Wie aus Harnstoff Leben entstanden sein könnte

Forschende der ETH Z¨¹rich und der Universit?t Genf haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie chemische Reaktionen, die in einer Fl¨¹ssigkeit ablaufen, in extrem hoher zeitlicher Aufl?sung beobachten k?nnen: Sie k?nnen untersuchen, wie sich die Molek¨¹le innerhalb von wenigen Femtosekunden, also wenigen Billiardstel Sekunden, ver?ndern. Die Methode basiert auf fr¨¹heren Arbeiten derselben Wissenschaftler:innen rund um Hans Jakob W?rner, Professor f¨¹r Physikalische Chemie an der ETH Z¨¹rich, in denen ihnen ?hnliches bereits f¨¹r Reaktionen gelungen ist, die in einer Gas-Umgebung ablaufen.

Um nun auch Reaktionen in Fl¨¹ssigkeiten mit R?ntgenspektroskopie untersuchen zu k?nnen, mussten die Forschenden eine Apparatur entwickeln, mit der sich im Vakuum ein Fl¨¹ssigkeitsstrahl mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer herstellen l?sst. Das war n?tig, weil die zur Messung verwendete R?ntgenstrahlung in einem breiteren Fl¨¹ssigkeitsstrahl teilweise absorbiert w¨¹rde.

Molekularer Wegbereiter der Biochemie

Die Forschenden nutzten die neue Methode, um Einblicke in die Prozesse zu gewinnen, die zur Entstehung von Leben auf der Erde f¨¹hrten. Viele Wissenschaftler:innen gehen davon aus, dass Harnstoff dabei eine zentrale Rolle spielte. Es ist eines der am einfachsten aufgebauten Molek¨¹le, das sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff enth?lt. Zudem ist es sehr wahrscheinlich, dass Harnstoff bereits in der Fr¨¹hzeit auf der Erde vorkam. Dies legt auch ein ber¨¹hmtes Experiment der 1950er-Jahre nahe: Der amerikanische Wissenschaftler Stanley Miller setzte damals ein Gasgemisch, von dem man annahm, dass es der Uratmosph?re der Erde entspricht, den Bedingungen eines Gewitters aus. Dabei entstand eine Reihe von Molek¨¹len, darunter Harnstoff.

G?ngigen Theorien zufolge k?nnte sich der Harnstoff auf der noch unbelebten Erde in warmen T¨¹mpeln ¨C der sogenannten Ursuppe ¨C angereichert haben: Indem dort Wasser verdunstet ist, stieg die Konzentration des Harnstoffes. Unter dem Einfluss ionisierender Strahlung wie zum Beispiel der kosmischen Strahlung k?nnte sich aus diesem konzentrierten Harnstoff ¨¹ber mehrere Syntheseschritte Malons?ure gebildet haben. Daraus k?nnten dann die Bausteine der RNA und der DNA entstanden sein.

Warum genau diese Reaktion stattfand

Von dieser langen Abfolge chemischer Reaktionen haben die Wissenschaftler:innen der ETH Z¨¹rich und der Universit?t Genf mit ihrer Methode den ersten Schritt untersucht: Wie sich eine konzentrierte Harnstoff-L?sung verh?lt, wenn man sie ionisierender Strahlung aussetzt.

Dazu muss man wissen: In einer konzentrierten Harnstoff-L?sung gesellen sich die Harnstoff-Molek¨¹le jeweils paarweise zueinander: Sie bilden sogenannte Dimere. Wie die Forschenden nun zeigen konnten, wandert ein Wasserstoff-Atom unter dem Einfluss der Strahlung innerhalb dieser Dimere von einem Harnstoff-Molek¨¹l zum anderen. Aus den beiden Harnstoff-Molek¨¹len entsteht so ein sogenanntes protoniertes Harnstoff-Molek¨¹l und ein sogenanntes Harnstoff-Radikal, das chemisch sehr reaktiv ist ¨C so reaktiv, dass es mit grosser Wahrscheinlichkeit mit anderen Molek¨¹len reagiert, unter anderem zu Malons?ure.

Die Forschenden konnten ausserdem zeigen, dass dieser Transfer eines Wasserstoffatoms extrem schnell abl?uft und bloss etwa 150 Femtosekunden dauert, also 150 Billiardstel einer Sekunde. ?Das ist so schnell, dass diese Reaktion alle anderen Reaktionen, die theoretisch auch noch ablaufen k?nnten, ausbootet?, sagt W?rner. ?Und das erkl?rt, warum sich in einer konzentrierten Harnstoff-L?sung Harnstoff-Radikale bilden und nicht andere Reaktionen ablaufen, die andere Molek¨¹le bilden w¨¹rden.?

Reaktionen in Fl¨¹ssigkeit sehr relevant

ETH-Professor W?rner und seine Kolleg:innen m?chten in Zukunft auch die n?chsten Schritte untersuchen, die zur Bildung von Malons?ure f¨¹hren. Damit wollen sie versuchen zu verstehen, wie auf der Erde Leben entstanden ist.

Ausserdem wird man die neue Methode auch ganz generell verwenden k?nnen, um die pr?zisen zeitlichen Abl?ufe von chemischen Reaktionen in Fl¨¹ssigkeiten nachzuvollziehen. ?Sehr viele relevante chemische Reaktionen finden in Fl¨¹ssigkeiten statt, nicht nur alle biochemischen Prozesse in unserem K?rper, sondern auch ganz viele chemische Synthesen, die f¨¹r die Industrie relevant sind?, sagt W?rner. ?Daher ist es so bedeutend, dass wir die zeitlich hochaufgel?ste R?ntgenspektroskopie nun auf Reaktionen in Fl¨¹ssigkeit ausgeweitet haben?.

Neben Forschenden der ETH Z¨¹rich und der Universit?t Genf waren an der Arbeit auch solche des Deutschen Elektronen-Synchrotrons Desy in Hamburg beteiligt. Letztere trugen mit Berechnungen zur Interpretation der Messdaten bei.