Urzeitliche, flache Teiche könnten eine geeignetere Umgebung hervorgebracht haben, um die ersten Lebensformen der Erde zu bilden als Ozeane. Dies erläutern jetzt Wissenschaftler in einer neuen MIT-Studie. Forscher berichten, dass flache Gewässer in einer Tiefe von etwa 10 Zentimetern hohe Konzentrationen von dem gehabt haben könnten, was viele Wissenschaftler für einen Schlüsselbestandteil für das beginnende Leben auf der Erde halten: Stickstoff.
In flachen Teichen hätte Stickstoff in Form von Stickoxiden gute Chancen gehabt, sich so weit anzureichern, dass er mit anderen Verbindungen reagiert und die ersten Lebewesen hervorbringt. In viel tieferen Ozeanen wäre es für Stickstoff schwieriger gewesen, eine signifikante, lebenskatalysierende Wirkung aufzubauen, sagen die Forscher.
“Unsere allgemeine Botschaft ist: Wenn man denkt, dass der Ursprung des Lebens gebundenen Stickstoff erfordert, wie es viele Menschen tun, dann ist es schwierig, den Ursprung des Lebens im Ozean zu finden”, sagt Hauptautor Sukrit Ranjan, Postdoc im Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) des MIT. “Es ist viel einfacher, das in einem Teich geschehen zu lassen.”
Ranjan und seine Kollegen haben ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift Geochemistry, Geophysics, Geosystems veröffentlicht. Die Co-Autoren des Artikels sind Andrew Babbin, der Doherty Assistant Professor in Ocean Utilization in EAPS, sowie Zoe Todd und Dimitar Sasselov von der Harvard University und Paul Rimmer von der Cambridge University.
Durchbrechen einer Bindung
Wenn das primitive Leben tatsächlich aus einer Schlüsselreaktion mit Stickstoff entstanden ist, gibt es zwei Möglichkeiten, wie dies hätte passieren können. Die erste Hypothese betrifft die Tiefsee, wo Stickstoff in Form von Stickoxiden mit Kohlendioxid reagiert haben könnte, das aus hydrothermalen Schornsteinen austritt, um die ersten molekularen Bausteine des Lebens zu bilden.
Die zweite stickstoffbasierte Hypothese für den Ursprung des Lebens beinhaltet RNA – Ribonukleinsäure, ein Molekül, das heute hilft, unsere genetischen Informationen zu kodieren. In seiner primitiven Form war die RNA wahrscheinlich ein frei schwebendes Molekül. Wenn sie mit Stickoxiden in Kontakt kommen, glauben einige Wissenschaftler, dass RNA chemisch induziert worden sein könnte, um die ersten Molekülketten des Lebens zu bilden. Dieser Prozess der RNA-Bildung könnte entweder in den Ozeanen oder in flachen Seen und Teichen stattgefunden haben.
Stickoxide wurden wahrscheinlich in Gewässern, einschließlich Ozeanen und Teichen, als Überreste des Stickstoffabbaus in der Erdatmosphäre abgelagert. Atmosphärischer Stickstoff besteht aus zwei Stickstoffmolekülen, die über eine starke Dreifachbindung verbunden sind, die nur durch ein extrem energetisches Ereignis – nämlich den Blitz – unterbrochen werden können.
“Der Blitz ist wie eine wirklich intensive Bombe, die hochgeht”, sagt Ranjan. “Er produziert so viel Energie, dass es diese Dreifachbindung in unserem atmosphärischen Stickstoffgas aufbricht, um Stickoxide zu produzieren, die dann in Gewässer gelangen können.”
Wissenschaftler glauben, dass es genug Blitzgewirr durch die frühe Atmosphäre gegeben haben könnte, um eine Fülle von Stickoxiden zu produzieren, die den Ursprung des Lebens im Meer angetrieben haben könnten. Ranjan sagt, dass Wissenschaftler davon ausgegangen sind, dass diese Zufuhr von blitzartig erzeugten Stickoxiden relativ stabil war, sobald die Verbindungen in die Ozeane gelangt sind.
In dieser neuen Studie identifiziert er jedoch zwei signifikante “Senken” oder Effekte, die einen signifikanten Teil der Stickoxide zerstört hätten, insbesondere in den Ozeanen. Er und seine Kollegen durchsuchten die wissenschaftliche Literatur und fanden heraus, dass Stickoxide im Wasser durch Wechselwirkungen mit dem ultravioletten Licht der Sonne und auch mit gelöstem Eisen, das von primitiven ozeanischen Gesteinen abgetragen wird, abgebaut werden können.
Ranjan erklärt, dass sowohl ultraviolettes Licht als auch gelöstes Eisen einen erheblichen Teil der Stickoxide im Ozean zerstört hätten, wodurch die Verbindungen als gasförmiger Stickstoff in die Atmosphäre zurückgeschickt wurden.
“Wir haben gezeigt, dass, wenn man diese beiden neuen Senken mit einbezieht, an die die Wissenschaft vorher nicht gedacht hat, dies die Konzentrationen von Stickoxiden im Ozean um den Faktor 1.000 reduziert, verglichen mit dem, was man vorher berechnet hat”, so Ranjan weiter.
“Bau einer Kathedrale”
Im Ozean hätten ultraviolettes Licht und gelöstes Eisen die Stickstoffoxide für die Synthese lebender Organismen weit weniger verfügbar gemacht. In flachen Teichen hätte das Leben jedoch bessere Chancen gehabt, sich durchzusetzen. Das liegt vor allem daran, dass Teiche viel weniger Volumen haben, über das Verbindungen verdünnt werden können. Infolgedessen hätten sich Stickoxide in Teichen zu viel höheren Konzentrationen gebildet. Jegliche “Senken”, wie UV-Licht und gelöstes Eisen, hätten die Gesamtkonzentration der Verbindung weniger beeinflusst.
Ranjan sagt, je flacher der Teich, desto größer ist die Chance, dass Stickoxide mit anderen Molekülen, insbesondere mit RNA, interagieren müssten, um die ersten Lebewesen zu katalysieren.
“Diese Teiche könnten 10 bis 100 Zentimeter tief gewesen sein, mit einer Oberfläche von zehn Quadratmetern oder größer”, sagt Ranjan. “Sie wären heute ähnlich wie der Don Juan Pond in der Antarktis gewesen, der eine saisonale Tiefe von etwa 10 Zentimetern hat.”
Das mag nicht nach einem bedeutenden Gewässer klingen, aber genau darum geht es: In Umgebungen, in denen tiefere oder größere Stickoxide vorhanden sind, wären sie einfach zu stark verdünnt worden, was eine Teilnahme an der Origin-of-Life-Chemie ausschließt. Andere Gruppen haben geschätzt, dass es vor etwa 3,9 Milliarden Jahren, kurz vor den ersten Anzeichen von Leben auf der Erde, weltweit etwa 500 Quadratkilometer flache Teiche und Seen gegeben haben könnte.
“Das ist absolut winzig, verglichen mit der Fläche, die wir heute an Seen haben”, sagt Ranjan. “Aber im Verhältnis zur Größe der Oberfläche, die prebiotische Chemiker benötigen, um das Leben zu beginnen, ist es völlig ausreichend.”
Die Debatte darüber, ob das Leben in Teichen statt in Ozeanen seinen Ursprung hat, ist nicht ganz gelöst, aber Ranjan sagt, dass die neue Studie ein überzeugendes Beweisstück für das erstere liefert.
“Diese Disziplin ist weniger wie das Umwerfen einer Reihe von Dominosteinen, sondern eher wie der Bau einer Kathedrale”, sagt Ranjan. “Es gibt keinen echten Aha-Moment. Es ist eher so, als würde man geduldig eine Beobachtung nach der anderen aufbauen, und es entsteht das Bild, dass insgesamt viele präbiotische Synthesewege in Teichen chemisch einfacher zu sein scheinen als in Ozeanen.”
Veröffentlichung: Sukrit Ranjan, Zoe R. Todd, Paul B. Rimmer, Dimitar D. Sasselov, Andrew R. Babbin. Nitrogen Oxide Concentrations in Natural Waters on Early Earth. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2019; DOI: 10.1029/2018GC008082
Quelle: off. Pm des Massachusetts Institute of Technology
Pia Gaupels
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