Stoffwechselreaktionen

Das Leben auf der Erde entstand ohne Licht und Luft

Robert Klatt

Urzellen brauchten laut einer Rekonstruktion ihres Stoffwechsels kein Licht und keine Luft, sondern nur Wärme, Wasserstoff, Ammoniak und CO2. Dies ist ein weiteres Indiz dafür, dass das erste Leben in einem Hydrothermalfeld in der Tiefsee entstanden ist.

Düsseldorf (Deutschland). Die Wissenschaft konnte noch nicht bestimmen, wo und wie das erste Leben auf der Erde entstanden ist. Als sicher gilt bisher, dass die ersten Lebensbausteine wie Aminosäuren, Nukleinsäure-Basen sowie DNA und RNA sich irgendwann gebildet haben. Danach folgten die ersten Enzyme. Die Evolution sorgte dann dafür, dass aus diesen Bestandteilen kleine Poren und Bläschen entstanden, die sich vor etwa 3,8 Milliarden Jahren zu den ersten echten Zellen weiterentwickelten.

Ein Team der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat nun den Stoffwechsel dieser Urzellen untersucht. Die Forscher um Jessica Wimmer beschäftigten sich primär mit der Frage, woher die Zellen ihre Energie nahmen. Dazu verglichen sie laut ihrer Publikation im Fachmagazin Frontiers in Microbiology mit biochemischen und genetischen Methoden verschiedene Bakterien und Archaeen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten eine Rekonstruktion des Stoffwechsels der Urzelle.

402 Reaktionen in allen Mikrobenzellen

Bei der Analyse der Zellen entdeckten die Forscher 402 Stoffwechselwege, die in allen untersuchten vorkamen. Es handelt sich dabei um Reaktionen zur Produktion und Verarbeitung von essenziellen Molekülen, Aminosäuren, Proteinen und Erbgut. Als Rohstoffe verwendet das einfache Reaktionsnetzwerk Wasserstoff, Kohlendioxid und Ammoniak.

Dies ist laut Wimmer ein deutliches Indiz dafür, dass bereits die ersten Urzellen diese Stoffwechselwege nutzten. Es ist demnach möglich, dass die grundlegenden Reaktionswege sich seit dem ersten Leben nicht weiterentwickelt haben.

Energiequelle der frühen Stoffwechselreaktionen

Offen blieb noch die Frage, wie die frühen Stoffwechselreaktionen ihre Energie erhielten. „Vor vier Milliarden Jahren gab es die Enzyme noch nicht, die in heutigen Zellen die Reaktionen katalysieren. Die Reaktionen mussten vielmehr in der damaligen Umwelt von sich aus stattfinden können“, erklärt Wimmer. Die Wissenschaftler analysierten deshalb mit einem Computermodell die Energiebilanz der Reaktionswege.

Wie diese Reaktionen ablaufen, hängt primär von den Umweltbedingungen ab. Die Wissenschaftler untersuchten in ihrer Simulation deshalb unterschiedliche pH-Werten, Temperaturen und Anteile der Ausgangsstoffe. „Es gab schon viele Vermutungen, woher die treibende Energie hätte stammen können. Im Stoffwechsel selber hatte aber noch niemand gesucht“, so Wimmer.

Stoffwechsel ohne externe Energiezufuhr

Dabei fanden die Forscher heraus, dass die urtümlichen Stoffwechselschritte bei den richtigen Bedingungen keine externe Energiezufuhr benötigen. Teilweise entsteht bei den Reaktionen sogar Energie, die dann eine Folgereaktion auslösen. Dies bedeutet, dass der Urstoffwechsel eine Energiequelle für die Entstehung des ersten Lebens gewesen sein könnte, bei denen die Moleküle selbst die chemische Energie lieferten.

„Wir haben gezeigt, dass die Energie am Ursprung des Lebens rein chemischer Natur ist. Wir brauchen kein Sonnenlicht, keine Meteoriten, kein UV-Licht“, konstatiert Wimmer. Benötigt werden stattdessen nur Temperaturen um 80 Grad Celsius, ein alkalisches Milieu um den pH-Wert 9 sowie die Ausgangsstoffe Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak, CO2 und einige Salze. Auch heute funktioniert der Stoffwechsel bei vielen Organismen in der tiefen Biosphäre ähnlich. Der Hauptlieferant chemischer Energie ist dabei Wasserstoff.

Entstehung des Lebens in „Lost City“?

Der rekonstruierte Urstoffwechsel gibt Hinweise darauf, wo auf der Erde das erste Leben entstanden ist. „Dieses Milieu entspricht genau der Umgebung, die man im Hydrothermalfeld ‚Lost City‘ vorfindet, einem unterseeischen Gebirge im Mittelatlantik“, erklärt William Martin. In diesem Gebiet existieren heiße alkalische Schlote, von denen schon länger angenommen wird, dass das Leben dort entstanden ist.

Frontiers in Microbiology, doi: 10.3389/fmicb.2021.793664

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