Die Oberfläche eines gewöhnlichen Minerals könnte den Schlüssel zur Entstehung des Lebens bergen. Eine aktuelle Studie zeigt, wie Aluminiumoxid die Bildung der ersten komplexen Moleküle katalysiert haben könnte.
Aluminiumoxid, auch α-Aluminiumoxid genannt, ist ein häufig vorkommendes Mineral in der Erdkruste. Laut einer Studie in
Science Advances könnten seine Oberflächen als Plattform für die Zusammenlagerung von Aminosäuren, den Grundbausteinen des Lebens, gedient haben. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven auf die chemischen Ursprünge des Lebens.
Adsorption von Glycin auf einer Aluminiumoxid-Oberfläche.
Quelle: Ruiyu Wang.
Molekulardynamische Simulationen haben gezeigt, dass Aluminiumoxid wie eine mikroskopische Schablone wirkt. Es zieht Glycin-Moleküle an und ordnet sie an, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass sie Ketten bilden, erheblich steigt. Dieser Prozess ist bis zu 100.000 Mal effizienter als in reinem Wasser.
Die Grenzfläche zwischen Mineral und Wasser schafft eine Zone mit hoher Aminosäurekonzentration. Diese lokale Dichte begünstigt die chemischen Reaktionen, die für die Polymerisation notwendig sind. Die Moleküle richten sich nach der atomaren Struktur des Aluminiumoxids aus und stabilisieren so die gebildeten Ketten.
Wasser, oft nur als einfaches Lösungsmittel betrachtet, spielt hier eine entscheidende Rolle. Die Wassermoleküle, die die Aminosäuren umgeben, müssen verdrängt werden, damit diese sich verbinden können. Aluminiumoxid erleichtert diesen Prozess, indem es die Glycin-Moleküle optimal ausrichtet.
Diese Ergebnisse beleuchten die Mechanismen, die zur Entstehung des Lebens geführt haben könnten. Sie legen nahe, dass Mineralien eine günstige Umgebung für die Bildung der ersten Biomoleküle geboten haben könnten. Diese Hypothese stärkt die Idee eines mineralischen Ursprungs des Lebens.
a) Glycin nimmt eine Wasserstoffbrücke mit einer AlOH-Gruppe über seine Carboxylgruppe auf.
b) Glycin nimmt zwei Wasserstoffbrücken über seine Carboxylgruppe auf.
c) Glycin gibt eine (unten) oder zwei (oben) Wasserstoffbrücken über seine Aminogruppe ab.
d) Glycin gibt drei Wasserstoffbrücken über seine Aminogruppe ab.
e) 2D-Verteilung der Kohlenstoffatome der Carboxylgruppe an der α-Aluminiumoxid(0001)-Oberfläche.
f) 2D-Verteilung der Stickstoffatome der Aminogruppe an derselben Oberfläche. Die violetten und grauen Punkte zeigen die Sauerstoff- und Aluminiumatome der Oberfläche.
Die potenziellen Anwendungen dieser Entdeckungen sind vielfältig. Indem sie sich von diesen natürlichen Prozessen inspirieren lassen, könnten Wissenschaftler neue biomimetische Materialien entwickeln. Diese Innovationen könnten Bereiche wie Medizin oder Biotechnologie revolutionieren.
Diese Studie unterstreicht die Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen Mineralien und organischen Molekülen. Sie bietet einen ernstzunehmenden Ansatz, um zu verstehen, wie Leben aus unbelebter Materie entstehen konnte. Die Forschung wird fortgesetzt, um weitere Mineralien und ihre mögliche Rolle bei der Entstehung des Lebens zu untersuchen.
Fokus: Wie können Mineralien die Bildung komplexer Moleküle katalysieren?
Mineralien wie Aluminiumoxid besitzen Oberflächen mit besonderen Eigenschaften. Diese Oberflächen können organische Moleküle adsorbieren, ausrichten und konzentrieren. Diese räumliche Anordnung begünstigt chemische Reaktionen zwischen den Molekülen.
Die Adsorption verringert auch die Energie, die für die Reaktionen benötigt wird. Mineralien wirken somit als natürliche Katalysatoren. Sie beschleunigen Prozesse, die unter normalen Bedingungen zu langsam oder unwahrscheinlich wären.
Zudem verleiht die Kristallstruktur der Mineralien den adsorbierten Molekülen eine Ordnung. Diese Ordnung kann zur Bildung komplexerer und stabilerer Strukturen führen. Es ist ein Schlüsselmechanismus, um zu verstehen, wie die ersten Biomoleküle entstanden sein könnten.
Welche Rolle spielt Wasser bei der Zusammenlagerung von Aminosäuren?
Wasser ist essenziell für das Leben, kann aber auch ein Hindernis darstellen. Wassermoleküle bilden eine Hülle um Aminosäuren, die diese manchmal daran hindert, sich zu nähern. Damit diese Aminosäuren reagieren können, muss diese Wasserhülle teilweise entfernt werden.
Mineraloberflächen können diesen Prozess erleichtern. Indem sie Aminosäuren adsorbieren, befreien sie diese teilweise von ihrer Wasserhülle. Dadurch können sich die Moleküle ausreichend nähern, um miteinander zu reagieren.
Wasser beeinflusst auch die Struktur der adsorbierten Moleküle. Je nach An- oder Abwesenheit von Wasser können Aminosäuren verschiedene Konformationen einnehmen. Diese Flexibilität ist entscheidend für die Bildung komplexer Polymerketten.
Quelle: Science Advances