Vor etwa vier Milliarden Jahren könnten zwei sehr unterschiedliche Arten primitiver Zellen ihre ersten Versuche unternommen haben, außerhalb hydrothermaler Quellen zu leben: Pionier-Bakterien und Pionier-Archaeen. Eine neue Studie in Science Advances argumentiert, dass diese beiden Zweige des Lebens den Zustand freilebender Zellen unabhängig voneinander erreicht haben — eine Herausforderung für die Annahme, dass alles zelluläre Leben von einem einzigen freilebenden Vorfahren abstammt.
Unter der Leitung von Natalia Mrnjavac und William Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf rekonstruierte ein internationales Team das vollständige Netzwerk der 420 Stoffwechselreaktionen, mit denen Zellen aus auf der frühen Erde verfügbaren Ausgangsstoffen — Wasserstoff, Ammoniak und CO2 — Aminosäuren, RNA-Bausteine und Vitamine herstellen.
Die Überraschung kam beim Vergleich der Enzyme, die diese Reaktionen katalysieren, über die Bakterien-Archaeen-Grenze hinweg. LUCA, der letzte universelle gemeinsame Vorfahr, scheint nur für etwa die Hälfte des Netzwerks Enzyme besessen zu haben; die andere Hälfte wurde von Metallen angetrieben, die in hydrothermalen Quellen natürlich vorkommen. „Je genauer wir hinschauen, desto deutlicher sehen wir, dass die frühe biochemische Evolution eine Mischung aus enzymatischen und metallischen Katalysatoren war", sagt Koautor Joseph Moran von der University of Ottawa.
Das Team rekonstruierte vier Stufen der Evolution biologischer Katalyse: vollständig metallgetriebene Reaktionen, eine hybride Phase bei LUCA und danach getrennte bakterielle und archäeale Wege, in denen jede Linie unabhängig strukturell unterschiedliche Enzyme für dieselben essenziellen Reaktionen entwickelte. „Solche parallelen Erfindungen könnten den Weg zur unabhängigen Entstehung freilebender Bakterien und Archaeen geebnet haben", sagt Mrnjavac.
Die Studie identifiziert zudem einen Kandidaten für die Energieversorgung vor der ATP-Ära: Phosphit — eine in hydrothermalen Quellen vorkommende Phosphorverbindung — reagiert in Gegenwart von Palladium mit organischen Verbindungen und treibt in Wasser über Nacht Stoffwechsel-Phosphorylierungen an, wobei es sowohl ATP als auch Enzyme ersetzt.
„Die neuen Daten lassen nur einen Schluss zu", sagt Martin. „Die bakteriellen und archäealen Linien haben den Übergang zum freilebenden Zustand unabhängig voneinander vollzogen. Nur freilebende Zellen sind lebendig. Wir blicken auf einen Ursprung des genetischen Codes, aber auf zwei Ursprünge des Lebens."
