Neue Entdeckung! Studie legt nahe, dass heiße Quellen für die Entstehung von Leben auf der Erde verantwortlich sind

Forschungen zur Entstehung von Leben auf der Erde haben sich oft auf die Rolle hydrothermaler Quellen in der Tiefsee konzentriert – jene hoch aufragenden Strukturen auf dem Meeresboden, die ständig eine Mischung aus organischem und anorganischem Material ausstoßen.

In diesen Wolken befinden sich Mineralien namens Eisensulfide, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie möglicherweise dazu beigetragen haben, die ersten chemischen Reaktionen auszulösen, die Leben hervorbrachten.

Dieselben Mineralien finden sich auch in den heutigen heißen Quellen, wie z. B. in der Grand Prismatic Spring im Yellowstone National Park in den Vereinigten Staaten. Heiße Quellen sind unterirdische Wasservorkommen, die durch vulkanische Aktivitäten unter der Erdoberfläche erhitzt werden.

Neue Forschungsergebnisse ergänzen eine kleine, aber wachsende Zahl von Belegen dafür, dass antike Versionen dieser heißen Quellen eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Leben auf der Erde gespielt haben könnten. Dies trägt dazu bei, die Kluft zwischen konkurrierenden Hypothesen darüber zu überbrücken, wo das Leben entstanden sein könnte.

Die Bedeutung der Kohlenstofffixierung für das Leben

Die Kohlenstofffixierung ist der Prozess, bei dem lebende Organismen das in der Luft vorhandene und im Wasser gelöste Kohlendioxid in organische Moleküle umwandeln. Viele Lebensformen, darunter Pflanzen, Bakterien und Mikroorganismen, die als Archaeen bekannt sind, verfügen über verschiedene Methoden, dies zu erreichen. Die Photosynthese ist ein Beispiel dafür. Jeder dieser Stoffwechselwege enthält eine Kaskade von Enzymen und Proteinen, von denen einige Kerne aus Eisen und Schwefel enthalten.

Proteine mit diesen Eisen-Schwefel-Kernen finden wir in allen Formen des Lebens. Forscher vermuten sogar, dass sie auf den letzten gemeinsamen Vorfahren (Last Universal Common Ancestor, LUCA) zurückgehen - eine Urzelle, aus der sich nach Ansicht der Wissenschaftler das Leben, wie wir es kennen, entwickelt und diversifiziert hat.

Eisensulfide sind Mineralien, die entstehen, wenn gelöstes Eisen mit Schwefelwasserstoff reagiert - dem vulkanischen Gas, das heiße Quellen nach faulen Eiern riechen lässt.

Wenn Sie sich die Struktur dieser Eisensulfide genau ansehen, werden Sie feststellen, dass einige von ihnen Eisen-Schwefel-Clustern unglaublich ähnlich sind. Diese Verbindung zwischen Eisensulfiden und der Kohlenstofffixierung hat einigeForscher zu der Annahme veranlasst, dass diese Minerale eine entscheidende Rolle beim Übergang von der Geochemie der frühen Erde zur Biologie spielten.

Diese Forschungsarbeit erweitert dieses Wissen durch die Untersuchung der chemischen Aktivität von Eisensulfiden in alten heißen Quellen auf der Erde, die eine ähnliche Geochemie wie Tiefseequellen aufweisen.

Die Simulation brachte eindeutige Ergebnisse

Eisensulfide sind Mineralien, die entstehen, wenn gelöstes Eisen mit Schwefelwasserstoff reagiert - dem vulkanischen Gas, das heiße Quellen nach faulen Eiern riechen lässt.

Wenn Sie sich die Struktur dieser Eisensulfide genau ansehen, werden Sie feststellen, dass einige von ihnen Eisen-Schwefel-Clustern unglaublich ähnlich sind. Diese Verbindung zwischen Eisensulfiden und der Kohlenstofffixierung hat einigeForscher zu der Annahme veranlasst, dass diese Minerale eine entscheidende Rolle beim Übergang von der Geochemie der frühen Erde zur Biologie spielten.

Diese Forschungsarbeit erweitert dieses Wissen durch die Untersuchung der chemischen Aktivität von Eisensulfiden in alten heißen Quellen auf der Erde, die eine ähnliche Geochemie wie Tiefseequellen aufweisen.

Einige waren rein. Andere waren mit anderen Metallen versetzt, die normalerweise in heißen Quellen vorkommen. Eine Lampe über diesen Proben simulierte das Sonnenlicht auf der Oberfläche der frühen Erde. Es wurden verschiedene Lampen verwendet, um eine Beleuchtung mit unterschiedlichen Mengen an ultravioletter Strahlung zu simulieren.

Kohlendioxid und Wasserstoff wurden ständig durch die Kammer gepumpt. Diese Gase erwiesen sich als wichtig für die Kohlenstofffixierung in Experimenten mit Tiefwasserschloten. Alle synthetisierten Eisensulfidproben waren in der Lage, Methanol, ein Produkt der Kohlenstoffbindung, in unterschiedlichem Maße zu produzieren.

Diese Ergebnisse zeigen, dass Eisensulfide die Kohlenstofffixierung nicht nur in hydrothermalen Schloten in der Tiefsee, sondern auch in heißen Quellen auf der Erde erleichtern können.

Die Methanolproduktion nahm auch bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht und bei höheren Temperaturen zu. Experimente mit unterschiedlichen Temperaturen, Beleuchtungen und Wasserdampfgehalten zeigten, dass Eisensulfide wahrscheinlich die Kohlenstofffixierung in terrestrischen heißen Quellen auf der frühen Erde erleichterten.

Die Schlussfolgerungen waren zufriedenstellend

Weitere Experimente und theoretische Berechnungen ergaben, dass die Herstellung von Methanol über einen Mechanismus erfolgt, der als umgekehrte Wasser-Gas-Verschiebung bezeichnet wird. Eine ähnliche Reaktion wurde bei dem Weg beobachtet, den einige Bakterien und Archaeen nutzen, um Kohlendioxid in Nahrung umzuwandeln.

Dieser Weg wird als"Acetyl-CoA"-Weg oder"Wood-Ljungdahl"-Weg bezeichnet. Man geht davon aus, dass es sich um die älteste Form der Kohlenstofffixierung handelt, die zu Beginn des Lebens entstanden ist.

Diese Ähnlichkeit zwischen den beiden Prozessen ist interessant, weil der erste auf dem Trockenen, am Rande heißer Quellen, stattfindet, während der zweite in der feuchten Umgebung innerhalb von Zellen abläuft.

Diese Studie zeigt die Produktion von Methanol unter einer Vielzahl von Bedingungen, wie sie in den heißen Quellen der frühen Erde geherrscht haben könnten.

Die Ergebnisse erweitern das Spektrum der Bedingungen, unter denen Eisensulfide die Kohlenstofffixierung erleichtern können. Sie zeigen, dass dies sowohl in der Tiefsee als auch an Land geschehen kann - wenn auch aufgrund unterschiedlicher Mechanismen.

Die Wissenschaftler sind der Ansicht, dass diese Ergebnisse den derzeitigen wissenschaftlichen Konsens unterstützen, der besagt, dass Eisen-Schwefel-Cluster und der Acetyl-CoA-Weg uralt sind und wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens spielten - unabhängig davon, ob dies an Land oder auf dem Meeresgrund geschah.

Quellenhinweis:

Iron sulfide-catalyzed gaseous CO2 reduction and prebiotic carbon fixation in terrestrial hot springs. Nature Communications (2024). Nan, J., Luo, S., Tran, Q.P. et al.