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Nov 30, 2023

Wo entstand das erste Leben auf der Erde? Komplexer hydrothermischer Reaktor der NASA liefert neue Erkenntnisse

Von Jet Propulsion Laboratory, 3. Mai 2020 Ein Meeresbodenschlot, der als „weißer Raucher“ bezeichnet wird

Von Jet Propulsion Laboratory, 3. Mai 2020

Ein als „weißer Raucher“ bezeichneter Schlot am Meeresboden spuckt mineralreiches Wasser in den Ozean und dient als Energiezentrum für Lebewesen. Einige Wissenschaftler glauben, dass das Leben auf der Erde vor Milliarden von Jahren in der Nähe ähnlicher Quellen am Meeresboden entstanden sein könnte. Bildnachweis: NOAA/C. Deutsch (WHOI)

Durch die Nachahmung von felsigen Meeresbodenschornsteinen im Labor haben Wissenschaftler neue Beweise dafür erbracht, dass diese Merkmale die richtigen Zutaten für den Start des Lebens hätten liefern können.

Where did life first form on Earth? Some scientists think it could have been around hydrothermal vents that may have existed at the bottom of the ocean 4.5 billion years ago. In a new paper in the journal Astrobiology, scientists at NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Das Jet Propulsion Laboratory der NASA beschreibt, wie sie mit einem komplexen Versuchsaufbau mögliche antike Unterwasserumgebungen nachahmten. Sie zeigten, dass unter extremem Druck Flüssigkeit aus diesen alten Meeresbodenrissen, vermischt mit Meerwasser, mit Mineralien aus den hydrothermalen Quellen reagiert haben könnte, um organische Moleküle zu erzeugen – die Bausteine, aus denen fast alles Leben auf der Erde besteht.

In particular, the research lays important groundwork for in-depth studies of such ocean worlds as SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn's moon Enceladus and JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Jupiter's moon Europa, which are both thought to have liquid-water oceans buried beneath thick icy crusts and may host hydrothermal activity similar to what's being simulated at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> JPL. Dieses Forschungsgebiet gehört zu einem Studienbereich, der als Astrobiologie bekannt ist, und die Arbeit wurde vom JPL Icy Worlds-Team als Teil des ehemaligen NASA Astrobiology Institute durchgeführt.

Einige Wissenschaftler glauben, dass die Geschichte des Lebens auf der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren rund um hydrothermale Quellen am Meeresgrund begonnen haben könnte. Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA haben diese alten Unterwasserumgebungen mit einem komplexen Versuchsaufbau nachgeahmt.

Um die Bedingungen zu simulieren, die auf dem Meeresboden einer neu entstandenen Erde geherrscht haben könnten, bevor das Meer voller Leben war, führten die damalige Doktorandin Lauren White und ihre Kollegen ein Experiment durch, bei dem drei Hauptbestandteile zusammenkamen: wasserstoffreiches Wasser wie dieses das könnte durch Entlüftungsöffnungen unter dem Meeresboden hervorgeflossen sein; mit Kohlendioxid angereichertes Meerwasser, wie es in der antiken Atmosphäre vorkam; und ein paar Mineralien, die sich in dieser Umgebung gebildet haben könnten.

White and colleagues — including her graduate advisor, retired JPL scientist Michael Russell — simulated vents that didn't spew particularly hot water (it was only about 212 FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit, or 100 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius). Eine große Herausforderung bei der Erstellung des Versuchsaufbaus bestand darin, den gleichen Druck aufrechtzuerhalten, der 0,6 Meilen (1 Kilometer) unter der Meeresoberfläche herrscht – etwa das Hundertfache des Luftdrucks auf Meereshöhe. In früheren Experimenten wurden ähnliche chemische Reaktionen in einzelnen Hochdruckkammern getestet, aber White und ihre Kollegen wollten die physikalischen Eigenschaften dieser Umgebungen, einschließlich der Art und Weise, wie die Flüssigkeiten fließen und sich miteinander vermischen, vollständiger nachbilden. Dies würde die Aufrechterhaltung des hohen Drucks in mehreren Kammern erfordern, was die Komplexität des Projekts erhöht. (Da bereits ein Riss oder ein Leck in einer einzelnen Hochdruckkammer die Gefahr einer Explosion birgt, ist es in solchen Fällen ein Standardverfahren, einen Explosionsschutz zwischen dem Gerät und den Wissenschaftlern zu installieren.)

Lauren White, Wissenschaftlerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA, passt ein Experiment an, das simuliert, wie vor 4,5 Milliarden Jahren altes Meerwasser und Flüssigkeit aus hydrothermalen Quellen mit Mineralien vom Meeresboden reagiert haben könnten, um organische Moleküle zu erzeugen. Das Bild wurde 2014 am JPL aufgenommen. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

The scientists wanted to determine whether such ancient conditions could have produced organic molecules — those containing carbon atoms in loops or chains, as well as with other atoms, most commonlyhydrogen. Examples of complex organic molecules include amino acids<div class="cell text-container large-6 small-order-0 large-order-1"><div class="text-wrapper"><br />Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.<br /></div></div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">amino acids, which can eventually form DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">RNA.

But just as eggs, flour, butter, and sugar aren't the same thing as a cake, the presence of both carbon and hydrogen in the early oceans doesn't guarantee the formation of organic molecules. While a carbon and a hydrogen atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Obwohl Atome in diesem prähistorischen Ozean vernünftigerweise aufeinanderstoßen könnten, würden sie sich nicht automatisch zu einer organischen Verbindung verbinden. Dieser Prozess erfordert Energie, und genau wie ein Ball nicht von selbst einen Hügel hinaufrollt, können sich Kohlenstoff und Wasserstoff nicht ohne einen energetischen Schub verbinden.

Eine frühere Studie von White und ihren Kollegen zeigte, dass durch hydrothermale Quellen pulsierendes Wasser Eisensulfide gebildet haben könnte. Indem sie als Katalysator wirken, könnten Eisensulfide diesen energetischen Schub liefern, indem sie die Energiemenge senken, die für die gemeinsame Reaktion von Kohlenstoff und Wasserstoff erforderlich ist, und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sie organische Stoffe bilden.

Das neue Experiment testete, ob diese Reaktion unter den physikalischen Bedingungen rund um antike Meeresbodenschlote wahrscheinlich stattgefunden hätte, wenn solche Schlote damals existierten. Die Antwort? Ja. Das Team stellte Formiat und Spuren von Methan her, beides organische Moleküle.

Natürlich vorkommendes Methan auf der Erde wird größtenteils von lebenden Organismen oder durch den Zerfall von biologischem Material, einschließlich Pflanzen und Tieren, produziert. Könnte Methan auf anderen Planeten auch ein Zeichen biologischer Aktivität sein? Um Methan zur Suche nach Leben auf anderen Welten zu nutzen, müssen Wissenschaftler sowohl seine biologischen als auch nichtbiologischen Quellen verstehen, wie beispielsweise die von White und ihren Kollegen identifizierte.

„Ich denke, es ist wirklich bedeutsam, dass wir gezeigt haben, dass diese Reaktionen in Gegenwart dieser physikalischen Faktoren wie Druck und Strömung stattfinden“, sagte White. „Wir sind noch weit davon entfernt zu beweisen, dass sich in diesen Umgebungen Leben gebildet haben könnte. Aber wenn irgendjemand das jemals behaupten will, müssen wir meines Erachtens die Machbarkeit jedes Schritts des Prozesses nachgewiesen haben; das können wir nicht.“ Nimm alles als selbstverständlich hin.

Die Arbeit baut auf der Hypothese von Michael Russell auf, dass sich das Leben auf der Erde möglicherweise am Grund des frühen Ozeans der Erde gebildet hat. Die Bildung organischer Moleküle wäre ein wichtiger Schritt in diesem Prozess. Wissenschaftler derselben JPL-Forschungsgruppe haben andere Aspekte dieser Arbeit untersucht, beispielsweise die Nachbildung der chemischen Bedingungen im frühen Ozean, um zu zeigen, wie sich dort Aminosäuren bilden könnten. Die neue Studie ist jedoch einzigartig in der Art und Weise, wie sie die physikalischen Bedingungen dieser Umgebungen nachbildet.

In den nächsten Jahren wird die NASA den Europa Clipper starten, der Jupiter umkreisen und mehrere Vorbeiflüge am Eismond Europa durchführen wird. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die dortigen Wolken Wasser aus dem Ozean des Mondes, der unter einer etwa 3 bis 30 Kilometer dicken Eisschicht liegt, in den Weltraum spucken könnten. Diese Wolken könnten Informationen über mögliche hydrothermale Prozesse am Meeresboden liefern, der vermutlich etwa 80 Kilometer tief ist. Das neue Papier trägt zu einem wachsenden Verständnis der Chemie bei, die in anderen Ozeanen als unserem eigenen stattfinden könnte, was Wissenschaftlern helfen wird, die Ergebnisse dieser und anderer Missionen zu interpretieren.

Referenz: „Simulating Serpentinization as It Could Apply to the Emergence of Life Using the JPL Hydrothermal Reactor“ von Lauren M. White, Takazo Shibuya, Steven D. Vance, Lance E. Christensen, Rohit Bhartia, Richard Kidd, Adam Hoffmann, Galen D . Stucky, Isik Kanik und Michael J. Russell, 2. März 2020, Astrobiology.DOI: 10.1089/ast.2018.1949