{"id":72899,"date":"2020-03-17T06:41:20","date_gmt":"2020-03-17T05:41:20","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fbiowissenschaften-chemie%2Fneue-erkenntniss-zur-entstehung-des-lebens-wasserstoff-als-treibstoff-und-kohlendioxid-als-baustein.html"},"modified":"2020-03-15T16:43:29","modified_gmt":"2020-03-15T15:43:29","slug":"wasserstoff-energie-stand-am-anfang-des-lebens","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wasserstoff-energie-stand-am-anfang-des-lebens\/","title":{"rendered":"Wasserstoff-Energie stand am Anfang des Lebens"},"content":{"rendered":"

Ein internationales Forschungsteam aus Deutschland, Frankreich und Japan unter Federf\u00fchrung der Heinrich-Heine-Universit\u00e4t D\u00fcsseldorf (HHU) meldet Fortschritte bei der Frage, wie das Leben entstand. Es k\u00f6nnen chemische Reaktionen sein, die durch Minerale an hydrothermalen Tiefseequellen katalysiert werden. Diese Reaktionen treiben heute noch den Stoffwechsel der primitivsten Lebensformen an. Und dass Wasserstoff sowohl der Schl\u00fcssel als auch der Treibstoff f\u00fcr die fr\u00fchesten biochemischen Prozesse am Anfang des Lebens war, berichtet das Team jetzt in der Fachzeitschrift Nature Ecology and Evolution.<\/strong><\/p>\n

\"Hydrothermale
Hydrothermale Schlote im sogenannten \u201eLost City\u201c-Feld im Atlantik. (Foto: Susan Lang, U. of SC. \/ NSF \/ ROV Jason \/ 2018 \u00a9 Woods Hole Oceanographic Institution)<\/figcaption><\/figure>\n

Seit der Entdeckung von hydrothermalen Schloten in der Tiefsee vor rund 40 Jahren stehen diese nat\u00fcrlichen chemischen Reaktoren im Fokus der Evolutionsforscher, die nach den Urspr\u00fcngen des Lebens suchen. Die Schlote sto\u00dfen hei\u00dfes, mineralhaltiges Wasser aus. In ihm sind einfache, aber reaktionsfreudige chemische Stoffe wie Wasserstoffgas (H2<\/sub>) und Kohlendioxid (CO2<\/sub>) gel\u00f6st. Solche Bedingungen k\u00f6nnen die ersten biochemischen Reaktionen \u00fcberhaupt beg\u00fcnstigt und somit auch die Entstehung die ersten freilebenden Zellen vorangetrieben haben.<\/p>\n

Der Ausgangspunkt des primitiven Stoffwechsels der ersten Mikroben ist Kohlendioxid und Wasserstoffgas. Mikroben, die sich davon ern\u00e4hren, wandeln die beiden Gase zun\u00e4chst in Ameisens\u00e4ure (Formiat), Acetate und Pyruvate (Salze der Essig- bzw. der Brenztraubens\u00e4ure) um. Daraus stellen sie dann ihr gesamtes organisches Material mithilfe komplexer Reaktionsketten her. Nun berichtet das Team um die D\u00fcsseldorfer Chemikerin Dr. Martina Preiner am Institut f\u00fcr Molekulare Evolution an der HHU, dass genau diese Grundbausteine des Lebens ganz von alleine im Labor entstehen, wenn man H2 und CO2<\/sub> in Gegenwart einfacher Mineralien unter hydrothermalen Bedingungen reagieren l\u00e4sst.<\/p>\n

Prof. Dr. William Martin, Leiter des Instituts f\u00fcr Molekulare Evolution, katalogisiert seit 20 Jahren die auff\u00e4lligen \u00c4hnlichkeiten zwischen metallkatalysierte Reaktionen im Stoffwechsel und in chemischen Reaktionen an hydrothermalen Quellen. Prof. Martin: \u201eDiese Reaktionen auf Grundlagen von H2<\/sub> und CO2<\/sub>, die den Ursprung der ersten biochemischen Prozesse widerspiegeln, k\u00f6nnen wir jetzt auch im Labor nachstellen und so in D\u00fcsseldorf die fr\u00fchesten Entwicklungsphasen des Lebens nachbilden.\u201c<\/p>\n

Dr. Preiner hat sich zusammen mit Kolleginnen und Kollegen vom Max-Planck-Institut f\u00fcr Kohlenforschung in M\u00fclheim\/Ruhr, der Universit\u00e4t Stra\u00dfburg und vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Japan diese sehr einfachen Reaktionen im Labor nachgestellt. Sie konnten zeigen, dass aus H2<\/sub> und CO2<\/sub> allein mithilfe einfacher mineralischer Katalysatoren \u2013 wie sie in den hydrothermalen Schloten vorkommen \u2013 bereits Formiat, Acetat und Pyruvat \u00fcber Nacht bei 100 \u00b0C entstehen. Dazu ist kein mikrobieller Stoffwechsel n\u00f6tig, wie Martina Preiner betont: \u201eDie chemischen Reaktionen sind \u00fcberraschend einfach. Es entstehen die Reaktionsprodukte, die auch die fr\u00fchesten Zellen als Grundlage f\u00fcr ihren weiteren Stoffwechsel verwenden.”<\/p>\n

Dr. Harun T\u00fcys\u00fcz vom M\u00fclheimer Max-Planck-Institut hat mit seinem Team f\u00fcr die Experimente nanostrukturierte Feststoffkatalysatoren designt: \u201eWir beobachteten eine ausgepr\u00e4gte Beziehung zwischen der Struktur der Feststoffkatalysatoren und deren Aktivit\u00e4t bei der CO2<\/sub>-Reduktion durch Wasserstoff.\u201c<\/p>\n

Es war ein besonderer Gl\u00fccksfall, dass auch zwei weitere Arbeitsgruppen \u00e4hnliche Vorg\u00e4nge erforschten. Die Stra\u00dfburger Chemiker um Prof. Dr. Joseph Moran und Dr. Kamila Muchowska verwendeten metallisches Eisen anstelle von H2<\/sub>. Das japanische Team um den Mikrobiologen Dr. Kensuke Igarashi untersuchte Reaktionen von H2<\/sub> und CO2<\/sub> auf Eisensulfid-Katalysatoren. Alle Arbeitsgruppen beobachteten die gleichen Produkte. Prof. Moran: \u201eDer Stoffwechsel scheint auf \u00fcberraschend nat\u00fcrlichem Wege entstanden zu sein\u201c.<\/p>\n

Der Anfang des Lebens birgt ein \u201eHenne-Ei-Problem\u201c. Zellen m\u00fcssen \u2013 neben den einfachen CO2<\/sub>-H2<\/sub>-Reaktionen \u2013 eine gro\u00dfe Zahl komplexerer Molek\u00fcle bilden, um zu wachsen und zu funktionieren. In modernen Zellen sind in der Regel Proteine die Katalysatoren, deren Bauanleitung wiederum in ihren Genen kodiert ist. Doch was war zuerst da, die Proteine oder die Nukleins\u00e4uren? Die jetzt ver\u00f6ffentlichte Studie beschreibt die zeitliche Abfolge: Evolution\u00e4r zuerst standen die Reaktionen, die durch Metalle und Mineralien katalysiert wurden. Aus ihnen sind sowohl Proteinen als auch Nukleins\u00e4uren hervorgegangen. Die Metalle, die in modernen Proteinen vorkommen, sind Relikte dieser biochemischen Urspr\u00fcnge.<\/p>\n

Ebenfalls gibt die Studie eine vielversprechende Antwort auf eine klassische Frage zur Entstehung des Lebens: Welche Energie stand den fr\u00fchesten Lebensformen zur Verf\u00fcgung? Preiner und Kollegen zeigten, dass die Reaktionen von H2<\/sub> mit CO2<\/sub> unter den Bedingungen, wie sie in hydrothermalen Quellen herrschen, auch Energie freisetzen: Bei der Herstellung einfacher Verbindungen wie Acetat wird gen\u00fcgend Energie erzeugt, so dass primitive Mikroben davon ihren weiteren Stoffwechsel angetrieben haben k\u00f6nnen.<\/p>\n

Der Treibstoff f\u00fcr die Urzellen war also der Wasserstoff, der in der Fr\u00fchzeit der Erde massenhaft in der Tiefsee gebildet wurde und auch heute noch gebildet wird. Nicht nur ist Wasserstoff die sauberste aller Energieformen \u2013 bei seiner Verbrennung entsteht nur Wasser \u2013, er kann auch der Z\u00fcndfunke f\u00fcr das Leben gewesen sein. Daf\u00fcr waren aber die richtigen Bedingungen und die richtigen Katalysatoren entscheidend.<\/p>\n

Die Studie wurde vom Europ\u00e4ischen Forschungsrat, der Volkswagen Stiftung, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft, der Japanischen Gesellschaft zur F\u00f6rderung der Wissenschaften und dem japanischen Ministerium f\u00fcr Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie gef\u00f6rdert.<\/p>\n

Originalpublikation<\/strong>
\nPreiner M, Igarashi K, Muchowska KB, Yu M, Varma SJ, Kleinermanns K, Nobu MK, Kamagata Y, T\u00fcys\u00fcz H, Moran J & Martin WF (2020) A hydrogen-dependent geochemical analogue of primordial carbon and energy metabolism. Nat. Ecol. Evol., 02.03.2020.<\/p>\n

DOI: 10.1038\/s41559-020-1125-6<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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