Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie und der Ludwig-Maximilians-Universität München haben ein neues Szenario für die Entstehung der ersten Bausteine des Lebens auf der Erde vor rund 4 Milliarden Jahren vorgeschlagen. Eine Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie.
Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 22. Mai 2023.
22. Mai 2023 – Mit Hilfe von Experimenten zeigten die Forscher, wie Eisenpartikel aus Meteoriten und Vulkanasche als Katalysatoren für die Umwandlung einer kohlendioxidreichen frühen Atmosphäre in Kohlenwasserstoffe, aber auch Acetaldehyd und Formaldehyd gedient haben könnten. Diese Stoffe wiederum sind Bausteine für Fettsäuren, Nukleobasen, Zucker und Aminosäuren. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.
Nach unserem heutigen Kenntnisstand entstand das Leben auf der Erde nur rund 400 bis 700 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde selbst. Das ist eine ziemlich schnelle Entwicklung, zum Vergleich: Danach dauerte es etwa 2 Milliarden Jahre, bis sich die ersten richtigen (eukaryotischen) Zellen bildeten. Der erste Schritt zur Entstehung von Leben ist dabei die Bildung von organischen Molekülen, die als Bausteine für Organismen dienen können. Bedenkt man, wie schnell das Leben insgesamt entstanden ist, ist plausibel, dass sich dieser vergleichsweise einfache erste Schritt ebenfalls schnell vollzog.
Die hier beschriebene Forschung zeigt einen neuen Weg auf, wie solche organischen Verbindungen unter den auf der frühen Erde herrschenden Bedingungen entstehen konnten. Die Schlüsselrolle dabei spielen Eisenpartikel aus Meteoriten, die als Katalysator wirken. Katalysatoren sind Stoffe, deren Anwesenheit bestimmte chemische Reaktionen beschleunigt, die aber bei jenen Reaktionen nicht verbraucht werden. In dieser Hinsicht sind sie vergleichbar mit Werkzeugen, die ja notwendig sind, um beispielsweise ein Auto herzustellen, die aber nachdem ein Auto gebaut wurde gleich für den Bau des nächsten verwendet werden können.
Von der chemischen Industrie zurück zum Anfang der Erde
Die Inspiration für die Forschung kam ausgerechnet aus der industriellen Chemie. Konkret fragte sich Oliver Trapp, Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Max-Planck-Fellow am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), ob das sogenannte Fischer-Tropsch-Verfahren zur Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Kohlenwasserstoffe mit Hilfe metallischer Katalysatoren nicht eine Entsprechung auf einer frühen Erde mit einer kohlendioxidreichen Atmosphäre gehabt haben könnte. „Als ich mir die chemische Zusammensetzung des Campo-del-Cielo-Eisenmeteoriten ansah, der aus Eisen, Nickel, etwas Kobalt und winzigen Mengen Iridium besteht, war mir klar, dass dies ein perfekter Fischer-Tropsch-Katalysator ist“, erklärt Trapp. Der logische nächste Schritt war die Durchführung von Experimenten, um die kosmische Version von Fischer-Tropsch zu testen.
Dmitry Semenov, Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie, sagt: „Als Oliver mir von seiner Idee erzählte, die katalytischen Eigenschaften von Eisenmeteoritenpartikeln zur Synthese von Lebensbausteinen experimentell zu untersuchen, war mein erster Gedanke, dass wir auch die katalytischen Eigenschaften von Vulkanascheteilchen untersuchen sollten. Schließlich sollte die frühe Erde geologisch aktiv gewesen sein. In der Atmosphäre und auf den ersten Landmassen der Erde hätte es reichlich feine Aschepartikel geben müssen.“
Kosmische Katalyse simulieren
Trapp und Semenov taten sich mit Trapps Doktorandin Sophia Peters zusammen, die die Experimente dann im Rahmen ihrer Doktorarbeit durchführte. Für den Zugang zu Meteoriten und Mineralien sowie für das Fachwissen über die Analyse solcher Materialien wandten sie sich an den Mineralogen Rupert Hochleitner, einen Experten für Meteoriten an der Mineralogischen Staatssammlung in München.
Die erste Zutat für die verschiedenen Varianten des Experiments war jeweils eine Quelle von Eisenpartikeln: Eisen aus einem echten Eisenmeteoriten, oder Partikel aus einem eisenhaltigen Steinmeteoriten oder vulkanische Asche vom Ätna, letztere als Ersatz für die eisenhaltigen Partikel, die auf der frühen Erde mit ihrem hochaktiven Vulkanismus vorkommen würden. Anschließend wurden die Eisenpartikel mit verschiedenen Mineralien vermischt, wie sie auch auf der frühen Erde vorgekommen sein sollten. Diese Mineralien dienten dann als Trägerstruktur – Katalysatoren sind in der Regel als kleine Partikel auf einem geeigneten Substrat zu finden.
Kleine Partikel
Die Größe der Partikel ist bei dieser Art von Experiment wichtig. Die feinen Aschepartikel, die bei Vulkanausbrüchen entstehen, sind in der Regel nur wenige Mikrometer groß. Bei Meteoriten, die durch die Atmosphäre der frühen Erde fallen, würde die atmosphärische Reibung dagegen Eisenpartikel in Nanometergröße abtragen. Der Einschlag eines Eisenmeteoriten (oder des Eisenkerns eines größeren Asteroiden) wiederum würde durch Fragmentierung direkt mikrometergroße Eisenpartikel erzeugen, und zusätzlich nanometergroße Partikel, wenn das Eisen in der starken Hitze verdampft und später in der umgebenden Luft wieder erstarrt.
Die Forscher versuchten, diese Vielfalt an Partikelgrößen auf zwei verschiedene Arten nachzubilden. Indem sie das Meteoritenmaterial in Säure auflösten, erzeugten sie aus ihrem präparierten Material Partikel in Nanometergröße. Und indem sie entweder das meteoritische Material oder die Vulkanasche 15 Minuten lang in eine Kugelmühle gaben, konnten die Forscher auf mechanischem Wege größere, mikrometergroße Partikel herstellen. Eine solche Kugelmühle ist eine Trommel, die sowohl das Material als auch Stahlkugeln enthält. Die Trommel wird mit hoher Geschwindigkeit gedreht, in diesem Fall mit mehr als zehn Mal pro Sekunde, wobei die Stahlkugeln das Material zermahlen.
Da die ursprüngliche Erdatmosphäre keinen Sauerstoff enthielt, führten die Forscher anschließend chemische Reaktionen durch, bei denen fast der gesamte Sauerstoff aus dem Gemisch entfernt wurde.
Organische Moleküle unter Druck
Zum Schluss wurde das jeweilige Gemisch dann in eine Druckkammer gebracht, die überwiegend mit Kohlendioxid (CO2) sowie mit (einigen) Wasserstoffmolekülen gefüllt war, um die Atmosphäre der frühen Erde zu simulieren. Sowohl das Mischungsverhältnis als auch der Druck wurden von Versuch zu Versuch variiert. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Dank des Eisenkatalysators entstanden in beträchtlichen Mengen organische Verbindungen wie Methanol, Ethanol und Acetaldehyd, aber auch Formaldehyd. Das ist eine erfreuliche Ausbeute. Insbesondere Acetaldehyd und Formaldehyd sind wichtige Bausteine für Fettsäuren, Nukleobasen (ihrerseits die Bausteine der DNA), Zucker und Aminosäuren.
Wichtig ist außerdem, dass diese Reaktionen unter einer Vielzahl von Druck- und Temperaturbedingungen erfolgreich abliefen. Sophia Peters sagt: „Da es viele verschiedene Möglichkeiten für die Eigenschaften der frühen Erde gibt, habe ich versucht, jedes mögliche Szenario experimentell zu testen. Am Ende habe ich fünfzig verschiedene Katalysatoren verwendet und das Experiment bei verschiedenen Werten für den Druck, die Temperatur und das Verhältnis von Kohlendioxid- und Wasserstoffmolekülen durchgeführt.“ Die Tatsache, dass sich die organischen Moleküle unter so unterschiedlichen Bedingungen bildeten, ist ein starkes Indiz dafür, dass solche Reaktionen auf der frühen Erde stattgefunden haben könnten – weitgehend unabhängig von der genauen Zusammensetzung der Erdatmosphäre in jener Zeit, die wir derzeit noch nicht kennen.
Eines von mehreren möglichen Szenarien
Mit diesen Ergebnissen gibt es nun eine neue Möglichkeit, wie die ersten Bausteine des Lebens auf der Erde entstanden sein könnten. Zu den „klassischen“ Mechanismen gehören die Synthese rund um Hydrothermalquellen am Meeresboden, elektrische Entladungen in einer methanreichen Atmosphäre (wie beim Urey-Miller-Experiment) sowie Modelle, die vorhersagen, wie sich organische Verbindungen in den Tiefen des Weltraums gebildet haben könnten und von Asteroiden oder Kometen zur Erde transportiert wurden. Dazu gesellt sich nun eine weitere Möglichkeit: Eisenpartikel aus Meteoriten oder feine Vulkanasche, die als Katalysatoren in einer frühen, kohlenstoffdioxidreichen Atmosphäre wirken.
Mit dieser Bandbreite an Möglichkeiten sollten zukünftige Forschungen zur atmosphärischen Zusammensetzung und zu den physikalischen Eigenschaften der frühen Erde gute Chancen haben herauszufinden, welcher der verschiedenen Mechanismen unter realistischen Bedingungen die höchste Ausbeute an Bausteinen liefert – und somit der wichtigste Mechanismus für die ersten Schritte vom Nicht-Leben zum Leben auf unserem Heimatplaneten gewesen sein dürfte.
Hintergrundinformationen
Die beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Dmitry Semenov, Oliver Trapp und Sophia Peters (alle ebenfalls Ludwig-Maximilians-Universität München) in Zusammenarbeit mit Rupert Hochleitner (Mineralogische Staatssammlung München).
Die hier beschriebene Arbeit wurde unter dem Titel S. Peters et al., „Synthesis of prebiotic organics from CO2 by catalysis with meteoritic and vulcanic particles“ in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht (doi: 10.1038/s41598-023-33741-8). Nach der Veröffentlichung finden Sie den Artikel unter:
https://www.nature.com/articles/s41598-023-33741-8.
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