#Wie Wasserstoff schon am Ursprung des Lebens nutzbar wurde
Inhaltsverzeichnis
Wasserstoff gilt als Energieform der Zukunft. Doch das Gas zu nutzen, ist keine Erfindung der Menschen. Schon am Ursprung des Lebens auf der frühen Erde lieferte Wasserstoff Energie für die ersten Bakterienzellen. Was diesen Prozess damals möglich machte, haben Forschende nun entschlüsselt. Demnach reichten einige günstige Reaktionsbedingungen in hydrothermalen Quellen aus, um den chemisch komplexen Vorgang der Wasserstoffspaltung in Gang zu setzen.
Wasserstoff (H2) ist ein „sauberer“ Brennstoff. Das Gas verbrennt mit dem Sauerstoff der Luft und liefert dabei Energie, ohne dass das Treibhausgas CO2 entsteht. Wasserstoff gilt daher angesichts der Klimakrise als ein Schlüssel zu nachhaltiger Energie für die Zukunft. Die entsprechende Infrastruktur wird derzeit entsprechend ausgebaut. Doch was wir erst seit kurzem für uns entdeckt haben, kennen Bakterien schon lange: Schon die allerersten Zellen auf der Ur-Erde nutzen Wasserstoff als Brennstoff und Energielieferant, um damit verschiedene Lebensbausteine herzustellen. Das Gas stammte damals aus Hydrothermalquellen, wie sie 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 gelingt die Spaltung von Wasserstoff?
Wie genau die ersten Zellen auf der Erde aber dazu kamen, Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen, war bislang unklar. Ein Team um Max Brabender von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hat das nun genauer untersucht. Dafür betrachteten die Forschenden einen chemischen Vorgang, der aus früheren Studien bereits bekannt ist. 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“, erklärt Brabender.
Zellen lösen dieses Problem, indem sie die zwei Elektronen im Wasserstoff auf getrennte Wege schicken: Einem der Elektronen wird so viel Energie entzogen, dass das andere Elektron in einen höheren Energiezustand versetzt werden kann. Dieser Vorgang wird als Elektronenbifurkation bezeichnet. Heutige Zellen besitzen für diesen Prozess mehrere metallhaltige Enzyme und organische Cofaktoren, die die Elektronen zu einem eisenhaltigen Molekül namens Ferredoxin befördern, das als Elektronenträger fungiert und die Aufteilung ermöglicht. Doch solche Enzyme und Cofaktoren gab es auf der Urerde noch nicht.
Wie haben die evolutionär frühen Zellen diese energetische Aufwärtsreaktion dann stattdessen vollbracht? „Mehrere verschiedene Theorien wurden dazu aufgestellt, wie die Umwelt die Elektronen energetisch nach oben zu Ferredoxin getrieben haben könnte“, sagt Seniorautor William Martin von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Diese Theorien hat das Team nun mithilfe von Laborversuchen überprüft.
Alkalische Umgebung und Eisen ermöglichen Elektronentransfer
Die Analysen ergaben, dass bei dem für viele hydrothermale Quellen typischen pH-Wert von 8,5 tatsächlich keine Enzyme erforderlich sind, um Wasserstoff zu spalten. Allerdings ist neben der alkalischen Umgebung auch Eisen nötig, wie Brabender und seinen Kollegen berichten. „Die H–H-Bindung von H2 spaltet sich dann an der Eisenoberfläche und erzeugt Protonen, die vom alkalischen Wasser verbraucht werden, und Elektronen, die dann einfach direkt auf Ferredoxin übertragen werden“, erklärt Co-Autor Wolfgang Buckel vom Max-Planck-Institut (MPI) für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. Bei 40 Grad Celsius dauerte dieser Prozess knapp vier Stunden, wie die Forschenden berichten. Das ist zwar deutlich langsamer als es mit heutigen Enzymen möglich ist, zeigt aber, dass Wasserstoffnutzung grundsätzlich auch ohne diese biochemischen Katalysatoren geht.
„Wir haben damit 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.“
Aber wo kam das für den Prozess nötige Eisen auf der Urerde her? Wie die Analysen ebenfalls zeigten, wandelt das Wasserstoffgas aus den Hydrothermalquellen natürlich vorkommende eisenhaltige Mineralien in metallisches Eisen um. Dass Wasserstoff dies kann, ist an sich keine neue Erkenntnis, sagt Co-Autor Harun Tüysüz vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheim. Viele Prozesse in der chemischen Industrie nutzten Wasserstoff, um aus Mineralien Metalle zu machen. „Überraschend ist jedoch, dass dies auch in der Natur geschieht, vor allem an Hydrothermalquellen, und dass dieses natürlich abgelagerte Eisen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben könnte“, so Tüysüz.
Quelle: Max Brabender (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) et al., PNAS, doi: 10.1073/pnas.2318969121
Wenn Ihnen der Artikel gefallen hat, vergessen Sie nicht, ihn mit Ihren Freunden zu teilen. Folgen Sie uns auch in Google News, klicken Sie auf den Stern und wählen Sie uns aus Ihren Favoriten aus.
Wenn Sie weitere Nachrichten lesen möchten, können Sie unsere Wissenschaft kategorie besuchen.
