Zwei Ursprünge des Lebens: So könnte die frühe Evolution von Bakterien und Archaeen abgelaufen sein

Wie entstanden die ersten Zellen auf der Erde? Eine internationale Studie hat den Ursprung des Lebens neu untersucht und ist zu einem überraschenden Schluss gekommen: Der genetische Code entstand nur einmal, das Leben jedoch offenbar zweimal.

Die Ursprünge des Lebens lassen sich auf wenige Ausgangsstoffe wie Wasser und Kohlendioxid reduzieren. Über 420 chemische Reaktionen wurden damit die Grundlagen des komplexen Lebens geschaffen. Bild: Birger Strahl/Unsplash

Wie die ersten Lebewesen entstanden und sich entwickelten, zählt zu den großen Rätseln der Biologie. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hat nun neue Einblicke in die frühesten Phasen der Evolution gewonnen. Die in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichte Studie rekonstruiert, wie die ersten Stoffwechselprozesse funktionierten und welche Energiequellen den Urzellen zur Verfügung standen.

Wer vier Milliarden Jahre in die Vergangenheit blickt, würde sehen, „wie zwei sehr unterschiedliche Zelltypen entstehen – Pionier-Bakterien und -Archaeen –, die die ersten Versuche unternehmen, außerhalb der Grenzen der Hydrothermalquelle zu leben“, sagt Erstautorin Natalia Mrnjavac, Doktorandin am Institut für Molekulare Evolution. Die einzelligen Bakterien und Archaeen verfügen – im Gegensatz zu den später entstehenden mehrzelligen Lebewesen – über keinerlei Zellkern. Trotz weiterer Gemeinsamkeiten stellen sie jedoch zwei unterschiedliche Domänen dar.

Stoffwechsel entstand schrittweise

Die Wissenschaftler analysierten Genome, Proteinstrukturen und Stoffwechselreaktionen. Im Mittelpunkt standen jene 420 chemischen Reaktionen, mit denen Zellen aus Wasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid lebenswichtige Bausteine wie Aminosäuren, RNA-Basen und Vitamine herstellen. Die Reaktionen sind bis heute in allen Organismen erhalten geblieben.

Hydrothermale Quellen wie diese schwarzen Raucher bringen wertvolle Stoffe aus dem Erdinneren an die Oberfläche. Auch heute noch entsteht in ihrer Nähe besonders viel Leben. Bild: GEOMAR

„Diese Vergleiche lassen uns in jene Phase der Evolution blicken, in der sich der durch Enzyme katalysierte Stoffwechsel aus spontanen, durch Metalle in der Erdkruste katalysierten Reaktionen entwickelte“, erklärt Studienleiter Prof. Dr. William Martin. Überraschend sei, dass die Enzyme beider Lebenslinien trotz identischer Stoffwechselreaktionen nicht miteinander verwandt sind.

Den Analysen zufolge verfügte der letzte gemeinsame Vorfahr aller heutigen Zellen, LUCA, lediglich über Enzyme für etwa die Hälfte der Stoffwechselreaktionen. Die übrigen Prozesse wurden durch natürlich vorkommende Metalle ermöglicht. „Metalle, die natürlicherweise in hydrothermalen Quellen vorkommen, können eine überraschend große Anzahl von Enzymen im Stoffwechsel ersetzen“, sagt Dr. Harun Tüysüz, Chemiker am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung und am IMDEA Materials Institute in Madrid.

Die Forschenden rekonstruieren vier Entwicklungsphasen: Zunächst dominierten ausschließlich metallkatalysierte Reaktionen. Anschließend entstand mit LUCA ein hybrider Stoffwechsel aus metallischen und enzymatischen Katalysatoren. Erst danach trennten sich die Entwicklungslinien von Bakterien und Archaeen. Beide entwickelten unabhängig voneinander unterschiedliche Enzyme für dieselben lebenswichtigen Reaktionen.

Stoffwechsel der ersten Zellen: Die Ausgangssubstanzen (links) wie Wasser oder Kohlendioxid werden in die Bausteine des Lebens umgewandelt. Hinzu kommen enzymatische Reaktionen (Kreise), Stoffwechselprodukte (Diamanten), Reaktionen mit gemeinsamen Reaktionspartnern (Linien) und Reaktionen von den ersten Zellen durch anorganische Substanzen (rote Kreise). Bild: HHU/Nadja Hoffmann

„Wir beobachten Fälle, in denen die Vorfahren der Bakterien und Archaeen unabhängig voneinander strukturell unterschiedliche Enzyme entwickelten, mit denen sie aber dieselbe essenzielle Stoffwechselreaktion katalysieren“, sagt Mrnjavac. Diese parallelen Entwicklungen könnten den Übergang zu frei lebenden Organismen ermöglicht haben.

Eine andere Energiequelle

Offen war bisher auch, wie die ersten Stoffwechselprozesse ohne das Energiemolekül ATP ablaufen konnten, das heute unverzichtbar an der Energieumwandlung beteiligt ist. Die Studie schlägt dafür eine andere Lösung vor. „Wir haben eine neue Energiequelle metabolischen Ursprungs identifiziert: Phosphit und Palladium“, sagt die Doktorandin Manon Schlikker. Beide Stoffe könnten frühe Phosphorylierungsreaktionen ermöglicht und damit ATP sowie entsprechende Enzyme ersetzt haben.

Mit einem neu entwickelten mathematischen Verfahren ordnete das Forschungsteam sämtliche Stoffwechselreaktionen nach ihrer vermuteten Entstehungsreihenfolge. Daraus ergibt sich ein klares Bild der frühen Evolution.

„Die neuen Daten lassen nur einen Schluss zu: Bakterien und Archaea haben den Übergang von den Hydrothermalquellen zum freilebenden Zustand unabhängig voneinander vollzogen“, fasst Martin zusammen. „Um es auf den Punkt zu bringen: Es gibt einen Ursprung des genetischen Codes, aber zwei Ursprünge des Lebens.“

Artikelreferenz

Mrnjavac, N., Hoffmann, N. K., Schlikker, M. L., Burmeister, M., Schwander, L., et al. (2026). Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent. Science Advances.