Wie Zellmembranen entstanden sind

Schwarzer Raucher im Atlantischen Ozean P. Rona • Public domain

Eine aktuelle Computersimulation beweist: Die katalytischen Zentren, die die spontane Bildung organischer Verbindungen, die als Bausteine des Lebens gelten, in der vorzeitlichen Tiefsee begünstigt haben, haben gleichzeitig auch Micellen und Membrandoppelschichten produziert. Diese sind die alles entscheidenden Zellstrukturen, die die chemischen Reaktionen (des Lebens) im Innern der (Mi)Zelle von der "unwirtlichen" Außenwelt schützen.

Die Entwicklung der ersten Zellstrukturen spielte eine wichtige Rolle in der frühen Evolution des Lebens. Die Entstehung des Lebens fand wohl auf der molekularen Ebene in einer hoch reaktiven Umgebung statt. Die Eisen-Schwefel-Theorie postuliert die Bildung zellähnlicher Strukturen auf katalytischen Oberflächen. Experimente zeigen, dass Schwefelwasserstoff (H2S) zusammen mit Eisensulfid (FeS) und anderen metallischen Zentren auto-katalytische Oberflächenreaktionen auslösen, in denen organische Moleküle wie Brenztraubensäure und Aminosäuren entstehen.

Fraglich blieb dabei, welche Mechanismen zusätzlich erforderlich sind, um zellartige Strukturen unter diesen Bedingungen zu bilden. Um diese Frage zu lösen, implementierten Forscher an der Uni Bonn in ein Modellsystem die Grundvariablen der Molekulardynamik:

• Wärme
• Anziehung
• Abstoßung
• Bildung kovalenter Bindungen

Ihr Basismodell zeigte dann eine Reihe wesentlicher Prozesse:

• Selbstorganisation von Lipidmicellen und Doppelschichten
• Bildung von flüssigkeitsgefüllten Hohlräumen
• Abfluss von Molekülen entlang von Membranen
• Transport von angeregten Molekülgruppen in Senken und ganzen Kolonien von zellähnlichen Strukturen in einem größeren Maßstab.

Die Ergebnisse zeigen, dass nur wenige Merkmale ausreichend sind, um bislang nicht beschriebene Phänomene der Selbstorganisation und -dynamik zellähnlicher Strukturen als Kandidaten für schon früh entstandene Protozellen zu entdecken.

Die Suche nach einem möglichen Ursprung des Lebens ist nach wie vor eines der faszinierendsten Probleme der Biologie. In einem theoretischen Szenario entstand das frühe Leben aus einer Lösung reaktiver Chemikalien in der urzeitlichen Tiefsee, und dort speziell an sogenannten Schwarzen Rauchern.

Versuche haben gezeigt, dass unter diesen Bedingungen eine Vielzahl organischer Moleküle entstehen, die als Bausteine ​​des Lebens gelten. Basierend auf diesen Experimenten postuliert die Eisen-Schwefel-Theorie das Wachstum von zellähnlichen Strukturen an bestimmten katalytischen Oberflächen.

Das Computermodell der Bonner Forscher lieferte jetzt dazu den Nachweis, dass unter den postulierten Bedingungen Lipiddoppelschichten und halbzellige Hohlräume entstehen können.

Die Ergebnisse zeigen insgesamt die Möglichkeit einer zellähnlichen Selbstorganisation unter geeigneten physikalisch-chemischen Bedingungen.

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