Dieses tödliche Gift ist der Ursprung allen Lebens

Bevor es auf der Erde Sauerstoff gab, war die Umwelt voller Zyanid. Wie wurde dieses tödliche Gas zu einer Schlüsselkomponente für die Entstehung des Lebens auf der Erde?

Das Thema der Entstehung des Lebens hat endlose Debatten ausgelöst und Wissenschaftlern und Forschern Kopfzerbrechen bereitet. Auch wenn es noch immer wissenschaftliche Rätsel zu lösen gilt, sind wir uns doch alle einig, dass die Welt, die wir heute kennen, bei ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren völlig anders war und dass auch die Materialien, aus denen sie bestand, ganz anders waren. Sauerstoff, heute ein Schlüsselelement des Lebens, reicherte sich erst vor 2,33 Milliarden Jahren in der Atmosphäre an.

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Woraus bestand also die frühe Atmosphäre der Erde? Ironischerweise könnte Zyanid, ein tödliches Gift, ein wichtiger Bestandteil des frühen Lebens auf der Erde gewesen sein. Es wird allgemein angenommen, dass Zyanid ein wichtiger Bestandteil der Ursuppe war, der Lösung organischer Verbindungen, aus der alles Leben entstand.

Eine neue Studie unter der Leitung von Chemikern des Scripps Research Center wirft neues Licht auf die Frage, wie frühes Leben die giftige Umwelt der Erde überlebt haben könnte, und erklärt, warum auch auf anderen Planeten mit ähnlichen Bedingungen heute Leben möglich sein könnte. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Chemistry veröffentlicht.

Aus manchen spannenden Thrillern wissen Sie vielleicht, dass gefangene Spione Zyankalitabletten nehmen, um Selbstmord zu begehen. Tatsächlich hat dieses schnell wirkende Gift eine lange Geschichte in verschiedenen chemischen Formen. Diese Substanzen kommen in zahlreichen Pflanzen vor und sind für den Menschen hochgiftig, unabhängig davon, ob sie als Gas eingeatmet, in Pulverform eingenommen oder durch äußerlichen Kontakt aufgenommen werden.

Obwohl Zyanid schon immer mit Gift und Tod in Verbindung gebracht wurde, spekulieren Wissenschaftler, dass Blausäure (HCN, ein gasförmiges Cyanid) bei der Entstehung des Lebens in der Ursuppe eine wichtige Rolle spielte. Wie ist das möglich? Die Antwort ist weniger kompliziert, als Sie vielleicht erwarten.

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Ramanarayanan Krishnamurthy, Chemiker am Scripps Research Institute in Kalifornien, USA, gibt uns einen kurzen Auffrischungskurs in der Wissenschaft vom Ursprung des Lebens. Er glaubt, dass frühere Lebensformen möglicherweise Zyanid vertragen haben, weil ihre chemische Zusammensetzung sich von der von uns und anderen Organismen heute unterschied. Dies lässt darauf schließen, dass Substanzen, die für uns heute giftig sind, für das frühe Leben auf der Erde nicht giftig waren.

Man kann es sich so vorstellen: Sauerstoff ist für den Menschen nicht giftig, Kohlendioxid hingegen schon, erklärte Krishnamurthy. Für Pflanzen und einige Tiere mit einer anderen chemischen Zusammensetzung ist Kohlendioxid und nicht Sauerstoff die Energiequelle. „Daraus können wir schließen, dass früheres Leben zum Überleben auf Zyanid angewiesen war, genauso wie frühes Leben vor dem Aufkommen von Sauerstoff auf Kohlendioxid angewiesen war.“

Als sich in der Erdatmosphäre Sauerstoff bildete, starb das Leben aus, das sich nicht daran anpassen konnte, weil Sauerstoff für die Lebewesen giftig war. Leben, das sich an Sauerstoff anpasst oder sauerstoffproduzierende Photosynthese betreibt, kann weiter überleben und sich weiterentwickeln. Ähnliches ereignete sich bei frühen Lebensformen, die auf Zyanid angewiesen waren, sagte Krishnamurthy. Sie nutzen giftige Chemikalien als Energiequelle und wenn das Zyanid aufgebraucht ist, passen sie sich entweder einer anderen Substanz an oder sterben vollständig aus.

Giftige Ursuppe des Lebens

Krishnamurthy und ein Team von Chemikern am Institut haben dieses Thema eingehend erforscht. Sie haben die Moleküle der frühen Erde originalgetreu nachgebildet und der Mischung Cyanid hinzugefügt. Ein wichtiges Merkmal des Experiments ist der „reduktive Tricarbonsäurezyklus“, kurz r-TCA.

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Im Wesentlichen geht es bei den komplexen biologischen Prozessen, die wir verstehen müssen, um die Verwendung von Proteinen zur Bildung der Verbindungen, die für das heutige Leben unerlässlich sind. Allerdings gab es damals ein kleines Problem mit r-TCA. Erinnern Sie sich, dass es auf der frühen Erde keinen Sauerstoff gab? Auch die für die Funktion von r-TCA notwendigen Proteine ​​fehlten. Aus diesem Grund führte Krishnamurthys Team Experimente mit Zyanid durch. Sie simulierten alternative Recyclingprozesse, die die ersten Lebensverbindungen hervorgebracht haben könnten. Die Ergebnisse zeigen, dass Cyanid als mildes, aber wirksames Reduktionsmittel wirkt und abiotische Umwandlungen von Tricarbonsäure-Zwischenprodukten und -Derivaten vermittelt. Das Molekül im Experiment folgte demselben Syntheseweg wie das heutige r-TCA.

Obwohl wir durch detaillierte Experimente tatsächlich einen Eindruck davon gewinnen konnten, wie die Erdatmosphäre vor 4,5 Milliarden Jahren aussah, sind noch immer viele Fragen zur Entstehung des Lebens unbeantwortet. Begann das Leben auf der Erde wirklich mit einer Dosis Gift? Krishnamurthy spekuliert, dass wir, wenn wir dieses Rätsel lösen wollen, vergessen müssen, wie das Leben heute aussieht, und uns vorstellen müssen, zur frühen Erde vor 4,5 Milliarden Jahren zurückzukehren. Hier einige Hinweise: Vorbeiflüge von Kometen, ausbrechende Vulkane, aber bisher keine Anzeichen menschlichen Lebens. „Wir mussten uns allen chemischen Reaktionen stellen, die in diesem Zeitraum auftreten könnten“, sagte er.

Die Wissenschaft über den Ursprung des Lebens schreitet weiter voran und mit den neuen Forschungsergebnissen fügen wir dem Puzzle neue Teile hinzu, aber es gibt immer noch Lücken, die gefüllt werden müssen.

Papierinformationen

【Titel】Cyanid als primordiales Reduktionsmittel ermöglicht einen protometabolischen reduktiven Glyoxylatweg

【Zeitschrift】Nature Chemistry

【Autor】 Mahipal Yadav, Sunil Pulletikurti, Jayasudhan R. Yerabolu und Ramanarayanan Krishnamurthy

【Datum】03. Februar 2022

【DOI】https://doi.org/10.1038/s41557-021-00878-w

【Zusammenfassung】

Die Untersuchung präbiotischer Stoffwechselwege basiert überwiegend auf der abiotischen Nachbildung des reduktiven Zitronensäurezyklus. Obwohl dies aus Sparsamkeitsgründen attraktiv ist, führten Versuche mit Metall-/Mineral-vermittelten Reduktionen zu komplexen Gemischen mit ineffizienten und unkontrollierten Reaktionen. Hier zeigen wir, dass Cyanid als mildes und effizientes Reduktionsmittel wirkt und abiotische Transformationen von Tricarbonsäure-Zwischenprodukten und -Derivaten vermittelt. Die Hydrolyse der Cyanid-Addukte und ihre anschließende Decarboxylierung ermöglichen die Reduktion von Oxalacetat zu Malat und von Fumarat zu Succinat, während Pyruvat und α-Ketoglutarat selbst nicht reduziert werden. In Gegenwart von Glyoxylat, Malonat und Malononitril ergeben sich alternative Wege, die die anspruchsvollen Schritte der reduktiven Carboxylierung umgehen, um Stoffwechselzwischenprodukte und Verbindungen zu erzeugen, die in Meteoriten vorkommen. Diese Ergebnisse deuten auf einen einfacheren präbiotischen Vorläufer des heutigen Stoffwechsels hin, der einen reduktiven Glyoxylatweg ohne Oxalacetat und α-Ketoglutarat umfasst. Dies bedeutet, dass die vorhandenen metabolischen reduktiven Carboxylierungschemien eine evolutionäre Erfindung sind, die durch komplexe Metalloproteine ​​vermittelt wird.

【Link】

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00878-w

【Originallink】

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/born-to-die-how-life-on-earth-may-have-started-with-a-dose-of-poison

Quelle: Research Circle, Discover Magazin

Von Donna Sarkar

Übersetzung: Ajin

Die Bilder in diesem Artikel mit dem Wasserzeichen „Science Popularization China“ stammen alle aus der Copyright-Galerie. Der Nachdruck der Bilder ist nicht gestattet.