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Müssen die Moleküle des Lebens immer Linkshänder oder Rechtshänder sein? | Platz

Einer der seltsamsten Aspekte des Lebens auf der Erde – und möglicherweise des Lebens anderswo im Kosmos – ist ein Merkmal, das Chemiker, Biologen und theoretische Physiker gleichermaßen verwirrt. Jeder der molekularen Bausteine ​​des Lebens (Aminosäuren und Zucker) hat einen Zwilling – keinen identischen, sondern ein Spiegelbild. So wie Ihre rechte Hand Ihre linke widerspiegelt, aber nie bequem in einen Linkshänder-Handschuh passt, gibt es Aminosäuren und Zucker sowohl in der rechten als auch in der linken Version. Dieses Phänomen der biologischen Formselektion wird Chiralität genannt – aus dem Griechischen für Händigkeit.

Auf der Erde sind die für das Leben charakteristischen Aminosäuren alle linkshändig und können nicht gegen ihre rechtshändigen Doppelgänger ausgetauscht werden. Inzwischen sind alle für das Leben auf der Erde charakteristischen Zuckerarten Rechtshänder. Die entgegengesetzten Hände für Aminosäuren und Zucker existieren im Universum, aber sie werden einfach von keiner bekannten biologischen Lebensform verwendet. (Einige Bakterien können tatsächlich rechtshändige Aminosäuren in die linkshändige Version umwandeln, aber sie können die rechtshändigen nicht so verwenden, wie sie sind.) Mit anderen Worten, sowohl Zucker als auch Aminosäuren auf der Erde sind homochiral: einhändig .

Vor mehr als 4 Milliarden Jahren, als unser Heimatplanet in seiner feurigen und temperamentvollen Jugend war, waren sowohl die biologischen Bausteine ​​als auch deren Spiegelreflexionen vorhanden. Tatsächlich existieren beide noch heute auf der Erde nebeneinander – nur nicht im Leben, wie wir es kennen. Wenn Sie im Labor eine Charge Aminosäuren, Zucker oder deren Vorläufermoleküle kochen, erhalten Sie sicherlich immer eine 50-50-Mischung aus links und rechts. Aber irgendwie, als das Leben in den unzähligen Jahrtausenden entstand, die der Entstehung der Erde folgten, wurden nur die linkshändigen Aminosäuren und die rechtshändigen Zucker ausgewählt.





Chirale Moleküle wurden sogar im interstellaren Raum gefunden. In einer bahnbrechenden Entdeckung, die von der Nationales Radioastronomie-Observatorium Im Juni dieses Jahres identifizierten Wissenschaftler Moleküle im Zentrum der Galaxie, die verwendet werden könnten, um rechts- und linkshändige Zucker zu konstruieren. Obwohl sie noch keine Ahnung haben, ob es mehr von einer Hand als von der anderen gibt, bereitet der Befund die Bühne für weitere Experimente, die mehr über die Ursprünge der Händigkeit aufklären könnten.

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Die großen Fragen bleiben noch: Wie und warum hat das Leben nur eines von zwei Spiegelreflexen gewählt, um jedes einzelne Lebewesen in seiner Menagerie zu konstruieren? Benötigt das Leben Homochiralität, um seinen Anfang zu nehmen, oder könnte es Lebensformen geben, die sowohl die irdischen Bausteine ​​als auch ihre Alter Egos verwenden? Entstanden die Samen der Homochiralität aus den Tiefen des interstellaren Raums oder haben sie sich hier auf der Erde entwickelt?



Konzeptbild von OSIRIS-REx.

Konzeptbild von OSIRIS-REx.(NASA / Goddard / Universität von Arizona)

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Jason Dworkin , wer leitet die Labor für Astrochemie beim Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, sagt, dass eine Herausforderung für Wissenschaftler, die versuchen, diese Fragen zu beantworten, darin besteht, dass die frühe Erde verschwunden ist und wir eine Reihe sehr, sehr spärlicher Beweise dafür haben, wie sie aussah. Vier oder mehr Milliarden Jahre von Vulkanausbrüchen, Erdbeben, Meteoritenbombardierungen und natürlich der tiefgreifende geologische Einfluss des Lebens selbst haben den Planeten so verändert, dass es fast unmöglich ist zu wissen, wie die Erde zu Beginn des Lebens aussah. Aus diesem Grund konzentrieren sich Dworkins Forschungsgruppe und viele seiner Kollegen bei der NASA auf Meteoriten – die Überreste von Weltraummüll, die ihren Weg in den festen Boden finden.

Das sind Zeitkapseln von vor 4,5 Milliarden Jahren, sagt Dworkin. Was wir jetzt in Meteoriten sammeln, ist also dem, was damals auf die Erde regnete, sehr ähnlich.



Dworkin ist auch der leitende Regierungswissenschaftler auf dem OSIRIS-REx-Mission zum erdnahen Asteroiden, Bestimmung . Die Mission, die diesen September startet, wird etwa ein Jahr verbringen Messen des Asteroiden, um besser zu verstehen, wie er sich durch unser Sonnensystem bewegt. Wenn die Zeit der Raumsonde mit Bennu abgelaufen ist, wird sie den ultimativen Preis einsammeln: eine Probe von der Oberfläche des Asteroiden, die sie im Jahr 2023 zur Erde zurückbringen wird, damit Wissenschaftler seine chemische Zusammensetzung untersuchen können. Alles, was wir tun, unterstützt den Erhalt dieser einen Probe, sagt Dworkin.

Die Wissenschaftler wählten Bennu teilweise wegen seiner Ähnlichkeit mit einem speziellen Meteoritentyp, der einen faszinierenden (wenn auch keineswegs schlüssigen) Hinweis auf die Ursprünge der Homochiralität liefert. Viele Meteoriten enthalten Moleküle auf Kohlenstoffbasis, darunter Aminosäuren und Zucker, die genau die richtigen Zutaten für das Leben sind. Dworkins Gruppe analysierte die Zusammensetzung dieser organischen Verbindungen in Dutzenden von Meteoriten und kam zu einem überraschenden Ergebnis. Oftmals wurden sowohl die links- als auch die rechtshändige Version von beispielsweise einer Aminosäure in gleichen Mengen gefunden – genau das, was man erwarten könnte. Aber in vielen Fällen wurden ein oder mehrere organische Moleküle mit einem Überschuss von einer Hand gefunden, manchmal mit einem sehr großen Überschuss. In jedem dieser Fälle und in jedem Meteoriten, der bisher von anderen Forschern auf diesem Gebiet untersucht wurde, war das überschüssige Molekül die linkshändige Aminosäure, die ausschließlich im Leben auf der Erde vorkommt.

Dworkin sagt, dass die Probe von Bennu noch stärkere Beweise für dieses Phänomen liefern könnte. Im Gegensatz zu Meteoriten, die zum einen auf den Boden fallen und dann kontaminiert werden und zum anderen von ihrem Mutterkörper getrennt sind, wissen die Wissenschaftler bei Bennu genau, woher auf dem Asteroiden die Probe stammt. Sie ergreifen außergewöhnliche Maßnahmen, um zu bestätigen, dass nichts aus der Biologie der Erde die Probe kontaminieren kann. Wenn wir also 2023 diese (hoffentlich) Überschüsse an Aminosäuren in der Bennu-Probe erhalten, können wir sicher sein, dass es sich nicht um eine Kontamination handelt, sagt Dworkin.

Die bisher von Meteoriten stammenden Beweise implizieren, dass es vielleicht ein Mittel gibt, Homochiralität ohne Leben zu erzeugen. Dworkin sagt jedoch: Wir wissen nicht, ob die Chemie, die zu Homochiralität und Leben führt, von Meteoriten, von Prozessen auf der Erde oder vielleicht von beiden stammt. Es stellt sich auch noch die Frage, wie und warum dieser Überschuss überhaupt im Meteoriten oder seinem Asteroiden-Elternteil oder auf der frühen Erde entstanden ist.

Hypothesen gibt es zuhauf. Zum Beispiel kann polarisiertes Licht auf unserer Seite der Galaxie die rechtshändige Version vieler Aminosäuren um eine kleine, aber spürbare Menge zerstören. Der leichte Überschuss der linkshändigen Aminosäure müsste dann drastisch verstärkt werden, um das Niveau von lebenden Organismen auf der Erde zu erreichen.

Es ist dieser Verstärkungsprozess, der fasziniert Donna Blackmond des Scripps-Forschungsinstitut in La Jolla, Kalifornien. Blackmond hat fast ihre gesamte Karriere lang die potenziellen chemischen Ursprünge der Homochiralität untersucht. Ich denke, es wird eine Kombination aus chemischen und physikalischen Prozessen sein, sagt sie. Blackmonds Gruppe versucht derzeit herauszufinden, wie chemische Reaktionen, die auf der frühen Erde hätten ablaufen können, dazu gebracht worden sein könnten, nur die Bausteine ​​des Lebens zu produzieren. 2006 zeigte ihr Team, dass sie ab einem kleinen Überschuss nur die linkshändige Form einer Aminosäure amplifizieren können. 2011 zeigten sie, dass die amplifizierte Aminosäure dann dazu verwendet werden könnte, einen enormen Überschuss einer Vorstufe der RNA zu produzieren, die durch einen daran gebundenen Zucker rechtshändig hergestellt wird. (RNA wird von vielen Wissenschaftlern als das ursprüngliche biologische Molekül angesehen.) Blackmond und viele andere Chemiker haben Fortschritte in dieser Art von Chemie gemacht, aber sie sind noch weit davon entfernt, alle möglichen Chemien und Bedingungen zu modellieren auf einem Asteroiden oder einem jugendlichen Planeten.

Blackmond merkt auch an, dass es alles andere als klar ist, dass das Leben totale Homochiralität brauchte, um seinen Anfang zu machen. Ein wirkliches Extrem wäre zu sagen, dass nichts passieren kann, bis wir einen vollständig homochiralen Pool an Bausteinen haben, und ich denke, das ist wahrscheinlich zu extrem, sagt sie. Wir könnten mit der Herstellung von Polymeren vom Informationstyp – wie DNA und RNA – möglicherweise beginnen, bevor wir Homochiralität hatten. Im Moment können Wissenschaftler nur weiterhin Fragen zu Molekülen hier auf der Erde und zu den uns umgebenden Himmelskörpern stellen. In der Hoffnung, ein weiteres Stück dieses Puzzles zu lösen, entwickeln Forscher jetzt neue Technologien, um festzustellen, ob es im interstellaren Raum Exzesse einer Hand gibt.

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In der Zwischenzeit wird das Leben auf der Erde weitergehen, mysteriös und asymmetrisch wie immer.





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