Neues aus der Erdgeschichte: Wie Sauerstoff produzierende Cyanobakterien unser Leben ermöglicht haben

Achim Herrmann erforscht die Ausbreitung der frühen Cyanobakterien. (Foto: Koziel/TUK)

Achim Herrmann promoviert bei Michelle Gehringer im Fachgebiet Geomikrobiologie. (Foto: Koziel/TUK)

Vor 2,43 Mrd. Jahren begann die „Große Sauerstoffkatastrophe“ (GOE bzw. „Great Oxygenation Event“): Die Erdatmosphäre reicherte sich kontinuierlich mit Sauerstoff an, einem Abfallprodukt der Photosynthese. Auslöser waren, so die Wissenschaft, Photosynthese betreibende Cyanobakterien. Doch warum kam es so spät zu diesem so wichtigen Umschwung? Cyanobakterielles Leben gab es, das zeigen Gesteinsproben, schon mindestens 300 Mio. Jahre vor dem GOE. Antworten auf der Spur ist Achim Herrmann, der in seiner Doktorarbeit an der TU Kaiserslautern die Ausbreitung der frühen Cyanobakterien erforscht. Sein aktuelles Forschungspaper ist jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

„Es gibt viele wissenschaftliche Theorien, die ineinandergreifen und erklären, warum sich die für das GOE bzw. die Sauerstoffkatastrophe notwendige Ausbreitung von Cyanobakterien verzögerte“, erklärt Herrmann, der bei Michelle Gehringer im Fachgebiet Geomikrobiologie promoviert. „Zum Beispiel, dass sie in Frischwasser entstanden sein können, welches damals wie heute lediglich einen Bruchteil der Erdoberfläche ausmacht. Erst als sie sich an salzigere Gewässer anpassten und zuletzt im offenen Ozean heimisch wurden, konnten sie ausreichende Mengen an Biomasse bilden, um eine globale Änderung der Erdatmosphäre herbeizuführen.“ Eine weitere Theorie besagt, dass das eisenhaltige Meerwasser zunächst toxisch auf die Photosynthese betreibenden Bakterien gewirkt haben könnte. Eisen hatte sich im damaligen anoxischen Erdzeitalter „Archaikum“ überwiegend in Form von gut löslichen, reduzierten Eisen(II)-Ionen im Ozean angereichert.

Herrmann knüpfte bei seiner Forschung an die Eisengift-Hypothese an. „Wir wollten nachprüfen, ob Eisen(II) nicht nur moderne, sondern auch primitivere Stämme marinen Ursprungs, konkret Pseudanabaena sp. PCC7367 and Synechococcus sp. PCC7336, in ihrem Wachstum und ihrer Photosyntheseleistung hemmt“, so der Biologie.

Dabei zeigte sich schnell, wie entscheidend der Versuchsaufbau ist. Im bereits etablierten System – die Bakterien werden in geschlossenen Glasflaschen kultiviert – entwickelten sie sich grundsätzlich schlecht: „Die biologische Aktivität war bei beiden Stämmen sehr niedrig, bei Synechococcus sogar nahezu komplett unterdrückt“, so der Biologe. Die Lösung: „Eine von der Metallwerkstatt der TUK speziell angefertigte anaerobe Arbeitsstation, in deren Kammern sich die Zusammensetzung der Atmosphäre vollautomatisch regulieren lässt“, sagt der Biologe. „Darin haben wir die Cyanobakterien in großen Laborflaschen mit gasdurchlässigen Deckeln kultiviert, um den Gasaustausch zu ermöglichen. Der von ihnen produzierte Sauerstoff wurde regelmäßig aus dem System entfernt, Kohlendioxid in geringer Konzentration konstant gehalten. Somit konnten wir eine flache marine Sauerstoffoase, wie sie in Gesteinsproben aus dem Archaikum impliziert sind, realisieren.“

Wie erwartet, zeigte es sich, dass sich die Cyanobakterien in der lebensechteren Umgebung „wohler fühlten“. Doch was passierte bei einmaliger Zugabe von Eisen in steigenden Konzentrationen? Die Bakterien vom Pseudanabaena-Stamm wuchsen durchweg gut – allerdings langsamer als im parallel geführten Kontrollsystem. Bei den Bakterien vom Synechococcus-Stamm zeigte sich dagegen deutlich, dass mit steigender Eisenmenge die Geschwindigkeit der Zellteilung abnahm. Eine weitere Erkenntnis: Der produzierte Sauerstoff oxidierte vornehmlich die gelösten Fe(II)-Ionen anstatt in die Atmosphäre zu entweichen. Und die Sauerstoff-Produktionsleistung der Stämme erreichte in der anoxisch eingestellten Versuchsumgebung deutlich höhere Wert als in einem Kontrollaufbau mit oxischer Atmosphäre, wie sie uns heute umgibt.

Zusätzlich zeigte sich nur in diesem System die Bildung von sogenanntem „grünen Rost“, eine Mischform aus Fe(II) und bereits zu Fe(III) oxidiertem Eisen. Die Bildung von grünem Rost wurde von einer starken Abnahme der biologischen Aktivität begleitet, vermutlich bedingt durch das „Verkrusten“ der Zellen mit Eisenoxiden. Während des Archaikums könnte die Bildung von derartigem grünem Rost entscheidend zur Bildung von Bändereisenerze beigetragen haben, der heute wichtigsten Quelle von Roheisenerzen.

Zuletzt änderte Herrmann noch einmal das Versuchsszenario und passte die Eisengabe einer simulierten Gezeitenfolge an. Die Zugabe erfolgte zunächst regelmäßig zu Beginn der Nacht, wenn die Sauerstoffkonzentration ohne Photosyntheseaktivität im Medium gegen den Nullpunkt sank. Daraufhin verlangsamte sich das Wachstum bei beiden Stämmen deutlich, kam aber nie vollständig zum Erliegen. Dies zeigte, dass eine Sauerstoffoase des Archaikums auch den Zufluss von eisenreichem Wasser während der Nacht toleriert haben könnte. Auch hier kam es zur Bildung von grünem Rost, welcher aber schnell weiteroxidiert werden konnte und so keinen kompletten Wachstumsstillstand zur Folge hatte.

Alles in allem hat Herrmann mit seiner Forschungsarbeit weitere Lücken im Puzzle der Erdgeschichte gefüllt. Er konnte für beide Cyanobakterien-Stämmen darstellen, wie der Eisen-Zyklus in einer archaischen Sauerstoffoase abgelaufen sein könnte und auch, dass aufgrund der höheren Sauerstoffproduktion wahrscheinlich weniger bewachsene Fläche für den Start des GOE nötig gewesen wäre. Zudem hat er ein Konzept für die Anzucht von Cyanobakterien entwickelt, welches die Lebensbedingungen im Archaikum besser abbildet.

„Ich hoffe, dass ich mit meinem Forschungspaper dazu beitragen kann, dass wir besser verstehen, wie sich unsere sauerstoffhaltige Atmosphäre überhaupt entwickeln konnte“, so der Biologie abschließend.

Informationen zum veröffentlichten Forschungspaper:
Herrmann A.J., Sorwat J., Byrne J.M., Frankenberg-Dinkel, N. and Gehringer M.M.
„Diurnal Fe(II)/Fe(III) cycling and enhanced O2 production in a simulated Archean marine oxygen oasis“
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22258-1
DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Fragen beantwortet:
Achim Herrmann
E-Mail a_herrma@rhrk.uni-kl.de
Tel.: (0)631 205-2199