(Volker Erdmann/Getty Images) Sauerstoff ist ein grundlegender Bestandteil des Lebens auf der Erde. Nach einem Anstieg dieses Gases in der Atmosphäre vor etwa 2,5 Milliarden Jahren begann das vielzellige Leben auf unserem Planeten zu gedeihen.
Der Zeitpunkt ist kein Zufall, doch Sauerstoff kann nicht alle Ehre erringen. Einigen Wissenschaftlern zufolge gibt es noch ein weiteres Element, das für diesen Evolutionsboom ebenfalls entscheidend ist, und sein Name ist Eisen.
In einer neuen Übersicht über die Verfügbarkeit von Eisen für Leben im Laufe der Geschichte unseres Planeten schlagen der Geowissenschaftler Jon Wade und sein Team von der Universität Oxford vor, dass die Schwankungen dieses Metalls dazu beigetragen haben, die Evolution auf der Erde voranzutreiben.
Heute, Eisen ist ein notwendiges Element für praktisch alles Leben. Dadurch können Zellen Sauerstoff wahrnehmen, Energie erzeugen, DNA replizieren und Gene exprimieren. Tatsächlich gibt es welche nur zwei bekannte Organismen auf unserem Planeten, die dieses Metall derzeit nicht zum Überleben benötigen.
In den frühen Tagen der Erde gab es reichlich geologisches Eisen, insbesondere im Erdmantel und in der Erdkruste. Das hier befindliche feste Eisen wurde wahrscheinlich von Meteoriten aus dem Weltraum „gesät“, und da sich dieses Material in alten Ozeanen auflösen konnte, war Eisen auch in der Meeresumwelt reichlich vorhanden.
Im Anschluss an die Tolles Oxidationsereignis (GOE) begannen sich die Bedingungen jedoch zu ändern. Lösliches Eisen begann knapp zu werden und die Konkurrenz um Eisen zwischen den Zellen nahm zu.
Lebensformen mussten daher herausfinden, wie sie Eisen aus toten Zellen recyceln, Eisen aus lebenden Zellen stehlen oder in einer anderen Zelle leben und deren Eisengreifapparat nutzen können, um am Leben zu bleiben.
Einige Wissenschaftler glauben, dass diese Kämpfe um Eisen der Auslöser der vielzelligen Evolution waren.
„Infektion, Raub und Endosymbiose sind alles Verhaltensweisen, die den Fokus der Eisenaufnahme von Mineralquellen auf andere Lebensformen verlagern, und jedes der drei Verhaltensweisen kann sich im Laufe der Zeit in die anderen entwickeln – zum Beispiel können zunächst ausbeuterische Infektionen eine gegenseitige Symbiose entwickeln.“ ,' die Autoren erklären .
Im Vergleich zu modernen Eukaryoten oder mehrzelligen Organismen wird angenommen, dass ältere einzellige Lebensformen wie Bakterien und Archaeen zum Überleben stärker auf Eisen angewiesen waren.
Dies deutet darauf hin, dass moderne Organismen im Laufe der Millionen von Jahren gelernt haben, das Element effizienter zu nutzen, da seine Präsenz in der Umwelt schwankte.
Nach dieser neuen Theorie verloren die Ozeane der Erde den größten Teil ihres löslichen Eisens aufgrund eines Anstiegs des Luftsauerstoffs. Wenn Wasser und festes Eisen in Gegenwart von Sauerstoff interagieren, wird das Eisen schnell oxidiert – was für Lebewesen schwieriger zu verwerten ist.
Um das Element in dieser Form aufzunehmen, müssen Zellen kleine organische Moleküle, sogenannte Siderophore, entwickeln. Heutzutage verfügen fast alle Bakterien, Pflanzen und Pilze über diese Strukturen, doch vor Milliarden von Jahren stellte dies eine neue Form des Überlebens dar.
Als sich Lebensformen mit Siderophoren in der Nähe einer begrenzten Anzahl eisenreicher geologischer Quellen zu sammeln begannen, gehen Forscher davon aus, dass die Ansammlung unweigerlich zu „immer komplexeren Zell-Zell-Interaktionen“ führte.
Archaeen in den Thermalquellen von Yellowstone zum Beispiel können das nur wirklich gedeihen auf Eisenoxidmatten . Während moderne Eukaryoten außerhalb dieser geologischen Quellen leben können, solange biologische Formen von Eisen verfügbar sind.
„Trotz der Erschöpfung des bioverfügbaren Eisens hat Eisen während der Erholung des Lebens nach dem GOE und seiner anschließenden Diversifizierung (und dem Durchlaufen anderer aufeinanderfolgender Massensterben) seine Vorrangstellung in biologischen Systemen behalten“, so die Autoren schreiben .
„Das liegt vermutlich daran, dass Eisen über einzigartige elektrochemische Eigenschaften verfügt, die eine Reihe biochemischer Prozesse ermöglichen oder effizient machen, so dass Eisen in Proteinen nicht umfassend durch andere Elemente ersetzt werden kann, ohne dass dies zu erheblichen Nachteilen führt.“
Der schiere Mangel an Ersatz für Eisen bedeutet, dass Organismen nach dem GOE entweder konkurrieren, betrügen oder kooperieren mussten, um zu überleben, und diese Entwicklungen könnten im Laufe der Zeit durchaus zu extremen Anpassungen der Genomen und des Zellverhaltens geführt haben.
Wenn die neueren Neoproterozoisches Oxygenierungsereignis Dies geschah vor etwa 500 Millionen Jahren und verschärfte diese Veränderungen lediglich.
Die Entstehung des irdischen Lebens könnte daher mit einem Überfluss an Eisen begonnen haben, aber erst als Eisen knapp wurde, begannen diese Lebensformen an Komplexität zuzunehmen.
Angesichts der Tatsache, dass ein Anstieg des atmosphärischen CO 2 könnte den Eisenmangel in der Nahrungskette verstärken, sagen Forscher, dass wir mehr darüber wissen müssen, wie das Leben mit den Höhen und Tiefen dieses entscheidenden Elements zurechtkommt.
Die Ergebnisse weisen auch auf eine Möglichkeit hin, das Potenzial des Lebens auf anderen Planeten zu messen Mars , wo auch Eisenoxid im Erdmantel zu finden ist. Wenn dieser Planet reich genug an Eisen ist, könnte dies ein möglicher Hafen für einige der einfachsten Lebensformen sein.
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .