Erste irdische Zellen: Wo und Wie entschlüsselt

Alles irdische Leben hat anscheinend einen gemeinsamen Vorfahren. Wo und wie er vermutlich lebte, zeigt eine neue genetische Vergleichsstudie Düsseldorfer Biologen.

Der gemeinsame Vorfahr allen irdischen Lebens ist das Bindeglied zwischen dem chemischen Ursprung des Lebens und den ersten freilebenden Zellen. Er soll vor etwa 3,8 Milliarden Jahren gelebt haben. Genannt wird er LUCA, als Kurzform des englischen Ausdrucks „last universal common ancestor“.

LUCAs Steckbrief

Tiefseehydrothermalquelle (Schwarzer Raucher) im Atlantischen Ozean. Quelle: NOAA Photo Library, P. Rona

Tiefseehydrothermalquelle (Schwarzer Raucher) im Atlantischen Ozean. Quelle: NOAA Photo Library, P. Rona

LUCA lebte anscheinend bei Temperaturen um die 100°C. Seinen Stoffwechsel betrieb er ohne Sauerstoff mithilfe von Kohlendioxid, Wasserstoff und Stickstoff. Seine Energie gewann er aus einfachen chemischen Reaktionen, ohne Hilfe von Licht. Hinweise in LUCAs Stoffwechsel deuten darin auf eine wichtige Rolle spezieller Elemente. Das sind insbesondere Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel und Molybdän, aber auch andere Elemente wie Schwefel und Selen. LUCA’s Stoffwechsel ähnelte somit dem Stoffwechsel einiger heute noch lebender Organismengruppen, wie sie an Tiefseehydrothermalquellen vorkommen. Das sind vor allem acetatbildende Clostridien bei den Bakterien und methanbildende Methanogene bei den Archeen.

Von den Genen moderner Organismen zu LUCA

Dies ist das Ergebnis von Biologen um Prof. Dr. William Martin vom Institut für Molekulare Evolution der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU). Um die Eigenschaften des LUCA herauszufinden, setzten sie bei den Genen moderner Organismen an. Die Forscher analysierten die Sequenzinformation in 6,1 Millionen proteinkodierenden Genen von rund 2.000 Prokaryoten. Zu diesen einfachsten Einzellern gehören Bakterien und Archaeen. Sie suchten und fanden die Gene, deren Spuren in der Stammesgeschichte bis hin zu LUCA zurückverfolgt werden können. Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit ist eine Liste von 355 Genen, die LUCA demnach besaß und die über die Lebensweise und die Umwelt von LUCA Aufschluss geben.

Die neuen Daten stützen die Theorie, dass die ersten lebenden Organismen an Tiefseehydrothermalquellen entstanden und alle wesentlichen Nährstoffe wie Aminosäuren und Vitamine aus Kohlendioxid selbst produzierten. Prof. Martin weist auf die Bedeutung der Studie für weitergehende Untersuchungen hin: „Wir haben nicht nur eine Reihe ursprünglicher Gene entdeckt, wir haben auch die Organismen identifiziert, in denen diese Gene heute vorkommen.“ Diese Gruppen besiedeln heute noch die Lebensräume, die die Forscher für LUCA gefunden haben. „Alles spricht dafür“, so Prof. Martin weiter, „dass sie die ökologische Nische, in der das Leben vor rund vier Milliarden Jahren entstand, nie verlassen haben. Somit können die Mikrobengemeinschaften an heutigen Tiefseequellen direkte Einblicke in das Leben der ersten Mikroben gewähren – als hätte eine Zeitmaschine das Urhabitat der ersten Zellen bis in die Gegenwart befördert.“

Konsequenzen für die Suche nach außerirdischem Leben

Die Studie hat auch Bedeutung für die Spurensuche nach Leben außerhalb der Erde, auf Exoplaneten sowie auf Himmelskörpern unseres Sonnensystems. Wenn unsere zellulären Vorfahren an Hydrothermalquellen entstanden, spielte die Sonne beim Ursprung des Lebens keine wesentliche Rolle. Das Leben wäre mit rein geochemischer Energie entstanden. Beispielsweise auf dem Saturnmond Enceladus sehen Planetenwissenschaftler Hinweise für die Existenz solcher geochemischer Energie in Form hydrothermaler Aktivität. „Ob dort die Geochemie Schritte in Richtung Leben unternimmt, bleibt eine spannende Frage“, so Prof. Martin.

Link

M. Weiss, F. Sousa, N. Mrnjavac, S. Neukirchen, M. Roettger, S. Nelson-Sathi and W. Martin: The physiology and habitat of the last universal common ancestor, Nature Microbiology, 25. Juli 2016, DOI: 10.1038/nmicrobiol.2016.116
http://dx.doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.116

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