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Erde|Umwelt

Stoffwechsel der Urzelle rekonstruiert

heiße Quelle
Wo entstand einst das erste Leben? (Bild: Baluzek/ iStock)

Woher bekam die allererste Zelle die Energie für ihren Stoffwechsel? Und welche Reaktionen liefen ab? Eine Antwort auf diese Frage könnte nun ein deutsch-österreichisches Forscherteam gefunden haben. Denn in ihren Analysen des Stoffwechsels von urtümlichen Mikroben identifizierten sie 402 Stoffwechselreaktionen, die wahrscheinlich schon der gemeinsame Vorfahre allen Lebens besaß. In Gegenwart von Wasserstoff und Wärme, wie an hydrothermalen Quellen der Fall, läuft ein Großteil dieser Reaktionen ohne zusätzliche Energiezufuhr ab, wie das Team feststellte. Das legt den möglichen Ursprung des Lebens an solchen heißen Quellen der Tiefsee nahe.

Wie und wo das erste Leben entstand, ist noch immer eines der großen Rätsel der Biologie. Klar scheint, dass wichtige Lebensbausteine wie Proteine und RNA noch vor der Bildung der ersten Zellen entstanden sein müssen. Gängigen Annahmen nach könnten sich diese Moleküle rein chemisch in günstigen Umgebungen wie Gesteinssporen, warmen, mineralreichen Tümpeln oder auch an bestimmten hydrothermalen Schloten am Meeresgrund gebildet haben. Eingeschlossen in kleine Bläschen aus Lipiden oder anderen chemischen Verbindungen könnten die Lebensbausteine in einer Art Protozellen erste Stoffwechselreaktionen ausgebildet haben. Welche Reaktionen dies waren und woher sie ihre Energie nahmen, ist allerdings offen.

Zurück zur ersten Zelle

„Wir wollten wissen, woher der ursprüngliche Stoffwechsel seine Energie bezog“, erklärt Erstautorin Jessica Wimmer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. „Denn vor vier Milliarden Jahren gab es noch keine Enzyme, die in heutigen Zellen die Reaktionen katalysieren. Die Reaktionen mussten vielmehr in der damaligen Umwelt von sich aus stattfinden können.“ Für ihre Studie haben Wimmer und ihre Kollegen zunächst versucht, die ursprünglichen, ältesten Stoffwechselreaktionen mithilfe genetischer und biochemischer Vergleiche verschiedener Bakterien und Archaeen zu rekonstruieren. Sie identifizierten dabei 402 Reaktionen, die in allen untersuchten Mikroben vorkamen und wahrscheinlich schon seit Beginn des Lebens nahezu unverändert geblieben sind. Zu diesen gehören die chemischen Reaktionen, durch die die Basen der Erbgutmoleküle RNA und DNA entstehen, aber auch Stoffwechselwege zur Bildung und Verarbeitung der 20 essenziellen Aminosäuren, von 18 Vitaminen und zum Aufbau von Proteinen.

Nach Ansicht des Forschungsteams spricht das fast in allen untersuchten Organismen konservierte Netzwerk dieser 402 Reaktionen dafür, dass es auch schon beim letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens (Last Universal Common Ancestor, LUCA) existierte. Die Analysen ergaben zudem, dass diese Reaktionen auf grundlegenden Rohstoffen wie Wasserstoff, Kohlendioxid und Ammoniak aufbauen – Molekülen, die es beispielsweise an hydrothermalen Schloten reichlich gab. Allerdings wirft dies die Frage auf, woher die nötige Energie für die frühen Stoffwechselreaktionen stammte.

Chemische Reaktionen
Stoffwechsel von LUCA: Jeder Kreis repräsentiert eine der 402 Reaktionen, die Farbe kennzeichnet die Energiebilanz: Grüne Reaktionen setzen Energie frei, violette benötigen zusätzliche Energie von außen. (Bild: HHU / Jessica Wimmer)

Keine zusätzliche Energie nötig

„Es gab schon viele Vermutungen, woher die treibende Energie hätte stammen können. Im Stoffwechsel selber hatte aber noch niemand gesucht“, sagt Wimmer. Sie und ihr Team haben aber genau dies getan. Mithilfe komplexer Computermodelle untersuchten sie die Energiebilanz jeder der 402 Reaktionen anhand ihrer freien Energie, auch Gibbs-Energie genannt. Ob eine Reaktion spontan und ohne Aufnahme zusätzlicher Energie von außen abläuft, hängt allerdings von den Umweltbedingungen ab. Daher spielte das Forschungsteam die Reaktionen bei unterschiedlichen pH-Werten, Temperaturen und Konzentrationen der Ausgangsstoffe durch. Das Ergebnis: Die energetisch optimalen Bedingungen für die möglicherweise ersten Stoffwechselreaktionen lagen im Bereich eines alkalischen pH-Wertes um etwa pH 9 und bei einer Temperatur von rund 80 Grad Celsius. Außerdem muss Wasserstoff präsent sein, um bei der CO2-Fixierung zu helfen. „Ohne Wasserstoff geht gar nichts, weil dieser benötigt wird, um das CO2 überhaupt in den Stoffwechsel einzuschleusen“, erklärt Wimmer.

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Sind diese Bedingungen jedoch erfüllt, läuft ein Großteil der untersuchten Reaktionen ohne weitere Energiezufuhr ab und setzt teilweise sogar noch Energie frei, die dann die nächstfolgenden Reaktionen anstößt. „Das ist deshalb aufregend, weil der sonst so komplizierte Stoffwechsel auf einmal eine natürliche Tendenz offenbart, sich unter den richtigen Bedingungen von alleine zu entfalten“, sagt Seniorautor William Martin von der Universität Düsseldorf. Der Urstoffwechsel selbst könnte demnach als interne Energiequelle für die ersten Anfänge des Lebens gedient haben. „Wir haben gezeigt, dass die Energie am Ursprung des Lebens rein chemischer Natur ist. Wir brauchen kein Sonnenlicht, keine Meteoriten, kein UV Licht: nur Wasserstoff und Kohlendioxid plus etwas Ammoniak und Salz“, sagt Wimmer.

Genau diese Zutaten könnten die ersten Zellen an heißen, alkalischen Schloten der Tiefsee gefunden haben. „Dieses Milieu entspricht genau der Umgebung, die man im Hydrothermalfeld ‚Lost City‘ im Atlantis-Massiv, einem unterseeischen Gebirge im Mittelatlantik, vorfindet“, erläutert Martin. Damit stützen die Ergebnisse des Teams die Vermutung, dass solche heißen Quellen am Meeresgrund eine wichtige Rolle für die Entstehung des Lebens gespielt haben könnten.

Quelle: Jessica Wimmer (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) et al., Frontiers in Microbiology, doi: 10.3389/fmicb.2021.793664

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