Lars Onsager (1975) - “Once Upon a Time….” (Questions on the Origin of Life) (German Presentation)

Let me mention just a few words that have not been translated, I will repeat them in German. I talked with my friend, Prof. Edelmann, and he gave me this advice that my listeners, no quite a bit to begin with, better to tell them first what you hesitate to suggest. Then, something that they too are quite willing to believe and in the end what they know long since. Also meine Damen und Herren, zunächst werde ich Ihnen davon erzählen, was ich selbst nur so zögernd vorschlage, daraufhin, was Sie doch alle gern glauben und letztendlich, von dem, was Sie alle miteinander schon längst wissen. Wir sprechen vom Ursprung des Lebens. In theoretischen Betrachtungen über diese Frage wird weitgehend angenommen, dass zunächst heterotrophe Organismen in einer günstigen Umgebung entstanden, und zwar in einer reduzierenden Atmosphäre. Der heutige Sauerstoffgehalt rührt von der Aktivität der autotrophen Organismen her. In experimentellen Studien von elektrischen Entladungen in Gasgemischen von glaublicher Zusammensetzung wurden entweder direkt oder durch nachfolgende Hydrolyse allerhand Aminosäuren, Formaldehyd, Purine, Permadyne und sogar Porphyrine hergestellt. Wohl eine genügende Auswahl an Bausteinen für primitive Biopolymere. In einer Klasse von Meteoriten, den Chondriten, hat man auch solche organischen Verbindungen gefunden. Hergestellt könnten nun diese Verbindungen in einer primitiven Atmosphäre sicher durch Gewitter und auch ganz wahrscheinlich in größerem Umfang durch die Einwirkung des kurzwelligsten Lichtes von der Sonne. Darin hat man wohl doch vielmehr Energie. Was schwer zu sehen ist, wie könnte eine genügende Konzentration dieser Nährstoffe im Ozean entstehen. Eine Menge Wasser, um alles zu verdünnen und schließlich gibt es noch allerlei Reaktionen auch, die solche Verbindungen abbauen. Hier ist weder ein Physiker, noch ein Chemiker. Der, der hier spricht, ist der Ingenieur. Vor vier Jahren machten Lassager und Holländer und Wire einen ganz interessanten Vorschlag. Nehmen wir so versuchsweise an, dass die ursprüngliche Atmosphäre eine ganze Menge von Kohlenwasserstoffen enthielt, könnte sogar am Anfang alles Methan sein. Falls dies in einem Partialdruck von etwa einer Atmosphäre zugegen war, würde unter Einwirkung des kurzwelligsten Anteils von Sonnenlicht in geologisch kurzer Zeit eine Polymerisation stattfinden, wodurch eine Ölschicht, sagen wir 1 bis 10 Meter dick, über alle Meere sich verbreitern könnte. Diese Schätzungen beruhten auf bekannten Reaktionsgeschwindigkeiten und die Folgerungen wurden noch durch Experimente im eigenen Laboratorium weiter gestützt. Und die Autoren machten auch darauf aufmerksam, dass so eine ursprüngliche Ölschicht für die frühe Entwicklung des Lebens vielleicht von großer Bedeutung war. Da wollen wir den Gedanken etwas weiterführen. Und, schauen wir uns die Zwischenfläche zwischen Öl und Salzwasser an. Da kamen die in der Atmosphäre gebildeten biochemischen Bausteine zum ersten Mal mit allerhand Kationen zusammen, die eine Polymerisation an der Zwischenfläche katalysieren könnten. Denken wir uns nur, dass die Aminosäuren wenigstens zum Teil recht lange, nichtpolare Seitenketten hatten, also Valine, Leucine usw.,Phenylalanin, und vielleicht noch längere Sachen. Dann werden die entstehenden amphipathischen Peptide in der strategischen Lage lange verbleiben. Eins ist mir auch recht neuerdings eingefallen. Die Anionen, manche Anionen absorbieren so etwas recht weit nach längeren Wellen als das Wasser selbst oder die Kohlenwasserstoffe, und diese könnten dann gerade an der Oberfläche, an der Zwischenfläche noch auf photochemischen Wege etwas beitragen. Immerhin, für das Weitere ist nur wesentlich, dass wir uns eine monomolekulare Schicht von amphipathischen Polymeren an dieser Zwischenfläche vorstellen können. Zu irgendeiner Zeit müssen wir annehmen, dass einige dieser Polymere die Fähigkeit erwarben, die Produktion ihresgleichen zu katalysieren. Vielleicht schon in dieser Zwischenschicht, vielleicht im nächsten Stadium, das ich nachher diskutieren werde. Man kann auch die Frage diskutieren, ob die Reproduktion direkt oder über Schablonen stattfand. Manfred Eigen und Ruthild Winkler kamen durch informationstheoretische Überlegungen zu der Ansicht, dass ohne Schablonen die Evolution in lauter Blindgassen enden würde. Für Schablonen spricht ja auch einfach die Überlegung, dass sich positive und negative elektrische Ladungen anziehen und konvexe Formen passen auf konkave. Aber für das Weitere ist diese Frage eigentlich eine Nebensache. Was wir uns nun hier überlegen, ist mit den Ansichten von Eigen und Meyer durchaus verträglich, beruht aber nicht darauf. Nun, diese einfache Schicht von,wollen wir sagen Urlipiden,einige biogene – einige vom Leben erzeugt –, andere wohl nicht, sie machten alle zusammen das Milieu aus. Nun, wie entstanden nun die von Lipiddoppelschichten begrenzten Zellen? Na, falls die Zwischenfläche reichlich genug besetzt war, dann könnten ja durch mäßige Strömungen, Wellen - besonders Wellen, die am Strand brechen - besonders sehr leicht Emulsionen von Wasser und Öl entstehen. Und diese werden sich ja auch dann mit einer Einzelschicht bedecken. Wenn man ein bisschen weiter denkt, dann gibt es eine andere und in vielen Hinsichten interessantere Möglichkeit. Regen gab es schon damals. Zwar gab es zwischen Ozean – wie wir annehmen- und der Atmosphäre eine Ölschicht. Aber, wenn die Ölschicht, weil Wasser ist in Öl etwas löslich, wenn sich ein Gleichgewicht einstellt zunächst zwischen Wasser und Öl, dann zwischen Öl und Atmosphäre, ist schließlich der Partialdruck des Wasserdampfs in der Atmosphäre genauso, als ob die Ölschicht gar nicht da wäre. Nur,die Übertragung wäre etwas langsamer, aber es ginge. Und genauso wie heute, steigende Luftströme können sich auch abkühlen, adiabatisch, und die nächtliche Ausstrahlung der Wärme würde ja auch Nebel erzeugen, sodass wir wahrscheinlich mit Regen und ganz sicher mit Tau rechnen müssen. Nun, diese Wassertröpfchen in der Atmosphäre haben nun Gelegenheit, allerhand polare Nährstoffe, die für die Biopolymere unten nützlich sein werden, alle diese zusammen zu holen, und so waren dieser Regen und der Tau nicht reines Wasser, sondern sie enthielten auch Nährstoffe und die Biopolymere da unten, wenn die Regentropfen angelangt sind, sie könnten dann auch diese Regentropfen besetzen und das wären diejenigen, die es zur Gewohnheit machten, die hatten einen Vorteil. Die kamen zunächst dran. So, das wäre dann der erste Vorteil, von vornherein vorhanden, welcher eine Evolution durch Mutationen, die es sicher gab und Anpassung, die evolutionäre Anpassung, die sicher möglich ist, sobald sich die Moleküle reproduzieren können. Na, sie haben sich zunächst schon aus diesen Gründen angepasst, sich an den Regentropfen anzusetzen. Und so ein Regentropfen, falls er noch polare Substanzen gelöst hat, einige Salze vielleicht, welche zunächst durch die biochemischen Umwandlungen schließlich polar geworden sind - da gibt es auch Möglichkeiten - nun, falls einige von den in den Tropfen gelösten Substanzen in Öl schwer löslich waren, würden die Tropfen sich zwar zusammenziehen, weil das Öl eben nicht ganz mit Wasser gesättigt war. Aber dieses würde sich nur soweit zusammenziehen bis der Regentropfen, bis der Tropfen mit dem Seewasser isotonisch war. Und so bleiben. Auch werden solche Tropfen gar nicht so leicht, die schlüpfen gar nicht so leicht durch so eine Zwischenfläche. Die können noch lange Zeit darauf sitzen. So hatten wir eigentlich schon in diesem Stadium einige von den Vorteilen einer gut abgeschlossenen Zelle. So ein Tropfen wäre dann auch schon unten, wo seine Polymerhülle die noch weitere, untere Polymerhülle berührte, dort war schon eine Doppelschicht vorhanden. Im Übrigen herum war der Tropfen durch eine Einzelschicht vom Öl abgegrenzt. So, ganz einfach, und eigentlich schon in der Lage bekam es nun einen Vorteil, stark polare Substanzen, so wie sie etwa die Monomere der Kernsäuren sind, stark polare Substanzen als biologische Zwischenprodukte zu verwenden. Für Biomoleküle an der nackten Oberfläche oder an der nackten Unterfläche vom Öl, für solche wäre es eine unerträgliche Verschwendung. Aber für diejenigen kleinen Regentropfen im Öl bewohnen, stellt sich die Sache ganz anders dar. Auch diese - in so einer Lage könnte vielleicht auch ein aktiver Transport entstehen. Es gibt bedeutend mehr Möglichkeiten für allerhand Anpassungen, vielleicht auch irgendwie direkte Eignungen oder so halbheterotrophe Photosynthesen usw. So könnte eine Entwicklung in diesem Stadium noch recht weit fortschreiten und die Größe dieser Tropfenzellen könnte sich ja auch etwas anpassen, und nun, wenn schließlich so ein Tropfen aus irgendwelchen Gründen durch die Oberfläche gedrückt wird, dann wird er von der Schicht unten, von der schon vorhandenen Schicht an der Unterfläche, die wird sich um den Tropfen hüllen. Ich weiß nicht, ob Sie die Experimente von Langmuir und Blodgett kennen, aber da kommt die Idee her. So ergibt sich beim Durchdrücken der Tropfen durch die äußere Hälfte der Doppelschicht. Da haben wir eine Zelle unten an der Zwischenfläche hängen. Oder der Tropfen sinkt ins Meer. Da geht er verloren, wenn er nicht noch ein, jedenfalls eine geringe Fähigkeit hat, seinen Auftrieb etwas zu regulieren. Aber falls der Tropfen schon eines aktiven Transportes fähig war, dann wäre auch durch so einen Mechanismus so eine Regulierung von Auftrieb schon erzielbar. Und sogar noch durch eine in heutigen Tagen sehr weit verbreiteten Pumpe, die Natrium-Kalium-Pumpe. Oben, wo Licht und Nährstoffe reichlich vorhanden sind, ist ein reger Metabolismus relativ für das Zeitalter, nicht wahr? Und die Pumpe arbeitet gut und es kommt viel Kalium hinein, wird der Tropfen schwerer und er sinkt nach unten, lässt die Energiezufuhr nach. Und die Pumpe versagt auch mehr oder weniger. Und, so absolut ist die Abtrennung von der Umgebung auch nicht, das Kalium diffundiert wieder hinaus und Natrium hinein, und wird der Tropfen wieder leichter, so steigt die Zelle wieder auf. So ist dies auch gewissermaßen verständlich. Nun, die Biochemie hat sich im Laufe der Zeitalter vermutlich recht stark verändert. Schon die einfachsten Organismen haben ja solch raffinierte Synthesemethoden, das konnte ja nicht alles auf einmal da sein. Und wie die Evolution nun geht immer, schrittweise, dann gab es viele Schritte bis solche Ribosomen da waren, wie sie heute beinahe alle Polypeptide herstellen. Also, ob die Phosphate da hineinkamen, ob im Tropfenstadium oder im Zellenstadium oder erst nach langer Entwicklung in den Zellen, das kann man noch lange hin und her überlegen. Aber es werden heute alle eigentlichen Eiweißstoffe, soviel wir wissen, werden diese sämtlich in den Ribosomen hergestellt. Es gibt aber wenigstens ein Peptid, ein kleines - und zwar nicht isotaktisch, sondern es sind sowohl D-, als auch L-Aminosäuren dabei - das Gramicidin A hat 10 Aminosäuren. Es ist eine Wiederholung von zwei Reihen von fünf. Das Peptid wird ganz anders hergestellt. Und zwar wird eine Hälfte des Moleküls an einem Enzym hergestellt, zunächst alle fünf Aminosäuren durch Thioesterbindungen an das Enzym geknüpft. Daraufhin polymerisiert sich das Ganze, die Energie der Thioesterbindung genügt für die Peptidbindung. Am Ende werden die beiden Pentapeptide zu einem ringförmigen Dekapeptid zusammengefügt. Das hat auch vor unserem Kollegen Fritz Lipmann einen tiefen Eindruck gemacht und er hat vorgeschlagen, dass dies vielleicht überhaupt eine weit verbreitete primitivere Methode der Proteinsynthese darstellt. So etwas kann man sich überlegen. Ich sollte vielleicht mal sagen, alle diese Spekulationen beruhen ja weitgehend auf der Hypothese, dass es überhaupt so eine Ölschicht gab. Etwas ist - und wann ist es geschehen? Also, die Geologen haben eigentlich sehr wenige Anzeichen von Ölschicht gesehen. Sie haben nach Kohlenwasserstoffen gesucht, die eventuell primitiv und noch nicht biologisch produziert wurden. Und da gibt es seit einigen Jahren eine interessante Datierung. In Südafrika gibt es eine mächtige Schicht von ganz alten sedimentären Gesteinen, die Onverwacht-Serie. Unten ist Sandspruit, dann kommt die Theespruit, dann noch andere und oben auf der Onverwacht-Serie liegt noch das Überliegende, das ist die bekannte Figtree-Serie, Feigenbaum-Serie, in der deutliche Mikro-Fossilien gefunden wurden. In der Theespruit-Schicht, vielleicht so etwas 3,2 Millionen Jahre, plus/minus einige hundert Millionen, auch dort gibt es immer noch Kerogene, also harzartige Zusammenladungen von Kohlenwasserstoffen, Kerogene, und diese haben tatsächlich eine isotopische Zusammensetzung, so einen Kohlenstoff-13-Gehalt, was ungefähr mit den Meteoriten übereinstimmt. So, nicht sehr weit höher in der Onverwacht-Serie findet man schon Kerogene, in denen die isotopische Zusammensetzung des Kohlenstoffs schon mit den Biogenen, mit den photosynthetisch hergestellten Kohlenhydraten, gut übereinstimmt. Vielleicht sogar etwas weiter. So, das wäre nicht der Anfang des Lebens, das wäre dann der Zeitpunkt entweder, wo die - seit der Zeit ist der vorhandene Kohlenstoff mehr photosynthetisch als ursprünglich. Und das war vielleicht der Zeitpunkt, wo die Photosynthese Überhand nahm, außer der ursprüngliche Reaktionsgang der Photosynthese wäre auch wieder anders und hätte eine andere Fraktionierung der Kohlenstoffisotope mit sich geführt. Das kann er vorher nicht wissen. So, außer es gibt Fragen, die ich so gut beantworten werde wie ich kann, werde ich hiermit zeitig abschließen und danke Ihnen.

Lars Onsager (1975)

“Once Upon a Time….” (Questions on the Origin of Life) (German Presentation)

Lars Onsager (1975)

“Once Upon a Time….” (Questions on the Origin of Life) (German Presentation)

Comment

At the time of Lars Onsager’s second and last lecture in Lindau 1975, he had only a little more than a year to live. His topic concerned the chemical processes that gave rise to life on Earth. It may seem a bold hypothesis, but it is based on several similar cases, that there is an inversely reciprocal relationship between your interest in the origin of life and the time you have left to live. With Onsager, no one could seriously believe that in 1975 he would speak about the so called Onsager reciprocal relations, the fundamental theoretical work on irreversible thermodynamics he published as a young man around 1930 and which was cited for his Nobel Prize in Chemistry about 40 years later. Maybe someone expected to hear about his brilliant mathematical solution of the so-called 2-dimensional Ising model, a model for ferromagnetism in statistical mechanics. Or about the quantization of vortices in superfluid helium, or… For the truth is that the Norwegian-born Lars Onsager, in his heavily accented English or (as in the present lecture) German could have told many fascinating stories. According to the Statutes of the Nobel Foundation, a Nobel Prize in chemistry is given for a discovery or an improvement. It is also stated that we must wait 50 years for the Nobel Archive to become accessible for study. For those interested in the history of the Nobel Prizes and still alive in 2019, the opening of the documents from 1968 might contain interesting discussions on exactly what discovery or improvement Lars Onsager should be given the prize for!

Anders Bárány

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