Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens: fünf große wissenschaftliche Entdeckungen der letzten fünf Jahre

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens: fünf große wissenschaftliche Entdeckungen der letzten fünf Jahre
Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens: fünf große wissenschaftliche Entdeckungen der letzten fünf Jahre
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In Evry arbeitet ein Laborteam an der Gentherapie.

Es gibt immer noch so viel, was wir über den Ursprung des Lebens auf der Erde nicht verstehen.

Die Definition des Lebens selbst ist unter Wissenschaftlern umstritten, aber die meisten Forscher sind sich über die grundlegenden Bestandteile einer lebenden Zelle einig. Wasser, Energie und einige lebenswichtige Elemente sind die Voraussetzungen für die Entstehung von Zellen. Die genauen Einzelheiten, wie dies geschieht, bleiben jedoch ein Rätsel.

Die jüngste Forschung konzentriert sich auf den Versuch, die chemischen Reaktionen, die das Leben, wie wir es kennen, ausmachen, im Labor nachzubilden, und zwar unter Bedingungen, die für die frühe Erde (vor etwa 4 Milliarden Jahren) plausibel waren. Dank technologischer Fortschritte und einem besseren Verständnis der Anfangsbedingungen der Erde sind Experimente komplexer geworden.

Doch weit davon entfernt, Wissenschaftler zusammenzubringen und die Debatte zu lösen, hat der Aufstieg der experimentellen Arbeit zahlreiche widersprüchliche Theorien hervorgebracht. Einige Wissenschaftler glauben, dass das Leben in hydrothermalen Tiefseequellen entstanden ist, wo die Bedingungen die notwendige Energie lieferten. Andere argumentieren, dass terrestrische heiße Quellen eine bessere Umwelt geboten hätten, da sie mit größerer Wahrscheinlichkeit organische Moleküle aus Meteoriten enthalten. Dies sind nur zwei Möglichkeiten, die derzeit geprüft werden.

Hier sind fünf der bemerkenswertesten Entdeckungen der letzten fünf Jahre.

Reaktionen in den ersten Zellen

Welche Energiequelle löste die chemischen Reaktionen aus, aus denen Leben entstand? Dies ist das Rätsel, das ein deutsches Forscherteam aufklären wollte. Das Team untersuchte die Machbarkeit von 402 Reaktionen, von denen bekannt ist, dass sie einige der wesentlichen Bausteine ​​des Lebens erzeugen, beispielsweise Nukleotide (ein Baustein von DNA und RNA). Dazu nutzten sie einige der häufigsten Elemente, die auf der frühen Erde gefunden werden konnten.

Es wird angenommen, dass diese in modernen Zellen auftretenden Reaktionen auch den zentralen Stoffwechsel von LUCA, dem letzten universellen gemeinsamen Vorfahren, einem einzelligen, bakterienähnlichen Organismus, ausmachen.

Für jede Reaktion berechneten sie die Änderungen der freien Energie, die darüber entscheidet, ob eine Reaktion ohne andere externe Energiequellen ablaufen kann. Das Faszinierende ist, dass viele dieser Reaktionen unabhängig von äußeren Einflüssen wie Adenosintriphosphat, einer universellen Energiequelle in lebenden Zellen, abliefen.

Die Synthese der Grundelemente des Lebens benötigte keine externe Energieversorgung: Sie war selbsterhaltend.

Vulkanisches Glas

Das Leben ist auf Moleküle angewiesen, um Informationen zu speichern und zu übertragen. Wissenschaftler glauben, dass RNA-Stränge (Ribonukleinsäure) Vorläufer für die Erfüllung dieser Rolle durch DNA waren, da ihre Struktur einfacher ist.

Die Entstehung von RNA auf unserem Planeten hat Forscher lange Zeit vor ein Rätsel gestellt. In letzter Zeit wurden jedoch einige Fortschritte erzielt. Im Jahr 2022 erzeugte ein Team von Mitarbeitern in den USA im Labor stabile RNA-Stränge. Dies gelang ihnen, indem sie Nukleotide durch vulkanisches Glas leiteten. Die von ihnen gebildeten Stränge waren lang genug, um Informationen zu speichern und zu übertragen.

Dank häufiger Meteoriteneinschläge und starker vulkanischer Aktivität war auf der frühen Erde vulkanisches Glas vorhanden. Es wird angenommen, dass die in der Studie verwendeten Nukleotide auch in dieser Zeit der Erdgeschichte vorhanden waren. Vulkangestein könnte chemische Reaktionen erleichtert haben, die Nukleotide zu RNA-Ketten zusammenfügten.

Hydrothermale Quellen

Bei der Kohlenstofffixierung handelt es sich um einen Prozess, bei dem CO₂ Elektronen aufnimmt. Es ist notwendig, die Moleküle aufzubauen, die die Grundlage des Lebens bilden.

Um diese Reaktion voranzutreiben, wird ein Elektronendonor benötigt. In der frühen Erde könnte H₂ (Wasserstoff) der Elektronendonor gewesen sein. Im Jahr 2020 zeigte ein Team von Mitarbeitern, dass diese Reaktion spontan ablaufen und durch Umweltbedingungen angetrieben werden könnte, die den alkalischen Hydrothermalquellen in der Tiefsee in den frühen Ozeanen ähneln. Dazu nutzten sie Mikrofluidik-Technologie, Geräte, die winzige Flüssigkeitsmengen manipulieren, um Experimente durchzuführen, indem sie alkalische Entlüftungsöffnungen simulieren.

Dieser Weg ähnelt auffallend der Funktionsweise vieler moderner Bakterien- und Archaeenzellen (einzellige Organismen ohne Zellkern).

Der Krebs-Zyklus

In modernen Zellen folgt auf die Kohlenstofffixierung eine Kaskade chemischer Reaktionen, die in komplexen Stoffwechselnetzwerken, die von Enzymen gesteuert werden, Moleküle zusammenbauen oder abbauen.

Wissenschaftler diskutieren jedoch immer noch darüber, wie Stoffwechselreaktionen vor der Entstehung und Entwicklung dieser Enzyme abliefen. Im Jahr 2019 gelang einem Team der Universität Straßburg in Frankreich ein Durchbruch. Sie zeigten, dass Eiseneisen, eine Eisenart, die in der Erdkruste und in den Ozeanen reichlich vorhanden ist, neun der elf Phasen des Krebszyklus antreiben kann. Der Krebszyklus ist ein biologischer Stoffwechselweg, der in vielen lebenden Zellen vorkommt.

Hier fungierte Eisen als Elektronendonor für die Kohlenstofffixierung, was die Reaktionskaskade antreibt. Durch die Reaktionen entstanden die fünf universellen Stoffwechselvorläufer – fünf grundlegende Moleküle in verschiedenen Stoffwechselwegen in allen lebenden Organismen.

Bausteine ​​alter Zellmembranen

Das Verständnis der Entstehung der Bausteine ​​des Lebens und ihrer komplexen Reaktionen ist ein großer Fortschritt beim Verständnis der Entstehung des Lebens.

Unabhängig davon, ob sie in heißen Quellen auf der Erde oder in der Tiefsee abliefen, wären diese Reaktionen ohne die Zellmembran nicht sehr effizient gewesen. Zellmembranen spielen eine aktive Rolle in der Biochemie einer primitiven Zelle und ihrer Verbindung mit der Umwelt.

Moderne Zellmembranen bestehen hauptsächlich aus Elementen, die Phospholipide genannt werden und einen hydrophilen Kopf und zwei hydrophobe Schwänze enthalten. Sie sind in Doppelschichten aufgebaut, wobei die hydrophilen Köpfe nach außen und die hydrophoben Schwänze nach innen zeigen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bestimmte Bestandteile von Phospholipiden, wie etwa die Fettsäuren, aus denen die Schwänze bestehen, unter verschiedenen Umweltbedingungen selbst zu diesen Doppelschichtmembranen zusammenlagern können. Aber waren diese Fettsäuren auf der frühen Erde vorhanden? Aktuelle Forschungsergebnisse der University of Newcastle, Großbritannien, liefern eine interessante Antwort. Die Forscher stellten die spontane Bildung dieser Moleküle nach, indem sie H₂-reiche Flüssigkeiten, die wahrscheinlich in alten alkalischen Hydrothermalquellen vorhanden waren, mit CO₂-reichem Wasser, das den frühen Ozeanen ähnelte, kombinierten.

Dieser Fortschritt steht im Einklang mit der Hypothese, dass stabile Fettsäuremembranen aus alkalischen hydrothermalen Quellen stammen und möglicherweise in lebende Zellen übergehen könnten. Die Autoren dieser Arbeit stellten die Hypothese auf, dass ähnliche chemische Reaktionen in den unterirdischen Ozeanen eisiger Monde ablaufen könnten, die über hydrothermale Quellen verfügen würden, die denen auf der Erde ähneln.

Jede dieser Entdeckungen fügt dem Puzzle über den Ursprung des Lebens ein neues Teil hinzu. Welche sich auch immer als richtig herausstellt, gegensätzliche Theorien befeuern die Suche nach Antworten. Wie Charles Darwin schrieb:

Falsche Tatsachen sind äußerst schädlich für den Fortschritt der Wissenschaft, weil sie oft lange anhalten. Aber falsche Ideen richten, wenn sie durch Beweise gestützt werden, wenig Schaden an, weil jeder ein heilsames Vergnügen daran hat, ihre Falschheit zu beweisen; und wenn dies geschieht, wird ein Weg zum Irrtum verschlossen und oft gleichzeitig der Weg zur Wahrheit geöffnet.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf der Website von The Conversation veröffentlicht: Klicken Sie HIER

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