Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren erlebte die Erde eine entscheidende Transformation, die die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphäre nachhaltig veränderte. Diese Epoche wird oft als das große Sauerstoffereignis bezeichnet und war entscheidend für die Entwicklung des Lebens, wie wir es heute kennen. Ein Forschungsteam von der Eberhard Karls Universität Tübingen hat nun untersucht, wie die ersten fotosynthetisch aktiven Organismen, die Cyanobakterien, unter extremen Bedingungen des frühen Ozeans gedeihen konnten und dabei Sauerstoff freisetzten, obwohl hohe Konzentrationen von gelöstem Eisen in ihrem Lebensraum die Bedingungen für ihr Wachstum erschwerten.
Cyanobakterien waren die ersten Organismen, die in der Lage waren, durch Fotosynthese Sauerstoff zu produzieren. Dieser Prozess führte zu einer Anreicherung von Sauerstoff in der Erdatmosphäre, was für viele Lebensformen von zentraler Bedeutung ist. Professor Andreas Kappler, der die Studie leitete, erklärt, dass das im Wasser der frühen Ozeane reichlich vorhandene Eisen mit dem freigesetzten Sauerstoff reagierte, wodurch toxische Sauerstoffradikale gebildet wurden, die für die Cyanobakterien gefährlich waren. Bisher ging man davon aus, dass diese Bedingungen das Wachstum der Cyanobakterien erheblich hemmten und dass die Sauerstoffproduktion erst lange nach dem Auftreten dieser Organismen in nennenswertem Umfang begann. Diese Annahme war jedoch mit der Frage verbunden, wie die Cyanobakterien unter diesen widrigen Bedingungen überleben konnten.
Um diese Herausforderung zu verstehen, führten die Forscher Experimente durch, bei denen sie das Wachstum von Cyanobakterien der Gattung Synechococcus unter verschiedenen Konzentrationen von gelöstem Eisen und Silikat untersuchten. Silikat, ein Mineral, das ebenfalls in den frühen Ozeanen vorkam, erwies sich als entscheidend. Die Experimente zeigten, dass hohe Eisenkonzentrationen die Bildung schädlicher reaktiver Sauerstoffverbindungen förderten, was das Wachstum der Cyanobakterien stark hemmte. Allerdings wurde festgestellt, dass die Zugabe von Silikat die toxischen Effekte deutlich minderte. Dies deutet darauf hin, dass Silikat als eine Art chemischer Schutzmechanismus fungierte, der den Cyanobakterien ermöglichte, unter Bedingungen mit hohem Eisenanteil zu gedeihen und weiterhin Sauerstoff zu produzieren.
Zusätzlich zu den chemischen Bedingungen untersuchte das Forschungsteam auch den Einfluss des tageszeitlichen Wechsels von Licht und Dunkelheit. In früheren Studien war meist eine kontinuierliche Beleuchtung verwendet worden, während die aktuellen Experimente zu dem Ergebnis kamen, dass ein Lichtzyklus die Bildung schädlicher Sauerstoffradikale zusätzlich reduzierte. Durch mathematische Modelle, die auf den experimentellen Daten basierten, konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass unter diesen Bedingungen sauerstoffreiche Zonen in den oberen Schichten der Ozeane entstanden sein könnten.
Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass die chemischen Bedingungen in den eisenreichen Ozeanen der frühen Erde möglicherweise nicht so hinderlich für die Cyanobakterien waren, wie zuvor angenommen. Diese Erkenntnis könnte eine entscheidende Rolle bei der langfristigen Sauerstoffproduktion durch diese Mikroorganismen gespielt haben und erklärt, wie sie in der Lage waren, die Atmosphäre der Erde nachhaltig zu verändern.
Professorin Dr. Karla Pollmann, Rektorin der Universität Tübingen, hebt hervor, dass diese Studie neue und faszinierende Einblicke in die Entwicklung der Erdatmosphäre liefert. Sie betont die Notwendigkeit, verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, um die Prozesse im frühen Ozean vollständig zu verstehen. Die Forschung an den Cyanobakterien und ihren Lebensbedingungen im archaischen Ozean ist somit von zentraler Bedeutung, um die Evolution des Lebens auf der Erde und die zugrunde liegenden chemischen Prozesse besser nachvollziehen zu können.
Insgesamt bietet die Arbeit des Tübinger Forschungsteams wertvolle Erkenntnisse über die Überlebensmechanismen der Cyanobakterien und deren Rolle in der biologischen Sauerstoffproduktion, die letztendlich die Bedingungen für das komplexe Leben, das wir heute kennen, schufen.
