Ein von Wissenschaftlern geleitetes Forschungsteam hat die Grenzen chemischer Kombinationen ausgenutzt, um ein Kochbuch mit Hunderten von Rezepten zusammenzustellen, die möglicherweise Leben hervorbringen könnten. Das Leben auf fernen Planeten – sofern es existiert – kann sich völlig vom Leben auf der Erde unterscheiden. Aber es gibt nur eine begrenzte Anzahl chemischer Inhaltsstoffe im Vorratsraum des Universums und nur eine begrenzte Anzahl an Möglichkeiten, sie zu mischen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison machte sich diese Einschränkungen zunutze und stellte ein Kochbuch mit Hunderten von chemischen Rezepten zusammen, die möglicherweise Leben entstehen lassen könnten.
Das Leben erfordert die Wiederholung chemischer Reaktionen. Die Beschreibung der Arten von Reaktionen und Bedingungen, die für sich selbst erhaltende Wiederholungen erforderlich sind, sogenannte autokatalytische Reaktionen, könnte es uns ermöglichen, unsere Suche nach Leben auf andere Planeten zu konzentrieren. Quelle: Betül Kaçar
Ihre Zutatenlisten stellen das Rezept zusammen, indem sie auf die wahrscheinlichsten Bedingungen hinweisen – eine planetarische Version von Mischtechniken, Ofentemperaturen und Backzeiten –, die den Fokus auf die Suche nach Leben anderswo im Universum legen.
Von grundlegenden chemischen Inhaltsstoffen bis hin zu komplexen Zyklen des Zellstoffwechsels und der Zellreproduktion definiert sich das Leben nicht nur durch einen einfachen Anfang, sondern durch Wiederholung, sagen Forscher.
Betül Kaçar, eine von der NASA unterstützte Astrobiologin und Professorin für Bakteriologie an der University of Washington, Madison, glaubt, dass die Entstehung des Lebens tatsächlich ein Prozess von Grund auf ist. Aber „aus dem Nichts etwas erschaffen“ kann nicht nur einmal geschehen. Das Leben hängt letztlich von der Chemie und den Bedingungen ab, die ein sich selbst reproduzierendes Reaktionsmuster erzeugen.“
Chemische Reaktionen, bei denen Moleküle entstehen, die dazu führen, dass dieselbe Reaktion wiederholt abläuft, werden autokatalytische Reaktionen genannt. In einer neuen Studie, die am 18. September im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, stellten Zhen Peng, ein Postdoktorand in Cachars Labor, und seine Mitarbeiter 270 molekulare Kombinationen mit Atomen in allen Gruppen und Reihen des Periodensystems zusammen, die das Potenzial für eine nachhaltige Autokatalyse haben.
„Man geht davon aus, dass solche Reaktionen sehr selten sind“, sagte Kaçar. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass diese Reaktion tatsächlich keine Seltenheit ist. Man muss nur an den richtigen Stellen suchen.“
Im Fokus der Studie der Forscher standen sogenannte Proportionalreaktionen. Bei diesen Reaktionen verbinden sich zwei Verbindungen, die das gleiche Element, aber unterschiedliche Elektronenzahlen oder Reaktionszustände enthalten, zu einer neuen Verbindung, wobei sich das Element in der Mitte des anfänglichen Reaktionszustands befindet.
Um autokatalytisch zu sein, muss das Ergebnis einer Reaktion auch das Ausgangsmaterial für eine erneute Reaktion liefern, sodass der Output zu einem neuen Input wird, sagte der Co-Autor der Studie, Zach Adam, ein Geowissenschaftler an der University of Wisconsin-Madison, der den Ursprung des Lebens auf der Erde untersucht. Verhältnisreaktionen erzeugen mehrere Kopien einiger verwandter Moleküle und liefern so Material für den nächsten Schritt der autokatalytischen Reaktion.
„Wenn die Bedingungen stimmen, kann man mit einer relativ kleinen Produktionsmenge beginnen“, sagte Adam. „Jedes Mal, wenn man eine Schleife macht, spuckt man mindestens einen zusätzlichen Output aus, was die Reaktion beschleunigt und schneller vonstatten geht.“
Die Autokatalyse ist wie eine wachsende Kaninchenherde. Kaninchenpaare kommen zusammen und bringen einen Wurf neuer Kaninchen zur Welt, und dann wachsen die neuen Kaninchen heran, bilden Paare und bringen weitere Kaninchen zur Welt. Es braucht nicht zu viele Kaninchen und es werden bald mehr sein.
Allerdings ist die Suche im Universum nach Schlappohren und pelzigen Schwänzen möglicherweise keine erfolgreiche Strategie. Stattdessen hofft Kaçar, dass Chemiker einige Ideen aus der Rezeptliste der neuen Studie übernehmen und sie in den Töpfen und Pfannen einer simulierten außerirdischen Küche ausprobieren.
„Wir werden nie genau wissen, was auf diesem Planeten passiert ist und das Leben entstehen ließ. Wir haben keine Zeitmaschine“, sagte Kaçar. „Aber im Reagenzglas können wir verschiedene Planetenbedingungen erzeugen, um zu verstehen, wie sich die Kräfte entwickelt haben, die das Leben erhalten.“
Kaçar leitet ein von der NASA unterstütztes Konsortium namens MUSE, die Metals Utilization and Options for a Future Alliance. Ihr Labor wird sich auf Reaktionen konzentrieren, an denen Elemente wie Molybdän und Eisen beteiligt sind, und sie ist gespannt, was andere aus den seltsamsten und ungewöhnlichsten Abschnitten des neuen Rezeptbuchs kochen.
Carl Sagan sagte, wenn man einen Kuchen von Grund auf backen möchte, müsse man zuerst das Universum erschaffen, sagte Kaçar. „Ich denke, wenn wir das Universum verstehen wollen, müssen wir zuerst ein paar Kuchen backen.“