Neue Rezepte für den Ursprung des Lebens könnten den Weg zu fernen, bewohnten Planeten weisen

September 19, 2023

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von Chris Barncard, Universität von Wisconsin-Madison

Das Leben auf einem fernen Planeten - falls es dort draußen ist - könnte ganz anders aussehen als das Leben auf der Erde. Aber es gibt nur eine begrenzte Anzahl chemischer Zutaten in der Speisekammer des Universums und nur eine begrenzte Anzahl von Möglichkeiten, sie zu mischen. Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern an der University of Wisconsin-Madison hat diese Begrenzungen genutzt, um ein Kochbuch mit Hunderten von chemischen Rezepten zu erstellen, die das Potenzial haben, Leben entstehen zu lassen. 

Ihre Zutatenliste könnte die Suche nach Leben anderswo im Universum darauf hinweisen, unter welchen Bedingungen die wahrscheinlichsten Voraussetzungen - planetarische Versionen von Mischtechniken, Backofentemperaturen und Backzeiten - für das Zusammenspiel der Rezepte bestehen.

Der Prozess vom einfachen Beginn mit chemischen Grundstoffen hin zu den komplexen Zyklusen des Zellstoffwechsels und der Fortpflanzung, die das Leben definieren, erfordert nach Angaben der Forscher nicht nur einen einfachen Anfang, sondern auch Wiederholung.

"Der Ursprung des Lebens ist wirklich ein Prozess des Etwas-aus-dem-Nichts", sagt Betül Kaçar, eine von der NASA geförderte Astrobiologin und Professorin für Bakteriologie an der UW-Madison. "Aber dieses Etwas kann nicht nur einmal passieren. Leben basiert auf Chemie und Bedingungen, die ein selbstreproduzierendes Reaktionsmuster erzeugen können."

Chemische Reaktionen, die Moleküle produzieren, die dieselbe Reaktion immer wieder anregen, werden als autokatalytische Reaktionen bezeichnet. In einer neuen Studie, die im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, haben Zhen Peng, ein Postdoktorand im Labor von Kaçar, und seine Mitarbeiter 270 Kombinationen von Molekülen zusammengestellt - mit Atomen aus allen Gruppen und Reihen des Periodensystems - mit dem Potenzial für eine nachhaltige Autokatalyse.

"Man ging davon aus, dass solche Reaktionen sehr selten sind", sagt Kaçar. "Wir zeigen, dass sie tatsächlich weit verbreitet sind. Man muss nur am richtigen Ort suchen."

Die Forscher konzentrierten ihre Suche auf sogenannte Komproportionierungsreaktionen. Bei diesen Reaktionen kombinieren sich zwei Verbindungen, die dasselbe Element mit unterschiedlicher Anzahl von Elektronen oder reaktiven Zuständen enthalten, um eine neue Verbindung zu erzeugen, bei der das Element in der Mitte der Ausgangszustände steht.

Um autokatalytisch zu sein, müssen die Ergebnisse der Reaktion auch Ausgangsmaterialien für die erneute Durchführung der Reaktion liefern, sodass die Ausgabe zu einem neuen Eingabe wird, sagt Zach Adam, Mitautor der Studie und Geowissenschaftler an der UW-Madison, der die Ursprünge des Lebens auf der Erde erforscht. Komproportionierungsreaktionen führen zu mehreren Kopien einiger der beteiligten Moleküle und liefern Material für die nächsten Schritte in der Autokatalyse.

"Wenn diese Bedingungen stimmen, können Sie mit relativ wenigen dieser Ausgaben beginnen", sagt Adam. "Jedes Mal, wenn Sie eine Wende des Zyklus nehmen, geben Sie mindestens eine zusätzliche Ausgabe ab, die die Reaktion beschleunigt und sie noch schneller ablaufen lässt."

Autokatalyse ist wie eine wachsende Population von Kaninchen. Paare von Kaninchen kommen zusammen, bringen Würfe von neuen Kaninchen zur Welt und dann wachsen die neuen Kaninchen heran, um sich selbst zu paaren und noch mehr Kaninchen zu bekommen. Es braucht nicht viele Kaninchen, um bald viel mehr Kaninchen zu haben.

Auf der Suche nach Schlappohren und flauschigen Schwänzen im Universum ist jedoch wahrscheinlich keine gewinnbringende Strategie. Stattdessen hofft Kaçar, dass Chemiker Ideen aus der Rezeptliste der neuen Studie entnehmen und diese in Töpfen und Pfannen testen, die extraterrestrische Küchen simulieren.

"Wir werden nie definitiv wissen, was genau auf diesem Planeten geschah, um Leben zu erzeugen. Wir haben keine Zeitmaschine", sagt Kaçar. "Aber in einem Reagenzglas können wir mehrere planetarische Bedingungen schaffen, um zu verstehen, wie sich die Dynamik zur Erhaltung des Lebens überhaupt entwickeln kann."

Kaçar leitet ein von der NASA unterstütztes Konsortium namens MUSE, für Metal Utilization & Selection Across Eons. Ihr Labor wird sich auf Reaktionen mit den Elementen Molybdän und Eisen konzentrieren, und sie ist gespannt, was andere aus den exotischsten und ungewöhnlichsten Teilen des neuen Rezeptbuchs zaubern werden.

"Carl Sagan sagte, wenn du einen Kuchen von Grund auf backen willst, musst du zuerst das Universum erschaffen", sagt Kaçar. "Ich denke, wenn wir das Universum verstehen wollen, müssen wir zuerst ein paar Kuchen backen."

Zeitschrifteninformationen: Journal of the American Chemical Society

Provided by University of Wisconsin-Madison