Auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens: Die Schlüsselrolle vulkanischer Blitze

Stickstoff (N) ist ein essenzielles Element für das Leben. Da der Großteil des N im Distickstoff (N₂), einem sehr stabilen und reichlich vorhandenen atmosphärischen Molekül, eingeschlossen ist, muss N₂ gespalten werden, um von lebenden Organismen genutzt zu werden. Dieser Umwandlungsprozess von N₂ in assimilierbare Stickstoffformen wird als Stickstofffixierung bezeichnet.


Heutzutage wird fast die gesamte Stickstofffixierung durch biologische und anthropogene Prozesse realisiert. Auf der primitiven Erde musste jedoch N₂ notwendigerweise durch abiotische Prozesse fixiert werden, um die Entwicklung des Lebens zu ermöglichen. Ein als möglich erachteter Mechanismus für die Fixierung auf der primitiven Erde sind die bei großen explosiven Eruptionen in vulkanischen Rauchfahnen erzeugten Blitze (siehe Foto 1). Jedoch hatten theoretische Studien und überzeugende Laborversuche bislang keine Hinweise auf eine substantielle Fixierung durch diesen Mechanismus in den geologischen Archiven offenbart.

Ein Team von Forscherinnen und Forschern des CNRS Erde & Universum hat eine Studie über neogene vulkanische Ablagerungen in Peru und der Türkei durchgeführt, die durch maßgebliche explosive Eruptionen (VEI>7, mächtiger als die in den letzten Jahrtausenden beobachteten) entstanden sind. Die Ergebnisse haben die Entdeckung von Nitraten in bedeutenden Konzentrationen ermöglicht.

Die multi-isotopische Zusammensetzung dieser Nitrate (δ¹⁸O, Δ¹⁷O und δ¹⁵N) deutet darauf hin, dass sie aus der Oxidation von Stickoxiden (NOx = NO, NO₂) durch Ozon stammen und somit zwangsläufig einen atmosphärischen Ursprung haben. Die direkte Emission von Stickstoffverbindungen durch Vulkanismus ist sehr begrenzt, somit sind nur die mit der Eruption verbundenen Blitze in der Lage, aus dem atmosphärischen N₂ erhebliche Mengen von NOx zu produzieren. Das so produzierte NOx wird dann durch Ozon in der Atmosphäre oxidiert, um Nitrat zu bilden, das in den plinianischen Ablagerungen und Ignimbriten abgelagert und erhalten bleibt (siehe Foto 2).

Die Untersuchung dieser Ablagerungen ermöglicht zum ersten Mal eine quantitative Schätzung der Stickstofffixierung durch explosive Eruptionen auf direktem Weg. 10 bis 100 Tg Stickstoff können produziert und lokal in den vulkanischen Ablagerungen konzentriert werden, was eine bedeutende Quelle von assimilierbarem Stickstoff für das nahe Leben darstellt. Auf der primitiven Erde, deren Atmosphäre frei von Sauerstoff war, war das Endprodukt dieser Stickstofffixierung wahrscheinlich nicht Nitrat, sondern reduzierte Stickstoffformen (z.B. NH₃), die ebenso von lebenden Organismen assimiliert werden konnten.


Referenz:
A. Aroskay, E. Martin, S. Bekki, J.-L. Le Pennec, J. Savarino, A. Temel, N. Manrique, R. Aguilar, M. Rivera, H. Guillou, H. Balcone-Boissard, O. Phelip, S. Szopa (2024) Geologische Beweise für eine umfangreiche N-Fixierung durch vulkanische Blitze bei sehr großen explosiven Eruptionen. PNAS (121) https://doi.org/10.1073/pnas.2309131121