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Hat die starke Sonnenstrahlung der jungen Erde den genetischen Code des Lebens geformt?
Die chemischen Buchstaben von DNA und RNA könnten sich einst unter dem Einfluss intensiver UV-Strahlung durchgesetzt haben. Doch eine Laborstudie mit 24 Molekülen zeigt, dass die heute genutzten Erbgutbausteine keineswegs durchweg besonders lichtbeständig sind. Die Auswahl des genetischen Alphabets lässt sich deshalb wohl nicht allein mit der Sonnenstrahlung auf der jungen Erde erklären.
Madison (U.S.A.). Die Erbsubstanz aller bekannten Lebewesen verwendet nur fünf verschiedene chemische Basen. In der DNA sind es Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, in der RNA tritt Uracil an die Stelle von Thymin. Daneben existieren zahlreiche ähnlich aufgebaute Moleküle, die unter den Bedingungen der frühen Erde verfügbar gewesen sein könnten.
Manche dieser Varianten entstehen bei Versuchen zur präbiotischen Chemie. Andere wurden ebenso wie natürliche DNA- und RNA-Bausteine in Meteoriten nachgewiesen. Warum sich dennoch die heutige Kombination durchsetzte, ist ungeklärt. Als möglicher Auswahlfaktor gilt die damals besonders starke ultraviolette Strahlung, weil der jungen Erde die schützende Ozonschicht fehlte.
Forscher der University of Wisconsin–Madison (UW–Madison) um Prof. Zoe R. Todd haben nun untersucht, ob die heutigen Basen tatsächlich widerstandsfähiger gegen Dauerbestrahlung sind als chemische Alternativen. Dabei verglichen sie nicht nur freie Nukleobasen, sondern auch Nukleoside, bei denen ein Zucker an der Base hängt. Diese Verbindungen sind Vorstufen der DNA- und RNA-Bausteine.
Im Labor bestrahlten die Wissenschaftler wässrige Lösungen mit UV-Lampen bei einer Wellenlänge von 254 Nanometern und verfolgten anschließend den chemischen Abbau. Dafür ermittelten sie mithilfe der Lichtabsorption, wie stark die Konzentrationen der einzelnen Moleküle mit der Zeit zurückgingen. Jede Verbindung wurde mindestens dreimal untersucht, die Lösungen zuvor weitgehend von Sauerstoff befreit.
Von den 24 Stoffen gehörten neun zum genetischen Alphabet des heutigen Lebens, darunter vier freie Basen und fünf Nukleoside. Die freie Base Guanin fehlte, weil sie sich nicht ausreichend in Wasser lösen ließ. Die übrigen 15 Stoffe waren chemisch ähnliche Verbindungen, die nicht als reguläre Buchstaben von DNA oder RNA dienen.
Die Abbauraten unterschieden sich drastisch. Zwischen den beiden Extremwerten lag ein Faktor von rund 650. Am langsamsten zerfiel Adenosin, das Nukleosid der Base Adenin. Schon an zweiter Stelle folgte aber Melamin, das zwar eine ähnliche Ringstruktur besitzt, jedoch nicht zum genetischen Alphabet des Lebens gehört.
Zu den empfindlichsten Molekülen zählten ausgerechnet die RNA-Bausteine Uridin und Cytidin. Uridin zerfiel bei gleicher Beleuchtung am schnellsten von allen untersuchten Verbindungen, Cytidin belegte einen der hintersten Plätze. Die zugehörigen freien Basen Uracil und Cytosin waren zwar beständiger, doch auch bei ihnen zeigte sich kein durchgängiger Vorteil gegenüber allen Alternativen.
Der schnelle Verlust von Uridin und Cytidin könnte teilweise durch eine Photohydratisierung entstehen, bei der UV-Licht eine chemische Reaktion mit Wasser auslöst. Ein Teil dieser Veränderungen kann sich beim Erwärmen im Dunkeln wieder zurückbilden. Die gemessenen Abbauraten bedeuten deshalb nicht zwangsläufig, dass diese Stoffe auf der Urerde dauerhaft verloren gingen.
Ein aufschlussreicher Unterschied zeigte sich zwischen Uracil und Thymin. Die DNA nutzt Thymin, während die RNA Uracil enthält. Unter dem untersuchten UV-Licht erwies sich Thymin als rund siebenmal beständiger als Uracil. Bei den entsprechenden Nukleosiden war der Unterschied noch größer, denn Uridin zerfiel etwa 67-mal schneller als Thymidin.