Fliegen Sie in Ur-Suppe

Die Modellierung hydrothermaler Quellen transformiert diese Lebensquellen von unwahrscheinlich zu fast unvermeidlich

Ich kam am zweiten Tag der Schöpfung an. Laurie Barge lud mich ein, einen Tag in ihrem Modellierungslabor für Lebensquellen zu verbringen. Sie ist Forscherin am NASA Jet Laboratory in Pasadena und arbeitet mit einem Kollegen, dem Geologen Michael Russell, einem Mitglied des NASA Institute of Astrobiology, zusammen. Die Aufgabe bestand darin, eine hydrothermale Miniaturquelle unter Bedingungen zu schaffen, die den Urozean vor 4 Milliarden Jahren simulierten. Solche Quellen stehen im Zentrum der wissenschaftlichen Geschichte der Erschaffung des Lebens, eine Geschichte, die zu kontraintuitiv ist, um wahr zu sein, und doch so logisch, dass sie einfach bestätigt werden muss.

Am ersten Tag schufen Lastkähne mit Studenten die Ozeane. Sie begannen mit destilliertem Wasser und pumpten Stickstoff durch das Wasser, um Sauerstoff zu ersetzen, der sich nicht auf der frühen Erde befand. Die beiden frühen Erden in den Bechern wurden auf Stahlsockeln in der Haube platziert. Dann fügten wir den Ozeanen Eisenchlorid hinzu und gaben dem Wasser die Farbe eines Bieres ohne Gas [Flachbier]. Ich steckte die Spitze einer Pipette in den Boden jedes Gefäßes und fügte dort Natriumsulfid hinzu, wobei ich eine heiße Flüssigkeit emulierte, die durch die Brüche der Erdkruste aufstieg. Natrium reagierte mit Chlorid und erzeugte Salzwasser und Schwefel, kombiniert mit Eisen, um Eisensulfid zu bilden, das als Hohlrohr ausfiel. Ähnliche Rohre tauchten vor 4 Milliarden Jahren an hydrothermalen Quellen (GI) im späten Catharchea auf und bilden sich immer noch sowohl in bodenlosen Meeren als auch im Labor von Barges.


Unterwasserstadt: Dieses bienenstockförmige Sediment bildete sich an der Seite eines anderen Bauwerks in Lost City, einer großen Unterwassergruppe von Mineralrohren, von denen einige die Größe von Gebäuden erreichen, die alkalische Flüssigkeiten abgeben.

Die Idee des Ursprungs des Lebens in GI kämpft gegen die ältere, bekannte wissenschaftliche Geschichte der Schaffung des Lebens, die " Primärbrühe ". In einem Brief an Joseph Hooker aus dem Jahr 1871 ging Charles Darwin auf die Idee ein, dass das Leben „in einem kleinen, warmen Teich entstanden ist, in dem es alle Arten von Ammoniak- und Phosphorsalzen gab, in dem es Licht, Wärme, Elektrizität usw. gab“. Infolgedessen "eine chemisch gebildete Proteinverbindung, die für noch komplexere Veränderungen bereit ist". 1924 stellte der russische Wissenschaftler Alexander Oparin die Theorie der Entstehung des Lebens auf der Erde vor, indem kohlenstoffhaltige Moleküle im Verlauf der schrittweisen chemischen Evolution in eine „Primärbrühe“ umgewandelt wurden. 1925 stellte er diese Idee dem Gericht der englischsprachigen Öffentlichkeit vor. 1929 veröffentlichte der britische Wissenschaftler John Burdon Sanderson Haldane seine Arbeit über den Ursprung des Lebens mit ähnlichen Ideen. Er schrieb, wie das Leben im alten Ozean entstanden sein könnte, der die Konsistenz einer „heißen, verdünnten Suppe“ hatte. Dieser Name hat also Wurzeln geschlagen.

1953 schuf Stanley Miller, ein Doktorand, der bei Nobelpreisträger Harold Urey studierte, erfolgreich Suppe im Labor. Er ordnete die Flaschen mit dem vermeintlichen Urozean und der Atmosphäre, setzte mit Hilfe künstlicher Blitze einen Funken ein und sammelte die erhaltenen Verbindungen. Er fand viele sehr neugierig, darunter mehrere Aminosäuren. Die Chemie von Miller-Yuri wurde zu einem Symbol auf der Suche nach einer Quelle des Lebens, während sich Millers Schüler selbst vermehrten und vermehrten. In der heutigen Studie über die Quelle des Lebens bezieht sich „Suppe“ auf Modelle, bei denen das Leben dank der Miller-Yuri-Chemie auf der Oberfläche des Ozeans oder in der Nähe des Ozeans beginnt, während Blitze oder andere Energiequellen Moleküle ständig zu Zuständen zunehmender Komplexität verbinden, bis bis die darwinistische Evolution beginnt. [Plaxco, KW & Gross, M. Astrobiologie: Eine kurze Einführung Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD (2006)]

Die Suppe ist intuitiv attraktiv: Sie können die Bausteine ​​des Lebens daraus ziehen. Aber er hat auch einen fatalen Fehler: Egal was er produziert, es ist tot. Blitze können biochemische Reaktionen auslösen, aber die Energie geht schnell verloren und das System kehrt zum Gleichgewicht zurück. Primärbrühe braucht Evolution, um thermodynamisch nach oben zu klettern, um die Ordnung zu erhöhen. Dies ähnelt Schwerkrafthügeln , deren Beschreibungen im Internet voll sind, wo das Auto selbst bergauf zu rollen scheint. Aminosäuren und Nukleotide entstanden aus Hitze, Steinen und Meerwasser. Sie organisierten sich in noch geordneteren Molekülen wie Enzymen und Proteinen. Von diesen baute die Evolution die ersten Zellen und infolgedessen Mahagoni und Rosen, Bienen und Apfelbäume, Hyänen und Menschen.

Aber ein Gravitationshügel ist ein Scherz der Perspektive. Das Konstruktionsniveau würde die Täuschung enthüllen, aber Sie sehen es selten in diesen Videos mit "magischen" Hügeln. Die Gesetze der Physik wurden nicht aufgehoben. Gleiches gilt für die Geburt des Lebens, wie GI-Experten sagen. Es scheint nur, dass sich die Evolution in Richtung Ordnung bewegt; Im Allgemeinen geht es immer bergab. GI-Modelle sagen, dass unter den Anfangsbedingungen das Erscheinen des Lebens kein Wunder war. Es war unvermeidlich. [Martin, W. & Russell, MJ Über die Ursprünge von Zellen: Eine Hypothese für die evolutionären Übergänge von der abiotischen Geochemie zu chemoautotrophen Prokaryoten und von Prokaryoten zu kernhaltigen Zellen. Philosophische Transaktionen der Royal Society of London B: Biological Sciences 358, 59-83 (2003) / Russell, MJ & Martin, W. Die felsigen Wurzeln des Acetyl-CoA-Weges. Trends in Biochemical Sciences 29, 358-363 (2004) / Martin, W. & Russell, MJ Über den Ursprung der Biochemie an einem alkalischen hydrothermalen Vent. Philosophische Transaktionen der Royal Society of London B: Biological Sciences 362, 1887-1925 (2007) / W. Martin, J. Baross, D. Kelley & MJ Russell Hydrothermale Entlüftungsöffnungen und der Ursprung des Lebens. Nature Reviews Microbiology 6, 805-814 (2008)]


Ein Unterwasserroboter untersucht die Struktur, die in der Verlorenen Stadt wächst

Ozeanographen entdeckten GI erstmals 1977 in der Galapagos-Spalte im Osten des Pazifischen Ozeans. [Corliss, JB, et al. U-Boot-Thermalquellen auf dem Galapagos-Riss. Science 203, 1073-1083 (1979)] 1979 wurden auf dem Kamm des East Pacific Rise bei 21 Grad nördlicher Breite riesige Rohre entdeckt, die schwärzliche und sehr heiße Säure in kalte dunkle Tiefen spuckten. Ganz genau und fast poetisch wurden diese Strukturen "schwarze Raucher" genannt. Die Forscher waren erstaunt, dass der Raum in der Nähe von schwarzen Rauchern voller Leben war, von Fischen bis zu unzähligen neuen Arten von Mikroben. 1981 schlug Jack Corliss, einer der Ozeanographen der Expedition zur Galapagos-Spalte, zusammen mit den Mikrobiologen John Baross und Sarah Hoffman vor, dass der Unterwasser-GI "alle notwendigen Bedingungen für die Schaffung von Leben auf der Erde bietet". Es wurde kein Licht oder Blitz benötigt. Es gab keine Suppe.

Millers Anhänger starteten einen Vergeltungsangriff. GIs waren zu heiß, um das Leben zu unterstützen, schrieben Miller und sein ehemaliger Schüler Jeffrey Bud. Aminosäuren und Nukleinsäuren würden, selbst wenn sie auftreten würden, fast sofort zerstört. Zucker würde schmelzen. Das Leben konnte in einer so feindlichen Umgebung nicht beginnen. Sie schrieben: "Quellen wären eher ein wichtiges Werkzeug für die Zerstörung als die Synthese organischer Komponenten in primitiven Ozeanen." [Miller, SL & Bada, JL U-Boot heiße Quellen und der Ursprung des Lebens. Nature 334, 609 & ndash; 611 (1988)]

Russell und sein Kollege Allan Hall, heute Archäologe an der Universität von Glasgow, haben sich dem Streit angeschlossen. Sie sagten, dass Miller natürlich Recht hatte - schwarze Raucher sind zu heiß und haben zu viel Säure in sich, um dort Leben zu bilden. Aber neben ihnen, schrieben sie, finden sich Mineralröhren, die eine lauwarme alkalische Flüssigkeit abgeben. Dies sind ideale Orte für die Geburt des Lebens. [Russell, MJ, Hall, AJ & Turner, D. In-vitro-Wachstum von Eisensulfid-Kaminen: mögliche Kulturkammern für Experimente zur Entstehung des Lebens. Terra Nova 1, 238 & ndash; 241 (1989)]


Auf den Steinen des hydrothermalen Feldes der Verlorenen Stadt lebt eine Vielzahl von wirbellosen Tiefseetieren, darunter eine große Anzahl von Korallen. Krabben betrachten diese Stadt auch als ihre Heimat.

Und am 4. Dezember 2000 wurden, wie Russell vorausgesagt hatte, solche Röhren gefunden, wenn auch zufällig. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Donna Blackman vom Scripps Institute of Oceanography, zu dem Deborah Kelly von der University of Washington und Jeffrey Carson von der Duke University gehörten, untersuchte das Atlantikmassiv, eine 15 km lange Erhebung, die nach der mythischen Stadt benannt ist, die laut Plato im Norden versank Atlantik nach der Niederlage gegen Athen. Gegen Ende der Expedition des Monats weicht der Unterwasserroboter von seinem beabsichtigten Kurs ab und folgt dem Fisch, als würde er sich speziell in die Kamera verziehen. Plötzlich sahen die Forscher auf dem Bildschirm ein ausgedehntes System perlweißer Strukturen, von denen einige die Größe eines Gebäudes hatten: Kegel, Türme, gefrorene Fenster. Sie konnten nicht anders, als diesen Ort "Die verlorene Stadt" zu nennen. [Earthguide: Mid-Atlantic Ridge, Tagebucheintrag, Dez. 12, 2000]

Beim Studium wurde festgestellt, dass die Türme der Verlorenen Stadt saubere, warme alkalische Flüssigkeit in einen leicht sauren Ozean abgeben. Grenzen trennten warmes Wasser von kaltem Wasser, konzentriert von verdünntem, niedrigem pH von hohem. Die verlorene Stadt auf der frühen Erde würde in einem kohlenstoffreichen und daher sauren Ozean erscheinen. Seine porösen Wände aus Sulfiden und Eisenoxiden würden die erste verlorene Stadt zu einer schwachen, aber riesigen Batterie machen. [Russell, MJ, Nitschke, W. & Branscomb, E. Die unvermeidliche Reise zum Sein. Philosophische Transaktionen der Royal Society of London B: Biological Sciences 368 (2013). Abgerufen von doi: 10.1098 / rstb.2012.0254] Lebende Zellen sind ebenfalls von einer Membran umgeben, die die alkalischen Einbauten von der leicht sauren Umgebung trennt. Der "letzte universelle Vorfahr" des Lebens, wie Barge sagt, "wurde wie das heutige Leben von den Gradienten der Elektronen und Protonen gespeist." Unabhängig davon, ob es sich um ein Tier, eine Pflanze, einen Pilz oder ein Bakterium handelt, wiederholen alle Organismen die Chemie der Oxidation und Reduktion, die in warmen alkalischen Quellen zu finden ist. In jeder Zelle lebt ein kleines Stück dieser alten verlorenen Stadt.

Während die Barkassen und ich das Experiment beobachteten, begannen Eisensulfidrohre, komplexe Strukturen zu bilden. Die aufsteigende Flüssigkeit baute ihr Auspuffrohr auf. Ein Stück Kristall blockierte den Fluss; die aufsteigende Flüssigkeit fand einen neuen Weg; Die Struktur hat sich verzweigt. Das Ergebnis erinnerte überraschenderweise an eine Pflanze. Die alten Alchemisten schufen ähnliche „chemische Gärten“, und der fast vergessene Biologe des 19. Jahrhunderts, Stéphane Leduc, glaubte, dass diese organischen Formen die Prinzipien des biologischen Wachstums widerspiegeln. "Die Lebenskette", schrieb Leduc, "geht ununterbrochen weiter, vom Mineral an einem Ende bis zum komplexesten Organismus am anderen."

Moderne GI-Modelle liefern eine Erklärung für die Entstehung dieser Kette. Die riesige Batterie der frühen Lost City unterstützt ein Werkzeug, das komplexe Moleküle hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Eisensulfid wirkt wie andere kleine Moleküle in den Quellen wie Coenzyme - katalytische Nanomotoren, die die Reaktionen fördern, die das Herzstück des gesamten Stoffwechsels bilden. Einfach ausgedrückt, Rohre haben eine Art Stoffwechsel, der Energie aus Wasserstoff, CO ₂ und anderen Molekülen erhält und daraus komplexere Moleküle aufbaut, hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Die ältesten Stoffwechselwege in der Biologie wiederholen die Chemie der frühen Verlorenen Stadt.

Was den meisten unserer Intuition widerspricht, ist, dass komplexe Strukturen Energie besser ableiten können als einfache. [Mac McClellan, J. Was ist das treibstoffsparendste Flugzeug? Flyingmag.com (2008)] Katalysatoren helfen Ihnen, einen Energiehügel zu besteigen, sodass Sie andererseits noch tiefer fallen können. Wenn wir die gesamte biologische Evolution betrachten, dann ist jeder Organismus ein solcher Energiehügel. Es entsteht nur unter thermodynamisch günstigen Bedingungen - wenn wir Energie auf einen Hügel ziehen, können wir noch mehr Energie freisetzen. Die Herstellung einer Eidechse erfordert mehr Energie als die Erzeugung einer bestimmten Menge von E. coli derselben Masse, verbraucht aber auch schneller Energie. In einer Welt, in der es sowohl Eidechsen als auch Bakterien gibt, ist es energetisch günstiger als in einer Welt, in der es nur Bakterien gibt. Eine Welt, in der es auch warmblütige Kühe gibt, die Gras kauen und Wärme, Methan und Dünger abgeben - eine verbesserte Version des Entropiemotors; Eine Welt mit Tigern ist noch besser. Es ist energetisch vorteilhaft, ein Ökosystem zu haben: Ein Land mit üppiger Vegetation und voller Leben verbraucht mehr Wärme vom heißen Zentrum des Planeten und der Sonne und gibt sie in den kalten, dunklen Raum ab als beispielsweise den Mars. Unsere Biosphäre ist eine sehr komplexe Eisblase für die Sonne.

Ein riesiges Ausbreitungswerkzeug kam zusammen mit Homo sapiens. Die gesamte Geschichte der Technologie ist die Entwicklung immer effizienterer Methoden zur Energiegewinnung
Erde und Sonne: Feuer, Kochen, Landwirtschaft, Bergbau, Schmelzen, Holzeinschlag, Dampfmaschinen. Wie ein Wassertropfen, der von einem Hügel entweicht, ist der genaue Weg der Evolution und Kultur nicht definiert - nur ein allgemeiner Trend. Daher waren weder Kunst noch Krieg, noch NASCAR oder Smartphones unvermeidlich - all dies kann als das Werk des Motors der menschlichen Entropie angesehen werden. In diesem Licht sind unsere Dispersionstrends keine Abweichung, sondern eine thermodynamische Notwendigkeit.


In einer Seesimulation im Jet Laboratory wächst eine 5 cm hohe Miniaturröhre aus Eisensulfid. Es reproduziert die größeren Strukturen, die mit GI verbunden sind und in denen das Leben auf der alten Erde entstanden sein könnte

Wenn Barges und ich das Labormodell lange beobachtet hätten, hätte es dann einen Stoffwechselweg durch die Evolution entwickelt? Enzyme? Gene? Möglicherweise. Die Lastkähne machen ihre ersten Schritte in diese Richtung, wenn auch kleine. Anstatt ein Rohr zu bauen, werden Eisensulfid und andere Mineralien auf eine poröse Scheibe aus inertem Material gelegt. Die Scheibe kann als Membran zwischen beispielsweise einer positiv geladenen und einer negativ geladenen Flüssigkeit arbeiten. Lastkähne messen die Spannung und den pH-Unterschied von zwei Seiten der Membran - dann Elektronen und Protonen. Diese Ströme unterstützen lebenswichtige chemische Reaktionen. Der nächste Schritt besteht darin, die chemischen Reaktionen zu komplexeren Molekülen zu führen. "Sie können auch Experimente durchführen", sagt sie, "um das aufkommende Feedback von organischen Stoffen zu Mineralien zu testen." Einfache Katalysatoren könnten Reaktionen bevorzugen, deren Ergebnis komplexere Katalysatoren wären, die noch komplexere Katalysatoren erzeugen könnten, und diese Rückkopplungsschleife würde schließlich im Laufe der Zeit zu Proteinen und DNA führen.

In einer meiner beiden Welten stellte sich heraus, dass die Pfeife einen dünnen Stiel und am Ende eine starke Verdickung aufwies. "Dieser wird wahrscheinlich brechen", sagt Barge. Und es bricht: die Sackgasse der Evolution. Aber das Rohr in der anderen Glühbirne wuchs sehr dick und baute einen konischen Berg mit einer Reihe von Gipfeln, die für einen Wasserfloh großartig erscheinen würden. Lori untersuchte sie und lobte sie.

Nathaniel Comfort - ein Mitglied der Astrobiologischen Versammlung. Baruch Bloomberg an der Library of Congress / NASA und Professor für Medizingeschichte an der Universität. John Hopkins. Sein jüngstes Buch ist The Science of Human Perfection. Twitter @nccomfort.