor schützt, vollständig zu Kohlendioxid abgebaut zu werden, solange die Atmosphäre weiterhin frische Aldehyde liefert.

Die Studie untersuchte auch, was geschah, wenn Ammoniak in diese Mischung eingebracht wurde, um das Vorhandensein von Stickstoff in der frühen Umgebung zu simulieren. Die Ergebnisse waren gleichermaßen überzeugend. Das bestehende Netzwerk aus kohlenstoffbasierten Molekülen reagierte mit dem Ammoniak zu Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen, sowie heterozyklischen Stickstoffverbindungen. Diese Stickstoffringe sind strukturell ähnlich wie Coenzyme, die essenziellen Helfer im modernen biologischen Stoffwechsel. Die Forscher fanden heraus, dass das System natürlich bestimmte Arten von Aminosäuren selektierte, insbesondere jene, die heute im Leben verwendet werden, während es weniger der alternativen Formen produzierte. Dies deutet darauf hin, dass die chemische Umgebung selbst als Filter fungieren konnte, der die Moleküle begünstigte, die schließlich Teil lebender Zellen würden.

Die Forscher merken vorsichtig an, dass dies nicht beweist, dass das Leben exakt so begann, aber es bietet einen plausiblen und robusten Mechanismus dafür, wie die ersten Stoffwechselnetzwerke entstehen konnten. Das von ihnen beobachtete System ist selbstorganisierend, was bedeutet, dass es seine eigene Ordnung schafft, ohne die Notwendigkeit von Enzymen oder genetischen Anweisungen. Es beruht vollständig auf den physikalischen Gesetzen der Chemie und der durch die Sonne bereitgestellten Energie. Die Studie widerlegt die Vorstellung, dass Formaldehyd das einzige signifikante Produkt der atmosphärischen Photochemie war, und zeigt stattdessen, dass eine vielfältige Suppe aus reaktiven Molekülen unvermeidlich war. Sie stellt auch die Annahme infrage, dass die oxidierende Natur der frühen Atmosphäre die Akkumulation organischer Materie verhindert hätte; stattdessen zeigt die Studie, dass dieselben Oxidationsmittel, die diese Moleküle zu zerstören drohen, auch genau die Treiber sind, die den Zyklus am Laufen halten.

Am Ende zeichnet die Arbeit das Bild einer präbiotischen Erde, in der die Atmosphäre und die Ozeane in einem kontinuierlichen chemischen Gespräch standen. Das Sonnenlicht trieb die Umwandlung einfacher Gase in eine komplexe Mischung organischer Stoffe voran, die sich dann im Wasser niederschlugen, um ein stabiles, recyceltes Netzwerk zu bilden. Dieses Netzwerk konnte über lange Zeiträume bestehen und die notwendigen Zutaten für das Leben ansammeln. Wenn die richtigen Bedingungen eintraten, wie etwa die Verfügbarkeit von Phosphaten oder die Bildung von Kompartimenten, konnte dieses chemische System in die enzymatischen und genetischen Systeme übergehen, die wir als Leben kennen. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Bauplan des Stoffwechsels kein seltener Unfall war, sondern eine natürliche Folge der Chemie eines Planeten, der in Sonnenlicht gebadet wurde und darauf wartete, dass der nächste Schritt in der Evolution beginnt.