Schwefel und der Ursprung des Lebens

Viele Künstler haben versucht darzustellen, wie die Erde vor Milliarden von Jahren ausgesehen haben könnte, bevor das Leben entstand. Viele Szenen tauschen schneebedeckte Berge gegen Lava sprudelnde Vulkane und blauen Himmel gegen Blitze, die aus einem dunstigen Himmel auf das einschlagen, was sich darunter befindet.

Aber wie sah die frühe Erde eigentlich aus? Diese Frage ist seit Jahrzehnten Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Forschung.

Eine Veröffentlichung unter der Leitung von Sukrit Ranjan, einem Assistenzprofessor am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona, wirft ein Schlaglicht auf Schwefel, ein chemisches Element, das zwar bekannt ist, sich aber als überraschend resistent gegenüber wissenschaftlichen Bemühungen zur Untersuchung seiner Rolle bei der Entstehung des Lebens erwiesen hat .

Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch AGU-Fortschritte.

„Unser Bild der frühen Erde ist ziemlich unscharf“, sagte Ranjan, der Schwefelkonzentrationen in den Gewässern und der Atmosphäre der frühen Erde erforscht. Die gleichen Prozesse, die unseren Planeten bewohnbar machen – flüssiges Wasser und Plattentektonik –, zerstören ständig die Gesteine, die die geologischen Aufzeichnungen der Erde beherbergen, argumentiert er. „Für uns ist es großartig, weil es Nährstoffe recycelt, die sonst in der Erdkruste eingeschlossen wären, aber für Geologen ist es in dem Sinne schrecklich, dass es die Botenstoffe entfernt.“

Ranjans Artikel wurde als Highlight des Herausgebers ausgewählt, in Anerkennung von „Experimenten, die äußerst schwierig durchzuführen waren, aber Einschränkungen für laufende präbiotische Chemieexperimente im Labor mit sich brachten“.

Im Mittelpunkt der Bemühungen, die Entstehung des Lebens auf der Erde zu verhindern, stehe ein Konzept namens „RNA-Welt“, sagte Ranjan und bezog sich dabei auf Ribonukleinsäure, eine Klasse von Molekülen, die in jeder lebenden Zelle vorhanden und von entscheidender Bedeutung sind zum Leben, wie wir es kennen.

Die RNA-Welthypothese basiert auf einem interessanten Merkmal der modernen Biologie: Von den vier Hauptkategorien von Biomolekülen – Aminosäuren, Kohlenhydraten, Lipiden und Nukleinsäuren – ist RNA die einzige, die die Rolle eines Enzyms übernehmen kann Speicherung und Replikation genetischer Informationen, indem es ganz von selbst Kopien von sich selbst anfertigt. Es gibt nur ein Problem: Es ist wirklich schwer zu machen.

„Seit etwa 50 Jahren versuchen Menschen herauszufinden, wie man RNA ohne Enzyme herstellen kann, so wie es in der Biologie funktioniert“, sagte Ranjan und erklärte, dass Forscher erst in den letzten fünf Jahren nicht-enzymatische Wege dazu herausgefunden hätten RNA herstellen.

„Wenn wir RNA bekommen können, dann sehen wir am fernen Horizont einen Weg, um alles andere in Gang zu bringen“, sagte er. „Und da stellt sich die Frage: War dieses Molekül früher tatsächlich in irgendwelchen Mengen verfügbar? Und das ist eigentlich eine große offene Frage.“

Kürzlich haben Wissenschaftler eine ein halbes Jahrhundert dauernde Suche nach der Herstellung von RNA-Molekülen ohne biologische Enzyme abgeschlossen, ein großer Schritt vorwärts zur Demonstration der RNA-Welt. Diese chemischen Wege basieren jedoch alle auf einem kritischen Schwefelmolekül namens Sulfit.

Durch die Untersuchung von Gesteinsproben aus einigen der ältesten Gesteine ​​der Erde wissen Wissenschaftler, dass es auf der frühen, präbiotischen Erde reichlich Schwefel gab. Aber wie viel davon befand sich in der Atmosphäre? Wie viel davon landete im Wasser? Und wie viel davon endete als RNA-produzierendes Sulfit? Das sind die Fragen, die Ranjan und sein Team beantworten wollten.

„Was passiert mit ihm, wenn er erst einmal im Wasser ist? Bleibt er lange oder verschwindet er schnell?“ er sagte. „Für die moderne Erde kennen wir die Antwort: Sulfit liebt es, zu oxidieren oder mit Sauerstoff zu reagieren, sodass es superschnell verschwindet.“

Im Gegensatz dazu gab es, wie geologische Beweise zeigen, in der frühen Erdatmosphäre nur sehr wenig Sauerstoff, wodurch sich Sulfit ansammeln und viel länger halten konnte. Aber selbst in Abwesenheit von Sauerstoff ist Sulfit sehr reaktiv und viele Reaktionen hätten es aus der frühen Erdumgebung entfernen können.

Eine solche Reaktion ist als Disproportionierung bekannt, ein Prozess, bei dem mehrere Sulfite miteinander reagieren und sie in Sulfat und elementaren Schwefel umwandeln, die für die Chemie des Ursprungs des Lebens nicht nützlich sind. Aber wie schnell ist dieser Prozess? Hätten sich dadurch ausreichende Mengen an Sulfiten ansammeln können, um das Leben anzukurbeln?

„Niemand hat sich tatsächlich eingehend damit befasst, abgesehen von anderen Zusammenhängen, vor allem der Abwasserbewirtschaftung“, sagte Ranjan.

Sein Team machte sich dann daran, dieses Problem unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen, eine Anstrengung, die von der Planung der Experimente bis zur Veröffentlichung der Ergebnisse fünf Jahre dauerte.

„Von allen Atomen, die in der präbiotischen Werft vorkommen, darunter Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel, ist Schwefel vielleicht das heikelste“, schrieb Sonny Harman vom Ames Research Center der NASA in einem Standpunktartikel begleitend zur Veröffentlichung. Aufgrund seiner Bereitschaft, chemische Reaktionen einzugehen, „ neigen Schwefelverbindungen dazu, instabiler zu sein, was eine Gefahr für Laborpersonal und -ausrüstung darstellt, Instrumente verstopft und Experimente verklebt.“

Der Albtraum eines Labortechnikers

In ihrem Versuch lösten Ranjan und seine Co-Autoren Sulfit in Wasser mit unterschiedlichem Säure- oder Alkalitätsgrad, schlossen es in einem Behälter unter einer sauerstofffreien Atmosphäre ein und ließen es „altern“, wie Ranjan es ausdrückte. Jede Woche maß das Team die Konzentrationen verschiedener Sulfite mit ultraviolettem Licht. Am Ende des Experiments unterzogen sie sie einer Reihe von Analysen, die alle darauf abzielten, eine relativ einfache Frage zu beantworten: „Wie viel von diesem ursprünglichen Molekül ist noch übrig und was wurde daraus?“

Es stellte sich heraus, dass Sulfite viel langsamer disproportional wirken, als die herkömmliche Meinung besagt. Frühere Studien hatten beispielsweise die Idee verbreitet, dass ein Schwefelschleier die frühe Erde verschlingt, doch Ranjans Team fand heraus, dass Sulfite unter ultraviolettem Licht schneller zerfallen als erwartet. Ohne eine Ozonschicht in den frühen Tagen der Erde hätte dieser als Photolyse bekannte Prozess Schwefelverbindungen schnell aus der Atmosphäre und dem Wasser entfernt, wenn auch nicht ganz so effizient wie der in der heutigen Welt reichlich vorhandene Sauerstoff.

Während es plausibel ist, dass eine langsame Disproportionierung die Anreicherung von Sulfiten ermöglicht haben könnte, hätte die Photolyse dies sehr unwahrscheinlich gemacht, außer in bestimmten Umgebungen wie flachen Wasserbecken, die vor UV-Strahlung geschützt sind, insbesondere wenn sie durch Oberflächenabfluss gespeist werden, um mineralische Schutzschilde zu bilden. Beispiele hierfür sind unterirdische Becken oder geschlossene Karbonatseen, Senken ohne Entwässerung, in denen sich Sedimente ansammeln, das Wasser jedoch nur durch Verdunstung entweichen kann.

„Denken Sie an Gewässer wie den Great Salt Lake in Utah oder den Mono Lake in Kalifornien“, sagte Ranjan und fügte hinzu, dass hydrothermale Umgebungen zu heißen Kandidaten für die erste Entstehung von Leben werden. Hier kommt Grundwasser, das gelöste Mineralien enthält, mit der Wärme vulkanischer Aktivität in Kontakt und schafft einzigartige Mikroumgebungen, die „sichere Räume“ für chemische Prozesse bieten, die anderswo nicht stattfinden könnten.

Solche Orte seien an mittelozeanischen Rücken in der Tiefsee, aber auch an Land zu finden, sagte Ranjan.

„Ein modernes Beispiel hierfür ist der Yellowstone-Nationalpark, wo wir Tümpel finden, in denen sich trotz des Sauerstoffs viel Sulfit ansammelt“, sagte er, „und das kann einfach passieren, weil das Sulfit durch vulkanische Ausgasungen ständig nachgefüllt wird.“

Die Studie biete Möglichkeiten, die Hypothese der Sulfitverfügbarkeit bei der Entwicklung der ersten Moleküle des Lebens experimentell zu testen, betonen die Autoren. Ranjan sagte, ein Forschungsgebiet fessele ihn besonders: die phylogenetische Mikrobiologie, die Genomanalysen nutzt, um die Baupläne schwefelverwendender Mikroorganismen zu rekonstruieren, von denen man annimmt, dass sie die ältesten Stämme der Erde darstellen.

Es gibt Hinweise darauf, dass diese Bakterien Energie gewinnen, indem sie stark oxidierte Schwefelformen zu weniger oxidierten Formen reduzieren. Interessanterweise, so Ranjan, seien sie im ersten Schritt auf eine ziemlich komplexe Enzymmaschinerie angewiesen, die Sulfat, die häufig vorkommende „moderne“ Form von Schwefel, zu Sulfit reduziert, was darauf hindeutet, dass diese Enzyme das Produkt eines langen Evolutionsprozesses sind. Im Gegensatz dazu ist nur ein Enzym an der Umwandlung von Sulfit – dem vorgeschlagenen Schlüsselbestandteil in „präbiotischen Pfützenumgebungen“ – in Sulfid beteiligt.

„Wenn dies zutrifft, bedeutet dies, dass Sulfit in der natürlichen Umgebung zumindest in einigen Gewässern vorhanden war, ähnlich wie wir hier argumentieren“, sagte er. „Geologen beschäftigen sich gerade damit. Können wir alte Gesteine ​​verwenden, um zu testen, ob sie reich an Sulfit sind? Wir kennen die Antwort noch nicht. Das ist immer noch Spitzenwissenschaft.“