Urzeugung: Laborversuche zur Entstehung organischen Lebens (Miller, Calvin, Fox)

Urzeugung: Laborversuche zur Entstehung organischen Lebens

1. Stanley Millers Experiment zur Synthese organischer Verbindungen

Stanley Miller hielt einen Vortrag mit dem Titel: "Erste Synthese von organischen Verbindungen im Labor unter den Bedingungen der frühen Erde". Er entwarf ein Experiment, bei dem er die ursprüngliche Atmosphäre der Erde in einem Kolben simulierte und starken Stromstößen aussetzte.

Nach einer Woche der Analyse der Reaktionsprodukte wurden organische Verbindungen, insbesondere Aminosäuren, synthetisiert. Aminosäuren sind Schlüsselkomponenten von Proteinen und organischem Material. Miller gelang es, organische Verbindungen unter präbiotischen Bedingungen herzustellen – also unter Bedingungen, die auf der Erde vor der Entstehung des Lebens herrschten.

Diese Experimente stützen weitgehend die Theorie der Koazervatbildung von Oparin. Sie dienten als Ausgangspunkt für zahlreiche Forscher, die die Technik mit verschiedenen anorganischen Verbindungen und starken Energiequellen in einer reduzierenden Umgebung weiterentwickelten.

Details zu Millers Aufbau

Stanley Miller führte Methan, Ammoniak und Wasserstoff in ein Vakuumsystem ein. Wasser wurde in einer kleinen Flasche erhitzt, um Wasserdampf zu erzeugen. Die Gase bewegten sich entlang der Pfeilrichtung. Im Mischschritt, einer großen Flasche, wurden eine Woche lang Blitze von 60.000 Volt simuliert. Der Dampf wurde abgekühlt und kondensierte in einem Kondensator, wobei sich Verbindungen im U-förmigen Rohr ansammelten.

2. Melvin Calvins Zyklotron-Experimente

Melvin Calvin nutzte erstmals ein Zyklotron als Energiequelle. Er setzte eine Mischung aus primitiven Gasen und Methan, dessen Kohlenstoffgerüst radioaktiv war, einer Gruppe von Elektronen aus, die durch das Zyklotron beschleunigt wurden. Calvin synthetisierte Zucker, Harnstoff, Aminosäuren, Fettsäuren und andere organische Verbindungen.

3. Joan Golds Beitrag zur Nukleinsäurebildung

Joan Gold konzentrierte sich auf Reaktionen, bei denen eine Mischung aus Flusssäure und Ammoniak in Wasser erwärmt wurde. Dabei entstand Adenin, ein wesentlicher Bestandteil der Nukleinsäuren und von ATP.

4. Sidney Fox und die Bildung von Proteoiden

Sidney Fox gelang es, fast alle bekannten Aminosäuren zu Proteinen zu verbinden, außer jenen, die bei 100 Grad Celsius mit Wasser reagieren (was in vulkanischen Gebieten vorkommt). Er bildete Proteoide.

Beobachtungen bei präbiotischen Synthesen

Bei all diesen Experimenten wurde beobachtet, dass organische Verbindungen oft als Mischungen aus zwei primitiven Molekülen gewonnen wurden, wie zum Beispiel:

• Cyanwasserstoff
• Formaidehyd

Bedingungen der frühen Atmosphäre

Es ist wichtig zu bedenken, dass in der frühen Atmosphäre kein freier Sauerstoff vorhanden war. Dies ermöglichte es organischen Verbindungen, sich viel länger zu halten, da sie nicht schnell durch Sauerstoff zersetzt werden konnten. Zudem gab es auf der Erde noch keine lebenden Schichten, sodass die Putrefaktion (Fäulnis) organischer Materialien nicht möglich war.

Das Dilemma der Enzymkatalyse

Das Fehlen von Enzymen stellt ein weiteres wichtiges Dilemma dar. Enzyme beschleunigen normalerweise organische Reaktionen. Ohne sie verliefen die Reaktionen zur Bildung organischer Verbindungen sehr viel langsamer.

Oparins Koazervat-Theorie

Die Koazervat-Theorie von Oparin besagt, dass organische Moleküle in der Lage waren, sich an bestimmten Stellen zu sammeln und zunehmend komplexere Systeme zu bilden, basierend auf den Prinzipien der Entwicklung, insbesondere der natürlichen Selektion.

Koazervate können als Ansammlungen von Molekülen definiert werden, die von einem Wasserfilm umgeben sind, wodurch die Flüssigkeit, in der sie schweben, abgegrenzt wird.

Enzyme und Katalyse

Definition von Enzymen

Enzyme sind organische Katalysatoren, die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beeinflussen. Sie regulieren synchron die Geschwindigkeit von Stoffwechselreaktionen. Enzyme sind in ihrer Wirkung sehr spezifisch.

Sie sind von Natur aus Proteine, und die kleinsten unter ihnen bestehen aus mehr als 100 Aminosäuren.

Katalyse

Katalyse ist das Phänomen, bei dem lebende Zellen Verbindungen leicht aufbrechen oder bilden können. Dies geschieht durch die Wirkung bestimmter chemischer Proteine, die als Enzyme oder Biokatalysatoren bezeichnet werden.

Faktoren, welche die Rate enzymatischer Reaktionen ändern

1. Temperatur

Enzymatische Reaktionen folgen der allgemeinen Regel chemischer Reaktionen: Ihre Geschwindigkeit steigt mit der Temperatur bis zu einem idealen Punkt. Danach beginnt die Reaktionsgeschwindigkeit abzunehmen, verursacht durch die Denaturierung der Enzyme.

2. pH-Wert

Enzyme vertragen die Wirkung starker Säuren nicht gut. Jedes Enzym besitzt einen optimalen pH-Wert, bei dem seine maximale Aktivität erreicht wird.

3. Konzentration der Enzyme

In vielen Fällen ist die Geschwindigkeit der Reaktion direkt proportional zur Konzentration der Enzyme.

4. Substratkonzentration

Die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht sich, solange die Konzentration des Substrats steigt. Sobald eine bestimmte Grenze erreicht ist, bleibt die Geschwindigkeitssteigerung konstant (Sättigung).

Bedeutung von ATP

Alle Lebewesen benötigen Energie, um zu überleben und ihre Funktionen zu erfüllen. Es wird vermutet, dass ATP die erste Energieformel unter den organischen Verbindungen war.

Das ATP-Molekül besteht aus einem Hauptteil, der aus Adenin und Ribose besteht (oft als A dargestellt), und drei Phosphorsäureradikalen (symbolisiert durch S).

Der Unterschied zwischen einer energiereichen und einer energiearmen Phosphatbindung liegt in der Höhe der Energie, die bei der Hydrolyse jeder Bindung im biologischen System freigesetzt wird.