Bevor das Leben auf der Erde vor etwa 3,5 Milliarden Jahren entstand, waren die Ozeane eine Suppe aus zufällig durcheinandergebrachten Molekülen. Dann ordneten sich einige dieser Moleküle irgendwie in gut organisierten DNA-Ketten, schützenden Zellwänden und winzigen organähnlichen Strukturen an, die in der Lage sind, Zellen am Leben zu erhalten und zu funktionieren. Aber wie sie diese Organisation erreicht haben, hat Wissenschaftler lange verwirrt. Jetzt glauben Biophysiker an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, sie hätten eine Antwort: Blasen.
Die Anfänge des Lebens waren nicht augenblicklich. Frühe Vorläufermoleküle verwandelten sich irgendwie in Bausteine des Lebens wie RNA, DNA, Salze und Lipide. Dann organisierten sich diese Moleküle, um die ersten frühen Versionen von Zellen zu bilden, die dann die ersten einzelligen Organismen wurden.
"Dies ist die Grundlage für alle lebenden Arten", sagte Dieter Braun von der Ludwig-Maximilians-Universität, der Hauptautor der Studie, gegenüber Live Science.
Damit sich Zellen bilden können, beginnen sie sich zu replizieren und ein Eigenleben auf der Urerde zu führen. Alle chemischen Teile müssten jedoch zuerst zusammenkommen, sagte Braun.
In der Tiefsee, wo viele Wissenschaftler glauben, dass das Leben seinen Anfang genommen hat, könnten Moleküle wie Lipide, RNA und DNA vorhanden gewesen sein. Trotzdem wären sie zu weit verbreitet gewesen, als dass etwas Interessantes hätte passieren können.
"Die Moleküle gehen verloren. Sie diffundieren", sagte Braun. "Die Reaktionen werden nicht von alleine passieren."
Wissenschaftler sind sich einig, dass eine gewisse Kraft erforderlich war, damit sich die Moleküle aggregieren und miteinander reagieren konnten, sagte Henderson Cleaves, Chemiker am Tokyo Institute of Technology, gegenüber Live Science. Die Forscher sind sich einfach nicht einig, was diese Kraft war.
Hier kommen Blasen ins Spiel.
Blasen waren überall in der frühen Meereslandschaft der Erde. Warme Tiefseevulkane spritzten kohlensäurehaltige Federn. Diese luftigen Kugeln siedelten sich auf dem porösen Vulkangestein an. Dies waren die Bedingungen, die Braun und seine Kollegen zu wiederholen suchten. Sie schufen ein Gefäß aus einem porösen Material, das die Textur von Vulkangestein nachahmte, und füllten es dann wiederum mit sechs verschiedenen Lösungen, die jeweils eine andere Phase des Lebensbildungsprozesses modellierten. Eine Lösung, die einen frühen Schritt darstellte, enthielt einen Zucker namens RAO, der für die Konstruktion von Nukleotiden, den Bausteinen von RNA und DNA, notwendig gewesen wäre. Andere Lösungen, die die späteren Stadien repräsentierten, enthielten RNA selbst sowie die zum Aufbau der Zellwände erforderlichen Fette.
Dann erhitzten die Forscher die Lösung an einem Ende und kühlten sie am anderen ab. Sie erzeugten einen sogenannten "Wärmegradienten", bei dem sich die Temperatur allmählich von einem Ende zum anderen ändert, ähnlich wie sich das Wasser in der Nähe von Tiefsee-Wärmequellen allmählich von heiß nach kalt ändert.
"Es ist wie ein Mikroozean", sagte Braun.
In jeder Lösung zwingt die Temperaturänderung die Moleküle zum Verklumpen - und sie schwingen zu den Blasen, die sich unter diesen Bedingungen auf natürliche Weise bilden. Fast sofort reagierten sie.
Zucker bildeten Kristalle, eine Art Gerüst für RNA- und DNA-Nukleotide. Säuren bildeten längere Ketten und machten einen weiteren Schritt zur Bildung komplexer, RNA-ähnlicher Moleküle. Schließlich ordneten sich die Moleküle zu Strukturen an, die einfachen Zellen ähnelten. In einem grundlegenden Sinne, sagte Braun, sind Zellen Moleküle, die in Beuteln aus Fetten eingeschlossen sind. Genau das ist auf der Oberfläche seiner Blasen passiert: Fette haben sich in Kugeln um die RNA und andere Moleküle angeordnet.
Am überraschendsten für Braun und seine Kollegen sei, wie schnell diese Veränderungen in weniger als 30 Minuten erfolgten.
"Ich war erstaunt", sagte er. Obwohl dies das erste Mal ist, dass er und seine Kollegen sich speziell mit Blasen befassen, haben die Forscher zuvor versucht zu replizieren, wie diese biologischen Moleküle die komplexen Reaktionen eingehen, die für das Leben erforderlich sind. Normalerweise, sagte er, dauern diese Reaktionen Stunden.
Einige Chemiker sind jedoch skeptisch, dass Brauns Blasen eine genaue Darstellung der ursprünglichen Umgebung sind. Braun und seine Kollegen haben ihre Lösung mit vielen der komplexen Moleküle besiedelt, die für das Leben benötigt werden. Selbst ihre einfachsten Lösungen stellten noch spätere Stadien des Lebensbildungsprozesses dar, sagte Ramanarayanan Krishnamurthy, ein Chemiker an der Scripps Institution of Oceanography, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Live Science. Das ist ein bisschen so, als würde man einen Kuchen mit einer Kistenmischung backen, anstatt von vorne zu beginnen.
Im Gegensatz dazu hätten die alten Ozeane möglicherweise nicht die richtigen Bedingungen gehabt, um diese Ausgangsmoleküle zu bilden, sagte Krishnamurthy.
Außerdem fand das Blasenexperiment in kleinem Maßstab statt. Das ist wichtig, weil die Temperaturänderung von einem Ende des Tests zum nächsten sehr abrupt war. In Wirklichkeit sind die thermischen Gradienten unter dem Ozean allmählicher, sagte Cleaves.
Dennoch argumentierte Braun, dass es einige Gründe gibt, warum Blasen der ideale Ort für die Anfänge des Lebens sein könnten. Erstens bieten sie eine perfekte Schnittstelle zwischen Luft und Wasser. Ohne Luft könnten viele der lebensnotwendigen Reaktionen nicht stattfinden. Beispielsweise muss die Phosphorylierung, eine Reaktion, die es kleinen Molekülen ermöglicht, komplexe Molekülketten zu bilden, unter zumindest teilweise trockenen Bedingungen stattfinden. In den Blasen ist das kein Problem. Obwohl sie winzig sind, bieten Blasen die perfekte Umgebung, damit diese Reaktionen zumindest vorübergehend austrocknen können.
Aber es gibt noch eine andere wichtige Rolle, die Blasen spielen können: Sie schaffen Ordnung. In stillem Wasser breiten sich Moleküle typischerweise ohne besondere Anordnung aus. Blasen geben Molekülen - und vielleicht den Anfängen des Lebens - etwas, an dem sie sich in einer chaotischen Welt festhalten können.
