Die Forschungsergebnisse könnten erklären, wie das Leben auf der Erde entstand, und lassen sich auch auf andere Planeten und Körper im Sonnensystem sowie auf Exoplaneten übertragen.
Kohlenstoffhaltige Materialien vom Ryugu-Asteroiden
Eine detaillierte Untersuchung von Proben des Ryugu-Asteroiden hat weitere Beweise dafür geliefert, dass die organischen Moleküle, die das Leben auf unserem Planeten entstehen ließen, von alten Kometen hierher gebracht wurden. Diese Weltraumgesteinsproben wurden von der japanischen Hayabusa2-Mission zur Erde zurückgebracht, die 2018 den kreiselförmigen Weltraumfelsen Ryugu besuchte. Hayabusa2 verbrachte etwa 18 Monate damit, den Asteroiden zu untersuchen und Oberflächenmaterial zu sammeln, das sich als eine Fundgrube an Informationen über unser Sonnensystem herausstellte.
Ein Team von Wissenschaftlern, die hinter neuen Entwicklungen auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens stehen, hat „Schmelzspritzer“ mit einer Breite von 5 bis 20 Mikrometern entdeckt, die insbesondere dann entstanden, wenn Kometenstaub auf die Oberfläche von Ryugu prasselte. Und in diesen Schmelzspritzern fanden Forscher kleine kohlenstoffhaltige Materialien, die primitiver organischer Materie ähneln. Ryugu, offiziell bekannt als 162173 Ryugu, ist ein erdnaher Asteroid mit einer Breite von 2.850 Fuß (870 Meter) ohne schützende Atmosphäre. Dies bedeutet, dass seine Oberfläche direkt dem Weltraum ausgesetzt ist und interplanetaren Staub sammeln kann, der beim Aufprall die Zusammensetzung der Oberfläche des Asteroiden verändert.
Asteroid Ryugu. Oben – Schmelzspritzer von der Oberfläche von Ryugu, unten – CT-Schnitt der Schmelze mit Hohlräumen. JAXA/ Megumi Matsumoto et al.
Die vom Team untersuchten Schmelzspritzer traten auf, als das Oberflächenmaterial des Asteroiden mit Kometenstaub kollidierte, wobei die beiden Materialien während der durch den Aufprall verursachten Erwärmung und schließlich der Abkühlung schmolzen und sich miteinander vermischten. Die schwammigen kohlenstoffhaltigen Materialien, die in den Ryugu-Schmelzen gefunden werden, unterscheiden sich chemisch von der organischen Substanz, die typischerweise in Kometenmaterial vorkommt, weil ihnen Sauerstoff und Stickstoff fehlen. Dies könnte jedoch ein Hinweis darauf sein, wie sich das Material überhaupt gebildet hat.
„Bei dieser organischen Substanz könnte es sich um kleine Samen des Lebens handeln, die einst aus dem Weltraum auf die Erde gebracht wurden“, sagte Megumi Matsumoto, ein Teammitglied und außerordentliche Professorin an der Graduate School of Life Sciences der Universität Tohoku, in einer Erklärung.
„Wir spekulieren, dass die kohlenstoffhaltigen Materialien aus organischem Kometenmaterial entstanden sind, als Folge der Verdampfung flüchtiger Stoffe wie Stickstoff und Sauerstoff während der durch den Einschlag verursachten Erwärmung“, sagte Matsumoto. „Dies deutet darauf hin, dass Kometenmaterial aus dem äußeren Sonnensystem in die erdnahe Region transportiert wurde.“
CT-Scans zeigen kohlenstoffhaltiges Material, das in den Schmelzspritzern von Ryugu gefunden wurde. Megumi Matsumoto et al.
Ein weiterer Beweis für den Ursprung organischer Materie sind die winzigen Hohlräume, die durch Einschläge entstanden sind, bei denen Wasserdampf aus Materialien auf der Oberfläche von Ryugu freigesetzt wurde. Dieses Wasser wurde dann von der schlagerhitzten Substanz aufgefangen. „Unsere 3D-CT-Bilder und die chemische Analyse zeigten, dass die Schmelzspritzer hauptsächlich aus Silikatgläsern mit Hohlräumen und kleinen Einschlüssen kugelförmiger Eisensulfide bestehen“, fügte Matsumoto hinzu. „Die Chemie der Schmelzspritzer legt nahe, dass wasserhaltige Ryugu-Silikate mit Kometenstaub vermischt waren.“
Matsumoto und sein Team untersuchen weiterhin Ryugu-Proben, die von Hayabusa2 gesammelt wurden, in der Hoffnung, weitere Schmelzen zu finden, die Hinweise auf Kometenstaubeinschläge enthalten könnten. Es besteht die Hoffnung, dass dies zu einem besseren Verständnis des Transports ursprünglicher organischer Materie in den Weltraum rund um die Erde vor mehr als 4 Milliarden Jahren, vor der Entstehung des Lebens, führen wird.
Kometen neigen dazu, in weiten Umlaufbahnen um die Sonne zu existieren, was bedeutet, dass sie die meiste Zeit an den kalten Außenrändern des Sonnensystems verbringen. Doch wenn sie in das innere Sonnensystem eindringen, erwärmt die Sonnenstrahlung ihr eisiges Innenmaterial. Dadurch verwandelt sich das Material direkt in ein Gas, ein Vorgang, der Sublimation genannt wird.
Wenn dieses gasförmige Material aus dem Kometen entweicht, nimmt es einen Teil des Oberflächenmaterials des Objekts mit sich. Dies erzeugt nicht nur die charakteristischen Schweife und Auren oder „Komas“ von Kometen, sondern hinterlässt auch Spuren von Kometenstaub um die Sonne. Wenn die Erde diesen Spuren folgt, werden wir Zeuge von Meteoritenereignissen, wenn Staubfragmente in der Atmosphäre unseres Planeten verglühen. Es ist jedoch viel wahrscheinlicher, dass dieses Kometenmaterial auf der Oberfläche von Körpern ohne Atmosphäre landet, wie zum Beispiel Ryugu, wo es konserviert werden kann. Daher könnte die Untersuchung dieser Staubreste auf Hayabusa2-Proben Hinweise auf das Material des frühen Sonnensystems liefern.
Interstellare Eischelatbildner
Astrophysiker gehen davon aus, dass frühe Lebensformen Biomoleküle in Form von RNA und Aminosäuren enthalten haben müssen. Metallionen spielen eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung und Vervielfältigung von RNA. Moderne Zellen nutzen spezielle Proteine, um Ionen durch Membranen zu transportieren, aber sie sind zu groß und komplex und konnten zur Zeit der ersten Protozellen kaum existieren. Wissenschaftlern zufolge könnten Ionen mithilfe von Chelatbildnern, die im interstellaren Eis im Weltraum entstanden und zusammen mit Meteoriten auf die Erde fielen, in antike Zellen transportiert werden.
Astrophysiker der Universität Korolev Samara haben zusammen mit amerikanischen Kollegen theoretisch und experimentell die Möglichkeit des Auftretens organischer Substanzen im Weltraum nachgewiesen, die zusammen mit Meteoriten auf die Erde fielen und Bedingungen für die Entwicklung von Leben schufen, berichtete der Pressedienst der Universität Samara.
„Die wissenschaftliche Bedeutung unserer Forschung besteht darin, dass zum ersten Mal auf der Welt organische Chelatbildner in Analoga des interstellaren Eises gewonnen wurden. Nach Ansicht vieler Wissenschaftler waren Chelatbildner für die Existenz und Entwicklung der ersten biologischen Protozellen unerlässlich. Diese Substanzen.“ Sie erleichtern den Transfer von Metallionen durch die Zellmembran und könnten somit an der Katalyse der RNA-Replikation beteiligt sein, also am Kopieren von RNA-Daten und der Teilung alter Protozellen“, sagte Associate, einer der Autoren der Studie Professor der Fakultät für Physik der Universität Samara Ivan Antonov.
Die Universität stellte klar, dass der theoretische Teil der Studie an der Samara-Universität und der experimentelle Teil an der University of Hawaii in den USA durchgeführt wurde. Antonov stellte fest, dass Berechnungen und Experimente einen plausiblen Mechanismus für die Bildung komplexer organischer Materie im interstellaren Eis im tiefen Weltraum zeigten. „Dies erweitert grundlegend das Wissen über die erreichbare molekulare Komplexität organischer Moleküle im Weltraum“, betonte der Spezialist.
Im Alltag begegnet der Mensch fast täglich Chelatbildnern – sie werden in verschiedenen Waschmitteln, Waschpulvern, Shampoos, Kosmetika sowie bei der Restaurierung archäologischer Funde eingesetzt, da sie Rost leicht entfernen.
Chelatform von Düngemitteln
Natronseen ähneln möglicherweise Darwins „kleinen warmen Teichen“, in denen das Leben auf der Erde begann
Ein Team von Wissenschaftlern der University of Washington machte diese Entdeckung, als sie einen flachen „Soda-See“ im Westen Kanadas entdeckten, der offenbar über die Chemie und die Bedingungen verfügt, die ein kleines Gewässer benötigt, um die spontane Synthese komplexer Moleküle zu ermöglichen, die dazu führten die Entstehung des Lebens auf der Erde vor etwa 4 Milliarden Jahren.
Soda-Seen, wie der in dieser Studie besprochene, sind kleine Gewässer, die einen hohen Anteil an gelösten Karbonaten und Natrium enthalten, ähnlich wie große Mengen Backpulver in sie gekippt werden. Allerdings werden in diesem Fall die hohen Gehalte an gelöstem Natrium und Carbonat durch Reaktionen zwischen Wasser und Vulkangestein verursacht.
Der Chance Lake in Kanada ist ein Sodasee, der Darwins „kleine warme Teiche“ darstellen könnte, in denen das Leben auf der Erde begann. Kimberly Poppy Sinclair/Universität Washington
Seit den 1950er Jahren ist es Forschern gelungen, biologische Moleküle wie Aminosäuren und die Bausteine der RNA aus anorganischen Molekülen herzustellen, doch beim nächsten Schritt im Prozess gibt es seit langem ein Problem. RNA und DNA, die Schlüsselmoleküle des Lebens, sowie die Membranen lebender Zellen benötigen Phosphate. Die erforderliche Phosphatkonzentration zur Bildung von Biomolekülen, die in Laboratorien verwendet werden, ist eine Million Mal höher als die Konzentration, die normalerweise in Flüssen, Seen oder Ozeanen vorkommt. Dies ist in Theorien über den Ursprung des Lebens auf der Erde als „Phosphatproblem“ bekannt geworden, und neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Sodaseen eine Lösung für dieses Problem sein könnten.
Neben einem hohen Anteil an gelösten Karbonaten und Natrium enthalten Sodaseen auch einen hohen Anteil an Phosphaten. Eine Studie aus dem Jahr 2019 ergab, dass die Konzentrationen dieser Moleküle in diesen kleinen Gewässern eine Million Mal höher sein könnten als in typischen Gewässern. Das bedeutet, dass Natronseen ein idealer Ort für die Entstehung der Schlüsselmoleküle des Lebens sein könnten.
Um dies zu testen, begann die University of Washington mit der Erforschung eines solchen Sodasees und machte Halt am Last Chance Lake, einem 30 cm tiefen, schlammigen See, der am Ende einer unbefestigten Straße auf dem Cariboo Plateau in British Columbia, Kanada, gefunden wurde . In diesem besonderen Sodasee wurde in den 1990er Jahren festgestellt, dass er den höchsten bekannten Phosphatgehalt aufweist.
Am Grund des Last Chance Lake befindet sich vulkanisches Basaltgestein. Dieser See liegt in einem trockenen, windigen Klima, das den Wasserstand niedrig hält und gelöste Verbindungen aufgrund der schnellen Verdunstung des einströmenden Wassers konzentriert. Die Wissenschaftler hinter dieser neuen Studie besuchten den See zwischen 2021 und 2022 dreimal, sowohl im Sommer als auch im Winter.
Durch die Untersuchung von Wasserproben, Seesedimenten und Salzkrusten, die im Last Chance Lake gefunden wurden, stellte das Team fest, dass sich Kalzium mit reichlich Karbonat und Magnesium zu Dolomit verbindet. Dies unterscheidet sich von der Situation in anderen Seen, wo sich Phosphat normalerweise mit Kalzium zu Kalziumphosphat verbindet, das beispielsweise den Zahnschmelz unserer Zähne bildet und unlöslich ist, wodurch der Phosphatspiegel sinkt.
Eine aus dem Last Chance Lake geborgene Salzkruste mit grünen Algen und schwarzem Sediment an der Basis. David Catling/Universität Washington
Da Kalzium im Dolomit im Last Chance Lake eingeschlossen ist, bleibt viel freies Phosphat zurück; Wären diese Bedingungen vor etwa 4 Milliarden Jahren in Wasserbecken vorgefunden worden, hätten die Schlüsselbestandteile, die für die Entstehung der Chemie des Lebens verantwortlich sind, in den erforderlichen hohen Konzentrationen vorhanden sein können. „Sie haben diese scheinbar trockene Salzwüste, aber sie hat Ecken und Winkel. Und zwischen dem Salz und dem Sediment gibt es kleine Wassertaschen mit wirklich hohen Mengen an gelöstem Phosphat“, sagte Teammitglied und Postdoktorand Sebastian Haas von der Washington University.
„Wir wollten verstehen, warum und wann dies auf der alten Erde geschehen konnte und wie sie zur Wiege des Lebens hätte werden können.“ Das Team zeigte, dass Sodaseen wie Last Chance die wahrscheinlichsten Orte sind, an denen das Leben auf der Erde entstanden sein könnte. Darüber hinaus gehen sie davon aus, dass die gleichen Bedingungen auch für andere Körper im Sonnensystem und auf allen Planeten außerhalb des Sonnensystems, einschließlich Exoplaneten, möglich sein werden.
„Wir untersuchten eine natürliche Umgebung, die dem gesamten Sonnensystem gemeinsam sein sollte“, sagte Haas. „Planetenoberflächen werden von vulkanischem Gestein dominiert, sodass die gleiche Wasserchemie nicht nur auf der frühen Erde, sondern auch auf dem frühen Mars und der frühen Venus hätte auftreten können, wenn flüssiges Wasser vorhanden gewesen wäre.“ „Diese neuen Erkenntnisse werden dazu beitragen, Forschern, die diese Reaktionen entweder im Labor nachbilden oder nach potenziell bewohnbaren Umgebungen auf anderen Planeten suchen, Informationen über die Ursprünge des Lebens zu liefern“, schloss Catling.
Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, ein seit langem bestehendes Problem der Erklärung der Entstehung des Lebens auf der Erde zu lösen, und könnten auch auf andere Planeten im Sonnensystem wie Mars und Venus übertragen werden. „Ich denke, diese Sodaseen sind die Antwort auf das Phosphatproblem“, sagte David Catling, leitender Autor der Studie und Professor für Erd- und Weltraumwissenschaften an der University of Washington, in einer Erklärung. „Unsere Antwort ist ermutigend: Diese Umgebung muss auf der frühen Erde und vielleicht auch auf anderen Planeten entstanden sein, denn sie ist einfach ein natürliches Ergebnis der Entstehung von Planetenoberflächen und der Funktionsweise der Wasserchemie.“
