Eine der grundlegendsten ungeklärten Fragen in der modernen Wissenschaft ist, wie das Leben begann. Wissenschaftler glauben im Allgemeinen, dass sich einfache Moleküle, die sich in der frühen planetarischen Umgebung befanden, in komplexere Moleküle umgewandelt haben. Durch Zufuhr von Energie aus der Umgebung sollen sie zu einer Entwicklungsbeschleunigung des Lebens beigetragen haben. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die frühe Erde von vielen Arten von Energie beeinflusst wurde, von den hohen Temperaturen in Vulkanen bis hin zu ultravioletter Strahlung, die von der Sonne abgestrahlt wird. Eine der klassischsten Studien darüber, wie organische Verbindungen auf der frühen Erde entstehen konnten, ist das Miller-Urey-Experiment. In diesem Experiment wurden elektrische Entladungen genutzt, um Blitze auf der frühen Erde zu simulieren.
Es zeigt, dass dies zu einer Vielzahl organischer Verbindungen führen kann, darunter auch Aminosäuren, die Grundbausteine allen Lebens. Eine weitere wichtige Energiequelle ist energiereiche Strahlung, die von verschiedenen Quellen kommen kann, beispielsweise durch den radioaktiven Zerfalls von natürlich vorkommenden chemischen Elementen wie Uran und Kalium. Untersuchungen, die von Yi Ruiqin und Albert Fahrenbach vom Earth-Life Science Institute (ELSI) am Tokyo Institute of Technology, Japan, durchgeführt wurden, haben kürzlich gezeigt, dass eine Vielzahl von Verbindungen, die für die Synthese von RNA nützlich sind, hergestellt werden, wenn einfache Verbindungen mit Natriumchlorid verbunden werden und dann Gammastrahlen ausgesetzt werden.
Diese Arbeit bringt uns ein Stück weiter, um zu verstehen, wie RNA – die weithin als Kandidat für den Ursprung des Lebens angesehen wird – abiotisch auf der frühen Erde entstanden sein könnte. Aufgrund seiner Komplexität ist die Herstellung von RNA unter primitiven Sonnensystembedingungen keine einfache Aufgabe. Die Biologie ist großartig, denn sie hat sich über Milliarden von Jahren entwickelt, um ihre Arbeit mit erstaunlicher Effizienz zu erledigen. Bevor sich das Leben entwickelte, hätte es wenig in der Umgebung gegeben, das die RNA-Produktion unterstützt hätte. Die Forscher fanden heraus, dass Natriumchlorid – oder gewöhnliches Speisesalz – dabei helfen kann, die notwendigen Bausteine für RNA herzustellen. Natriumchlorid ist die chemische Verbindung, die das Meer salzig macht. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass dieser Prozess auf primitiven Planeten, einschließlich der Erde, abläuft.
Ausgehend von Blausäure bietet die Ein – Topf – Synthese von Cyanamid und Vorläufern zu einfachen Zuckern in Wasser – unter Verwendung von Gammastrahlen in Gegenwart von Ammonium- und Chloridsalzen – einen Weg für die Entwicklung komplexer Gemische, die wichtige, möglicherweise präbiologische Verbindungen entwickeln können .
(Ill.: Chemistry Select)
Der herausforderndste Aspekt dieser Arbeit war es, herauszufinden, dass Salz, insbesondere die Chloridkomponente, bei diesen Reaktionen eine entscheidende Rolle spielte. Normalerweise ignorieren Chemiker Chlorid bei ihren Reaktionen. Wenn Chemiker Reaktionen in Wasser durchführen, ist es höchstwahrscheinlich ohnehin vorhanden, obwohl es meistens nur untätig als “Zuschauer” danebensteht. Bei den Reaktionen, an denen Chemiker interessiert sind, spielt es oft keine wesentliche Rolle, es ist nur ein Teil des Hintergrundrauschens. Die Forscher stellten jedoch fest, dass dies bei ihren Experimenten nicht der Fall war, und es dauerte einige Zeit, um das herauszufinden. Sie schlussfolgerten daraus, dass die ionisierende Strahlung, die sie als Energiequelle für ihre Reaktionen verwendeten, bewirkt, dass Chlorid ein Elektron verliert und zu einem sogenannten “Radikal” wird. Wie der Name vermuten lässt, ist das Chlorid dann nicht mehr so mild und chemisch viel reaktiver. Sobald das Chlorid durch Gammastrahlung aktiviert wird, können andere hochenergetische Verbindungen aufgebaut werden, die schließlich dazu beitragen können, komplexe RNA-Moleküle aufzubauen.
Während die Wissenschaftler ihre Reaktionen noch nicht vollständig auf RNA ausgerichtet haben, zeigt diese Arbeit, dass es jetzt grundsätzlich nichts gibt, was dies verhindern könnte. Die Frage ist jetzt nicht so sehr, wie man alle notwendigen Bausteine für die Herstellung von RNA herstellt, sondern wie man sie in einem “warmen kleinen Teich” kombiniert, um die ersten RNA-Polymere herzustellen. Eine der größten Herausforderungen besteht darin zu verstehen, wie andere Moleküle, die nicht für die Herstellung von RNA wichtig sind, diesen Prozess beeinflussen können. Die Autoren glauben, dass dies eine ziemlich “chaotische” Chemie sein könnte, in dem Sinne, dass viele andere Moleküle, die diesen Prozess stören könnten, gleichzeitig hergestellt würden. Ob diese anderen Moleküle die RNA-Synthese stören oder sogar eine positive Wirkung haben, ist der zukünftige Fokus der Forschung. Das Verständnis sehr komplexer Mischungen von Chemikalien ist nicht nur eine Herausforderung in der Lebensforschung, sondern auch eine große Herausforderung für die organische Chemie im Allgemeinen.
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Veröffentlichung: Ruiqin Yi, Yayoi Hongo, Isao Yoda, Zachary R. Adam, Albert C. Fahrenbach. Radiolytic Synthesis of Cyanogen Chloride, Cyanamide and Simple Sugar Precursors. ChemistrySelect, 2018; 3 (36): 10169 DOI: 10.1002/slct.201802242
Quelle: off. Pm des Tokyo Institute of Technology
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Pia Gaupels
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