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.
