Leben Wie der Mond und die Blaualgen den Sauerstoff auf die Erde brachten

Der Zyklus von Tag und Nacht war vor Milliarden Jahren deutlich kürzer als 24 Stunden, denn die Erde drehte sich in diesen Urzeiten deutlich schneller. Erst die Entstehung unseres Monds bremste die Rotation unseres Planeten langsam ab. Und das hatte offenbar einen entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Sauerstoffs in unserer Atmosphäre, also der Atemluft, von der wir und alle Tiere abhängen. Das zeigt eine neue Studie von Forscherinnen und Forschern vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen.

Wie die Geomikrobiologin Judith Klatt und ihre Kollegen in Nature Geosciences berichten, gibt es einen engen Zusammenhang zwischen der Länge des Tageslichts und der Sauerstoffproduktion durch Cyanobakterien – umgangssprachlich auch Blaualgen genannt. Diese Cyanobakterien haben praktisch die Photosynthese erfunden. Als die frühe Atmosphäre noch lebensfeindlich heiß und voller CO2 war, wuchsen diese Bakterien in Matten auf dem Meeresgrund und verwandelten das CO2 mit Photosynthese in die organischen Stoffe um, die sie für ihr Wachstum und ihren Stoffwechsel benötigten. Der Sauerstoff war praktisch ein Abfallprodukt.

Ähnliche Umweltbedingungen wie auf der frühen Erde herrschen heute noch im Middle Island Sinkhole, einer Region am Grund des Lake Huron, einem der fünf großen Seen an der Grenze der USA zu Kanada. Dort sickert Grundwasser aus dem Boden, das kaum Sauerstoff enthält. Bopi Biddanda, an der Studie beteiligter Ökologe von der Grand Valley State University, erklärt: "Auf dem Boden des Sees leben vor allem Mikroorganismen in sogenannten Matten. Dieser Lebensraum ist wie ein Abbild der Bedingungen, die auch für viele Milliarden Jahre auf der Erde herrschten."

Geomikrobiologin Judith Klatt. Bildrechte: Jim Erickson, University of Michigan News

Diesen Lebensraum teilen sich lilafarbene, sauerstoffproduzierende Cyanobakterien mit weißen, schwefeloxidierenden Bakterien. Während die schwefeloxidierenden Mikroorganismen in der Nacht auf den Matten oben liegen und mit dem Verdauen von Schwefel Energie produzieren, steigen die Cyanobakterien an die Oberfläche der Matte und beginnen mit der Photosynthese. "Allerdings dauert es ein paar Stunden, bis sie richtig loslegen. Die Cyanobakterien sind wohl eher Langschläfer als Frühaufsteher", sagt Erstautorin Judith Klatt.

Bei der Analyse von Daten bemerkten die Forscher eine mögliche Verbindung zwischen dem Sauerstoffgehalt zu verschiedenen Zeitpunkten der Erdgeschichte, der Tageslänge und dem Ablauf des Lebenszyklus in den mikrobiellen Matten am Grund des Lake Hurons. "Mir wurde klar, dass die Tageslänge und die Produktion von Sauerstoff in mikrobiellen Matten durch ein sehr grundlegendes und fundamentales Konzept miteinander verbunden sind: Sind die Tage kürzer, bleibt weniger Zeit, in der sich ein Gradient bilden kann. Dadurch kann auch weniger Sauerstoff aus den Matten entweichen", sagt Klatt. Dieser Gradient, also ein Gefälle der Sauerstoffkonzentration in der Matte, ist entscheidend dafür, wie viel Gas freigesetzt wird.

Wie es zu diesem Phänomen kommt, versucht Klatts Kollege Arjun Chennu vom Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) in Bremen mit einer Simulation zu beantworten. "Intuitiv würde man meinen, dass zwei 12-Stunden-Tage so ähnlich wie ein 24-Stunden-Tag sind. Die Sonne geht doppelt so schnell auf und unter, und die Sauerstoffproduktion folgt im Gleichschritt", so der Wissenschaftler. "Tatsächlich tritt aus den Bakterienmatten aber weniger Sauerstoff aus, weil seine Freisetzung durch die Geschwindigkeit der molekularen Diffusion begrenzt ist. Diese subtile Entkopplung der Sauerstofffreisetzung vom Sonnenlicht ist das Herzstück des nun präsentierten Mechanismus", sagt Chennu.

Als die Forscher ihre Daten mit der erdgeschichtlichen Entwicklung des Sauerstoffgehalts zusammenbrachten, konnten sie tatsächlich einen Zusammenhang feststellen zwischen der Bewegung von Erde und Mond und den Bakterien in den mikrobiellen Matten am Meeresgrund.

(ens/idw)

Klatt et.al: Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation, Nature Geosciences