Außerirdische Bausteine des Lebens: Komplexe Moleküle im Weltall

Wir sind alle aus Sternenstaub gemacht: Zu diesem stark romantisierten Schluss konnte man bereits 2017 kommen, als Astronomen der McMaster University in Hamilton, Kanada, und des Max-Planck-Instituts für Astronomie ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten. Sie beschrieben ein Szenario, in dem – nur wenige hundert Millionen Jahre, nachdem die Oberfläche der jungen Erde abgekühlt war – in dem plötzlich vorhandenen warmen Wasser Leben entstand. Die dafür nötigen Bausteine kamen aus dem Weltraum: Sie hatten sich bei der Entstehung des Sonnensystems gebildet, und waren von Meteoriten auf die Erde gebracht worden. Dort bildeten sie als wesentliche Ingredienz des Lebens in kleinen, irdischen Teichen selbstproduzierende Einheiten wie Protozellen - und die Evolution nahm ihren Lauf.

Eine Frage, die in dem damaligen Szenario jedoch nicht beantwortet wurde: Wie komplex waren die außerirdischen Moleküle, aus denen alle irdischen Lebensformen entstanden sind? Da bisher davon ausgegangen wurde, dass Wasser eine Grundvoraussetzung für die Bildung der wesentlichen chemischen Verbindungen ist und die Kälte des Weltraums die ihre Entstehung behindert, galt es als unwahrscheinlich, dass dieser Vorgang in einem kosmischen Umfeld stattfinden kann. Das Labor, in dem alles Leben entstand, musste also die Erde sein. 

Eine neue Studie von Wissenschaftlern des Astrophysikalischen Labors des Max-Planck-Instituts für Astronomie an der Universität Jena, die in der Zeitschrift nature astronomy erschienen ist, zeigt nun, dass im Weltall durchaus komplexe Moleküle entstehen können. Außerdem beschreibt sie einen Reaktionsweg, bei dem Wasser keine Rolle spielt. 

Aminosäuren und Peptide: Polymerisation im All

Der Studie zufolge können sich auf der vereisten Oberfläche von Weltraumstaub Peptide bilden – Grundbausteine des Lebens, die zum Beispiel Stoffe transportieren, Reaktionen beschleunigen oder stabilisierende Gerüste in Zellen bilden. Sie bestehen aus Aminosäuren, die sich zu Ketten zusammenschließen. Damit die einfachste und kleinste Aminosäure Glycin entsteht, muss sich ein Wassermolekül an dessen Vorstufen – die sogenannte Aminoketene – anlagern. Für die Bildung eines Peptids muss dieses Wassermolekül jedoch wieder abgespalten werden. Ein Prozess, der als Polymerisation bezeichnet wird, und mit großem energetischem Aufwand verbunden ist.

„Die Polymerisation von Aminosäuren ist eine Reaktion, die nicht einmal bei Raumtemperatur auf der Erde einfach abläuft“, erklärt der Hauptautor der Studie, Dr. Serge Krasnokutski von der Universität Jena. „Daher bleibt die Bildung von Peptiden selbst unter terrestrischen Bedingungen ein Rätsel.“ 

Bei niedrigen Temperaturen, wie sie im Weltraum herrschen, sei die Bildung langer Peptidketten nach dem klassischen Mechanismus fast unmöglich: Die Staubpartikel in kosmischen Wolken tragen auf ihrer eisigen Oberfläche zwar alle Chemikalien, die zur Bildung von Peptiden nötig sind – nämlich Kohlenstoff, Ammoniak und Kohlenstoffmonoxid. Die Kälte des Kosmos behindert jedoch die Polymerisation.

Allerdings kommt Kohlenstoff im All nicht nur gebunden in Molekülen vor, sondern auch in Form einzelner C-Atome. Das brachte Serge Krasnokutski auf die Idee, zu untersuchen, ob die Bildung von Aminosäuren nicht einfach übersprungen werden kann, indem Aminoketene sich direkt zu Peptiden zusammenschließen. „Einzelne Kohlenstoffatome sind selbst bei niedrigsten Temperaturen erstaunlich reaktionsfreudig“, sagt er. „Sie können als eine Art ‚molekularer Klebstoff‘ dienen, der Moleküle miteinander verbindet und anorganische Substanzen in organische verwandelt.“

Der Weltraum im Labor

Zur Überprüfung der Theorie führten die Forscher ein Experiment in einer Ultrahochvakuum-Kammer durch. Bei einem Billiardstel des normalen Luftdrucks und Minus 263 Grad Celsius herrschen hier kosmische Bedingungen. Sie besprühten Substrate mit Eis, um die Oberfläche von Weltraumstaub zu imitieren, auf der die fraglichen chemischen Reaktionen im Kosmos stattfinden – und brachten sie in der Kammer mit den entsprechenden Chemikalien zusammen. Das Ergebnis brachte die Bestätigung.

„Die Untersuchungen haben gezeigt, dass unter kosmischen Bedingungen aus einfachen Chemikalien das Peptid Polyglycin entstehen kann“, sagt Serge Krasnokutski. Dabei handele es sich um Glycinketten, die die Wissenschaftler in unterschiedlichen Längen feststellten. „Die längsten Exemplare bestanden aus elf Einheiten der Aminosäure.“

Neben Peptiden konnten außerdem Aminoketene nachgewiesen werden, die laut Serge Krasnokutski dank ihrer hohen Reaktivität dafür verantwortlich sind, dass die chemische Reaktion überhaupt bei derart niedrigen Temperaturen ablaufen kann. Trotzdem ist er überrascht, „dass die Polymerisation von Aminoketen unter solchen Bedingungen so einfach passieren kann.“

Chemie der Entstehung irdischen Lebens

Das Forschungsteam hat mit seiner Arbeit einen bisher unbekannten chemischen Weg zur Bildung von Peptiden und Proteinen gefunden. Serge Krasnokutski zufolge können die Ergebnisse der Studie dabei helfen, die Chemie der Entstehung des Lebens besser zu verstehen. „Bei diesen Experimenten haben wir die völlig spontane Bildung relativ kurzer Peptide beobachtet. Für weitere Untersuchungen könnte es interessant sein, die Bildung von längeren Peptiden, die man bereits als Proteine bezeichnen könnte, und solchen, die nicht nur aus Glycin bestehen, zu erforschen.“

Dass nicht nur Aminosäuren, sondern auch Peptide unter kosmischen Bedingungen auf der eisigen Oberfläche von Staubkörnern entstehen können, könnte potentiell ausschlaggebend dafür gewesen sein, dass sich auf der Erde Leben entwickelte. Laut Serge Krasnokutski gibt bis heute kein eindeutiges Verständnis vom Mechanismus der Bildung von Biopolymeren und Peptiden vor der Entstehung von Leben. Aber man könne ein Szenario nicht vollständig ausschließen, „in dem die Bildung von Peptiden im Weltraum und ihre Lieferung auf die Erde nicht nur die Evolution beschleunigten, sondern ein Schlüsselmoment für die Entstehung des Lebens waren.“