London/Wien. Um zu wachsen, benötigen Lebewesen Sauerstoff. Doch dem frühen Leben auf der Erde stand zwei Milliarden Jahre lang nur ein geringer Anteil zur Verfügung. Erst sein Anstieg in der Atmosphäre führte zu einer steten Weiterentwicklung und einem Gedeihen, berichten Forscher des University College London im Fachblatt "Trends in Plant Sciences". Die Stagnation führen sie auf das Enzym Nitrogenase zurück.

Die Spuren von Nitrogenase reichen mehr als vier Milliarden Jahre in die Vergangenheit zurück. Das Enzym bestückte damit die Vorgänger aller Zellen. Heute findet sich Nitrogenase ausschließlich in Bakterien. Der Enzymkomplex ist in der Lage, elementaren, molekularen Stickstoff zu reduzieren und damit in eine biologisch verfügbare Form umzuwandeln. Diesen Vorgang bezeichnet man als Stickstofffixierung. Bei der Photosynthese im Wasser wird dabei Sauerstoff freigesetzt.

Die halbe Lebenszeit der heute 4,6 Milliarden Jahre alten Erde beinhaltete die Atmosphäre lediglich Kohlendioxid und Stickstoff. Erst als Cyanobakterien das Licht der Welt erblickten, startete die erste Sauerstoffproduktion mittels Nitrogenase, schreiben die Forscher. Die Vorläufer der heutigen Cyanobakterien, auch als Blaualgen bekannt, veränderten die Lebensbedingungen auf der Erde entscheidend. Sie nutzten das Sonnenlicht zur Photosynthese und setzten als Abfallprodukt Sauerstoff frei. Damit kam es von einer sauerstofflosen Atmosphäre zu einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre.

Einfache Antwort gefunden

"Doch anstelle anzuwachsen, stabilisierte sich der Sauerstoffgehalt über zwei Milliarden Jahre lang bei zwei Prozent, um danach auf das heutige Level von 21 Prozent anzuwachsen", betont Studienautor John Allen vom University College London. Lange wurde über den Grund dafür diskutiert. "Wir denken, dass wir nun eine einfache Antwort auf die Frage haben", so der Evolutionsbiologie.

Die Studie zeigt, dass unter Verwendung von Nitrogenase erzeugter Luftsauerstoff die Wirkung des Enzyms blockierte. Dieser negative Effekt limitierte die weitere Produktion von Sauerstoff und hat die lange Stagnation in der Erdgeschichte hervorgerufen, so die Forscher. Das sogenannte Proterozoikum - eine Phase des Präkambrium -  erlebte damit nur sehr kleine evolutionäre Veränderungen. Für diese frühe Phase wurde auch der Begriff "Boring Billion" geprägt. Die Situation hatte geendet, als die Pflanzen vor etwa 600 Millionen Jahren das Land eroberten, so die Forscher in der Studie. Die in den Blättern stattfindende Photosynthese unterscheidet sich von jener in den Algen, wodurch der Sauerstoffgehalt zunehmen kann.

Nitrogenase ist dennoch entscheidend für die Entwicklung des Lebens. Es ist für den Stickstoffkreislauf von Bedeutung. Stickstoff wird ebenso wie Sauerstoff von allen Lebewesen benötigt, da er Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen, von Nukleinsäuren und von anderen essentiellen chemischen Stoffen ist, betont Brenda Thake von der Queen Mary University of London in der Studie.