Einer der seltsamsten Aspekte des Lebens auf der Erde - und möglicherweise auch des Lebens anderswo im Kosmos - ist ein Merkmal, das Chemiker, Biologen und theoretische Physiker gleichermaßen verblüfft. Jeder molekulare Baustein des Lebens (Aminosäuren und Zucker) hat einen Zwilling - keinen identischen, sondern ein Spiegelbild. Genau wie Ihre rechte Hand Ihre linke Hand widerspiegelt, aber niemals bequem in einen Linkshänder passt, gibt es Aminosäuren und Zucker sowohl in der rechten als auch in der linken Version. Dieses Phänomen der biologischen Formauswahl wird "Chiralität" genannt - vom Griechischen für Händigkeit.
Auf der Erde sind die für das Leben charakteristischen Aminosäuren alle „linkshändig“ und können nicht gegen rechtshändige Doppelgänger ausgetauscht werden. Mittlerweile sind alle Zucker, die für das Leben auf der Erde charakteristisch sind, „rechtshändig“. Die entgegengesetzten Hände für Aminosäuren und Zucker gibt es im Universum, aber sie werden von keiner bekannten biologischen Lebensform genutzt. (Einige Bakterien können tatsächlich rechtshändige Aminosäuren in die linkshändige umwandeln, aber sie können die rechtshändigen nicht wie sie sind verwenden.) Mit anderen Worten, Zucker und 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 ihre Spiegelreflexionen vorhanden. Tatsächlich existieren beide noch heute auf der Erde - nur nicht im Leben, wie wir es kennen. Wenn Sie in einem Labor eine Reihe von Aminosäuren, Zuckern oder deren Vorläufermolekülen zubereiten, erhalten Sie immer eine 50-50-Mischung aus links und rechts. Aber als in den unzähligen Jahrtausenden, die der Entstehung der Erde folgten, Leben auftauchte, wurden nur die linkshändigen Aminosäuren und der rechtshändige Zucker ausgewählt.
Chirale Moleküle wurden sogar im interstellaren Raum gefunden. In einer bahnbrechenden Entdeckung, die im Juni dieses Jahres vom National Radio Astronomy Observatory angekündigt wurde, identifizierten Wissenschaftler Moleküle im Zentrum der Galaxie, die zur Konstruktion von rechts- und linkshändigen Zuckern verwendet werden könnten. Während sie immer noch keine Ahnung haben, ob es mehr von der einen als von der anderen Hand gibt, bildet der Befund die Grundlage für weitere Experimente, die mehr über die Ursprünge der Händigkeit aussagen könnten.
Die großen Fragen bleiben weiterhin: Wie und warum hat das Leben nur eine von zwei Spiegelreflexionen ausgewählt, um jede einzelne Kreatur in ihrer Menagerie zu konstruieren? Benötigt das Leben Homochiralität, um anzufangen, oder könnten Lebensformen existieren, die sowohl die irdischen Bausteine als auch ihr Alter Ego verwenden? Entstanden die Keime der Homochiralität in den Tiefen des interstellaren Raums oder haben sie sich hier auf der Erde entwickelt?
Konzeptionelles Bild von OSIRIS-REx. (NASA / Goddard / Universität von Arizona) Jason Dworkin, Leiter des Astrochemielabors im 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 es war. “Ungefähr vier Milliarden Jahre Vulkanausbrüche, Erdbeben, Meteoritenbombardements und natürlich der tiefgreifende geologische Einfluss des Lebens selbst haben den Planeten so verändert, dass es fast unmöglich ist zu wissen, wie die Erde damals aussah das Leben begann. Aus diesem Grund konzentrieren sich Dworkins Forschungsgruppe und viele seiner Kollegen bei der NASA auf Meteoriten - die Überreste von Weltraummüll, die ihren Weg zu festem Boden finden.
„Das sind Zeitkapseln aus der Zeit vor 4, 5 Milliarden Jahren“, sagt Dworkin. "Was wir jetzt in Meteoriten sammeln, ist also sehr ähnlich dem, was damals auf der Erde regnete."
Dworkin ist auch der führende Wissenschaftler der Regierung bei der OSIRIS-REx-Mission zum erdnahen Asteroiden Bennu. Die Mission, die diesen September startet, wird ungefähr ein Jahr damit verbringen, den Asteroiden zu vermessen, um besser zu verstehen, wie er sich durch unser Sonnensystem bewegt. Wenn die Zeit des Raumschiffs mit Bennu abgelaufen ist, wird es den ultimativen Preis erhalten: eine Probe von der Oberfläche des Asteroiden, die es im Jahr 2023 auf die Erde zurückbringen wird, damit die Wissenschaftler seine chemische Zusammensetzung untersuchen können. "Alles, was wir tun, hilft, diese eine Probe zu bekommen", sagt Dworkin.
Die Wissenschaftler wählten Bennu zum Teil aufgrund seiner Ähnlichkeit mit einem speziellen Meteoritentyp, der einen interessanten (wenn auch keineswegs schlüssigen) Hinweis auf die Ursprünge der Homochiralität liefert. Viele Meteoriten enthalten Moleküle auf Kohlenstoffbasis, einschließlich 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. Häufig wurden sowohl die linkshändige als auch die rechtshändige Version von beispielsweise einer Aminosäure in gleichen Mengen gefunden - genau das, was zu erwarten war. In vielen Fällen wurden jedoch 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 dem Gebiet untersucht wurde, war das Molekül im Überschuss die linkshändige Aminosäure, die ausschließlich im Leben auf der Erde zu finden ist.
Dworkin sagt, dass die Probe von Bennu einen noch stärkeren Beweis für dieses Phänomen liefern könnte. „Im Gegensatz zu Meteoriten, von denen einer auf den Boden fällt und dann kontaminiert wird und zwei vom Mutterkörper getrennt sind“, wissen die Wissenschaftler bei Bennu genau, woher die Probe auf dem Asteroiden stammt. Sie ergreifen „außergewöhnliche Maßnahmen“, die bestätigen, dass nichts aus der Erdbiologie die Probe kontaminieren kann. "Wenn wir diese (hoffentlich) Überschüsse an Aminosäuren in der Bennu-Probe im Jahr 2023 erhalten, können wir sicher sein, dass sie nicht durch Kontamination verursacht wurden", sagt Dworkin.
Die Beweise, die bisher von Meteoriten entfernt waren, deuten darauf hin, 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 führte, von Meteoriten, von Prozessen auf der Erde oder vielleicht von beiden stammt.“ Es bleibt auch die Frage, wie und warum sich dieser Überschuss entwickelt hat der Meteorit oder sein Asteroidenelternteil oder in erster Linie auf der frühen Erde.
Hypothesen gibt es zuhauf. Beispielsweise kann polarisiertes Licht, das sich auf unserer Seite der Galaxie befindet, die rechtshändige Version vieler Aminosäuren in geringem, aber wahrnehmbarem Umfang zerstören. Der geringe Überschuss der Aminosäure für Linkshänder müsste dann drastisch verstärkt werden, um die in lebenden Organismen auf der Erde gefundenen Werte zu erreichen.
Dieser Verstärkungsprozess fasziniert Donna Blackmond vom Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien. Blackmond hat die potenziellen chemischen Ursprünge der Homochiralität fast während ihrer gesamten Karriere 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 stattgefunden haben könnten, beeinflusst wurden, um nur die Bausteine des Lebens zu produzieren. 2006 zeigte ihr Team, dass sie ausgehend von einem kleinen Überschuss nur die linkshändige Form einer Aminosäure amplifizieren können. 2011 zeigten sie, dass die amplifizierte Aminosäure dann verwendet werden kann, um einen großen Überschuss eines Vorläufers für RNA zu produzieren, der von einem 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, sind jedoch noch weit von der Fähigkeit entfernt, alle möglichen chemischen Prozesse 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 anzufangen. "Ein echtes Extrem wäre zu sagen, dass nichts passieren könnte, bis wir einen völlig homochiralen Pool von Bausteinen haben, und ich denke, das ist wahrscheinlich zu extrem", sagt sie. "Wir könnten anfangen, Polymere vom Informationstyp herzustellen" - wie DNA und RNA - "möglicherweise bevor wir Homochiralität hatten." Derzeit können die Wissenschaftler nur noch Fragen zu Molekülen hier auf der Erde und zu den uns umgebenden Himmelskörpern stellen. In der Hoffnung, einen weiteren Teil dieses Puzzles freizuschalten, entwickeln die Forscher nun neue Technologien, um festzustellen, ob im interstellaren Raum Übermaße an einer Hand vorhanden sind.
In der Zwischenzeit wird das Leben auf der Erde geheimnisvoll und asymmetrisch wie immer weitergehen.
