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Woher nahm das erste Leben die Energie?

27.02.2013 - Deutschland

Forscher von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und vom University College London stellen in Cell ein Modell vor, wie sich die frühesten Formen des Lebens in der unmittelbaren Umgebung von unterseeischen Hydrothermalquellen entwickelt haben können. Kompartimente im Gestein der Quellen können die Prototypen für Zellen gewesen sein.

Der Schlüssel zum Leben ist Energie: Lebende Organismen benötigen hiervon große Mengen, um ihren Stoffwechsel anzutreiben und organische Moleküle zu produzieren. Bei den Frühformen des Lebens war der Energiebedarf nochmals deutlich höher als bei modernen Zellen, weil jenen ersten Lebensformen Enzyme fehlten, die auf katalytischem Weg eine deutlich effizientere Stoffumwandlungen ermöglichen. Der Schlüssel zur Energiebereitstellung ist, auch heute noch, ein Konzentrationsgefälle von Ionen über eine begrenzende Membran hinweg.

Prof. Dr. William Martin (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Institut für Molekulare Evolution) und Dr. Nick Lane (University College London, Department of Genetics, Evolution and Environment) erläutern in ihrem Artikel „The origin of membrane bioenergetics“ , wie in frühester Zeit die ersten Zellen geochemische Energie in biologische Ernergie überführen konnten. Die anorganischen Wände von natürlich entstehenden mineralischen Kompartimenten (winzigen Poren) in Hydrothermalquellen am Boden der Ur-Ozeane sind der Schlüssel.

Heutige Hydrothermalquellen weisen eben solche kleinen Kammern, etwa in der Größe einer biologischen Zelle, auf. Wo Wasserstoff-angereichertes alkalisches Wasser aus dem Erdinnern auf neutrales, ozeanisches Wasser trifft, resultiert ein Wasserstoff-Konzentrationsgefälle, ein Ionen-Gradienten, über diese Wände. Just solche Gradienten werden heute von allen Lebewesen für die Energiegewinnung genutzt.

Aber heutige Lebewesen müssen diese Gradienten im Zuge der Atmung aufbauen, alkalische Hydrothermalquellen liefern die Gradienten umsonst. Diese Energiequelle konnten die Vorfahren der ersten Lebewesen anzapfen, um organische Moleküle, Grundbausteine des Lebens wie Aminosäuren und Nukleinsäuren, zu bilden. Kurzum: Diese mineralische Protozellen können die ersten Lebensformen gewesen sein.
Es fehlt der Schritt in die Freiheit: Hierzu war die „Erfinding“ einer organischen Zellmembran und einer Zellwand, die dem Innendruck der Zelle standhält, erforderlich. Nur so konnten diese Zellen aus ihrem anorganischen Gehäuse entkommen, und als freilebende Zellen im Ozean leben.