Wie startete das Leben? – Das Transkript


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00:00 Vorschau:

Bill Martin:

Every culture on Earth has a narrative for where everything began, where all the plants and animals come from and where the humans come from. It’s obviously part of our human nature to want to know where we come from.

Dennis Eckmeier:

Um zu verstehen, wo wir – oder besser: alles Leben – aus biologischer Sicht herkommt, betrachten Biologen es als eine einzige große chemische Reaktion. Denn das Leben endet, wenn der Metabolismus – die Gesamtheit chemischer Reaktionen eines Lebewesens – zum Erliegen kommt. 

Haben wir aber Nachkommen, setzt sich unser Metabolismus in ihnen fort. Alle chemischen Reaktionen, die jetzt gerade in Deinem Körper stattfinden, sind deshalb Teil einer Kettenreaktion die unsere gesamte Ahnenreihe zurückgeht, also in grauer Vorzeit begonnen haben muss. 

Und Wie? begann diese Kettenreaktion? Professor Bill Martins Antwort: unter den richtigen Bedingungen, ganz von allein. Wir erfahren mehr über seine Hypothese und die Forschungsarbeit dahinter – und warum Leben selbst auf fremden Monden entstehen könnte. Ich kann versprechen: das ist nicht nur für Chemie-Nerds spannend.

1:10 Begrüßung

Dennis Eckmeier:

Willkommen zu „Expedition in die Forschung“! Wir erzählen Euch gemeinsam mit den Forschenden, von aktuellen Forschungsergebnissen und was dahintersteckt.

Bei mir ist mein Ko-Moderator Bart Geurten…

Bart Geurten: Hallo!

Dennis Eckmeier:

… und ich bin Dennis Eckmeier.

Wir haben beide gemeinsam Biologie studiert und in Neurobiologie promoviert. Bart ist Postdoc an der Uni Göttingen und ich bin Wissenschaftskommunikator.

1:34 Ankündigungen

Bart Geurten:

Ich bin übrigens nicht mehr lange Postdoc an der Uni Göttingen. Ich habe einen Ruf nach Neuseeland an die Universität von Otago bekommen, in Dunedin.

Dennis Eckmeier: Cool! Herzlichen Glückwunsch!

Bart Geurten: Vielen Dank.

Dennis Eckmeier: Neuseeland!

Bart Geurten:

Ja, ich bin kein Freund von großen Familienfesten und dachte dann… Der wahre Grund war, dass die Forschungsumgebung in Dunedin einfach wirklich gut ist. Die anderen Forscher haben ganz interessante Themen und die Tierwelt ist halt auch noch mal wirklich anders und spannend.

Dennis Eckmeier:

Auf meiner Seite hat sich beim Podcastmachen auch was geändert. Ich habe tatsächlich ein Werbepartner gefunden, der uns schon an diesem frühen Stadium quasi unterstützen möchte.

Bart Geurten: Haben wir jetzt auch ein Werbejingle?

Dennis Eckmeier:  Ich sollte ein Werbe Jingle machen, ne?

Bart Geurten: Ja, so ein „pöbö – Werbung!“

Dennis Eckmeier:  Okay, den nehmen wir jetzt. Also: *schnippt*

Bart Geurten: pöbö – Werbung!

2:28 zencastr

Dennis Eckmeier:

Falls Du einen Podcast oder Videos produzierst, fragst Du Dich vielleicht, wie wir störungsfreie Remote-Aufnahmen hinbekommen, selbst wenn – wie neulich – der Gast auf einem entlegenen Atoll im Westindischen Ozean sitzt… oder in Neuseeland, schätze ich dann.

Früher habe ich mit Skype aufgenommen. Videokonferenzprogramme regeln aber die Qualität runter, um bei schwankender Verbindung den Stream aufrecht zu erhalten – so entstehen die Störungen, die wir alle kennen. 

Das kann man vermeiden, indem man den Gast vor Ort aufnimmt. Zum Glück gibt es dafür Lösungen, die genauso einfach funktionieren, wie Videokonferenzprogramme. Während wir im Live-Videogespräch sind, nimmt die Software uns jeweils lokal auf und verschickt die Daten dann an meinen Cloud-Space. 

Es gibt dafür verschiedene Anbieter, wir benutzen ZENCASTR um Audio- und Video von bis zu 6 Gästen in hoher Qualität aufzunehmen.

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Bart Geurten: Pöböö


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3:29 Hintergrund

Dennis Eckmeier:

Es gibt Fragen, die zu stellen uns vorkommen, als gäbe es nichts Natürlicheres in der Welt. Die Frage nach unserem Ursprung und dem Ursprung des Lebens ist sicherlich eine davon. Überall auf der Welt gibt es Mythen darüber. Bill Martin, Professor an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf beschäftigt sich seit langem mit der Frage nach den Ursprüngen und hat dazu seinen eigenen vielversprechenden Forschungsansatz gefunden.

Bart Geurten:

Er nähert sich dem Ursprung von zwei Richtungen. Zunächst kommt die Frage, wann das Leben entstanden sein kann und welche Umweltbedingungen zu der Zeit herrschten.

Bill Martin:

Premise number one. There was a time on our early earth when there was nothing that was alive. OK, that’s a good premise.

Dennis Eckmeier:

Die Annahme, dass es zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Erde kein Leben gab, führt Bill Martin auf die frühe Erdgeschichte zurück. Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren kollidierte die Erde mit einem zweiten Planeten. Durch diese Kollision entstand unser Mond. 

Bart Geurten:

Selbst wenn es zu der Zeit Leben auf der Erde gegeben hätte, wäre es an dem Zeitpunkt ausgelöscht worden. Denn die Erde verwandelte sich durch die Energie des Aufpralls in einen großen Magmaball, der jeglichen Kohlenstoff zu CO2 verbrannte und jegliches Wasser gasförmig machte. 

Dennis Eckmeier:

Über die nächsten 200 Millionen Jahre oder so, kühlte sich die Erde langsam ab, bis das Wasser flüssig wurde und abregnen konnte. Es bildeten sich tiefe Ozeane und darüber eine Atmosphäre aus CO2. Vor rund 4,3 Milliarden Jahren hatten wir also das erste Mal Bedingungen auf der Erde, die Leben vielleicht ermöglichen könnten.

Bart Geurten:

Die ältesten gefundenen Anzeichen für Leben sind laut Bill Martin etwa 3,8 Milliarden Jahre alt.

Bill Martin:

The earliest evidence we have for life is not fossils, it’s isotopes. Isotopic evidence. Biological carbon is always too light. There is C12 and C13. C 13 is a stable isotope of carbon. It’s not newly formed. It’s always been there. And it just turns out that living living cells prefer to incorporate C 12 over C 13. That means that if you find carbon in samples, that is too light. It’s probably biological origin. ‚right? And so that kind of carbon trace isotope trace for the evidence of life goes back into rocks that are 3.8/3.9 billion years old.

Dennis Eckmeier:

Das Leben muss also zwischen 3,8 und 4,3 Milliarden Jahre alt sein. Das ist eigentlich ein ziemlich schmales Zeitfenster, wenn man mal darüber nachdenkt.

Bart Geurten: Die zweite Annahme ist, dass das Leben einen einzigen Ursprung hatte. 

Bill Martin:

This was Lamarck discovery. That these organisms are related to one another in a process that involves change of species. OK, that’s an interesting concept. OK, so you’ve got intermediate states where one changes into another. OK, the mechanism was maybe not quite as good as Darwin’s, but but the basic mutability of species, that concept was down there. That means, aha, suddenly we’ve got this whole field of intellectual inference where we can try to invent intermediate states

Bart Geurten:

Wenn wir diese Erkenntnis in der Geschichte zurückdenken, müssen wir praktisch einen Organismus annehmen, der der letzte gemeinsame Vorfahre aller Lebewesen gewesen ist. Auf Englisch: The „Last Universal Common Ancestor“, oder LUCA. 

Was wissen wir über LUCA? 

Dennis Eckmeier:

Die typische Annahme in der Evolutionsbiologie ist, dass der letzte gemeinsame Vorfahre die Eigenschaften hatte, die allen seinen Nachkommen gemein sind.

Also, zum Beispiel würde man sagen: Der Mensch hat an jeder Hand 5 Finger, der Gorilla hat an jeder Hand 5 Finger, also hatte der letzte gemeinsame Vorfahre von Mensch und Gorilla an jeder Hand 5 Finger.

Bart Geurten:

Je weiter die Organismen im Stammbaum des Lebens voneinander entfernt sind, desto weniger haben sie gemein. Was bleibt denn übrig, wenn wir alle Lebewesen, die wir kennen, vergleichen?

Bill Martin:

If something is present in all forms of life that we know it was also present in their common ancestor. So, therefore, we can say LUCA had the genetic code, it had ribosomes, it was also able to transduce energy somehow. But the, the ways in which cells transduce energy are not so well conserved in LUCA. All we can say is that it had a very interesting protein that was able to harness ion gradients and turn those into ATP.

Dennis Eckmeier:

LUCA hatte also ein Erbgut, Ribosomen – das sind Proteine mit denen die Zelle mehr Proteine herstellt, und ein bestimmtes Protein, das ATP herstellen kann. ATP ist so eine Art universeller Energieträger in der Zelle, mit dem die chemischen Reaktionen angetrieben werden. In Zellen mit einem Zellkern, wird ATP übrigens in den Mitochondrien gemacht. Den Kraftwerken der Zelle.

Bart Geurten:

Darüber hinaus wird das Bild undeutlich. Das heißt, bei allen anderen Bestandteilen der Zelle hat die Evolution seitdem Veränderungen zugelassen. Wie können wir das Bild vervollständigen?

Dennis Eckmeier:

Die Anwesenheit von DNA, Ribosomen und dem ATP-erzeugenden Protein, sagt uns schon einmal, dass LUCA Energie bereitstellen konnte. Und damit Ribosomen arbeiten können, muss es Aminosäuren und RNA geben. 

Bart Geurten:

Insgesamt braucht eine lebende Zelle 20 bestimmte Aminosäuren, die fünf Nukleinbasen aus denen RNA und DNA bestehen und 18 sogenannte Co-Faktoren, das sind Helfermoleküle für bestimmte Reaktionen.

Woher kommen die?

Dennis Eckmeier: Die Frage haben sich Bill Martin, und seine Arbeitsgruppe und Kooperationspartner*Innen gestellt. 

9:15 Bill Martin

Dennis Eckmeier:

Dabei ging seine Karriere anfangs in eine ganz andere Richtung. Nach der Schule arbeitete er zunächst als Schreiner, dann entschied er sich 1978 zu einem Studium.

Bill Martin: I originally come from Texas and back in 1978 I went to Texas A&M

Bart Geurten:

Das A & M in „Texas A&M University“ steht dabei für Agriculture and Mechanics. Die Uni ist rund 100 km landeinwärts von Houston, das an der Golfküste von Texas liegt.

Bill Martin:

I went to Texas A&M with the goal of owning my own nursery. The nursery is a place where you buy and sell plants. So, I went to Texas A&M to study plant biology and little did I know if you want to have a nursery, you don’t study plant biology, you study business. So, I was studying the wrong thing to begin with.

But I had some very good teachers at Texas A&M and one of them was an outstanding chemistry teacher, James Shapiro. I will never forget him. And the other was an outstanding microbiology teacher. His name was Willard Tabor, and I will never forget him either.

Dennis Eckmeier:

Von Prof. Tabor lernte Bill Martin die Grundprinzipien wissenschaftlichen Arbeitens. Vor allem aber, brachte er ihn auf den Weg in sein Forschungsgebiet. Dieser Weg ist gekennzeichnet von der Frage nach dem Ursprung der Zellen, an denen er gerade forschte. 

Es begann mit einem Interesse für die frühe Evolution von Pflanzenzellen.

Bill Martin:

This was 1978 when endosymbiotic theory was just beginning to make its way into college curriculum. And he said there are some people who believe that chloroplasts, the photosynthetic organelles of higher plants, used to be free living cyanobacteria that entered into a symbiotic relationship with their host cell.

Bart Geurten:

Die Endosymbiosetheorie war zu der Zeit, als Bill Martin Student war, noch relativ neu. Sie besagt, dass die Chloroplasten, die in Pflanzenzellen Photosynthese betreiben, ursprünglich eigenständige Blaualgen waren, die es sich irgendwann zum gegenseitigen Vorteil in einer anderen Zelle wohnlich eingerichtet haben. Höhere Pflanzen entstanden also aus einer Verschmelzung zweier Lebewesen. 

Bill Martin:

So I said, Wow, that’s interesting. I want to know more. That sparked my curiosity and early evolution and it never really waned from that. I did two years at Texas A&M and then when I went to went back to school at the University of Hannover in Germany…

Dennis Eckmeier:

Was treibt denn einen Studenten aus Texas in den früher 1980ern nach Deutschland? 

Bill Martin: Why Germany? My mother’s maiden name was Lechleitner. Her family came from Germany, and they were actually German farmers in the Ohio Valley. And I had three years of German in high school. So, call it Germanophilic background.

And so, when I decided to take up my studies, I said, Well, this sounds interesting. Let’s do let’s go resume biology, but let’s do it in a different country so that in addition to the biology curriculum, you also learn a different language. Was ich dann getan habe, aber, I still prefer to speak English, if I had my druthers.

Dennis Eckmeier:

 Er studierte also in Hannover. Und dort lernte er Professor Rüdiger Cerff kennen, der einen großen Einfluss auf ihn haben sollte.  

Bill Martin: He was also very, very interested in molecular biology, very, very interested in the evolution of chloroplasts and very, very well versed in Erkenntnistheorie, the philosophy of science; how we know things and what we know and what we don’t know. So Rüdiger had a project to work on a very interesting aspect of the endosymbiotic origin of plastids…

Bart Geurten: Plastiden sind Teile einer Pflanzenzelle, die ursprünglich ein eigenes Lebewesen waren – wie ja auch die eben genannten Chloroplasten. Rüdiger Cerff und Bill Martin erforschten, wie Gene von den Plastiden in das Erbgut der Wirtszellen übergingen.  

Bill Martin: That today that’s called endosymbiotic gene transfer. That’s a term that we coined back in those days and is now a household word in the field. So that got me that got me interested in classes and in symbiosis. And I did a lot more work on that with Rüdiger .

Dennis Eckmeier: Nach dem Diplom in Biologie trat er eine Promotionsstelle an. 

Bill Martin:

At the Max Planck Institute in Cologne with Heinz Saedler. And Heinz also had a huge influence on me. And he said never do what everybody else is doing in your scientific research. He said, there are two reasons for that. If you’re doing what everybody else is doing, then you’re competing with high powered institutes around the world to see who can be the first to do the obvious experiment.

That’s not good because it puts pressure on everybody, and then you get their papers coming across your desk and you get their grants coming across your desk, and then you have to pretend that you don’t know this and that… It just becomes very complicated. So it’s much better to do something that nobody else is doing. You just have to make sure that it is genuinely interesting – something that we really want to know as scientists and also as a society.

The other reason is that when it comes to doing the obvious, you don’t need to do it. You’ll be able to read about it because somebody else will do it. So do something that the other people are not going to be doing in the overall big picture of things that will increase our knowledge as a society and as science more rapidly and also keep everybody happy.

Bart Geurten:

Neben seiner Doktorarbeit bei Heinz Saedler in Köln machte Bill Martin weiterhin Projekte mit Rüdiger Cerff. In dieser Zeit wechselte der an die Universität in Braunschweig, wo Bill Martin nach seiner Promotion wieder zu ihm stieß, um weiter an den Ursprüngen von Plastiden zu forschen.

Bill Martin:

I started to get interested in the next step down. Alright, you go from the origin of plastids and you get the question, OK, go to the hosts that acquired the plastid was eukaryotic cell that had the mitochondria. OK, well, I got very interested in the origin of mitochondria.

Dennis Eckmeier:

Bei der Erforschung der Ursprünge von Mitochondrien konzentrierte er sich auf eine ganz spezielle Sorte: Hydrogenosomen.

Bill Martin:

Hydrogenosomes, we know today, are anaerobic forms of mitochondria. They’re present in all the eukaryotic anaerobes that don’t have standard mitochondria.

Bart Geurten:

Weil Hydrogenosomen ohne Sauerstoff auskommen, kommen sie natürlich in den Mikroben vor, die da leben, wo es keinen Sauerstoff gibt. Das ist besonders interessant, weil es zur Zeit der Entstehung des Lebens, keinen freien Sauerstoff auf der Erde gab. Aller Sauerstoff war in CO2, Wasser und anderen Stoffen gebunden.

Dennis Eckmeier:

Diese Mitochondrien heißen Hydrogenosomen, weil sie H2, also molekularen Wasserstoff, herstellen.

1998 formulierten Bill Martin und Miklós Müller die sogenannte Wasserstoff-Hypothese über den Ursprung der Eukaryoten. 

Bart Geurten:

Eukaryoten sind Zellen mit einem von einer Membran umschlossenen Zellkern – bekannt aus Blockbustern der Evolution wie den Pilzen, Pflanzen und Tieren. Wir gehören also auch dazu.

Bill Martin:

Miklós and I had some ideas of where those hydrogenosomes might come from. Maybe they are actually just a different specialization of the, a generalist ancestor of the origin of mitochondria. And that led us to a paper called the Hydrogen Hypothesis

Dennis Eckmeier:

Heutzutage fungieren Mitochondrien als Kraftwerke der Zellen. Deshalb nahmen frühere Hypothesen über die Evolution von Mitochondrien an, dass der Symbiont vor der Verschmelzung Energie im Überschuss in ATP speicherte und an die Umwelt abgegeben habe, während der Wirt nicht genug davon hatte, sagt Bill Martin. Das macht aber biologisch keinen Sinn. 

Bart Geurten:

Bill Martin und Miklós Müller vermuteten deshalb, dass das ATP am Anfang noch keine Rolle spielte, das kam erst später. Eine Symbiose machte einfach mehr Sinn, wenn ein Abfallprodukt des Symbionten für den Wirt von Nutzen gewesen ist.

Dennis Eckmeier:

Sie schlugen darum vor, dass die ersten Mitochondrien Bakterien waren, die Wasserstoff als Abfallprodukt herstellten. Der Wirt wäre ein sogenanntes Archaebakterium gewesen, das Wasserstoff atmet wie wir Sauerstoff. Mit dem Mitochondrium-Vorfahren an Bord, konnte so ein Archaebakterium dann Gebiete besiedeln, in denen sonst kein Wasserstoff existiert. So, wie wir eine Sauerstoffflasche zum Tauchen mitnehmen. Nur krasser.

Bart Geurten:

Sie führen noch ein paar weitere Gründe an. Die würden den Rahmen dieser Folge aber sprengen.

Bill Martin:

That idea seemed crazy at the time, but now it’s in textbooks, OK? Because what we see when we look around today, the standard endosymbiotic theory that had a mitochondria-lacking eukaryotic cell, that’s … none of the predictions of that theory have turned out. All the predictions of the hydrogen hypothesis have been borne out by later experiments.

Dennis Eckmeier:

Und wieder ging Bill Martin noch einen Schritt weiter in die Vergangenheit.

Bill Martin:

But then if you’re talking about the origin of bacteria to become the mitochondria and archaea to become the host to give rise to eukaryotes, well go back one step further. You’re at the origin of archaea, the bacteria, and that’s the origin of life.

Bart Geurten:

Seit den frühen 1980er Jahren erforschte Bill Martin mit seinen jeweiligen Mentoren die frühe Evolution von eukaryotischen Zellen. Also Zellen, die einen Zellkern besitzen, aber auch Plastide und Mitochondrien. 1998 formuliert er gemeinsam mit Miklos Müller die Wasserstoff-Hypothese, einen Erklärungsversuch für die Entstehung der eukaryotischen Zelle. 

Dennis Eckmeier:

Die Idee: Wasserstoffherstellende Bakterien wurden als Symbionten von anaeroben Archaea als Wirtszellen aufgenommen, die deren Abfallprodukte Wasserstoff, Kohlendioxid und Acetat zum Überleben gut gebrauchen konnten. Im Gegenzug musste die Wirtszelle den Symbionten nur mit organischen Verbindungen füttern.

Bart Geurten:

Im folgenden Jahr, 1999 wurde Bill Martin als Professor an die Universität in Düsseldorf berufen. Dort forscht er gemeinsam mit seinen Mitarbeiter*Innen und Kooperationspartner*Innen nach dem Ursprung der ersten Mikroorganismen.

19:05 Die Forschung

Dennis Eckmeier:

Die These bis hierhin: eukaryotische Zellen entstanden durch die Vereinigung von bestimmten Bakterien und Archaea und dabei spielte molekularer Wasserstoff eine zentrale Rolle. Das bedeutet, dass molekularer Wasserstoff auch für den gemeinsamen Vorfahren von Archaea und Bakterien – LUCA – wichtig gewesen sein muss. 

Und das bringt uns wieder zurück in die Zeit vor 3,8 bis 4,2 Milliarden Jahren. Als die Erde frisch abgekühlt und von Ozeanen bedeckt ist. Irgendwo hier befindet sich LUCA.

Bart Geurten:

Ohne, dass Wasserstoff frei zu Verfügung steht, hätte es das von Wasserstoff abhängige Archaea – die spätere Wirtszelle – ja gar nicht geben können. Wir haben ja die Hypothese, dass eukaryotische Zellen aus wasserstoffproduzierenden Bakterien und wasserstoffatmenden Archaea entstanden sind.

Eine wichtige Frage über den Ursprung dieser Archaea ist also: gibt es in diesem Ur-Ozean überhaupt molekularen Wasserstoff?

Bill Martin:

Hydrogen is made today in hydrothermal vents and it always has been since there was water on this earth.

Dennis Eckmeier:

Hydrothermalquellen sind heiße Quellen am Meeresgrund. Da ist Magma – das bekanntlich sehr heiß ist – relativ nah an der Erdoberfläche. Durch Risse im Gestein sickert Meerwasser tief in den Boden. So kommen also das Meerwasser und alles, was darin gelöst ist, in engen Kontakt mit den Mineralien im Boden, und beides wird dann ordentlich erhitzt. 

Bart Geurten:

Es kommt zu einer Reihe chemischer Reaktionen darunter die Serpentinisierung, die Wasserstoff produziert. Es gibt da aber auch CO2, Schwefelwasserstoff und so einige andere nützliche Verbindungen.

Dennis Eckmeier:

Hydrothermalquellen sind also deshalb heiße Kandidaten für den Ursprung des Lebens – rund 70-90°C um genau zu sein – weil dort eben jede Menge nützliches Zeug entsteht, das Leben ganz ohne Photosynthese und Sauerstoff ermöglicht. 

Bart Geurten:

Dazu kommt, dass man an Hydrothermalquellen wasserstoffproduzierende Bakterien und wasserstoffatmende Archaea in enger Nachbarschaft findet – die ja laut der Wasserstoffhypothese zusammen den Ursprung der Eukaryoten bilden könnten.

Dennis Eckmeier:

Und man kann sich natürlich leicht vorstellen, dass es im frühen Ur-Ozean viele Hydrothermalquellen gegeben haben könnte, weil die Erde ja kurz vorher noch ein Magmaball gewesen war.

Könnten die ersten Lebewesen also aus den Hydrothermalquellen hervorgegangen sein?

Bart Geurten:

Die Frage nach dem Übergang von einer unbelebten in eine belebte Welt ist ziemlich knifflig. Sie ist nämlich ein ganz schöner Sprung. Am Anfang hat man einen Schluck Meerwasser und im nächsten Schritt eine vollständige Zelle, die bereits einen funktionierenden Metabolismus hat, also einen vergleichsweise hohen Grad an Komplexität. 

Wie soll dieser Sprung vonstattengegangen sein?

Dennis Eckmeier:

Daran forschte Bill Martin zusammen mit der Chemikerin Dr. Martina Preiner während ihrer Doktorarbeit. 

Die Idee war, dass ja die chemischen Reaktionen, die dem komplexen Metabolismus der Zelle zugrunde liegen, stattgefunden haben müssen, bevor sich darum herum der Zellmetabolismus entwickeln konnte.

Bill Martin:

Look, you don’t have to be a rocket scientist to know that you can’t have proteins without the amino acids. You can’t have nucleic acids without the individual base building blocks. You have to have the building blocks first.

I don’t care how you approach this problem. You can have some discussion about what chemistry gave rise to those basic building blocks. And what we’re saying is that, well, if we look at metabolism, maybe it was exactly the same chemistry that cells used today. Interesting. Interesting thought. Maybe. It doesn’t have to be that way, but it could be that way.

Bart Geurten:

Die Idee, dass die Reaktionen, die heute dem Metabolismus aller Lebewesen zugrunde liegen, bereits abliefen, bevor sich darumherum das Leben entwickelte, konnte Martina Preiner mit einem Laborversuch stützen. 

Bill Martin:

There is a very simple reaction at the base of all of this in microbes that takes hydrogen and CO2, three molecules of CO2 and converts it into pyruvate, the most central compound in all of metabolism.

Dennis Eckmeier:

Die Ausgangsstoffe für die Pyruvat-Synthese, Wasserstoff und CO2, finden wir ja in Hydrothermalquellen. Könnte diese Reaktion dort also ganz von alleine einfach passieren?

Martina Preiner steckte Wasser, Wasserstoff und Kohlendioxid in einen Reaktor in dem 100°C herrschten.

What Martina was able to show is that if you take hydrogen and CO2 and, as gas, put them in a reactor where you have a little glass bottle and some water in it overnight, nothing happens.

Bart Geurten: Kenne ich. Das funktioniert also wohl nicht.

Dennis Eckmeier: Ja, wart ab!

Bill Martin:
If you put a mineral from hydrothermal vents in there, Awaruite, then the next morning, it’s not that nothing has happened. Rather, the hydrogen and CO2 have been converted to very high concentrations of formate, very high concentrations of acetate and almost physiological concentrations of the compound pyruvate.

The backbone of carbon in energy metabolism in microbes unfolds in front of your eyes, right. Just using this one mineral!

Dennis Eckmeier:
Das fand ich total krass. Dieses Awaruit-Mineral ermöglicht die Reaktion von Wasserstoff und CO2 zu Pyruvat und anderen organischen Verbindungen außerhalb einer lebenden Zelle! 

Bart Geurten:
Martina Preiner und Bill Martin haben also im Labor Bedingungen nachgebaut, wie sie in Hydrothermalquellen vorzufinden sind, und stellen fest: eine ganz zentrale chemische Reaktion des Lebens, die in lebenden Zellen mit großem Aufwand in Gang gehalten wird, funktioniert hier ganz von allein!

Bill Martin: The cool thing about that is that in cells there are ten enzymes and ten cofactors needed to make that.

OK, so the single mineral can replace an entire pathway of ten enzymes and ten cofactors. What does that tell us? It tells us that there is something really natural about the chemistry of life under these conditions.

Dennis Eckmeier:

Das wäre natürlich eine äußerst günstige Bedingung für die Entstehung des Lebens!

Bill Martin:

And the fact that we can actually get that reaction to work is a big step forward. Because what that means is that from Pyruvate energetically it’s all downhill.

Bart Geurten:

Die Herstellung von Pyruvat ist also in den getesteten Bedingungen exotherm, d.h. sie gibt Energie ab und kann deshalb von alleine ablaufen, ohne, dass wir noch eine Energiequelle bräuchten. Pyruvat ist, wie erwähnt, an vielen anderen Reaktionen einer lebenden Zelle beteiligt. 

Würden denn diese anderen Reaktionen prinzipiell auch in Hydrothermalquellen von selbst ablaufen?

Dennis Eckmeier:

Bill Martin und seine Doktorandin Jessika Wimmer haben diese Frage sogar noch etwas weiter gefasst: Wie viele Reaktionen muss der Metabolismus von LUCA gehabt haben und laufen auch diese in Hydrothermalquellen von alleine ab?

Bart Geurten:

Wisst ihr noch, welche Moleküle LUCA unbedingt hergestellt haben muss?
Es waren 20 verschiedene Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen, die fünf Nukleinbasen, aus denen RNA und DNA besteht und 18 sogenannte Co-Faktoren, die wir ebenfalls in allen Lebewesen finden.

Die erste Frage ist nun:

Bill Martin:

How many reactions do we need in order to make all those components from the things that the early earth had in good supply? Those were carbon dioxide, ammonia, H2S, hydrogen disulfide, phosphate and molecular hydrogen, H2.

Dennis Eckmeier:

Um die Frage zu beantworten stellte Jessica Wimmer eine Liste von Reaktionen zusammen, die in ihrer Gesamtheit aus den vorhandenen Chemikalien die erwünschten Moleküle herstellen würden. 

In einer wissenschaftlichen Datenbank fand sie alle bekannten Reaktionswege und machte einige Annahmen. Zum Beispiel sollten die Reaktionen anaerob sein, also unter Sauerstoffausschluss funktionieren. Außerdem sollte natürlich die Pyruvat-Reaktion enthalten sein, auch die anderen Reaktionen, die die Archaea und Bakterien gemein haben.

Bart Geurten:

So baute sie Stück für Stück ein Netzwerk aus Reaktionen zusammen, dass sie „Autotrophic Core Network“ nennt. Wieviele Reaktionen sind das?

Bill Martin:

It’s not 2000, it’s not 1500. It’s also not a thousand. It’s also not five hund… it’s 402. Which we will round in the following to 400. It’s 400 reactions. That’s completely finite. Right? 400. You can. OK, there you go. You, but you can print them out on a couple of pages and just go down the list. It’s 400. That’s not that much. We said oh well that’s interesting.

Dennis Eckmeier:

Auch interessant: wenn man sich anschaut, welche Enzyme in Archaea und Bakterien an den Reaktionen beteiligt sind, dann sind das nicht unbedingt dieselben. Diese Feststellung ist wichtig für Bill Martins Idee, dass die Reaktionen, die den Kern des Metabolismus allen Lebens ausmachen, älter sind als die Enzyme der ersten Lebewesen.

Bill Martin:

These 400 chemical reactions are very strictly conserved across all cells. OK, it’s the same chemistry going on in all forms of life. The enzymes that catalyze these reactions are very different in different groups. There’s been a lot of evolution that’s gone on in the origin of the enzymes themselves, independent origins, addition of oxygen dependent reactions and stuff that did not exist at the origin of life, OK, because there was no oxygen and on the early earth, oxygen comes from cyanobacteria and photosynthesis that 2 billion years later. At Origins, it’s all anaerobic. There’s been a lot of variation in the enzymes. OK, but the chemical reactions are conserved.

Bart Geurten:

Die chemischen Reaktionen sind also dieselben in allen Lebewesen. Unterschiedliche Lebewesen haben aber unterschiedliche Wege gefunden, diese Reaktionen am Laufen zu halten. 

Dennis Eckmeier:

Die nächste Frage: Können all diese Reaktionen in Hydrothermalquellen von allein ablaufen, wie die Pyruvat-Synthese, oder brauchen sie irgendeine zusätzliche Energiequelle?

Bill Martin:

Do reactants in a reaction of eight plus B gives you C plus D, does the reaction go forward or not? What do you mean by go forward? Go forward means that a and B react become C and D, that happens all the time in every reaction in metabolism. All the words that I’m speaking, the breaths that I’m taking, they are all the the result of energy that’s being conserved in my mitochondria. The food and the reserves of fats, amino acids and sugars that we eat with our food reacts with oxygen in the atmosphere in our mitochondria to generate ATP, to give us energy. Those are chemical reactions going on all the time. They have to go forward.

So the question is do the basic reactions of metabolism, these 400 reactions, do they have a natural tendency to go forward or not? OK, well, they go by themselves or do we have to postulate some additional magical form of energy that might have helped push them forward?

OK, and there have been a lot of discussions, there’s a lot of literature about the sources of energy at the origins. People love to discuss the possibility of ultraviolet light or they like to talk about oh, bolide impacts – so, the meteorite impacts as it releases a lot of energy – or continents crushing together, generating energy sunlight or highly reactive phosphorous minerals called phosphides – they’re extremely dangerous and highly reactive, they almost explode.

So the question is, do we need additional sources of energy? Or if we use the the starting compounds that cells use – hydrogen CO2, ammonia, hydrogen sulfide and phosphate – will those reactions go forward? And the answer is: it depends on the conditions. OK, so if you take very acid conditions, about half of them go forward, or if you take conditions that are extremely hot about half half of them go forward. If you leave out the hydrogen, none of them go forward, basically.

Bart Geurten:

Um also herauszufinden, unter welchen Bedingungen, die 400 Reaktionen außerhalb einer lebenden Zelle ablaufen könnten, schaute sich Jessica Wimmer die Thermodynamik der Reaktionen genauer an.

Bill Martin:

She did great work, Ph.D. student, just fantastic work on this. She did this in a very actually very short period of time once we knew exactly what we were after. There are programs that will help you estimate the change in free energy for a given reaction. That is, you can calculate whether a reaction will tend to go forward or not by putting the reaction into a program, then it looks at the chemical properties of the chemicals on the on the starting side, the the reactants, and then it looks at the chemical properties of the products and then says, OK, is there a release of energy? Is the reaction likely to go forward or not?

Under the conditions of hydrogen producing hydrothermal vents? 97% of these 400 reactions release energy. They have a natural tendency to go forward. There is a natural thermodynamic tendency of the reactions of core metabolism to unfold under the conditions of hydrogen producing hydrothermal vents. That’s interesting that was surprising!

Dennis Eckmeier:

Fast alle diese Reaktionen, die Jessika Wimmer in ihrem Core Autotrophic Network zusammengstellt hatte, könnten prinzipiell unter Bedingungen von selbst ablaufen, wie sie in wasserstoffproduzierenden Hydrothermalquellen zu finden sind.

33:22 Was die Ergebnisse bedeuten und wie es weitergeht.

Dennis Eckmeier:

Martina Preiner und Delfina Pereira, die ebenfalls in Bill Martins Labor arbeitet, wiesen dann noch für eine zweite unverzichtbare Reaktion nach, dass sie in ihrem Reaktor im Labor in solchen Bedingungen von selbst ablief.

Bart Geurten:

Basierend auf diesen Ergebnissen ergibt sich Bill Martins derzeitige Hypothese vom Beginn des Lebens.

Bill Martin:

That’s interesting. And we can see it by asking the right question. We didn’t know this before and it doesn’t just come out and tell you, Oh, I’m here, come find me. You have to go look at it with, with the right tools. You have to investigate it and do something that nobody else has done before.

What’s also interesting is that the chemical reactions, we said they’re conserved. They’re just as conserved as the code. The code is 64 codons, ribosomes, tRNAs, mRNAs interacting, translation, 20 amino acids. These 400 reactions are just as conserved. The enzymes that catalyzed them have gone undergone a great deal of change in many different lineages. But if you go back to the common ancestor of animals and fungi, that organism had to make all. So these losses are always late and the deeper you go in the evolution of life, the more the more densely conserved these reactions are.

Bart Geurten:

Noch ist das Bild nicht komplett. Aber die Gruppe forscht weiter. Dabei spielt auch ihr  Kooperationspartner Dr. Harun Tüysüz vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mühlheim eine wichtige Rolle. Er stellt die Katalysatoren für ihre Experimente her, also zum Beispiel das Awaruit.

Bill Martin:

Thanks to Harun at the at the Max Planck in Mülheim, we’ve got these outstanding catalysts and we’re trying to continue this research with the help of additional funding that we’ll be applying for here soon to keep going on this, because everything that we’ve touched with these catalysts of these making is, is working.

It’s, it’s incredible. You can’t publish results fast enough. It’s just it’s, it’s really amazing. And we’re just starting with hydrogen and CO2. Of course, the the next big step is to get amino acids. We’re working on that. And I’m not going to report any progress in this podcast. But if you had a picture of me, I am smiling. OK, while I’m not telling you anything about whether or not it works, I am smiling

Bart Geurten:

Bill Martin hat eine tolle Hypothese zur Entstehung des Lebens, die unter den Bedingungen in Hydrothermalquellen möglicherweise aufgeht.

Dennis Eckmeier:

Und so stellt er sich den Hergang vor: 

Die Reaktionen fanden nicht einfach in freiem Wasser statt, wo die beteiligten Moleküle einfach davontreiben konnten. Sondern, in den Poren des Gesteins. Die Wände der Hohlräume enthalten Awaruit und andere Katalysatoren, die die 400 Reaktionen beschleunigen, die alle für das Leben notwendigen Moleküle produzieren. 

Bart Geurten:

Bill Martins Team und Kooperationsparter*innen, aber auch von ihnen unabhängige Forscher in ihrem Fachgebiet, arbeiten weiterhin daran, in Experimenten die Bedingungen zu finden, unter denen die Reaktionen des Metabolismus von selbst ablaufen.

Dennis Eckmeier:

Selbst wenn diese Nachweise funktionieren – Bill Martin macht einen sehr optimistischen Eindruck – bleiben natürlich noch einige Fragen offen. Zum Beispiel: „Wie entstand das komplexe Erbgut?“ oder „Wie entstanden die ersten Enzyme, die die chemischen Reaktionen ohne Awaruit möglich machten?“ Das sind alles Fragen, für die es noch keinen befriedigenden Erklärungsversuch gibt.

Bart Geurten:

Aber, was diese Forschung bisher zeigt, ist, dass Leben unter Bedingungen entstehen und überleben kann, die ganz anders sind, als viele Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sich das bisher vorgestellt hatten. Und das hat Implikationen für die Suche nach Leben außerhalb der Erde.

Bill Martin:

It expands the habitats for life to the heavenly bodies that are not just like Earth in the Goldilocks Zone.

Dennis Eckmeier:

Die Goldilocks-Zone – oder habitable Zone – ist ein Gebiet innerhalb eines Sonnensystems, wo der Abstand eines Planeten von seiner Sonne flüssiges Wasser auf der Oberfläche erlaubt – flüssiges Wasser ist eine Grundvoraussetzung für Leben, wie wir es kennen. In unserem System ist die Venus am heißen inneren Rand der habitablen Zone, und Mars am kalten äußeren Rand. Und die Erde sitzt schön in der Mitte.

Bart Geurten:

Aber wenn wir uns andere Himmelskörper anschauen stellen wir fest: flüssiges Wasser gibt es auch außerhalb der habitablen Zone. 

Bill Martin: There is a moon of Saturn called Enceladus.

Dennis Eckmeier:

Enceladus ist ein Ball aus gefrorenem Wasser und vermutlich einem Kern aus Felsgestein. Er umkreist Saturn mit hoher Geschwindigkeit. Dabei lösen die Gravitationskräfte von Saturn und seiner anderen Monden Bewegungen in Enceladus aus, die seinen Kern aufheizen. Es gibt also vermutlich einen Ozean aus flüssigem Wasser zwischen dem felsigen Kern und der Außenhülle aus gefrorenem Wasser. 

Bart Geurten:

Flüssiges Wasser auf heißem Gestein, das haben wir doch schon einmal gehört, heute.

Bill Martin:

And the Cassini mission flew through geysers that it has at its South Pole, where it’s emitting some of this water. And in that they found molecular hydrogen. Right? The molecular hydrogen is an indicator for serpentinization that is giving rise to molecular hydrogen.

Dennis Eckmeier:

Und Wasserstoff ist ja laut seiner Hypothese der Treibstoff, der die Entstehung von Leben auf der Erde angetrieben haben könnte. Könnten wir also Leben finden, das sich auf Enceladus entwickelt hat?

Bart Geurten:

Die Cassini-Mission fand eine Reihe von Molekülen in dem Wasser, das Enceladus ausspuckt, die wir schon in dieser Folge erwähnt haben: Neben Wasserstoff gibt es da Ammoniak, CO2, und Methan. Das weist alles auf die Existenz von Hydrothermalquellen hin. 2021 machte eine Studie die Runde, die sogar zu dem Schluss kam, dass das Verhältnis von Wasserstoff zu Methan auf einen biologischen Ursprung hindeuten könnte.

Dennis Eckmeier: Da ist Bill Martin aber skeptisch.

Bill Martin:

Do we think that there’s life on Enceladus? I don’t think so. But if we send a probe up there we better be very certain that it does not have any microbes, any methanogens or acidogens on it, because if they get into that water, they will find exactly what they need to grow. And within a week or a month or a year, that moon will be inhabited by microbes that we brought there. That’s a real problem. All right. And it’s almost impossible. You cannot microbes are so small, you cannot get rid of the last one. It’s almost impossible.

Bart Geurten:

Die Kontamination von außerirdischen Himmelskörpern zu verhindern, ist eine Aufgabe, an der die Weltraumforschung tatsächlich auch arbeitet. Wir wollen schließlich nicht irgendwann auf außerirdisches Leben stoßen, nur um dann herauszufinden, dass wir es selbst dorthin gebracht haben.

Dennis Eckmeier:

Das Leben auf der Erde hat sich in den fast 4 Milliarden Jahren so weit entwickelt, dass es wahrscheinlich unmöglich ist, jemals exakt zu wissen, wie es entstanden ist. Als Menschheit können wir nur die Spuren auswerten, die noch übrig sind. Dieser Aufgabe haben sich viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschrieben. Die Hypothese, dass Hydrothermalquellen der Ursprung sind, ist eine von mehreren, an denen gearbeitet wird. Für Bill Martin ist sie jedoch die plausibelste.

Bart Geurten:

Die These stützt sich auf viel Spezialwissen aus Biologie, Chemie und Geologie. Aber die für mich wichtigste Aussage am Ende ist, dass die Elemente, aus denen das Leben besteht, gar nicht so selten sind und Bedingungen für die Entstehung von Leben möglicherweise an sehr vielen Orten im Universum herrschen könnten. 

Dennis Eckmeier:

Selbst in unserem Sonnensystem sind Enceladus und die Erde nicht die einzigen Himmelskörper, auf denen Verbindungen gefunden werden, die uns aus dem Metabolismus von irdischen Lebewesen bekannt sind. Leben könnte sich also auf Planeten und Monden entwickeln, die für uns Menschen unwirtlich sind – weit abseits der Goldilocks-Zone. Und das ist eine fantastische Vorstellung.


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41:35 Nachbesprechung

Bart Geurten:

Mich haben vor allen Dingen diese 400 total fasziniert. Also 400 essentielle Reaktionen zu finden und dann rauszufinden, dass die alle dort exotherm ablaufen können, ist schon ein überragendes Ergebnis. Das ist sozusagen wie das kleinstmögliche Leben in so ein Reagenzglas zu bringen und zu sagen: Das ist die Wiege allen Lebens auf diesem Planeten.

Dennis Eckmeier:

Ja, Bedingungen zu finden, wo die ablaufen ohne eine Zelle drumherum. Das ist, was ich so, so cool fand eigentlich.

Aber ich finde immer, ich weiß nicht. Ich stelle mir vor, wie diese 400 Reaktionen in so einer kleinen Pore im Gestein ablaufen. Am Anfang hast du nur diese Reaktionen und da muss ja irgendwie Evolution passieren. Damit zum Beispiel sich so ein Erbgut entwickelt und eine Zellmembran und all das. Da muss ja ein gewisser Druck ausgeübt werden, Selektionsdruck, damit dann am Ende so eine kleine Zelle aus dem Gestein raus poppt. Sehr spekulativ alles.

Bart Geurten:

Meine Spekulation wäre jetzt eher dazu, dass du das vielleicht gar nicht brauchst, sondern dass du nur einmal zu so einem selbstverstärkenden Reaktionsmuster kommen musst, das sich immer wieder selbst bedingt. Also wie so ein Zirkelschluss.

Dennis Eckmeier:

Ja, aber so bekommst du keine Enzyme, sondern so bekommst du nur die Reaktion, die nie aufhört.

Bart Geurten:

Aber ja, genau. Aber ich glaube, das ist so der erste Schritt. Und dann muss dabei irgendwie ein Abfallprodukt entstehen, was zusätzlich diese Situation verstärkt. Und in der Evolution will ich sagen, kommt es gar nicht so sehr darauf an, wie du optimiert ist.

Dennis Eckmeier:

Du optimiert ja nicht, du machst ja nur Möglichkeiten und die Natur sagt dir dann okay, das hat funktioniert oder nicht.

Bart Geurten:

Nein, das was ich meine ist der Prozess der Evolution ist ein reiner Optimierungsprozess. Also, im mathematischen Sinne. Nicht, dass da etwas Optimales herauskommt, sondern einfach nur durch Trial und Error wird einfach stetig weiter verbessert. Und solange du einen durchgehend ablaufenden Prozess hast, der sozusagen so Zirkelschluss macht, bekommst du erst die zeitliche Kontinuität, um Trial and Error zu machen.

Und ich glaube, an dem Punkt ist Bill Martins Forschung. Diesen Punkt aufzusetzen, an dem du zeitliche Kontinuität durch den immer wieder ablaufenden gleichen Prozess von 400 Reaktionen hast. Und dann kann erst Evolution wirklich starten.

Dennis Eckmeier:

Ja, genau. Genau das ist halt so der Punkt, den ich total krass finde.

Bart Geurten:

Ich weiß nicht, ob du dich noch an dieses Seminar was wir vor ungefähr 100 Jahren an der Universität Köln gehört haben, Artificial Life, erinnerst.

Dennis Eckmeier: Das ist höchstens 20 Jahre her, Bart.

Bart Geurten:

Ich fürchte nein. Da gab es dieses, dieses eine künstliche Leben Programm, was sozusagen nur aus einem Lesekopf bestand und Genen, was unglaublich schnell diese Optimierungsverfahren durchlief und ganz schnell sozusagen zu eigenen Lebewesen geworden ist, künstlichen Lebewesen, aber dann auch zu Parasiten und Hyperparasiten. Und da war mir zum ersten Mal klar, dass das einzige, was du brauchst, diese zeitliche Kontinuität ist und egal ob du jetzt Proteine, Reaktionen oder in diesem Fall Bits und Bytes durch so einen Evolutionsprozess schickst, du kommst immer wieder zu ähnlichen Lösungen, weil das einfach die mathematisch optimale Lösungen sind.

Dennis Eckmeier:

Ja, ich erinnere mich an die Story, aber ich kann mich nicht mehr an dieses Seminar erinnern.

Bart Geurten:

Das ist der Unterschied zwischen uns beiden. Mich hat die Masse schon immer ganz toll gepackt und ich kann mich sehr gut dieses Seminar erinnern. War eigentlich mein Lieblings Seminar.

45:24 Danksagung und Förderung

Bart Geurten:

Wir bedanken uns ganz herzlich bei Professor Dr. Bill Martin von der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf für das Gespräch über seine Arbeit. Leider konnten wir nicht alle beteiligten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in dieser Folge unterbringen, die er in unserem Gespräch lobend erwähnt hat.

Dennis Eckmeier:

Die an den im Hauptteil beschriebenen Studien beteiligten Forscher*Innen arbeiten an

–          Dem  Institut für Molekulare Evolution und dem Institut für Physikalische Chemie der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf

–          Dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mühlheim an der Ruhr

–          Dem Department of Functional and Evolutionary Ecology der Universität Wien

–          Dem Bioproduction Research Institute am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Sapporo, Japan

–          Der Universität von Strasbourg, Frankreich

–          Der Charité-Universitätsmedizin Berlin

–          Und dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Japan.

Außerdem bedankt sich Bill Martin ganz explizit bei den Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen des Computer Centers der Heinrich-Heine-Universität, die die anspruchsvolle Computing-Arbeit ermöglichten, und bei den Mitarbeiter*Innen der Heinrich-Heine-Universität, die die chemischen Analysen der Laborversuche mittels Kernmagnetresonanz-Spektroskopie (NMR) durchführen.

Bart Geurten:

Gefördert wird die Forschung hauptsächlich von der DFG und der Europäischen Union, bei der sich Bill Martin für ihre Großzügigkeit bedankt.

46:35 Verabschiedung

Dennis Eckmeier:
Wer die Folge gerne als Text lesen möchte, kann das auf unserer Webseite tun, da gibt es ein Transkript, und auf YouTube gibt es Untertitel.

Bart Geurten:
Wenn Dir die Folge gefallen hat, vergiss nicht, den Podcast zu abonnieren und all Deinen Freunden und Bekannten von uns zu erzählen!

Dennis Eckmeier: Vielen Dank fürs Zuhören! Tschö!

Bart Geurten: Tschüss!


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One thought on “Wie startete das Leben? – Das Transkript

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