Der erste Schritt zur Entstehung des Lebens

Bildbeschreibung: Das Leben begann wahrscheinlich in einer Blase. Seifenblasen und Zellmembranen haben ähnliche physikalische Prinzipien, die durch elektrostatische Kräfte beeinflusst werden. Sie werden von Molekülen gebildet, die einen hydrophilen Kopf (der mit Wasser interagiert) und einen hydrophoben Schwanz (der Wasser meidet) haben. Bildquelleastronoo.com

Die Entstehung des Lebens brauchte eine schützende Hülle

Lange bevor es die Vervielfältigung, die Variation und dann die Selektion gewährleistete, brauchte das Leben eine schützende Blase, einen minimalen Behälter, der widerstandsfähig, leicht zu erschaffen war und in der Lage war, spontan in der Umgebung der Zeit zu erscheinen. Dies geschieht lange vor der Entstehung der Zelle, dem äußerst komplexen Grundbaustein des Lebens, der viel später, etwa 3,5 bis 4 Milliarden Jahre, entstehen wird.

Die ersten einfachen organischen Blasen dürften sich relativ früh in der Erdgeschichte gebildet haben, in einer Zeitspanne, die als bezeichnet wirdHadean(vor 4,6 bis 4 Milliarden Jahren).

Das Aussehen vonZellprotomembranenresultiert sowohl aus elektrostatischen Prozessen als auch aus natürlicher Selektion, wobei nur die stabilsten und funktionsfähigsten Strukturen im Laufe der Zeit erhalten geblieben sind. Diese beiden Mechanismen interagieren auf natürliche Weise (Selbstorganisation), um die Entstehung und Stabilität der ersten Strukturen zu fördern. Die Bildung der ersten molekularen Anordnungen und der Aufbau biologischer Strukturen wie zellulärer Protomembranen nahmen aufgrund der zufälligen Natur der beteiligten Mechanismen enorm viel Zeit in Anspruch.

Die primitiven Bedingungen der Erde

DERprimitive Umgebungender Erde vor etwa 4,6 Milliarden Jahren waren durch eine reduzierte Atmosphäre, intensive vulkanische Aktivität und das Vorhandensein hydrothermaler Quellen gekennzeichnet. Diese Umgebungen lieferten eine Vielzahl von Elementen und chemischen Verbindungen, die zur Bildung einfacher Strukturen auf der Basis von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff (CHO) führen könnten.

Theorie der hydrothermischen Quellen

DortTheorie des weißen Rauchersist eine von vielen Hypothesen über den Ursprung des Lebens. Es ist plausibel, dass das Leben in den Tiefen der Ozeane unter Bedingungen entstanden ist, die auch heute noch herrschen. Leben könnte in Unterwasser-Hydrothermalquellen entstanden sein, wo heißes, mineralisiertes Wasser mit metallreichen Gesteinen reagiert. Diesewässrige Umgebungenkönnte chemische Reaktionen ausgewählt haben, die die Bildung komplexer organischer Moleküle begünstigen.

Die ersten natürlichen komplexen Moleküle

Bildbeschreibung: Primitive Fettsäuren bestehen aus einem Carboxylkopf (in Rot), der polar und hydrophil ist und über Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser interagieren kann, und einer linearen Kohlenwasserstoffkette (in Weiß), die aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen besteht, unpolar und hydrophob ist. Kohlenmonoxid und Diwasserstoff, gelöst in Wasser bei hoher Temperatur, können auf natürliche Weise diese kettenförmigen Moleküle, sogenannte Fettsäuren, an Mineralwänden erzeugen.

Fettsäuren

Die Bildung der ersten Behälter stellt einen entscheidenden Schritt zur Entstehung von Leben dar.
Diese Herstellung umfasst chemische, physikalische und geologische Aspekte, die zusammenwirken, um Strukturen zu schaffen, die Umweltturbulenzen je nach Temperatur, Größe und Form der Lipidmoleküle länger oder kürzer standhalten können.

Eine der am meisten akzeptierten Hypothesen zur Bildung protozellulärer Behälter basiert auf der Lipidchemie. DERFettsäurensind gute Kandidaten für die Bildung von Blasen aus einfachen Kohlenstoffquellen wie Kohlenmonoxid und Diwasserstoff in der Nähe von Hydrothermalquellen.

Aufgrund ihrer Eigenschaften haben Fettsäuren die einzigartige Eigenschaft, sich selbst zu organisierten Strukturen zusammenzusetzen, wenn sie in eine wässrige Umgebung gebracht werdenamphiphiler Natur(besitzt einen hydrophilen Kopf und einen hydrophoben Schwanz). Dieser Prozess vonSelbstmontageist das Herzstück der Bildung primitiver Membranen und Strukturen wie Mizellen oder Vesikel, die in der Lage sind, andere Moleküle einzufangen und geschlossene Kompartimente zu bilden.

Aufgrund dieser Dualität in der Natur eignen sich Fettsäuren besonders gut für die Organisation in wässrigen Umgebungen, da ihre verschiedenen Bestandteile unterschiedlich mit Wasser interagieren.

Die ersten Blasen der präbiotischen Chemie

In einer wässrigen Lösung können sich bei geringer Konzentration Fettsäuren dank der elektromagnetischen Kräfte zwischen den Atomen, sogenannte Kugeln, bildenMizellen, wobei sich die hydrophoben Schwänze in der Mitte der kugelförmigen Struktur ansammeln, während die hydrophilen Köpfe bei Kontakt mit Wasser nach außen gerichtet sind.

Bei höheren Konzentrationen können Fettsäuren Lipiddoppelschichten bilden, bei denen die hydrophoben Schwänze einander zugewandt sind und die hydrophilen Köpfe auf beiden Seiten mit Wasser in Kontakt kommen. Diese flexiblen Doppelschichten werden durch die zufälligen Schwankungen des Wassers, in dem sie baden, bewegt und beginnen sich schließlich zu schließen. Sie bilden sich dannVesikel(Protozellen) kugelförmig und dynamisch, relativ zeitstabil, mit einem wässrigen Inneren, wodurch ein geschlossenes Kompartiment entsteht.

Bedeutung der Kapselung für die Entstehung des Lebens

DERSelbstorganisations- und Verkapselungsprozesswird durch die Umgebungsbedingungen hydrothermaler Quellen verstärkt. In dieser turbulenten Umgebung, in der Temperatur und Wasserstoffpotential (pH) schwanken, fördert die Konzentration von Fettsäuren im Wasser die Bildung von Vesikeln. Vesikel bilden, verformen, teilen und reformieren sich und fangen während dieses dynamischen Zyklus zufällig organische Moleküle ein.

Damit Fettsäuren Strukturen wie Mizellen oder Vesikel bilden können, muss eine kritische Konzentration an Fettsäuren erreicht werden. Über diese Konzentration hinaus erfolgt die Selbstorganisation spontan und externe Moleküle können während dieses Prozesses eingefangen werden.

Die Fähigkeit von Fettsäurevesikeln, Moleküle einzukapseln, ist für die Entstehung des Lebens von entscheidender Bedeutung, da sie die Isolierung zukünftiger biochemischer Prozesse in einer kontrollierten Umgebung ermöglicht.

Wenn sich diese Strukturen bilden, ist es möglich, dass organische Moleküle (wie Aminosäuren, Zucker oder andere kleine Moleküle) in den sich bildenden Vesikeln eingeschlossen werden. Diese Einkapselung kann zu einem Zeitpunkt erfolgen, an dem sich die Membran um diese Moleküle schließt.

Obwohl die Lebensdauer eines Vesikels auf einige Stunden oder Tage begrenzt sein kann, reicht dies aus, um chemische Wechselwirkungen und biochemische Reaktionen zu ermöglichen. Unterdessen könnte ein Vesikel eine entscheidende Rolle bei der Eindämmung wichtiger biochemischer Reaktionen spielen, die zu Selbsterneuerungs- oder Selbstorganisationsprozessen führen könnten. Dies wird den Weg für grundlegende biochemische Reaktionen für die Entstehung komplexerer lebender Systeme ebnen.

Abschluss

Es wird angenommen, dass das Leben auf der Erde in wässrigen Umgebungen entstanden ist, beispielsweise in hydrothermalen Unterwasserquellen. In diesen reichhaltigen Umgebungen könnten Moleküle interagieren und sich selbst organisieren. Strukturen wie Lipidvesikel (Protozellen) könnten sich auf natürliche Weise gebildet haben, um die ersten biochemischen Reaktionen einzuschließen und zu schützen.

Elektromagnetische Kräfte zwischen Atomen und Molekülen (Van-der-Waals-Kräfte, Coulomb-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen) sind die grundlegenden Treiber der natürlichen Selbstorganisation von Fettsäuren zu geschlossenen Strukturen wie Vesikeln und Mizellen.

Lipid-Protovesikel ermöglichten es, die ersten biochemischen Reaktionen einzuschließen und zu schützen und so den Boden für die Entstehung von Leben zu bereiten.

Hinweis: :
L'Abiogeneseist der Prozess, durch den auf der frühen Erde Leben aus unbelebter Materie entstand. Die Erde war vor etwa 4,5 Milliarden Jahren ein warmer Planet, der reich an chemischen Verbindungen war, darunter Wasser, Kohlendioxid, Ammoniak, Methan und andere Gase.