Hydrothermale Quellen in der Tiefsee, wasserspeichernde Krater … wo ist unsere „Wiege“?

Hydrothermale Quellen in der Tiefsee, warme Becken mit heißen vulkanischen Quellen an Land, wasserspeichernde Krater ... Wo entstand das Leben auf der Erde? Dies ist seit vielen Jahren ein heiß diskutiertes Thema in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

Kürzlich veröffentlichte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam einen Artikel in der neuesten Ausgabe der international renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“. Darin heißt es, dass Eisensulfid in den terrestrischen hydrothermalen Quellen der frühen Erde die entscheidende chemische Grundlage für die Entstehung des Lebens darstellte.

Bestätigung von Darwins „Vermutung“

Im Jahr 1871 schrieb Darwin an den britischen Botaniker Hooker: „Wir stellen uns eine Situation vor, in der sich in einigen kleinen warmen Teichen verschiedene Ammonium- und Phosphatsubstanzen befinden. Unter den Bedingungen von Licht, Wärme, Elektrizität usw. werden auf chemischem Wege Proteinverbindungen gebildet, und dann kommt es zu komplexeren Veränderungen.“

Später bewies das Experiment des amerikanischen Wissenschaftlers Miller Darwins Weitsicht. Aber wo genau befindet sich der kleine Teich, den Darwin vorgeschlagen hat? Im Jahr 1977 tauchte das US-Tauchboot Alvin in den östlichen Pazifik in eine Tiefe von 1.650 bis 2.610 Metern und Forscher entdeckten unglaubliche „schwarze Schlote“ und verschiedene hydrothermale Organismen, die sie umgaben. In extremen Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Druck und einem hohen Anteil reduzierender Substanzen gibt es deutliche Gradienten der chemischen Konzentration und der Wassertemperaturänderungen, insbesondere in hydrothermalen Quellen.

Daher ist die Lebensumgebung der Mikroorganismen in hydrothermalen Tiefseequellen der Umgebung in der frühen Erdgeschichte sehr ähnlich. Insbesondere die hyperthermophilen Mikroorganismen, die man in hydrothermalen Quellen findet, sind die Wurzelmikroorganismen des „Evolutionsbaums“ (in der Biologie wird dieser Begriff verwendet, um die evolutionäre Beziehung zwischen Arten darzustellen). Aus diesem Grund ist die Hypothese, dass das Leben aus hydrothermalen Quellen in der Tiefsee entstanden sei, bis heute weit verbreitet.

Die Hypothese des „schwarzen Schornsteins“ ist schwer zu begründen

Im Jahr 2020 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler einen Artikel, in dem sie erklärten, dass in einem hydrothermalen Tiefseegebiet im westlichen Pazifik erstmals überkritisches Kohlendioxid (das große Mengen an Stickstoff und organischen Molekülen enthält) entdeckt wurde. Die Entdeckung von Stickstoff deutet darauf hin, dass das Leben möglicherweise in der Tiefsee entstanden ist.

Allerdings bestehen an der „Schwarzer-Schornstein“-Hypothese einige schwer begründbare Zweifel. Als Wissenschaftler die Synthese organischer Stoffe in hydrothermalen Quellen am Meeresboden simulierten, stellten sie zunächst fest, dass diese Art chemischer Reaktion eher von einer alkalischen Umgebung abhängt. Tatsächlich ist die Umgebung in der Nähe der hydrothermalen Quellen am Meeresboden jedoch typisch sauer. Der Ozean mag zwar für die Entstehung von Leben nützlich sein, er ist jedoch kein idealer Ort für die Entstehung von Leben.

Zweitens haben Wissenschaftler auch herausgefunden, dass die Zellen, egal zu welcher Art von Organismus sie gehören, alle viel Phosphat, Kalium und andere Metalle enthalten und dass der Kaliumgehalt in den Zellen zehnmal so hoch ist wie der von Natrium. Die Natriumionenkonzentration im Meerwasser ist hoch und die Kaliumionenkonzentration niedrig. Dies stützt offensichtlich nicht die Hypothese, dass das Leben im Ozean entstand. Geothermische Teiche in der Nähe aktiver Vulkane enthalten alle oben genannten Metalle. Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler festgestellt, dass Ribonukleinsäure (RNA) unter ultraviolettem Licht stabil bleiben kann, was bedeutet, dass das Leben ursprünglich eher auf der Oberfläche der Erde entstanden sein könnte, wo es viel ultraviolettes Licht gibt, und nicht in den Tiefen des Ozeans.

Vulkanische heiße Quellen sind dem Sonnenlicht ausgesetzt, wodurch sie nicht nur Sonnenenergie aufnehmen und so die für chemische Reaktionen benötigte Energie bereitstellen können, sondern auch die Ansammlung von molekularen Materialien erleichtern, die für das Leben notwendig sind. Wenn Wasser aus vulkanischen heißen Quellen verdunstet, wird selbst eine verdünnte Lösung extrem dick, was die Polymerisation einfacher Moleküle zu komplexen erleichtert. Obwohl es in heißen Quellen Trocken-Feucht-Zyklen gibt, entziehen sie primitiven Zellen Wasser und schaffen eine günstige Umgebung für die Entstehung komplexer Organellen. Allerdings reichen die in Umgebungen wie hydrothermalen Quellen am Meeresboden vorhandenen Variablen nicht aus, um die Bildung vielfältiger Organellen zu unterstützen.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler außerdem die Vermutung geäußert, dass das Leben in wasserspeichernden Kratern oder hydrothermalen Systemen entstanden sein könnte, die den durch Asteroidenkollisionen entstehenden heißen Quellen ähneln. Doch egal, ob es sich um hydrothermale Quellen am Meeresboden oder heiße vulkanische Quellen auf der Erde handelt, die Erforschung und Kontroverse um den Ursprung des Lebens wird weitergehen und wir werden der Wahrheit Schritt für Schritt näher kommen.

(Der Autor Feng Weimin ist Forscher am Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und ehrenamtlicher Kurator des Nanjing Paleontological Museum)