Eine Studie stellt die Geschichte vom Ursprung des Lebens auf den Kopf

Der Molekularbiologe William Martin, leitender Autor der Studie, fasst die These so zusammen: „Wir sehen einen Ursprung des genetischen Codes, aber zwei Ursprünge des Lebens“ . Gemeint ist damit nicht zwingend, dass auf der Erde zweimal völlig unabhängig ein genetischer Code entstand. Vielmehr könnte der Übergang von chemischen Reaktionen zu selbstständigen, lebenden Zellen zweimal erfolgt sein.

LUCA war womöglich nicht vollständig autonom

In der klassischen Darstellung steht LUCA am Fuß des Stammbaums des Lebens. Von diesem gemeinsamen Vorfahren sollen sich die großen Entwicklungslinien aller heutigen Organismen abgespalten haben. Das Forschungsteam verglich Genome aus den wichtigsten Gruppen von Bakterien und Archaeen und rekonstruierte, wie sich die Enzyme für den frühen Grundstoffwechsel entwickelt haben .

Dabei ging es um Reaktionen, mit denen aus einfachen Ausgangsstoffen wie Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und Phosphat unter anderem Aminosäuren, RNA-Bausteine und Cofaktoren entstehen. Das Ergebnis: LUCA verfügte offenbar nur über Enzyme für ungefähr die Hälfte der rund 420 untersuchten Kernreaktionen des Stoffwechsels. Die übrigen Reaktionen könnten durch Metalle wie Eisen, Nickel und Kobalt in der Umgebung hydrothermaler Quellen ermöglicht worden sein .

Damit wäre LUCA stark von seiner Umwelt abhängig gewesen. Anders gesagt: Der gemeinsame Vorfahr besaß möglicherweise bereits einen Teil des genetischen und biochemischen Bauplans, konnte seinen Stoffwechsel aber noch nicht vollständig aus eigener Kraft aufrechterhalten.

„Die Überraschung ist, dass die Enzyme, die diese Reaktionen katalysieren, über die evolutionäre Trennlinie zwischen Bakterien und Archaeen hinweg nicht konserviert sind“, sagte Martin gegenüber Scientific American .

Vier Schritte vom Metall zur Zellbiologie

Aus den Genomdaten leiteten die Forschenden ein Modell mit vier Entwicklungsphasen der Katalyse ab :

1. Reaktionen nur mit Metallen: In der frühesten Phase könnten anorganische Metalle einfache Stoffwechselreaktionen katalysiert haben.
2. Eine Mischphase bei LUCA: LUCA besaß bereits einige primitive Enzyme, war für viele wichtige Reaktionen aber weiterhin auf Umweltmetalle angewiesen.
3. Die Aufspaltung der Linien: Die Vorfahren von Bakterien und Archaeen begannen sich auseinanderzuentwickeln und übernahmen jeweils Teile dieses unvollständigen enzymatischen Repertoires.
4. Unabhängige Enzymbildung: Beide Linien entwickelten neue, strukturell unterschiedliche Enzyme, die fehlende Metallkatalysatoren ersetzten und einen eigenständigen Stoffwechsel ermöglichten.

Der entscheidende Hinweis liegt darin, dass Bakterien und Archaeen für ähnliche chemische Aufgaben offenbar unterschiedliche enzymatische Lösungen fanden. Das spricht dafür, dass beide Gruppen den Übergang zu freilebenden, autonomen Zellen getrennt voneinander vollzogen – nachdem sich ihre Entwicklungslinien bereits auseinanderbewegt hatten .

Wie konnte früher Stoffwechsel ohne ATP funktionieren?

Heutige Zellen nutzen ATP, Adenosintriphosphat, als universelle „Energiewährung“. ATP ist allerdings ein komplexes Molekül, dessen Herstellung selbst Enzyme voraussetzt. Es kann daher nicht einfach als fertige Energiequelle am Anfang der Entwicklung des Lebens vorausgesetzt werden.

Die Studie nennt Phosphit, eine Form des Phosphors, als möglichen Bestandteil eines frühen Energiesystems. Phosphit kommt in Zusammenhang mit hydrothermalen Quellen infrage. In Verbindung mit organischen Molekülen und dem Metall Palladium könnte es in Wasser Phosphorylierungsreaktionen antreiben – also Reaktionen, bei denen Phosphatgruppen übertragen werden. Auf diese Weise hätte ein früher Stoffwechsel möglicherweise schon vor der Entstehung moderner Enzyme und ATP Energie umsetzen können .

Das ist bislang ein plausibles chemisches Modell und kein Beweis dafür, dass genau dieses System auf der jungen Erde tatsächlich zum Einsatz kam.

Ein Stammbaum mit zwei Stämmen?

Die klassische Vorstellung zeigt einen einzigen Stamm, an dessen Basis LUCA steht und von dem alle späteren Lebensformen abzweigen. Nach der neuen Interpretation wäre das Bild eher mit einem Busch vergleichbar: ein gemeinsames genetisches Fundament, aus dem sich zwei getrennte Wege zum freilebenden Zellleben entwickelten .

• Ein Ursprung des genetischen Codes: Bakterien und Archaeen teilen eine gemeinsame genetische Grundlage – einschließlich des grundlegenden Systems zur Herstellung von Proteinen.
• Zwei Übergänge zum autonomen Leben: Beide Linien könnten unabhängig voneinander die chemischen und enzymatischen Voraussetzungen für selbstständige Zellen entwickelt haben.

Die Formulierung „zwei Ursprünge des Lebens“ ist deshalb zugespitzt. Die Studie behauptet nicht, dass der genetische Code zweimal vollständig neu erfunden wurde. Sie stellt vielmehr die Annahme infrage, dass LUCA bereits eine uneingeschränkt freilebende Zelle war.

Was bedeutet das für die Suche nach Leben im All?

Sollte sich die Interpretation bestätigen, hätte sie auch Folgen für die Astrobiologie. Einerseits könnte der Übergang von unbelebter Chemie zu lebenden Zellen leichter mehrfach möglich sein, als bisher angenommen. Andererseits könnte gerade die besondere Chemie metallreicher hydrothermaler Quellen entscheidend gewesen sein .

Für die Suche nach Leben auf anderen Himmelskörpern wären damit nicht nur Wasser und organische Moleküle interessant. Auch geologische Umgebungen, in denen Metalle als natürliche Katalysatoren wirken, könnten eine wichtige Rolle spielen.

Warum die These noch nicht endgültig ist

Die Schlussfolgerungen hängen stark von den verfügbaren Genomdaten ab. Bakterien sind vergleichsweise umfassend untersucht, während die Vielfalt der Archaeen weniger vollständig erfasst ist. Eine bessere Datenbasis könnte die Rekonstruktion der frühen Stoffwechselwege daher noch verändern.

Auch die Rolle von Phosphit und Palladium ist bislang eine chemisch plausible Möglichkeit, keine nachgewiesene historische Abfolge. Experimente, die den vollständigen Übergang von metallkatalysierten Reaktionen zu einem enzymgesteuerten Stoffwechsel in einem künstlichen System zeigen, stehen noch aus .

Trotz dieser Einschränkungen liefert die Studie eine der bislang detailliertesten Rekonstruktionen davon, wie der früheste Stoffwechsel entstanden sein könnte. Der Ursprung des Lebens erscheint dadurch nicht geradliniger, sondern eher wie ein Zusammenspiel aus Geologie, Chemie und mehreren evolutionären Anläufen.