Dennis L.
Vor dem dauerhaften O2-Anstieg stand die Erde offenbar vor einem chemischen Flaschenhals. Ein Forschungsteam hat eisenreiche Urozeane im Labor nachgebildet und dabei Zellwachstum, Oxidationsprozesse und Konzentrationen bis 5000 Mikromol Fe(II) pro Liter verfolgt. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie frühe Mikroben unter stark oxidativem Stress überhaupt großflächig überleben konnten. Die Antwort entscheidet darüber, wann lokale Sauerstoffoasen zu einem planetaren Wandel wurden.
Molekularer Sauerstoff ist heute einer der prägenden Bestandteile der Erdatmosphäre und für die energieeffiziente Atmung komplexer Organismen unverzichtbar. In der frühen Erdgeschichte war das anders. Während des Archaikums und im Übergang zum Paläoproterozoikum blieb die Atmosphäre über lange Zeit nahezu frei von freiem O2, obwohl Mikroben vermutlich schon deutlich früher begonnen hatten, diesen Stoff bei der Photosynthese zu erzeugen. Genau aus dieser zeitlichen Lücke entstand eines der großen geobiologischen Probleme der Erdgeschichte: Warum führte die biologische Produktion nicht sofort zu einer dauerhaften Anreicherung in Luft und Ozeanen? Im Rückblick markiert die Große Sauerstoffkatastrophe den Punkt, an dem sich diese Lage grundlegend änderte. Wer verstehen will, wie Sauerstoff zu einem global wirksamen Faktor wurde, muss deshalb nicht nur auf die Mikroben selbst schauen, sondern auch auf Meerwasserchemie, Spurenelemente, Lichtverhältnisse und Transportprozesse im Ozean.
Im Zentrum dieser Debatte stehen Cyanobakterien, also Mikroorganismen, die Wasser als Elektronendonor nutzen und dabei O2 als Nebenprodukt freisetzen. Ihr Stoffwechsel gilt als frühe Form der oxygenen Photosynthese, die langfristig den Charakter des Planeten veränderte. Dennoch lief dieser Wandel offenbar nicht gleichmäßig ab. Frühere Arbeiten legten nahe, dass sich zunächst nur lokale Sauerstoffoasen bildeten, in denen gelöster Sauerstoff im Bereich von wenigen bis einigen Dutzend Mikromol pro Liter lag. Gleichzeitig enthielten viele Urozeane große Mengen zweiwertigen Eisens, das frisch produzierten Sauerstoff chemisch abfangen konnte. Aus dieser Reaktion entstehen zudem aggressive Zwischenprodukte, die Zellen schädigen. Deshalb geht es in der aktuellen Forschung nicht nur um die Frage, wann Mikroben Sauerstoff erzeugten, sondern auch darum, unter welchen Umweltbedingungen sie in eisenreichen Flachmeeren überhaupt dauerhaft wachsen, sich ausbreiten und die Chemie ganzer Meeresregionen beeinflussen konnten.
Aus geochemischer Sicht reichte es nicht aus, dass Cyanobakterien Sauerstoff produzierten. In ferruginen Ozeanen traf das Gas unmittelbar auf gelöstes Fe(II), also zweiwertiges Eisen, das damals in Konzentrationen von Zehntelmillimol bis über 1 Millimol pro Liter vorliegen konnte. Dabei wurde ein Teil des Eisens oxidiert, doch es entstanden auch reaktive Sauerstoffspezies wie Superoxid, Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale. Solche Zwischenprodukte greifen Membranen, Proteine und Pigmente an und bremsen damit genau jene Mikroben aus, die den Sauerstoff erzeugen. Das Problem war also doppelt: Das Eisen wirkte als chemische Senke für O2 und erhöhte zugleich den physiologischen Stress. Wie die Forschungsseite der Universität Tübingen beschreibt, erklärt genau dieses Spannungsfeld, warum die dauerhafte Oxygenierung der Ozeane und später der Erdatmosphäre trotz früher biologischer O2-Produktion lange ausblieb.
Um diesen Widerspruch experimentell zu prüfen, kultivierte das Team Synechococcus sp. PCC 7002 unter anoxischen Startbedingungen in Medien mit 0,5 bis 5,0 Millimol Fe(II) pro Liter sowie mit und ohne zusätzliches Silikat. Analysiert wurden Zellzahlen, gelöster Sauerstoff, Gesamt- und Fe(II)-Konzentrationen sowie Fluoreszenzsignale als Näherung für oxidative Belastung. Entscheidend war, dass die Versuche nicht nur unter Dauerlicht liefen. Die Autoren setzten auch einen realistischeren Tag-Nacht-Zyklus ein, um Bedingungen in flachen Archean-Meeren besser abzubilden. In der Fachpublikation von 2026 berichten sie über Fe(II)-Ansätze von 500, 2500 und 5000 Mikromol pro Liter sowie über hohe Silikatwerte von 2200 Mikromol pro Liter. Zusätzlich kombinierten sie die Messdaten mit Modellrechnungen, um abzuschätzen, wie sich O2 und Eisen in einer Wassersäule bei verschiedenen Auftriebsraten verteilen könnten.
Die Resultate deuten darauf hin, dass nicht allein die Eisenmenge zählt, sondern die chemische Umgebung. Oberhalb von 500 Mikromol Fe(II) pro Liter nahm die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies zu. Wenn jedoch Silikat in für den frühen Ozean plausiblen Konzentrationen vorhanden war, sank diese Belastung deutlich. Das passt zu der Annahme, dass Silikat Fe(II) teilweise in weniger reaktive Komplexe oder Aggregate einbindet und so Fenton-artige Reaktionen abschwächt. Gleichzeitig förderte ein Tag-Nacht-Zyklus das System zusätzlich, weil unter wechselnder Beleuchtung weniger oxidative Belastung auftrat als unter Dauerlicht. Besonders aufschlussreich ist der Langzeitvergleich bei 5000 Mikromol Fe(II) pro Liter: Mit Silikat erreichten die Kulturen nach 150 Tagen etwa 2 × 10^8 Zellen pro Milliliter, ohne Silikat nur etwa 5 × 10^7. Für Bakterien in solchen Milieus war die Meerwasserchemie damit nicht bloß Hintergrund, sondern eine direkte ökologische Steuergröße.
Die Bedeutung der Laborergebnisse endet nicht bei einzelnen Kulturen. Aus den gemessenen Produktions- und Oxidationsraten leitete das Team Modelle für die obere Wassersäule ab. Bei einem moderaten Auftrieb von 4 Metern pro Jahr ergaben sich in 50 bis 100 Metern Tiefe O2-Konzentrationen von mindestens 400 Mikromol pro Liter, genug für eine weitgehende Oxidation der photischen Zone und potenzielles Ausgasen in Richtung Atmosphäre. Bei deutlich schnellerem Auftrieb von 95 oder 473 Metern pro Jahr blieb der Effekt kleiner, weil eisenreiches Tiefenwasser die Oberfläche schneller nachlieferte. Dennoch verschiebt die Studie den Rahmen der Debatte. Sie legt nahe, dass Cyanobakterien in geeigneten Küstenbereichen schon vor der Großen Sauerstoffkatastrophe größere Sauerstoffoasen erzeugen konnten als lange vermutet. Als geologisches Archiv solcher Prozesse gelten gebänderte Eisenerze, deren abwechselnde Eisen- und Siliziumlagen Hinweise auf die Kopplung von Biologie, Ozeanchemie und Erdatmosphäre bewahren.
Nature Communications, Survival of cyanobacteria and mitigation of Fe(II) toxicity effects in a silica-rich Archean ocean; doi:10.1038/s41467-026-69826-x
