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Vor 2,5 Milliarden Jahren
Wie sich Sauerstoff in der Erdatmosphäre anreicherte

Forscher der Universität Tübingen haben untersucht, wie Cyanobakterien in den frühen Ozeanen der Erde vor 2,5 Milliarden Jahren dem Eisen-Stress standhielten und sich massenhaft vermehren konnten.

Von
Markus Brauer
Stuttgart

Der Krater des Mount Haleakalā auf Hawaii: Eine Landschaft, die an die Urzeit der frühen Erde erinnern könnte.

Imago/Pond5 Images

Die bis heute existierenden Cyanobakterien waren in den frühen Ozeanen vor rund 2,5 Milliarden Jahren die ersten Lebewesen, die Fotosynthese betrieben und dabei Sauerstoff freisetzten. Dieser reicherte sich in immensem Ausmaß in der Erdatmosphäre an.

Wie das möglich war, obwohl das reichlich im Ozeanwasser gelöste Eisen das Wachstum der Cyanobakterien stark hemmte, haben Forscher unter der Leitung von Andreas Kappler aus der Geomikrobiologie der Universität Tübingen in Laborversuchen erforscht.

Die Wissenschaftler entdeckten, dass das ebenfalls im Wasser der Ur-Ozeane vorhandene Silikat eine entscheidende Rolle spielte und auch der tageszeitliche Wechsel von Licht und Dunkel. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht worden.

Werden des Universums: Vom Big Bang vor 13,7 Milliarden Jahren bis heute.

Foto: Imago/StockTrek Images//Pablo Carlos Budassi

Cyanobakterien und Sauerstoff

Sauerstoff war für die Cyanobakterien ein schwieriges Abfallprodukt. Als er sich anreicherte, reagierte die Evolution flexibel. Heute ist er für die meisten Lebensformen, die wir kennen, nicht wegzudenken.

„Die frühen Ozeane enthielten viel gelöstes Eisen, das mit Sauerstoff reagiert und dabei hochreaktive Sauerstoffradikale bildet. Diese sogenannten reaktiven Sauerstoffspezies sind giftig für Bakterien“, erklärt Andreas Kappler.

Der Ketscher Altrhein aus der Luft. Gut zu erkennen sind die durch erhöhte Wassertemperatur entstandenen Cyanobakterien die stellen weise einen geschlossenen Algenteppich gebildet haben.

Foto: Imago/Daniel Kubirski

Bisher sei man daher davon ausgegangen, dass die Sauerstoffradikale die Sauerstofffreisetzung der Cyanobakterien stark hemmten und dass erst mehrere Millionen von Jahren nach der Entstehung der Cyanobakterien freier Sauerstoff in die Atmosphäre gelangte.

„Diese Annahme warf aber auch die Frage auf, wie die Cyanobakterien unter diesen Bedingungen überleben konnten“, erläutert Carolin Dreher aus Kapplers Arbeitsgruppe, die Erstautorin der Studie.

Entscheidende Rolle des Silikats

Um die Lebensbedingungen der Cyanobakterien in den frühen Ozeanen besser zu verstehen, untersuchte das Team das Wachstum von Cyanobakterien der Gattung Synechococcus im Labor bei verschiedenen Konzentrationen von gelöstem Eisen – und Silikat. Dabei handelt es sich um gelöstes Silizium, das ebenfalls im Wasser der Urmeere in größeren Mengen vorkam.

„Das wissen wir aus den heute größten Eisenlagerstätten der Welt, den gebänderten Eisenerzen, die auf mehreren Kontinenten vorkommen. Dort wurden beide Elemente, Eisen und Silizium, abwechselnd in Schichten abgelagert“, berichtet Kappler.

Silizium-Kristalle in der chilensichen Atacama-Wüste.

Foto: IMAGO/VWPics/IMAGO/Jon G. Fuller

  • Zur Info: Silikate sind Salze und Ester der Ortho-Kieselsäure (die einfachste der Kieselsäuren) sowie deren Kondensate, die aus Silizium und Sauerstoff bestehen. Als Hauptbestandteil der Erdkruste (über 90 Prozent) sind sie die häufigste Mineralgruppe. Sie finden breite Anwendung in der Bauindustrie (Zement, Glas), als Putz oder Farbe, in Waschmitteln und zur Absorption von Feuchtigkeit.

    • Wie sich Mikroorganismen vermehrten

    Im Experiment verstärkten hohe Eisenkonzentrationen die Bildung reaktiver Sauerstoffverbindungen und hemmten das Wachstum der Mikroorganismen. „Wenn in den Versuchen allerdings auch die für die damaligen Ozeane realistischen Mengen an Silikat vorhanden waren, ging die Bildung dieser toxischen Verbindungen deutlich zurück“, erläutert Carolin Dreher.

    Eisenerz

    Foto: Imago/Pond5 Images

    Unter diesen Bedingungen konnten die Cyanobakterien wachsen und weiterhin Sauerstoff produzieren. „Hohe Silikatkonzentrationen wirkten offenbar wie ein chemischer Schutzmechanismus, der die Bildung schädlicher Sauerstoffverbindungen reduzierte und so das Wachstum der Cyanobakterien trotz hoher Eisenkonzentratio-nen ermöglichte“, konsatiert die Forscherin.

    Einfluss des tageszeitlichen Hell-Dunkel-Wechsels

    Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass auch der Wechsel von Tag- und Nachtphasen eine wichtige Rolle bei der Sauerstoffanreicherung spielte. „Bei vorangegangenen Forschungsarbeiten war eine Dauerbeleuchtung verwendet worden. Wir stellten fest, dass sich die Bildung schädlicher Sauerstoffverbindungen bei unseren Laborversuchen unter einem tageszeitlichen Lichtzyklus zusätzlich reduzierte“, berichtet Dreher.

    Rechenmodelle der Forschenden auf Basis der experimentellen Daten hätten gezeigt, dass sich unter solchen Bedingungen in den oberflächennahen Bereichen der damaligen Ozeane sauerstoffreiche Zonen gebildet haben könnten.

    Der Urozean ist ein hypothetisches, riesiges Gewässer der frühen Erdgeschichte, das vor Milliarden Jahren aus kondensiertem Wasserdampf der Uratmosphäre entstand. Er bedeckte große Teile der Erde und bot den Nährboden für die Entstehung ersten Lebens.

    Foto: Imago/Pond5 Images

    Einblick in die Entwicklung der Erdatmosphäre

    „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die chemischen Bedingungen in den eisenreichen Ozeanen der frühen Erde die Ausbreitung von Cyanobakterien weniger stark behinderten als bisher angenommen“, erklärt Kappler. „Das könnte entscheidend dazu beigetragen haben, dass diese Mikroorganismen langfristig genügend Sauerstoff produzierten, um die Zusammensetzung der Erdatmosphäre nachhaltig zu verändern.“

    „Die Studie liefert neue faszinierende Einblicke in die langfristige Entwicklung der Erdatmosphäre. Sie zeigt, dass viele Bedingungen im Zusammenhang berücksichtigt werden müssen, um die Prozesse in den frühen Ozeanen nachzuvollziehen“, sagt Karla Pollmann, die Rektorin der Universität Tübingen.