Nach derzeitigem Kenntnisstand ist das irdische Leben vor etwa vier Milliarden Jahren aus einer abiotischen Umwelt hervorgegangen. Eine Forschungsgruppe um William Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf kommt nun zu dem Schluss, dass dieser folgenreiche Übergang von der Chemie zur Biologie nicht nur einmal, sondern zweimal stattgefunden hat.

Die beiden ursprünglichsten Domänen des zellulären Lebens sind die Bakterien und die Archaeen. Laut den Erkenntnissen von Martin & Co sind sie unabhängig voneinander entstanden. Beide hatten mutmaßlich einen gemeinsamen Vorfahren: ein hypothetisches zellähnliches Gebilde, das Fachleute als LUCA bezeichnen (für »last universal common ancestor«, deutsch: letzter universeller gemeinsamer Vorfahre). Der neuen Studie zufolge war LUCA selbst noch nicht vollständig lebendig – es war auf Metalle in der Umgebung angewiesen, die seinen Stoffwechsel aufrechterhielten und unter anderem in hydrothermalen Quellen zu finden sind. Aus LUCA seien unabhängig voneinander die Bakterien und die Archaeen hervorgegangen und hätten jeweils eigene Enzyme ausgeprägt, um lebensnotwendige chemische Reaktionen zu katalysieren, sagt Martin.

Einige Fachleute argumentieren, LUCA könne bereits eine komplexe Zelle gewesen sein. Doch die von ihnen verwendeten genetischen Methoden könnten in die Irre führen, erläutert Martin. Mithilfe eines metabolischen Ansatzes ermittelten er und sein Team, welche Gene erforderlich sind, um die Ausgangsstoffe auf der frühen Erde – etwa Wasserstoff, Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Wasser, Schwefelwasserstoff und Phosphate – in die lebensnotwendigen 20 Aminosäuren, fünf natürlichen Nukleotidsorten und 20 Kofaktoren umzuwandeln. »Es sind nur 420 chemische Reaktionen«, schildert Martin. Indem die Wissenschaftler die Genome von Bakterien und Archaeen verglichen, stellten sie fest, dass diese beiden Organismengruppen übereinstimmende Gene für etwa die Hälfte der Enzyme besitzen, die den grundlegenden Stoffwechsel ermöglichen. Der Rest ist entweder für Bakterien oder für Archaeen spezifisch, was darauf hindeute, dass die beiden Gruppen »den Weg zu frei lebenden Zellen zumindest teilweise unabhängig voneinander beschritten haben«, wie Natalia Mrnjavac vermutet, die Martins Arbeitsgruppe angehört und an der Studie beteiligt war.

LUCA könnte demnach ein Zusammenschluss aus RNA, DNA und Enzymen gewesen sein, der im Gestein hydrothermaler Quellen eingeschlossen war und die Metalle dieser Gesteine als Katalysatoren benötigte, um seinen Stoffwechsel aufrechtzuerhalten. Durch chemische Evolution könnte er Nachfahren hervorgebracht haben, die metallkatalysierte Reaktionen allmählich durch eigene enzymatische Prozesse ersetzten. Dafür spricht, dass Metalle in vielen grundlegenden Stoffwechselprozessen biologische Enzyme ersetzen können und umgekehrt die heutigen zellulären Enzyme in ihren aktiven Zentren oft Metallionen enthalten. So kann das Übergangsmetall Palladium die Umwandlung von Phosphiten, die in hydrothermalen Quellen reichlich vorhanden sind, zu Phosphaten katalysieren, die für das Leben eine entscheidende Rolle spielen.