Neue Modelle beleuchten den Ursprung des Lebens

Die ersten Anzeichen von Leben tauchten vor etwa vier Milliarden Jahren in Form von Mikroben auf der Erde auf. Während Wissenschaftler immer noch genau bestimmen, wann und wie diese Mikroben entstanden sind, ist klar, dass die Entstehung von Leben eng mit den chemischen und physikalischen Eigenschaften der frühen Erde verflochten ist.

„Es ist vernünftig zu vermuten, dass das Leben anders hätte beginnen können – oder gar nicht – wenn die frühen chemischen Eigenschaften unseres Planeten anders gewesen wären“, sagt Dustin Trail, außerordentlicher Professor für Erd- und Umweltwissenschaften an der University of Rochester.

Aber wie sah die Erde vor Milliarden von Jahren aus und welche Eigenschaften haben möglicherweise zur Entstehung des Lebens beigetragen? In ein Papier veröffentlicht in Wissenschaft, Trail und Thomas McCollom, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Colorado Boulder, geben wichtige Informationen preis, um es herauszufinden. Die Forschung hat nicht nur wichtige Auswirkungen auf die Entdeckung der Ursprünge des Lebens, sondern auch auf die Suche nach Leben auf anderen Planeten.

„Wir befinden uns jetzt in einer aufregenden Zeit, in der die Menschheit nach Leben auf anderen Planeten und Monden sowie in anderen Planetensystemen sucht“, sagt Trail. „Aber wir wissen immer noch nicht, wie – oder wann wirklich – das Leben auf unserem eigenen Planeten begann. Forschungen wie die unsere helfen dabei, spezifische Bedingungen und chemische Wege zu identifizieren, die die Entstehung des Lebens unterstützt haben könnten, eine Arbeit, die sicherlich eine herausragende Rolle spielen wird Suche nach Leben außerhalb unseres Planeten.“

Die Bedeutung von Metallen für die Entstehung des Lebens

Die Erforschung des Lebens und seiner Ursprünge umfasst typischerweise eine Vielzahl von Disziplinen, darunter Genomik, das Studium der Gene und ihrer Funktionen; Proteomik, die Untersuchung von Proteinen; und ein aufstrebendes Gebiet namens Metallomik, das die wichtige Rolle von Metallen bei der Durchführung von Zellfunktionen untersucht. Im Laufe der Entwicklung des Lebens änderte sich der Bedarf an bestimmten Metallen, aber Trail und McCollom wollten bestimmen, welche Metalle verfügbar gewesen sein könnten, als Mikroben vor Milliarden von Jahren zum ersten Mal auftauchten.

„Wenn Hypothesen für unterschiedliche Entstehungsszenarien vorgeschlagen werden, sind Wissenschaftler im Allgemeinen davon ausgegangen, dass alle Metalle verfügbar waren, weil es keine Studien gab, die geologisch belastbare Einschränkungen für Metallkonzentrationen in Flüssigkeiten für die frühesten Zeiten der Erdgeschichte lieferten“, sagt Trail.

Um diesen Mangel zu beheben, untersuchten Trail und McCollom vor Milliarden von Jahren die Zusammensetzung und Eigenschaften von Flüssigkeiten in der Lithosphäre – der äußeren Schicht der Erde, die die Kruste und den oberen Mantel umfasst. Diese lithosphärischen Flüssigkeiten sind Schlüsselwege, um gelöste Teile von Gesteinen und Mineralien zwischen dem Erdinneren und hydrothermalen Becken im Äußeren zu transportieren, wo sich mikrobielles Leben gebildet haben könnte. Während Forscher die Metalle, die vor Milliarden von Jahren existierten, nicht direkt messen können, können sie durch die Bestimmung der Eigenschaften der Flüssigkeiten schließen, welche Metalle – und die Konzentrationen der Metalle – während der Zeit, als das Leben möglich war, zwischen dem Erdinneren und dem Äußeren transportiert worden sein könnten auf dem Planeten entstanden.

Hinweise in Milliarden Jahre alten Mineralien

Milliarden Jahre alte Gesteine ​​und Mineralien sind oft die einzigen direkten Informationsquellen über die früheste Geschichte der Erde. Das liegt daran, dass Gesteine ​​und Mineralien Informationen über die Zusammensetzung der Erde zum Zeitpunkt ihrer Entstehung enthalten.

Die Forscher führten Hochdruck- und Hochtemperaturexperimente durch und wandten diese Ergebnisse auf Zirkone der frühen Erde an, eine robuste Mineralart, die an Standorten in Westaustralien gesammelt wurde, um den Sauerstoffdruck, den Chlorgehalt und die Temperatur lithosphärischer Flüssigkeiten vor Milliarden von Jahren zu bestimmen vor. Diese Informationen geben sie dann in Computermodelle ein. Die Modelle ermöglichten es ihnen, die Eigenschaften der lithosphärischen Flüssigkeiten zu simulieren und wiederum zu simulieren, welche Metalle durch die Flüssigkeiten gewandert sein könnten, um hydrothermale Becken an der Erdoberfläche zu erreichen.

Verstehen, wie das Leben entstanden ist

Die Forscher waren überrascht, was die Modellsimulationen zeigten. Viele Ursprungsforscher halten beispielsweise Kupfer für eine wahrscheinliche Komponente in der Chemie, die zum Leben geführt haben könnte. Aber Trail und McCollom fanden keine Beweise dafür, dass Kupfer unter den Einschränkungen in ihrer Analyse reichlich vorhanden gewesen wäre.

Ein Metall, das sie getestet haben und das möglicherweise in hohen Konzentrationen verfügbar war, war Mangan. Während es in Szenarien zur Entstehung des Lebens selten berücksichtigt wird, hilft Mangan heute dem Körper, Knochen zu bilden, und unterstützt Enzyme beim Abbau von Kohlenhydraten und Cholesterin.

„Unsere Forschung zeigt, dass Metalle wie Mangan als wichtige Verbindungen zwischen der ‚festen‘ Erde und neu entstehenden biologischen Systemen an der Erdoberfläche fungieren können“, sagt Trail.

Laut Trail wird die Forschung Wissenschaftlern helfen, die den Ursprung des Lebens untersuchen, um konkretere Daten in ihre Experimente und Modelle einzugeben.

„Experimente, die unter Berücksichtigung dieser Informationen entwickelt wurden, werden zu einem besseren Verständnis der Entstehung des Lebens führen.“