Spaltspuren als möglicher Schlüssel zur Chirogenese

Im Hinblick auf den Ursprung des Lebens wurde eine mögliche Rolle natürlich geätzter nuklearer Partikelspuren unter Verwitterungsbedingungen der frühen Erde noch nie in Erwägung gezogen. Die chemischen Bausteine des Lebens, wie z.B. Aminosäuren, Peptide und Zucker treten fast ausschließlich in einer von zwei spiegelbildlichen Formen d.h. entweder links- oder rechtshändig in lebenden Organismen auf. Polymere und andere chemische Systeme nennt man homochiral, wenn sie nur aus links- oder rechtshändigen molekularen Einheiten bestehen. Es wird angenommen, dass die Homochiralität der organischen Moleküle eine wesentliche Voraussetzung für die Entstehung sich fortpflanzender früher Formen des Lebens war. Verschiedene Hypothesen für den Ursprung der biochemischen Homochiralität des Lebens wurden bereits vorgeschlagen. Sie umfassen sowohl außerirdische (interstellare) als auch planetarische Prozesse, sowie determinierte und zufällige Vorgänge. So wurden z.B. die Asymmetrie der schwachen Kernkraft und die daraus resultierende leichte Asymmetrie der Elektronenschalen als Ursache vorgeschlagen. Eine andere Erklärung zieht die Wirkung von zirkular polarisiertem Licht auf organische Moleküle im interstellaren Raum in Erwägung. Die biomolekulare Homochiralität könnte aber auch durch zufällige Schwankungen bei der Bildung von Kristallkeimen entstanden sein, wobei eine zunächst zufällige Asymmetrie durch autokatalytische Prozesse verstärkt wurde. Hejl (2017) hat eine neue Hypothese zur molekularen Anreicherung während des chemischen Ätzens nuklearer Partikelspuren vorgeschlagen. Diese Hypothese beruht auf dem Prinzip der Flüssigchromatographie, d.h. auf unterschiedlichen Aufenthalts- wahrscheinlichkeiten von Molekülarten an den Wänden von Kapillarröhren. Wenn solche Röhren in enantiomorphen d.h. entweder links- oder rechtshändigen Kristallen auftreten, sollte auch eine chirale Trennung von Molekülarten zu erwarten sein. Im Zuge dieses Forschungsprojektes soll diese Hypothese überprüft werden. Zu diesem Zweck sollen Uran-Spaltspuren in links- oder rechtshändigen Mineralarten chemisch geätzt und mit gelösten Biomolekülen behandelt werden. Die gewonnen Filtrate werden dann chemisch analysiert, um eine eventuelle asymmetrische Anreicherung von Biomolekülen zu überprüfen.

Spaltspuren in enantiomorphen Mineralen als möglicher Schlüssel zur biomolekularen Chirogenese Im Hinblick auf den Ursprung des Lebens wurde eine mögliche Rolle natürlich geätzter nuklearer Partikelspuren unter Verwitterungsbedingungen der frühen Erde noch nie in Erwägung gezogen. Die chemischen Bausteine des Lebens, wie z.B. Aminosäuren, Peptide und Zucker treten fast ausschließlich in einer von zwei spiegelbildlichen Formen - d.h. entweder links- oder rechtshändig - in lebenden Organismen auf. Polymere und andere chemische Systeme nennt man "homochiral", wenn sie nur aus links- oder rechtshändigen molekularen Einheiten (sog. Enantiomeren) bestehen. Es wird angenommen, dass die Homochiralität der organischen Moleküle eine wesentliche Voraussetzung für die Entstehung sich fortpflanzender früher Formen des Lebens war. Verschiedene Hypothesen für den Ursprung der biochemischen Homochiralität des Lebens wurden bereits vorgeschlagen. Sie umfassen sowohl außerirdische (interstellare) als auch planetarische Prozesse, sowie determinierte und zufällige Vorgänge. So wurden z.B. die Asymmetrie der schwachen Kernkraft und die daraus resultierende leichte Asymmetrie der Elektronenschalen als Ursache vorgeschlagen. Eine andere Erklärung zieht die Wirkung von zirkular polarisiertem Licht auf organische Moleküle im interstellaren Raum in Erwägung. Die biomolekulare Homochiralität könnte aber auch durch zufällige Schwankungen bei der Bildung von Kristallkeimen entstanden sein, wobei eine zunächst zufällige Asymmetrie durch autokatalytische Prozesse verstärkt wurde. Im Zuge dieses Forschungsprojekts wurde untersucht, ob und wie stark eine selektive Adsorption von entweder linken oder rechten Molekülen an den Mineraloberflächen von reinem Rechts- oder reinem Linksquarz stattfindet und ob diese Adsorption durch nukleare Partikelspuren im Kristallgitter von Quarz verstärkt oder abgeschwächt wird. Die Experimente wurden mit wässrigen Lösungen der Aminosäuren Alanin und Leucin durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass die selektive Anreicherung eines der beiden Enantiomere (L oder D) weit über der Nachweisgrenze liegt. Für Alanin wurden Enantiomerenüberschüsse bis ca. 15 % und für Leucin Enantiomerenüberschüsse bis ca. 56 % erreicht. Nukleare Partikelspuren im Quarz haben diesen Effekt für Alanin verstärkt, während sie bei Leucin eine Abschwächung bewirkt haben. Auf jeden Fall ist im Porenraum natürlicher Quarzsande eine lokale Trennung der Händigkeit von Biomolekülen zu erwarten.