Wenn ich in Süd Kalifornien bin, besuche ich sehr gern den Venice Beach Boardwalk. Dieser Ort ist ein wahrer Touristenmagnet und an den meisten Tagen ist er prallvoll mit Menschen: die Skateboarders von dort, die herumschlängelnden Touristen, die Radler-Touristen, die die Radwege dem Strang entlang fahren, Straßenevangelisten, Künstler, die ihre Waren von kleinen Buden verkaufen, und Obdachlosen. Manche von ihnen lungern nur herum, während andere betteln.
Selbstverständlich gibt es auch die ganzen Straßenmusikanten, die Lieder singen und ihre Instrumente spielen, sowie Tänzer, Akrobaten und Feuerschlucker. Mein Lieblingsstraßenkünstler ist der “Venice Beach Glass Man”. Er springt barfuß von einem Stuhl in ein Haufen Glassscherben runterspringt.
Der Glass Man hat eine vorgeschriebene Routine. Ich weiß, weil ich ihn wiederholt gesehen habe. Der Glass Man hat eine vorgeschriebene Routine. Ich weiß, weil ich ihn wiederholt gesehen habe. Er redet mit seinem Publikum, um sie auf seine Show zu stimmen. Er häuft Glas vor dem Stuhl auf, während er die Zuschauer dazu bringt “Hooba, hooba!”, zum Grölen der Zuschauer. Die Spannung steigt, und wiederholt steigt auf den Stuhl und wieder runter, bevor er endlich in die Glasscherben runterspringt. Nachdem er runterspringt, feuert der das Publikum noch mal an, weil er für seine Anstrengungen gut belohnt werden möchte.
Neulich hat ein Forschungsteam der Foundation for Applied Molecular Evolution (FAME), das von Steve Benner, einem Forscher der Entstehung des Lebens, gehofft, dass es auch durch Arbeit mit Glasscherben gut belohnt werden würde. Das Team hat gezeigt, dass Ribonukleotide (die Bausteine der RNS) in RNS Polymere (mit einer Länge von 90 bis 300 Subeinheiten) durch Glaskatalysatoren zusammengesetzt werden konnten.1 Sie machen das Argument, dass Glasstoffe auf der jungen Erde vorhanden wären, denn sie wären gebildet, als die großen Impaktoren auf die Planetenoberfläche einschlugen, und dann die mafischen Stoffe (basaltisch und diabasisch), die dann sehr schnell abgekühlt wurden (abgeschreckt), als sie der Luft und dem Wasser ausgesetzt wurden. Diese kristallinen Silikate wären eigentlich Glasstoffe.
Das Forschungsteam behauptet, dass ihre Ergebnisse neue Unterstützung für die Hypothese einer RNS-Welt liefern, was es viel rationaler macht, an eine Entstehung des Lebens auf der Erde durch die chemische Evolution zu glauben. Laut ihrem Modell hätten sich RNS-Moleküle auf der frühen Erde gebildet, als das Ozeanwasser, das voll mit Ribonukleotiden war, über Glasscherben auf vulkanischen Inseln spülte.
Aber eine sorgfältige Betrachtung ihrer Arbeit zerschmettert diese Illusion. Die Arbeit der FAME Forscher ist sehr gekünstelt. Das stellt ihre geochemische Relevanz in Frage.
Die RNS-Welt Hypothese Viele, die die Entstehung des Lebens forschen, denken, dass RNS die vorherrschende selbst-replizierende und informationstragende Moleküle bevor DNS und Proteine war. RNS sollte demgemäß als Selbstreplikator funktioniert und die eigene Synthese katalysiert haben. Die RNS-Welt-Hypothese postuliert, dass, im Laufe der Zeit, zahlreiche RNS Moleküle mit einer Vielfalt an katalytischen Tätigkeiten sich gebildet haben. . Bis zu dem Punkt in der Geschichte des Lebens wäre Biochemie völlig RNS-zentriert. Im Laufe der Zeit wurden Proteine (und schließlich DNS) zusammen mit RNS-Waffen im Arsenal der Zelle. Während der Übergangszeit in die DNS-Proteine-Welt, wie wir sie heute kennen, wurde die ursprüngliche Funktion der RNS zwischen den Proteinen und DNS aufgeteilt. RNS nahm ihre uns bekannte Rolle als Vermittler in der Kerndogma der molekularen Biologie an. Man nimmt an, dass die Vorläufermoleküle der RNS verschwunden sind, ohne eine Spur ihrer primordialen Existenz hinterlassen zu haben, von den aktuellen Rollen der Messenger-, Transfer-, ribosomale-, und Mikro-RNS abgesehen.
Wie validiert man die RNS-Welt-Hypothese? Um die RNS-Welt-Hypothese zu bestätigen, müssten Forscher:
Rationale, präbiotische, chemische Routen entdecken, die die Bausteine der RNS (Nukleinbasen, Ribose und Phosphate) unter den Bedingungen der frühen Erde hervorgebracht hätten.
Rationale präbiotische Routen identifizieren, die diese Bausteine in Ribonukleotiden zusammenbauen konnten.
Rationale, präbiotische Routen finden, die RNS aus seinen Bausteinen in Molekülketten zusammensetzen konnten, die lang genug wären, Ribozyme zu bilden.
RNS-Zusammensetzung auf Glas Im Versuch, das dritten Kriterium zu erfüllen, haben die FAME-Wissenschaftler die mögliche Rolle der Glasstoffe während der chemischen Evolution erforscht. Diese Forscher haben in reinem Wasser aufgelöste Ribonukleotiden unterschiedlichen pulverisierten Glasstoffen ausgesetzt. Diese Glasstoffe, die aus reinen Siliziumoxiden bestehen, wurden im Labor gemacht und waren unter anderen Andesit, Basalt, Diabas, und Nephelinit.
Gelelektrophorese (eine Technik, die DNS-Fragmente teilt) der Reaktionsprodukte zeigte Stoffe mit niedrigen sowie hohen Molekularmassen. Die Produkte mit hoher Molekularmasse konnten mit einem Enzym verstoffwechselt, das RNS spezifisch abbaut. Diese Sensibilität zeigt, dass die Produkte mit hoher Molekularmasse RNS Moleküle sind, die mindestens einige Molekularspezies mit 3’ zu 5’ Bindungen (diese sind Bindungen, die in RNS natürlich vorkommen, um Ribonukleotiden in eine Molekülkette zusammenzusetzen). Die Forscher schätzten die Länge der Produkte mit hoher Molekularmasse zwischen 90 und 300 Nukleotiden.
Kinetische Analyse der Reaktion zeigte, dass die Glasstoffe tatsächlich als wahre Katalysatoren funktionierten. Die Forscher lernten auch, dass die Art Glas den Umfang der Reaktion beeinflusst. Der größte Umfang erzielte man mit Diabase. Die Wirksamkeit der Glaskatalysatoren war wie folgt: Diabase > Basalt >> (viel größer als) Nephelinit > Andesit >> Quarz (Kontrolle).
Das Forschungsteam denkt, dass diese Arbeit Einsicht in die Entstehung der RNS auf der frühen Erde liefert, was die RNS-Welt-Hypothese stärken würde. Auf den ersten Blick scheint es, dass sie Recht haben. Wenn Glasstoffe auf der frühen Erde abundant wären, und Ribonukleotiden in hohen Mengen vorhanden wären, dann hätte sich RNS hätte sich mittels Glaskatalysatoren bilden können.
Ist die Polymerisierung der RNS durch Glas geochemisch relevant? Ohne Zweifel zeigten die FAME Forscher, dass —im Prinzip—Glasstoffe auf der frühen Erde die Bildung der RNS Moleküle von hinreichender Länge katalysieren konnten, um funktionelle Ribozyme aus den Ribonukleotiden bilden zu können. Aber, wenn diese Arbeit die RNS-Welt-Hypothese unterstützen sollte, müsste diese Reaktion unter primordialen Zuständen auf der Erde ertragsreich sein, und diese können sich erheblich von den Zuständen im Labor unterscheiden. Anders gesagt muss die Reaktion geochemisch relevant sein.
Dass präbiotische Reaktionen mit geochemischer Relevanz notwendig sind, legt eine der großen Schwierigkeiten in der Forschung der präbiotischen Chemie bloß: ungerechtfertigte Beteiligung der Forscher.
Im idealen Fall würden Menschen gar nicht in jeglicher präbiotischen Studie eingreifen. Aber dieses Ziel ist nicht immer erreichbar. Forscher greifen in das Design eines Experiments aus Notwendigkeit aber auch um sicherzustellen, dass die Studienergebnisse wiederholbar und interpretierbar sind. Wenn Forscher die Apparatur fürs Experiment nicht korrekt einrichten, die Ausgangskonditionen nicht justieren, die richtigen Reaktionsmittel nicht hinzufügen, und das Produkt nicht analysieren, dann würde das Experiment per Definitionem nicht geschehen. Sorgfältig kontrollierte Bedingungen und reine, chemische Reagenzen sind alle notwendig, um die Wiederholbarkeit und Interpretierbarkeit der Ergebnisse zu sichern. Diese strenge Kontrolle ist unerlässlich für Pilotexperimente und mechanistische, präbiotische Studien—und vollkommen akzeptabel.
Aber hinsichtlich der geochemischen Relevanz der präbiotischen Reaktionen sind die streng-kontrollierten Laborbedingungen ein Hindernis. Hier wird das Eingreifen der Forscher möglicherweise ungerechtfertigt. Selbstverständlich waren die Bedingungen der frühen Erde unkontrolliert sowie chemisch und physisch komplex. Chemisch reine und physisch kontrollierte Bedingungen existierten gar nicht. Und selbstverständlich waren keine Forscher im Bereich von Entstehung des Lebens vor Ort gewesen, um die Prozesse zu überwachen und zu ihren erwünschten Zielen zu leiten. Aber es ist eine Seltenheit, wenn präbiotische Simulationsstudien der faktischen Bedingungen der frühen Erde im Experimentdesign völlig Rechnung tragen. Diese Komplikation bedeutet, dass viele präbiotische Studien, die primordial Prozesse simulieren sollten, nichts dergleichen erreichen, weil die Forscher zu oft und zu viel eingreifen.
Steve Benner räumt dieses Problem ein. In seinem Kommentar über diese Studie schreibt er, “Eine Gruppe [von Forscher in der Entstehung des Lebens][of origin-of-life researchers] greift die klassischen Fragen [in präbiotischer Chemie] [in prebiotic chemistry]mit komplexen chemischen Schemata wieder auf, die schwierige Chemie verlangen, die durch hochqualifizierte Chemiker durchgeführt werden muss . . . Ihr schönes Handwerk erscheint in renommierten Zeitschriften wie Nature und Science. Aber genau wegen der Komplexität dieser Chemie kann sie unmöglich erklären wie Leben eigentlich auf der Erde entstand.”2
Benner und sein Team behaupten, es ist die Einfachheit vom Prozess, den sie entdeckt haben, die ihm eine geochemische Relevanz verleiht.
Verdeckte Komplexität Aber die Einfachheit eines physischen oder chemischen Prozesses bedeutet nicht, dass er geochemisch relevant sei. Darüber hinaus wird es auf genaueres Hinsehen offensichtlich, dass die Zusammensetzung der RNS durch Glaskatalysatoren sehr komplex ist. Das Design des Experiments tarnt die Komplexität des Prozesses. Die FAME-Forscher haben im Endeffekt Komplexität in ihre Experimente hineingeschmuggelt.
Sie nehmen an, zum Beispiel, dass Ribonukleotiden auf der frühen Erde vorhanden sein würden. Aber die präbiotischen Reaktionsschemen, die von den Forschern in der Entstehung des Lebens vorgeschlagen und erforscht werden, um die Synthese der Ribonukleotiden zu erklären, sind charakteristisch komplex und haben im besten Fall fragwürdige geochemische Relevanz.
Ebenfalls nehmen Forscher es für gegeben, dass die Ribonukleotiden in den durch Glas vermittelte RNS-Polymerisation-Reaktionen homochiral gewesen sein mussten. Aber kein bekannter Prozess, ob astronomisch, physisch, oder chemisch existiert, der homochirale Ribonukleotiden auf der frühen Erde hervorbringen kann.3 Um fair zu sein, haben Forscher in die Entstehung des Lebens Mechanismen entdeckt, die begrenzte chirale Anreicherung der Aminosäuren und Ribonukleotiden generieren können. Aber der Grad der Anreicherung ist im typischen Fall klein und würde oft sehr gekünstelte und unrealistische Szenarien auf der frühen Erde verlangt.
Geochemische Relevanz Andere Aspekte der von Glas katalysierten RNS Zusammensetzungsreaktionen, die die FAME-Forscher durchführten, werfen weitere Fragen bezüglich der Relevanz der Studie für die Bedingung auf der frühen Erde. Zum Beispiel:
Die Forscher haben pulverisierte Glasstoffe für Katalysatoren benutzt. Aber auf der früher Erde hätten Glasstoffe nur in großen Brocken und nicht in Pulverform existiert Das Pulverisieren von Glasstoffe erhöht ihre Fläche dramatisch, das erhöht auch ihre Leistung als Katalysatoren. (Alle chemischen Prozesse spielen auf der Oberfläche ab. Je größer die Oberfläche, desto schneller die Reaktion.) Aber diese Tat führte eine Gekünsteltheit in das Experimentdesign ein, die der Chemie im Labor begünstigt und die Relevanz für primordiale Bedingungen untergräbt.
Die Forscher entdeckten, dass einige Glasstoffe schlechte Katalysatoren sind. Nachdem sie gelernt hatten, dass diese Unterschiede existieren, haben sie nur die Glasstoffe, die gute Leistung bringen, in ihrem Experimentdesign. Es ist wohl möglich, dass die Glasstoffe, die auf der frühen Erde vorhanden waren, nur aus den schlecht-leistenden Glasstoffen bestanden hatten.
• Die FAME-Forscher haben destilliertes Wasser als Reaktionslösung, statt Wasser mit einer hohen Konzentration und Vielfalt an Salzen drin, was für den primordialen wässrigen Umgebungen charakteristisch gewesen sein muss. . Andere Forscher, die Tonerden als katalytischen Agenten für die Zusammensetzung der RNS aus Ribonukleotiden studiert haben, haben gelernt, dass diese Reaktionen destilliertes Wasser als Lösungsmittel brauchen. Wenn man Salze zum Lösungsmittel hinzufügt, stören diese die RNS Polymerisierungsreaktionen. Kann das Gleiche für die echte Zusammensetzung der RNS mittels Glas gelten? Soweit ich es weiß, hat das FAME-Team die Wirkungen der gelösten Salzkonzentrationen auf die Glas-vermittelte RNS-Bildung nicht erforscht. Wenn sie das taten, haben sie diese Ergebnisse nicht veröffentlicht. Da Ionen aus diesen Salzen mit den chemisch-aktiven Gruppen auf der Glasoberfläche reagiert hätten, halte ich es für wohl möglich, dass RNS-Zusammensetzung mittels Glas destilliertes Wasser verlangt. Wenn so, ist die Relevanz dieser Reaktion für die Umständen auf der frühen Erde fragwürdig.
Die Forscher haben diese Studie unter chemisch-reinen Bedingungen durchgeführt. Sie haben davon abgesehen, Materialien in dem Experiment reinzubringen, die auf der frühen Erden zweifellos vorhanden waren—vielleicht sogar auf Ebenen höher als Ribonukleotiden—dass hätte die RNS-Polymerisierungsreaktion gehindert. Anders gesagt, haben die Forscher das Homopolymerproblem außer Acht gelassen.4
Bevor sie die Reaktionsmischung analysierten, haben die Forscher die Glasstoffe mit Urea behandelt. Diese Verbindung unterbricht die Interaktionen der Wasserstoffverbindungen und hätte auch die RNS-Moleküle von der Glasoberfläche weggebracht. Adsorption der Biomoleküle an Glasoberflächen ist ein berüchtigtes Problem, dass den Biochemikern oft Ärger macht. Biochemiker müssen Glasgeschirr behandeln, bevor sie es benutzen können, Lösungen aus Biomolekülen zu halten. Diese Behandlungen sind, die Oberflächen des Glasgeschirrs zu beschichten, so dass die Biomoleküle in der Lösung nicht mehr auf die Oberfläche des Glasgeschirrs haften können. Sobald die Biomoleküle anhaften, ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, die Biomoleküle wieder von der Oberfläche zu lösen. Unter primordialen Bedingungen waren keine Chemiker vorhanden, die die Glasstoffe mit Urea behandeln konnten. Ohne diese Vorbehandlung wären alle RNS-Moleküle, die sich in der Glas-katalysierten Reaktion gebildet wurden, permanent auf die Oberfläche vom Glaskatalysatoren angehaftet, was alle weitere Schritte in der chemischen Evolution hindern würde.
Ich könnte mehr sagen. Dennoch bringen Ergebnisse aus der Forschung dieser FAME-Wissenschaftler einen weiteren Reichtum zu den möglichen präbiotischen Reaktionen und Prozessen, die möglicherweise der chemischen Evolution hätten beitragen können. Aber wenn man die geochemische Relevanz dieser Forschung betrachtet, bleiben signifikante Fragen. In Wirklichkeit sind Forscher in der Entstehung des Lebens sind nicht in ihrem Verständnis der Entstehung des Lebens durch chemische Evolution weitergekommen, nicht weiter als in den 1950er als Forscher in der Abiogenese zuerst in eine formelle wissenschaftliche Disziplin kodifiziert wurde.
Für manche genügt diese Erkenntnis, die materialistischen Modelle der Entstehung des Lebens in einen Scherbenhaufen zu verwandeln.
Craig A. Jerome et al., “Catalytic Synthesis of Polyribonucleic Acid on Prebiotic Rock Glasses,” Astrobiology 22 (Juni 2022): 629–636, doi:10.1089/ast.2022.0027.
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Biochemie
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