Noch vor dem Auftreten der ersten Zellen könnte eine einfache Reaktion zwischen Wasser, Phosphor und Metall eine erste Quelle chemischer Energie geliefert haben.
Heute nutzen alle Zellen Energie, um zu funktionieren. Dafür verfügen sie über ein zentrales Molekül: ATP. Man kann es sich als kleinen wiederaufladbaren Energiespeicher vorstellen. Wenn es ein Phosphat verliert, wird es zu ADP und setzt Energie frei. ADP kann anschließend wieder ein Phosphat aufnehmen und zu ATP werden.
Schema des vorgeschlagenen Mechanismus für eine präbiotische Phosphorylierung in einer Wasserstoff produzierenden Hydrothermalquelle. Das Phosphit liefert die Energie, und Palladium katalysiert die Bildung phosphorylierter Verbindungen.
Quelle: HHU / William Martin.
Diese Mechanik wirft jedoch ein Problem auf, wenn man zu den Ursprüngen des Lebens zurückgeht. In heutigen Zellen ermöglichen hochkomplexe Enzyme diese Umwandlungen. Doch diese Enzyme existierten vor dem Leben noch nicht. Daher muss erklärt werden, wie Moleküle, die Energie transportieren können, spontan entstanden sein könnten.
Die Forschenden untersuchten einen Ansatz, der mit Hydrothermalquellen auf der frühen Erde zusammenhängt. In einigen dieser Umgebungen reagiert heißes Wasser mit Gestein. Bei diesen Reaktionen wird Wasserstoff freigesetzt, und Metalle kommen mit verschiedenen Formen von Phosphor in Kontakt. Eine solche Umgebung könnte die nötigen Zutaten auf natürliche Weise bereitgestellt haben.
Im Labor vermischten die Forschenden Wasser, Phosphit und Palladium. Phosphit ist eine Form von Phosphor, die bei einer Reaktion Energie freisetzen kann. Das Metall erleichtert diese Reaktion. Vor allem kann diese Energie dazu dienen, ein Phosphat an andere Moleküle zu binden – ganz ohne Enzym.
Genau das geschah mit AMP. Dieses Molekül besitzt nur ein Phosphat. Indem ein zweites hinzugefügt wird, wandelt die Reaktion es in ADP um, eines der Moleküle, die Zellen heute zur Regulierung ihres Energiehaushalts verwenden. Bei 50 °C wurden nach 72 Stunden bis zu 7,3 % des AMP in ADP umgewandelt.
Das Experiment beschränkte sich nicht auf diese Umwandlung. Mit derselben Chemie konnten mehrere weitere phosphathaltige Moleküle hergestellt werden, die an Energieübertragungen beteiligt sein können. Einige davon gehören noch heute zu den Mechanismen, die von Zellen genutzt werden.
Das zunächst verwendete reine Palladium könnte weit von den natürlichen Bedingungen entfernt erscheinen. Daher wiederholten die Forschenden das Experiment mit einer Mischung aus Palladium, Nickel und Eisen, die bestimmten Mineralien aus Hydrothermalumgebungen ähnelt. Auch dabei bildete sich ADP aus AMP.
Dieses Experiment liefert eine mögliche Antwort auf einen Schritt, der vor dem Auftreten des Lebens stattgefunden haben musste: Wie konnten im Wasser Moleküle entstehen, die Energie aufnehmen und transportieren können, noch bevor es Enzyme gab?