Das Leben auf einem weit entfernten Planeten – falls es da draußen existiert – sieht möglicherweise überhaupt nicht wie das Leben auf der Erde aus. Aber es gibt nur eine begrenzte Menge chemischer Zutaten in der Vorratskammer des Universums und nur eine begrenzte Anzahl an Möglichkeiten, sie zu mischen. Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison hat diese Einschränkungen ausgenutzt, um ein Kochbuch mit Hunderten von chemischen Rezepten zu schreiben, die das Potenzial haben, Leben entstehen zu lassen.
Ihre Zutatenliste könnte sich auf die Suche nach Leben anderswo im Universum konzentrieren, indem sie auf die wahrscheinlichsten Bedingungen hinweist – planetarische Versionen von Mischtechniken, Ofentemperaturen und Backzeiten –, unter denen die Rezepte zustande kommen.
Der Prozess des Übergangs von grundlegenden chemischen Inhaltsstoffen zu den komplexen Zyklen des Zellstoffwechsels und der Zellreproduktion, die das Leben definieren, erfordert laut den Forschern nicht nur einen einfachen Anfang, sondern auch Wiederholung.
„Der Ursprung des Lebens ist wirklich ein Prozess, der aus dem Nichts entsteht“, sagt Betül Kaçar, eine von der NASA unterstützte Astrobiologin und UW-Madison-Professorin für Bakteriologie. „Aber so etwas kann nicht nur einmal passieren. Im Leben kommt es auf die Chemie und die Bedingungen an, die ein sich selbst reproduzierendes Reaktionsmuster erzeugen können.“
Chemische Reaktionen, bei denen Moleküle entstehen, die dazu führen, dass dieselbe Reaktion immer wieder abläuft, werden als autokatalytische Reaktionen bezeichnet. In einer neuen Studie veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical SocietyZhen Peng, ein Postdoktorand im Kaçar-Labor, und Mitarbeiter stellten 270 Kombinationen von Molekülen zusammen – darunter Atome aus allen Gruppen und Reihen des Periodensystems – mit dem Potenzial für eine nachhaltige Autokatalyse.
„Man ging davon aus, dass solche Reaktionen sehr selten sind“, sagt Kaçar. „Wir zeigen, dass es tatsächlich alles andere als selten ist. Man muss nur an der richtigen Stelle suchen.“
Die Forscher konzentrierten ihre Suche auf sogenannte Komproportionierungsreaktionen. Bei diesen Reaktionen verbinden sich zwei Verbindungen, die dasselbe Element mit unterschiedlicher Elektronenzahl oder reaktiven Zuständen enthalten, zu einer neuen Verbindung, in der sich das Element in der Mitte der anfänglichen reaktiven Zustände befindet.
Um autokatalytisch zu sein, muss das Ergebnis der Reaktion auch Ausgangsmaterialien für ein erneutes Auftreten der Reaktion liefern, sodass der Output zu einem neuen Input wird, sagt Zach Adam, Co-Autor der Studie und Geowissenschaftler an der UW-Madison, der die Ursprünge von untersucht Leben auf der Erde. Komproportionierungsreaktionen führen zu mehreren Kopien einiger der beteiligten Moleküle und liefern Materialien für die nächsten Schritte der Autokatalyse.
„Wenn diese Bedingungen stimmen, können Sie mit relativ wenigen dieser Ausgaben beginnen“, sagt Adam. „Jedes Mal, wenn man eine Runde im Zyklus vollzieht, spuckt man mindestens einen zusätzlichen Output aus, was die Reaktion beschleunigt und sie sogar noch schneller ablaufen lässt.“
Die Autokatalyse ist wie eine wachsende Kaninchenpopulation. Kaninchenpaare kommen zusammen, bringen Würfe mit neuen Kaninchen hervor, und dann wachsen die neuen Kaninchen heran, um sich zu paaren und noch mehr Kaninchen zu zeugen. Es braucht nicht viele Kaninchen, um bald viele weitere Kaninchen zu haben.
Die Suche nach Schlappohren und Wuschelschwänzen draußen im Universum ist jedoch wahrscheinlich keine erfolgreiche Strategie. Stattdessen hofft Kaçar, dass Chemiker Ideen aus der Rezeptliste der neuen Studie übernehmen und sie in Töpfen und Pfannen testen, die außerirdische Küchen simulieren.
„Wir werden nie definitiv wissen, was genau auf diesem Planeten passiert ist, um Leben zu erzeugen. Wir haben keine Zeitmaschine“, sagt Kaçar. „Aber in einem Reagenzglas können wir mehrere Planetenbedingungen schaffen, um zu verstehen, wie sich die Dynamik zur Erhaltung des Lebens überhaupt entwickeln kann.“
Kaçar leitet ein von der NASA unterstütztes Konsortium namens MUSE für Metal Utilization & Selection Across Eons. Ihr Labor wird sich auf Reaktionen konzentrieren, unter anderem auf die Elemente Molybdän und Eisen, und sie ist gespannt, was andere aus den exotischsten und ungewöhnlichsten Teilen des neuen Rezeptbuchs kochen.
„Carl Sagan sagte, wenn man einen Kuchen von Grund auf backen will, muss man zuerst das Universum erschaffen“, sagt Kaçar. „Ich denke, wenn wir das Universum verstehen wollen, müssen wir zuerst ein paar Kuchen backen.“
Mehr Informationen:
Zhen Peng et al., Bewertung der stöchiometrischen Autokatalyse über Elementgruppen hinweg, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c07041