ERKLÄRT - Es begann auf dem Meeresgrund. Die bisher unbekannte Geschichte des Lebens

Erklärt

Es begann auf dem Meeresgrund. Die bisher unbekannte Geschichte des Lebens

Bis heute hält sich die Vorstellung, das Leben auf der Erde sei in einer Ursuppe entstanden. Doch immer mehr Hinweise sprechen dafür, dass es in winzigen Gesteinsporen am Meeresgrund begonnen hat. Dort hat sich vor 4 Milliarden Jahren die Lebensflamme entzündet, und sie hat unseren Planeten seither grundlegend verändert.

Ori Schipper, Jonas Oesch, Pauline Martinet, Nicolas Staub, Lukas Beyeler22.10.2026, 14.21 Uhr

22 Leseminuten

Das Leben ist ein Wunder! Das hat die Menschheit wohl schon immer geahnt, denn jede Religion hat ihren Schöpfungsmythos. Doch nun nähern wir uns dank einer Reihe von Einsichten aus den Erd- und Lebenswissenschaften erstmals einer neuen und fundierten Antwort auf die Frage, woher wir und alle anderen Lebewesen kommen.

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Der Regenwurm im Boden, die brummende Hummel in der Luft, die zarten, roten Blütenblätter des Mohns: Sie bestehen – genau wie Pilze und die von uns unterschätzte Vielfalt der Mikroben – aus lebenden und somit energieverbrauchenden Zellen. Wie und woher beziehen wir Lebewesen die Energie, die wir brauchen, um Prozesse wie Stoffwechsel, Wachstum und Vermehrung voranzutreiben?

Der Fokus auf die Energiegewinnung erlaubt eine neue wissenschaftliche Schilderung, wie das Leben entstanden ist und wie es sich entwickelt hat. Die neue Erzählung legt nahe, dass das Leben energetisch sehr eng mit unserem Planeten verwoben ist. Das Wissen um diese Verflechtungen beantwortet uralte Fragen und zeigt zudem auf, wo sich vielleicht auch Lebensspuren im Weltall finden lassen.

Gemäss der bioenergetischen Betrachtung stammt alles, was heute lebt, von denselben Vorfahren ab, die wahrscheinlich vor sehr, sehr langer Zeit in faszinierenden Strukturen am Meeresboden entstanden sind. Die Geschichte reicht also sehr weit in die Vergangenheit zurück. Wie es zum ersten urzeitlichen Stoffwechsel kam – und was sich seither auf der Erde ereignet hat: Das ist eine wirklich erstaunliche Erzählung, die wir hier in neun Kapiteln und einem Epilog beschreiben.

Kapitel 1: Als Himmel und Erde entstanden

Das All ist wahrscheinlich etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. Während rund 9 Milliarden Jahren sind aus feinem Staub zuerst kleine Körner entstanden, die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft zu immer grösseren Gebilden zusammenklumpten.

Als sich schliesslich vor rund 4,5 Milliarden Jahren die Erde formte, sah sie überhaupt nicht so aus, wie sie sich wohl die meisten von uns vorstellen\: Wir denken an einen blauen, teilweise von Wolken umhüllten Planeten. So wie er etwa auf dem berühmten Bild zu sehen ist, das der Astronaut William Anders 1968 an Bord der Apollo 8 geschossen hat.

Doch die sogenannte Proto-Erde war zu Beginn öd und leer.

Sie war noch blutjung, also keine 100 Millionen Jahre alt, als vor rund 4,4 Milliarden Jahren ein riesiger Himmelskörper namens Theia in sie krachte. Der Aufprall war so heftig, dass er alles Gestein auf der Oberfläche zum Schmelzen brachte. Der Zusammenstoss verwandelte die Erde in einen riesigen Ball aus glühendem Magma.

Ähnlich wie bei den Kugeln, die im Schulunterricht die Impulserhaltung veranschaulichen, führte der Zusammenprall mit Theia dazu, dass ein Teil des Materials aus dem Erdinneren in eine Umlaufbahn geschleudert wurde. Daraus ist der Mond entstanden. Er ist ein Kind dieser himmlischen Kollision.

Auf der Erde sorgte der Einschlag auch dafür, dass sich Kohlendioxid und Wasserdampf bildeten und in der Atmosphäre ansammelten. Als die Erde langsam abkühlte und sich vom Zusammenstoss erholte, kondensierte der Wasserdampf und kehrte als Regen auf die Erde zurück. Die Millionen Jahre dauernde Sintflut war die Geburtsstunde der Urmeere: Sie sind rund 4,3 Milliarden Jahre alt.

Kapitel 2: Im Urmeer

Dass das Leben im Wasser begonnen haben muss, schlägt schon die biblische Schöpfungsgeschichte vor. Auch Charles Darwin hielt vor rund 150 Jahren in einem Brief an einen Freund schriftlich fest, dass die frühesten Lebensformen wahrscheinlich einem «warmen, kleinen Tümpel» entsprungen seien.

In den 1920er Jahren formulierten Wissenschafter die Idee der Ursuppe. Sie gewann viele Anhänger, vor allem dank Resultaten aus einem berühmten Versuch, den ein amerikanischer Chemiker zu Beginn der 1950er Jahre durchführte: Stanley Miller simulierte die Prozesse auf der frühen Erde in zwei mit Rohren verbundenen Glaskolben.

Den ersten Kolben goss er zur Hälfte mit Wasser voll. Den zweiten füllte er mit einem Gasgemisch, das vermeintlich der Uratmosphäre der Erde glich. Allerdings enthielt das Gemisch kein Kohlendioxid.

Der Chemiker erhitzte das Wasser im unteren Kolben. Der Wasserdampf stieg über ein Glasrohr zum anderen Kolben hoch. In diesen oberen, mit dem Gasgemisch gefüllten Kolben ragten Elektroden hinein.

Als Miller Spannung anlegte, formten sich Lichtbögen zwischen den Elektroden. Diese Spannungsentladungen, diese Blitze im Labor führten dazu, dass die verschiedenen Gasmoleküle miteinander reagierten.

Ein gekühltes, weiteres Glasrohr führte zurück zum ersten Kolben. Innerhalb einer Woche hatte sich das anfangs klare Wasser in eine trübe, rote Suppe verwandelt. Als der Chemiker den Inhalt dieser Suppe analysierte, stiess er unter anderem auf Aminosäuren. Das sind die Grundbestandteile aller Proteine.

Mit anderen Worten: In seinem Versuch hatte Miller aufgezeigt, dass aus unbelebten Gasen absolut zentrale Bausteine des Lebens entstehen können. Nichts ist falsch an dieser Schlussfolgerung. Doch wer diese Resultate auf die frühe Erdgeschichte übertragen möchte, stösst auf mehrere Probleme.

Wenn Blitze die Uratmosphäre durchzucken, setzen sie auf einen Schlag enorm viel Energie frei. Doch einen Augenblick später ist alles wieder vorbei.

Blitze sind erstens zu rasch und zu mächtig, um empfindliche Stoffwechselprozesse in Gang zu setzen. Wo sich Energie explosionsartig entlädt, kann sich keine Lebensflamme entzünden.

Das zweite ungelöste Problem der Ursuppentheorie hat mit der nötigen Aufkonzentration der organischen Moleküle zu tun. Durch Blitzeinschläge entstehen zwar Bausteine des Lebens. Doch wenn sie sich im Urmeer verteilen, entsteht eine Lösung, die im Vergleich mit lebenden Zellen milliardenfach verdünnt ist.

Dass sich diese ersten einfachen Bausteine in einer so dünnen und klaren Suppe spontan zu komplexeren Molekülen zusammenlagern, ist schlicht nicht plausibel.

Zudem: Damit sich einzelne Einheiten wie die Aminosäuren aneinanderreihen und dadurch Ketten – also Proteine – formen, braucht es eine kontinuierliche Energiezufuhr. Aber gibt es überhaupt solche energetisch vorteilhaften Orte auf unserem Planeten?

Kapitel 3: Rauchende Kamine am Meeresgrund

Eine erste positive Antwort auf diese Frage haben Meeresgeologen im Jahr 1977 gefunden. In einem Tiefsee-U-Boot stiessen sie in der Nähe des Galapagos-Archipels auf bizarre Gebilde am Meeresgrund.

Mehrere tausend Meter unter der Meeresoberfläche, tief unten im ewigen Dunkel, fanden sie eine Ansammlung von breiten Schornsteinen vor. Viele dieser Kamine waren mehr als zehn Meter hoch. Aus allen quollen fortdauernd schwarze Schwaden.

Weil diese sogenannten Schwarzen Raucher direkt über Magmakammern im Meeresboden liegen, ist das Wasser, das aus den Schloten strömt, rund 400 Grad Celsius warm. Das ist für alle uns bekannten Lebewesen eindeutig zu heiss. Deshalb scheint es vernünftig, auszuschliessen, dass die Ursprünge des Lebens in solchen Strukturen zu finden wären.

Doch dann entdeckten Forschende im Jahr 2000 auf einer Erkundungsreise des Mittelatlantischen Rückens knapp tausend Meter unter der Meeresoberfläche ein weiteres Feld von hydrothermalen Quellen. Auch über diesen Quellen ragen Schornsteine aus dem Meeresgrund. Aus den bizarren Strukturen steigen allerdings farblose Schlieren auf.

Das Wasser, das aus den weissen Schornsteinen strudelt, ist viel weniger heiss. Es ist nur zwischen 40 und 90 Grad Celsius warm, weil die neu entdeckten Quellen nicht wie die Schwarzen Raucher direkt über einer Magmakammer liegen, sondern einige Kilometer davon entfernt.

Wichtig ist auch ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Arten von hydrothermalen Feldern am Meeresgrund: Die Schwarzen Raucher über den Magmakammern sind ziemlich kurzlebig. Nach einigen hundert Jahren hören sie auf zu wachsen. Die weissen Schornsteine erheben sich hingegen viel höher über den dunklen Meeresgrund. Während bis zu hunderttausend Jahren quillt aus ihnen fortwährend Wasser empor, das eine für die Entstehung von Leben optimale Temperatur aufweist.

Solche Strukturen gab es wohl auch in den Urmeeren, ihr Entstehungsprozess ist gleich geblieben: Wenn sich kaltes Wasser aus dem Ozean in den Boden eingräbt, erwärmt es sich. Im Untergrund löst das Wasser Mineralien aus dem Gestein – und ist in einen speziellen geochemischen Prozess verwickelt: Es reagiert mit dem Mineral Olivin, das sich dadurch in ein anderes Mineral namens Serpentin umwandelt. Bei dieser sogenannten Serpentinisierung fliessen Elektronen aus dem Gestein ins Wasser. So bildet sich Wasserstoff. Er wird in dieser Geschichte eine tragende Rolle spielen.

Weil sich Wasser ausdehnt, wenn es sich erwärmt, verliert es an Dichte. Dadurch wird es zurück an die Oberfläche gedrückt, wenn kälteres Wasser in die Erdkruste nachströmt.

In dem Moment, in dem das warme Wasser aus dem Untergrund auf den kalten Ozean trifft, fallen die zuvor gelösten Mineralien aus. Sie lagern sich ab, verdichten sich und türmen sich mit der Zeit zu bis zu 60 Meter hohen Schornsteinen auf.

Die fortwährende Turbulenz sorgt dafür, dass das Gestein dieser Schornsteine voller Poren ist. Ist das Leben vielleicht in diesen winzigen steinernen Kammern am Meeresgrund entstanden?

Kapitel 4: Protozellen in steinernen Kammern

Die ältesten Spuren eines urzeitlichen Stoffwechsels sind knapp 4 Milliarden Jahre alt, wie Forschende aus Japan im Jahr 2017 berichteten. Dass diese Spuren wahrscheinlich im Dunkel am Grund der Urmeere entstanden sind, legen zwei voneinander unabhängige Argumentationsketten nahe. Denn wenn man sich anschaut, wo und wie aus unbelebter Materie Lebewesen entstanden sein könnten, und wenn man umgekehrt von den heutigen Lebewesen ausgeht und ihre Abstammungsgeschichte bis zum Ursprung nachzuzeichnen versucht, kommt man zum gleichen Schluss: Die Vorfahren des Lebens waren wohl in warmen Quellen am Meeresboden beheimatet.

Im Fokus dieses neuen Szenarios zur Entstehung des Lebens stehen keine Blitze oder Kometen, sondern winzige Poren im Gestein. Die steinernen Kammern stellen – wie die heutigen Zellen – chemische Reaktionsräume dar, die von der Umwelt mehr oder weniger stark abgetrennt sind.

In der mineralischen Umrandung dieser Poren stecken zahlreiche Metalle wie Nickel, Eisen und Kobalt. Sie sind in der Lage, chemische Reaktionen zwischen verschiedenen Kohlenstoffverbindungen zu beschleunigen.

Das machen die metallischen Komplexe – rund 4 Milliarden Jahre später – als sogenannte essenzielle Co-Faktoren in zentralen Stoffwechselreaktionen auch heute noch. Dieser Umstand verleitet die Fachwelt, von den «rocky roots», von den steinernen Wurzeln des Stoffwechsels zu sprechen.

Wer sich vertieft mit der Hypothese der weissen Schornsteine am Meeresgrund als Brutstätte des Lebens befasst, gewinnt den Eindruck, dass die Vorläufer des Lebens Bedingungen vorfanden, die die Entstehung von Komplexität begünstigten.

«Ich stelle mir das wie eine Umkehr des Zerfallsprozesses vor, der nach dem Tod eintritt», sagt Bill Martin, Professor am Institut für Molekulare Evolution der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf. Martin ist mit seinem Team seit knapp dreissig Jahren den Mechanismen am Ursprung des Lebens auf der Spur.

Die Forschenden haben unterschiedliche Beobachtungen aus der Geochemie, der Mikrobiologie und der Bioinformatik zusammengetragen, die wie Puzzleteile zueinanderpassen. «Je länger wir hinschauen, desto deutlicher zeigen sich die Zusammenhänge», sagt Martin.

Das Bild, das sich ergibt, legt nahe, dass indigene Gemeinschaften völlig richtig liegen, wenn sie unseren Heimatplaneten als «Mutter Erde» bezeichnen. Denn bei der Entstehung des Lebens scheint die Erde eine nährende und fürsorgliche Rolle eingenommen zu haben: Die Vorfahren der Lebewesen waren im Dunkel der Tiefsee wie in einer Art planetarem Mutterbauch gut vor der schädlichen kosmischen Strahlung geschützt.

An diesem sicheren Ort sorgte die Gesteinsumwandlung am Meeresgrund, die Serpentinisierung, zudem für stetigen Nachschub an chemischer Energie in Form von Wasserstoff. Es scheint, als hätte die Erde den Ansammlungen von organischen Molekülen in den winzigen steinernen Kammern tief unten im Urmeer nicht nur Wärme gespendet. Sondern als hätte sie dabei auch während Zehntausenden von Jahren den Vorläufern des Lebens sanft, geduldig und beharrlich Wasserstoff – eine Art planetare Muttermilch – eingeflösst.

Martin denkt, dass der Wasserstoff mit dem im Urmeer gelösten Kohlendioxid reagierte und dass sich dadurch in den Poren immer mehr organische Verbindungen ansammelten.

Die Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid setzt Energie frei. Sie könnte dafür gesorgt haben, dass sich die ersten simplen Verbindungen zu immer grösseren und komplexeren Molekülen zusammenlagerten, zumal die Metalle in den Umrandungen der Poren solche Kondensationsreaktionen beschleunigen.

Mit der Zeit könnte sich ein Netzwerk von unterschiedlichen Reaktionen gebildet haben. Aus den Wechselwirkungen und Rückkopplungen in diesem Netzwerk hat sich dann eine Art geobiochemisches Rückgrat entwickelt. In zahlreichen Experimenten haben Martin und viele weitere Forschende die grundlegende Struktur dieses Rückgrats aufgeschlüsselt: Es bestand ungefähr zur Hälfte aus Metallkatalysatoren im Gestein und zur anderen Hälfte schon aus ersten Proteinen.

Noch befinden wir uns im Reich der unbelebten Materie. Doch nun stehen wir an der Schwelle zum Lebendigen. Denn an diesem Urstoffwechsel im porösen Gestein am Meeresgrund hat sich schliesslich wohl irgendwann die Lebensflamme entzündet.

Kapitel 5: Die Lebensflamme

Was lebt – und was ist tot? Das sind Fragen, auf die wohl viele von uns schon als Kind eine intuitive Antwort entwickelt haben. Doch eine griffige Definition von Leben fehlt der Wissenschaft bis heute. Es gibt zum Beispiel keinen Konsens, ob Viren zu den Lebewesen zählen oder nicht. Das Leben ist ein Mysterium – und bleibt schwer fassbar.

Hier genügt es, wenn wir uns das Leben als eine Art selbsterhaltender Wirbel im Energiefluss vorstellen\: Während das ganze Weltall gemäss dem zweiten thermodynamischen Hauptsatz auf eine immer grössere Unordnung zustrebt, halten Lebewesen, solange sie leben, ein hohes Mass an Organisiertheit aufrecht.

Dazu benötigen sie Energie, die sie andauernd ihrer Umwelt entnehmen. Lebewesen befinden sich deshalb in einem energetischen Fliessgleichgewicht. Nur wenn Energie fliesst, findet Leben statt.

In der grundlegendsten Form bezieht das Leben seine Energie seit 4 Milliarden Jahren immer noch auf die gleiche Weise: Die Lebensflamme nährt sich aus einem sogenannten Protonengradienten, also dem Unterschied zwischen einem basischen Inneren und einem sauren Äusseren.

Zu Beginn floss basisches Wasser durch die Gesteinsporen am Boden des Urmeers: Es enthielt wenige Protonen, weil sich viele von ihnen mit den Elektronen aus dem Gestein verbanden – und sich so in Wasserstoff verwandelten.

Das Urmeer muss im Gegensatz dazu sauer gewesen sein. Denn es ist davon auszugehen, dass sich ein Teil des Kohlendioxids, das damals massenhaft in der Atmosphäre vorhanden war, im Meerwasser aufgelöst und dabei Kohlensäure gebildet hatte.

Als das Leben begann, erwarben die Urahnen die Fähigkeit, aus der pH-Differenz zwischen innerhalb und ausserhalb der Gesteinskammern Energie abzuschöpfen. Das für diese Fähigkeit verantwortliche molekulare Wunderwerk heisst ATP-Synthase. Der Eiweisskomplex ist auch heute noch in allen Zellen zu finden.

Die ATP-Synthase funktioniert wie eine Protonenturbine: Sie lässt Protonen von aussen nach innen strömen – und gerät dadurch ins Rotieren. Diese Drehbewegung wandelt die Turbine in chemische Energie um, indem sie Adenosintriphosphat, kurz ATP, herstellt.

ATP ist der universelle Energieträger für chemische Arbeiten in den Zellen. Er lässt – auch heute noch, rund 4 Milliarden Jahre später – eine Vielzahl von biochemischen Vorgängen vonstattengehen. Verbraucht wird dieser Energieträger in rauen Mengen: Gemäss Schätzungen setzt ein Mensch jeden Tag zwischen 60 und 100 Kilo ATP um.

Vor 4 Milliarden Jahren sorgte die pH-Differenz zwischen dem basischen Thermalwasser und dem sauren Meer dafür, dass sich die ATP-Synthase drehte. Die Vorfahren des Lebens waren an ihr steinernes Umfeld gebunden. Martin spricht deshalb von «halblebendigen Wesen».

Kapitel 6: Die Urahnen des Lebens

Wie das Leben zu Beginn genau ausgesehen hat, weiss niemand.

Zwischen den Protozellen aus Stein und den allerersten Lebewesen klafft immer noch eine Lücke. Doch sie wird zusehends kleiner – und die Wissenschaft macht sich immer genauere Vorstellungen, wie die Bewohner dieser Lücke wohl beschaffen waren.

Auf Englisch werden die Urahnen des Lebens als «last universal common ancestors», kurz Luca, bezeichnet: die letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens. «Luca ist ein theoretisches Konstrukt. Es könnte etwas gewesen sein, was wir heute als Lebewesen bezeichnen würden – oder auch nicht», schreibt das Team um Martin in einem seiner zahlreichen Fachbeiträge über die geheimnisvollen Urwesen.

Wir haben hier bisher die Entwicklung betrachtet, die es der unbelebten Materie ermöglichte, unter energetisch günstigen Umständen an Komplexität zu gewinnen. So sind wir auf die winzigen Kammern am Meeresgrund gestossen.

Was aber, wenn wir die Perspektive wechseln – und hier versuchen, einer zweiten Argumentationskette zu folgen? Was, wenn wir die heutigen Lebewesen miteinander vergleichen und daraus ableiten, wie ihre Urahnen ausgesehen haben könnten?

Die Logik hinter diesem Vorgehen beruht auf der Tatsache, dass Lebewesen ihre Merkmale von Generation zu Generation weitervererben. Allerdings schleichen sich ab und zu Fehler in diesen Vervielfältigungsprozess ein. So sammeln sich mit der Zeit immer mehr Unterschiede an.

Basierend auf diesen Unterschieden lassen sich die Verwandtschaftsgrade zwischen den verschiedenen Lebewesen rekonstruieren – und also eine Art Stammbaum des Lebens zeichnen. (Eigentlich ist der Baum ein falsches Bild, denn die erste Hälfte der Entwicklung des Lebens folgt einem anderen Muster\: Unter dem Stammbaum befindet sich eine Art Ring des Lebens. Auf diesen Ring kommen wir später nochmals zurück.)

Oben, in den feinen Verästelungen der Baumkrone, gruppieren sich die nah verwandten Arten wie etwa Mensch und Schimpanse. Sie haben sich erst vor etwa 6 Millionen Jahren aufgespalten – und blicken deshalb auf eine umso längere gemeinsame Vorgeschichte zurück.

Je weiter zwei bestimmte Arten voneinander entfernt sind, desto weiter unten vereinigen sich ihre Äste. Der tiefste Spalt, die tiefste Kluft in den Verwandtschaftsbeziehungen des Lebens reicht bis ganz nach unten zu den Ursprüngen.

Offenbar teilte sich das Leben auf der Erde gleich zu Beginn in zwei unterschiedliche Gruppen auf. Die Urahnen des Lebens zeugten sozusagen Zwillinge: Bakterien und Archaeen.

Rein äusserlich lassen sich diese beiden ältesten Gruppen von Lebewesen nicht auseinanderhalten. Unter dem Mikroskop sind nur winzige Zellen zu erkennen, die sehr einfach aufgebaut sind: So verfügen zum Beispiel weder Bakterien noch Archaeen über einen Zellkern.

Ihr einfacher Aufbau ermöglicht es ihnen, andauernd irgendwelche Gene untereinander auszutauschen und so neu zu kombinieren. Doch dadurch haben sich die Spuren der Urgeschichte des Lebens im Laufe der Evolution gründlich verwischt. Wer sie im Erbgut heutiger Lebewesen ausfindig machen will, steht vor einer schwierigen Aufgabe: Wenn die DNA aus lauter wild kombinierten Sequenzen besteht, verliert sich der rote Faden in einem unübersichtlichen Knäuel.

Mit ausgeklügelten bioinformatischen Methoden haben Martin und sein Team versucht, das Wirrwarr aufzulösen. Die Forschenden haben die Sequenzen von über 6 Millionen Genen im Erbgut von knapp 2000 verschiedenen Bakterienarten und rund 150 verschiedenen Archaeenarten miteinander verglichen.

So sind sie auf etwas mehr als 11 000 gemeinsame Genfamilien gestossen. Allerdings sind die Gene bei den allermeisten dieser Familien ungleich verteilt: Die Familien enthalten entweder zahlreiche bakterielle Gene und nur ein Gen von den Archaeen – oder umgekehrt viele Gene von Archaeen und nur eines von Bakterien. Solche Verteilungen legen nahe, dass ein Archaeon im Laufe der Evolution ein bakterielles Gen aufgenommen hat oder umgekehrt, dass ein Gen aus Archaeen von Bakterien übernommen wurde.

Nur 355 Genfamilien sind so divers zusammengesetzt, dass sie logisch weder den Bakterien noch den Archaeen zugeordnet werden können. «Diese Genfamilien führen direkt auf Luca zurück», sagt Martin. Luca kannte den genetischen Code, konnte Eiweisse herstellen und besass natürlich auch die Gene für die ATP-Synthase: die Protonenturbine, die der Lebensflamme zugrunde liegt.

Ausserdem: Die mehr als 300 verschiedenen Genfamilien legen nahe, dass Luca an einem warmen Ort daheim war – und Wasserstoff nutzte. Heute kommen die Gene dieser Familien gehäuft in Mikroben vor, die in dunklem Gestein ihr Dasein fristen. Auch im Umfeld der hydrothermalen Quellen mit den weissen Schornsteinen haben Wissenschafter Mikroben gefunden, die mit diesen Genen ausgestattet sind.

Die Ergebnisse der Erbgutanalysen passen erstaunlicherweise also punktgenau zum Szenario, das – aus rein geochemischen Überlegungen heraus – warme Wasserquellen am Meeresgrund als Brutstätten des Lebens beschreibt. Folgerichtig hat die Hypothese mehr Überzeugungskraft.

Nehmen wir also an, dass die ersten Lebensformen tatsächlich im Gestein lebten und sich von den Gasen Wasserstoff und Kohlendioxid ernährten. Doch was geschah danach? Wie geht die wunderliche Geschichte des Lebens weiter?

Kapitel 7: Die ersten Lebewesen

Was die allerersten Lebewesen von ihren halblebendigen Vorfahren unterscheidet, ist, dass sie in der Lage waren, sich von der energiereichen Heimat der Urahnen des Lebens zu lösen – und aus den Gesteinsporen zu schlüpfen.

Auch heute noch schaffen sich lebende Zellen, wo immer sie sich befinden, ihre eigene energiereiche Umgebung. Wie machen sie das?

Um das zu verstehen, hilft vielleicht das Bild einer züngelnden Flamme, die sich stets verändert – und trotzdem immer weiterbrennt, solange sie Nachschub an Brennstoff kriegt. Wenn ein Stück Holz im Kamin in Flammen aufgeht oder wenn wir unsere Nahrung verstoffwechseln, passiert chemisch gesehen fast genau das Gleiche: In beiden Fällen reagieren organische Moleküle als Elektronendonor mit Sauerstoff als Elektronenakzeptor. Entscheidend ist: Beim Übergang vom Donor zum Akzeptor setzen die Elektronen Energie frei.

Beim Feuer im Kamin zerstreut sich diese Energie sofort in der Umwelt. Lebewesen hingegen haben einen Weg gefunden, um die Energie abzufangen, umzuwandeln – und an der kugelrunden Oberfläche von Zellen zwischenzuspeichern. Das geschieht, indem Zellen die Elektronen durch die sogenannte Zellatmungskette schleusen.

Die Atmungskette ist eine hochkomplexe Apparatur, in der die Elektronen schrittweise – auf einem äusserst präzis abgesteckten Weg – Energie verlieren. Die Apparatur besteht aus mehreren Proteinen und liegt in der hauchdünnen Fettschicht, die jede Zelle umhüllt.

Mit der Energie der vom Donor zum Akzeptor wandernden Elektronen verfrachtet die Zellatmungskette Protonen von innen nach aussen. Die Zellhülle hindert die Protonen daran, ins Zellinnere zurückzugelangen. Deshalb sorgt die Zellatmung dafür, dass das Innere der Zelle basisch – und die Umgebung der Zelle sauer – wird. So bildet sich über die Zellhülle ein Protonengradient.

Mit ihrer Zellatmung stellen Zellen also die Situation nach, in der sich ihre Urahnen befanden. Sie nutzen die Energie von Elektronen aus ihrer Umwelt, um damit einen ortsunabhängigen Protonengradienten aufzubauen. Das ist der Antrieb ihrer Lebensflamme: Wenn die Protonen durch die Turbinen zurück ins Zellinnere gelangen, stellen die Zellen ATP her.

Mit anderen Worten: Indem Zellen atmen, befördern sie sich sozusagen an den Ursprung des Lebens zurück, wo ihre Vorfahren gelernt hatten, wie sich Energie aus der Umwelt abzapfen und umnutzen lässt.

Auffallend ist, dass sich Bakterien und Archaeen zwar in ihrem äusserlichen Aufbau gleichen, aber dass sie grundlegend anders atmen\: Sie nutzen zwei unterschiedliche Atmungsketten und stellen so über jeweils verschieden zusammengesetzte Zellhüllen den Protonengradienten her. Offenbar haben die beiden unmittelbaren Nachfahren von Luca eine jeweils eigene Lösung gefunden, um um sich herum eine energiereiche Blase zu bilden.

Kapitel 8: Als das Leben die Erde verwandelte

Wir richten unser Augenmerk auf eine Welt, in der es noch keine Quallen, Seesterne, Haifische oder Ameisen gibt. (Auch die Dinosaurier werden erst viel später auftauchen, bevor sie dann wieder verschwinden.)

Eine Welt, in der sich nichts bewegt, mag langweilig wirken. Dass das Leben während rund 2 Milliarden Jahren auf Bakterien und Archaeen, also auf winzige und unscheinbare Organismen beschränkt bleibt, sollte uns aber nicht zu dem Trugschluss verleiten, dass in dieser langen Zeitspanne nichts Nennenswertes passiert. Denn mit ihren Stoffwechselaktivitäten sorgen die Winzlinge für eine radikale Veränderung. Die ununterbrochen brennende Lebensflamme verwandelt den ganzen Planeten.

Als Bakterien und Archaeen aus den Gesteinsporen am Meeresgrund schlüpfen, werden sie von Meeresströmungen erfasst, die sie über den ganzen Erdball verteilen. Wo die Winzlinge hingeschwemmt werden, versuchen sie ihr Glück. Einige von ihnen dürften in die Nähe von unterseeischen Vulkanen gelangt sein, wie sich Martin vorstellt. Dort dürften die Mikroben erstmals einer neuen Energiequelle begegnet sein: Licht.

Die glimmenden Vulkane in der Tiefsee senden infrarote Strahlung aus. Sie ist viel schwächer und schonender als das energiereiche und UV-haltige Sonnenlicht an der Oberfläche unseres Planeten.

Mittels zufälliger Mutationen und natürlicher Selektion finden die Nachkommen dieser Zellen zum Wunder der Fotosynthese. Die ersten fotosynthetischen Organismen verwenden wahrscheinlich Schwefelwasserstoff und stellen daraus Schwefel her, wie manche Bakterien es heute noch tun.

Einige hundert Millionen Jahre später gelangen die Nachkommen der Fotosynthese-Pioniere an die Oberfläche der Meere. Dank intensivem Genaustausch zwischen Mikroben mit unterschiedlichen Lichtverwertungskomplexen schaffen es einige Winzlinge, mit der Energie des Sonnenlichts Wasser zu spalten.

Als Nebenprodukt dieser höher entwickelten, wasserspaltenden Fotosynthese entsteht molekularer Sauerstoff (O₂). Das ist ein chemisch hochreaktives Molekül: Heute bringt es etwa Eisen zum Rosten – oder sorgt dafür, dass das Holzscheit brennt.

Ob Rost oder Feuer: Der Sauerstoff giert immer nach Elektronen. Als starkes Oxidationsmittel bietet er ihnen eine Heimat, in der sich die Elektronen auf einem energetisch tiefen Niveau einrichten können. Deshalb setzen Elektronen, die sich vom Eisen oder von organischen Kohlenstoffverbindungen lösen und zum Sauerstoff gelangen, besonders viel Energie frei.

Umgekehrt benötigt die Fotosynthese Energie. Denn sie schickt die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung. Fotosynthetische Lebewesen entreissen dem Sauerstoff im Wasser Elektronen – und führen sie zum Kohlenstoff im Kohlendioxid, das sich dadurch zu Zuckermolekülen verbindet. Dieser energetische Aufstieg der Elektronen geschieht nur, weil das Leben gelernt hat, die Leuchtkraft der Sonne zu nutzen.

Wer jetzt denkt, dass hier unbedeutende Details einer beliebigen chemischen Reaktion beschrieben werden, irrt gewaltig. Denn die wasserspaltende Fotosynthese bewirkt eine weltweite chemische Verschiebung – mit weitreichenden Folgen.

Die Fotosynthese führt dazu, dass die Menge an molekularem Sauerstoff in der Atmosphäre millionenfach anschwillt. Dadurch verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf dem Planeten.

In der Fachwelt wird diese Verschiebung als «great oxidation event», das grosse Sauerstoffereignis, bezeichnet. Die weltweite chemische Revolution muss sich vor rund 2,4 Milliarden Jahren zugetragen haben, wie Eisenerzvorkommen dieses Alters belegen, die vom Rost rötlich gefärbt sind.

Auch auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde wirkt sich dieses Ereignis tiefgreifend aus: Die urzeitlichen Bakterien und Archaeen müssen lernen, mit O₂ umzugehen – und den reaktionsfreudigen Sauerstoff zu entgiften. Solche Schutzmechanismen sind auch heute noch in Kraft – und bewahren etwa unsere Körperzellen vor Schäden, die das starke Oxidationsmittel anrichten kann.

Das grosse Sauerstoffereignis führt aber auch zur Entstehung einer Ozonschicht, die die Erde umhüllt – und die die Bewohner unseres Planeten fortan vor der tödlichen kosmischen Strahlung schützt. Gleichzeitig eröffnet der Sauerstoff dem Leben eine Möglichkeit, bedeutend mehr Energie als bisher aus der Umwelt zu beziehen. Mit anderen Worten: Der Sauerstoff gibt der Lebensflamme die Gelegenheit, intensiver zu brennen als je zuvor.

Kapitel 9: Die Entstehung von Mischwesen

Während 2 Milliarden Jahren gehört die Erde ausschliesslich den Bakterien und Archaeen. In dieser Zeit erwerben sie zwar erstaunliche biochemische Fähigkeiten – und wandeln damit sogar ihren Planeten um. Doch in Form und Aufbau verändern sich die einfachen, klitzekleinen Zellen ohne Zellkern kein bisschen.

Dass die Winzlinge in all dieser Zeit nicht über sich hinauswachsen und dass die Zellen also während Milliarden von Jahren gewissermassen auf ihrer Entwicklungsstufe steckenbleiben, liegt an ihrer energetischen Beschränkung. Denn die Zellen müssen die Energie an ihrer Oberfläche zwischenspeichern, damit sie ihre Lebensflamme brennen lassen und ATP produzieren können.

Je stattlicher eine Zelle, desto grösser ist auch ihre Oberfläche: Sie nimmt in quadratischer Potenz des Radius zu. Doch das Zellvolumen wächst kubisch und also deutlich steiler an. Mit anderen Worten: Wenn eine Zelle grösser wird, kann sie an ihrer Oberfläche zwar mehr Energie speichern. Doch ab einem gewissen Punkt reicht diese zusätzliche Energie nicht aus, um die Vorgänge im überproportional stark wachsenden Zellinneren voranzutreiben.

Im Vergleich zu Bakterien und Archaeen sind Zellen von Pilzen, Pflanzen und Tieren viel komplexer aufgebaut. Sie enthalten Zellabteile mit spezialisierten Funktionen. In solchen Zellen ist zum Beispiel die Erbsubstanz im Zellkern eingeschlossen.

Die komplexen Zellen mit Zellkern sind ausserdem rund tausend bis hunderttausend Mal grösser als Bakterien und Archaeen. Wie kann das sein? Die Antwort auf diese Frage führt uns vor Augen, dass etwas Aussergewöhnliches geschehen sein muss: eine biologische Revolution, die es den Lebewesen erlaubte, die während Milliarden von Jahren geltende energetische Beschränkung zu überwinden.

Der Trick, mit dem das Leben auf der Erde die einengenden energetischen Fesseln gesprengt hat, liegt im Miteinander: Vor rund 2 Milliarden Jahren haben eine Bakterie und ein Archaeon so zueinandergefunden, dass nicht mal der Tod sie wieder scheiden kann. Denn zusammen entwickelten sie sich zu einem neuen Mischwesen.

Die enge Partnerschaft nennt sich im Fachjargon Endosymbiose. Auf Deutsch lässt sich der aus dem Altgriechischen abgeleitete Begriff am ehesten als ein Zusammenleben von innen heraus, als Leben im Leben fassen.

Martin denkt, dass es ursprünglich der Wasserstoff war, der die beiden Winzlinge aneinanderschweisste. Er bewog ein wasserstoffbenötigendes Archaeon dazu, sich eine wasserstoffproduzierende Bakterie einzuverleiben. Die Bakterie endete allerdings nicht als kräftigende Nahrung, sondern lebte – als Zelle in der Zelle – weiter.

Im komplexen Mischwesen vereinigen sich die beiden Stämme, die aus Luca hervorgegangen sind: Der Ring des Lebens schliesst sich, als der Urahne aller Pflanzen, Pilze und Tiere entsteht. In diesem neuen Mischwesen setzt eine Art Arbeitsteilung ein: Die umschlossene Bakterie vermacht einen Grossteil ihrer Gene dem Archaeon. So verschlankt die Bakterie ihr Erbgut.

Übrig bleiben nur noch diejenigen Gene, die für den Aufbau der Zellatmungskette – und also für den Unterhalt der Lebensflamme – vonnöten sind. Aus der Bakterie wird dadurch ein auf Effizienz getrimmtes Modul zur Energiegewinnung: das sogenannte Mitochondrium.

Der Fachbegriff beschreibt ein Zellabteil, das in heutigen komplexen Zellen für die Herstellung von ATP zuständig ist – und deshalb oft als «Kraftwerk» der Zellen bezeichnet wird.

Im Vergleich zur ursprünglichen endosymbiontischen Bakterie enthalten die Kraftwerke heutiger Zellen viel weniger genetische Informationen. Deswegen brauchen sie viel weniger Energie, um ihr Erbgut zu vervielfältigen.

Aber die Kraftwerke sind immer noch ungefähr gleich gross wie die Bakterie, von der sie abstammen – und können also immer noch gleich viel Energie zwischenspeichern. Deshalb sind sie in der Lage, mehr ATP herzustellen, als sie selber brauchen.

Hinzu kommt, dass die Zellhülle von Mitochondrien stark gefurcht ist. Die tiefen Einbuchtungen führen zu einer Vergrösserung der Oberfläche: Die Lebensflamme hat mehr Platz zum Brennen. Ausserdem beherbergen komplexe Zellen bis zu mehrere tausend Mitochondrien.

Solchen komplexen Zellen steht aus all diesen Gründen mehr als hunderttausendmal so viel Energie zur Verfügung wie den kleinen Zellen, aus denen sie vor langer, langer Zeit entstanden sind, wie Martin berechnet hat.

Nachdem ihre Vorfahren die Erde mit molekularem Sauerstoff angereichert haben, vereinigen sich zwei Winzlinge. Dadurch gelingt es ihnen, einen Überschuss an Energie zu erzeugen. Es ist dieser Überschuss, der es dem Leben auf der Erde danach ermöglicht, an Komplexität dazuzugewinnen – und im Lauf der Evolution die erstaunlichsten Gestalten anzunehmen.

Epilog: Gibt es Leben im All?

Woher stammt die Energie, die das Leben seit 4 Milliarden Jahren in einer ewigen Flamme umwandelt und verbraucht? Eine einzige Frage dient hier dazu, die Entwicklung des Lebens auf der Erde nachzuzeichnen und neu zu ordnen.

Die bioenergetische Betrachtung legt nahe, dass die Energie zuerst von unserem Planeten zu den Vorfahren des Lebens floss. Geochemische Vorgänge führten zur Entstehung von porösem Gestein am Meeresgrund. In winzigen, von warmem Wasser durchströmten Kammern sammelten sich immer mehr organische Moleküle an. Sie gewannen – dank der stetigen Zufuhr an sanft fliessender Energie aus dem Erdinneren – zusehends an Komplexität.

Aus den steinernen Protozellen entstanden so die Urahnen des Lebens. Die Lebensflamme entzündete sich. Dann begann das Leben zu atmen und machte sich von seiner energiereichen Heimat unabhängig.

Als einige Zellen schliesslich lernten, das Sonnenlicht zu nutzen, begannen Lebewesen, unseren Planeten energetisch anzureichern. Es wirkt, als hätte sich das Leben bei der Erde für die zu Beginn getätigte Investition revanchiert: Der Sauerstoff in der Atmosphäre gleicht einem riesigen Ertrag, den unser Planet mit der anfangs aufgewendeten Energie erzielt hat.

Offenbar sind die Erde und die Lebewesen, die sie bewohnen, energetisch eng miteinander verflochten. Für die Suche nach weiterem Leben im All bedeutet das zweierlei. Erstens: Heute können Forschende mit hochsensiblen Instrumenten nachweisen, wie die Atmosphäre von Lichtjahre entfernten Exoplaneten beschaffen ist. Doch sie sollten sich auf ihrer Suche nach Lebensspuren nicht wie bis anhin auf den Nachweis von Sauerstoff versteifen. Viele Mikroben kommen problemlos auch ohne ihn aus, wie die ersten 2 Milliarden Jahre der Geschichte des irdischen Lebens belegen.

Zweitens: Dass sich auch anderswo organische Moleküle so zusammenlagern, dass sie einen Stoffwechsel betreiben und sich fortpflanzen und vermehren können, hält Martin für sehr wahrscheinlich\: «Es braucht nur Kohlendioxid, Wasser und warmes, eisenhaltiges Gestein, damit Leben entstehen kann.» Solche Bedingungen seien vielerorts vorzufinden, nicht nur in fernen Galaxien, sondern sogar auch in unserem Sonnensystem, sozusagen in unmittelbarer himmlischer Nachbarschaft. Martin hält etwa Enceladus, einen um den Saturn kreisenden Eismond mit vulkanischer Aktivität, für einen möglichen Kandidaten.

Im Weltall scheint es also nicht an möglichen Nischen zu mangeln, aus denen ursprüngliche Lebensformen hervorgegangen sein könnten. Gleichzeitig legt die Geschichte des Lebens auf der Erde aber auch nahe, dass die Vereinigung von ursprünglichen zu höher entwickelten Lebensformen ein äusserst heikler und deshalb wahrscheinlich höchst seltener Vorgang ist.

Deshalb stehen die Chancen deutlich schlechter, dass auch anderswo im Universum Lebewesen mit komplexen Zellen entstanden sind. Motiviert uns diese Einzigartigkeit, der bedrohten biologischen Vielfalt auf unserem Planeten verstärkt Sorge zu tragen?

Ori Schipper: Co-Projektleitung, Recherche und Text
Jonas Oesch: Co-Projektleitung, Konzept und Umsetzung
Nicolas Staub: Entwicklung
Pauline Martinet: Illustrationen
Lukas Beyeler: Animationen

Dieser Beitrag wurde vom Innovationsfonds für multimedialen Journalismus (IMJ) der Gebert-Rüf-Stiftung finanziell unterstützt.