Der Funke von einem Blitz, interstellarer Staub oder ein Unterwasservulkan könnte die Entstehung des ersten Lebens auf der Erde ausgelöst haben. Aber was geschah dann? Leben kann ohne Sauerstoff existieren, aber ohne große Mengen Stickstoff für den Aufbau von Genen, die für Viren, Bakterien und alle anderen Organismen unerlässlich sind, wäre das das Leben auf der frühen Erde rar gewesen.
Man vermutete, dass die Fähigkeit, atmosphärischen Stickstoff zu nutzen, um weiter verbreitetes Leben zu begünstigen, vor etwa zwei Milliarden Jahren entstand. Im Rahmen einer Forschungsarbeit der University of Washington (UW) wurden einige der ältesten Gesteine des Planeten untersucht, und sie präsentiert Belege dafür, dass das Leben bereits von 3,2 Milliarden Jahren Stickstoff aus der Atmosphäre zog und ihn in eine Form umwandelte, die größere Gemeinschaften unterstützen konnte.
“Man hatte immer die Theorie, dass sich die wirklich frühe Biosphäre nur leicht an diesem unbewohnbaren Planeten festgehalten hat und erst ab dem Auftauchen der Stickstofffixierung plötzlich groß, robust und vielfältig wurde”, sagte der Co-Autor Roger Buick, ein Professor für Erd- und Weltraumwissenschaften an der University of Washington. “Unsere Arbeit zeigt, dass es auf der frühen Erde keine Stickstoffkrise gab, und dass sie daher eine recht große und vielfältige Biosphäre unterstützt haben könnte.” Die Ergebnisse wurden am 16. Februar 2015 im Journal Nature veröffentlicht.
Die Autoren analysierten 52 Gesteinsproben aus Südafrika und dem Nordwesten Australiens, die zwischen 2,75 und 3,2 Milliarden Jahre alt sind. Dies sind einige der ältesten und am besten erhaltenen Gesteine auf dem Planeten. Sie entstanden aus Sedimenten, die an Kontinentalrändern abgelagert wurden – deshalb sind sie frei von chemischen Unregelmäßigkeiten, die in der Nähe eines Unterwasservulkans auftreten würden. Außerdem bildeten sie sich, bevor die Atmosphäre vor etwa 2,3-2,4 Milliarden Jahren Sauerstoff anreicherte. Infolgedessen bewahren sie chemische Hinweise, die in jüngeren Gesteinen nicht mehr vorhanden sind.
Sogar die ältesten Proben (3,2 Milliarden Jahre alt, das entspricht drei Vierteln der gesamten Erdgeschichte) zeigten chemische Belege dafür, dass das Leben Stickstoff aus der Luft zog. Das Verhältnis von schwereren zu leichteren Stickstoffisotopen stimmt mit dem Muster von stickstoffbindenden Enzymen in einzelligen Organismen überein und passt nicht zu irgendeiner chemischen Reaktion, die ohne Beteiligung von Leben stattfindet.
“Sich vorzustellen, dass dieser wirklich komplizierte Prozess so alt ist und seit 3,2 Milliarden Jahren auf die gleiche Art und Weise abläuft – ich denke, das ist faszinierend”, sagte die leitende Autorin Eva Stüeken, die die Arbeit als Teil ihrer Doktorarbeit an der University of Washington durchführte. “Es spricht dafür, dass diese komplexen Enzyme anscheinend sehr früh entstanden, also ist es für diese Enzyme möglicherweise nicht so schwer, sich zu entwickeln.” Genetische Analysen von stickstoffbindenden Enzymen haben ihren Ursprung auf eine Zeitspanne vor 1,5 bis 2,2 Milliarden Jahren datiert. “Dies sind schlüssige Belege, die ihn noch eine weitere Milliarde Jahre vordatiert”, sagte Buick.
Stickstofffixierung bedeutet das Aufbrechen einer schwachen Dreifachbindung, welche die Stickstoffatome in der Atmosphäre in Paaren zusammenhält, und die Einbindung eines einzelnen Stickstoffatoms in ein Molekül, das für lebende Dinge einfacher zu nutzen ist. Die chemische Signatur der Gesteine lässt darauf schließen, dass Stickstoff von molybdänbasierten Enzymen aufgespalten wurde. Das ist der häufigste der drei stickstofffixierenden Enzyme, die heute existieren. Molybdän ist jetzt reichlich vorhanden, weil Sauerstoff mit Gesteinen reagiert und es in die Ozeane wäscht. Aber seine Quelle auf der frühzeitlichen Erde, bevor die Atmosphäre Sauerstoff für die Verwitterung von Gesteinen enthielt, ist rätselhafter.
Die Autoren vermuten, dass dies ein weiterer Beleg dafür sein könnte, dass frühes Leben in Schichten von der Dicke einer Zelle auf dem Land existiert haben könnte, welches geringe Mengen Sauerstoff abgab. Der Sauerstoff wiederum reagierte mit dem Gestein, um Molybdän in das Wasser freizusetzen. “Wir werden nie direkte Beweise für Landschlamm finden, der eine Zelle dick ist, aber dies könnte uns indirekte Hinweise dafür liefern, dass das Land bewohnt war”, sagte Buick. “Mikroben könnten aus dem Ozean gespült worden sein und in einer Schleimschicht auf Gesteinen auf dem Land gelebt haben – sogar vor 3,2 Milliarden Jahren.”
Zukünftige Arbeiten werden untersuchen, was das Wachstum des Lebens auf der frühen Erde sonst noch begrenzt haben könnte. Stüeken hat eine von der NASA finanzierte Stelle als Postdoktorandin angetreten, in der sie Spurenmetalle wie Zink, Kupfer und Kobalt betrachtet, um zu sehen, ob eines von ihnen das Wachstum des frühzeitlichen Lebens kontrollierte.
Die anderen Co-Autoren sind Bradley Guy von der University of Johannesburg in Südafrika, der einige Gesteinsproben aus Goldminen zur Verfügung stellte, und der Student Matthew Koehler von der University of Washington. Die Forschungsarbeit wurde von der NASA, dem Virtual Planetary Laboratory der University of Washington, der Geological Society of America und dem Agouron Institute finanziert.
(THK)
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