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Geochemie: Wann entstand die Fotosynthese?

Die Fotosynthese ist heute die wichtigste biochemische Reaktion des Planeten. Doch seit wann? Um diese Frage zu beantworten, suchen Forscher nach den Spuren der ersten chemischen Reaktionen, an denen molekularer Sauerstoff beteiligt war.
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Leben ohne Sonnenlicht, das ist heute etwas Exotisches. Nahezu die gesamte Biomasse des Planeten hängt von Pflanzen und Algen ab – jenen Lebewesen, die den entscheidenden Trick beherrschen, der aus Sonnenlicht energiereiche Chemikalien macht: die Fotosynthese. Wann allerdings dieser für das Leben so wichtige Stoffwechselweg entstanden ist, weiß man bisher nicht. Antworten erhoffen sich Wissenschaftler nun aus unerwarteter Richtung: von exotischen Metallen wie Rhenium, Chrom oder Uran.

"Den Beginn der oxygenen Fotosynthese können wir auf zwei Wegen finden: über die Organismen, in denen der Stoffwechselweg evolviert ist, und darüber, wann er seinen Ausdruck in Veränderungen an der Erdoberfläche gefunden hat", erklärt der Geochemiker Harald Strauß von der Universität Münster. "Zur ersten Frage haben wir einfach nichts vorzuweisen." Deswegen suchen Strauß und seine internationalen Forscherkollegen nach der chemischen Spur dieser Innovation – freiem Sauerstoffgas in der Atmosphäre.

Wann und wie der Sauerstoff zum ersten Mal in der Lufthülle der Erde auftauchte, das ist seit einiger Zeit wieder umstritten. Dabei galt es ein halbes Jahrhundert lang als gesichert, dass der Sauerstoff vor 2,4 Milliarden Jahren seinen ersten Auftritt in der Atmosphäre hatte – Forscher bezeichnen diesen Augenblick der Erdgeschichte als Großes Oxidationsereignis. Aktuelle Forschungsergebnisse allerdings deuten darauf hin, dass das Gas schon weit früher in nennenswerten Konzentrationen vorhanden war.

Es galt ein halbes Jahrhundert lang als gesichert, dass der Sauerstoff vor 2,4 Milliarden Jahren seinen ersten Auftritt in der Atmosphäre hatte

Das wichtigste Indiz dafür sind Ungleichgewichte in den Isotopen verschiedener Metalle – Atome eines Elements, die verschiedene Massen haben. Sie verhalten sich bei einigen chemischen Reaktionen unterschiedlich und reichern sich so in verschiedenen Reaktionsprodukten unterschiedlich stark an. Gesteine enthalten Elemente wie Chrom, Mangan und Uran, die gegebenenfalls vorhandener Sauerstoff sofort oxidiert. Direkt kann man das nicht erkennen, weil die oxidierten Metalle leichter wasserlöslich sind und deswegen aus dem Boden geschwemmt werden. Doch ihre einstige Gegenwart hinterlässt Spuren.

Aussagekräftig sind zum Beispiel die Isotope des Chroms. Die ursprünglichen Gesteine enthalten dreiwertiges, unlösliches Chrom. Die chromhaltigen Minerale können auf zwei Arten verwittern – mit Hilfe von Säure oder eben indem das Chrom durch Sauerstoff oxidiert wird. Oxidiert wird allerdings bevorzugt das schwere Isotop Chrom-53, das dann gelöst und ins Meer geschwemmt wird. Zurück bleibt ein leichter Überschuss des leichteren Chrom-52.

Auch andere Metalle zeigen vergleichbare Effekte, sobald Sauerstoff auftaucht: neben Chrom auch Molybdän, Nickel, Rhenium und Uran. Solche Isotopenanreicherungen gelten unter Experten als untrügliches Indiz für Sauerstoff. "Die Quelle solcher Isotopenanreicherungen kann nach heutigem Verständnis eigentlich nur oxidativ verwitterndes Gestein sein", meint auch Strauß.

Seit 2007, als die erste derartige Veröffentlichung über Isotope des Rheniums und des Molybdäns [1] erschien, präsentierten Forscher jedes Jahr neue Ergebnisse, die Sauerstoff in der Atmosphäre lange vor dem großen Oxidationsereignis vor 2,4 Milliarden Jahren nahelegen. Forscher wollen nun sogar in nahezu drei Milliarden Jahre alten Gesteinen seine verräterischen Spuren gefunden haben – 600 Millionen Jahre früher als erwartet [2]. 600 Millionen Jahre entsprechen etwa der Zeitspanne, die uns heute von den allerersten mehrzelligen Lebewesen trennt.

"Wir Geochemiker interpretieren so etwas gerne ganz mutig als globales Signal"

Das Team untersuchte die Nsuze-Formation in Südafrika, eine dicke Schicht drei Milliarden Jahre alter vulkanischer Gesteine, die lange an der Erdoberfläche lagen und metertief verwitterten, bevor sich etwa 20 Millionen Jahre später neues Gestein darüber ablagerte. In diesem urzeitlichen Boden fanden sie tatsächlich einen leichten Überschuss des leichten Chrom-52. Und auch das verschwundene schwere Chrom-53 fanden die Forscher wieder – in einer Formation fast zeitgleich entstandener Bändereisenerze, die sich einst im Meer bildeten. Beides eindeutige Indizien für eine Trennung der Isotope durch Sauerstoff.

Und dieser Sauerstoff kann eigentlich nur aus der Fotosynthese kommen, meint Michael Bau von der Jacobs University Bremen, einer der Autoren der Veröffentlichung. Zwar entstehe das Gas in geringen Mengen auch durch nichtbiologische Prozesse, aber bei Weitem nicht genug: "Um Chrom zu oxidieren, muss auch Mangan oxidiert werden. Und alle Untersuchungen deuten darauf hin, dass man dazu Sauerstoffkonzentrationen braucht, die nur durch biologische Prozesse erklärt werden können", so Bau.

Das deutet nach Ansicht der Autoren darauf hin, dass fotosynthetisierende Zyanobakterien vor drei Milliarden Jahren nicht nur schon evolviert waren, sondern auch zahlreich genug, um die Atmosphäre zu beeinflussen – und die Sauerstoff produzierende Fotosynthese damit 300 bis 400 Millionen Jahre älter ist als bisher vermutet. Bau hält den Ball allerdings flach, was derart weit reichende Aussagen angeht. "Wir Geochemiker interpretieren so etwas gerne ganz mutig als globales Signal. Aber dabei ist Vorsicht geboten. Nachgewiesen ist das nämlich noch nicht."

Außerdem ändere das Ergebnis nichts daran, dass das Große Oxidationsereignis die entscheidende Zäsur markiert. "Vor 2,4 Milliarden Jahren wurde die Atmosphäre irreversibel sauerstoffhaltig", erklärt Bau. "Im Zeitraum vorher handelte es sich lediglich um episodische Ereignisse." Diese aber enthalten möglicherweise entscheidende Informationen über die Mechanismen, die letztendlich zur bedeutendsten Veränderung der Atmosphäre in ihrer Geschichte führten.

"Sie ist ein wenig provokativ, aber das ist auch gut so"

Und vielleicht sogar mehr. Harald Strauß, der den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre anhand von Schwefelisotopen sondiert, hält es durchaus für möglich, dass Ergebnisse wie die von Bau und Kollegen zu einem neuen Bild davon führen, wie der Sauerstoff in die Atmosphäre kam. "Vielleicht werden wir am Ende des Weges die Bedeutung des großen Oxidationsereignisses deutlich relativieren müssen", spekuliert er. An der generellen Schlussfolgerung finde er nichts auszusetzen. "Sie ist ein wenig provokativ, aber das ist auch gut so."

Alles klar also an der Sauerstoff-Front? Keineswegs. Denn noch sind entscheidende Fragen offen, findet Strauß. "Die Frage ist nicht nur, ob Sauerstoff in der Atmosphäre war, sondern auch, wie viel davon." Und bei welchen genauen Sauerstoffkonzentrationen welche Reaktionen ablaufen, darüber weiß man noch wenig, zumal es um winzigste Bruchteile der heutigen Konzentration geht – Tausendstel, Zehntausendstel, Zehnmillionstel.

Schlimmer noch, es gibt Ergebnisse, die den Isotopendaten aus der Verwitterung von Gesteinen zu widersprechen scheinen. Seit einigen Jahren untersuchen Arbeitsgruppen ein Ungleichgewicht zwischen den Isotopen des Schwefels, das bei der Zersetzung schwefelhaltiger Gase durch UV-Strahlung entsteht. Bei diesem als Massenunabhängige Isotopenfraktionierung bezeichneten Vorgang reichern sich bestimmte Isotope in den verschiedenen Endprodukten an. Wie der Effekt zu Stande kommt, ist noch teilweise unklar. Die Masse der Isotope spielt hier jedoch eine untergeordnete Rolle im Vergleich zu anderen Mechanismen.

Die weiteren Reaktionswege der entstandenen schwefelhaltigen Produkte hängen in jedem Fall stark vom Zustand der Atmosphäre ab. Wenn in der Atmosphäre kein Sauerstoff vorhanden ist, reagieren schwefelhaltige Moleküle auf sehr unterschiedlichen Wegen, so dass verschiedene schwefelhaltige Ablagerungen sich erkennbar darin unterscheiden, wie das Element dorthin gelangte. Doch ist Sauerstoff erst einmal vorhanden, selbst in nur einem Zehntausendstel der heutigen Konzentration, ändert sich das Bild. Das hochreaktive Element oxidiert den gesamten Schwefel zu gut löslichem Sulfat, das in den Ozean geschwemmt wird und dann erst in Sedimente gelangt. Bei dieser großen Vereinheitlichung verschwinden alle Isotopensignaturen der vorherigen Reaktionsschritte.

Der Witz ist, dass über das gesamte Erdaltertum die Signatur der Massenunabhängigen Isotopenfraktionierung in schwefelhaltigen Sedimenten erkennbar ist [3]. Sie verschwindet erst mit dem Großen Oxidationsereignis vor 2,4 Milliarden Jahren. Damit kann, zumindest nach landläufiger Meinung, vor diesem Zeitpunkt eigentlich kein freier Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden gewesen sein. Ein eklatanter Widerspruch zu den Untersuchungen an Metallen.

"Heute schielen alle auf den Sauerstoff"

Für Strauß, dessen Fachgebiet die Massenunabhängige Isotopenfraktionierung des Schwefels ist, liegt das Problem allerdings vor allem in der einseitigen Betrachtungsweise. "Heute schielen alle auf den Sauerstoff. Aber es beeinflusst keineswegs nur der Sauerstoff die Isotopenverhältnisse." Alles, was die Transparenz der Atmosphäre für UV-Strahlen beeinflusst, verändere auch die Isotopenfraktionierung. Tatsächlich fand sein Team einen verräterischen Knick in den Isotopendaten [4]: Zwischen 2,73 und 2,71 Milliarden Jahren vor unserer Zeit veränderte sich die Atmosphäre – sie wurde oxidierender. Ursache sei wahrscheinlich die Fotosynthese gewesen, vermuten Strauß und Kollegen: Ihre Modelle seien konsistent mit einem Hauch von Sauerstoff auf der Erde, erzeugt von den ersten blaugrünen Algen.

Allerdings – die Ergebnisse von Michael Bau und Co lassen sich so nicht mit den Schwefeldaten in Einklang bringen. Sie beschreiben eine Zeit 300 Millionen Jahre vor dieser Veränderung. Und so wird dieser Widerspruch der Forschung noch eine Weile erhalten bleiben. Zumal die Daten lückenhaft sind: Nur wenige Gesteinsaufschlüsse aus jener Zeit haben sich bis heute erhalten, und Formationen mit Verwitterungsspuren sind noch einmal weitaus seltener. Forschungsergebnisse, die Aufschluss über das Archaikum geben, sind nicht mehr als Mosaiksteinchen, die zeitlich oftmals weiter auseinanderliegen als die ersten Säugetiere und der Mensch. Der Ursprung der Fotosynthese wird derzeit mit jedem neuen Forschungsergebnis eher rätselhafter.

Eigentlich bräuchten die Geochemiker eine Probe über den gesamten Zeitraum, an dem sie alle fraglichen Parameter messen können, erklärt Strauß. "Dann können wir sehen, welche der Signale für Sauerstoff früh auftreten und welche verzögert kommen und daraus die Reihenfolge der Ereignisse ableiten. Dann kann ich in Rente gehen." Bis dahin könnte es allerdings noch ein bisschen dauern.

42. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 42. KW 2013

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  • Quellen
[1] Science 317, S. 1903–1906, 2013
[2] Nature 10.1038/nature12426, 2013
[3] Astrobiology 1, S. 27 – 41, 2002
[4] Earth and Planetary Science Letters 366. S. 17–26, 2013

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