Wasserstoff gilt als Energie der Zukunft. Ein neue Studie zeigt, wie das Gas schon vor mehr als vier Milliarden Jahren den ersten Zellen Energie lieferte. Hydrothermale Quellen spielten dabei eine wichtige Rolle.
Wasserstoff gilt als sauberer Brennstoff. Das Gas H2 verbrennt mit dem Sauerstoff der Luft und liefert dabei Energie, ohne dass das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht. Angesichts der Klimakrise gilt Wasserstoff deshalb als Energieform der Zukunft.
Schon Ur-Zellen nutzten Wasserstoff
Doch das Gas zu nutzen, ist keine Erfindung des Menschen. Schon zu Beginn des Lebens auf der frühen Erde lieferte Wasserstoff Energie für die ersten Zellen. Was diesen Prozess vor Milliarden von Jahren möglich machte, haben Forscher nun entschlüsselt.
Demnach reichten einige günstige Reaktionsbedingungen in hydrothermalen Quellen aus, um den chemisch komplexen Vorgang der Wasserstoffspaltung in Gang zu setzen.
Entstehung des ersten Lebens
Nach ihrer Entstehung vor mehr als 4,5 Milliarden Jahre kreiste die Ur-Erde als toter Gesteinsbrocken um die Sonne. In dieser glühend heißen Ödnis inmitten der unendlichen Weiten des Weltalls entwickelte sich aus chemischen Prozessen das erste Leben.
Dieses Ur-Leben war das älteste Glied in der endlosen Kette der Evolution, der Urahn und Urvater aller heutigen Lebewesen. Wissenschaftler haben ihn LUCA getauft – „Last Universal Common Ancestor“ –, den Letzten universellen gemeinsamen Vorfahren.
Urahn der Evolution
Nach dieser sogenannten monophyletischen (griechisch für einstämmig) Abstammungslehre lassen sich alle Daseinsformen auf der Erde – Menschen, Tiere, Pflanzen, Pilze und einzellige Formen – auf eine einzige Urform zurückführen. In allen bisherigen Theorien zur Evolution des Lebens auf der Erde ist man davon ausgegangen, dass LUCA vor 3,5 bis 3,8 Milliarden Jahren – also im späten Hadaikum oder frühen Archaikum, dem ersten Äon der Erdgeschichte – entstanden ist.
Forscher aus den Niederlanden haben gezeigt, dass der Urahn aller Evolution sehr viel früher existiert haben könnte – nämlich vor 4,32 bis 4,52 Milliarden. Und damit kurz nach der Entstehung unseres Planeten, wie sie im Fachmagazin „Nature“ berichten.
Entstehung der ersten Zellen
Der Ursprung von LUCA liegt in der Biochemie. Verschiedene chemische Bauteile verbanden sich auf der Ur-Erde zu neuen biochemischen Stoffen wie DNA, RNA und Proteine, den Grundbausteinen des Lebens. Aus diesen Prozessen bildeten sich die ersten Eukaryoten.
Diese Einzeller bilden neben Bakterien und Archaebakterien (sogenannten Prokaryoten, Lebewesen ohne Zellkern) eine von drei großen Organismen-Gruppen, die sich im Verlauf der Evolutionsgeschichte entwickelt haben. Charakteristisches Kennzeichen der Eukaryoten sind ihre komplex aufgebauten Zellen mit Zellkern und verschiedenen Organellen, die Organe der Zelle darstellen.
Wovon sich die Ur-Zellen ernährten
Diese Ur-Eukaryoten ernährten sich von Gasen und liebten es heiß. Ihren Energiebedarf deckten sie aus einfachen biochemischen Reaktionen ohne Hilfe von Sonnenlicht und Sauerstoff. Als Nahrung dienten den Ur-Einzellern Kohlendioxid, Stickstoff – und Wasserstoff.
Außerdem benötigte LUCA Metalle wie Eisen und Nickel sowie andere Elemente wie Schwefel und Selen für den Stoffwechsel. So gediehen die ersten Einzeller bei Temperaturen um 100 Grad Celsius in Hydrothermalquellen in der Tiefsee etwa im Atlantik, wo sie wahrscheinlich geochemische Energiequellen anzapften.
Ur-Zellen nutzten Wasserstoff als Brennstoff und Energielieferant
Was die Menschheit erst seit kurzem für entdeckt hat, kennen Bakterien, Prokaryoten und Eukaryoten schon seit Urzeiten. Schon die allerersten Zellen auf der Ur-Erde nutzen Wasserstoff als Brennstoff und Energielieferant, um damit ihre Lebensbausteine zu produzieren.
Das Gas stammte aus hydrothermalen Quellen wie Schwarze und Weiße Raucher (englisch: Black/White Smoker), die noch heute in der Tiefsee vorkommen. In diesen warmen Quellen gibt es kein Licht oder Sauerstoff, aber chemische Energie – unter anderem in Form des Wasserstoffs.
Wie funktioniert die Spaltung von Wasserstoff?
Wie die ersten Zellen Wasserstoff als Energiequelle nutzen, war bisher nicht genau geklärt. Wasserstoff ist eine uralte Energie. Die allerersten Zellen auf der Erde lebten von H2, das in hydrothermalen Schloten produziert wurde. Sie nutzten die Reaktion von H2 mit CO2, um die Moleküle des Lebens herzustellen.
Mikroben, die durch die Reaktion dieser beiden Gase gedeihen, können in völliger Dunkelheit leben und Lebensräume wie hydrothermale Schlote in der Tiefsee oder heiße Gesteinsformationen tief in der Erdkruste bewohnen. Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass dort das Leben entstanden ist.
Eine Studie, die in der Fachzeitschrift „PNAS“ (The Proceedings of the National Academy of Sciences) veröffentlicht worden ist, zeigt, wie die ersten Zellen auf der Ur-Erde dazu kamen, H2 als Energiequelle zu nutzen. Autoren der Studie ist ein Team um William F. Martin und Max Brabender von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Martina Preiner vom Max-Planck-Institut (MPI) für terrestrische Mikrobiologie in Marburg.
Hydrothermalquellen als Ursprungsort des Lebens
Um aus Wasserstoff Energie zu gewinnen, müssen die Zellen das H2-Molekül zunächst aufspalten und dessen Elektronenpaar auf spezielle Weise aufteilen, wobei die Elektronen energetisch „bergauf“ befördert werden. „Das ist so, als würde man einen Fluss bitten, bergauf statt bergab zu fließen“, erläutert Brabender.
Wie haben die frühen evolutionären Zellen diese energetische Aufwärtsreaktion bewerkstelligt? „Wir haben einen Prozess identifiziert, der einfacher nicht sein könnte und der unter den natürlichen Bedingungen der Hydrothermalquellen funktioniert“, sagt Martin.
„Das passt gut zu der Theorie, dass das Leben in solchen Umgebungen entstanden ist“, ergänzt Co-Autorin Natalia Mrnjavac von der Universität Düsseldorf. „Solche einfachen chemischen Reaktionen können eine wichtige Lücke im Verständnis des komplexen Entstehungsprozesses der Evolution schließen.“