(Fotograf _HD / 500px/Getty Images) Das meiste Leben auf der Erde kann grob in Sauerstoffverbraucher und Sauerstoffproduzenten unterteilt werden.
Dieses empfindliche Gleichgewicht zwischen Gebern und Nehmen hält die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre unseres Planeten bei etwa 21 Prozent. Und doch war das nicht immer so.
In den ersten Milliarden Jahren der Existenz der Erde war Sauerstoff relativ knapp. Dann, scheinbar aus dem Nichts, nahm das zweiatomige Gas plötzlich zu.
Es wurde mehr Sauerstoff zugeführt als aufgenommen, aber wie und warum kam es dazu?
Wissenschaftler beschäftigen sich seit Jahren mit diesen Rätseln, und Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine neue Hypothese. Möglicherweise bewegten sich einige Mikroben auf der Grenze zwischen Sauerstoffproduzenten und -verbrauchern.
Es ist bekannt, dass Mikroben in der Tiefsee Sauerstoff verwenden, um organische Stoffe abzubauen. Aber was wäre, wenn eine andere Mikrobe dem Sauerstoff des Ozeans einen Bissen entziehen würde, bevor andere Verbraucher daran gelangen könnten?
Wenn eine Mikrobe organisches Material nur teilweise oxidiert, besteht theoretisch eine gute Chance, dass sich die Reste chemisch an Mineralien im Meeressediment binden.
Diese Sauerstoffeinbettung würde verhindern, dass das organische Material vollständiger oxidiert und gleichzeitig von gefräßigeren Mikroben abgebaut wird. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass sich der Sauerstoff im Wasser ansammelt, bevor er in die Atmosphäre gelangt. Dann kann der Ozean es wieder aufnehmen, wodurch eine positive Rückkopplungsschleife entsteht.
„Das brachte uns zu der Frage: Gibt es da draußen einen mikrobiellen Stoffwechsel, der POOM (teilweise oxidierte organische Substanz) produziert?“ erinnert sich Geobiologe Gregory Fourier.
Wie sich herausstellte, gab es das. Bei der Suche in der wissenschaftlichen Literatur stießen Fourier und seine Kollegen – Haitao Shang und Daniel Rothman – auf eine Bakteriengruppe namens SAR202.
Diese moderne Bakteriengruppe kann organische Stoffe in den heutigen Tiefseemeeren teilweise oxidieren. Dies kann über ein Enzym erfolgen, das als Baeyer-Villiger-Monooxygenase oder BVMO bekannt ist.
Bei der Rückverfolgung der genetischen Abstammung dieses Enzyms stellten die Autoren fest, dass es bei Mikroben vorkam, die sich vor dem großen Oxidationsereignis entwickelten.
Darüber hinaus scheinen Spitzen im frühen Sauerstoffgehalt der Erde mit der Expansion dieses Gens zusammenzufallen. Mit anderen Worten: Da sich die Fähigkeit, organisches Material teilweise zu oxidieren, unter den Mikroben ausbreitete, kam es auch zu einem Anstieg des Luftsauerstoffgehalts.
Der Zeitpunkt könnte ein Zufall sein oder bedeuten, dass Mikroben mit diesen Genen dazu beigetragen haben, das große Oxidationsereignis auszulösen.
Da in der Umwelt mehr Sauerstoff verfügbar wurde, unterstützte dies wahrscheinlich die Diversifizierung ähnlicher oxidativer Metabolismen in anderen Mikroben.
„Das mag kontraintuitiv erscheinen: oxidative Stoffwechselprozesse verbrauchen schließlich O2“, so die Autoren schreiben .
„Ein potenziell wichtiges positives Feedback liegt dennoch in der Wechselwirkung oxidierter Stoffwechselprodukte mit Mineralien in sedimentären Umgebungen.“
Teilweise oxidierte organische Stoffe sind in Meeressedimenten fester an mineralische Oberflächen gebunden. Das bedeutet, dass die Enzyme der Mikroben nicht so leicht dorthin gelangen können.
Der vergrabene Sauerstoff kann daher über große geologische Zeiträume hinweg bestehen bleiben und letztendlich die Sauerstoffanreicherung in den Ozeanen und der Atmosphäre der Erde vorantreiben.
Irgendwann hätte sich diese positive Rückkopplungsschleife bei 21 Prozent Sauerstoff in der Atmosphäre ausgeglichen – wahrscheinlich, als sich genügend Lebensformen entwickelten, um das Element zu verbrauchen.
Seitdem ist das Gleichgewicht zwischen Sauerstoffverbrauchern und -produzenten geklärt.
Ein anderer Kürzlich durchgeführte Studie stützt diese Hypothese und legt nahe, dass die Verlagerung organischer Materie in einer sauerstoffarmen Umgebung eine größere Rolle bei der großen Sauerstoffanreicherung der Erde gespielt hat, als wir dachten.
Anstatt Photosynthetisierende Bakterien versorgen die Atmosphäre und dann den Ozean mit Sauerstoff Was wäre, wenn Mineralien im Ozean die Atmosphäre mit Sauerstoff versorgen würden?
Weitere Forschung ist erforderlich, um diese Ideen zu konkretisieren, aber bisher scheinen sie mögliche Erklärungen zu sein.
„Der Vorschlag einer neuartigen Methode und der Nachweis ihrer Plausibilität ist der erste, aber wichtige Schritt.“ sagt Fournier. „Wir haben festgestellt, dass dies eine Theorie ist, die es wert ist, untersucht zu werden.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .