Wien/Cambridge. Noch bevor es primitivste Formen des Lebens auf der Erde gegeben hat, könnten im Ur-Ozean schon Reaktionen abgelaufen sein, wie sie noch heute im Stoffwechsel aller Organismen, auch des Menschen, stattfinden. Darauf deuten Experimente von Forschern der Universität Cambridge, darunter auch österreichische Wissenschafter, hin, über die sie im Fachjournal "Molecular Systems Biology" berichten.

Egal ob Pflanze, Bakterie oder Mensch: Wenn man die verschiedenen chemischen Reaktionen des Stoffwechsels (die Wissenschafter sprechen von Stoffwechselnetzwerken) von allen heute lebenden Organismen vergleicht, ist die Grundstruktur immer die selbe. "Das deutet darauf hin, dass diese komplexen Netzwerke in der Evolution früh und nur einmal angefangen haben", erklärte Markus Ralser vom Department of Biochemistry der University of Cambridge (Großbritannien) gegenüber der APA.

Stoffwechselnetzwerke
Der an der Uni Salzburg ausgebildete Biochemiker war lange am Max Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin tätig und leitet seit drei Jahren eine Gruppe an der renommierten britischen Uni. Gemeinsam mit dem an der Uni Innsbruck promovierten Chemiker Markus Keller, der mit einem Schrödinger-Stipendium des FWF in Cambridge arbeitet, und der Geowissenschafterin Alexandra Turchyn hat er die Studie durchgeführt.

Wie diese Stoffwechselnetzwerke entstanden sind, sei aber bisher unklar gewesen. Eine Hypothese geht von einer auf Ribonukleinsäure (RNA) basierenden Welt aus, die der heutigen Form des Lebens voranging. Die RNA spielte dabei eine wichtige Rolle für chemische Reaktionen. Dieser Hypothese zufolge sollten die Stoffwechselnetzwerke das Ergebnis evolutionärer Selektion in dieser RNA-Welt sein, die im Laufe der Zeit verbessert wurden. "Das Problem dabei ist, dass man für moderne Stoffwechselreaktionen komplizierte Enzyme braucht, die auch einmal irgendwo herkommen müssen - das ist ein Henne-Ei-Problem", so Ralser.

Stoffwechselweg ohne Enzyme
Deshalb habe man schon vor Jahren überlegt, ob Stoffwechselreaktionen nicht schon vor der RNA-Welt und den Enzymen in der Chemie des Ur-Ozeans entstanden sind. "Bisher hatte aber noch niemand einen Stoffwechselweg ohne Enzyme gesehen", so Ralser, der sich dieser Frage gewidmet hat, nachdem man in seinem Labor durch Zufall eine solche Reaktion entdeckt hat.

Die Forscher haben deshalb die Bedingungen im Ur-Ozean simuliert, wobei sie auf Daten von Erdwissenschaftern zurückgegriffen haben, die auf Basis von Sedimenten die Zusammensetzung des weltumspannenden Meeres vor fast vier Milliarden Jahren rekonstruiert haben. Konkret untersuchten sie rund 1.000 verschiedene Bedingungen mit unterschiedlichen Konzentrationen von 20 bis 25 verschiedenen Molekülen. Dabei handelte es sich vor allem um unterschiedliche Salze etwa von Kalium, Kalzium oder Magnesium und Metalle, darunter Eisen, das im Ur-Meer in besonderer gelöster Form vorlag und sich letztendlich als wichtigster Stoff herausstellen sollte. Weil die Erde zu dieser Zeit eine weitgehend sauerstofffreie Welt war, liefen auch die Simulationen ohne Sauerstoff ab.

Der simulierte Ur-Ozean
Bei einer Temperatur von rund 70 Grad Celsius beobachteten die Wissenschafter in den simulierten Ur-Ozeanen "29 Reaktionen, die ziemlich gleich wie in heutigen Zellen aussehen", so Ralser. Es handelt sich dabei primär um zwei Reaktionssequenzen, die für den Ab- und Aufbau von Kohlehydraten verantwortlich sind, die sogenannte Glykolyse und der Pentose-Phosphat-Weg.

Aufgebaut würden dabei Zuckerphosphate, die man etwa für die Bildung der RNA benötige, sagte Ralser. So entstand in den Simulationen etwa "Ribose 5-Phosphat", ein RNA-Vorläufer, "wir haben aber eine ganze Reihe von Molekülen gesehen, die ganz zentral im Stoffwechsel gebraucht werden, um Fett-, Amino- und Nukleinsäuren aufzubauen".

Bisher ging man davon aus, dass solche chemischen Reaktionen nur in Anwesenheit von Enzymen ablaufen können. Im Ur-Ozean dürften sie in Anwesenheit von Eisen, anderen Metallen und Phosphaten von alleine abgelaufen sein, wobei die Wissenschafter vermuten, dass Eisen dabei als Katalysator fungiert. In weiteren Schritten wollen die Wissenschafter weitere Stoffwechselwege untersuchen und geeignete Bedingungen dafür simulieren.