Entstand Leben auf der Erde zweimal? Neue Studie liefert überraschende Hinweise

Ein Ursprung, zwei Wege: Wie die ersten Zellen unabhängig lebensfähig wurden Vielleicht begann das selbstständige Leben auf unserem Planeten nicht nur einmal. Eine neue Studie rekonstruiert den Stoffwechsel der frühesten Zellen – und stößt dabei auf eine überraschende Spur: Bakterien und Archaeen könnten unabhängig voneinander gelernt haben, ohne die chemische Hilfe ihrer Umgebung zu überleben.

Vor mehr als vier Milliarden Jahren muss auf der jungen Erde etwas Außergewöhnliches geschehen sein: Aus unbelebter Chemie entstanden Systeme, die wachsen, sich vermehren und schließlich unabhängig von ihrer unmittelbaren Umgebung existieren konnten. Wie genau dieser Übergang zum Leben ablief, gehört bis heute zu den großen offenen Fragen der Wissenschaft.

Ein internationales Forschungsteam um Natalia Mrnjavac und William Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hat nun versucht, einen Teil dieser Geschichte rückwärts zu rekonstruieren. Die im Fachjournal Science Advances veröffentlichte Studie untersucht dafür nicht einzelne Gene, sondern ein ganzes Netzwerk aus rund 420 grundlegenden Stoffwechselreaktionen , mit denen Zellen lebenswichtige Bausteine wie Aminosäuren, RNA-Basen und Vitamine herstellen.

Der gemeinsame Vorfahr war offenbar noch nicht komplett unabhängig Im Mittelpunkt steht LUCA – der „Last Universal Common Ancestor“, also der letzte gemeinsame Vorfahr aller heute existierenden zellulären Lebewesen.

Nach der Rekonstruktion der Forschenden besaß LUCA noch nicht für alle lebenswichtigen Stoffwechselreaktionen eigene Enzyme. Nur ungefähr die Hälfte der untersuchten Reaktionen könnte bereits enzymatisch katalysiert worden sein. Bei einem erheblichen Teil könnten stattdessen Metalle aus der Umwelt die nötige chemische Arbeit übernommen haben.

Damit entsteht ein faszinierendes Bild der frühen Evolution: Die ersten biologischen Systeme waren möglicherweise noch eng mit der Geochemie ihres Lebensraums verbunden.

Besonders hydrothermale Quellen am Meeresboden kommen dafür infrage. Dort stehen Wasserstoff, Kohlendioxid und verschiedene Metalle zur Verfügung – Bedingungen, die bereits frühere Untersuchungen mit dem möglichen Lebensraum von LUCA in Verbindung gebracht haben.

Bevor es Enzyme gab, half offenbar die Erde selbst Heute übernehmen Enzyme fast alle entscheidenden katalytischen Aufgaben innerhalb einer Zelle. Doch solche komplexen Proteine mussten erst entstehen.

Die neue Studie liefert Hinweise darauf, wie diese Lücke überbrückt worden sein könnte. Eisen, Nickel, Kobalt und andere Metalle können unter bestimmten Bedingungen chemische Reaktionen katalysieren, für die moderne Zellen Enzyme benötigen. Die Forschenden beschreiben die frühe Stoffwechselentwicklung deshalb als eine Art Übergang von Geochemie zu Biochemie .

Auch bei der Energieversorgung fanden die Forschenden einen möglichen Vorläufer heutiger Prozesse. Experimente zeigten, dass Phosphit zusammen mit Metallkatalysatoren wie Palladium Phosphorylierungsreaktionen ermöglichen kann . Solche Reaktionen sind zentral für die Speicherung und Übertragung chemischer Energie in Zellen.

Das bedeutet nicht, dass damit der Ursprung des Lebens im Labor nachgestellt wurde. Es zeigt aber, dass einige Reaktionen, die heute hochentwickelte biologische Maschinen benötigen, unter Bedingungen der frühen Erde prinzipiell auch ohne diese Maschinen möglich gewesen sein könnten.

Dann geschah offenbar etwas zweimal Besonders spannend wurde die Analyse dort, wo sich die Entwicklungslinien von Bakterien und Archaeen trennten.

Beide Gruppen benötigen zahlreiche vergleichbare Stoffwechselreaktionen. Doch für einige dieser Reaktionen verwenden sie bis heute strukturell unterschiedliche Enzyme.

Die Forschenden interpretieren das als Hinweis darauf, dass ihre Vorfahren diese Enzyme unabhängig voneinander entwickelt haben . Beide Linien könnten also jeweils eigene biologische Lösungen gefunden haben, um Reaktionen zu übernehmen, die zuvor noch von Metallen aus der Umwelt ermöglicht wurden.

Damit hätten Bakterien und Archaeen unabhängig voneinander einen entscheidenden Schritt geschafft: Sie wären von geochemischen Bedingungen zunehmend unabhängig geworden und hätten sich zu vollständig freilebenden Zellen entwickelt.

Ist das Leben deshalb wirklich zweimal entstanden? Hier lohnt sich eine wichtige Unterscheidung.

Die Studie zeigt nicht , dass zwei völlig getrennte Lebensformen unabhängig aus unbelebter Materie entstanden sind. Bakterien und Archaeen teilen einen gemeinsamen evolutionären Vorfahren und unter anderem grundlegende Elemente des genetischen Systems.

Seniorautor William Martin formuliert die Schlussfolgerung dennoch bewusst weitreichend: ein gemeinsamer Ursprung des genetischen Codes, aber möglicherweise zwei unabhängige Ursprünge freilebender zellulärer Organismen .

Diese Definition ist wissenschaftlich nicht unumstritten. Andere Forschende rekonstruieren LUCA bereits als vergleichsweise komplexen, zellulären Organismus. Eine große Analyse aus Nature Ecology & Evolution kam beispielsweise zu dem Ergebnis, dass LUCA wahrscheinlich vor rund 4,2 Milliarden Jahren lebte und möglicherweise über etwa 2.500 proteincodierende Gene verfügte.

Auch unabhängige Fachleute weisen deshalb darauf hin, dass die Frage davon abhängt, wo genau man die Grenze zwischen präbiologischer Chemie und vollwertigem Leben zieht .

Warum die Entdeckung trotzdem so spannend ist Die entscheidende Botschaft der Studie liegt vielleicht weniger in der Zahl „zwei“ als in etwas Grundsätzlicherem: Die Evolution scheint für dieselbe Herausforderung unterschiedliche Lösungen gefunden zu haben.

Sollten sich die Ergebnisse bestätigen, wäre der Weg von geochemisch unterstützten Systemen zu selbstständigen Zellen möglicherweise kein einmaliger molekularer Glückstreffer gewesen. Zumindest auf der frühen Erde könnte dieser entscheidende Übergang mehrfach gelungen sein.

Für die Erforschung des Lebensursprungs – und langfristig auch für die Astrobiologie – ist das eine spannende Perspektive. Es beweist keineswegs, dass Leben im Universum häufig sein muss. Aber es erweitert unser Bild davon, wie viele Wege die Natur möglicherweise kennt, um aus Chemie Biologie werden zu lassen.