NEWS | 02.08.2021

Ein lan­ger Tag für Mi­kro­ben: Wie der Sau­er­stoff auf die Erde kam

Das heutige Leben auf der Erde ist ohne Sauerstoff unvorstellbar. Wie es allerdings zum schrittweisen Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre kam, der sich über einen Zeitraum von fast zwei Milliarden Jahren vollzog, ist bislang nicht klar. Eine spannende Erklärung liefert nun ein internationales Forschungsteam um Judith Klatt vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen, einem Mitglied der DAM: Zunehmend längere Tage, verursacht durch die Verlangsamung der Erdrotation, könnten dazu geführt haben, dass Mikroben mehr Sauerstoff freisetzten und so die Luft schufen, die wir heute atmen. Die Studie erscheint im Fachmagazin Na­tu­re Geo­sci­en­ces.

Prak­tisch der ge­sam­te Sau­er­stoff auf der Erde ent­stand und ent­steht durch Pho­to­syn­the­se. Sie wur­de von win­zi­gen Or­ga­nis­men, den Cya­no­bak­te­ri­en, er­fun­den, als un­ser Pla­net noch ein recht un­wirt­li­cher Ort war. Cya­no­bak­te­ri­en ent­wi­ckel­ten sich vor mehr als 2,4 Mil­li­ar­den Jah­ren, aber die Erde wan­del­te sich nur lang­sam zu dem sau­er­stoff­rei­chen Pla­ne­ten, den wir heu­te ken­nen. „Noch ist nicht ganz klar, war­um es so lan­ge ge­dau­ert hat und was ge­nau die Sau­er­stoff­an­rei­che­rung auf der Erde steu­er­te“, sagt Ju­dith Klatt, Geo­mi­kro­bio­lo­gin am Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie. „Aber als ich Cya­no­bak­te­ri­en im Midd­le Is­land Sink­ho­le im Lake Hu­ron in Mi­chi­gan un­ter­such­te, die un­ter Be­din­gun­gen le­ben, die der frü­hen Erde äh­neln, kam mir eine Idee.“

Lila gefärbte, mikrobielle Matten im Middle Island Sinkhole im Lake Huron, Juni 2019. Kleine Hügel und „Finger“ wie dieser entstehen durch Gase, wie Methan und Schwefelwasserstoff, die unter der Oberfläche der Matten blubbern. | Phil Hartmeyer / NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

Cyanobakterien sind Langschläfer

Klatt ar­bei­te­te mit ei­nem Team von For­schen­den um Greg Dick von der Uni­ver­si­tät Mi­chi­gan, USA, zu­sam­men. Das Was­ser im Midd­le Is­land Sink­ho­le, wo Grund­was­ser aus dem See­bo­den si­ckert, ent­hält sehr we­nig Sau­er­stoff. „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“, er­klärt Bopi Biddan­da, Öko­lo­ge von der Grand Val­ley Sta­te Uni­ver­si­ty, USA. Die Be­woh­ner sind größ­ten­teils li­la­far­be­ne, sau­er­stoff­pro­du­zie­ren­de Cya­no­bak­te­ri­en, die mit wei­ßen, schwe­fel­oxi­die­ren­den Bak­te­ri­en kon­kur­rie­ren. Ers­te­re er­zeu­gen En­er­gie mit Son­nen­licht, letz­te­re mit Hil­fe von Schwe­fel. Um zu über­le­ben, füh­ren die­se Bak­te­ri­en je­den Tag ei­nen klei­nen Tanz auf: Vom Abend bis zum Mor­gen­grau­en lie­gen die schwe­fel­fres­sen­den Bak­te­ri­en über den Cya­no­bak­te­ri­en und ver­sper­ren ih­nen den Zu­gang zum Son­nen­licht. Wenn mor­gens die Son­ne auf­geht, be­we­gen sich die Schwe­fel­fres­ser nach un­ten und die Cya­no­bak­te­ri­en stei­gen an die Ober­flä­che der Mat­te. „Jetzt kön­nen sie an­fan­gen, Pho­to­syn­the­se zu be­trei­ben und Sau­er­stoff zu pro­du­zie­ren“, er­klärt Klatt. „Al­ler­dings dau­ert es ein paar Stun­den, bis sie rich­tig los­le­gen. Die Cya­no­bak­te­ri­en sind wohl eher Lang­schlä­fer als Früh­auf­ste­her.“ Da­her ha­ben sie auch nur we­ni­ge Stun­den am Tag Zeit für die Pho­to­syn­the­se. Als Bri­an Ar­bic, phy­si­ka­li­scher Ozea­no­graph an der Uni­ver­si­tät Mi­chi­gan, von die­sem täg­li­chen mi­kro­bi­el­len Tanz hör­te, warf er eine span­nen­de Fra­ge auf: „Könn­te es sein, dass die Ver­än­de­rung der Ta­ges­län­ge die Pho­to­syn­the­se im Lau­fe der Erd­ge­schich­te be­ein­flusst hat?“

Die Tage auf der Erde wa­ren nicht im­mer 24 Stun­den lang. „Als das Erde-Mond-Sys­tem ent­stand, wa­ren die Tage viel kür­zer, viel­leicht so­gar nur sechs Stun­den“, so Ar­bic. Dann dreh­te sich die Erde zu­se­hends lang­sa­mer, ver­ur­sacht durch die An­zie­hungs­kraft des Mon­des und die brem­sen­de Wir­kung der Ge­zei­ten. Die Tage wur­den län­ger. Ei­ni­ge For­scher ver­mu­ten zu­dem, dass die­se Ent­schleu­ni­gung der Erde für etwa eine Mil­li­ar­de Jah­re un­ter­bro­chen war, zeit­gleich mit ei­ner lan­gen Pe­ri­ode nied­ri­ger Sau­er­stoff­wer­te. Nach die­ser Un­ter­bre­chung, als sich die Erd­ro­ta­ti­on vor etwa 600 Mil­lio­nen Jah­ren wie­der­um zu ver­lang­sa­men be­gann, kam es zu ei­ner wei­te­ren gro­ßen Ver­än­de­rung in der glo­ba­len Sau­er­stoff­kon­zen­tra­ti­on. Als Klatt die­se ver­blüf­fen­de Ähn­lich­keit im Mus­ter des Sau­er­stoff­ge­halts und der Dre­hung der Erde in geo­lo­gi­schen Zeit­räu­men be­merk­te, kam ihr die Idee von ei­ner Ver­bin­dung zwi­schen den bei­den – eine Ver­bin­dung, die über die „Lang­schlä­fer“-Ver­zö­ge­rung der Pho­to­syn­the­se im Midd­le Is­land Sink­ho­le hin­aus­ging. „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 (ein Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­le des Sau­er­stoffs) bil­den kann. Da­durch kann auch we­ni­ger Sau­er­stoff aus den Mat­ten ent­wei­chen“, so Klatts Hy­po­the­se.

Die Geomikrobiologin Judith Klatt vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie schabt eine mikrobielle Matte von der Oberseite eines Sedimentkerns, der im Middle Island Sinkhole im Lake Huron gesammelt wurde. | Jim Erickson / University of Michigan News

Von Bakterienmatten zum globalen Sauerstoff

Klatt tat sich mit Ar­jun Chen­nu zu­sam­men, der da­mals eben­falls am Max-Planck-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie ar­bei­te­te und heu­te sei­ne ei­ge­ne Grup­pe am Leib­niz-Zen­trum für Ma­ri­ne Tro­pen­for­schung (ZMT) in Bre­men, einem weiteren Mitglied der DAM, lei­tet. Chen­nu ent­wi­ckel­te ei­gens für die­se Stu­die eine Open-Source-Software. Mit de­ren Hil­fe un­ter­such­ten sie, wie die Dy­na­mik des Son­nen­lichts mit der Frei­set­zung von Sau­er­stoff aus den Mat­ten zu­sam­men­hängt. „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. 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.

Wie kön­nen sich die in­ner­halb ei­nes Ta­ges ab­lau­fen­den Pro­zes­se auf die lang­fris­ti­ge Sau­er­stoff­an­rei­che­rung aus­wir­ken? Um das zu ver­ste­hen, füg­ten Klatt und ihr Team ihre Er­geb­nis­se in glo­ba­le Mo­del­le des Sau­er­stoff­ge­halts ein. Da­bei zeig­te sich, dass die durch län­ge­re Tage er­höh­te Sau­er­stoff­frei­set­zung tat­säch­lich den welt­wei­ten Sau­er­stoff­ge­halt zum An­stei­gen ge­bracht ha­ben könn­te. Es ist eine Ver­bin­dung zwi­schen der Leis­tung win­zi­ger Le­be­we­sen und glo­ba­len Pro­zes­sen. „Wir ver­knüp­fen phy­si­ka­li­sche Ge­set­ze in sehr un­ter­schied­li­chen Grö­ßen­ord­nun­gen – die mo­le­ku­la­re Dif­fu­si­on mit der pla­ne­ta­ren Me­cha­nik. So wird klar: Wie lang die Tage sind und wie­viel Sau­er­stoff die Mi­kro­ben frei­set­zen kön­nen, ist grund­le­gend ver­bun­den“, so Chen­nu. „Das ist ziem­lich auf­re­gend. Wir ver­bin­den so den Tanz der Mo­le­kü­le in ei­ner mi­kro­bi­el­len Mat­te mit dem Tanz un­se­res Pla­ne­ten und sei­nes Mon­des.“ Ins­ge­samt könn­ten die bei­den gro­ßen Pha­sen der Sau­er­stoff­an­rei­che­rung in der Erd­ge­schich­te – das Gro­ße Oxi­ge­nie­rungsser­eig­nis vor mehr als zwei Mil­li­ar­den Jah­ren und das spä­te­re Neo­pro­te­ro­zoi­sche Oxi­ge­nie­rungs­er­eig­nis – also mit den zu­neh­mend län­ge­ren Ta­gen zu­sam­men­hän­gen. Die län­ge­ren Tage hät­ten dem­nach die Pro­duk­ti­vi­tät der Mi­kro­ben am Bo­den aus­rei­chend an­ge­kur­belt, um den at­mo­sphä­ri­schen Sau­er­stoff­ge­halt zu ver­än­dern. „Mit die­ser gro­ßen Band­brei­te an zeit­li­chen und räum­li­chen Grö­ßen zu jon­glie­ren war ziem­lich ver­rückt – und hat viel Spaß ge­macht“, schließt Klatt.

Video zum Projekt

Ori­gi­nal­ver­öf­fent­li­chung

J. M. Klatt, A. Chen­nu, B. K. Ar­bic, B. A. Biddan­da, G. J. Dick: Pos­si­ble link bet­ween Ear­t­h’s ro­ta­ti­on rate and oxy­ge­na­ti­on. Na­tu­re Geo­sci­en­ces (2021) DOI: 10.1038/s41561-021-00784-3

Kontakt

Dr. Judith Klatt
Forschungsgruppe Mikrosensoren
MPI für Marine Mikrobiologie
Tel.: +49 421 2028-8320
E-Mail: jklatt(at)mpi-bre­men.de

Dr. Fanni Aspetsberger
Leitung der Presse & Kommunikation
MPI für Marine Mikrobiologie
Tel.:  +49 421 2028-9470
E-Mail: fas­petsb(at)mpi-bre­men.de

Andrea Daschner
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung
Tel: +49(0)421 238 00 – 72
E-Mail: andrea.daschner(at)leibniz-zmt.de

Header-Bild: Ein Taucher beobachtet die violetten, weißen und grünen Mikroben, die die Felsen im Middle Island Sinkhole des Lake Huron bedecken. Foto: Phil Hartmeyer / NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary.

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