Dienstag, 22. Oktober 2013

Viel Sauerstoff führt nicht zwangsläufig zur Entstehung komplexen Lebens


Rekonstruktion eines der ersten mehrzelligen Fossilien. | Copyright: CNRS Photothèque / EL ALBANI Abderrazak, MAZURIER Arnaud / Université de Poitiers

Odense (Dänemark) - Jedes Biologie-Lehrbuch erklärt uns, dass Sauerstoff eine Grundvoraussetzung für die Entstehung und Entwicklung von komplexem Leben war und ist. Doch warum führte ein nun nachgewiesener starker Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Erdatmosphäre vor rund 2,1 Milliarden Jahren nicht schon zu einer regelrechten Explosion neuer fortgeschrittener Lebensformen? Dieser Frage haben sich dänische, schwedische und französische Forscher gewidmet und festgestellt, dass der Sauerstoffgehalt vor 2,1 Milliarden Jahren tatsächlich in etwa dem glich der vorherrschte, als vor 500 Millionen Jahren das höhere Leben tatsächlich buchstäblich explodierte.

Während einige einfache Organismen wie Bakterien auch ohne Sauerstoff überleben können, gibt es auf der Erde keine höheren Lebensformen, die ohne ihn auskommen. Unsere Erde wäre also wahrscheinlich ein vergleichsweise trostloser Anblick, bestünde unsere Atmosphäre nicht zu 21 Prozent aus Sauerstoff. Nicht zuletzt ist Sauerstoff auch für die Hirnfunktionen von Tieren und Mensch unerlässlich.


Vor rund 542 Millionen Jahren explodierte das Leben auf der Erde - eine Periode, die aus diesem Grund auch als die "kambrische Explosion" bezeichnet wird und innerhalb derer der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre vergleichsweise plötzlich auf bis zu 10 Prozent anstieg. Zuvor gab es auf der Erde lediglich einzellige Lebensformen. Die Wissenschaft ging bislang davon aus, dass es vorher schlicht und einfach nicht genügend Sauerstoff gab, als dass sich das Leben zu größeren Wesen hätte entwickeln können.


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Das Forscherteam um Professor Donald Canfield und die Post-Doktorandin Emma Hammarlund von der Syddansk Universitet konnten nun jedoch gemeinsam mit französischen und schwedischen Kollegen zeigen, dass offenbar auch schon vor der kambrischen Explosion ausreichend Sauerstoff zur Verfügung stand. Ihre Ergebnisse haben die Forscher aktuell im Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1315570110) veröffentlicht.


"Wir haben Gestein untersucht, das zwischen 2,15 und 2,08 Milliarden Jahre alt ist. Anhand dieses Gesteins können wir nachweisen, dass es schon damals im tiefen Gewässer als auch in der Atmosphäre Sauerstoff gab. Zwar können wir nicht genau sagen, wie viel, aber es gab wahrscheinlich schon genügend Sauerstoff, damit schon damals komplexes Leben hätte entstehen können", erläutert Hammarlund.


Schon zuvor konnte das gleiche Forscherteam an dem selben Ort, von dem die nun analysierten Gesteinsproben stammen, die Existenz merkwürdiger Fossilien nachweisen können, von denen sie glauben, dass es sich um Lebensformen handelt, mit denen sozusagen das Leben selbst mehrzelliges Leben zunächst ausprobiert hatte (s. Abb. ...wir berichteten)


"Bei diesen Lebewesen handelte es sich um Formen, die in keinster Weise mit höherem Leben, wie wir es heute kennen, vergleichbar sind. Vielmehr waren es Mikroben, die damit experimentierten, sich zu Formen mehrzelligen Lebens zu entwickeln. Eigentlich war genügend Sauerstoff vorhanden, um dieses Experiment zu beginnen", so die Forscherin.


Eine Erklärung dafür, dass wir heute kaum mehr etwas von den Ergebnissen dieser Evolutions-Experimente kennen und wir heute keine Spuren mehr von möglichem damaligen höheren Leben finden, könnte in dem Umstand liegen, dass diese Lebensformen vor rund zwei Milliarden Jahren vielleicht keine Knochen oder Schalen entwickelt haben, die wir heute noch sehr einfach in Form von Fossilien finden könnten.


Fundstelle der zahlreichen Fossilien | Copyright: CNRS Photothèque / A. El Albani & A. Mazurier

"Derzeit vermuten wir aber, dass es damals einfach nicht zu größeren evolutionären Schritten gekommen ist", fügt Hammarlund hinzu. "Warum das so war, das können wir aber nicht sagen. Sauerstoff gab es aber auf jeden Fall genug.

Vielleicht, so spekulieren die Forscher weiter, "lag das Problem in der Genetik dieser Lebensformen. Oder diese Organismen haben nicht versucht, sich gegenseitig aufzufressen, so dass es einfach keinen Grund für ein evolutionäres Wettrennen gab? Es gibt noch eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die wir noch erkunden müssen."


Der Nachweis, dass auch schon vor zwei Milliarden Jahren schon größere Mengen an Sauerstoff vorhanden waren, trägt laut den Wissenschaftlern auch zu einem besseren Verständnis der Entwicklung der Erde selbst bei und zeigt, dass der Gehalt an atmosphärischem Sauerstoff starken Schwankungen unterlegen war.


Vor 250 bis 300 Millionen Jahren stieg der Sauerstoffgehalt auf bis zu 25 Prozent an und führte so u.a. zu Entstehung von gewaltigen Insekten. Zugleich erhöhte der hohe Sauerstoffgehalt aber auch das Risiko, dass Bäume Feuer fingen und es damals wohl sehr viele Waldbrände gab, wie sie heute noch anhand von Ascheschichten aus dieser Zeit nachgewiesen werden können.


Für Befürchtungen, dass der Sauerstoffgehalt eines Tages aber wieder auf Niedrigstwerte zurückfallen könnte, sieht Hammarlund keine Veranlassung: "Selbst wenn wir alles organische Material auf der Erde zugleich verrotten lassen würden, würde dieser Prozess nicht ausreichen, um allen atmosphärischen Sauerstoff aufzubrauchen. (...) Nur eine gewaltige Naturkatastrophe von außen könnte allen Sauerstoff aus der Atmosphäre entfernen. Ich kann mir derzeit aber nicht vorstellen, was diese Katastrophe sein könnte."


Während es vor zwei Milliarden Jahren also zu einem deutlichen Anstieg und danach immer wieder auch zu starken Schwankungen des Sauerstoffgehalts kam, sieht die Forscherin in absehbarer Zukunft keine Möglichkeit für derart starke Fluktuationen:


"Der Grund für die Schwankungen war damals, dass kohlenstoffhaltige Mikroorganismen auf den Grund der Ozean absanken, wo sie zu kohlenstoffhaltigem Gestein wurden. Das ermöglichte also, das Kohlenstoff im Meeresboden eingelagert wurde, statt in die Luft freigesetzt zu werden. Dadurch wurde auch weniger Sauerstoff benötigt, um mit dem Kohlenstoff zu reagieren. Somit konnte sich die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre erhöhen und der so angestiegene Sauerstoffgehalt konnte Gestein an Land angreifen und so daraus Nährstoffe wie Phosphor und Eisen lösen, die dann wiederum in die Ozeane gelangten und hier die Mikroorganismen ernährten. Das wiederum führte zur Entstehung von immer mehr Mikroorganismen im Wasser, die dann ebenfalls wieder auf den Meeresboden absanken, wodurch der Prozess von vorne begann. Nachdem so eine Zeit lang große Mengen an Kohlenstoff gebunden - dann aber in die Luft abgegeben wurden, gab es plötzlich wieder sozusagen einen erhöhten Bedarf an Sauerstoff, der mit dem freigesetzten Kohlenstoff reagierte, usw."


Heute und noch in absehbarer Zukunft sei so viel des planetaren Kohlenstoffs allerdings in festem Untergrundgestein eingelagert, dass es nicht mehr freigesetzt werden und mit Sauerstoff reagieren könne. "Lediglich eine Katastrophe unvorstellbaren Ausmaßes könnte den im festen Gestein eingelagerten Kohlenstoff befreien - etwa, wenn ein anderer planetarer Körper mit der Erde zusammenstoßen würde", so Hammarlund abschließend. Doch in einem solchen Fall bräuchten wir uns auch keine Sorgen mehr über schwankende Sauerstoffpegel zu machen.

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Quelle: sdu.dk
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