Superkritisches CO₂ und die Lösung für das Wasserparadoxon in der Abiogenese

## Superkritisches CO₂: Der Schlüssel zur Lösung des Wasser-Paradoxons in der Abiogenese

Das wässrige Milieu, das als natürliche Wiege des Lebens gilt, erzeugt einen grundlegenden Widerspruch: Schlüsselreaktionen zur Synthese von Nukleotiden und Peptiden im Wasser sind thermodynamisch ungünstig ohne Enzyme, die erst nach dem Entstehen des Lebens selbst auftreten konnten. Eine neue Studie schlägt eine Lösung vor: überkritisches Kohlendioxid (scCO₂) als Medium, das diesen Widerspruch dank seiner einzigartigen physikochemischen Eigenschaften überwindet.

Wasser-Paradoxon: Thermodynamische Sackgasse

Klassische Abiogenese-Hypothesen, die den Ursprung des Lebens im Wasser annehmen, stoßen auf einen scheinbar unlösbaren Widerspruch. Poly Kondensationsreaktionen zur Synthese von Peptiden und Nukleotiden erfordern die Entfernung von Wassermolekülen, was in einem wässrigen Milieu thermodynamisch schwierig ist. Die Enzyme, die solche Reaktionen in modernen Organismen katalysieren, konnten erst nach der Bildung der ersten lebenden Systeme entstehen. Die Analyse archaischer Stoffwechselzyklen (Acetogenese, reverser TCA-Zyklus) zeigt, dass frühe Organismen CO₂ aufnahmen und Wasser abgaben – das direkte Gegenteil der Photosynthese. Dies deutet auf ein CO₂-reiches Milieu als wahrscheinlicher für den Ursprung des Lebens hin.

Superkritisches CO₂: Das ideale Reaktionsmedium

Bei Temperaturen über 31 °C und Drücken über 73 atm geht Kohlendioxid in den überkritischen Zustand (scCO₂) über und verbindet Eigenschaften von Gas und Flüssigkeit. Solch ein Medium

• weist hohe Löslichkeit für organische Verbindungen auf
• ermöglicht bei Druckminderung die Bildung mikroskopischer Wassertropfen
• fördert die Phosphorylierung von Nukleosiden mit der korrekten Orientierung der Phosphatgruppe

Experimente zeigen, dass in scCO₂ mit 10 % Wasserzusatz die Ausbeuten an Nukleotiden (AMP, GMP, CTP, UMP) 10 % erreichen – dreimal höher als bei Trocknungsmethoden. Entscheidend: Das Phosphat lagert sich präzise am 5. Kohlenstoff des Ribose an, was für die anschließende Polymerisation zu RNA essenziell ist.

Mikrocontainer und katalytische Oberflächen

In scCO₂ bilden sich stabile Wassertropfen mit 1–10 μm Durchmesser, die als Reaktionskammern wirken. Sie entstehen auf zwei Wegen:

• Wenn scCO₂ durch poröse Gesteine strömt, wird adsorbiertes Wasser herausgespült
• Bei abrupten Druck-/Temperaturabfall fällt Kondensat aus

Diese Tropfen reichern polare organische Moleküle (Nukleoside, Aminosäuren) an, die aus dem All stammen – ihre Präsenz ist durch Analysen von Ryugu-Asteroidenproben bestätigt. Gleichzeitig transportiert scCO₂ unpolare Verbindungen und schafft Bedingungen für deren Interaktionen an der Phasengrenze.

Kohlenmonoxid und Hydrogensulfid: Primäre Energieträger

Analysen planetarer Atmosphären zeigen CO als dritthäufigstes Element im Universum nach H₂ und He. In geothermischen Quellen der Erde übersteigt seine Konzentration 1 % von CO₂. Experimente von 1997 und Folgearbeiten ergaben:

• Bei 100 °C in Gegenwart von Ni/Fe-Sulfiden synthetisieren CO + H₂S:

- Acetat (CH₃CO₂⁻) – Analogon zum grundlegenden Stoffwechselweg von LUCA

- Methanthiol (CH₃SH) – Vorläufer von Coenzym A

• Nickel spielt eine Schlüsselfunktion: Selbst ohne Eisen katalysiert Nickelsulfid die Bildung von:

- Essigsäure und Ameisensäure

- Propiolsäure und Isobuttersäure (einfachste Lipide)

Der Mechanismus des iterativen Kohlenwasserstoffkettenwachstums an der NiS-Oberfläche ähnelt modernen biosynthetischen Wegen. Jeder Zyklus fügt eine -CH₂-Gruppe hinzu, doch die praktische Synthese ist auf C3–C4-Verbindungen beschränkt wegen konkurrierender Oxidations-/Reduktionsreaktionen.

Wichtige Punkte

• Thermodynamischer Vorteil: Reaktionen, die CO₂ binden und H₂O abgeben, verlaufen in einem CO₂-Medium leichter, gemäß dem Prinzip von Le Chatelier
• Phosphorylierungsselektivität: scCO₂ gewährleistet die korrekte Anlagerung des Phosphats an Ribose (5-Position), entscheidend für RNA
• Katalytische Rolle von Nickel: NiS katalysiert die Synthese Schlüsselmetaboliten selbst ohne Eisen
• Kosmisches Vorkommen: scCO₂-Bedingungen existieren auf Venus, Mars und in den tiefen Schichten der Erde
• Experimentelle Untermauerung: Alle Stufen – von Nukleotiden bis Lipiden – wurden im Labor reproduziert

Diese Erkenntnisse bilden ein kohärentes Modell, in dem das scCO₂-Milieu das Wasser-Paradoxon durch Mikrocontainer, katalytische Oberflächen und thermodynamisch günstige Reaktionen löst. Die Entdeckung ebnet den Weg für neue Experimente zur Protozellen-Synthese und eine Neubewertung der Bewohnbarkeitskriterien für Exoplaneten.

— Editorial Team