Die Abnahme der Drehgeschwindigkeit unseres Planeten könnte die Entwicklung des Lebens deutlich beeinflusst haben, berichten Forscher: Als die Tage länger wurden, konnten die Pioniere der Photosynthese mehr Sauerstoff freisetzen und dadurch die Erdatmosphäre mit dem Lebenselixier anreichern. Dies lassen Untersuchungsergebnisse von Gemeinschaften aus sauerstoffproduzierenden Cyanobakterien und schwefeloxidierenden Mikroben im Lake Huron vermuten, die vermutlich noch immer in ähnlicher Weise miteinander interagieren wie die Lebensformen der Urzeit.
Die Luft, die wir atmen, ist von dem Prozess der biologischen Energieerzeugung aus Sonnenlicht geprägt: Der Sauerstoff der Erde entstand und entsteht fast ausschließlich durch die Photosynthese. Als die Entwickler dieses Prozesses gelten dabei die Cyanobakterien. Ihre Spuren lassen sich bis auf die Zeit vor mehr als 2,4 Milliarden Jahren zurückverfolgen – eine Zeit, in der der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre deutlich zunahm. Anschließend dauerte es jedoch noch einmal rund 1,8 Milliarden Jahre, bis der Sauerstoffgehalt auf ähnlich hohe Werte stieg, wie wir sie heute kennen. „Noch ist nicht ganz klar, warum es so lange gedauert hat und was genau die Sauerstoffanreicherung auf der Erde steuerte“, sagt Judith Klatt vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen.
Wie sie und ihre Kollegen berichten, werfen nun Untersuchungsergebnisse einer archaisch wirkenden Mikrobengemeinschaft im sogenannten Middle Island Sinkhole im Lake Huron in Michigan Licht auf diese Frage. Die Mikroben leben dort in Matten auf dem Seegrund. Bei einem Teil der Bewohner handelt es sich um lilafarbene Cyanobakterien, die aus dem Sonnenlicht Energie gewinnen und dabei Sauerstoff produzieren. Sie sind mit weißen Bakterien vergesellschaftet, deren Lebensgrundlage der dort vorhandene Schwefel bildet. „Dieser Lebensraum gilt als ein Abbild der Bedingungen, die auch für viele Milliarden Jahre auf der Erde herrschten“, erklärt Co-Autor Bopi Biddanda von der Grand Valley State University.
Bakterienmatten mit Schichtwechsel
Wie die Forscher berichten, führen die beiden konkurrierenden Bakteriengruppen jeden Tag eine Art Tanz auf: In der Nacht schieben sich die schwefelfressenden Bakterien über die Cyanobakterien. Wenn dann morgens die Sonne aufgeht, rücken hingegen die Cyanobakterien an die Oberfläche der Matte. „Dort betreiben sie dann Photosynthese und produzieren Sauerstoff“, erklärt Klatt. „Allerdings dauert es ein paar Stunden, bis sie richtig loslegen“. In Anbetracht dieses Systems kam den Wissenschaftlern schließlich eine Idee: „Wir stellten uns die Frage: Könnte es sein, dass die Veränderung der Tageslänge die Photosynthese im Laufe der Erdgeschichte beeinflusst hat?“, sagt Co-Autor Brian Arbic University of Michigan in Ann Arbor.
Zum Hintergrund: Es ist bekannt, dass die Tage auf der Erde nicht immer 24 Stunden lang waren. „Als das Erde-Mond-System entstand, waren sie viel kürzer, vielleicht sogar nur sechs Stunden“, erklärt Arbic. Anschließend verlangsamte sich dann allerdings die Rotationsgeschwindigkeit der Erde – verursacht durch die Anziehungskraft des Mondes und die bremsende Wirkung der Gezeiten. Somit wurden auch die Tage länger. Dabei gibt es Hinweise darauf, dass diese Verlangsamung nicht immer gleichmäßig ablief, sondern von Schüben oder Verzögerungen aufgrund von Resonanzeffekten geprägt war. Wie die Forscher berichten, stießen sie auf Ähnlichkeiten im Muster der erdgeschichtlichen Spuren des Sauerstoffgehalts und der Entwicklung des Rotationsverhaltens unseres Planeten. „Mir wurde klar, dass die Tageslänge und die Produktion von Sauerstoff in mikrobiellen Matten durch ein sehr grundlegendes und fundamentales Konzept miteinander verbunden sein könnten: Sind die Tage kürzer, bleibt weniger Zeit, in der sich ein Gradient – ein Konzentrationsgefälle des Sauerstoffs – bilden kann. Dadurch kann auch weniger Sauerstoff aus den Matten entweichen“, so Klatts Vermutung.
Lange Tage ließen Sauerstoff blubbern
Um diese Hypothese zu untermauern, entwickelten die Forscher Modellsimulationen dazu, wie die Dynamik des Sonnenlichts mit der Freisetzung von Sauerstoff aus den Matten zusammenhängen könnte. „Intuitiv würde man meinen, dass zwei 12-Stunden-Tage den gleichen Effekt haben wie ein 24-Stunden-Tag. Denn die Sonne geht doppelt so schnell auf und unter, und die Sauerstoffproduktion folgt im Gleichschritt“, sagt Co-Autor Arjun Chennu vom Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung in Bremen. Doch wie er erklärt, tritt aus den Bakterienmatten durch die speziellen Prozesse bei kurzen Tagen tatsächlich weniger Sauerstoff aus. „Diese subtile Entkopplung der Sauerstofffreisetzung vom Sonnenlicht ist das Herzstück des nun präsentierten Mechanismus“, so Chennu.
Die Forscher fügten ihre Ergebnisse anschließend auch in globale Modelle der Entwicklung der irdischen Sauerstoffbedingungen ein. Dies verdeutlichte, dass die durch längere Tage erhöhte Sauerstofffreisetzung tatsächlich den weltweiten Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zum Ansteigen gebracht haben könnte. Es scheint somit möglich, dass die beiden großen Phasen der Sauerstoffanreicherung in der Erdgeschichte – das Große Oxigenierungsereignis vor mehr als zwei Milliarden Jahren und das spätere Neoproterozoische Oxigenierungsereignis vor etwa 600 Millionen Jahren mit den Mustern der Tagesverlängerung zusammenhingen. „Wir konnten letztlich Prozesse in mikrobiellen Matte mit dem Tanz unseres Planeten und seines Mondes in Verbindung bringen“, resümiert Chennu.
Quelle: Max-Planck-Gesellschaft, University of Mischigan, Fachartikel: Nature Geoscience, doi: 10.1038/s41561-021-00784-3
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