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, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Andreas Kappler aus der Geomikrobiologie der Universität Tübingen in Laborversuchen erforscht. Die Forschenden entdeckten, dass das ebenfalls im Ozeanwasser vorhandene Silikat eine entscheidende Rolle spielte und auch der tageszeitliche Wechsel von Licht und Dunkel. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

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. 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“, sagt die Doktorandin Carolin Dreher aus Kapplers Arbeitsgruppe, die Erstautorin der Studie.

Die Rolle des Silikats

Um die Lebensbedingungen der Cyanobakterien in den frühen Ozeanen besser zu verstehen, untersuchte das Forschungsteam 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“, erklärt Kappler.

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“, berichtet Carolin Dreher. 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 Eisenkonzentrationen ermöglichte“, erklärt die Forscherin.

Einfluss des tageszeitlichen Hell-Dunkel-Wechsels

Darüber hinaus fanden die Forschenden 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.

„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“, sagt 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 Professorin Dr. Karla Pollmann, die Rektorin der Universität Tübingen.