1,7 Milliarden Jahre alte Fossilien bestätigen: Sauerstoff war der ursprüngliche Life-Hack

In einem offenen Lagerhaus im tropischen Darwin, Australien, stehen Dutzende von Tabletts mit zylindrischen Gesteinskernen, die vor Jahrzehnten von Mineralexplorationsunternehmen Hunderte Meter unter der Oberfläche gebohrt wurden. Diese Unternehmen suchten hauptsächlich nach Mineralien, nicht nach den Geheimnissen der Existenz, also kann man es ihnen nachsehen, dass sie die mikroskopischen Fossilien antiker Organismen im Tonstein übersahen – Sedimentgestein, das aus verhärtetem Meeresboden-Schlamm entstanden ist – eines Binnenmeeres, das vor über 1,5 Milliarden Jahren einen Großteil Nordaustraliens bedeckte.

Wie eine neue, in Nature veröffentlichte Studie zeigt, sind diese vernachlässigten Kerne zentral für ein langjähriges Rätsel um den größten evolutionären Sprung in der Erdgeschichte: den Ursprung der Eukaryoten.

Alles Leben auf der Erde fällt in eine von zwei Kategorien, die sich auf zellulärer Ebene grundlegend unterscheiden. Prokaryoten – Bakterien und Archaeen – haben eine einfache Zellorganisation und sind meist einzellig. Eukaryoten, zu denen alle Tiere, Pflanzen, Algen und Pilze gehören, haben weit komplexere Zellen mit einem Zellkern und spezialisierten Strukturen, den sogenannten Organellen, die bestimmte Aufgaben erfüllen. Die eukaryotische Revolution verwandelte den Planeten, führte zum Aufstieg der Tiere und schließlich zu uns. Basierend auf Beobachtungen der Gene lebender Organismen ist man sich heute weitgehend einig, dass der letzte gemeinsame Vorfahre aller lebenden Eukaryoten aus der symbiotischen Vereinigung von mindestens zwei prokaryotischen Mikroben hervorging: einem Archaeon und einem Bakterium.

Der erste Beweis für eukaryotisches Leben liegt in Form von Fossilien einzelliger Organismen vor, die ein Maß an zellulärer Komplexität zeigen, das bei Prokaryoten nicht zu finden ist, bei Eukaryoten jedoch häufig vorkommt. Eukaryoten-Fossilien finden sich weltweit in Gesteinen, die mindestens 1,5 Milliarden Jahre alt sind. Die Fossilien des Northern Territory, von denen die ältesten 1,75 Milliarden Jahre alt sind, sind die derzeit ältesten bekannten Eukaryoten-Fossilien weltweit.

Doch die antike Welt, in der sich frühe Eukaryoten entwickelten, bleibt in Geheimnisse gehüllt, und viele grundlegende Aspekte ihrer Natur sind unbekannt.

Viele Bakterienarten können ohne Sauerstoff leben und wachsen. Aber fast alle heute lebenden Eukaryoten nutzen Sauerstoff zum Überleben, weil die aerobe Atmung – der Abbau von Nahrung unter Verwendung von Sauerstoff – die enormen Energiemengen liefert, die komplexes Leben benötigt. Doch die Vorstellung, dass Sauerstoff schon immer für alle Eukaryoten vorteilhaft war, ist in den letzten Jahren in die Kritik geraten, nachdem überraschende Entdeckungen rätselhafter Eukaryoten gemacht wurden, die ohne Sauerstoff gedeihen können. Es gibt auch zunehmende Belege aus dem geologischen Archiv, dass Sauerstoff, als sich Eukaryoten erstmals entwickelten, wahrscheinlich viel knapper war, was bedeutet, dass sauerstofffreie marine Lebensräume die Norm gewesen wären. Zusammengenommen haben diese Beobachtungen die Annahme in Frage gestellt, dass Eukaryoten seit ihrer Entstehung von Sauerstoff abhängig waren.

Genetische Studien an lebenden Mikroben, die zu Gruppen gehören, die als am nächsten mit den Vorfahren der ersten Eukaryoten verwandt gelten, können wichtige Einblicke in die Eukaryoten-Abstammung liefern. Aber nur der Fossilienbericht kann uns etwas über längst ausgestorbene Linien erzählen, und nur die Geologie kann ein Fenster in die Art von Welt bieten, in der diese Organismen lebten.

Für die neue Studie zerkleinerten die Forscher Proben der in Darwin gelagerten Tonsteinkerne und lösten sie auf. Sie identifizierten mehr als 12.000 Fossilien, indem sie den zurückbleibenden organischen Rückstand unter dem Mikroskop analysierten. Sie untersuchten auch die Tonsteine, in denen die Fossilien erhalten waren, um besser zu verstehen, wie die Umwelt beschaffen war, als die Sedimente abgelagert wurden, was Einblicke in die Lebensräume bot, in denen diese Eukaryoten lebten. Und durch die Analyse der Chemie dieser Tonsteine konnten sie feststellen, ob Sauerstoff im antiken Meerwasser vorhanden war.

Die Ergebnisse zeigen, dass Eukaryoten-Fossilien in Umgebungen von Küsten-Schlammflächen bis zum offenen Meer gefunden wurden, aber nur in Proben, die in sauerstoffhaltigen Settings abgelagert wurden. Proben aus sauerstofffreien Umgebungen enthielten nur einfache, prokaryotische Formen. Dies deutet darauf hin, dass selbst die ältesten bekannten Eukaryoten, die lebten