Wie könnten geologische Prozesse die Entstehung des Lebens auf der Erde begünstigt haben? Eine in
Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt einen abiotischen Mechanismus der Energieumwandlung, der von Zellmembranen inspiriert ist. Eine Entdeckung mit großen Implikationen für das Verständnis der Ursprünge des Lebens und aktueller Bioenergieprozesse.
Reaktionen, die den Gesetzen der Thermodynamik zu trotzen scheinen
Das Leben besitzt eine bemerkenswerte Eigenschaft: Es schafft es, chemische Zustände fernab des Gleichgewichts aufrechtzuerhalten und zu nutzen. Bereits 1945 stellte der Physiker Erwin Schrödinger in seinem Werk
What is Life? diese Besonderheit in Frage und betonte, dass lebende Organismen Energiegradienten nutzen, um Materie zu organisieren.
Diese Fotos zeigen hydrothermale Schlote, auch "Schwarze Raucher" genannt.
Bild Wikimedia
Ein zentrales Beispiel ist die Chemiosmose, ein Mechanismus, den Zellen zur Energieerzeugung nutzen. In Mitochondrien oder Bakterien ermöglicht ein Protonengradient über eine Membran die Erzeugung chemischer Reaktionen, die für den Stoffwechsel essentiell sind.
Doch eine Frage bleibt: Könnten ähnliche Prozesse in rein mineralischen Umgebungen existiert haben, noch bevor die ersten Zellen entstanden?
Mineralische "Membranen", die metallisches Eisen produzieren können
Um diese Hypothese zu überprüfen, haben Wissenschaftler im Labor Analoga von eisenreichen, alkalischen hydrothermalen Schloten nachgebildet, ähnlich denen, die auf der frühen Erde existierten.
Die in der Zeitschrift
Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zeigen ein unerwartetes Phänomen: Die Energie eines pH-Gradienten kann in die Produktion von metallischem Eisen umgewandelt werden, eine Reaktion, die prinzipiell ohne die Anwesenheit eines chemischen Reduktionsmittels nicht stattfinden sollte.
Dieser Prozess beruht auf gekoppelten Ionen- und Elektronentransfers innerhalb mineralischer "Membranen". Diese Strukturen wirken dann wie echte Energie-Interfaces, die in mancher Hinsicht mit biologischen Membranen vergleichbar sind.
Lokal ermöglichen diese Transfers die Aufrechterhaltung von Redox-Zuständen fernab des Gleichgewichts, verbunden mit einer lokalen Verringerung der Entropie, einer Bedingung, die als wesentlich für die Entstehung primitiver metabolischer Reaktionen gilt.
Ein unerwarteter Mechanismus
Die Ergebnisse stellen einige frühere Hypothesen in Frage. Bisher dachte man, dass diese Art von Reaktion vor allem von reaktiven chemischen Verbindungen abhängt, die durch pH-Unterschiede erzeugt werden.
Die Studie zeigt jedoch, dass die intrinsischen Eigenschaften der Mineralien ausreichen: Die Struktur der mineralischen Membran selbst ermöglicht die direkte Umwandlung der Energie des pH-Gradienten in einen Redox-Gradienten, der für die im Leben vorkommenden chemischen Reaktionen essentiell ist.
Diese Entdeckung legt nahe, dass rein geologische Systeme eine aktive Rolle bei den ersten präbiotischen Energieumwandlungen gespielt haben könnten.
Experimentelle Nachbildung eines Analogs einer mineralischen Membran aus alkalischen hydrothermalen Quellen (AHV).
Die Ausfällung von Eisenoxyhydroxiden an der Grenzfläche zwischen einer alkalischen und einer sauren Lösung führt zur Bildung einer strukturierten mineralischen Barriere.
Diese Membran erzeugt pH- und Redox-Potentialgradienten, die mit der Disproportionierung von Fe²⁺ in Fe³⁺ (Magnetit) und Fe⁰ verbunden sind. Dies erinnert an einen Mechanismus, der analogen lebenden Mechanismen ähnelt und lokal thermodynamisch nichtgleichgewichtige Redox-Zustände erzeugt.
© Simon Duval Auf dem Weg zur Rekonstruktion der ersten Schritte des Stoffwechsels
Diese Studie deutet darauf hin, dass geologische Umgebungen wie hydrothermale Schlote eine Schlüsselrolle bei der Katalyse präbiotischer Reaktionen gespielt haben könnten. Sie bietet auch ein experimentelles Modell zur Untersuchung bioenergetischer Prozesse, die noch heute in Zellen ablaufen. Es könnte auch bisher unerklärte geochemische Transformationen in natürlichen Umgebungen erklären.
In Zukunft planen die Wissenschaftler, komplexere Reaktionen in dieser Art von Versuchsaufbau zu erforschen, insbesondere die Kondensation von Phosphat-Einheiten, um sich zellulären Prozessen weiter anzunähern.
Dies ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Rekonstruktion der Bedingungen, die die Entstehung des gemeinsamen Vorfahren aller Lebensformen auf der Erde ermöglicht haben.
Quelle: CNRS INSB