Schützende Tröpfchen: Ein überraschend alltägliches Phänomen könnte die Bildung der ersten Lebensbausteine ermöglicht haben. Denn sie wären in der Ursuppe eigentlich schnell wieder zerfallen. Doch ein Experiment zeigt, dass das nicht sein muss: Der Mechanismus der Phasentrennung könnte den Molekülen den nötigen Schutz geboten haben – solange, bis die ersten Zellen diese Funktion übernahmen.
Wie entstand das erste Leben auf der Erde? Und wo bildeten sich die ersten Lebensbausteine? Bisher gibt es auf diese Fragen keine eindeutigen Antworten. Einer der Gründe dafür: Viele komplexeren Biomoleküle sind chemisch instabil. Sie bleiben nur dann bestehen, wenn Energie zugeführt wird oder ihre Konzentration künstlich niedrig gehalten wird. In lebenden Organismen sorgt schützende Zellumgebung dafür.
Doch in den Gewässern der Urerde gab es bei der Bildung der ersten Lebensbausteine noch keine schützenden Zellen. Wie also konnten damals trotzdem komplexe Biomoleküle entstehen, ohne sofort wieder zu zerfallen? Bisher haben Forscher dazu mehrere Hypothesen aufgestellt. So könnten Poren in Tongestein, in erstarrter Lava von Untersee-Vulkanen, in Schichtsilikaten oder kleinen Geysir-Tümpeln die nötigen Reaktionskammern geliefert haben.
Wirkte die Phasentrennung mit?
Eine weitere Möglichkeit haben nun Marta Tena-Solsona von der Universität München und ihre Kollegen untersucht. Ihre Vermutung: Vielleicht sorgte ja der simple Prozess der Phasentrennung für die nötigen Reaktionsräume in der Ursuppe. Eine solche Phasentrennung findet beispielsweise statt, wenn man eine Salatsauce aus Essig und Öl stehen lässt: Das Öl bildet auf den wässrigen Bestandteilen eine Schicht.
Eine andere Analogie erklärt Koautor Job Boekhoven: „Stellen Sie sich ein altes, rostiges Auto vor: Lassen Sie es draußen im Regen, rostet es weiter und zerfällt, denn Rosten ist eine Reaktion, die von Wasser beschleunigt wird. Stellt man es in die Garage, hört es auf zu rosten, weil man es physisch vom Regen trennt.“
Öltröpfchen in der „Ursuppe“
Als Modell der „Ursuppe“ ließen die Forscher eine Reaktion zwischen verschiedenen Carbonsäuremolekülen und Carbodiimiden ablaufen – energiereichen Verbindungen, die mit den Carbonsäuren reagieren. Die bei der Reaktion entstehenden instabilen Anhydride zerfallen jedoch in wässrigen Lösungen schnell wieder in Carbonsäuren.
Doch wie die Experimente ergaben, war dies nicht bei allen Reaktionen der Fall: Einige Anhydride überlebten überraschend lange. Den Grund entdeckten die Wissenschaftler, als sie die Vorgänge näher untersuchten. Es zeigte sich, dass diejenigen Anhydride am längsten überlebten, die eine Art Öltröpfchen in wässriger Umgebung bilden konnten. Den Effekt sah man auch äußerlich: Die anfänglich klare Lösung wurde milchig.
Schutz für erste Lebensmoleküle
Nach Ansicht der Forscher könnte genau dieser Effekt auch in der Ursuppe für stabile Reaktionen gesorgt haben. Denn die Öltröpfchen sorgen dafür, dass die empfindlichen Anhydride vom umgebenden Wasser isoliert werden. Der Wassermangel in den Öltröpfchen wirkt wie ein Schutz und verhindert so den Zerfall der Moleküle. Konkurrieren die Moleküle miteinander um Energie, überleben diejenigen eher, die sich selbst schützen können, indem sie Öltröpfchen bilden.
Die Phasentrennung bietet damit einen Mechanismus, der extrem instabilen Molekülen, wie sie in der Ursuppe vorzufinden waren, eine höheres Maß an Stabilität ermöglicht. Sie konnten länger überleben, auch wenn sie eine Periode ohne Energiezufuhr von außen überstehen mussten. Da der Mechanismus der Phasentrennung so einfach ist, könnte er auch bei Lebensbausteinen wie der DNA, RNA oder sogar sich selbst teilende Bläschen vorkommen.
„Als nächstes hoffen wir, aus der primitiven Chemie einen selbstreplizierenden Informationsträger zu schaffen, der bis zu einem gewissen Grad vor Zerfall geschützt ist“, so Boekhoven. (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-04488-y)
(Technische Universität München, 25.05.2018 – NPO)
