Hatte die Urerde schon Sauerstoff-Oasen?

Evolutionäres Paradox: Warum hatten die ersten irdischen Lebensformen schon Gene für die Sauerstoff-Verwertung, obwohl es in der Ur-Atmosphäre noch gar keinen Sauerstoff gab? Eine Antwort darauf könnte nun die Geochemie liefern. Denn ein Experiment belegt, dass Silikatgestein beim Zermahlen mit heißem Wasser Wasserstoffperoxid freisetzt, das dann zu O₂ reagieren kann. An tektonischen Verwerfungen und heißen Quellen könnten die ersten Zellen demnach genügend Sauerstoff zum Verstoffwechseln gefunden haben, wie Forscher berichten.

Gängiger Annahme nach waren die ersten Lebensformen auf unserem Planeten anaerob: Sie brauchten zum Überleben und zur Energiegewinnung weder Luft noch Licht, sondern zehrten primär von Wasserstoff, Ammoniak und Kohlendioxid. Das legen genetische Rekonstruktionen des letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens (LUCA) nahe. Auch das erste Ur-Bakterium war wahrscheinlich anaerob. Dies war auch sinnvoll, weil die Ur-Atmosphäre der Erde noch so gut wie keinen Sauerstoff enthielt – er wurde erst nach Evolution der ersten Algen in größerem Maße freigesetzt.

Rätsel um „Sauerstoff-Gene“ bei der Urzelle

Merkwürdig nur: Die genetischen Rekonstruktionen ergaben auch, dass diese ersten Lebensformen schon Gene für die Verarbeitung von Sauerstoff und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) besaßen – obwohl beides auf der Urerde kaum vorkam. „Die Präsenz dieser Sauerstoff-verwertenden Gene wurde daher meist als irreführendes Artefakt angesehen – als Relikt von Gentransfers, die erst nach der Evolution der Photosynthese stattfanden“, erklären Jordan Stone von der Newcastle University und seine Kollegen.

Es gäbe aber noch eine andere Erklärung: „Eine Alternative ist, dass es schon vor dem Aufkommen der Photosynthese eine andere, substanzielle geologische Quelle für Sauerstoff und Peroxid auf der Urerde gab“, sagen die Forscher. So könnte durch geochemische Reaktionen Wasserstoffperoxid entstehen, dass dann wiederum in molekularen Sauerstoff und Wasser zerfällt. Tatsächlich hatten frühere Studien bereits ergeben, dass Silikatgesteine beim Zermahlen unter anaeroben Bedingungen mit Wasser reagieren und Wasserstoffperoxid erzeugen können – allerdings nur in verschwindend geringen Mengen.

Die Temperatur ist entscheidend

Doch wie Stone und sein Team nun demonstrieren, wurde dabei ein Faktor übersehen: „Die Temperatur ist ein wichtiger und bisher übersehener Faktor, um die Ausbeute an Wasserstoffperoxid aus solchen Reaktionen zu maximieren“, konstatieren sie. Für ihre Studie haben sie die Silikat-Wasser-Reaktion noch einmal bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Dafür nutzen sie fein zermahlene Proben von drei auf der Urerde häufigen Gesteinen: Granit, Basalt und Peridotit.

Es zeigte sich: Unterhalb von rund 80 Grad produzierte die Reaktion der Gesteine mit Wasser fast nur Wasserstoff – wie in den früheren Studien. Doch ab rund 100 Grad änderte sich dies: Dann sank der Wasserstoff-Anteil deutlich ab, dafür entstand in den Testgefäßen immer mehr Wasserstoffperoxid. „Ab 104 Grad gab es einen klaren Trend zu einer vermehrten Produktion von H₂O₂„, so das Team.

Nach einer Woche bei 104 Grad hatte Granit im Schnitt 0,7 Mikromol Peroxid pro Gramm produziert, Peridotit 3,44 und Basalt 1,13 Mikromol Peroxid pro Gramm. Das war deutlich mehr als in früheren Experimenten ermittelt.

Tektonisch aktive Zonen als geochemische „Hotspots“

Nach Ansicht der Forscher demonstriert dies, dass geochemische Reaktionen auf der Urerde mehr Wasserstoffperoxid und damit auch Sauerstoff freigesetzt haben könnten als bisher angenommen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass aus Reaktionen von zerbrochenem Silikat und heißem Wasser substanzielle Konzentrationen von H₂O₂ freigesetzt werden können – ohne dass dafür atmosphärischer Sauerstoff nötig ist“, schreiben Stone und seine Kollegen.

Ihren Berechnungen zufolge könnten diese Prozesse umgerechnet auf die gesamte Urerde bis zu 640 Millionen H₂O₂-Moleküle pro Quadratzentimeter erzeugt haben. Dies reichte aus, um in tektonisch aktiven Regionen wie Plattengrenzen, aktiven Verwerfungen oder Mittelozeanischen Rücken heiße sauerstoffreiche Oasen im Urozean zu bilden. Auch Vulkangebiete mit aufsteigendem Magma oder Krater von Meteoriteneinschlägen könnten durch diese Prozesse lokal mit Wasserstoffperoxid und Sauerstoff angereichert worden sein.

Sauerstoff-Oasen im Urmeer

Tatsächlich haben Wissenschaftler schon im Jahr 2018 Hinweise auf frühe Sauerstoff-Oasen der Urerde entdeckt: Die Sulfatablagerungen im südafrikanischen Pongolabecken müssen in Gegenwart von Sauerstoff entstanden sein. Stone und sein Team vermuten, dass solche Sauerstoff-Oasen für die ersten Lebensformen eine wichtige Rolle spielten. „Sie beeinflussten die Chemie und Mikrobiologie in den heißen, seismisch aktiven Regionen, wo das Leben vermutlich zuerst entstanden ist“, erklären sie.

Die neuen Erkenntnisse könnten damit auch das Rätsel um die Genausstattung des letzten gemeinsamen Vorfahren allen Lebens lösen. Denn wenn er sich in einer solchen Sauerstoff-Oase entwickelte, wären Gene für die Sauerstoffverarbeitung für ihn nützlich gewesen. Zwar ist noch strittig, wo genau sich die ersten Zellen entwickelten. Als eine sehr wahrscheinliche Lebenswiege gelten aber heiße, hydrothermale Schlote – und damit ein Umfeld, das tektonisch aktiv ist und in dem es reichlich heißes Wasser gibt.

Die verschiedenen heute noch in heißen Quellen lebenden Bakterien belegen, dass Lebensformen auch in kochendem Wasser überleben können. (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-32129-y)

Quelle: Newcastle University