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Paläobiochemie: Übung für den Ernstfall

Das erste große Massensterben der Erdgeschichte machte ein paar besonders innovative Bakterien zu Gewinnern: Während die meisten anderen von einem urzeitlichen Abgas vergiftet wurden, nutzten sie den Schadstoff für ihre Zwecke - und das deutlich früher, als bislang angenommen.
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Die vielleicht schlimmste Katastrophe in der Geschichte des Lebens traf die frühen Bewohner unseres Planeten vor etwa 2,45 Milliarden Jahren – und war hausgemacht. Einige allzu sorglose Bakterien hatten etwa eine Milliarde Jahre zuvor im Ozean damit begonnen, Fotosynthese zu betreiben, bei der als Abfallprodukt Sauerstoff entsteht.

Als dieser sich anzureichern begann, waren die Auswirkungen auf das Leben verheerend: Freier Sauerstoff – für die Organismen der Zeit ein bislang unbekanntes Gift – tötete alle Erdlinge, die sich nicht effektiv vor der zerstörenden Wirkung radikaler Sauerstoffspezies schützen konnten. Für die glücklichen Überlebenden bot das unerwünschte Nebenprodukt der Fotosynthese allerdings auch neue Chancen: Brandneue Stoffwechselwege wie Nitrifikation und Denitrifikation waren plötzlich möglich.

UV-Schiefer | Teile des in Westaustralien geborgenen Bohrkerns: Die Aufnahme unter ultraviolettem Licht lässt im dunklen Schiefer helle Linsen aus Pyrit erkennen.
Bei der Nitrifikation gewinnen Bakterien Energie durch Umwandlung von Ammonium zu Nitrat und nutzen dafür Sauerstoff als Oxidationsmittel. Ammonium und Nitrat sind die beiden wichtigsten im Ozean vorkommenden Formen von Stickstoff, der als essentieller Bestandteil von Proteinen und DNA für alle Lebewesen unverzichtbar ist. Bei der Denitrifikation wird nun der Stickstoff aus dem Nitrat in seiner elementaren Form freigesetzt und entweicht als Gas in die Atmosphäre. Damals wie heute kann er nur von einigen hoch spezialisierten Bakterien in Form von Ammonium fixiert und wieder ins Meer zurückgeholt werden. Mit Nitrifikation und Denitrifikation gab es in Kombination mit der bereits schon vor der Katastrophe aktiven Fixierung nun erstmals in der Erdgeschichte einen geschlossenen Stickstoffkreislauf über Ammonium und Nitrat zurück zum atmosphärischen Gas, welcher bis heute besteht.

All dies wäre ohne die Nitrifikation, die auf freien Sauerstoff angewiesen ist, nicht möglich gewesen. Daher, so die gängige Lehrmeinung, kann es vor der großen Sauerstoffschwemme keine nitrifizierenden Bakterien gegeben haben, die Nitrat produzierten – und folglich auch keine Denitrifizierer. So trauten Roger Buick von der University of Washington und seine Kollegen auch ihren Augen kaum, als sie in Sedimentgestein aus einer Zeit deutlich vor der O2-Katastrophe Hinweise auf genau diese Organismen fanden. Sie untersuchten in einem Bohrkern aus dem Mount McRae Shale im nordwestlichen Australien die Isotopenzusammensetzung von Stickstoff. Der Kern besteht aus einer geschichteten Abfolge von Sedimentgesteinen, in erster Linie Tonschiefer, die sich etwa 50 Millionen Jahre vor der großen Sauerstoffkrise abgelagert hatten.

Schöne Aussichten | Ishandlwana in Nordwestaustralien: Hier nahmen Roger Buick und seine Kollegen die Bohrung vor. Die Region gehört zu den wenigen Orten, an denen sich noch intakte Sedimentgesteine aus der Zeit des Archaikums finden.
Die im Gestein vorhandenen organischen Substanzen sind die Überbleibsel der damals lebenden Einzeller, die nach ihrem Tod auf den Meeresboden gesunken und zusammen mit feinsten Gesteinspartikeln aus kontinentaler Verwitterung zu Sedimentgestein zusammengepresst wurden.

Der darin enthaltene Stickstoff hat zwei verschiedene atomare Formen – das leichte und häufige 14N-Isotop sowie das schwere und seltenere 15N-Isotop. Das Verhältnis der beiden Isotope ist im riesigen Stickstoffreservoir in der Atmosphäre quasi konstant. Gelangt dieser Stickstoff aber in den biologischen Kreislauf und wird durch biochemische Prozesse von einer Form in die nächste überführt, kann sich die Isotopenzusammensetzung im Produkt vom Ausgangsstoff unterscheiden. Die biologische Stickstofffixierung beispielsweise verändert die Isotopie des Produkts Ammonium kaum, dagegen hat die Denitrifikation enormen Einfluss und macht das zurückbleibende Nitrat sehr schwer, weil bevorzugt leichte Isotope umgesetzt werden.

Roger Buick und seine Kollegen konnten deshalb anhand der in jedem Ablagerungshorizont gemessenen Isotopenverhältnisse Vermutungen anstellen, welcher Prozess wie stark gewirkt hat und ob er überhaupt aktiv war.

Bei der Analyse zeigte sich in einem bestimmten Bereich des Bohrkerns nun eine deutliche Anreicherung mit schweren Isotopen – für die Forscher ein klarer Beweis für Nitrifikation. Demnach haben nitrifzierende Bakterien Ammonium zu Nitrat oxidiert, das sich im Urozean in großen Mengen angesammelt hatte. Die übrigen Organismen haben dann in erster Linie Nitrat und nicht Ammonium aufgenommen und in ihre Biomasse eingebaut, so dass sich der Isotopeneffekt der Denitrifikation dauerhaft in den Sedimenten erhalten hat.

Nitrifizierer und Denitrifizierer müssen sich also schon viel früher entwickelt haben, als bislang angenommen. Folglich gab es wohl auch schon weit vor dem Massensterben längere Episoden, in denen freier Sauerstoff in bestimmten Ozeanbereichen in größeren Mengen verfügbar war. Der kurze Testlauf 50 Millionen Jahre vor dem Sauerstoffgau, den Buick und Kollegen im australischen Schiefer nachgewiesen haben wollen, war demnach nur ein kurzer Vorgeschmack auf den späteren Siegeszug der innovativen Einzeller.

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  • Quellen
Garvin, J. et al.: Isotopic Evidence for an Aerobic Nitrogen Cycle in the Latest Archean. In: Science 323, S. 1045–1048, 2009.

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