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Alt 29.05.2009, 19:01   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Sternenstaub – Teil 2: Membranen

- zu Teil 1: Zufall oder historische Notwendigkeit? -

Eine der grundlegendsten Eigenschaften des Lebens ist die strenge Trennung zwischen Drinnen – wo eine fein abgestimmte Ordnung herrscht – und der chaotischen Außenwelt. Deswegen kommt den Membranen eine entscheidende Stellung in jeder Überlegung nach dem Ursprung des Lebens zu.

Wenn Wissenschaftler heutzutage über die ersten Zellen diskutieren, dann dreht es sich fast immer um Makromoleküle, die auf irgendeine Weise im Innern eines Vesikels eingeschlossen werden. Die Membran ist in diesem Bild kaum mehr als ein kleines Schutzbläschen um das eigentlich interessante Geschehen im Inneren, wo sich aus toter Materie auf irgendeine Weise das Leben bildete.

Dieser Ansatz greift allerdings zu kurz und ist mit diversen konzeptionellen Schwierigkeiten behaftet. Eine ganze Reihe Probleme der frühen Lebensentstehung lassen sich jedoch elegant lösen, wenn man als Ort des Geschehens die Membran selbst annimmt: Meiner Ansicht nach war das Innere der ersten Zellen leer – die Musik spielte in den Membranen.



Drinnen und Draußen
Bei modernen Organismen besteht die Trennung zwischen Innen und Außen aus einer Doppelschicht von speziellen Molekülen, den Phospholipiden. Die sind amphiphil, sie haben ein wasserlösliches Kopfende, an dem lange unpolare Ketten hängen. Diese unpolaren schwänze lösen sich nicht in Wasser, und deswegen sammeln sich solche Moleküle in großen Clustern, dass die Kopfgruppen nach außen zum Wasser zeigen und die Schwänze sich im Innern aneinander lagern.


Quelle: Universität Zürich

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Konfiguration zu erreichen. Eine davon ist die Lipiddoppelschicht, bei der die Moleküle parallel angeordnet nebeneinander liegen und zwei dieser Schichten mit den Schwanz-Seiten aneinandergelegt sind. Das Ergebnis ist eine Wand, die nach außen hin polare, hydrophile Gruppen aufweist und im Inneren aus einer öligen Schicht unpolarer Molekülteile besteht: Die biologische Membran.

Diese Membran hat einige bemerkenswerte Eigenschaften. Sie ist für geladene Teilchen völlig undurchlässig, genauso wie für größere Moleküle. Ihr Inneres verhält sich wie eine ölige Flüssigkeit, in der sich Moleküle frei bewegen können. Und sie zieht hydrophobe Moleküle aus der Umgebung in sich hinein. Hydrophobe Moleküle wie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe, die zu Millionen Tonnen auf die frühe Erde herabgeregnet sind.

Starthilfe aus dem All
Sicher ist, dass Kohlenwasserstoffe aus dem interstellaren Raum gleich auf mehrere Arten an der Bildung von Membranen beteiligt sein können. Interstellare Materie enthält bereits amphiphile Verbindungen, die einfache Doppelschichten bilden, zum Beispiel Fettsäuren mit neun bis zehn Kohlenstoffatomen, die in Meteoriten nachgewiesen wurden. Aus dem 1969 in Australien geborgenen Murchison-Meteoriten wurde ein Extrakt gewonnen, der in Wasser spontan Membranbläschen erzeugte.


Vesikel aus dem Extrakt
des Murchison-Meteoriten.
Unten: Mit eingekapselten
Nucleinsäuren. Zum Vergrößern
klicken. Quelle.Neben den Fettsäuren enthielten die Bläschen auch polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, die in interstellarer Materie wesentlich häufiger vorkommen. Das ist eine bemerkenswerte Parallele zu modernen biologischen Membranen, die neben den klassischen Kettenmolekülen auch das polyzyklische Cholesterin enthalten. Die Kohlenwasserstoffe tauchen aber nicht nur zusammen mit amphiphilen Verbindungen auf, sie können diese auch selbst neu bilden. </p> Die Kohlenstoffverbindungen des interstellaren Raumes sind dank der ionisierenden Strahlung und der sehr geringen Reaktionsgeschwindigkeiten im All teilweise hochreaktiv. In Verbindung mit Wasser bilden solche Verbindungen Alkohole, deren oxidiertes Ende polar, der Rest jedoch unpolar ist – ähnlich wie in modernen biologischen Strukturen die Fettsäuren. Die Meteoriten, die auf der frühen Erde aufgeschlagen sind, brachten mehr als genug Rohmaterialien für das erste Leben mit.

Wie allerdings diese Bläschen zu irgendwelchen selbstreplizierenden Reaktionen im Inneren gekommen sind, oder auch nur mit Chemikalien gefüllt wurden, ist ausgesprochen schwierig zu erklären. Damit sich Membranvesikel bilden, muss das Material erheblich aufkonzentriert werden, und die Konzentration anderer organischer Moleküle muss ebenfalls sehr hoch sein, damit hinreichend genug davon eingeschlossen werden.

Es gibt zum Beispiel das Szenario der eintrocknenden Lagune, bei dem man annimmt, dass große Mengen amphiphiler Moleküle zusammen mit anderen präbiotischen Chemikalien irgendwo eingetrocknet sind. Wenn auf so eine Schicht dann wieder Wasser kommt, entstehen unter umständen Vesikel mit einer hohen Chemikalienkonzentration oder mit eingeschlossenen Makromolekülen. Im Labor funktioniert das gut.

Das Problem dabei ist allerdings, dass in einer eintrocknenden Lagune auch das Salz aufkonzentriert wird, und Salz verhindert die Bildung von Membranen und ähnlichen Strukturen (aus dem gleichen Grund ist auch hartes Wasser ein Problem für klassische Seifen: Die Salze fällen die amphiphilen Seifenmoleküle aus). Das ist das Grundproblem aller Aufkonzentrierungs-Szenarien.

Ich persönlich vermute ja, dass die ersten Membranvorläufer Monoschichten auf Oberflächen waren. An einer hydrophoben Oberfläche allerdings bleiben die Moleküle hängen, so dass sich auch aus schwach konzentrierten Lösungen eine Monolage bilden kann. Auf diese Weise sammeln sich die Moleküle zum ersten Vorläufer einer Membran.

Die Membran als Reaktionsgefäß
Und jetzt wird es spannend, denn hat man erst einmal diese Membran, wirkt sie praktisch wie ein dünner Ölfilm: All die unpolaren, schlecht wasserlöslichen Moleküle, die mit den Meteoriten auf die Erde gekommen sind, bleiben in der hydrophoben Schicht stecken, sobald sie auf die Proto-Membran treffen.

Hat man also erst einmal eine solche Proto-Membran, reichert sie in ihrem inneren eine ganze Reihe interessanter Chemikalien an, die nicht nur zu neuen Membranbestandteilen werden können, sondern auch an primitiven Reaktionszyklen teilnehmen.

Zum Beispiel können sie selbsttätig neues Membranmaterial bilden. Viele Polyzyklische Aromaten werden von energiereicher Strahlung in einen angeregten Zustand versetzt, in dem sie andere Moleküle aufoxidieren können – und ihnen damit ebenfalls polare Endgruppen verpassen. Enthält die Schicht solche Moleküle, kann sie "wachsen" – indem sie Vorläufermoleküle aus der Umgebung "frisst" und in ihrem Innern zu neuen Membranmolekülen umsetzt.

Auch Reaktionen zur Energiegewinnung aus der Umwelt können in Membranen stattfinden. Tatsächlich sind sehr viele grundlegende Prozesse der zellulären Energiestoffwechsel membrangebunden. Man denke da an die Energieerzeugung in Mitochondrien oder an den Chloroplastenmembranen. Und ein ziemlich zentrales Element des Energiehaushalts jeder Zelle sind Chinone – oxidierte Aromaten. Kein Beweis, aber ein bemerkenswertes Detail.

Solche primitiven chemischen Systeme sind bereits zur Evolution fähig: Wer am effektivsten neues Membranmaterial herstellt, gewinnt. Vermehren können sich die Membrantierchen durch Teilung – alle Bestandteile der Mischung schwimmen frei in der Membran. Wenn sie in der Mitte durchreißt, sind zwei Nachkommen entstanden, die wiederum wachsen können. Bildet so ein Membransystem dann tatsächlich irgendwann einmal ein geschlossenes Vesikel, kann etwas neues passieren: Stoffwechselprodukte, die zu gut wasserlöslich sind, um in der Membran zu bleiben, schwimmen nicht einfach weg, sondern reichern sich im Hohlraum in der Mitte an.

Aber das ist ein anderes Thema. In der nächsten Folge der Serie gucken wir uns mal an, was für Reaktionen in der Membran ablaufen mussten, um die ersten Schritte in Richtung Leben zu gehen. Und welche Rolle Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe aus dem Weltall dabei gespielt haben könnten.

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Quelle: Fischblog - Naturwissenschaft und mehr
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