Unterschätzte Bakterie im frühen Ozean

Die gängige Annahme war bis­lang , dass vor allem Cyanobak­te­rien dafür ver­ant­wortlich waren, in der Frühzeit unseres Plan­eten Stick­stoff aus der Atmo­sphäre zu fix­ieren und dadurch in die Biosphäre einzubrin­gen. Forschende des Max-Planck-Insti­tuts für Marine Mikro­bi­olo­gie in Bre­men zeigen nun, dass auch Schwe­felpur­pur­bak­te­rien unter Bedin­gun­gen wie im Pro­tero­zois­chen Ozean sub­stanziell zur Stick­stoff­fix­ierung beige­tra­gen haben könnten.
Stick­stoff ist unverzicht­bar für alle Lebens­for­men: Er ist Teil von Eiweißen, Nuk­lein­säuren und anderen Zell­struk­turen. Deswe­gen war es auf der frühen Erde von großer Bedeu­tung für die Entwick­lung des Lebens, Stick­stoff aus der Atmo­sphäre nutzen zu kön­nen. Wer damals aber diese soge­nan­nte Stick­stoff­fix­ierung durchge­führt hat, und mit Hil­fe welchen Enzyms, ist bish­er nicht gek­lärt. Nun zeigen Forschende des Bre­mer Max-Planck-Insti­tuts für Marine Mikro­bi­olo­gie, dass unter ähn­lich kar­gen Bedin­gun­gen wie im pro­tero­zois­chen Ozean eine bis­lang unter­schätzte Bak­te­rien­gruppe sehr effizient Stick­stoff fix­ieren kann.

Ein „kleiner Ur-Ozean“ in den Schweizer Alpen

Da der pro­tero­zois­che Ozean nun ein­mal nicht mehr für direk­te Unter­suchun­gen zur Ver­fü­gung ste­ht, nutzten die Forschen­den um Miri­am Philip­pi und Katha­ri­na Kitzinger vom Bre­mer Max-Planck-Insti­tut einen ver­gle­ich­baren Leben­sraum: den Schweiz­er Alpensee Lago di Cadag­no. Anders als die meis¬ten anderen Seen ist der Lago di Cadag­no sta­bil geschichtet, die oberen und unteren Wasser­schicht­en mis­chen sich also nicht. In der Über­gangsre­gion zwis­chen der oberen, sauer­stoffhalti­gen und der unteren, sauer­stoff­freien und sul­fid­halti­gen Schicht leben Schwe­felpur­pur­bak­te­rien. Sie kom­men ohne Sauer­stoff aus, betreiben Pho­to­syn­these und oxi­dieren Schwe­fel. „Der Fund von Fos­silien dieser Gruppe von Mikroor­gan­is­men weist darauf hin, dass sie schon vor min­destens 1,6 Mil­liar­den Jahren, also im Pro­tero­zoikum, auf unser­er Erde lebten“, so Erstau­torin Philip­pi. „Wir haben es bei diesem See und mit diesen Bak­te­rien also mit einem Sys­tem zu tun, das viele Gemein­samkeit­en mit dem frühen Ozean hat.“ Deshalb eignet sich dieser auch so gut, um mehr über die Prozesse auf der frühen Erde zu erfahren.

Schwefelpurpurbakterien fixieren Stickstoff

Mit ein­er Kom­bi­na­tion aus bio­geo­chemis­chen und moleku­laren Analy­sen ent­deck­ten Philip­pi und ihre Kol­legin­nen und Kol­le­gen, dass die Schwe­felpur­pur­bak­te­rien sehr effizient Stick­stoff fix­ieren. Stickstofffi¬xierung ist die Umwand­lung von wenig reak­tions­freudi­gem Stick­stof­f­gas aus der Atmo­sphäre zu Stick¬stoffverbindungen, die auch andere Organ­is­men nutzen kön­nen, zum Beispiel Algen.

„Soweit wir wis­sen, ist das der erste Nach­weis von Stick­stoff­fix­ierung durch in der Umwelt lebende Schwe­felpur­pur­bak­te­rien. Wir stell­ten fest, dass sie dazu das heutzu­tage am weitesten ver­bre­it­ete Enzym, die Molyb­dän-Nitro­ge­nase, nutzen. Obwohl dieses Enzym nicht sel­ten ist, waren wir sehr über­rascht, es im Cadag­no-See zu finden.“
— Mitau­torin Katha­ri­na Kitzinger

Denn dort gibt es äußerst wenig Molyb­dän im Wass­er – genau­so wie im pro­tero­zois­chen Ozean. Deswe­gen nahm man an, dass auf der frühen Erde Nitro­ge­nasen ohne Molyb­dän vorherrscht­en. „Die Molyb­dän-Nitro­ge­nase funk­tion­iert also auch bei niedri­gen Konzen­tra­tio­nen von Molyb­dän ganz hervorragend.“
„Wir liefern damit den ersten Hin­weis, dass Schwe­felpur­pur­bak­te­rien für die Stick­stoff­fix­ierung im frühen Ozean mitver­ant­wortlich gewe­sen sein kön­nten“, so Philip­pi weit­er. „Bish­er wurde zumeist angenom­men, dass Cyanobak­te­rien den Großteil der Stick­stoff­fix­ierung aus­führten. Nun zeigen wir, dass die Rolle der Schwe­felpur­pur­bak­te­rien in diesem Prozess unter­schätzt wurde.“