Ein internationales Forschungsteam, darunter Forscher der University of St. Andrews, der Syracuse University und des Royal Holloway College der University of London, haben eine neue Nahrungsquelle für das frühe Leben auf dem Planeten gefunden.
Das Leben auf der Erde stützt sich auf die Verfügbarkeit entscheidender Elemente wie Stickstoff und Phosphor. Diese Nährstoffelemente sind bei allem Leben allgegenwärtig, weil sie für die Bildung von DNA (den Bauplänen des Lebens) und Proteinen (der Maschinerie) erforderlich sind. Ursprünglich werden sie aus Gestein und der Atmosphäre gezogen. Infolge der signifikanten Veränderungen in der Chemie der irdischen Oberflächenumgebungen kam es über geologische Zeiträume hinweg zu Schwankungen ihrer Verfügbarkeit für das Leben auf der Erde.
Die Forschungsarbeit, veröffentlicht im Journal Nature Geoscience, offenbart, wie die Versorgung dieser Elemente das Wachstum der sauerstoffreichen Erdatmosphäre direkt beeinflusste und wie sie der Schlüssel zur Entwicklung des frühen Lebens auf der Erde wurde.
Der dramatischste Wandel in der Erdgeschichte folgte der Entwicklung der Photosynthese, die den Planeten grundlegend veränderte, indem sie der Biosphäre eine Kohlenstoffquelle und der Atmosphäre eine Sauerstoffquelle zur Verfügung stellte. Letzteres gipfelte in der Großen Sauerstoffkatastrophe vor etwa 2,3 Milliarden Jahren.
Trotz der immensen Bedeutung der Nährstoffe für das Leben ist die Verfügbarkeit von Stickstoff und Phosphor in den Ozeanen vor der Großen Sauerstoffkatastrophe nicht gut verstanden. Insbesondere ist unklar, wie die Versorgung mit diesen Elementen die planetare Sauerstoffanreicherung steuerte und/oder darauf reagierte.
Mit außergewöhnlich gut erhaltenen Gesteinsproben, die mit frühen Belegen für die Sauerstoffphotosynthese vor 2,7 Milliarden Jahren in Zusammenhang gebracht wurden, untersuchte das Team den frühen Stickstoffkreislauf der Erde, um Wechselwirkungen mit den ersten Stadien der planetaren Sauerstoffanreicherung abzuleiten.
“Aus dieser Zeitperiode sind nur wenige Gesteine erhalten, welche für die von uns durchgeführten Analysen geeignet sind. Die meisten Gesteine dieses Alters wurden während 2,7 Milliarden Jahren tektonischer Aktivitäten deformiert und erhitzt, was die ursprünglichen Signaturen des Lebens verschleierte”, sagte Christopher Junium, außerordentlicher Professor für Geowissenschaften am College of Arts and Sciences der Syracuse University.
Die Gesteinsproben zeigten den ersten direkten Beleg für den Aufbau eines großen Ammoniumreservoirs in den Ozeanen vor der Großen Sauerstoffkatastrophe. Dieses Ammonium wäre eine üppige Stickstoffquelle gewesen, um die frühe Biosphäre und die damit einhergehende Sauerstoffproduktion zu versorgen.
Die Leiterin des Teams, Aubrey Zerkle von der School of Earth and Environmental Sciences an der University of St Andrews, sagte: “Heute betrachten wir Ammonium als den unangenehmen Geruch in unseren Reinigungsmitteln, aber für die ersten sauerstoffproduzierenden Organismen hätte es als All-you-can-eat-Buffet gedient – eine deutliche Verbesserung gegenüber den Abfällen, auf die sie früher in der Erdgeschichte angewiesen waren.”
Die neuen Ergebnisse helfen Wissenschaftlern nicht nur dabei, die Rolle des Stockstoffkreislaufs bei der globalen Sauerstoffanreicherung besser zu verstehen, sondern liefern auch einen Zusammenhang für andere Nährstoffwechselwirkungen in der frühen planetaren Entwicklung.
“Es wird klarer, dass das Spiel der begrenzten Nährstoffe hin- und herkippte, während sich das Leben in der Erdgeschichte entwickelte und sich die Bedingungen geändert hatten”, sagte Junium.
Überraschenderweise tauchten die Belege für eine deutliche Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre erst 400 Millionen Jahre später auf. Das bedeutet, dass ein anderer Nährstoff wie etwa Phosphor wichtig für die Entwicklungsgeschwindigkeit gewesen sein muss.
Diese Studie wurde vom Natural Environment Research Council (Standard Grant NE/M001156/1) und von der U.S. National Science Foundation (EAR-1455258) unterstützt.
(THK)
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