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Auf dem Grund eines zugefrorenen antarktischen Sees bildet eine dünne Schicht von Cyanobakterienmatten kleine Sauerstoffoasen, wie eine internationale Forschungsgruppe vermeldet. Dies ist die erste moderne Nachahmung in einer Umgebung, die der Erde vor 2.5 Milliarden Jahren ähnelt, bevor Sauerstoff in der Atmosphäre angereichert worden war. Die Entdeckung der Forschungsgruppe wurde vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift Geology  veröffentlicht.


Unter dem blauen Eis des Fryxell-Sees in der Antarktis liegen Mikrobenrasen, die im Sommer Sauerstofftaschen auf dem Seegrund bilden. Bild Joe Mastroianni, NSF
Unter dem blauen Eis des Fryxell-Sees in der Antarktis liegen Mikrobenrasen, die im Sommer Sauerstofftaschen auf dem Seegrund bilden. Bild Joe Mastroianni, NSF

Wo hat das Leben zuerst einen sauerstoffreichen Atemzug getan? Ein wichtiger Hinweis auf diese Frage wurde auf dem Grund eines antarktischen Sees gefunden. Dort herrschen Bedingungen, die denjenigen der Erde vor Milliarden von Jahren ähneln.

Das Leben hat sich vor rund 3.8 Milliarden im Archaikum gebildet, als noch kein Sauerstoff in der Atmosphäre zu finden war. Erst vor 2.4 Milliarden Jahren begann sich dieses Gas in der Atmosphäre anzusammeln, vielleicht sogar erst später. Diese Periode, bekannt als «Great Oxidation Event» ist eng mit der Evolution von Cyanobakterien verknüpft, die Sauerstoff durch Photosynthese bilden. Doch es besteht die Chance, dass sich Cyanobakterien vor diesem «Great Oxidation Event» entwickelt haben. In diesem Fall könnten kleine Ansammlungen dieser Mikroben sogenannt Sauerstoffoasen auf der frühen Erde gebildet haben. «Die Leute denken normalerweise an Sauerstoffoasen, die gross sind und im Meer liegen», meint Dawn Summer, von der UC Davis. Doch ihr Forschungsteam schlägt eine Alternative Sichtweise vor.

Cyanobakterien gelten als sehr urtümliche Lebewesen, die aber bei der Bildung der Sauerstoffmengen in der Atmosphäre eine massgebende Rolle gespielt haben könnten. Bild: Joydeep, Wikimedia
Cyanobakterien gelten als sehr urtümliche Lebewesen, die aber bei der Bildung der Sauerstoffmengen in der Atmosphäre eine massgebende Rolle gespielt haben könnten. Bild: Joydeep, Wikimedia

Wasser auf dem Grund des Fryxell-Sees, der in den Dry Valleys von McMurdo in der Ostantarktis liegt, enthält nur sehr wenig oder keinen freien Sauerstoff. Im Sommer jedoch beginnen mikrobielle Rasen mit Photosynthese und bilden so kleine Taschen mit freiem Sauerstoff, die nur wenige Millimeter dick sind. Ähnliche Sauerstofftaschen könnten sich in der frühen Erdgeschichte auch um Matten von Mikroben geformt haben. Also sollte man vielleicht für Anzeichen von solchen frühen Sauerstoffoasen in altem Gestein an Land suchen statt im Meer, erklärt Summer weiter. «Die meisten Geologen haben nicht in den Ablagerungen von Seen nachgeschaut. Doch dies könnten die Orte sein, die am besten die Anzeichen von früher Sauerstoffansammlung zeigen.» Summer und ihre Kollegen haben das Leben in den eisbedeckten Seen seit mehreren Jahren untersucht. Die Mikroorganismen, die unter diesen harschen und abgelegenen Umgebungen leben, sind wahrscheinlich ähnlich wie die ersten Lebensformen der frühen Erdgeschichte, und vielleicht auch wie auch auf anderen Planeten.

Der Fryxellsee wurde von der Terra-Nova-Expedition (1910 bis 1913) unter Sir Robert Falcon Scott entdeckt und kartographiert.
Der Fryxellsee wurde von der Terra-Nova-Expedition (1910 bis 1913) unter Sir Robert Falcon Scott entdeckt und kartographiert.

Die Entdeckung geschah etwas „zufällig“, erklärt Summer. Ian Hawes von der Universität Canterbury in Neuseeland und Tyler Mackey, ein Diplomant, der mit Dawn Summer arbeitet, halfen einem anderen Forschungsteam beim Tauchen im Fryxell-See. «Die Seen der Dry Valleys enthalten normalerweise Sauerstoff in ihren oberen Schichten und sind sauerstoffärmer in den tieferen Schichten. Der Fryxell-See ist in dieser Hinsicht aussergewöhnlich indem er bereits sauerstoffarm in den lichtdurchfluteten Zonen ist. Während ihrer Tauchgänge in den sauerstofflosen Bereich im See, entdeckten Hawes und Mackey hellgrüne Bakterienrasen, die aussahen, als ob sie Photosynthese betrieben. Sie machten Messungen und fanden eine dünne, nur wenige Millimeter dicke Schicht von Sauerstoff, der von den Bakterien gebildet worden war. Etwas Ähnliches ist vielleicht vor Milliarden von Jahren auch geschehen», sagt Dawn Summer. «Die Idee war bisher, dass die Seen und Flüsse einst anoxisch (sauerstofflos) waren. Doch es war Licht verfügbar und Sauerstoff konnte sich in den Rasen ansammeln.»

Bei den Tauchgängen am See haben zwei Forscher in einer Umgebung, die wie die Erde vor 2.5 Milliarden Jahren ist, Sauerstoffoasen gefunden. Bild: Tyler Mackey, UC Davis
Bei den Tauchgängen am See haben zwei Forscher in einer Umgebung, die wie die Erde vor 2.5 Milliarden Jahren ist, Sauerstoffoasen gefunden. Bild: Tyler Mackey, UC Davis

Die Wissenschaftler möchten nun mehr über die chemischen Reaktionen herausfinden, die zwischen den Sauerstoffoasen und dem anoxischen Wasser darüber und dem Sediment darunter stattfinden. Wird der Sauerstoff absorbiert? Welche Reaktionen finden zwischen den Mineralien im Wasser und dem Sauerstoff statt. Durch dieses Wissen könnten chemische Signaturen, die in Gesteinen eingeschlossen sind, entdeckt werden. Mit diesen Signaturen könnten Forscher nach ähnlichen Anzeichen in Gesteinen suchen, bevorzugterweise in alten Seebetten und könnten so Spuren von Sauerstoff finden, der noch vor dem „Great Oxidation Event“ gebildet worden war.

Seen wie der Fryxell-See könnten auch noch aus anderen Gründen nützlich sein, erklärt Summe weiter. Sauerstoff ist essentiell für unser Überleben heute. Doch als es zum ersten Mal auftrat, war es noch toxisch für die meisten Lebensformen damals. Daher könnten die Seen Orte adaptiver Evolution sein, wo Organismen eine Toleranz für Sauerstoff entwickelt haben, sagt Summer. Dies soll in der nächsten Zukunft erforscht werden.

Quelle: Colin Barras, New Scientist und Andy Fell, Egghead – About research at UC Davis