„Chemical Gardens“ als Modell für hydrothermale Quellen

Im Labor entstanden Miniaturversionen der Schwarzen Raucher – sogenannte „Chemical Gardens“. Dabei simulierten die Forschenden geochemische Reaktionen, wie sie am Meeresgrund stattfinden. Eisen und Schwefel reagierten zu Eisensulfid-Mineralen wie Mackinawit (FeS) und Greigit (Fe_₃S_₄). Zugleich bildete sich Wasserstoffgas (H_₂) – ein potenzieller Energielieferant für Mikroorganismen, die diesen zur Methanbildung nutzen.

Besonders im Fokus stand ein sehr ursprünglicher biochemischer Stoffwechselweg, der Acetyl-CoA-Weg, der bislang nur bei methanogenen Archaeen bekannt ist.

Können Archaeen mit dem Wasserstoff überleben?

Die zentrale Fragestellung der Studie lautete: Reicht der in den „Chemical Gardens“ erzeugte Wasserstoff aus, um das Wachstum methanogener Archaeen zu ermöglichen?

Zur Beantwortung dieser Frage kultivierten die Forschenden methanogene Archaeen unter vollständig sauerstofffreien Bedingungen innerhalb der Chemical Gardens. Dabei kam die langjährige Erfahrung des Archaeenzentrums in der Kultivierung dieser sauerstoffempfindlichen Organismen zum Tragen – denn bereits geringste Mengen Sauerstoff können für methanogene Archaeen tödlich sein.

„Methanogene Archaeen haben nicht nur große Bedeutung bei Fragen zur Entstehung des Lebens auf unserem Planeten, sondern sind auch biotechnologisch relevant. Sie werden beispielsweise in Biogasanlagen eingesetzt, um grünes Erdgas herzustellen", erklärt Dr. Robert Reichelt vom Deutschen Archaeenzentrum und Mitautor der Studie. „Wir kultivieren und studieren diese Organismen schon seit Jahrzehnten und haben sehr gerne unsere Expertise in dieses Projekt eingebracht.“

Zum Einsatz kam das Archaeon Methanocaldococcus jannaschii, das aus Sedimenten hydrothermaler Schlote isoliert wurde und als Modellorganismus für die Methanogenese über den Acetyl-CoA-Weg dient.

Überraschend starkes Wachstum

Die Reaktionen der Archaeen im Experiment übertrafen die Erwartungen. „Die Archaeen haben nicht nur einige Gene des Acetyl-CoA-Stoffwechsels überexprimiert, sondern zeigten sogar exponentielles Wachstum", so Vanessa Helmbrecht, Erstautorin der Studie. „Wir hatten zu Beginn nur mit einem leichten Wachstum gerechnet, da wir keine zusätzlichen Nährstoffe, Vitamine oder Spurenmetalle zum Experiment hinzugefügt hatten.“

Das durch die abiotische Ausfällung von Eisensulfiden entstehende Wasserstoffgas diente den Archaeen also erfolgreich als Energiequelle. Zudem hielten sich die Zellen stets in unmittelbarer Nähe zu den Mackinawit-Partikeln auf – eine Beobachtung, die sich mit Fossilfunden deckt: Manche frühe geologische Lagerstätten mit diesen Mineralien enthalten fossile Spuren mikrobiellen Lebens.

Hinweise auf die älteste Form der Energiegewinnung

Aus den Ergebnissen leitet das Team ab, dass chemische Reaktionen bei der Bildung von Eisensulfid-Mineralen auf der jungen Erde bereits ausreichend Energie für die ersten Mikroben liefern konnten. Die hydrogenotrophe Methanogenese könnte somit die evolutionär älteste Form der Energiegewinnung darstellen.

Originalpublikation:
Helmbrecht, V., Reichelt, R., Grohmann, D., & Orsi, W. D. (2025). Simulated early Earth geochemistry fuels a hydrogen-dependent primordial metabolism. Nature Ecology & Evolution. DOI:10.1038/s41559-025-02676-w

Quelle: Universität Regensburg