Ursprung des Lebens: Warum Bakterien und Archaeen zwei eigene Wege gingen

Als Metalle den Stoffwechsel starteten: Neue Spur zum Ursprung des Lebens Am Anfang stand vermutlich keine fertige Zelle. Es gab keine ausgeklügelten Enzyme, keine moderne Energieversorgung und wahrscheinlich auch noch keine Organismen, die unabhängig durch die frühen Ozeane treiben konnten. Stattdessen könnten chemische Reaktionen in den winzigen Poren hydrothermaler Quellen den Grundstein des Lebens gelegt haben.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hat nun rekonstruiert, wie sich aus solchen geochemischen Prozessen schrittweise ein biologischer Stoffwechsel entwickelt haben könnte. Dafür untersuchten die Forschenden Genome, dreidimensionale Proteinstrukturen und ein Netzwerk aus mehr als 400 grundlegenden Stoffwechselreaktionen. Diese Reaktionen stellen unter anderem Aminosäuren, Bestandteile der RNA und lebenswichtige Cofaktoren her.

Im Mittelpunkt steht LUCA – der letzte gemeinsame Vorfahr aller heute lebenden Zellen. Er besaß bereits den universellen genetischen Code und grundlegende biochemische Fähigkeiten. Sein Stoffwechsel war nach der neuen Rekonstruktion jedoch noch nicht vollständig mit Enzymen ausgestattet. Zahlreiche Reaktionen könnten stattdessen durch natürlich vorkommende Metalle wie Eisen, Nickel, Kobalt oder Palladium ermöglicht worden sein. Frühere Untersuchungen hatten bereits darauf hingedeutet, dass LUCA in einer wasserstoffreichen, sauerstofffreien und geologisch aktiven Umgebung lebte.

Besonders spannend ist die Frage nach der Energie. Moderne Zellen nutzen vor allem ATP, um chemische Prozesse anzutreiben. Die dafür erforderliche Maschinerie dürfte am Anfang jedoch noch nicht existiert haben. In Versuchen zeigte das Team, dass Phosphit – eine reaktionsfähige Phosphorverbindung – mithilfe von elementarem Palladium Phosphatgruppen übertragen kann. So ließ sich unter anderem AMP zu ADP phosphorylieren. Eine solche Reaktion könnte eine frühe Vorstufe der heutigen biologischen Energieübertragung gewesen sein.

Im weiteren Verlauf geschah offenbar etwas Überraschendes: Die Vorfahren der Bakterien und Archaeen entwickelten teilweise unterschiedliche Enzyme für dieselben lebenswichtigen Reaktionen. Beide Linien könnten ihren Stoffwechsel somit unabhängig vervollständigt und getrennt die Fähigkeit erlangt haben, außerhalb der schützenden Mineralporen zu leben.

Die Formulierung von den „zwei Ursprüngen des Lebens“ bedeutet deshalb nicht, dass das Leben zweimal völlig unabhängig entstand. Der genetische Code und wesentliche Grundstrukturen gehen weiterhin auf einen gemeinsamen Ursprung zurück. Zwei Ursprünge gab es der Studie zufolge vielmehr beim Übergang zu eigenständigen, freilebenden Zellen: einmal auf dem Weg zu den Bakterien und einmal auf dem Weg zu den Archaeen.

Die Ergebnisse liefern damit kein endgültiges Protokoll der frühesten Erdgeschichte. Sie zeigen jedoch einen nachvollziehbaren Weg, wie unbelebte Mineralchemie nach und nach zu einem selbstständigen biologischen System werden konnte. Gerade darin liegt die positive Botschaft: Zwischen einem Stück Gestein und einer lebenden Zelle könnte es weit mehr verbindende Schritte gegeben haben, als lange angenommen wurde. Die Forschung beginnt, einige davon sichtbar zu machen.