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Zellmembran: Kamen die Bausteine aus dem All?

Astronomen weisen Phospholipid-Bestandteil Ethanolamin in interstellaren Wolken nach

Ethanolamin
Ethanolamin, ein Baustein der Phospholipid-Zellmembran, kommt in interstellaren Molekülwolken vor. © NASA/JPL; Victor M. Rivilla, Carlos Briones

Kosmischer Ursprung: Ein entscheidender Bestandteil der ersten Zellmembranen könnte ursprünglich aus dem Weltall auf die Urerde gekommen sein. Denn Astronomen haben erstmals Ethanolamin in interstellaren Molekülwolken nachgewiesen – das Molekül, das den hydrophilen „Kopf“ der typischen Phospholipid-Doppelmembran bildet. Damit kommen die Bausteine aller drei notwendigen Subsysteme der Zelle im Weltraum vor – das wirft auch ein neues Licht auf außerirdisches Leben.

Wie, wo und wann die ersten lebenden Zellen auf unserem Planeten entstanden, ist nach wie vor nicht geklärt. Klar ist aber, dass diese Zellen drei grundlegende Subsysteme benötigten: Erbmoleküle wie RNA oder DNA, die genetische Information tragen und weitergeben, Biomoleküle wie Proteine, die den Zellstoffwechsel antreiben, und schließlich ein Kompartiment – eine Hülle, die die chemischen Prozesse im Zellinneren vor Einflüssen der Außenwelt abschirmen.

Zellmembran
Die typische Zellmembran besteht aus einer Doppelschicht von Phospholipiden, die außen einen wasserliebenden (hydrophilen) „Kopf“ tragen und nach innen zwei wasserabweisende „Schwänze“ aus wasserabweisenden Kohlenwasserstoffketten. © Jian Fan / Getty images

Bei den Bausteinen für zwei dieser Subsysteme gibt es Hinweise darauf, dass sie zumindest zum Teil aus dem Weltall auf die junge Erde gelangt sein könnten. Denn in Meteoriten und Kometen, aber auch in kosmischen Molekülwolken haben Astronomen bereits Aminosäuren, DNA-Bausteine und komplexe organische Moleküle nachgewiesen.

„Kopf“ der Phospholipidmembran im All entdeckt

Jetzt gibt es Indizien dafür, dass auch beim dritten Subsystem des Lebens, der Zellmembran, möglicherweise kosmische Einflüsse im Spiel waren. Entdeckt haben dies Victor Rivilla vom Astrobiologischen Zentrum in Madrid und sein Team, als sie eine kalte Molekülwolke nahe dem Zentrum unserer Galaxie mit Radioteleskopen näher ins Visier nahmen. Im Strahlungsspektrum dieser Wolke suchten sie nach Signaturen von organischen Bestandteilen der Phospholipidmembran – der doppelschichtigen Hülle, die die meisten Zellen umgibt.

Tatsächlich wurden die Astronomen fündig: Sie entdeckten die spektrale Signatur von Ethanolamin  (NH2CH2CH2OH). „Dieses Molekül bildet den hydrophilen – wasserliebenden – Kopf des einfachsten und zweithäufigsten in Zellmembranen vorkommenden Phospholipids“, erklären die Forscher. Zwar wurde dieses Molekül schon in einem Meteoriten gefunden, seine Herkunft blieb aber unklar.

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Entstehung auf interstellaren Staubkörnchen

Der erste Nachweis des Ethanolamins in einer galaktischen Molekülwolke belegt nun, dass dieser wichtiger Zellmembranbestandteil auch frei im Weltraum vorkommt – und offenbar in kosmischen Wolken entstehen kann. Den Spektraldaten zufolge kommt in der untersuchten Molekülwolke etwa ein Ethanolamin-Molekül auf rund zehn Milliarden Wasserstoffatome. Das klingt nach wenig, ist aber laut Angaben der Forscher für ein organisches Molekül relativ viel.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Ethanolamine im Weltall effizient produziert werden“, schreiben Rivilla und sein Team. Sie vermuten, dass dieser Baustein gängiger Phospholipide durch die Reaktion verschiedener Kohlenwasserstoffverbindungen auf der Oberfläche von Staubkörnchen gebildet wurde. Einige dieser Vorläufer ließen sich ebenfalls in den Spektren der Molekülwolke nachweisen.

Kosmischer Ursprung aller drei Subsysteme des Lebens

Nach Ansicht der Astronomen belegen ihre Ergebnisse, dass Zellmembranbestandteile wie Ethanolamin nicht nur auf der Erde oder im Inneren seltener Meteoriten existieren. Stattdessen sind sie offenbar Teil der kalten Molekülwolken, die weite Teile des interstellaren Raums ausfüllen. Dies bestätigt die sich mehrenden Hinweise darauf, dass diese kosmischen Wolken eine weit größere Vielfalt an komplexen organischen Molekülen enthalten als lange angenommen.

„Diese Entdeckung ergänzt die früheren Nachweise von Ribonucleotiden und Aminosäuren im interstellaren Medium“, konstatieren Rivilla und seine Kollegen. „Damit könnten Bausteine aller drei Subsysteme des Lebens durch interstellare Chemie synthetisiert worden sein – und damit auch Teil des Materials gewesen sein, aus dem sich einst das Sonnensystem bildete.“

Außerirdisches Leben wird immer wahrscheinlicher

Gleichzeitig hat die neue Entdeckung auch Bedeutung für die Suche nach außerirdischen Leben. Denn wenn die Bausteine für alle drei Subsysteme des Lebens im interstellaren Medium existieren, dann sind sie vermutlich auch Teil anderer Planetensysteme und Planeten. Die Entstehung von Leben auch auf fremden Himmelskörpern wird damit wahrscheinlicher.

„Dies hat bedeutende Implikationen nicht nur für die Theorien zur Entstehung des Lebens auf der Erde, sondern auch auf anderen habitablen Planeten und Monden überall im Universum“, konstatieren Rivilla und seine Kollegen. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2101314118)

Quelle: Proceedings of the National Academy of Sciences

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