Was verzögerte die Sauerstoffversorgung der Erde?

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Die Photosynthese, die eine riesige Biosphäre auf der Erde antreibt, ist die lichtinduzierte Reaktion, die Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff umwandelt. Vor etwa 2,3 Milliarden Jahren führte diese Reaktion zu einer dramatischen Sauerstoffanreicherung der Erdatmosphäre. Warum erfolgte die Oxygenierung der Atmosphäre so viel später als die Entwicklung der Sauerstoff freisetzenden Photosynthese?

Es gibt Hinweise darauf, dass sich die sauerstoffabgebende Photosynthese viel früher entwickelt – vielleicht schon vor 3 Milliarden Jahren. Die sauerstoffreiche Atmosphäre, die wir heute als selbstverständlich betrachten, existiert jedoch nur seit etwa 10% der 4,5 Milliarden Jahre alten Erdgeschichte.

“Die markante Zeitverzögerung ist ein dauerhaftes Rätsel in den Bereichen der Erd- und Planetenforschung geblieben”.

sagt Christopher Reinhard, Assistant Professor an der School of Earth and Atmospheric Sciences (EAS).

Reinhard, der ehemalige EAS-Postdoc Kazumi Ozaki, und Mitarbeiter haben nun eine Lösung für das Rätsel vorgeschlagen. Ihre Ergebnisse, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass in den Ozeanen der frühen Erde sauerstoffabgebende Photosynthesizer nicht effektiv mit ihren primitiven Kollegen konkurrieren konnten.

Moderne Photosynthesizer verbrauchen Wasser und setzen Sauerstoff frei. Primitive verbrauchen stattdessen gelöste Eisenionen – die in den Ozeanen der frühen Erde reichlich vorhanden gewesen sein dürften. Sie produzieren Rost als Nebenprodukt anstelle von Sauerstoff.

Mit Hilfe experimenteller Mikrobiologie, Genomik und groß angelegter biogeochemischer Modellierung “fanden wir heraus, dass photosynthetische Bakterien, die Eisen anstelle von Wasser verwenden, heftige Konkurrenten um Licht und Nährstoffe sind”, sagt Ozaki, der Erstautor der Studie und heute Assistenzprofessor am Department of Environmental Science der Toho University in Japan.

“Wir schlagen vor, dass ihre Fähigkeit, sauerstoffproduzierende Fotosynthesbetreibene zu übertreffen, ein wichtiger Bestandteil des globalen Sauerstoffkreislaufs der Erde ist.”

Die Studie ist Teil von Reinhards Forschungsziel zu verstehen, wie die Evolution der photosynthetischen Biosphäre die Zusammensetzung der Erdatmosphäre beeinflusst.

“Wir wollen den Zeitpunkt der großen biologischen Innovationen und ihre Auswirkungen auf die Chemie der Ozeane und der Atmosphäre der Erde verstehen. Wir betrachten diese Prinzipien als zentral für das Verständnis unserer eigenen evolutionären Ursprünge und die Suche nach Leben jenseits unseres Sonnensystems.”

“Unsere Ergebnisse tragen zu einem tieferen Verständnis der biologischen Faktoren bei, die die langfristige Entwicklung der Erdatmosphäre beeinflussen”, sagt Ozaki. “Sie bieten ein besseres mechanistisches Verständnis der Faktoren, die die Sauerstoffversorgung der Atmosphäre erdähnlicher Planeten außerhalb unseres Sonnensystems fördern.”

Die Ergebnisse “ergeben einen völlig neuen Vorteil, um theoretische Modelle des biogeochemischen Sauerstoffkreislaufs der Erde zu erstellen”, ergänzt Reinhard.


Veröffentlichung: Kazumi Ozaki et al. Anoxygenic photosynthesis and the delayed oxygenation of Earth’s atmosphere, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10872-z

Quelle: off. Pm des Georgia Institute of Technology


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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