Proterozoikum: Giftiger Wegbereiter
Als einige Extremisten vor rund 2,3 Milliarden Jahren begannen, ihre Umgebung mit Sauerstoff einzunebeln, waren ihre Zeitgenossen womöglich schon bestens vorbereitet. Ausgerechnet das giftige Wasserstoffperoxid könnte sie zu noch früheren, eisigen Zeiten geschult haben.
© Richard Zinken (Ausschnitt)
Die winterliche Flucht in den sonnigen Süden war für das junge Leben auf unserem Planeten reine Utopie. Und zwar nicht wegen irgendwelcher Transportprobleme, sondern weil vor zwei bis drei Milliarden Jahren schlicht auch am Äquator wenig kuschlige Temperaturen von weit unter dem Gefrierpunkt herrschten. Globaler Winter hatte die Erde überzogen, in mehreren Phasen waren mindestens die Kontinente, womöglich auch weite Teile der Meere komplett vereist. Der blaue Planet: ein Schneeball.
Spuren der Vereisungen sind bekannt, über die gesamte Ausdehnung jedoch streitet die Wissenschaftlerwelt. Simulationen liefern je nach berücksichtigten Faktoren unterschiedliche Resultate. Mao-Chang Liang vom California Institute of Technology und seine Kollegen jedoch beschäftigte weniger das Ausmaß als vielmehr eine Begleiterscheinung und ihre Folgen: das Schicksal von Wasserstoffperoxid.
Dieses hoch wirksame Zellgift dürfte sich bei den damaligen Bedingungen – die Forscher simulierten den Prozess bei minus 33 Grad Celsius und einer UV-Einstrahlung wie heute – stark im Eis angereichert haben, da es einen geringfügig niedrigeren Gefrierpunkt besitzt als Wasser. Auf dem Jupiter-Mond Europa finden sich immerhin 0,13 Prozent im Eis, und auch die oxidierten Eisen-Verbindungen an der Oberflächen unseres Nachbarplaneten Mars werden von manchen Forschern als Folge hoher H2O2-Konzentrationen in Bodennähe gedeutet.
Als sich die Erde dann zum Ende der Eisphasen wieder erwärmte – ausgelöst wahrscheinlich durch Treibhausgase aus Vulkanen, die beständig entwichen –, gelangte dieses gespeicherte Wasserstoffperoxid vergleichsweise plötzlich in die Umwelt. Als starkes Oxidationsmittel dürfte es die Chemie in den Ozeanen und der Atmosphäre radikal umgekrempelt haben, erklären die Wissenschaftler. In Anwesenheit von Eisen-Ionen beispielsweise bilden sich Hydroxyl-Radikale, die für Zellen tödlich sind.
Dagegen half nur eines: Schutzmechanismen entwickeln, um gegen den nächsten H2O2-Schock gewappnet zu sein. Diese sehen die Forscher um Liang in Enzymen wie der Katalase und der Superoxid-Dismutase, welche das Wasserstoffperoxid selbst zerlegen oder die entstandenen aggressiven Radikale neutralisieren. Womöglich bereitete H2O2 sogar den Weg für die Sauerstoff produzierenden Fotosynthese, denn die Fähigkeit, das Peroxid zu elementarem Sauerstoff zu oxidieren, sei auch Bakterien zuzutrauen, die normalerweise kein O2 freisetzen.
Noch einen kritischen Punkt könnte der Wasserstoffperoxid-Ausstoß klären. So fragen sich Wissenschaftler, wie der Schritt von der anaeroben zu aeroben Welt vor 2,3 Milliarden Jahren gelingen konnte, obwohl massiver Nitratmangel herrschte. So ist das Enzym Nitrogenase der Cyanobakterien nicht nur selbst gegenüber Sauerstoff ausgesprochen empfindlich, die zunehmende Oxidation machte zudem noch ihre metallischen Kofaktoren rar, womit die Stickstoffbindung der Organismen stockte. Ohne Stickstoff-Fixierung aber kein Nitrat und damit keine Produktivität anderer, darauf angewiesener Sauerstoff-Produzenten. Eine klassische negative Rückkopplung.
Welche das so plötzliche freigesetzte H2O2 durchbrochen haben könnte, meinen Liang und seine Kollegen: Indem es in den oberflächlichen Meeresschichten eine von jetzt auf nachher oxidierte Umwelt schuf, in der nun auch Nitrat in ausreichender Menge verfügbar war. Vielleicht also hat ausgerechnet ein Zellgift den Zellen des frühen Lebens den Weg in heutige Zeiten bereitet.
Spuren der Vereisungen sind bekannt, über die gesamte Ausdehnung jedoch streitet die Wissenschaftlerwelt. Simulationen liefern je nach berücksichtigten Faktoren unterschiedliche Resultate. Mao-Chang Liang vom California Institute of Technology und seine Kollegen jedoch beschäftigte weniger das Ausmaß als vielmehr eine Begleiterscheinung und ihre Folgen: das Schicksal von Wasserstoffperoxid.
Dieses hoch wirksame Zellgift dürfte sich bei den damaligen Bedingungen – die Forscher simulierten den Prozess bei minus 33 Grad Celsius und einer UV-Einstrahlung wie heute – stark im Eis angereichert haben, da es einen geringfügig niedrigeren Gefrierpunkt besitzt als Wasser. Auf dem Jupiter-Mond Europa finden sich immerhin 0,13 Prozent im Eis, und auch die oxidierten Eisen-Verbindungen an der Oberflächen unseres Nachbarplaneten Mars werden von manchen Forschern als Folge hoher H2O2-Konzentrationen in Bodennähe gedeutet.
Als sich die Erde dann zum Ende der Eisphasen wieder erwärmte – ausgelöst wahrscheinlich durch Treibhausgase aus Vulkanen, die beständig entwichen –, gelangte dieses gespeicherte Wasserstoffperoxid vergleichsweise plötzlich in die Umwelt. Als starkes Oxidationsmittel dürfte es die Chemie in den Ozeanen und der Atmosphäre radikal umgekrempelt haben, erklären die Wissenschaftler. In Anwesenheit von Eisen-Ionen beispielsweise bilden sich Hydroxyl-Radikale, die für Zellen tödlich sind.
Dagegen half nur eines: Schutzmechanismen entwickeln, um gegen den nächsten H2O2-Schock gewappnet zu sein. Diese sehen die Forscher um Liang in Enzymen wie der Katalase und der Superoxid-Dismutase, welche das Wasserstoffperoxid selbst zerlegen oder die entstandenen aggressiven Radikale neutralisieren. Womöglich bereitete H2O2 sogar den Weg für die Sauerstoff produzierenden Fotosynthese, denn die Fähigkeit, das Peroxid zu elementarem Sauerstoff zu oxidieren, sei auch Bakterien zuzutrauen, die normalerweise kein O2 freisetzen.
Noch einen kritischen Punkt könnte der Wasserstoffperoxid-Ausstoß klären. So fragen sich Wissenschaftler, wie der Schritt von der anaeroben zu aeroben Welt vor 2,3 Milliarden Jahren gelingen konnte, obwohl massiver Nitratmangel herrschte. So ist das Enzym Nitrogenase der Cyanobakterien nicht nur selbst gegenüber Sauerstoff ausgesprochen empfindlich, die zunehmende Oxidation machte zudem noch ihre metallischen Kofaktoren rar, womit die Stickstoffbindung der Organismen stockte. Ohne Stickstoff-Fixierung aber kein Nitrat und damit keine Produktivität anderer, darauf angewiesener Sauerstoff-Produzenten. Eine klassische negative Rückkopplung.
Welche das so plötzliche freigesetzte H2O2 durchbrochen haben könnte, meinen Liang und seine Kollegen: Indem es in den oberflächlichen Meeresschichten eine von jetzt auf nachher oxidierte Umwelt schuf, in der nun auch Nitrat in ausreichender Menge verfügbar war. Vielleicht also hat ausgerechnet ein Zellgift den Zellen des frühen Lebens den Weg in heutige Zeiten bereitet.
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