Neue Entdeckung zum Ursprung des Lebens: Der gemeinsame Vorfahre „Luca“ ist weitaus komplexer als wir dachten!

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„Woher kommt das Leben?“ ist eine der grundlegendsten Fragen, die sich die Menschheit stellt, seit wir denken können. Bisher können wir diese Frage nicht gut beantworten. Doch wir fanden heraus, dass der Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage darin liegt, dass alle Organismen – von einzelligen Bakterien über extrem langlebige Redwood-Bäume bis hin zu den riesigen Blauwalen und sogar uns Menschen – tatsächlich erstaunliche Ähnlichkeiten aufweisen. Aus diesem Grund stellte Darwin in seinem 1859 erschienenen Buch „Die Entstehung der Arten“ ein berühmtes Konzept auf: „Alle Dinge haben denselben Ursprung“, d. h. alle Lebewesen, die jemals auf der Erde gelebt haben, haben einen gemeinsamen Vorfahren.

Im Jahr 1999 kombinierte der Biologe Patrick Fortel erstmals die Initialen der Wörter „Last Common Ancestor“, um diesem hypothetischen Vorfahren den Namen „LUCA“ zu geben. Als Wurzel des Lebensbaums differenzierte sich Luca später in Lebenssysteme, darunter Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Seitdem haben sich unzählige Wissenschaftler auf die Suche nach Lucas „wahrem Körper“ gemacht.

Eine am 12. Juli 2024 in der Fachzeitschrift Nature Ecology & Evolution veröffentlichte neue Studie brachte Wissenschaftler auf diesem Weg einen Schritt weiter. Sie fanden heraus, dass Luca früher als bisher angenommen auftauchte und eine komplexere Struktur aufwies.

Mitglieder des Forschungsteams verglichen die Genome von 350 Archaeengruppen und 350 Bakteriengruppen, um nach Gemeinsamkeiten zwischen ihnen zu suchen und festzustellen, welche Merkmale zuerst auftraten. Sie verfolgten die Evolutionsmuster einzelner Gene und Genfamilien in diesen Archaeen bzw. Bakterien. Durch den Vergleich der Evolutionsgeschichte einzelner Gene mit der von Artgenen konnten sie besser erforschen, welche Gene dupliziert wurden, verloren gingen oder einem horizontalen Gentransfer unterzogen wurden.

Auf der Grundlage der oben genannten Methoden gelangte das Forschungsteam zu mehreren wichtigen Schlussfolgerungen über den Ursprung des Lebens.

Erstens erschien der gemeinsame Vorfahre des Lebens, „Luca“, vor etwa 4,2 Milliarden Jahren, also viel früher als die bislang angenommenen 3,8 Milliarden Jahre. Wir wissen, dass die Erde vor etwa 4,6 Milliarden Jahren entstand, was bedeutet, dass die ersten Lebensformen kurz nach der Entstehung der Erde auftauchten. Dies lässt darauf schließen, dass die Umgebung, in der das Leben entstand, möglicherweise einfacher war als bisher angenommen.

Zweitens hat Luca ein ziemlich großes Genom. Wie groß ist es? Studien haben gezeigt, dass Lucas Genom mindestens 2,5 Millionen Basenpaare enthält und 2.600 Proteine ​​kodiert. Dies ist viel komplexer als frühere Schätzungen und fast so komplex wie existierende Prokaryoten.

Wie also hat Luca auf der frühen Erde überlebt? Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Luca sich von Wasserstoff und Kohlendioxid ernährt. In einer Zeit, in der sich photosynthetische Organe noch nicht entwickelt hatten, war Wasserstoff gleichbedeutend mit „chemischem Sonnenlicht“ und lieferte eine endlose Energieversorgung für Lucas eigenen Stoffwechsel, während seine Stoffwechselprodukte (wie Methan) zu Nährstoffen für andere Lebensformen werden konnten. Wissenschaftler glauben daher, dass dieses chemische Wasserstoffkreislaufsystem ein einfaches Ökosystem aufrechterhalten kann und dass Luca zu dieser Zeit nicht die einzige Lebensform war, sondern dass andere Lebensformen ausgestorben waren und keine Nachkommen hinterlassen konnten.

Die Studie zeigte auch, dass Luca über ein Gen in seinem Körper verfügt, das Virenbefall abwehrt. Dies deutet darauf hin, dass Lebewesen möglicherweise schon kurz nach ihrer Geburt die Fähigkeit oder das Potenzial haben, Viren zu bekämpfen.

Wissenschaftler haben in Lucas Körper außerdem Gene entdeckt, die ihn vor UV-Schäden schützen können. Das deutet darauf hin, dass Luca möglicherweise nicht in hydrothermalen Quellen der Tiefsee lebt, sondern in Oberflächengewässern, wo er Kohlendioxid und Wasserstoff aus der Atmosphäre aufnehmen und sich so ernähren kann. Andererseits enthalten sie auch ein Enzym, das häufig in thermophilen Bakterien vorkommt: die reverse Gyrase. Das bedeutet, dass Luca auch in der Nähe unterseeischer Vulkanschlote gedeihen könnte.

Scheinbar widersprüchliche Erkenntnisse wie diese sind bei der Suche nach den Ursprüngen des frühen Lebens keine Seltenheit. Einige Wissenschaftler glauben, dass aufgrund der Schwerkraft eine große Zahl von Asteroiden und Meteoriten vor 3,8 Milliarden Jahren die Erdoberfläche bombardierten. Daher wird dieser Zeitraum auch als „Zeit des schweren Bombardements“ bezeichnet. Aufgrund der heftigen und häufigen Einschläge konnte auf der Erdoberfläche kein flüssiges Wasser existieren und somit auch kein frühes Leben entstehen.

Da wir nicht in die Zeit zurückreisen können, als das Leben entstand, und die Szene mit eigenen Augen sehen können, sind solche widersprüchlichen Forschungsergebnisse nicht schwer zu verstehen. Darüber hinaus können Lebensformen wie Luca, die nur winzige Strukturen aufweisen, im Laufe der langen geologischen Aktivitäten keine Fossilien bilden und schlüssige Beweise hinterlassen. Wir können die vorhandenen biologischen und technologischen Mittel nur nutzen, um möglichst wahrheitsnahe Spekulationen anzustellen. Die Ergebnisse dieser Studie sind nur der Anfang. Obwohl es Daten und Methoden aus mehreren Disziplinen zusammenführt, scheint es uns nur ein kleines Stück des riesigen Puzzles der Entstehung des Lebens zu liefern. Bis wir die ultimative Frage der Menschheit beantworten können: „Woher kommt das Leben?“, ist es noch ein weiter Weg.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird. Autor: Liu Sen

Gutachter: Liang Qianjin, Professor der School of Life Sciences, Beijing Normal University

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.