Darwin gab ehrlich zu: Er kann die Frage nicht beantworten, warum im Fossilienbestand keine Spuren von Lebewesen gefunden wurden, die älter als etwa eine halbe Milliarde Jahre sind. Dann fand die Wissenschaft Beweise für Leben, das 3 Milliarden Jahre älter war. Das Lebende trennte sich jedoch früher vom Nichtlebenden, und greifbare Spuren dieses Ereignisses scheinen nicht zu existieren.
Deshalb ist das Mysterium der Entstehung des Lebens, das nicht an fossilen Materialien untersucht werden kann, Gegenstand theoretischer und experimenteller Forschung, und das Problem ist weniger biologischer als geologischer Natur. Wir können mit Sicherheit sagen: Der Ursprung des Lebens liegt auf einem anderen Planeten. Und der Punkt ist überhaupt nicht, dass die ersten biologischen Wesen aus dem Weltraum zu uns gebracht wurden (obwohl solche Hypothesen diskutiert werden). Es ist nur so, dass die frühe Erde der heutigen sehr wenig ähnelte.
Eine großartige Metapher für das Verständnis der Essenz des Lebens stammt von dem berühmten französischen Naturforscher Georges Cuvier, der einen lebenden Organismus mit einem Tornado verglich. Tatsächlich hat ein Tornado viele Merkmale, die ihn mit einem lebenden Organismus in Verbindung bringen. Es behält eine bestimmte Form, bewegt sich, wächst, nimmt etwas auf, wirft etwas aus – und das erinnert an den Stoffwechsel. Ein Tornado kann sich in zwei Teile teilen, das heißt, wie er sich vermehren kann, und schließlich verändert er die Umgebung. Aber er lebt nur, solange der Wind weht. Der Energiefluss wird erschöpft – und der Tornado verliert Form und Bewegung. Daher ist die Schlüsselfrage in der Erforschung der Biogenese die Suche nach dem Energiefluss, der es geschafft hat, den Prozess des biologischen Lebens zu „starten“und den ersten Stoffwechselsystemen dynamische Stabilität zu verleihen, so wie der Wind die Existenz eines Tornados unterstützt.
Lebensspendende "Raucher"
Eine der derzeit existierenden Hypothesen betrachtet als Wiege des Lebens heiße Quellen am Grund der Ozeane, deren Wassertemperatur hundert Grad übersteigen kann. Solche Quellen existieren bis heute im Bereich der Riftzonen des Meeresbodens und werden „Schwarze Raucher“genannt. Über den Siedepunkt überhitzt, transportiert Wasser in ionischer Form gelöste Mineralien aus dem Darm, die sich oft sofort als Erz absetzen. Auf den ersten Blick scheint diese Umgebung tödlich für jedes Leben zu sein, aber selbst dort, wo das Wasser auf 120 Grad abkühlt, leben Bakterien – die sogenannten Hyperthermophilen.
Eisen- und Nickelsulfide, die an die Oberfläche gebracht werden, bilden am Boden einen Niederschlag aus Pyrit und Greigit - einen Niederschlag in Form eines porösen, schlackenartigen Gesteins. Einige moderne Wissenschaftler, wie Michael Russell, haben die Hypothese aufgestellt, dass es diese mikroporenreichen (Blasen-) Felsen waren, die zur Wiege des Lebens wurden. Sowohl Ribonukleinsäuren als auch Peptide konnten in mikroskopisch kleinen Vesikeln gebildet werden. Die Vesikel wurden so zu den primären Kataklaven, in denen die frühen Stoffwechselketten isoliert und in eine Zelle umgewandelt wurden.
Leben ist Energie
Also, wo ist der Platz für das Leben auf dieser nicht so angepassten frühen Erde? Bevor versucht wird, diese Frage zu beantworten, ist es erwähnenswert, dass die meisten Wissenschaftler, die sich mit den Problemen der Biogenese befassen, den Ursprung von „lebenden Ziegeln“, „Bausteinen“, dh den organischen Substanzen, aus denen der Lebensunterh alt besteht, an erster Stelle setzen Zelle. Dies sind DNA, RNA, Proteine, Fette, Kohlenhydrate. Aber wenn Sie all diese Substanzen nehmen und in ein Gefäß geben, wird nichts von alleine zusammenkommen. Dies ist kein Rätsel. Jeder Organismus ist ein dynamisches System in ständigem Austausch mit der Umwelt.
Selbst wenn man einen modernen lebenden Organismus nimmt und ihn zu Molekülen zermahlt, kann niemand aus diesen Molekülen ein Lebewesen wieder zusammensetzen. Moderne Modelle zur Entstehung des Lebens konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Prozesse der abiogenen Synthese von Makromolekülen - Vorläufern bioorganischer Verbindungen, ohne Mechanismen zur Energieerzeugung anzubieten, die Stoffwechselprozesse einleiteten und aufrechterhielten.
Die Hypothese über den Ursprung des Lebens in heißen Quellen ist interessant, nicht nur für die Version der Entstehung der Zelle, ihrer physikalischen Isolierung, sondern auch für die Möglichkeit, das energetische Grundprinzip des Lebens zu finden, um Forschung zu betreiben in das Gebiet der Prozesse, die weniger in der Sprache der Chemie als vielmehr in der Physik beschrieben werden.
Weil Meerwasser saurer und in hydrothermalen Gewässern und im Sedimentporenraum basischer ist, entstanden Potentialunterschiede, die für das Leben extrem wichtig sind. Schließlich sind alle unsere Reaktionen in Zellen elektrochemischer Natur. Sie sind mit Elektronentransfer und mit Ionen- (Protonen-) Gradienten verbunden, die einen Energietransfer bewirken. Die semipermeablen Wände der Blasen spielten die Rolle einer Membran, die diesen elektrochemischen Gradienten unterstützte.
Juwel im Proteinkoffer
Der Unterschied zwischen den Medien – unter dem Boden (wo sich Gestein mit superheißem Wasser auflöst) und über dem Boden, wo sich das Wasser abkühlt – erzeugt ebenfalls eine Potentialdifferenz, die eine aktive Bewegung von Ionen zur Folge hat und Elektronen. Dieses Phänomen wurde sogar als geochemische Batterie bezeichnet.
Neben einer geeigneten Umgebung für die Bildung organischer Moleküle und dem Vorhandensein eines Energieflusses gibt es einen weiteren Faktor, der es uns erlaubt, ozeanische Hydrothermen als den wahrscheinlichsten Ort für die Entstehung von Leben zu betrachten. Das sind Metalle.
Heiße Quellen befinden sich, wie bereits erwähnt, in Riftzonen, wo sich der Boden auseinanderbewegt und heiße Lava nahe aufsteigt. Meerwasser dringt in die Risse ein, das dann in Form von heißem Dampf zurückkommt. Unter enormem Druck und hohen Temperaturen lösen sich Bas alte wie Zucker auf und geben eine riesige Menge an Eisen, Nickel, Wolfram, Mangan, Zink und Kupfer frei. All diese Metalle (und einige andere) spielen eine enorme Rolle in lebenden Organismen, da sie hohe katalytische Eigenschaften haben.
Reaktionen in unseren lebenden Zellen werden von Enzymen gesteuert. Das sind ziemlich große Proteinmoleküle, die die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu ähnlichen Reaktionen außerhalb der Zelle um teilweise mehrere Größenordnungen erhöhen. Und was interessant ist, in der Zusammensetzung des Enzymmoleküls gibt es für Tausende und Abertausende von Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Schwefelatomen manchmal nur 1-2 Metallatome. Aber wenn dieses Atompaar herausgezogen wird, ist das Protein kein Katalysator mehr. Das heißt, im Protein-Metall-Paar ist letzteres der Anführer. Wozu brauchen wir dann ein großes Eiweißmolekül? Einerseits manipuliert es das Metallatom, „lehnt“es an die Reaktionsstelle. Und andererseits schützt es es, schützt es vor Verbindungen mit anderen Elementen. Und das hat eine tiefe Bedeutung.
Tatsache ist, dass viele dieser Metalle, die auf der frühen Erde reichlich vorhanden waren, als es keinen Sauerstoff gab, jetzt verfügbar sind – wo es keinen Sauerstoff gibt. Zum Beispiel gibt es viel Wolfram in Vulkanquellen. Aber sobald dieses Metall an die Oberfläche kommt, wo es auf Sauerstoff trifft, oxidiert es sofort und setzt sich ab. Das gleiche passiert mit Eisen und anderen Metallen. Die Aufgabe eines großen Proteinmoleküls besteht also darin, das Metall aktiv zu h alten. All dies deutet darauf hin, dass es Metalle sind, die in der Geschichte des Lebens an erster Stelle stehen. Das Aufkommen von Proteinen war ein Faktor bei der Aufrechterh altung der primären Umgebung, in der Metalle oder ihre einfachen Verbindungen ihre katalytischen Eigenschaften beibehielten, und bot die Möglichkeit ihrer effektiven Verwendung in der Biokatalyse.
Unerträgliche Atmosphäre
Die Entstehung unseres Planeten kann mit dem Schmelzen von Eisen in einem offenen Herdofen verglichen werden. Im Ofen schmilzt Koks, Erz, Flussmittel - all dies schmilzt, und am Ende fließt das schwere Flüssigmetall nach unten, und oben bleibt gehärteter Schlackenschaum.
Außerdem werden Gase und Wasser emittiert. Auf die gleiche Weise wurde der Metallkern der Erde gebildet, der zum Zentrum des Planeten „floss“. Als Folge dieses "Schmelzens" begann ein Prozess, der als Entgasung des Mantels bekannt ist. Die Erde vor 4 Milliarden Jahren, als das Leben vermutlich entstanden ist, zeichnete sich durch einen aktiven Vulkanismus aus, der mit dem heutigen nicht zu vergleichen ist. Der Strahlungsfluss aus dem Darm war 10-mal stärker als zu unserer Zeit. Durch tektonische Prozesse und intensiven Meteoritenbeschuss wurde die dünne Erdkruste ständig überarbeitet. Offensichtlich hat auch der in einer viel näheren Umlaufbahn befindliche Mond seinen Beitrag geleistet, der mit seinem Gravitationsfeld unseren Planeten massiert und erwärmt hat.
Das Erstaunlichste ist, dass die Intensität des Sonnenlichts in jenen fernen Zeiten um etwa 30 % geringer war. Wenn die Sonne in unserem Zeit alter mindestens 10 % schwächer zu scheinen beginnen würde, wäre die Erde sofort mit Eis bedeckt. Aber dann hatte unser Planet viel mehr eigene Wärme, und auf seiner Oberfläche wurde nichts gefunden, was auch nur annähernd an Gletscher erinnerte.
Aber es gab eine dichte Atmosphäre, die die Wärme gut hielt. In seiner Zusammensetzung hatte es einen reduzierenden Charakter, das heißt, es enthielt praktisch keinen freien Sauerstoff, aber es enthielt eine erhebliche Menge Wasserstoff sowie Treibhausgase - Wasserdampf, Methan und Kohlendioxid.
Kurz gesagt, das erste Leben auf der Erde entstand unter Bedingungen, unter denen nur primitive Bakterien aus lebenden Organismen bestehen konnten. Geologen finden die ersten Spuren von Wasser in Sedimenten, die 3,5 Milliarden Jahre alt sind, obwohl es anscheinend etwas früher in flüssiger Form auf der Erde auftauchte. Dies wird indirekt durch abgerundete Zirkone angezeigt, die sie wahrscheinlich in Gewässern erworben haben. Wasser entstand aus dem Wasserdampf, der die Atmosphäre sättigte, als die Erde allmählich abzukühlen begann. Außerdem wurde Wasser (vermutlich in einem Volumen von bis zu 1,5 Volumen des modernen Weltozeans) von kleinen Kometen zu uns gebracht, die die Erdoberfläche intensiv bombardierten.
Wasserstoff als Währung
Die älteste Art von Enzymen sind Hydrogenasen, die die einfachste aller chemischen Reaktionen katalysieren - die reversible Reduktion von Wasserstoff aus Protonen und Elektronen. Und die Aktivatoren dieser Reaktion sind Eisen und Nickel, die auf der frühen Erde im Überfluss vorhanden waren. Es gab auch viel Wasserstoff - er wurde beim Entgasen des Mantels freigesetzt. Wasserstoff scheint die Hauptenergiequelle für die frühesten Stoffwechselsysteme gewesen zu sein. Schließlich beinh alten auch in unserer Zeit die allermeisten Reaktionen von Bakterien Aktionen mit Wasserstoff. Als Hauptquelle für Elektronen und Protonen bildet Wasserstoff die Grundlage der mikrobiellen Energie und ist für sie so etwas wie eine Energiewährung.
Das Leben entstand in einer sauerstofffreien Umgebung. Der Übergang zur Sauerstoffatmung erforderte radikale Veränderungen der Stoffwechselsysteme der Zelle, um die Aktivität dieses aggressiven Oxidationsmittels zu minimieren. Die Anpassung an Sauerstoff entstand vor allem im Zuge der Evolution der Photosynthese. Zuvor waren Wasserstoff und seine einfachen Verbindungen - Schwefelwasserstoff, Methan, Ammoniak - die Grundlage der Energie der Lebewesen. Aber das ist wahrscheinlich nicht der einzige chemische Unterschied zwischen dem modernen Leben und dem frühen Leben.
Sparsame Uranophile
Vielleicht hatte das früheste Leben nicht die Zusammensetzung, die das jetzige hat, wo Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel als Grundelemente vorherrschen. Tatsache ist, dass das Leben leichtere Elemente bevorzugt, mit denen man leichter „spielen“kann. Aber diese leichten Elemente haben einen kleinen Ionenradius und gehen zu starke Bindungen ein. Und dieses Leben ist nicht notwendig. Sie muss in der Lage sein, diese Verbindungen leicht zu brechen. Nun haben wir viele Enzyme dafür, aber zu Beginn des Lebens gab es sie noch nicht.
Vor einigen Jahren schlugen wir vor, dass einige dieser sechs Grundelemente des Lebens (Makronährstoffe C, H, N, O, P, S) schwerere, aber „bequemere“Vorgänger hätten. Anstelle von Schwefel als einem der Makronährstoffe wirkte höchstwahrscheinlich Selen, das sich leicht verbindet und leicht dissoziiert. Arsen kann aus dem gleichen Grund den Platz von Phosphor eingenommen haben. Die jüngste Entdeckung von Bakterien, die Arsen anstelle von Phosphor in ihrer DNA und RNA verwenden, stärkt unsere Position. Und das alles gilt nicht nur für Nichtmetalle, sondern auch für Metalle. Zusammen mit Eisen und Nickel spielte Wolfram eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung des Lebens. Die Wurzeln des Lebens sollten daher wahrscheinlich ans Ende des Periodensystems gestellt werden.
Um Hypothesen über die ursprüngliche Zusammensetzung biologischer Moleküle zu bestätigen oder zu widerlegen, sollten wir Bakterien, die in ungewöhnlichen Umgebungen leben, die vielleicht vage an die Erde in alten Zeiten erinnern, besondere Aufmerksamkeit schenken. Beispielsweise untersuchten japanische Wissenschaftler kürzlich eine der Bakterienarten, die in heißen Quellen leben, und fanden Uranmineralien in ihren Schleimhäuten. Warum sammeln Bakterien sie an? Vielleicht hat Uran einen metabolischen Wert für sie? Beispielsweise wird die ionisierende Wirkung von Strahlung genutzt. Es gibt ein weiteres bekanntes Beispiel – Magnetobakterien, die unter aeroben Bedingungen in relativ k altem Wasser existieren und Eisen in Form von Magnetitkristallen anreichern, die in eine Proteinmembran gehüllt sind. Wenn viel Eisen in der Umgebung ist, bilden sie diese Kette, wenn kein Eisen vorhanden ist, geben sie es aus und die „Handtaschen“werden leer. Dies ist sehr ähnlich, wie Wirbeltiere Fett für Energie speichern.
In 2-3 km Tiefe, in dichten Sedimenten, stellt sich heraus, dass auch Bakterien leben und völlig ohne Sauerstoff und Sonnenlicht auskommen. Solche Organismen wurden beispielsweise in Uranminen in Südafrika gefunden. Sie ernähren sich von Wasserstoff, und davon gibt es hier genug, denn die Strahlung ist so hoch, dass Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerfällt. Bei diesen Organismen auf der Erdoberfläche wurden keine genetischen Analoga gefunden. Wo haben sich diese Bakterien gebildet? Wo sind ihre Vorfahren? Die Suche nach Antworten auf diese Fragen wird für uns zu einer wahren Zeitreise – zu den Ursprüngen des Lebens auf der Erde.
