Bevor Bakterien und Archaeen zu zwei großen Zweigen des Lebens wurden, besaß ihr gemeinsamer Vorfahr bereits einen Teil der für das Leben notwendigen Chemie. Doch ihm fehlten noch zahlreiche Enzyme. Einer neuen Studie zufolge vervollständigte jede der beiden Linien dieses System anschließend unabhängig voneinander.
Bei diesem System handelt es sich um den Stoffwechsel: ein Netzwerk von Reaktionen, das es Zellen ermöglicht, ihre Bestandteile herzustellen und Energie umzuwandeln. Enzyme sind Proteine, die heute die meisten dieser Reaktionen beschleunigen und steuern. Archaeen wiederum sind von Bakterien verschiedene Mikroben, auch wenn sich die beiden Gruppen ähneln können.
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Um in der Geschichte so weit zurückzugehen, gibt es selbstverständlich kein Protein-Fossil. Die Autoren verglichen daher die Enzyme aus 552 Bakteriengenomen und 401 Archaeengenomen. Sie ordneten diese Proteine 361 Reaktionen zu, die unter anderem für die Herstellung von Aminosäuren, DNA-Basen und verschiedenen chemischen Hilfsstoffen der Zellen notwendig sind.
Dieser Vergleich ermöglicht es, nach Enzymen zu suchen, die von einem sehr alten Vorfahren geerbt wurden. Die Forschenden schreiben 166 davon LUCA zu, dem letzten gemeinsamen Vorfahren von Bakterien und Archaeen. 89 weitere sollen dagegen später auf dem zu den Bakterien führenden Zweig entstanden sein, 38 auf dem zu den Archaeen führenden. Bei 37 Enzymen sind die Daten noch zu uneinheitlich, um eine Entscheidung zu treffen.
Ein Punkt verändert die Interpretation dieses Ergebnisses erheblich: Das Fehlen eines Enzyms bei LUCA bedeutet nicht zwangsläufig, dass die entsprechende Reaktion unmöglich war. Sie konnte vor dem Auftreten des modernen Proteins auf andere Weise ablaufen.
Die Autoren vermuten, dass in der Umwelt vorhandene Metalle einen Teil dieser Arbeit übernommen haben könnten. Eisen, Nickel oder Kobalt können chemische Reaktionen ohne Enzym beschleunigen. Mehrere frühere Experimente haben mit solchen Metallen und unter hydrothermalen Bedingungen bereits Reaktionen nachgebildet, die mehr als die Hälfte des heutigen zentralen Stoffwechsels ausmachen.
Dieses Szenario verweist auf hydrothermale Quellen, in denen Wasser durch heißes Gestein zirkuliert und zahlreiche chemische Reaktionen auslöst. Einige dieser Reaktionen erzeugen Wasserstoff und legen Metalle frei, die kleine Moleküle umwandeln können. Die Chemie der Umgebung hätte somit einen Teil dessen bereitstellen können, was die Zellen heute selbst übernehmen.
Die Studie untersucht außerdem Phosphit, eine Phosphorverbindung, die in bestimmten hydrothermalen Umgebungen vorkommt. In Gegenwart von Metallen kann es an der Anlagerung einer Phosphatgruppe an AMP beteiligt sein und so ADP bilden. Dieses Molekül gehört zum ATP-ADP-System, das Zellen heute für ihren Energieaustausch nutzen. Die Autoren bringen zudem 17 moderne chemische Hilfsstoffe mit Funktionen in Verbindung, die Metalle in Laborexperimenten ersetzen können.
Das vorgeschlagene Szenario bedeutet daher nicht, dass das Leben zweimal unabhängig voneinander entstanden ist. Bakterien und Archaeen hätten ein gemeinsames, bereits weit entwickeltes chemisches Netzwerk geerbt und anschließend bestimmte mineralische Hilfen durch unterschiedliche Enzyme ersetzt. Es bleibt zu klären, wie weit diese enzymfreien Reaktionen in derselben Umgebung gemeinsam ablaufen und dauerhaft ein Netzwerk speisen können, das dem der ersten Zellen vergleichbar ist.