In den ersten 2 Milliarden Jahren der Erdgeschichte gab es kaum Sauerstoff in der Luft. Während einige Mikroben gegen Ende dieses Zeitraums Photosynthese betrieben, hatte sich Sauerstoff noch nicht auf einem Niveau angesammelt, das die globale Biosphäre beeinträchtigen würde.
Aber irgendwo vor etwa 2,3 Milliarden Jahren verschob sich dieses stabile, sauerstoffarme Gleichgewicht, und Sauerstoff begann sich in der Atmosphäre anzusammeln und schließlich das lebenserhaltende Niveau zu erreichen, das wir heute atmen. Diese schnelle Infusion ist als Great Oxygenation Event oder GOE bekannt. Was das Ereignis ausgelöst und den Planeten aus seinem sauerstoffarmen Funk herausgeholt hat, ist eines der großen Mysterien der Wissenschaft.
Eine neue Hypothese, die von MIT-Wissenschaftlern vorgeschlagen wurde, legt nahe, dass sich Sauerstoff dank Wechselwirkungen zwischen bestimmten Meeresmikroben und Mineralien in Ozeansedimenten schließlich in der Atmosphäre ansammelte. Diese Wechselwirkungen trugen dazu bei, den Sauerstoffverbrauch zu verhindern, und lösten einen sich selbst verstärkenden Prozess aus, bei dem immer mehr Sauerstoff zur Ansammlung in der Atmosphäre verfügbar gemacht wurde.
Die Wissenschaftler haben ihre Hypothese mithilfe mathematischer und evolutionärer Analysen dargelegt, die zeigen, dass es tatsächlich Mikroben gab, die vor der GOE existierten und die Fähigkeit entwickelten, mit Sedimenten auf die von den Forschern vorgeschlagene Weise zu interagieren.
Ihre Studie, erscheinen in Naturkommunikationist das erste, das die Koevolution von Mikroben und Mineralien mit der Sauerstoffversorgung der Erde in Verbindung bringt.
„Die wahrscheinlich wichtigste biogeochemische Veränderung in der Geschichte des Planeten war die Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre“, sagt Studienautor Daniel Rothman, Professor für Geophysik am Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences (EAPS) des MIT. „Wir zeigen, wie die Wechselwirkungen von Mikroben, Mineralien und der geochemischen Umgebung zusammenwirken, um den Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre zu erhöhen.“
Zu den Co-Autoren der Studie gehören Hauptautor Haitao Shang, ein ehemaliger Student im Aufbaustudium am MIT, und Gregory Fournier, außerordentlicher Professor für Geobiologie an der EAPS.
Ein Schritt nach oben
Der heutige Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre ist ein stabiles Gleichgewicht zwischen Prozessen, die Sauerstoff produzieren, und solchen, die ihn verbrauchen. Vor der GOE hielt die Atmosphäre eine andere Art von Gleichgewicht aufrecht, mit Erzeugern und Verbrauchern von Sauerstoff im Gleichgewicht, aber auf eine Weise, die nicht viel zusätzlichen Sauerstoff für die Atmosphäre hinterließ.
Was könnte den Planeten aus einem stabilen, sauerstoffarmen Zustand in einen anderen stabilen, sauerstoffreichen Zustand getrieben haben?
„Wenn Sie sich die Erdgeschichte ansehen, scheint es zwei Sprünge zu geben, bei denen Sie von einem stabilen Zustand mit niedrigem Sauerstoffgehalt zu einem stabilen Zustand mit viel mehr Sauerstoff gelangt sind, einmal im Paläoproterozoikum, einmal im Neoproterozoikum“, bemerkt Fournier. „Diese Sprünge können nicht auf eine allmähliche Zunahme des Sauerstoffüberschusses zurückzuführen sein. Es muss eine Rückkopplungsschleife gegeben haben, die diese sprunghafte Änderung der Stabilität verursacht hat.“
Er und seine Kollegen fragten sich, ob eine so positive Rückkopplungsschleife von einem Prozess im Ozean stammen könnte, der einen Teil des organischen Kohlenstoffs für seine Verbraucher unzugänglich machte. Organischer Kohlenstoff wird hauptsächlich durch Oxidation verbraucht, normalerweise begleitet von Sauerstoffverbrauch – ein Prozess, bei dem Mikroben im Ozean Sauerstoff verwenden, um organisches Material wie Detritus abzubauen, der sich in Sedimenten abgelagert hat. Das Team fragte sich: Könnte es einen Prozess gegeben haben, durch den das Vorhandensein von Sauerstoff seine weitere Ansammlung stimuliert hat?
Shang und Rothman arbeiteten ein mathematisches Modell aus, das die folgende Vorhersage machte: Wenn Mikroben die Fähigkeit besäßen, organische Materie nur teilweise zu oxidieren, würde die teilweise oxidierte Materie oder „POOM“ effektiv „klebrig“ werden und sich chemisch an Mineralien binden sich so absetzen, dass das Material vor weiterer Oxidation geschützt wird. Der Sauerstoff, der andernfalls verbraucht worden wäre, um das Material vollständig abzubauen, würde sich stattdessen frei in der Atmosphäre ansammeln. Sie fanden heraus, dass dieser Prozess als positives Feedback dienen könnte, indem er eine natürliche Pumpe liefert, um die Atmosphäre in ein neues, sauerstoffreiches Gleichgewicht zu bringen.
„Das hat uns zu der Frage veranlasst, ob es da draußen einen mikrobiellen Stoffwechsel gibt, der POOM produziert hat?“ sagt Fourier.
In den Genen
Um dies zu beantworten, durchsuchte das Team die wissenschaftliche Literatur und identifizierte eine Gruppe von Mikroben, die organisches Material heute in der Tiefsee teilweise oxidiert. Diese Mikroben gehören zur Bakteriengruppe SAR202, und ihre partielle Oxidation wird durch ein Enzym, die Baeyer-Villiger-Monooxygenase oder BVMO, durchgeführt.
Das Team führte eine phylogenetische Analyse durch, um zu sehen, wie weit die Mikrobe und das Gen für das Enzym zurückverfolgt werden können. Sie fanden heraus, dass die Bakterien tatsächlich Vorfahren hatten, die vor der GOE zurückreichten, und dass das Gen für das Enzym über verschiedene mikrobielle Arten bis in die Zeit vor der GOE zurückverfolgt werden konnte.
Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die Diversifizierung des Gens oder die Anzahl der Arten, die das Gen erworben haben, in Zeiten, in denen die Atmosphäre Sauerstoffspitzen aufwies, erheblich zunahm, darunter einmal während des Paläoproterozoikums der GOE und erneut im Neoproterozoikum.
„Wir fanden einige zeitliche Korrelationen zwischen der Diversifizierung der POOM-produzierenden Gene und dem Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre“, sagt Shang. „Das unterstützt unsere allgemeine Theorie.“
Um diese Hypothese zu bestätigen, sind weitaus mehr Nachverfolgungen erforderlich, von Experimenten im Labor bis hin zu Feldstudien und allem dazwischen. Mit ihrer neuen Studie hat das Team einen neuen Verdächtigen in den uralten Fall dessen eingebracht, was die Erdatmosphäre mit Sauerstoff angereichert hat.
„Eine neuartige Methode vorzuschlagen und Beweise für ihre Plausibilität zu erbringen, ist der erste, aber wichtige Schritt“, sagt Fournier. „Wir haben dies als eine Theorie identifiziert, die es wert ist, studiert zu werden.“
Oxidativer Stoffwechsel katalysiert die Sauerstoffversorgung der Erde, Naturkommunikation (2022).