Entstehung des Lebens in der Tiefsee nachvollzogen

Wasserstoff als Treibstoff und Kohlendioxid könnten als Bausteine für die Entstehung des Lebens gedient haben

Die Forschung über den Ursprung des Lebens hat vor über 40 Jahren hydrothermale Unterwasser-Schlote als möglichen Ort für die Entstehung von Protozellen identifiziert. Ein internationales Forschungsteam konnte nun die chemischen Reaktionen an Tiefsee-Schloten im Labor nachstellen und zeigen, dass aus dem mineralisierten heißen Wasser mit gelöstem CO₂ und H₂ bei entsprechendem Druck, den passenden Bedingungen und in Gegenwart von Metallmineralen Protozellen gebildet werden.

Am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung wurden dazu die passenden Metall-Katalysatoren gefunden, welche in einer einfachen Reaktion bei 100° C über Nacht die Bausteine Kohlendioxid und Wasserstoffgas in Ameisensäure, Acetate und Pyruvate umwandelten. Diese wiederum dienen als Ausgangsmaterial für die Bildung von weiterem organischen Material.

Bislang war für diese Reaktion die Verwendung von Enzymen als Katalysator notwendig. Die Studie gibt damit Hinweise darauf, wie ein Übergang von „Geo-zu-Bio“ bei der Entstehung des Lebens erfolgt sein könnte. „Vereinfacht gesagt haben wir gezeigt, wie aus Nichts unter den richtigen Bedingungen mit den passenden Metall-Katalysatoren eine Grundlage für die Entstehung des Lebens gelegt werden kann“, so Harun Tüysüz vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung.

Tiefseeschlote im Labor simuliert

In Laborversuchen stellten die Evolutionsforscher unter der Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf  jene Reaktionen nach, die an Tiefseeschloten erfolgen und vermutlich zu den ersten freilebenden Zellen führten. Die Schlote stoßen heißes, mineralhaltiges Wasser aus, das Wasserstoff und Kohlendioxid enthält, welches in einer metallkatalysierten Reaktion Energie für den Stoffwechsel einfachster Lebensformen liefert.

Genauso wie Mikroben sich von Kohlendioxid und Wasserstoffgas ernähren können, dieses in Acetate, Ameisensäure und Pyruvate wandeln und für die Bildung ihres gesamten organischen Materials nutzen, lässt sich die Reaktion im Labor mit Hilfe von passenden Katalysatoren nachstellen. Die Wissenschaftler zeigten, dass sich Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) mit einfachen mineralischen Katalysatoren bei 100° C über Nacht in Acetate, Pyruvate sowie Formiat wandeln lassen. Entscheidend hierfür sind passende nanostrukturierte Feststoffkatalysatoren, die das Team von Harun Tüysüz designte. „Die besondere Struktur unserer Katalysatoren hat die Reaktivität in entscheidendem Maße beeinflusst und vorangetrieben“, erzählt der Forscher.

Die jetzt publizierten Forschungsergebnisse lassen Schlüsse darauf ziehen, wie das Leben entstand. Zunächst gab es einfache chemische Reaktionen, die durch Metalle und Mineralien katalysiert wurden. Aus den Produkten entstanden komplexere Nukleinsäuren und Proteine, in denen auch heute noch Relikte der biochemischen Ursprünge nachgewiesen werden können.

Wasserstoff zentral für die Entstehung von Leben

Zudem setzen die Reaktionen zwischen dem – auch heute noch – in der Tiefsee gebildeten Wasserstoff und Kohlendioxid Energie frei, die vermutlich den Stoffwechsel der Urzellen angetrieben hat. Wasserstoff ist also nicht nur eine saubere Energiequelle der Zukunft sondern kann – unter den richtigen Bedingungen und in Gegenwart der richtigen Katalysatoren – auch zentral für die Entstehung des Lebens gewesen sein.

Die jetzt publizierte Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat, der Volkswagen Stiftung, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft, der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften und dem japanischen Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie gefördert.