Eines der größten wissenschaftlichen Rätsel ist, wo das Leben auf der Erde begann.
Die Forschung hat sich oft auf die Rolle hydrothermaler Quellen in der Tiefsee konzentriert – diese hoch aufragenden Strukturen auf dem Meeresboden, die ständig eine Mischung aus organischem und anorganischem Material auspumpen. In diesen Wolken befinden sich Mineralien, die Eisensulfide genannt werden. was Wissenschaftler glauben könnte dazu beigetragen haben, frühe chemische Reaktionen auszulösen, die Leben entstehen ließen.
Dieselben Mineralien kommen heute auch in heißen Quellen vor, beispielsweise in der Grand Prismatic Spring im Yellowstone-Nationalpark in den Vereinigten Staaten. Heiße Quellen sind Grundwasserkörper, die durch vulkanische Aktivität unter der Erdoberfläche erhitzt werden.
Unser neue Forschung ergänzt die kleine, aber wachsende Zahl an Beweisen dafür, dass antike Versionen dieser heißen Quellen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens auf der Erde gespielt haben könnten. Dies trägt dazu bei, die Lücke zwischen konkurrierenden Hypothesen darüber zu schließen, wo Leben entstanden sein könnte.
Geochemie bis Biologie
Kohlenstofffixierung ist der Prozess, bei dem lebende Organismen Kohlendioxid aus der Luft und gelöst im Wasser in organische Moleküle umwandeln.
Viele Lebensformen, darunter Pflanzen, Bakterien und Mikroorganismen, die als Archaeen bekannt sind, nutzen unterschiedliche Wege, um dies zu erreichen. Ein Beispiel ist die Photosynthese.
Jeder dieser Wege enthält eine Kaskade von Enzymen und Proteinen, von denen einige Kerne aus Eisen und Schwefel enthalten.
Proteine mit diesen Eisen-Schwefel-Clustern finden wir in allen Lebensformen. Tatsächlich schlagen Forscher vor, dass sie auf den letzten universellen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen – eine alte Ahnenzelle, von der Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich das Leben, wie wir es kennen, weiterentwickelt und diversifiziert hat.
Eisensulfide sind Mineralien, die entstehen, wenn gelöstes Eisen mit Schwefelwasserstoff reagiert – dem vulkanischen Gas, das heiße Quellen nach faulen Eiern riechen lässt.
Wenn Sie sich die Struktur dieser Eisensulfide genau ansehen, werden Sie feststellen, dass einige von ihnen Eisen-Schwefel-Clustern unglaublich ähnlich sehen.
Dieser Zusammenhang zwischen Eisensulfiden und Kohlenstofffixierung hat einige Forscher zu der Annahme veranlasst, dass diese Mineralien eine Rolle spielen eine entscheidende Rolle beim Übergang von der Geochemie der frühen Erde zur Biologie.
Unsere neu veröffentlichte Forschung erweitert dieses Wissen, indem sie die chemische Aktivität von Eisensulfiden in alten heißen Quellen an Land untersucht, die eine ähnliche Geochemie wie Tiefseequellen aufweisen.
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Maßgeschneiderte Kammer
Wir haben eine kleine Kammer nach Maß gebaut, die es uns ermöglichen würde, die Umgebung heißer Quellen auf der frühen Erde zu simulieren.
Dann verteilen wir synthetisierte Eisensulfidproben in der Kammer. Einige waren rein. Andere wurden mit anderen Metallen dosiert, die üblicherweise in heißen Quellen vorkommen. Eine Lampe über diesen Proben simulierte Sonnenlicht auf der frühen Erdoberfläche. Verschiedene Lampen wurden verwendet, um eine Beleuchtung mit unterschiedlichen Mengen an ultravioletter Strahlung nachzuahmen.
Kohlendioxid und Wasserstoffgas wurden ständig durch die Kammer gepumpt. Es wurde gezeigt, dass diese Gase vorhanden sind wichtig für die Kohlenstofffixierung in Tiefsee-Entlüftungsexperimenten.
Wir fanden heraus, dass alle synthetisierten Eisensulfidproben in unterschiedlichem Ausmaß Methanol, ein Produkt der Kohlenstofffixierung, produzieren konnten. Diese Ergebnisse zeigten, dass Eisensulfide die Kohlenstofffixierung nicht nur in hydrothermalen Tiefseequellen, sondern auch in heißen Quellen an Land erleichtern können.
Auch die Methanolproduktion nahm mit der Bestrahlung mit sichtbarem Licht und bei höheren Temperaturen zu.
Experimente mit unterschiedlichen Temperaturen, Beleuchtung und Wasserdampfgehalt zeigten, dass Eisensulfide wahrscheinlich die Kohlenstofffixierung in landgestützten heißen Quellen auf der frühen Erde erleichterten.
Ein uralter Weg
Zusätzliche Experimente und theoretische Berechnungen ergaben, dass die Produktion von Methanol über einen Mechanismus erfolgte, der als umgekehrte Wassergasverschiebung bezeichnet wird.
Eine ähnliche Reaktion beobachten wir bei dem Weg, den einige Bakterien und Archaeen nutzen, um Kohlendioxid in Nahrung umzuwandeln. Dieser Weg wird „Acetyl-CoA“ oder „Wood-Ljungdahl“-Weg genannt. Es wird vorgeschlagen, dass dies der Fall ist die früheste Form der Kohlenstofffixierung das im frühen Leben entstand.
Diese Ähnlichkeit zwischen den beiden Prozessen ist interessant, da ersterer auf trockenem Land am Rande heißer Quellen abläuft, während letzterer in der feuchten Umgebung innerhalb von Zellen stattfindet.
Unsere Studie zeigt die Methanolproduktion unter einer Vielzahl von Bedingungen, die in den frühen heißen Quellen der Erde hätten gefunden werden können.
Unsere Ergebnisse erweitern das Spektrum der Bedingungen, unter denen Eisensulfide die Kohlenstofffixierung erleichtern können. Sie zeigen, dass dies sowohl in der Tiefsee als auch an Land geschehen kann – wenn auch über unterschiedliche Mechanismen.
Daher glauben wir, dass diese Ergebnisse den aktuellen wissenschaftlichen Konsens stützen, der besagt, dass Eisen-Schwefel-Cluster und der Acetyl-CoA-Weg uralt sind und wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben – unabhängig davon, ob es an Land oder auf dem Meeresgrund geschah das Meer.
Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lesen Sie die Originalartikel.