Universität Düsseldorf: Zeitreise durch die Forschung zu Hydrothermalquellen

An Tiefsee-Hydrothermalquellen gedeihen ganze Ökosysteme in völliger Finsternis. Am Anfang ihrer Nahrungskette stehen chemische Energieträger wie molekularer Wasserstoff. Seit ihrer Entdeckung werden Hydrothermalquellen im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens diskutiert, weil die Erde dort die chemische Energie spendet. Die chemischen Bedingungen an Hydrothermalquellen sind für die Umwandlung von CO₂ in organische Substanzen – die Bausteine des Lebens – förderlich. Stand eine solche Chemie am Anfang des Lebens?

Im Jahr 1977 entdeckte eine Gruppe von Meeresgeologen um Jack Corliss (geb. 1936) und Tjeerd van Andel (1923–2010) auf einer Expedition geothermisch aktive Hydrothermalquellen auf dem Meeresgrund im Galapagos Rift in der Umgebung der Galapagosinseln: Die Schwarzen Raucher. Die Wissenschaftler befanden sich auf dem Forschungs-U-Boot DSV Alvin, das von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) betriebenen wurde. Die entdeckten Geysire der Tiefsee stoßen Eisen- und Schwefelminerale aus, zudem Gase wie Methan und Schwefelwasserstoff. Proben der Schlote wurden während des Tauchgangs entnommen. Man fand eine dichte Besiedelung von Bakterien und Archaeen sowie großen Würmern – ein blühendendes Ökosystem fernab des Sonnenlichts. Seither vermuten Biologen, dass sich das Leben an solchen Hydrothermalquellen entwickelt hat, weil diese Energie und Nährstoffe liefern und geschützt sind vor Naturkatastrophen an der Oberfläche des Planeten.

DSV ALVIN MODELL: Mit dem Deep Submergence Research Vehicle (Tiefsee-Forschungsfahrzeug) Alvin wurde die Expedition unternommen, bei der 1977 die ersten Hydrothermalquellen (Schwarze Raucher) entdeckt wurden. Es ist ein Tiefsee-U-Boot mit einer Länge von 7 Metern und einem Gewicht von 16 Tonnen. Der Eigentümer der Alvin ist die United States Navy. Betrieben wird das U-Boot derzeit von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

Die ersten Hydrothermalquellen wurden 1977 im Galapagos Rift in der Umgebung der Galapagosinseln entdeckt. Abb.: Solar System Scope (http://solarsystemscope.com/textures), Markierungen wurden eingefügt.

Die zuerst entdeckten Hydrothermalquellen wurden als Schwarze Raucher bezeichnet. Sie beherbergen hochdiversifizierte Ökosysteme, deren Energiequelle größtenteils vom Vulkanismus am Meeresboden stammt. Ihre Schlote zeigen das Bild eines Urhabitats auf der frühen Erde, mit reaktiven Gasen, gelösten Übergangsmetallen und thermischen sowie chemischen Gradienten. Die Schwarzen Raucher, liegen in der Regel direkt über den Spreizungszonen am mittelozeanischen Rücken. Dort, wo die Kontinente auseinanderdriften, sitzt circa 1–3 km unterhalb des Meeresbodens eine Magmakammer. Durch Risse im Meeresboden in der Nähe der Spreizungszone fließt kaltes Meerwasser kilometerweit in die Erdkruste hinab, wo es in unmittelbare Nähe der Magmakammer (circa 800–1200 °C) gelangt. Das erhitzte Wasser steigt dann in einem Konvektionsstrom auf und tritt am Schwarzen Raucher mit einer Temperatur von bis zu 400 °C wieder ins Meer aus. Das austretende Wasser ist nicht nur sehr heiß, sondern auch sehr sauer (pH 2–3) und enthält große Mengen gelöster Metalle wie Eisen und Mangan sowie Wasserstoff (H₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Schwefelwasserstoff (H₂S) und Methan (CH₄). So entsteht der Eindruck einer schwarzen Rauchwolke, die aus röhrenartigen Gebilden quillt. Die gelösten Gase bilden die Lebensgrundlage von mikrobiellen Gemeinschaften, die am Anfang der Nahrungskette der Ökosysteme an Schwarzen Rauchern stehen.

Bald nach ihrer Entdeckung wurden sie vom amerikanischen Biologen John Baross (geb. 1940) konkret in Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens diskutiert, weil diese Systeme geochemisch äußerst reaktive Bedingungen bieten, eine wichtige Voraussetzung für präbiotische Synthesen. Anhänger der Ursuppentheorie blieben aber extrem skeptisch, dass Hydrothermalquellen für den Ursprung des Lebens überhaupt relevant sein könnten. Immerhin ist das Wasser an der Austrittstelle von Schwarzen Rauchern bis zu 400 °C heiß, während der Temperaturrekord für mikrobielles Wachstum „nur“ bei 121 °C liegt.

Schwarzer Raucher an einer Hydrothermalquelle auf dem mittelozeanischen Rücken.

Bald nach der Entdeckung der ersten Hydrothermalquellen wurden sie in Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens diskutiert, weil diese Systeme geochemisch äußerst reaktive Bedingungen bieten, eine wichtige Voraussetzung für präbiotische Synthesen. John Baross (geb. 1940), Jack Corliss (geb. 1936) und Sarah E. Hoffman waren die ersten Forscher*innen, die Hypothesen über eine Beziehung zwischen hydrothermalen Tiefseequellen und dem Ursprung des Lebens aufstellten. Sie schlugen vor, dass eine Mischung aus metallhaltigen Mineralien in Kontakt mit Gasen wie Kohlendioxid und Ammoniak zu präbiotisch wichtigen Bausteinen führt. Anhänger der Ursuppentheorie blieben aber skeptisch, dass Hydrothermalquellen für den Ursprung des Lebens überhaupt relevant sein könnten, da das Wasser an der Austrittstelle von Schwarzen Rauchern bis zu 400 °C heiß ist, während der Temperaturrekord für mikrobielles Wachstum „nur“ bei 121 °C liegt.

ERSTE HYPOTHESEN ZUM URSPRUNG DES LEBENS AN SCHWARZEN RAUCHERN: Kurz nach der Entdeckung der Schwarzen Raucher stellten Corliss, Baross und Hoffman 1981 in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Oceanologica Acta" die erste Hypothese zum Ursprung des Lebens an Schwarzen Rauchern auf. Sie schlossen durch eine Reihe von Beobachtungen aus fossilhaltigem Gestein, modernen submarinen hydrothermalen Systemen, experimentellen und theoretischen Arbeiten zur abiotischen Synthese organischer Moleküle und primitiven organisierten Strukturen sowie zu Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen, dass unterseeische heiße Quellen der Ort für die Synthese waren von organischen Verbindungen bis hin zu den ersten lebenden Organismen auf der Erde. Hatten aber die für eine Entstehung von Leben zu heißen Temperaturen nicht im Blick.

Auch der Chemiker Günter Wächtershäuser (geb. 1938) schlägt in einer Artikelserie zwischen 1988 und 1992 vor, dass die früheste Lebensform aus einem vulkanischen hydrothermalen Feld bei hohem Druck und hoher Temperatur stammt. Er stellte die Hypothese auf, dass sich frühes Leben auf der Oberfläche von Eisen-Schwefel-Mineralen gebildet haben könnte und etablierte den Begriff Eisen-Schwefel-Welt. Er koppelte die Bildung komplexer Biomoleküle an eine kontinuierlich verfügbare und verlässliche Energieversorgung. Die Energie komme dabei aus der Reduktion von Schwefel in Eisen-Schwefel-Mineralen wie Pyrit (FeS₂) mit elementarem Wasserstoff (FeS₂ + H₂⇌ FeS + H₂S). Die Reaktion liefere genug Energie, um eine präbiotische Ammoniaksynthese und auch eine Synthesereaktion für Bausteine von Biomolekülen und deren Polymerisierung anzutreiben. Seine Idee ist, dass, sobald ein primitiver autokatalytischer Metabolismus etabliert war, eine Chemie in Gang gesetzt wurde, die immer komplexere organische Verbindungen, immer komplexere Stoffwechselwege und immer komplexere katalytische Zentren hervorbrachte.

PYRIT: Pyrit ist ein goldglänzendes, hartes Mineral, das in der Regel jedoch kein Gold enthält. Aufgrund seiner Farbe, aber wegen des fehlenden Golds, wird es auch Katzengold genannt. Der Name Pyrit ist griechischen Ursprungs und heißt wörtlich übersetzt Feuerstein. Dies geht auf die Eigenschaft von Pyrit zurück, beim Aneinanderschlagen gegen Feuersteine Feuer entfachen zu können. Pyrit ist hydrothermalen Ursprungs. Schwarze Raucher am Boden der Tiefsee stoßen große Mengen an Eisen-Schwefel-Verbindungen aus, die im kalten Wasser zu dem Mineral Pyrit ausfallen.

Die unterseeischen heißen Hydrothermalquellen wurden vor weniger als 50 Jahren entdeckt. Seit ihrer Entdeckung haben die Menschen sie als eine Alternative zu einer Ursuppe in Betracht gezogen. Diese Idee wird von ihren Kritikern oft mit der Begründung verworfen, dass Hydrothermalquellen einfach zu heiß sind, um irgendetwas mit der Entstehung des Lebens zu tun zu haben. Obwohl weniger warme Hydrothermalquellen seit mindestens 30.000 Jahren existieren, waren sie in den 1990er Jahren noch unbekannt. Noch bevor sie entdeckt wurden, dachte Michael J. Russell (geb. 1939) über den Ursprung des Lebens in Eisensulfidblasen an warmen, alkalischen Unterseequellen nach. Er schrieb dazu im Jahr 1994 in seinem Artikel "A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life" (Journal of Molecular Evolution 39, 231–243):

»Wir schlagen vor, dass das Leben aus wachsenden Aggregaten von Eisensulfidblasen hervorgegangen ist, die alkalische und stark reduzierte hydrothermale Lösungen enthalten. Diese Blasen wurden vor vier Milliarden Jahren hydrostatisch an sulfidischen heißen Quellen unter Wasser aufgeblasen, die in einiger Entfernung von ozeanischen Ausbreitungszentren liegen.« (S. 231)

Die Entstehung des Lebens an Hydrothermalquellen vom Typ Schwarze Raucher wurde von vielen Kritikern skeptisch gesehen, da die Umgebung dort zu heiß ist. Es stimmt zwar, dass bei etwa 400 °C kein Leben hätte entstehen können, aber es stimmt nicht, dass alle hydrothermalen Quellen so heiß sind. Einige hydrothermale Quellen sind viel kühler als die berühmten, ursprünglich entdeckten Schwarzen Raucher. Solche warmen, alkalischen Tiefsee-Hydrothermalquellen wurden im Jahr 2000 von Deborah Kelley (geb. 1958) und ihren Kollegen entdeckt, dessen austretendes Wasser eine Temperatur um die 40–90 °C hat. Diese Hydrothermalquellen befinden sich in einem Hydrothermalfeld namens Lost City (Verlassene Stadt). Es befindet sich in ca. 800 Metern Tiefe im Atlantis-Massiv, einem Gebirge am Grund des mittleren Atlantiks. Systeme wie Lost City haben sehr günstige Eigenschaften, wenn es um den Ursprung des Lebens geht. Ein sehr wichtiger Unterschied zwischen dem Lost-City-System und den Schwarzen Rauchern ist, dass Lost City einige Kilometer von der Spreizungszone entfernt liegt – mit der Folge, dass das Hydrothermalwasser zwar auch kilometertief durch die Erdkruste in einem Konvektionsstrom zirkuliert, aber nicht in Kontakt mit einer Magmakammer gerät. In der Erdkruste wird das absteigende Meerwasser auf etwa 150–200 °C erhitzt, beim Wiedereintritt ins Meer beträgt seine Temperatur jedoch nur noch etwa 40–90 °C. Ein weiterer wichtiger Unterschied ist, dass das Hydrothermalwasser bei Lost City durch Gestein fließt, das sehr viel Magnesium und Eisen und sehr wenig Kieselsäure enthält. Die Folge ist, dass das austretende Wasser bei Lost City sehr alkalisch ist (pH 9–11). Im Gegensatz zu den Schwarzen Rauchern, die eher kurzlebig sind, ist Lost City seit circa 100.000 Jahren aktiv. Das Austrittswasser bei Lost City enthält sehr viel Wasserstoff (H₂), Methan (CH₄), sowie andere kurzkettige Kohlenwasserstoffe, aber so gut wie kein Kohlenstoffdioxid (CO₂). Hydrothermalquellen vom Typ Lost City bieten in vielerlei Hinsicht eine konzeptionelle Alternative zur Ursuppe. Sie katalysieren sogar chemische Reaktionen, die auffällige Ähnlichkeiten mit den energieliefernden Hauptreaktionen mancher Mikroorganismen zeigen.

ORT DER ENTDECKUNG: Lost City wurde im Dezember 2000 entdeckt und befindet in ca. 800 Metern Tiefe im Atlantis-Massiv, einem Gebirge am Grund des mittleren Atlantiks. Solar System Scope (http://solarsystemscope.com/textures), Markierungen wurden eingefügt.

WEISSER RAUCHER: Das Bild zeigt die Spitze eines der Schlote bei Lost City, aufgenommen mit dem Tiefsee-Tauchboot Alvin im Jahr 2003. Die fingerähnlichen Carbonat-Ablagerungen sind Heimat für dichtbewachsene Kolonien von Bakterien, Archaeen und Würmern. Der Schlot befindet sich auf der Ostseite von Lost City bei einer Wassertiefe von ca. 750 m. Der Roboterarm von Alvin ist links im Bild zu sehen.

Nachbildung der Oberfläche einer submarinen Lost City-Hydrothermalquelle. Durch Reaktionen im Gestein lagert sich Anhydrit ab und Sulfide von Kupfer, Eisen und Zink fallen an den Öffnungen aus, wodurch sich schlotförmige Gebilde formen, die mit der Zeit immer weniger porös werden und in die Höhe wachsen. Es sind röhren- oder kegelförmige Gebilde aus Calciumcarbonat (Kalk) und Kieselsäure.

Seit der Entdeckung der Hydrothermalquellen werden sie im Zusammenhang mit der Entstehung des Lebens diskutiert. In Hydrothermalquellen am Meeresboden wachsen Niederschlagsmembranen an der Grenze zwischen Meerwasser und mineralreicher Flüssigkeit, die aus der Quelle strömt, und bilden die charakteristischen Schlote. Solchen Membranen wird zunehmend eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens zugeschrieben, ihre Bioenergetik ist jedoch unklar. Daher nutzen einige Wissenschaftler*innen die sogenannten Chemischen Gärten, um an ihnen Klarheit über den Ursprung des Lebens an Hydrothermalquellen zu gewinnen.

Der Chemische Garten ist ein faszinierendes Experiment aus der Chemie. Die Gärten bilden sich, wenn Metallsalzkristalle wie Eisenchlorid mit Wasserglas – einer sirupartigen Lösung aus Natriumsilikat – oder anderen Lösungen, die bestimmte Anionen enthalten, in Kontakt kommen. Die verdrehten Ausscheidungen, die aus dem Kristall sprießen, sind poröse Strukturen. Die kaminähnlichen Rohre brechen und bilden sich neu, wenn das Wasser, das durch sie fließt, Druck auf sie ausübt. Wenn ein solcher Schlot im alten (vermutlich sauren) Ozean existierte, hätte sich an der Schnittstelle zwischen Schlot und Ozean ein Gradient gebildet. Gradienten sind voller potenzieller Energie. In Lebewesen sind Gradienten so konserviert wie der genetische Code selbst. Die Biologie nutzt den Fluss von Ionen durch eine Zellmembran, um die Produktion des Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP), einem vielseitigen Brennstoff, anzutreiben. Das Leben benötigt einen Vermittler für diesen speziellen Prozess (ein Protein), aber die Chemie von Lost City könnte die Reaktion katalysiert haben.

Chemische Gärten bilden sich, wenn Metallsalzkristalle (wie Eisenchlorid, Aluminate, Chromate, Phosphate) mit Wasserglas – einer sirupartigen Lösung aus Natriumsilikat – das bestimmte Anionen enthält, in Kontakt kommen. Die verdrehten Ausscheidungen, die aus dem Kristall sprießen, sind poröse Strukturen. Die kaminähnlichen, hohlen Rohre brechen und bilden sich neu, wenn das Wasser, das durch sie fließt, Druck auf sie ausübt. Chemiegärten leben nicht, aber sie sind ein lebendiges Schaufenster für die Chemie der Niederschläge. Diese Arten von Niederschlägen bilden sich auch in natürlichen Umgebungen, den Hydrothermalquellen. Wenn die Ionen im hydrothermalen Ausstrom auf die im Meerwasser treffen, ist das Ergebnis ein Niederschlag von massivem Ausmaß, manchmal viele Stockwerke hoch. Bestimmte Ionen aus dem Natronwasserglas (Silikat-Anionen, (1)) bilden mit bestimmten Ionen der Metallsalze (Metall-Kationen) eine Silikat-Haut. Diese umwickelt jeden Metallsalz-Kristall (2). Die Silikat- Haut arbeitet wie eine semipermeable Membran: Die Ionen des Metallsalzes können die Silikat-Haut nicht passieren. Wassermoleküle aus dem Natronwasserglas können jedoch durch die Silikat-Haut gelangen und werden nach innen Richtung Metallsalz-Kristall unter die Silikat-Haut gezogen (3). Bei diesem Vorgang dehnt sich die Silikat-Haut aus. Der sich unter der Silikat-Haut aufbauende Druck bringt diese zum Platzen (4). Beim Platzen wird ein Flüssigkeitsstrahl in die umgebende Lösung ausgestoßen (5). An jeder der Bruchstellen der Silikat-Haut entwickeln sich röhrenförmige Fasern, die bis zu mehrere Zentimeter lang werden können. Da der Salzgehalt an der Spitze des Gebildes am niedrigsten ist, wachsen die Gebilde hauptsächlich nach oben. So entstehen die charakteristischen Chemischen Gärten mit ihren faszinierenden Gebilden.

CHEMISCHE GÄRTEN: Grün: Nickel(II)-sulfat, braun: Eisen(III)-chlorid, blau: Kupfer(II)-sulfat

Die Frage nach der Herkunft von Methan, Wasserstoff und den kurzen Kohlenwasserstoffen im austretenden Hydrothermalwasser von Lost City führt uns zu einem überaus wichtigen und interessanten Prozess, der für den Ursprung des Lebens hochrelevant sein könnte: die Serpentinisierung. Die Serpentinisierung ist eine geochemische Reaktionsfolge in der Erdkruste, die durch Hydrothermalsysteme in Gang gesetzt wird. Benannt ist der Prozess nach dem Gestein Serpentinit, das dabei gebildet wird. Unterhalb von Lost City besteht der Meeresboden größtenteils aus Serpentinit. Bei der Serpentinisierung entsteht Wasserstoff aus Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein in der Erdkruste. Wasser wird durch Risse in der Erdkruste (durch die Schwerkraft) bis in eine Tiefe von einigen Kilometern gezogen. Fasst man das Geschehen auf das Wesentliche zusammen, wird ein Teil des Eisens (Fe²⁺) im Mineral (Olivin) durch Wasser oxidiert (zu Fe³⁺), wie es im Gestein Magnetit vorliegt. Es entsteht Serpentinit und eisenhaltiges Brucit, welches wiederum mit Kieselsäure reagiert und wiederum Serpentinit, aber auch Magnetit entsteht. Die Oxidation hinterlässt bei Fe³⁺ ein Elektron weniger als es bei Fe²⁺ der Fall war. Das bedeutet, dass das eine Elektron irgendwo hingehen muss, es muss etwas reduziert werden. Wohin gehen die Elektronen während der Serpentinisierung? Sie produzieren Wasserstoff aus Wasser, das als Gas im Hydrothermalwasser gelöst ins Meer getragen wird. Einige Elektronen können auch zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) gehen, um organische Verbindungen (u.a. auch Methan) zu erzeugen. Dieser Prozess der organischen Synthese innerhalb der Erde ist sehr interessant im Kontext eines frühen Lebens. Wasserstoff ist für viele Mikroben auch heute noch eine lebenswichtige Form von chemischer Energie.

Serpentinisierung findet auch in den Hydrothermalsystemen unter Schwarzen Rauchern statt, aber unser Fokus für den Ursprung des Lebens bleibt bei Lost City, weil diese alkalisch und nicht zu heiß sind. Der alkalische pH-Wert ist die Folge des Prozesses: der Serpentinisierung.

SERPENTINISIERUNG: Wasser wird durch Risse in der Erdkruste (durch die Schwerkraft) bis in eine Tiefe von einigen Kilometern gezogen. Dadurch finden Reaktionen in den Gesteinen der Erdkruste statt, bei denen Serpentinit, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid entstehen.

OLIVIN: Olivine sind die häufigsten Silikate und gesteinsbildenden Minerale. Sie bilden den Hauptbestandteil des oberen Erdmantels. Je mehr Eisen der Olivin enthält, um so kräftiger ist seine grüne Farbe. Stücke mit weniger Eisen enthalten mehr Magnesium, was sie gelblich erscheinen lässt. Der Name Olivin leitet sich von der olivgrünen Farbe (lat. oliva) des Minerals ab. Olivin ist das Ausgangsmineral der Serpentinisierung.

SERPENTINIT/SERPENTIN: Serpentinite gehören zu der Gruppe der kristallisierten Silikat-Gesteine. Der Name Serpentin stammt aus dem Lateinischen von dem Wort „serpens“ ab, was Schlange bedeutet. Die Namensgebung beruht auf der charakteristischen Musterung, die an die einer Schlange erinnert. Serpentinit entsteht in der Erdkruste beim Prozess der Serpentinisierung. Dabei werden die Ausgangsgesteine unter Wirkung hydrothermaler Lösungen umstrukturiert, so dass aus Olivin Serpentinminerale werden.

MAGNETIT: Magnetit ist ein Eisenoxid und hat den höchsten Eisenanteil unter allen Mineralien und ist der stärkste mineralische Magnet. Der Name Magnetit leitet sich von den magnetischen Eigenschaften ab. Magnetit kann durch hydrothermale Veränderungen des Eisenanteils verschiedener Vorläuferminerale in Hydrothermalquellen entstehen. In Serpentiniten ist der Magnetitgehalt oft so hoch, dass das Gestein erkennbar von einem Magneten angezogen wird.

Das Gestein am Meeresboden von Lost City besteht größtenteils aus Serpentinit. Dieses entsteht beim geochemischen Prozess der Serpentinisierung in der Erdkruste. Ein Nebenprodukt ist molekularer Wasserstoff (H₂), aber auch Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Methan (CH₄) können sich bilden. Der aus der Serpentinisierung stammende H₂ reduziert kontinuierlich CO₂. Die CO₂-Reduktion steht am Anfang aller Ökosysteme, denn das Leben besteht aus reduzierten Kohlenstoffverbindungen, die letztendlich alle aus CO₂ stammen. Möglicherweise liefern die geochemischen Reaktionen bei Lost City wichtige Hinweise auf den Übergang von geochemischen Prozessen zu biochemischer Evolution beim Ursprung des Lebens. Heute gibt es nur zwei Gruppen von Organismen, die CO₂ in den globalen biologischen Kohlenstoff-Kreislauf einbringen: Photoautotrophe und Chemoautotrophe. Erstere nutzen die Energie des Sonnenlichts, um CO₂ zu fixieren. Letztere nutzen rein chemische Energie, beispielsweise in der Form von H₂, der als zentraler Elektronen-Spender im Stoffwechsel vieler Prokaryoten dient. Hier ragen anaerobe energieliefernde Stoffwechselreaktionen (= Reaktionen ohne die Beteiligung von Sauerstoff ) von Mikroben (Methanogene und Acetogene) hervor, an denen H₂ als Elektronenspender beteiligt ist, weil sie Energie durch Reduktion von CO₂ synthetisieren. So gibt es bemerkenswerte Parallelen zwischen der Chemie des H₂/CO₂-Paares, das in hydrothermalen Quellen vorkommt, und den energieliefernden Stoffwechselreaktionen einiger moderner prokaryotischer Organismen. Die Biochemie dieser Mikroben könnte wiederum Hinweise auf die Art von Reaktionen enthalten, die die Chemie des Lebens initiiert haben. Diese Idee wurde durch die Zusammenarbeit von William F. Martin (geb. 1957) von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Michael J. Russell (geb. 1939) immer konkreter. Martins Ansichten über die zentrale Rolle des Wasserstoffs im Kohlenstoffstoffwechsel passen in das geochemische Umfeld, das alkalische Hydrothermalquellen bieten. Der geochemische Ansatz von Kohlendioxid und Wasserstoff zu simplen organischen Molekülen und der biologische Ansatz, bei dem die molekulare Evolution in den Zellen betrachtet wird, führten beide Wissenschaftler zur selben Schlussfolgerung: Hydrothermalquellen vereinen die Geologie und Mikrobiologie, um der Erforschung einer der wichtigsten Fragen der Biologie neues Leben einzuhauchen – was ist der Ursprung des Lebens? Könnten die modernen Stoffwechselwege „geochemische Fossilien“ sein?

ERSTE HYPOTHESEN ZUM URSPRUNG DES LEBENS AN WEISSEN RAUCHERN: Kurz nach der Entdeckung der Weißen Raucher stellten der Biologe William F. Martin (HHU) und der Geochemiker Michael J. Russell in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Philosophical Transactions B" die erste Hypothese zum Ursprung des Lebens an Weißen Rauchern auf. Sie schlugen vor, dass sich das Leben in strukturierten Eisenmonosulfid-Präzipitaten in einem hydrothermalen Hügel einer Versickerungsstelle bei einem Redox-, pH- und Temperaturgradienten zwischen sulfidreicher hydrothermaler Flüssigkeit und Eisen(II)-haltigem Wasser des Meeresbodens entwickelt hat. Die natürlich entstehende, dreidimensionale Kompartimentierung weist darauf hin, dass diese anorganischen Kompartimente die Vorläufer von Zellwänden und Membranen waren, die in freilebenden Prokaryoten zu finden sind.

Alle verfügbaren geochemischen, mikrobiologischen, chemischen, physikalischen und bioinformatischen Informationen zu Hydrothermalquellen und ursprünglichen Mikroben machten es William F. Martin (geb. 1957) von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf möglich, ein Bild der Entstehung des Lebens an alkalischen Hydrothermalquellen zu generieren. Am Grund des Ozeans in den alkalischen Hydrothermalquellen, den Weißen Rauchern, fand die für den Ursprung des Lebens relevante Chemie statt. Das in der Erdkruste zirkulierende Wasser an den Hydrothermalquellen der Weißen Raucher kommt einer Magmakammer nie nah und hat bei Wiedereintritt in den Ozean eine Temperatur von unter 100 °C. Unter diesen Bedingungen findet der Prozess der Serpentinisierung statt, der für den Ursprung des Lebens sehr wichtig ist, denn sie erzeugt chemische Energie in Form von Wasserstoffgas. Dieser Wasserstoff ist die Energie- und Elektronenquelle beim Ursprung des Lebens. Der Wasserstoff kann mit der Oberfläche von Metallen und Mineralien reagieren, die in den Hydrothermalquellen produziert werden. Auf diesen Oberflächen trifft Wasserstoff auf Kohlenstoffdioxid und die Reaktion des Lebens läuft ab. Die Metalle aktivieren auch Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die auf der festen Oberfläche miteinander reagieren können. Da diese Reaktionen Energie freisetzen, gibt es nichts, was sie daran hindert, spontan abzulaufen. Die Produkte der Reaktionen können weiter reagieren und das Rückgrat des mikrobiellen Stoffwechsels entfaltet sich ganz natürlich. Je weiter die Verbindungen reagieren, desto stabiler werden die Produkte. Die stabilen Produkte können sich auf den Oberflächen der Hohlräume in den Hydrothermalquellen ansammeln, insbesondere in kühleren Regionen, ihre lokale Konzentration erhöhen und den Aufbau komplexerer Moleküle fördern. Die Produkte der organischen Synthese können selbst katalytisch aktiv sein. Wenn Produkte Reaktionen katalysieren, die in ihre eigene Synthese zurückfließen, können sich autokatalytische Netzwerke bilden. Autokatalytische Netzwerke organisieren sich selbst und schließen so eine Lücke zwischen chemischen Reaktionen und lebenden Zellen. Kontinuierlich angetrieben durch energiefreisetzende Reaktion von H₂ und CO₂, werden Übergänge zu höherer molekularer Komplexität möglich. Kleine Peptide (= kurze Aminosäureketten, Eiweiße) und Nukleinsäuren (wie RNA und DNA) können sich ansammeln. Dies ist die Grundlage des genetischen Codes, der die Synthese von Proteinen aus RNA-Vorlagen steuert. So werden hocheffiziente Katalysatoren und eine schnelle Beschleunigung der molekularen Organisation erzeugt. Während des gesamten Prozesses müssen jedoch ständig Vorläufer hinzugefügt werden, und das System bleibt von H₂ und CO₂ abhängig. Einige Hohlräume der Hydrothermalquellen sammeln genug Informationen, um anorganische Katalysatoren in genetisch codierte Proteine einzubauen. Die Reaktionsnetzwerke können zu freien lebenden Zellen werden, aber ihr Antrieb bleibt abhängig von der Reaktion von Wasserstoff und Kohlendioxid. Die ersten Bakterien und Archaeen nach dieser Theorie waren Acetogene bzw. Methanogene. Organismen, die von H₂ und CO₂ leben und noch heute die Erdkruste bewohnen. Diese Theorie zum Ursprung des Lebens an alkalischen Hydrothermalquellen erklärt anschaulich dieser Animationsfilm.

Im Jahr 2003 veröffentlichten William F. Martin und Michael J. Russell in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Philosophical Transactions B" ein Modell für den Ursprung des Lebens an Redox-, pH- und Temperaturgradienten in Tiefsee-Hydrothermalquellen. Die Begriffe RNA, RNP (Ribonukleoproteine; Proteinkomplexe, die RNA enthalten) und DNA Ära (anstelle von Welt) werden verwendet, um zu betonen, dass keine Nukleinsäure-Entwicklung möglich ist, ohne unterstützende Geochemie, später Biogeochemie und schließlich Biochemie, die einen stetigen Fluss ausreichender Konzentrationen polymerisierbarer Vorläufer (z. B. Nukleotide) bereitstellt und somit jede Art von Replikation zu untermauern.

Das Modell erweiterten sie um eins für den Ursprung von membranumgebenen prokaryotischen Zellen aus Eisenmonosulfid-Kompartimenten, in denen der chemoautotrophe Ursprung des Lebens stattgefunden haben könnte. Die Zeichnung impliziert (zeigt aber nicht) sehr große Populationen von Replikationssystemen und nicht näher bezeichnete physische Entfernungen (jedoch innerhalb einer einzigen unterseeischen Sickerstelle) zwischen sich diversifizierenden Replikationssystemen auf dem Weg zu freilebenden Bakterien und Archaeen. Verschiedene Arten des genetischen Austauschs, die wiederholt vor dem Ursprung einer wirklich membranbegrenzten zellulären Organisation von Prokaryoten postuliert wurden, können durch das Modell leicht berücksichtigt werden.

Mit zunehmenden Informationen über die geologischen Bedingungen an Hydrothermalquellen und Fortschritten in der Mikrobiologie und Bioinformatik wurde es möglich, die Geologie mit der Mikrobiologie zusammenzuführen und den letzten universellen Vorfahren allen Lebens (LUCA; engl. Last Universal Common Ancestor) zu rekonstruieren. LUCA nimmt eine zentrale Rolle bei Studien zur frühen Evolution und zum Ursprung des Lebens ein und verbindet die abiotische Phase der Erdgeschichte mit den ersten geochemischen Spuren mikrobiellen Lebens vor etwa 4 Milliarden Jahren. LUCA wurde lange als der gemeinsame Vorfahre von Mikroben (Bakterien, Archaeen) und Eukaryoten betrachtet. Neue Stammbäume des Lebens zeigen jedoch den Ursprung der Eukaryoten innerhalb der Archaeen. Somit wird LUCA zum gemeinsamen Vorfahren der Bakterien und Archaeen. Bis 2016 gab es keine Informationen, wo und wovon LUCA gelebt hat. Im Jahr 2016 konnten William F. Martin und sein Team 355 Gene identifizieren, die über LUCAs Lebensweise und seinen Lebensraum Auskunft geben. Diese Gene wurden mittels bioinformatischer Analysen mikrobieller Genomdaten ermittelt. Die Gene geben Auskunft darüber, dass die ersten Zellen wahrscheinlich in einer Umgebung, die heutigen Tiefsee-Hydrothermalquellen sehr ähnlich war, lebten: Eine geochemisch aktive Umgebung, die reich an H₂, CO₂ und Eisen war. LUCA war wahrscheinlich anaerob (lebte ohne Sauerstoff), wärmeliebend (thermophil) und lebte von Gasen: Wasserstoff (H₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoff (N₂). Die von LUCA verwendeten Proteine sind reichlich mit Eisen-Schwefel-Zentren ausgestattet und erforderten Partner (Kofaktoren), bei denen Übergangsmetalle, wie Eisen, Nickel und Molybdän, eine tragende Rolle spielen.

Auch wenn LUCA nur ein theoretisches Konstrukt darstellt, das eine „halb-lebende“ Zelle war, die in den kleinen Kompartimenten eines Schlotsystems von alkalinen Hydrothermalquellen von der bereitgestellten Geochemie lebte, ähnelt diese mikrobielle Ökologie doch sehr der heutiger acetogener Bakterien und methanogener Archaeen, den physiologisch ursprünglichsten Mikroben.

Der letzte universelle Vorfahre LUCA, wie er aus Genomdaten rekonstruiert wurde. Gezeigt werden die wichtigsten Wechselwirkungen von LUCA mit seiner geochemischen Umgebung, wie sie aus Genomdaten abgeleitet werden können. Diese Umgebung war vermutlich heutigen Hydrothermalquellen ähnlich. LUCA lebte von Gasen (Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid, Schwefelwaserstoff, Kohlenmonoxid, Sticksotff), die Ausgangspunkt der Energiegewinnung und der Biosynthese von Kofaktoren, modifizierten Basen und des genetischen Codes waren. In LUCA waren Ferredoxin (mit 4Fe-4S Cluster; schematisch links neben Ferredoxin dargestellt), Flavoproteine, Reduktionsäquivalente (NAD(P)H), Corrine, Molybdän-Cofaktoren (MoCo), Selen, Eisen und GTP vorhanden. Ein Natrium/Protonen-Antiporter (Mrp; links oben) könnte einen geochemischen pH-Gradienten wie er in alkalinen Hydrothermalquellen vorkommt, in einen stabileren Natrium-Gradienten umgewandelt haben, um eine erste Natrium-abhängige ATP-Synthase anzutreiben, die Energie produziert. LUCA besaß unbestreitbar Gene, weil er den genetischen Code besaß. Die Frage, welche Gene hier vorhanden waren, war bisher schwierig zu beantworten. Übergangsmetalle (Fe, Ni, Mo) sind im katalytischen Zentrum (schematisch dargestellt) von Enzymen vorhanden und spielen somit eine wichtige Rolle beim Energiestoffwechsel und bei Biosynthesen. Die Abbildung macht keine Aussagen über die Quelle des Kohlenmonoxids in ursprünglichen Metaboliten. Daher wurde Kohlenmonoxid durch [CO] dargestellt. Abkürzungen: CODH/ACS: Kohlenstoffmonoxid Dehydrogenase/Acetyl CoA-Synthase; Nif: Nitrogenase; GS: Glutaminsynthase; Mrp: MrP Typ Natrium/Protonen-Antiporter; CH3-R: Methylgruppen; HS-R: organisches Thiol. Abbildung aus: Martin WF, Zimorski V, Weiss MC: Wo lebten die ersten Zellen – und wovon? Biologie in unserer Zeit 47:186–192 (2017).

DER ZWEI-DOMÄNEN-STAMMBAUM DES LEBENS: Im Zwei-Domänen-Baum des Lebens stammen Eukaryoten (komplexere Zellen mit Zellkern) von Prokaryoten (einfache Zellen ohne Zellkern, wie Bakterien) ab, so dass der letzte universelle gemeinsame Vorfahr, LUCA, der Vorfahr von Archaeen und Bakterien ist.

ACETOGENE BAKTERIEN: Acetogene Bakterien bilden in ihrem Energiestoffwechsel als einziges organisches Endprodukt Essigsäure (Acetat). Acetat entsteht durch Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit molekularem Wasserstoff oder mit Wasserstoff, der von organischem Substrat abgespalten wurde. Beim Abbau von Fettsäuren und Alkoholen produzieren acetogene Bakterien neben Acetat noch Kohlenstoffdioxid und Wassrstoff. Acetogene Bakterien leben ohne Sauerstoff und zählen zu den ursprünglichsten Mikroorganismen der Erde. Abbildung: Essigsäurebildendes Bakterium Acetobacterium woodii aus Mayer F, Lurz R und Schoberth S: Electron microscopic investigation of the hydrogen-oxidizing acetate-forming anaerobic bacterium Acetobacterium woodii. Arch Microbiol 155, 207–213 (1977).

METHANOGENE ARCHAEEN: Methanogene Archaeen sind Mikroorganismen, die Methan als Nebenprodukt ihres Energiestoffwechsels produzieren. Diese Mikroben sind obligate Anaerobier, das heißt, sie können nicht in Gegenwart von Sauerstoff leben. Einige Methanogene verwenden Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle und Wasserstoff als Energiequelle. Ein Teil des Kohlendioxids reagiert mit Wasserstoff und wird durch diesen reduziert, um Methan zu erzeugen. Das Methan wiederum erzeugt eine Protonen-Antriebskraft über eine Membran, die zur Erzeugung von ATP verwendet wird – einer Schlüsselquelle für zelluläre Energie. Andere Methanogene verwenden Acetat (Salz der Essigsäure) als Kohlenstoff- und Energiequelle. Methanogene Archaeen zählen zu den ursprünglichsten Mikroorganismen der Erde.

Die ersten lebenden Zellen auf der Erde lebten von chemischer Energie. Alles was für das Gedeihen erforderlich ist, war in Gesteinen, Metallen, Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasser und dem Wasserstoff (H₂) aus hydrothermaler Aktivität vorhanden. Weder Sonnenlicht, noch ultraviolettes Licht (UV) waren erforderlich, um die ersten Zellen zu bilden oder am Leben zu halten. Daraus folgt, dass auf der Suche nach weiterem Leben in unserem Sonnensystem Licht kein limitierender Faktor sein muss. Wenn man nach außerirdischem Leben sucht, geraten daher weit entfernte Monde wie Enceladus in den Fokus des Interesses: Er umkreist den Planeten Saturn. Auf ihm gibt es unter einer vereisten Oberfläche einen flüssigen Ozean aus Wasser, sein Kern ist steinern und metallreich und an seinem Südpol wurde eine sehr hohe hydrothermale Aktivität nachgewiesen. So eine chemische Umgebung könnte prinzipiell das Entstehen von Leben unterstützen. Ob zukünftige Missionen zu Enceladus Hinweise für die Existenz von komplexen chemischen Reaktionen erbringen werden, oder gar molekulare Bausteine des Lebens finden werden, bleibt abzuwarten. Es ist aber durchaus möglich, dass zumindest eine interessante Gestein-Wasser-Kohlenstoff-Chemie dort in völliger Dunkelheit, unter dem Eis eines weit entfernten Mondes stattfindet.

Am 14. April 2023 startete die ESA-Mission „Juice“ zu dem mehr als 600 Millionen Kilometer entfernten Planeten Jupiter. Sie soll erforschen, ob es auf den drei größten Eismonden des Planeten (Europa, Ganymed und Callisto) Lebensräume unter kilometerdicken Eiskrusten gibt. Obwohl der Mond Europa deutlich kleiner als die Erde ist, gibt es dort Ozeanschichten größer als alle Ozeane der Erde zusammengenommen. Am Grund des riesigen Ozeans werden hydrothermale Schlote und Quellen vermutet, wie man sie von der Erde kennt. Dort könnte sich primitives Leben entwickeln. Von 2031 an soll die Mission neue Erkenntnisse liefern über mögliche Grundlagen für außerirdisches Leben. Es bleibt spannend.