🌍 Ein Rätsel der Entwicklung des Lebens auf der Erde gelöst

Sauerstoff, der für unsere Existenz unerlässlich ist, brauchte fast eine Milliarde Jahre, um in bedeutenden Mengen auf der Erde zu erscheinen, obwohl Mikroorganismen vorhanden waren, die ihn produzieren konnten. Diese Verzögerung in der Geschichte unseres Planeten hat gerade eine unerwartete Erklärung gefunden.

Der Schlüssel zu diesem Rätsel liegt in zwei lange vernachlässigten chemischen Verbindungen: Nickel und Harnstoff. Diese Substanzen, die in den archaischen Ozeanen in bedeutenden Mengen vorhanden waren, hätten eine entscheidende Rolle gespielt, indem sie die Vermehrung der Cyanobakterien, jener sauerstoffproduzierenden Mikroorganismen, begrenzten. Ihre hohe Konzentration schuf eine Umgebung, die für die massive Entwicklung dieser Organismen ungünstig war, und verzögerte so die Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre.


Ein Team japanischer und sri-lankischer Forscher führte innovative Experimente durch, um die Bedingungen der frühen Erde nachzubilden. Sie simulierten die archaische Umgebung, indem sie chemische Mischungen intensiver ultravioletter Strahlung aussetzten und so die von einer Ozonschicht freie Atmosphäre nachahmten. Diese Manipulationen ermöglichten es zu zeigen, dass sich Harnstoff unter diesen extremen Bedingungen natürlich bilden konnte, während Kulturen von Cyanobakterien offenbarten, wie Nickel und Harnstoff ihr Wachstum beeinflussten.

Die Ergebnisse zeigen, dass, als die Konzentrationen von Nickel und Harnstoff allmählich zu sinken begannen, die Cyanobakterien sich massiv vermehren konnten. Diese Vermehrung führte zur anhaltenden Produktion von Sauerstoff, die das auslöste, was Wissenschaftler das Große Oxidationsereignis nennen. Dieser entscheidende Wendepunkt, der vor etwa 2,1 bis 2,4 Milliarden Jahren stattfand, verwandelte die Erdatmosphäre nachhaltig und ermöglichte die Entstehung komplexerer Lebensformen.

Dr. Dilan M. Ratnayake, Hauptautor der Studie, betont, dass das Verständnis dieser Mechanismen die Suche nach Leben auf anderen Planeten erhellen könnte. Die auf der Erde beobachteten Wechselwirkungen zwischen anorganischen und organischen Verbindungen könnten als Modell dienen, um mögliche biologische Signaturen anderswo im Universum zu interpretieren. Diese Perspektive eröffnet neue Wege für die Analyse von Marsproben bei zukünftigen Weltraummissionen.

Diese in Communications Earth & Environment veröffentlichte Forschung verändert unser Verständnis der primitiven Ökosysteme. Sie zeigt, wie bisher kaum untersuchte Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung der Ozeane das Schicksal des Lebens auf der Erde beeinflusst haben könnten. Der natürliche Rückgang des Nickels und die Stabilisierung der Harnstoffspiegel ermöglichten es den Cyanobakterien schließlich, unseren Planeten in eine viel bewohnbarere Welt zu verwandeln und bereiteten den Boden für das Auftreten der komplexen Organismen, die wir heute kennen.

Die oxygenische Photosynthese der Cyanobakterien

Cyanobakterien stellen die ersten Organismen dar, die in der Lage waren, eine Sauerstoff produzierende Photosynthese durchzuführen. Dieser einzigartige biologische Prozess ermöglichte es ihnen, Sonnenenergie zu nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in Zucker umzuwandeln und dabei Sauerstoff als Nebenprodukt freizusetzen. Diese biologische Innovation stellte einen bedeutenden Schritt in der Geschichte des Lebens auf der Erde dar.

Der Mechanismus der Photosynthese beruht auf spezialisierten Pigmenten, insbesondere Chlorophyll, die Lichtenergie einfangen. Diese Energie wird dann genutzt, um Wassermoleküle zu spalten, wobei Elektronen freigesetzt werden, die die Kohlenstofffixierung ermöglichen. Der bei dieser Reaktion produzierte Sauerstoff reicherte sich allmählich in der Atmosphäre an und veränderte die Planetenchemie tiefgreifend.

Im Gegensatz zu anderen, älteren Formen der Photosynthese hatte die oxygenische Version der Cyanobakterien eine dauerhafte planetare Wirkung. Diese Fähigkeit verschaffte ihnen einen bedeutenden evolutionären Vorteil und ermöglichte es ihnen, verschiedene aquatische Lebensräume zu besiedeln. Ihr Erfolg führte schließlich zur Umwandlung der Erdatmosphäre in ein oxidierendes Milieu.

Die Bedeutung der Cyanobakterien geht über ihre historische Rolle hinaus: Sie produzieren auch heute noch einen bedeutenden Teil des atmosphärischen Sauerstoffs. Ihre Studie hilft uns nicht nur, die Vergangenheit unseres Planeten zu verstehen, sondern auch die Funktionsweise der heutigen Ökosysteme.

Die präbiotische Chemie und die Bildung von Harnstoff

Harnstoff, eine für das Leben essentielle organische Verbindung, konnte sich spontan unter den Bedingungen der frühen Erde bilden. Laborexperimente haben gezeigt, dass die Bestrahlung von Mischungen aus Ammonium und Cyanid mit ultravioletter Strahlung dieses Molekül erzeugen kann. Diese Bedingungen reproduzierten die archaische Umgebung, die keine schützende Ozonschicht besaß.

Diese natürliche Bildung von Harnstoff unter UV-Einwirkung stellt ein Beispiel für präbiotische Chemie dar. Sie zeigt, wie biologisch wichtige Verbindungen ohne das Eingreifen von Lebewesen entstehen konnten. Der so produzierte Harnstoff wurde dann für die ersten Mikroorganismen verfügbar und diente als essentielle Stickstoffquelle für ihr Wachstum und ihre Vermehrung.

Die Anwesenheit von Harnstoff in den Ur-Ozeanen schuf ein interessantes Paradoxon: Bei bestimmten Konzentrationen konnte er die Entwicklung von Cyanobakterien einschränken, während er bei anderen Konzentrationen ihre Ausbreitung förderte. Diese Beziehung veranschaulicht, wie das chemische Gleichgewicht der alten Umgebungen die biologische Evolution direkt beeinflusste.

Das Verständnis dieser primitiven chemischen Prozesse erhellt nicht nur die Erdgeschichte, sondern auch die Suche nach außerirdischem Leben. Die Bildungsmechanismen organischer Verbindungen unter extremen Bedingungen könnten sich auf anderen Himmelskörpern wiederholen und wertvolle Hinweise bieten, um potenziell bewohnbare Umgebungen zu erkennen.