Ohne ultraviolette Strahlen, Meteoriteneinschläge oder Vulkanausbrüche entstand das Leben auf der Erde aus ...

Wie begann die erste chemische Reaktion, die zur Entstehung des Lebens führte? Was ist ihre Energiequelle? Forscher der Universität Düsseldorf (HHU) haben den Stoffwechsel von LUCA, dem letzten gemeinsamen Vorfahren vor der Aufspaltung moderner Organismen, rekonstruiert. Sie entdeckten und identifizierten die lange gesuchte Energiequelle, die zum Vorantreiben dieser Reaktionen erforderlich war: Wasserstoffgas, das sich bis dahin direkt vor unseren Augen versteckt hatte.

Stoffwechsel von LUCA. Das Forschungsteam untersuchte 402 biochemische Reaktionen, die für die Biosynthese der molekularen Bausteine ​​des Lebens erforderlich sind. Jeder Kreis stellt eine Reaktion dar und seine Farbe repräsentiert die bei jeder Reaktion freigesetzte Energie. Grün bedeutet, dass Energie freigesetzt wird, und Lila bedeutet, dass Energie benötigt wird. Bildnachweis: HHU / Jessica Wimmer

Im Labor führt das Team von Professor William Martin am Institut für Molekulare Evolution der HHU chemische Experimente durch, bei denen Katalysatoren und Bedingungen zum Einsatz kommen, die in hydrothermalen Quellen am Meeresboden herrschen, um die Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid zu untersuchen. Sie entwickelten eine Form der molekularen Archäologie am Computer, die es ihnen ermöglichte, viele verschiedene Spuren primitiven Lebens zu entdecken, die in den Proteinen, der DNA und den chemischen Reaktionen moderner Zellen erhalten geblieben sind.

Diesmal untersuchten die Forscher nicht die Gene, sondern die Informationen, die in den chemischen Reaktionen des Lebens selbst enthalten sind. Sie identifizierten 402 Stoffwechselreaktionen, die seit der Entstehung des Lebens vor etwa 4 Milliarden Jahren nahezu unverändert geblieben sind. Da diese Reaktionen allen Zellen gemeinsam sind, sind sie auch in LUCA vorhanden.

In den primitivsten modernen Zellen wurden einige Verbindungen aus einfachen Molekülen synthetisiert, die in der modernen Umwelt vorhanden sind und auch in hydrothermalen Quellen auf der frühen Erde vorhanden waren: Wasserstoff, Kohlendioxid und Ammoniak – sie stellen das Stoffwechselnetzwerk von LUCA dar.

Die in Frontiers in Microbiology veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, dass der Stoffwechsel von LUCA keine externe Energie, wie etwa ultraviolette Strahlen, Meteoriteneinschläge, Vulkanausbrüche usw., benötigt. Im Gegensatz dazu stammt in der typischen Umgebung vieler moderner unterseeischer hydrothermaler Quellen die für Stoffwechselreaktionen erforderliche Energie aus dem Stoffwechsel selbst. Mit anderen Worten: Fast alle Stoffwechselreaktionen von LUCA setzen ihre eigene Energie frei: Die Energie für das Leben kommt vom Leben selbst.

Die Forscher erklärten, dass in der „Lost City“ – einer hydrothermalen Feldumgebung, die Wasserstoff im mittleren Atlantik produziert – etwa 95 bis 97 Prozent der Stoffwechselreaktionen von LUCA spontan ablaufen können, ohne dass dafür andere Energie benötigt wird. In den dunklen Abgründen hydrothermaler Systeme ist Wasserstoff der „chemische Sonnenschein“. In modernen Energietechnologien werden Möglichkeiten erforscht, die Eigenschaften von Wasserstoff genau wie das Leben auszunutzen. Es ist nur so, dass das Leben über 4 Milliarden Jahre „Erfahrung in der Wasserstofftechnologie“ verfügt, während die Menschheit gerade erst am Anfang steht.

Kommentare des Chefredakteurs

LUCA, der gemeinsame Vorfahre aller lebenden Organismen, ein Wesen, das keine fossilen Spuren hinterlassen hat. Hydrothermale Ökosysteme befinden sich auf dem dunklen und kalten Meeresboden. Dort ist es nicht einsam, sondern sogar voller Lebendigkeit, denn Röhrenwürmer, Seeanemonen und andere Lebewesen tummeln sich dort. Die Forscher führten chemische Experimente mit Katalysatoren und unter Bedingungen durch, die in hydrothermalen Quellen am Meeresboden vorgefunden wurden. Dabei identifizierten sie einige Stoffwechselreaktionen, die seit der Entstehung des Lebens praktisch unverändert geblieben sind, und kamen zu dem Schluss, dass der Stoffwechsel von LUCA keine externe Energie benötigte und wie die Ökosysteme hydrothermaler Quellen Wasserstoffenergie nutzte. Diese Entdeckung löst nicht nur das Rätsel um den Ursprung des Lebens, sondern liefert der Menschheit auch eine fortschrittliche und originelle Idee zur Nutzung der Wasserstoffenergie – die Bionik.

Quelle: Science and Technology Daily

◎ Science and Technology Daily-Reporter Zhang Mengran

Herausgeber: Wang Yu

Rezension: Yue Liang

Abschließende Rezension: Liu Haiying