Arbeitsgruppe Prof. Christian Mayer
Origin of life
Im Projekt "Origin of life" wird die Entstehung des Lebens in tiefreichenden tektonischen Störungszonen der ersten Kontinentfragmente untersucht. In Zusammarbeit mit Prof. Dr. Ulrich Schreiber, Fakultät für Biologie, Fachrichtung Geologie wird ein hypothetisches Modell mit Chancen auf eine Nachweisbarkeit untersucht. Das Besondere an diesem Modell ist, dass es sich einerseits in der Natur, andererseits im Labor nachweisen lässt. Für Versuche stehen Hochdruckanlagen zur Verfügung, in denen mit Überkritischem CO2 Experimente durchgeführt werden können, die den Bedingungen der frühen Erdkruste entsprechen.
Die Bedingungen der frühen Kruste sind auch heute noch in vulkanisch aktiven Regionen zu finden. Hier bilden sich Minerale, die winzige Flüssigkeitsmengen einschließen (fluid inclusions). Sie können auf einfache präbiotische Moleküe untersucht werden. Aus dem Verhältnis der links- und rechtsdrehenden Anteile kann darauf geschlossen werden, ob sie Produkte der heutigen Biologie sind oder aber völlig unabhängig davon in der Kruste entstanden sind, unter Bedingungen, die denen der frühen Erde gleichen (racemische Gemische).
Davon jedenfalls sind der Geologe Prof. Dr. Ulrich Schreiber und der Physikochemiker Prof. Dr. Christian Mayer von der Universität Duisburg-Essen überzeugt.
"Es ist das erste Modell zur Entstehung des Lebens, das einen umfassenden Prozess der Zellbildung beschreibt, bei dem die Probleme der Molekülherkunft, Aufkonzentrierung, Energieversorgung und Membranbildung gelöst sind", so Prof. Mayer aus der Fakultät für Chemie.
Worum geht es? Die Verhältnisse der jungen Erde und die Bedingungen für die Entstehung des Lebens liegen aufgrund der großen zeitlichen Distanz zu heute weitgehend im Dunkeln. Fehlende Randbedingungen verhindern eine klare Eingrenzung der möglichen Prozesse, sodass eine Vielzahl von Vorläufermodellen immer nur eng begrenzte Aussagen zu einzelnen Reaktionen machen konnten. Hierbei wurden alle Lokalitäten auf der Erdoberfläche, von der Tiefsee bis zu flachen Tümpeln diskutiert. Mangels plausibler Alternativen wurden in der letzten Zeit extraterrestrische Regionen wie der Mars oder der Weltraum insgesamt als Lösung vorgeschlagen.
Hier geht es zur Sendung NANO vom 18.06.2021 (Unser Beitrag startet ab Minute 9)
Der Bereich der kontinentalen Kruste wurde hingegen mehr oder weniger vernachlässigt. "Hier";, so Prof. Schreiber von der Fakultät für Biologie, "liegen aber optimale Verhältnisse vor." Ausgangspunkt sind tiefreichende tektonische Störungszonen, die Kontakt zum Erdmantel haben. Von dort steigen, wie zum Beispiel auch heute noch in der Eifel, Wasser, CO2 und andere Gase auf, die alle erforderlichen Stoffe für die Bildung organisch-biologischer Moleküle enthalten. Eines der kräftigsten Argumente fü;r diesen Ort ist das CO2, das ab einer Tiefe von ca. 800 Metern in den überkritischen Zustand übergeht und damit Eigenschaften sowohl von einer Flüssigkeit als auch einer Gasphase annimmt. "Hiermit können wir viele Reaktionen erklären, die im Wasser nicht möglich sind. Überkritisches CO2 wirkt wie ein organisches Lösungsmittel und erweitert die Zahl der möglichen chemischen Bildungsreaktionen erheblich. Mit Wasser bildet es darüber hinaus Grenzflächen, die schrittweise zur Ausbildung einer Doppelschicht-Membran führen und so das wichtigste Strukturelement der Zelle formen." so Prof. Mayer.
Im Labor ließen sich bereits grundlegende Schritte auf dem Weg zu einer Zelle nachweisen. Hierzu gehören die Bildung von Vesikeln, die als erste zellähnliche Strukturen gelten können, sowie die Verknüpfung von Aminosäuren zu längeren Ketten, die Basis für die Entstehung komplexer Moleküle wie Proteine und Enzyme. Besonders attraktiv für das Modell ist die Tatsache, dass die Bedingungen für die Entstehung des Lebens in hydrothermalen Ganggesteinen aus der Frühzeit der Erde dokumentiert wurden.
Prof. Oliver Schmitz: "In winzigen Flüssigkeitseinschlüssen, wie sie in archaischen Gangquarzen Australiens von Prof. Schreiber gefunden wurden, verbirgt sich eine Vielzahl organischer Stoffe aus dieser Zeit. Sie wurden während der Kristallbildung eingeschlossen und so konserviert. Sie helfen uns, die Bedingungen für die Laborversuche der Wirklichkeit anzunähern." Prof. Schmitz, Fakultät für Chemie, leistet mit seinem analytischen Labor tatkräftige Unterstützung bei der Entschlüsselung der Reaktionsprodukte.
Weitere Informationen bei:
Prof. Dr. Ulrich Schreiber, Fakultät für Biologie, Fachrichtung Geologie
Prof. Dr. Christian Mayer, Fakultät für Chemie, Physikalische Chemie
Prof. Dr. Oliver Schmitz, Fakultät für Chemie, Applied Analytical Chemistry
Literatur: