LONDON (IT BOLTWISE) – Ein internationales Team rekonstruiert zentrale Schritte der frühen Evolution von Bakterien und Archaeen bis in die Phase vor vollständigen Enzymnetzwerken. Die Analyse von Genomen, Proteinstrukturen und 420 Stoffwechselreaktionen legt nahe, dass der letzte gemeinsame Vorfahr LUCA nur für etwa die Hälfte der Reaktionen Enzyme besaß. Die restlichen Prozesse hätten stattdessen durch natürlich vorkommende Metalle in hydrothermalen Quellen funktioniert. Für den Übergang in den freilebenden Zustand schlagen die Forschenden eine phosphorylierende Energiequelle aus Phosphit und Palladium vor.
Zwei Ursprünge des Lebens: Bakterien und Archaeen entwickelten sich unabhängig (Foto: IT BOLTWISE)
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Das berühmte Rätsel „Wie begann Leben?“ wirkt oft wie ein rein biologisches Thema. Die neue Arbeit, die den Ursprung von Stoffwechselwegen in den Vordergrund rückt, verschiebt den Schwerpunkt jedoch deutlich in Richtung Chemie und Systemlogik: Ein Enzymnetz entsteht nicht aus dem Nichts, sondern baut sich in Stufen auf. Im Zentrum steht die Frage, wie sich frühe Zellen von geochemischen Reaktionen in hydrothermalen Quellen zu einem autonomen Stoffwechsel entwickelten, der später auch ohne direkte Unterstützung der Umgebung überlebensfähig wurde. Statt allgemeiner Evolutionsbilder liefern die Forschenden eine rekonstruierbare Schrittfolge, die sie aus heutigen Daten ableiten.
Technisch betrachtet gehen die Autoren über eine reine Stammbiumspekulation hinaus und kombinieren Genome, Proteinstrukturen und Stoffwechselreaktionen zu einem gemeinsamen Modell. Für die Einordnung nutzten sie 420 chemische Reaktionen, mit denen Zellen aus Wasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid Bausteine herstellen können, etwa Aminosäuren, RNA-Basen und Vitamine. Dass diese Reaktionen in späteren Organismen erhalten geblieben sind, macht sie zu einem stabilen „Archiv“ der frühen Biologie. Besonders spannend ist dabei die von Studienleiter Prof. Dr. William Martin betonte Beobachtung: Trotz identischer Reaktionsziele sind die Enzyme der beiden Lebenslinien offenbar nicht miteinander verwandt. Das spricht dafür, dass sich ähnliche Stoffwechselwege parallel durchgesetzt haben, nicht als einmaliger Baukasten, der später nur „weitervererbt“ wurde.
Die Analyse führt damit auch zu einer konkreten Abschätzung für LUCA, den letzten gemeinsamen Vorfahren aller heute lebenden Zellen. Den Berechnungen zufolge verfügte LUCA lediglich über Enzyme für ungefähr die Hälfte der untersuchten Stoffwechselreaktionen. Die übrigen Schritte hätten durch natürlich vorkommende Metalle ermöglicht werden können. Damit wird das bekannte Bild von hydrothermalen Quellen als chemischen „Geburtsstätten“ deutlich präziser: Dr. Harun Tüysüz verweist darauf, dass in diesen Umgebungen Metalle vorkommen, die überraschend viele Enzymfunktionen im frühen Stoffwechsel ersetzen können. Das Modell verbindet damit zwei Katalysewelten—Metallkatalyse und Enzymkatalyse – zu einer zeitlich abgestuften Entwicklung.
Welche Reihenfolge dabei wahrscheinlich war, rekonstruieren die Forschenden in vier Entwicklungsphasen. Zuerst dominierten dem Ansatz zufolge ausschließlich metallkatalysierte Reaktionen; Enzyme spielten zu diesem Zeitpunkt also noch keine durchgängige Rolle. Danach entstand mit LUCA ein hybrider Stoffwechsel, in dem sowohl metallische Katalysatoren als auch Enzyme gemeinsam arbeiteten. Erst anschließend trennten sich die Entwicklungslinien von Bakterien und Archaeen. Wichtig ist dabei die Unabhängigkeit der letzten Schritte: Beide Linien entwickelten für dieselben essenziellen Reaktionen eigene, strukturell unterschiedliche Enzyme. Mrnjavac beschreibt genau diese Parallelen: Die Vorfahren beider Gruppen hätten unabhängig voneinander Enzymlösungen gefunden, um dieselbe Reaktionslogik anzustoßen. Dadurch gewinnt die These an Plausibilität, dass der Schritt weg von der direkten Hydrothermalquelle nicht nur einmal, sondern gleich zweimal „funktional“ gelungen sein könnte.
Ein zweiter Engpass betrifft die Energieumwandlung. Viele Lehrbücher setzen ATP als zentralen Energie-Knoten voraus – ohne es wird es schwer, stabile Energie- und Syntheseprozesse über längere Zeiträume zu betreiben. Offen blieb aber, wie frühe Stoffwechselwege Energie schon vor der Etablierung von ATP überhaupt handhaben konnten. Die Studie setzt hier auf eine spezifische Alternative: Die Doktorandin Manon Schlikker identifiziert eine neue phosphorylierende Energiequelle metabolischen Ursprungs—Phosphit und Palladium. Beide Stoffe könnten frühe Phosphorylierungsreaktionen ermöglichen und damit in frühen Systemen ATP sowie die dazugehörigen Enzyme teilweise ersetzen. Für die frühe Evolution ist das mehr als eine chemische Randnotiz, denn Phosphorylierung ist ein wiederkehrender Mechanismus, um Reaktionsketten anzutreiben und Zwischenprodukte in eine „reaktionsbereite“ Form zu bringen.
Um die Rekonstruktion nicht nur qualitativ, sondern zeitlich einzuhegen, entwickelt das Team ein neuartiges mathematisches Verfahren, mit dem es die Stoffwechselreaktionen nach ihrer vermuteten Entstehungsreihenfolge ordnet. Aus dieser Ordnung ergibt sich ein konsistentes Bild der frühen Evolution: zuerst geochemisch getriebene Schritte, dann die zunehmende Einbindung enzymatischer Katalyse, schließlich die Stabilisierung in getrennten Linien. Das Entscheidende für den Biologie-Teil ist dabei die Mustererkennung über viele Reaktionen hinweg: Wenn sich gleiche Reaktionsziele mit unterschiedlichen Enzymen durchsetzen, ist das ein Hinweis auf Konvergenz in der Funktion bei Divergenz in der Ausführung. Genau darauf läuft auch die Zusammenfassung von Martin hinaus: Bakterien und Archaea hätten den Übergang von den Hydrothermalquellen in den freilebenden Zustand unabhängig voneinander vollzogen. Um es mit seiner Formulierung auf den Punkt zu bringen, gibt es einen Ursprung des genetischen Codes, aber zwei Ursprünge des Lebens.
Für die Einordnung in die Forschungspraxis ist die Arbeit damit sowohl ein Modell- als auch ein Methodenbeitrag. Modellbeitrag, weil sie die Chemie der frühen Erde systematisch in die Biologie „übersetzt“: nicht nur welche Reaktionen denkbar sind, sondern wie sie sich wahrscheinlich in Stufen zusammensetzen. Methodenbeitrag, weil die Kombination aus Reaktionsarchitektur, Enzymstruktur und mathematischer Reihenfolgeabschätzung eine Richtung vorzeichnet, wie man aus heutigen Genomen auf frühe metabolische Zwischenstadien schließen kann. Gleichzeitig erinnert das Ergebnis an einen grundsätzlichen Punkt der Evolutionstheorie: Selbst wenn zwei Linien am Ende sehr ähnliche Lebensfunktionen erreichen, kann der Weg dorthin strukturell unterschiedlich gewesen sein – und zwar so, dass man diese Unterschiede in der Gegenwart noch „lesen“ kann.
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