Gab es zu Beginn des Lebens zuerst den Stoffwechsel?

Foto: von Google DeepMind auf Pexels

Einige Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Geochemie zunächst der Biochemie gewichen ist – ohne dass dafür genetisches Material erforderlich gewesen wäre. Erst später entstanden RNA und DNA.

Von Viviane Callier 10.04.2025

Vor vier Milliarden Jahren bestand unser Planet aus Wasser und kargem Gestein. Daraus sprudelte eine höchst komplexe chemische Verbindung hervor, vielleicht in einem Teich oder einer tiefen Meeresquelle. Schließlich wurde diese chemische Verbindung in Membranen eingehüllt, eine primitive Zelle entwickelte sich, und aus dem Schlamm entstand Leben.

Aber wie? Zu den vielen Rätseln gehört auch das Henne-Ei-Problem. Die Proteine , die Enzyme genannt werden und chemische Reaktionen in Zellen auslösen, werden aus genetischem Material hergestellt: DNA oder RNA. Doch diese Moleküle gab es zunächst nicht: Um sie herzustellen, benötigt man Enzyme.

Wie kam es also zum Laufen?

Eine seit langem in der Wissenschaft verbreitete Theorie besagt, dass das genetische Material zuerst existierte – in Form eines Moleküls namens RNA, einem engen Verwandten der DNA. Das Schöne an RNA ist ihre Vielseitigkeit: Sie kann chemische Reaktionen katalysieren und genetische Informationen speichern. Möglicherweise wurden Moleküle in einem Teich auf der Erdoberfläche durch Verdunstung konzentriert und dann zu den ersten RNA-Strängen verknüpft.

Bisher ist es Wissenschaftlern jedoch nicht gelungen, RNA-Moleküle in Experimenten zu erzeugen, die die Suppen einfacher Chemikalien nachahmen, die es auf der frühen Erde gegeben haben dürften. „Es gibt zwar Berichte darüber, wie man das machen könnte, aber sie wirken immer etwas konstruiert“, sagt Albert Fahrenbach , ein organischer Chemiker an der University of New South Wales in Sydney – fügt aber hinzu, dass Befürworter sagen, dass eine solche Schwierigkeit ganz normal sei.

Es sei schwer vorstellbar, dass sich ein System selbstreplizierender RNA-Ketten spontan gebildet haben könnte, sagt Robert Pascal, ein Chemiker, der an der Universität Aix-Marseille in Frankreich an der Entstehung des Lebens forscht. „Ich glaube, heute glaubt wirklich niemand mehr, dass das möglich gewesen sein könnte.“

Eine andere Möglichkeit ist, dass die Biochemie zuerst entstand – sie entwickelte sich als Geochemie außerhalb der Zellen. Chemische Reaktionen verliefen anfangs ohne Enzyme sehr langsam. Die Reaktionen schritten langsam voran, weil sie thermodynamisch begünstigt und möglicherweise durch Hitze oder Metalle beschleunigt wurden. Später entwickelten sich primitive Enzyme, die diese urzeitliche Chemie des Lebens weiter beschleunigten.

Im Laufe der geologischen Zeit wurde die Geochemie schneller und komplexer und es entstanden neue Reaktionen. Irgendwann entstanden Zellmembranen und ein Vererbungssystem in Form von RNA oder DNA . Aus der Geochemie wurde die Biochemie.

Für diese zweite Hypothese fehlten bis vor kurzem entscheidende experimentelle Beweise. Doch in den letzten Jahren konnten Forscher im Labor große Kombinationen chemischer Mischungen und Bedingungen testen und Wege finden, zentrale Stoffwechselreaktionen in Zellen nachzubilden – und das alles ohne Enzyme.

Die Vorstellung, dass die Geochemie der Biochemie vorausging, sei „eine wirklich überzeugende Idee“, sagt Susan Lang, Geochemikerin am Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts. „Und ich denke, dass [die Wissenschaftler] zahlreiche Beweise vorgelegt haben, die diese Idee stützen.“

Anorganische Ursprünge

Bereits im Jahr 1910 stellte der russische Biologe Konstantin Sergejewitsch Mereschkowsky die These auf, dass die ersten Zellen organische Moleküle – den Stoff des Lebens – aus anorganischen Substanzen herstellen mussten . Genauer gesagt mussten sie Wasserstoff (H ₂ ) und Kohlendioxid (CO ₂ ) aufnehmen, um organische Moleküle wie Fettsäuren, Zucker und Aminosäuren herzustellen.

Vor etwa 20 Jahren schlugen der Evolutionsmikrobiologe Bill Martin von der Universität Düsseldorf und der Geochemiker Mike Russell vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien vor, dass das Leben an einem für diese kritischen Reaktionen geeigneten Ort begann : an hydrothermalen Quellen in der Tiefsee.

In diesen Schloten reagiert das Eisen im Gestein mit Wasser und bildet Wasserstoff. Und dieser Wasserstoff könnte mit CO2 reagieren _und einfache organische Moleküle bilden, die für die Zellbiochemie von zentraler Bedeutung sind: Formiat mit einem Kohlenstoffatom, Acetat mit zwei Kohlenstoffatomen und Pyruvat mit drei Kohlenstoffatomen.

Dieses Video, aufgenommen während einer Expedition des Schmidt Ocean Institute, zeigt das wimmelnde Leben, das heute rund um eine Quelle unter dem Nordatlantik existiert. Vor Äonen könnte dies der Ort gewesen sein, an dem die Chemie des Lebens ihren allerersten Anfang nahm. Wasser in den Quellen reagiert mit Eisen in den mineralreichen Gesteinen und erzeugt Wasserstoffgas – das wiederum mit Kohlendioxid zu kleinen organischen Molekülen reagiert.

Bildnachweis: Schmidt Ocean

Geleitet von dieser Idee bestätigten Lang und ihr Team in Woods Hole im Jahr 2010 bei ihrer Arbeit in der Lost City, einem hydrothermalen Feld mitten im Atlantischen Ozean, dass kleine organische Moleküle tatsächlich in Quellen produziert werden, die völlig unabhängig von der Aktivität der Mikroben sind, die in diesen extremen Umgebungen leben.

Ein mikrobieller Weg

Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass die Schritte dieser geochemischen Reaktionen an den Quellen identisch sind mit der Art und Weise, wie mikrobielle Zellen in der Nähe der Quellen organische Moleküle aus CO2 und Wasserstoff herstellen _. Dies passt gut zu der Annahme, dass biochemische Prozesse ihren Ursprung in geochemischen Reaktionen hatten und sich Enzyme erst später entwickelten.

Tatsächlich ist dieser spezielle Reaktionsweg, der als Acetyl-CoA-Weg bekannt ist, sehr alt, wie Martin und Kollegen gezeigt haben. Er wird von zwei grundlegenden Lebensgruppen gemeinsam genutzt: Bakterien und Archaeen – und lässt sich daher bis zum letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens auf der Erde zurückverfolgen.

Doch die heutigen mikrobiellen Zellen benötigen stolze 127 Enzyme, um dieses Drei-Kohlenstoff-Pyruvat herzustellen. Könnten die Wissenschaftler diesen Stoffwechselweg im Labor ohne Enzyme nachbilden, wie es zu Beginn des Lebens der Fall gewesen wäre? Martin, seine damalige Studentin Martina Preiner, der Chemiker Joseph Moran, heute an der Universität Ottawa in Kanada tätig, und ihre Kollegen haben kürzlich gezeigt, dass dies tatsächlich möglich ist .

In einem der 2020 veröffentlichten Berichte führte Preiner Tests in einer Reihe von chemischen Reaktoren durch, die hohe Temperaturen aushalten konnten. In diese Behälter gab sie Kohlendioxid sowie Fläschchen mit Wasser sowie Eisen oder Nickel in unterschiedlichen Anteilen. Dann ließ sie sie über Nacht reagieren.

Preiners Durchbruch kam, als sie herausfand, dass sie die Reaktoren jeweils mit einem Metall betreiben und den vorhandenen Wasserstoffgehalt kontrollieren musste. Daraufhin produzierten die Reaktoren zuverlässig Formiat, Acetat, Pyruvat, Methanol und Methan – allesamt von Bakterien produzierte Stoffe.

„Diese Metalle ersetzen 127 Enzyme und liefern uns fünf Produkte, die genau die Produkte des biologischen Pfades sind“, sagt Martin.

Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass sowohl Eisen als auch Nickel in Tiefseequellen vorkommen, wo sie möglicherweise zur Steuerung präbiologischer Reaktionen beigetragen haben.

Darüber hinaus sind diese Metalle auch heute noch in den Enzymen zu finden, die den Acetyl-CoA-Stoffwechselweg in Zellen katalysieren. „Die Metalle waren zuerst da, und dann wurden sie von den Enzymen eingebaut. Doch die Metalle bleiben die wesentlichen Katalysatoren“, sagt Martin.

Metalle waren auf dem Urplaneten reichlich vorhanden. Insbesondere Eisen war allgegenwärtig, sagt Markus Ralser, Stoffwechselforscher an der Charité – Universitätsmedizin Berlin. „Eisen kommt in der Chemie unserer Zellen nicht vor, deshalb ist es überall vorhanden“, sagt er.

Vorankommen ohne Enzyme

Das Pyruvat, das Preiner, Martin und Moran in ihren Experimenten herstellten, ist für einen weiteren wichtigen Teil des Zellstoffwechsels unerlässlich: die Herstellung von Aminosäuren und Nukleotiden. Lebende Zellen benötigen Aminosäuren, um sich zu Proteinen zu verbinden, und Nukleotide, um DNA und RNA herzustellen.

Die zentrale Produktionslinie, die diese Substanzen herstellt, wird als umgekehrter TCA-Zyklus bezeichnet und Pyruvat ist einer der wichtigsten Inputstoffe in diesem Zyklus.

Moran arbeitet seit fast einem Jahrzehnt daran, den umgekehrten TCA-Zyklus außerhalb von Zellen nachzubilden. Zu Beginn seiner Karriere hatten Forscher, die sich mit der Entstehung des Lebens beschäftigten, viele großartige Ideen, doch nur wenige waren bei ihren Experimenten erfolgreich. Er wollte sein Fachwissen in der chemischen Katalyse auf wichtige Fragen dieses Fachgebiets anwenden.

Die größte Herausforderung bestand für Moran darin, dass die Reaktionen im umgekehrten TCA-Zyklus zwar theoretisch möglich sind – chemische Eigenschaften würden sie letztlich vorantreiben, so wie die Schwerkraft einen Abstieg begünstigt –, manche dieser Reaktionen jedoch erst nach einer sehr hohen Aktivierungsbarriere in Gang kommen. Sie weisen eine hohe Aktivierungsbarriere auf, die wie ein kleiner Hügel aussieht, der erst erklommen werden muss, bevor der Abstieg beginnen kann. Wäre es möglich, diese Aktivierungsbarrieren ohne Enzyme zu überwinden? Und unter welchen Bedingungen?

„Ich bin aus der Welt der Entwicklung und des Screenings chemischer Katalyse an das Problem herangegangen. Ich dachte mir: ‚Denken wir nicht zu lange darüber nach, sondern entwerfen wir ein paar durchführbare Experimente, bei denen wir eine große Zahl von Experimenten parallel durchführen können, und suchen dann einfach auf sehr effiziente Weise empirisch danach‘“, sagt Moran.

Ab 2015 untersuchten Moran und sein Team (damals an der Universität Straßburg in Frankreich, wo er noch immer arbeitet) jede der elf Kernreaktionen im umgekehrten TCA-Zyklus und testeten jeden Metall- und anorganischen Katalysator, den sie in die Finger bekommen konnten, unter allen erdenklichen Bedingungen: bei unterschiedlichen Temperaturen und pH-Werten, in Gegenwart verschiedener Metalle und Mineralien.

In einigen Reagenzgläsern wird versucht, den ersten Schritt abzuschließen: die Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat. In einem anderen wird die nächste Reaktion durchgeführt, von Oxalacetat zu Malat. Und so weiter. Neben den Kernreaktionen des umgekehrten TCA-Zyklus haben die Wissenschaftler in jüngster Zeit auch die Reaktionen untersucht, die von diesem Zyklus abzweigen und zur Bildung von Nukleotiden , Aminosäuren und Zuckerphosphaten führen.

Das Team nutzte einen automatisierten Mechanismus, um rund um die Uhr Proben zu entnehmen. „Wir haben das drei Jahre lang einfach durchgezogen“, sagt Moran.

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Im Jahr 2019 berichtete Morans Team, dass es neun der elf Metabolite des reversen TCA-Zyklus ohne Enzyme herstellen konnte. Sie identifizierten außerdem Bedingungen, unter denen sechs der elf Reaktionen im selben Reagenzglas zusammenwirken können . „Die überwiegende Mehrheit der Reaktionen und des Stoffwechsels schien so einfach, dass sie tatsächlich ohne Enzyme ablaufen können“, sagt Moran. „Gleichzeitig müssen wir realistisch sein und sagen, dass wir keine Bedingungen identifiziert haben, die die Entstehung eines vollständigen Stoffwechsels ermöglichen. Wir finden Bedingungen, die hier kleine Abschnitte davon und dort spezifische Reaktionen ermöglichen.“

Moran ist jedoch optimistisch, was die Aussicht auf die Wiederherstellung eines nicht-enzymatischen Stoffwechsels angeht. Man müsse lediglich etwas Kreativität entwickeln, um die Bedingungen zu identifizieren, unter denen einige der schwierigeren Reaktionen, wie die Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat, ablaufen können, sagt er.

„Was Joseph im letzten Jahrzehnt geleistet hat, war wirklich bemerkenswert“, sagt Preiner, der heute eine Laborgruppe am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg leitet. „Das war eine der wichtigsten Leistungen der letzten 50 Jahre für die Entstehung des Lebens – er hat wirklich untersucht, wie bestimmte Reaktionen nicht-enzymatisch ablaufen können.“

Kleine, aber entscheidende fehlende Teile

Im Zuge ihrer weiteren Arbeit über die Anfänge der Chemie des Lebens haben sich sowohl Preiner als auch Moran kleinen chemischen Stoffen zugewandt, die als Cofaktoren oder Coenzyme bezeichnet werden und bei Enzymreaktionen helfen.

Diese Cofaktoren sind extrem wichtig. Einer namens NAD+ überträgt Elektronen zwischen Molekülen – eine entscheidende Aufgabe bei Reaktionen – und einer namens SAM nimmt Methylgruppen auf und gibt sie an organische Chemikalien ab, die verarbeitet werden. „Sie erfüllen recht einfache, aber sehr, sehr zentrale und wichtige Aufgaben im Stoffwechsel“, sagt Preiner. Es sei schwer vorstellbar, dass sie oder ähnliche Chemikalien nicht schon früh beteiligt waren, fügt sie hinzu.

Die Wissenschaftler möchten wissen, welche Rolle diese Cofaktoren zu Beginn des Lebens gespielt haben könnten und wie sie in die Geochemie und dann in die Biochemie integriert wurden.

Sie haben herausgefunden, dass heutige Cofaktoren katalytische Aktivität wie ein Enzym haben können. Und manche können sogar ihre eigene Produktion katalysieren. Daher sei es logisch, sagt Moran, dass diese Cofaktoren für die Beschleunigung metabolischer Reaktionen entscheidend waren . Sie könnten bestimmte chemische Prozesse gegenüber anderen beschleunigt und so zur Bildung eines biochemischen Netzwerks beigetragen haben.

Die Wissenschaftler gehen außerdem davon aus, dass einige dieser Kofaktoren bei einem entscheidenden Schritt in der Zellentwicklung eine Rolle spielten: der Entstehung von Genen. Ein Kofaktor namens NADH, so die Wissenschaftler, besteht aus zwei Nukleotiden – den Bausteinen, aus denen RNA und DNA bestehen.

„So wie ich es mir derzeit vorstelle, könnte es sein, dass diese Moleküle auf der frühen Erde im Übermaß produziert wurden. Und so bekamen sie unterschiedliche Aufgaben – Teile von ihnen gelangten in die RNA, andere in den Stoffwechsel“, sagt Preiner.

Die Forscher wissen natürlich, dass sie nie genau wissen können, wie das Leben entstand: Sie sind wie Archäologen oder Paläontologen, die versuchen, aus spärlichen, zerfallenen Relikten die Urzeit zusammenzusetzen. Tatsächlich, so Pascal, sei der Stoffwechsel des Lebens, der sich unter vielen anderen möglichen selbstkatalysierenden chemischen Systemen durchsetzte, nicht vorherbestimmt gewesen. „Dieses Ergebnis ist nicht das einzig mögliche“, sagt er. „Wir haben viele weitere Möglichkeiten.“

Dennoch haben die Wissenschaftler gezeigt, dass es möglich ist, einen nicht-enzymatischen Stoffwechsel zu erzeugen, der dem der Mikroben in den hydrothermalen Quellen verblüffend ähnlich ist – und damit einen wichtigen, konkreten Beweis für eine jahrhundertealte Theorie über die Ursprünge des Lebens liefert. Wie Fossilien in uralten Gesteinen oder Artefakte in alten Grabstätten verbinden uns die biochemischen Reaktionen in lebenden Zellen mit einer Zeit, lange bevor es überhaupt primitives Leben auf der Erde gab.