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Erste Zellen brauchten weder Licht noch Luft

Forscher rekonstruieren Stoffwechsel der Urzelle und ihre Energiequellen

Lost City
Waren solche alkalischen, heißen Schlote die Wiege des Lebens? Eine Rekonstruktion des Ur-Stoffwechsels spricht nun dafür. © NOAA/OAR/OER, The Lost City 2005 Expedition, IFE/ URI-IAO, UW

Zurück in die Ursuppe: Wissenschaftler haben rekonstruiert, welche Stoffwechselreaktionen schon in den allerersten Zellen existierten und woher sie ihre Energie nahmen. Dabei zeigte sich: Unter bestimmten Bedingungen läuft ein Großteil der 402 Grundlagen-Reaktionen ohne zusätzliche Energiezufuhr ab. Um den Stoffwechsel der ersten Zellen in Gang zu bringen, waren demnach nur Wärme, Wasserstoff, Ammoniak und CO2 nötig – und die finden sich bis heute an heißen, alkalischen Schloten am Meeresgrund.

Wo und wie das erste Leben auf der Erde entstand, ist noch immer offen. Klar scheint nur, dass sich irgendwann erste Lebensbausteine wie Aminosäuren, Nukleinsäure-Basen sowie RNA und DNA gebildet haben. Später kamen dann auch die ersten Enzyme hinzu. Aus diesen Komponenten entwickelte sich zunächst in kleinen Bläschen oder Poren, dann vor gut 3,8 Milliarden Jahren in ersten echten Zellen der Stoffwechsel der ersten Organismen.

402 urtümliche Reaktionen

Doch aus welchen Reaktionen bestand der Stoffwechsel dieser Urzellen? Und woher nahm er seine Energie? Eine mögliche Antwort darauf haben nun Jessica Wimmer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und ihre Kollegen gefunden. Mithilfe von genetischen und biochemischen Vergleichen verschiedener Bakterien und Archaeen ist es ihnen gelungen, den Stoffwechsel der Urzelle zu rekonstruieren.

Das Team identifizierte ein Netzwerk von 402 Reaktionen, die trotz aller Unterschiede in Abstammung und Lebensweise in allen untersuchten Mikrobenzellen vorkamen. Diese Stoffwechselwege dienen der Produktion und Verarbeitung von Aminosäuren, Proteinen, Erbgut und weiteren essenziellen Molekülen. Als Rohstoffe dafür benötigt das urtümliche Reaktionsnetzwerk einfache Ausgangstoffe wie Wasserstoff, Kohlendioxid und Ammoniak, wie die Forschenden berichten.

Nach Ansicht Wimmers und ihres Teams spricht dies dafür, dass auch die allerersten Protozellen und Zellen schon diese Stoffwechselwege nutzten. Die grundlegenden Reaktionswege könnten demnach seit Beginn des Lebens erhalten geblieben sein.

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Ursuppe im Computer

Das wirft jedoch die Frage auf, woher diese frühen Stoffwechselreaktionen ihre Energie nahmen: „Vor vier Milliarden Jahren gab es die Enzyme noch nicht, die in heutigen Zellen die Reaktionen katalysieren“, erklärt Wimmer. „Die Reaktionen mussten vielmehr in der damaligen Umwelt von sich aus stattfinden können.“ Deshalb untersuchten die Forschenden mithilfe von Computermodellen die Energiebilanz der 402 vernetzten Reaktionen.

Ob eine Reaktion spontan und ohne Aufnahme zusätzlicher Energie von außen abläuft, hängt allerdings von den Umweltbedingungen ab. Daher spielte das Team die Reaktionen bei unterschiedlichen pH-Werten, Temperaturen und Konzentrationen der Ausgangsstoffe durch. „Es gab schon viele Vermutungen, woher die treibende Energie hätte stammen können. Im Stoffwechsel selber hatte aber noch niemand gesucht“, sagt Wimmer.

Energiebilanzen
Jeder Kreis repräsentiert eine der 402 urtümlichen Stoffwechselreaktionen, die Farbe kennzeichnet die Energiebilanz: Grüne Reaktionen setzen Energie frei, violette benötigen zusätzliche Energie von außen. © Jessica Wimmer/ HHU

Chemische Energie statt Licht

Die Analysen enthüllten: Unter den richtigen Bedingungen läuft ein Großteil der urtümlichen Stoffwechselschritte ohne weitere Energiezufuhr ab. Teilweise setzen die Reaktionen sogar noch Energie frei, die dann die nächstfolgenden Reaktionen anstößt. Der Urstoffwechsel könnte demnach als interne Energiequelle für die ersten Anfänge des Lebens gedient haben – die Moleküle selbst lieferten die chemische Energie.

„Wir haben gezeigt, dass die Energie am Ursprung des Lebens rein chemischer Natur ist. Wir brauchen kein Sonnenlicht, keine Meteoriten, kein UV-Licht“, sagt Wimmer. Benötigt wurden stattdessen nur Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak und einige Salze, dazu Temperaturen um 80 Grad und ein alkalisches Milieu um den pH-Wert 9. Ähnlich wie noch heute bei vielen Organismen der tiefen Biosphäre diente der Wasserstoff dabei als Hauptlieferant chemischer Energie.

Hydrothermale Schlote als Lebenswiege?

Diese Zutatenliste des Ur-Stoffwechsels liefert auch wertvolle Hinweise darauf, wo sich das erste Leben entwickelt haben könnte. „Dieses Milieu entspricht genau der Umgebung, die man im Hydrothermalfeld ‚Lost City‘ vorfindet, einem unterseeischen Gebirge im Mittelatlantik“, erläutert Seniorautor William Martin von der Universität Düsseldorf. Dort liegen heiße alkalische Schlote, die schon länger als Modell für die Wiege des Lebens gelten.

Die Ergebnisse von Wimmer und ihren Kollegen bestätigen dies nun. Denn sie legen ebenfalls nahe, dass solche heißen Quellen am Meeresgrund eine wichtige Rolle für die Entstehung des Lebens gespielt haben könnten. (Frontiers in Microbiology, 2021; doi: 10.3389/fmicb.2021.793664)

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

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