Fixierte Vergangenheit

News: Fixierte Vergangenheit

Stickstoff ist zwar weit verbreitet, aber nur wenige Bakterien können ihn für die restliche Lebewelt verfügbar machen. Ein zweiter Prozess - die Bildung von Stickstoffmonoxid durch Blitze, woraus dann verwertbare Stickstoffverbindungen entstehen - steht heute nur noch an zweiter Stelle. Vor Milliarden von Jahren jedoch hatte er keine Konkurrenz. Erst als durch sinkende Kohlendioxidgehalte, welches den nötigen Sauerstoff in der frühen Atmosphäre lieferte, auch die abiotische Stickstoffbindung rapide zurückging, blieb den Organismen wohl nichts anderes mehr übrig: Sie entwickelten die biologische Stickstofffixierung.

Antje Findeklee

Sie gehört zu den wichtigsten Erfindungen der Evolution: die biologische Stickstofffixierung. Denn das Element ist lebensnotwendig – es gibt kaum ein wichtiges Molekül in den Zellen von Tieren, Pflanzen, Bakterien und Pilzen, in dem nicht wenigstens ein Atom davon sitzt. Nur leider liegt es vorwiegend als N₂ vor, das nur wenige Bakterien verwerten und damit für die restliche Lebewelt verfügbar machen können. Die Fixierung ist zudem reichlich kostspielig, weshalb sich die Frage stellt, warum sie überhaupt entstand.

Denn schließlich gibt es auch einen abiotischen Prozess, der Stickstoff in eine brauchbare Form überführt: Blitze können die Gasmoleküle spalten, woraufhin sie mit Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid reagieren. In unserer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bildet sich daraus Stickstoffdioxid beziehungsweise wird es als Nitrat im Meereswasser gelöst. Jährlich entstehen so 10¹² bis 10¹³ Gramm verfügbarer Stickstoff – viel weniger jedoch als durch die Stickstofffixierung, die mindestens 2 x 10¹³ Gramm N pro Jahr einbringt.

Doch früher war alles anders. Rafael Navarro-González von der Universidad Autónoma de México und seine Kollegen untersuchten den Beitrag von Blitz-generiertem Stickstoff im Zeitalter des Hadeums (4,5 bis 3,8 Milliarden Jahre vor heute) und des Archaikums (3,8 bis 2,5 Milliarden Jahre vor heute). Damals enthielt die Atmosphäre noch keinen freien Sauerstoff, und das Leben an sich wagte gerade die ersten Atemzüge. Die Forscher simulierten eine Ur-Atmosphäre aus veränderlichen Anteilen von Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf, in der sie mit Laserblitzen das Wettergeschehen nachbildeten. Der Kohlendioxidgehalt war nach Ansicht der Forscher damals sehr hoch, da durch einschlagende extraterrestrische Brocken aus CO schließlich CO₂ entstand, das aber kaum verbraucht wurde, da die CO₂-bindende Verwitterung der Kontinente noch keine große Rolle spielte.

Und dieses Kohlendioxid diente zusammen mit Wasserdampf als Sauerstoffspender für die abiotische Stickstofffixierung. In den anaeroben Ozeanen würden sich daraus Lachgas (N₂O) sowie Nitrit und Nitrat bilden, welche die frühen Organismen nutzen konnten. Die Wissenschaftler errechneten aus ihren Ergebnissen einen Beitrag von 3 x 10¹¹ Gramm Stickstoff pro Jahr.

Doch dann kam die Katastrophe: Während des Archaikums fielen die Kohlendioxid-Konzentrationen. Zum einen gewann die Verwitterung zunehmend an Bedeutung, womöglich auch noch angeheizt durch einen wachsenden Methangehalt, der die Temperaturen steigen ließ. Zum anderen gingen die Meteoriten-Einschläge und damit die Neubildung von CO₂ zurück. Und damit sank auch die abiotische Stickstofffixierung um zwei Größenordnungen – eine Krise für das junge Leben.

Vielleicht bestand das Problem nur für eine – geologisch gesehen – kurze Zeit, womöglich weniger als 100 Millionen Jahre. Doch könnte diese Epoche schon ausgereicht haben, dass die Lebewelt die Aufgabe nun selbst in die Hand nahm und die biologische Stickstofffixierung entwickelte. Andere Untersuchungen unterstützen diese Annahme, denn sie deuten darauf hin, dass die dafür verantwortliche Nitrogenase ein recht altes Enzym ist.

Doch ist dieser Weg nicht die einzige Möglichkeit. So weisen James Kasting von der Pennsylvania State University und Janet Siefert von der Rice University unter anderem darauf hin, dass die Stickstofffixierung auch auf anderem Wege ablaufen könnte, nämlich indem über photochemische Prozesse Cyanwasserstoff entsteht, aus dem sich in Wasser Ammonium bildet. Cyanwasserstoff ist für Zellen jedoch giftig, sodass der Vorläufer der Nitrogenase womöglich ein Enzym war, welches das Molekül unschädlich machte. In beiden Fällen waren die sich verändernden Umweltbedingungen dafür verantwortlich, dass die Organismen neue Wege beschritten.