Wie sich vor 2,5 Milliarden Jahren Sauerstoff in der Erdatmosphäre anreichern konnte

Vor rund 2,5 Milliarden Jahren begannen die ersten Cyanobakterien in den frühen Ozeanen mit der Fotosynthese und setzten dabei massenhaft Sauerstoff frei. Ein Team unter Professor Andreas Kappler untersuchte nun im Labor, wie dies möglich war, obwohl das im Meerwasser gelöste Eisen das Wachstum der Bakterien eigentlich stark hemmte. Die Forschenden fanden heraus, dass neben dem tageszeitlichen Lichtwechsel vor allem das vorhandene Silikat eine Schlüsselrolle spielte. Während Sauerstoff für die damaligen Bakterien zunächst ein problematisches Abfallprodukt war, passte sich die Evolution flexibel an die steigende Konzentration an. „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 vermutete die Wissenschaft daher, dass diese Radikale die Sauerstofffreisetzung über Millionen Jahre unterdrückten. „Diese Annahme warf aber auch die Frage auf, wie die Cyanobakterien unter diesen Bedingungen überleben konnten“, sagt Carolin Dreher.

Silikat als Schutzschild: Überlebensstrategie der frühen Cyanobakterien

Das Forschungsteam untersuchte das Wachstum von Cyanobakterien der Gattung Synechococcus unter Bedingungen, die den frühen Ozeanen nachempfunden waren, insbesondere im Hinblick auf gelöstes Eisen und Silikat. Letzteres war in den Urmeeren reichlich vorhanden, was durch geologische Funde belegt ist. „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. In den Laborexperimenten zeigte sich, dass hohe Eisenkonzentrationen zwar die Bildung giftiger Sauerstoffverbindungen förderten und so das Mikrobenwachstum bremsten, das Silikat jedoch eine entscheidende Gegenwirkung entfaltete.

„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. Dank dieser Bedingungen konnten die Bakterien trotz der widrigen Umstände gedeihen 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

Zusätzlich zur chemischen Zusammensetzung spielte der Wechsel von Tag und Nacht eine entscheidende Rolle für die frühe Sauerstoffanreicherung. Während frühere Studien oft auf Dauerbeleuchtung setzten, stellten die Forschenden fest, dass ein natürlicher Lichtzyklus die Entstehung schädlicher Verbindungen im Labor weiter minimierte. „Wir stellten fest, dass sich die Bildung schädlicher Sauerstoffverbindungen bei unseren Laborversuchen unter einem tageszeitlichen Lichtzyklus zusätzlich reduzierte“, berichtet Dreher.

Basierend auf diesen Daten berechnete das Team, dass sich bereits in der Frühzeit sauerstoffreiche Zonen in den oberen Ozeanschichten 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“, erklärt Kappler. Dies könnte der Schlüssel dafür gewesen sein, dass die Mikroorganismen die Erdatmosphäre nachhaltig verändern konnten.

„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“, resümiert Professorin Dr. Karla Pollmann.

Quelle

Universität Tübingen (02/2026)