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Hintergrund

DNA-Bausteine und Metaboliten des Citratzyklus in Meteoriten entdeckt

"Molekulare Baukästen" unterstützen die Entstehung des Lebens

Das Bombardement, dem sich die Erde vor rund 4,5 bis 3,8 Milliarden Jahren ausgesetzt sah, war nach heutigen Maßstäben infernalisch. Kometen, Asteroiden und andere Überbleibsel der Planetenentwicklung regneten als Meteoriten unentwegt auf die noch junge Erde nieder und führten wiederholt zu einem enormen Anstieg der Erdtemperatur.

Wie gigantische Staubsauger sogen die Planeten die Überreste der umliegenden protoplanetaren Scheibe - Gas, Staub und Gestein - in sich auf. Bis zu 50 km groß waren die Gesteinstrümmer, die mit der Erde kollidierten; fast klein erscheint im Vergleich dazu jener Asteroid, der das Aussterben der Dinosaurier verursachte. Kein Wunder, dass dieses erdgeschichtliche Äon, das Hadaikum, nach HADES, dem griechischen Gott der Unterwelt, benannt wurde.

Die Auswirkungen des "Großen Bombardements" (englisch: Late Heavy Bombardment) erscheinen aber nur auf den ersten Blick zerstörerisch. Denn die kosmischen Bomben, die unablässig auf der Erde einschlugen, trugen kostbare Fracht. Heute wissen wir, dass Gesteinsmeteoriten nicht nur erhebliche Mengen an Wasser enthalten können (tatsächlich stammt ein Großteil des Wassers der Weltozeane von einschlagenden Meteoriten), sondern auch einen komplexen Cocktail chemischer Verbindungen in sich tragen - eine Art von "Chemiebaukasten", mit dem die Evolution ihre großen Experimente begann. Angefangen von Gasen wie Ammoniak und Blausäure über Aminosäuren bis hin zu DNA-Bausteinen und Metaboliten des heutigen Citratzyklus - fast alle wichtigen Bausteine des Lebens konnten in Meteoriten nachgewiesen werden.

Nukleinbasen im Kosmos

Bereits seit rund 50 Jahren vermuten Wissenschafter, dass insbesondere die sogenannten kohligen Chondriten, eine besondere Klasse von Gesteinsmeteoriten, die Bausteine des Lebens enthalten. Schon länger ist bekannt, dass diese Meteoriten einen hohen Gehalt an Kohlenstoff, unter anderem in Form proteinogener Aminosäuren (die Bausteine der Proteine) aufweisen. Im Jahre 2001 ging die spektakuläre Nachricht durch die Presse, dass in kohligen Chondriten auch Zucker bzw. Zuckerderivate nachgewiesen wurden. Die Reihe reicht vom Zuckeralkohol Glycerin bis zu 6 C-Atome enthaltenden Zuckersäuren (SEPHTON 2001). Allerdings war lange Zeit unbekannt, dass auch Nukleinbasen - die Bausteine der DNA - im Weltall entstehen können.

Jüngst konnte eine Forschergruppe um James Cleaves vom Carnegie Geophysikal Laboratory auch diese Lücke schließen (CALLAHAN et al. 2011). Cleaves und Mitarbeiter untersuchten ein Dutzend kohliger Chondrite, darunter ein Individuum des berühmten Murchison-Meteoriten, mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) auf Nukleinbasen. Identifiziert wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Nukleobasen, und zwar nicht nur die üblichen ("kanonischen") Nukleobasen wie Guanin und Adenin, sondern auch sogenannte Nukleinbasen-Analoga, die ähnlich aufgebaut sind. Eine Kontamination durch irdisches Material kann damit sicher ausgeschlossen werden, denn drei der gefundenen Nukleinbasen-Analoga sind auf der Erde sehr selten und wurden in irdischen Referenzproben nicht gefunden. Folglich müssen sie im interstellaren Medium entstanden sein.

Um diese Hypothese mechanistisch zu untermauern, stellten die Forscher die Chemie im interstellaren Medium im Labor nach. Die Wissenschaftler griffen auf Ausgangsmaterialien wie Ammoniak und Blausäure zurück, die im Weltall vergleichsweise häufig vorkommen, und ließen sie miteinander reagieren. Die Experimente konnten bestätigen, dass aus der Reaktion von Ammoniak und Blausäure Nukleinbasen und Nukleinbasen-Analoga hervorgehen, die denen stark ähnelten, die sie in den kohligen Chondriten nachgewiesen hatten. Bezüglich der relativen Häufigkeiten dieser Moleküle ergaben sich jedoch gewisse Unterschiede, was die Forscher auf die Gegenwart weiterer Chemikalien sowie auf die besonderen thermischen Bedingungen zurückführten, denen die Meteoriten ausgesetzt waren.

Nach CLEAVES Ansicht belegen die Ergebnisse, dass Meteoriten Molekül-Fabriken gleichen - molekularen Werkzeugkästen, die alle wesentlichen Bausteine des irdischen Lebens enthalten. "Dies hat unabsehbare Folgen für die Entstehung des Lebens auf der Erde und möglicherweise anderswo", meint CALLAHAN. "Wurden die Bausteine des Lebens auch an andere Orte im Kosmos transportiert, wo sie der Entstehung des Lebens nützten? Können auch andere Bausteine verwendet werden, um alternative Lebensformen zu kreieren?" Dies sind spannende Fragen, denen die Forschung noch nachzugehen hat. Die Ergebnisse könnten unser Weltbild nachhaltig verändern, denn alles spricht dafür, dass wir nicht allein sind im Kosmos. Jedenfalls ist der interstellare Raum durchdrungen von den Ingredienzien irdischen Lebens, von denen nur ein kleiner Teil durch Meteoriteneinschläge auf die Erde gelangt(e).

Hat der Citratzyklus seinen Ursprung in Meteoriten?

Im Rahmen einer weiteren Studie entdeckten Forscher in kohligen Chondriten Biomoleküle, die eine große Rolle bei der Entstehung eines besonders alten und besonders wichtigen biochemischen Stoffwechselwegs zur Energiegewinnung gespielt haben dürften: des sogenannten Zitronensäure- oder Citratzyklus. Der Citratzyklus ist eine wichtige Drehscheibe in der Verstoffwechslung verschiedenster Klassen von Biomolekülen (Abb.). Dabei werden Stoffwechselprodukte der Glukose (Pyruvat /Acetyl-CoA) oxidativ abgebaut, wobei sogenannte Reduktionsäquivalente (NADH, FADH2) entstehen und Kohlendioxid abgespalten wird. In einem der Schritte des Citratzyklus wird direkt Energie in Form von GTP gewonnen. Außerdem sind einige Metabolite des Citratzyklus wichtige Ausgangsstoffe für andere Stoffwechselprozesse, etwa für die Fettsäure- und Aminosäureherstellung.

Abb. Schematische Darstellung des Citratzyklus und der mit ihm verknüpften metabolischen Wege. Citratcyclus-Ueberblick, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons.

Wie kann man die Entstehung dieses komplizierten Prozesses erklären? Auf den ersten Blick erscheint das Problem vertrackt: Zum einen ist der Citratzyklus ein enzymatisch gesteuertes System, er kann daher nicht komplett abiotisch entstanden sein. Andererseits benötigen solche Stoffwechselvorgänge eine Reihe von Verbindungen, von denen einige relativ instabil sind, wie z.B. Ketosäuren. Man muss also annehmen, dass insbesondere die labilen Ausgangsstoffe wie Pyruvat (das Salz der Brenztraubensäure), auf der Urerde kontinuierlich nachgebildet wurden.

Bis heute konnten aber Verbindungen wie Oxalessigsäure, Zitronensäure, Isocitronensäure und alpha-Ketoglutarsäure (allesamt Mitglieder des Zitronensäure-Zyklus) weder unter plausiblen präbiotischen Bedingungen erzeugt noch im interstellaren Medium nachgewiesen werden. Lediglich die Brenztraubensäure (Pyruvat) konnte in Anlehnung an die präbiotischen Experimente des Patentanwalts und Chemikers G. WÄCHTERSHÄUSER unter hydrothermalen Bedingungen auf Pyritoberflächen (Eisensulfid) erzeugt werden (CODY et al. 2000).

Jüngst konnte eine Forschergruppe am NASA Ames Research Center all diese Verbindungen sowie einige weitere Substanzen auch in kohligen Chondriten nachweisen (COOPER et al. 2011). Zudem konnten die Wissenschaftler im Labor zeigen, dass sich unter "milden" Bedingungen aus der Brenztraubensäure fast alle Mitglieder des Zitronensäure-Zyklus (nicht-enzymatisch) herstellen lassen, einschließlich der Oxalessigsäure. Es steht damit außer Frage, dass auch die Evolution komplexer Stoffwechselwege wie des Zitronensäurezyklus auf einfache, physikalisch-chemische Gesetzmäßigkeiten rückführbar ist.

Das plausibelste Szenario sieht wie folgt aus: Meteorite stellten eine Vielzahl chemischer Verbindungen (etwa die Metabolite des Citratzyklus) zur Verfügung, die von den ersten Lebensformen auf der Erde genutzt wurden. Schritt für Schritt übernahmen die ersten Zellen die Regie, indem sie die existierenden Verbindungen nicht nur nutzten, sondern gezielt herstellten bzw. die Herstellung durch Enzyme optimierten. Nach und nach entwickelten die Zellen eigene Stoffwechselwege, die noch immer den ursprünglichen Synthesewegen ähneln. "Es ist", so George COOPER gegenüber Space.com, "aufregend, im Kosmos 4,6 Milliarden Jahre alte organische Verbindungen nachzuweisen, die auf der Erde eine Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben."

Freilich steht die Hypothese, dass Meteoriten die Entstehung des Lebens unterstützt haben, nicht im Widerspruch zu Modellen, wonach die ersten Biomoleküle auf der Erde entstanden sind. Die neuen Befunde sprechen eher dafür, dass die Grundbausteine des Lebens unter einer großen Bandbreite physikalisch-chemischer Anfangs- und Randbedingungen entstehen - nicht nur auf der Erde.

Literatur

Autor: Martin Neukamm