26. Mai 2010, 11:50

Hatte der erste aus der chemischen Evolution hervorgegangene Organismus Geschwister? Einige Argumente sprechen dafür, dass zeitgleich mit der ersten Zelle das erste Virus aus unbelebter Materie entstand.

Das Lindauer Nobelpreisträgertreffen naht mit Riesenschritten, und mein persönlicher Höhepunkt ist natürlich der Vortrag von Jack Szostak. Der arbeitet nämlich tatsächlich an künstlichen Zellen und hat auch viel Sinnvolles über den Ursprung des Lebens zu sagen. Außerdem hat mir Alex von Alles was lebt vor einer Weile zwei Papers zukommen lassen, die sich ebenfalls mit diesem Thema beschäftigen, allerdings aus einem etwas anderen Blickwinkel.

Die Veröffentlichungen von Eugene Koonin et al. stellen die Hypothese vor, dass Viren zu den ersten Lebensformen überhaupt gehörten. Das erscheint zuerst einmal unlogisch, denn Viren können sich ohne die biochemische Maschinerie der Zellen nicht vermehren – deswegen geht man davon aus, dass Viren erst nachträglich entstanden. Es gibt allerdings die Alternative, dass Zellen und Viren von Anfang an nebeneinander evolviert sind, und zwar aus den selbstreplizierenden Erbgutschnipseln der RNA-Welt, die von vielen als wahrscheinlicher Ursprung des Lebens betrachtet wird. (weiter)

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22. Februar 2010, 09:50

Unser Wissen über den Ursprung des Lebens ist derzeit noch so unvollständig, dass neue Erkenntnisse aus der chemischen Grundlagenforschung zu den treibenden Kräften der Forschung in diesem Bereich gehören. Stand der Dinge ist immer das, was gerade als möglich gilt – bis Chemiker die nächste spannende Reaktion oder neue Analyseverfahren auf die Bedingungen der probiotischen Erde anwenden und zuvor ungeahnte Potentiale entdecken. Normalerweise findet man diese inkrementellen Fortschritte eher in kleineren Journals, deswegen ist es schon bemerkenswert, dass es gleich zwei solcher Publikationen in bekanntere Zeitschriften geschafft haben.

Die Papers könnten kaum unterschiedlicher sein, aber sie zielen auf dieselbe entscheidende Frage: Welche Moleküle standen für die chemische Evolution zur Verfügung und warum? In den letzten Jahren haben Forscher eine große Bandbreite möglicher Reaktionen für die Bildung der aus heutiger Sicht essentiellen Lebensbausteine wie Aminosäuren und Nucleobasen entdeckt. Amerikanische Forscher erweitern diese Liste um eine plausible Synthese für biologisch relevante Zucker. (weiter)

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11. Januar 2010, 07:12

Seit Jahren versuchen Forscher, das theoretische Konzept des Quantencomputers praktisch zu realisieren. Jetzt sind sie am Ziel. Mit einem einfachen Quantenschaltkreis haben Wissenschaftler die Energieniveaus des Wasserstoffatoms berechnet.

Computer sind ein ausgesprochen nützliches Hilfsmittel für die Naturwissenschaft, aber man braucht enorme Rechnerleistung, um zum Beispiel in der Chemie selbst einfache Moleküle zu simulieren. Bei den nötigen numerischen Verfahren wie der Dichtefunktionaltheorie (DFT) steigt der Aufwand exponentiell und mit zunehmender Teilchenzahl ins Unermessliche. Andererseits liefert die DFT zwar oft zufriedenstellende Näherungen, kann aber in bestimmten Systemen auch mal sehr weit daneben liegen. Zum Beispiel bei starken elektronischen Interaktionen in Supraleitern. Große Moleküle und ihr Verhalten kann man deswegen noch nicht im Computer simulieren, jedenfalls nicht wirklich zufriedenstellend.

Ein Quantencomputer, der nicht mit klassischen Bits, sondern quantenmechanischen Qubits rechnet, hat diese Schwierigkeiten nicht, und könnte deswegen mühelos zum Beispiel die Faltung großer Proteine berechnen. Leider existierten solche Quantencomputer bisher nur in der Theorie. Jetzt allerdings hat ein Wissenschaftlerteam zum ersten Mal einen Quantenschaltkreis verwendet, um die Eigenschaften eines echten chemischen Systems zu berechnen. Und zwar die Energiezustände des molekularen Wasserstoff H₂. (weiter)

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30. November 2009, 15:46

Ich bin immer wieder erstaunt, wie viel lustigen Unfug man mit ernsthafter Forschung treiben kann. Neuestes Beispiel: der Lähmungsstrahl für Fadenwürmer, der gerade im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde. Bestrahlt man die Tierchen mit UV-Licht, bleiben sie liegen und rühren sich nicht mehr. Und blau werden sie auch noch. Bis normales Licht über 490 Nanometer Wellenlänge auf sie fällt und sie wieder aus ihrer Starre erlöst.

Zur Abwechslung ist mal kein obskures Gen der Verursacher, die betroffenen Würmer sind ganz normal. Der Effekt basiert auf einem einfachen chemischer Schalter, der ursprünglich aus der Materialwissenschaft stammt. Dort kennt man diese optischen Schalter schon länger. Mit Licht kann man dort zum Beispiel gezielt Oberflächen verändern oder Kristalle mechanische Arbeit verrichten lassen.  (weiter)

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27. November 2009, 16:57

Ist es doch Leben, das die seltsamen Artefakte im ursprünglich vom Mars stammenden Meteorit ALH 84001 erzeugt hat? 13 Jahre nach den ersten Berichten über angebliche Spuren von Mikroorganismen im Gestein ist jetzt eine Arbeit erschienen, die das Thema mit Hilfe moderner Technik wieder aufrollt.

Das ursprüngliche Paper von McKay und Kollegen berief sich – neben seltsam aussehenden möglichen Mikrofossilien – vor allem auf chemische Spuren, die von einstiger Stoffwechselaktivität zeugen sollten. Formationen im Gestein enthielten überraschend große Mengen polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe, die auch auf der Erde Produkt biologischer Aktivität sind, aber vor allem kleine Carbonatplättchen mit seltsamer Struktur. Das Bemerkenswerte an den Carbonatscheibchen ist ein charakteristischer schwarz-weißer Ring um das von Eisen rötlich gefärbte innere. Und dieser Ring hat es in sich. Er enthält Nanokristalle aus Sulfiden und Magnetit – wie sie auch von bestimmten irdischen Lebensformen erzeugt werden.

Das aktuelle Paper befasst sich noch einmal genauer mit der Frage, wie diese ungewöhnlichen Kristallite entstanden – können sie wirklich ein Zersetzungsprodukt der umgebenden Carbonate sein? Oder entstanden sie vor 3,9 Milliarden Jahren zusammen mit den Carbonaten, möglicherweise mit der Hilfe marsianischer Mikroben?  (weiter)

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20. November 2009, 08:02

Phosphorverbindungen spielen als Bestandteile des Erbguts, des Energiestoffwechsels und vieler zellurärer Signalketten eine entscheidende Rolle in allen Lebewesen. Wissenschaftler gehen deswegen davon aus, dass bereits die ersten Anfänge des Lebens auf Phosphor angewiesen waren - doch in welcher Form?

Auch wenn den Weg der chemischen Evolution zum ersten Leben auf der Erde noch nicht kennen, dass geeignete organische Chemikalien als Baumaterial zur Verfügung stand, steht außer Frage. Komplexe organische Verbindungen entstehen unter den Bedingungen der frühen Erde quasi von selbst, sei es unter Mithilfe von Blitzentladungen oder photokatalytisch durch UV-Licht. Zusätzlich werden sie permanent von Meteoriten frei Haus geliefert.

Rätselhaft ist dagegen nach wie vor die Herkunft der Phosphate, die in der Chemie des Lebens eine entscheidende Rolle spielen. Die energiereichen Bindungen zwischen den Phosphateinheiten des ATP (Adenosintriphosphat) liefern die Antriebskraft für die meisten biochemischen Reaktionen, und es sind Phosphate, die die Bausteine des Erbguts miteinander verbinden.

Dass diese Rolle gerade den Phosphaten zufällt ist chemisch betrachtet einigermaßen kurios: Gerade Phosphatverbindungen werden unter präbiotischen Bedingungen eigentlich kaum gebildet, denn es fehlen schlicht die Ausgangsstoffe. Die bei weitem am häufigsten natürlich vorkommenden Phosphorminerale Fluorapatit und Hydroxyapatit sind schlecht wasserlöslich. Als Komponenten einer präbiotischen Phosphorchemie sind sie deswegen denkbar ungeeignet.  (weiter)

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02. November 2009, 15:04

Es kommt nicht allzu häufig vor, dass Science einem Chemie-Paper einen eigenen Kommentar widmet. Umso mehr, wenn es sich dabei um klassische Synthesechemie mit unscheinbaren kleinen Molekülen handelt. Was wir in der letzten Ausgabe lesen konnten ist allerdings auch ein echter Durchbruch mit weitreichenden Folgen. Forscher haben ein zentrales Hindernis für eine der bedeutendsten chemischen Reaktionen überhaupt überwunden und der organischen Chemie den Weg zu zigtausenden neuen Synthesen geebnet. Hintergrund ist eine einfache Säure-Base-Reaktion. (weiter)

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27. Oktober 2009, 18:20

Wir haben kürzlich am Beispiel der Sondermetalle gesehen, dass Metallrecycling unerwartete Auswirkungen auf die Rohstoffversorgung hat. Doch das war erst der Anfang. Wenn Metalle systematisch und in großem Stil wiederverwertet werden, dann tritt die Zivilisation selbst als Lagerstätte auf den Plan. Dann nämlich wird jede Region, in der Metalle genutzt werden, zur potentiellen Rohstoffquelle.

Und genau wie bei den natürlichen Lagerstätten gibt es große regionale Unterschiede. Wo mehr Metall ist, fällt auch mehr zum Recycling an. Diesen Ansatz hat jetzt Jason Rauch aus Yale konsequent weiterverfolgt und eine Karte dieser menschengemachten Metallressourcen erstellt. Aufgeführt sind die bedeutendsten Industriemetalle Kupfer, Eisen, Zink und Aluminium.  (weiter)

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22. Oktober 2009, 17:23

Die Kernfrage bei der Entstehung des Lebens ist, welche Energiequelle in frühen Lebensvorstufen die die Reduktion von Kohlendioxid zu organischen Verbindungen angetrieben haben könnte. Ohne Kohlenstofffixierung gäbe es keine komplexen Moleküle, aus denen Leben hätte entstehen können. Obwohl die Sonne die bei weitem stärkste und beständigste Energiequelle auf der Erde ist, spielt ihre Strahlung in den meisten Szenarien zum Ursprung des Lebens keine Rolle. Doch das beginnt sich zu ändern. Armen Mulkidjanian von der Universität Osnabrück hat eine Hypothese vorgestellt, nach der die UV-Strahlung der Sonne die chemische Evolution auf der Erde in Gang gesetzt hat. Erfreulicherweise ist die gesamte Arbeit offen im Internet einsehbar.

Der vorgeschlagene Mechanismus ähnelt sehr entfernt dem, der auch heute noch in den Blättern von Pflanzen abläuft, und wird deswegen abiotische Photosynthese genannt: Ein geeignetes Material nimmt die Energie der Lichtquanten auf und nutzt sie, um aus Kohlendioxid Formaldehyd oder Ameisensäure herzustellen. Man weiß von verschiedenen Mineralien, die als Halbleiter derartige Reaktionen katalysieren können, und Mulkidjanian konzentriert sich auf Zinksulfid.  (weiter)

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11. Oktober 2009, 12:18

Als vor ein paar Jahren die ersten vollständigen Genome entschlüsselt waren, stellten Wissenschaftler zu ihrer Verwunderung fest, dass die Größe eines Genoms wenig mit der Komplexität des zugehörigen Organismus zu tun hat. Manche Einzeller haben zigfach mehr Erbgut als selbst die komplexesten Säugetiere. Gibt es überhaupt biochemische Merkmale, die eindeutig mit Komplexität zusammen hängen und möglicherweise Aussagen über ihre Ursachen zulassen? Wissenschaftler sind dieser Frage nachgegangen und auf eine sehr merkwürdig erscheinende Antwort gestoßen: Offenbar hängt die Komplexität von Organismen systematisch mit dem Anteil der Aminosäure Tyrosin in den Proteinen zusammen. (weiter)

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