Im Lauf der Jahrmilliarden hat die Erdatmosphäre einige einschneidende Veränderungen durchgemacht, zumeist verbunden mit der Höhe des Sauerstoffgehalts. Cyanobakterien dürften schon vor 3,5 Milliarden mit der Photosynthese begonnen und damit Sauerstoff in großem Umfang produziert haben. Eine Zeitlang verband sich dieser sofort mit oxidierendem Gestein – nach etwa einer Milliarde Jahre war dieses Material aber aufgebraucht.

Die Folge: Der weiterhin nachströmende Sauerstoff wurde freigesetzt und ließ die Atmosphäre "kippen". Dieser Wandel, der zahllosen Arten von Mikroorganismen aus der Frühphase des Lebens den Garaus machte, wird als Große Sauerstoffkatastrophe bezeichnet und war der vielleicht größte Einschnitt in der Geschichte des Lebens überhaupt. Außer in geschützten Nischen überlebten ihn nur die Organismen, die das hochaggressive Element tolerieren und schließlich sogar nutzen konnten.

Der nächste Sprung

Der plötzlich viel höhere Anteil des "Umweltgifts" Sauerstoff in der Atmosphäre bewegte sich aber immer noch in einem Bereich, der uns heute röcheln lassen würde: etwa bei zwei bis drei Prozent. Erst etwas weniger als zwei Milliarden Jahre später schnellte er in den zweistelligen Bereich hoch, wo er sich – mit einigen Schwankungen – bis heute befindet.

Ein Team britischer und deutscher Forscher ist nun der Frage nachgegangen, warum der Sauerstoffgehalt über einen derart langen Zeitraum stagniert und die Enntwicklung des Lebens an Land ausgebremst hat. Die zweite Hälfte dieses Abschnitts wird deshalb sogar – und möglicherweise unberechtigt – als "Boring Billion" bezeichnet, weil es eine Milliarde Jahre lang nicht viel Neues gegeben habe, ehe sich dann endlich das vielzellige Leben ausbreitete.

Fokus auf die Nitrogenase

Die Antwort glaubt das Team um William F. Martin vom Institut für Molekulare Evolution der Universität Düsseldorf in einem einzelnen Enzym gefunden zu haben, der Nitrogenase. Dieses Enzym ermöglicht verschiedenen Gruppen von Einzellern, molekularen Stickstoff in eine biologisch verfügbare Form umzuwandeln – ein Prozess, den Pflanzen nicht aus eigener Kraft, sondern nur mit Hilfe von Bakterien bewältigen. Die sogenannte Stickstofffixierung hat aber ihre Tücken.

Im Fachjournal "Trends in Plant Science" präsentierten die Forscher ihre These, in der sie eine negative Rückkopplungsschleife dieses Enzyms für die lange Stagnation der Evolution verantwortlich machen. Denn die Nitrogenase ist zwar für die Bildung von Sauerstoff entscheidend, gleichzeitig aber blockiert ein zu hoher Sauerstoffgehalt ihre Funktion. Koautorin Brenda Thake erklärt: "Aus Laboruntersuchungen von Cyanobakterien wissen wir, dass die Nitrogenase ab einem zweiprozentigen Sauerstoffgehalt nicht mehr arbeitet, da sie vom Sauerstoff zerstört wird."

Räumliche Trennung

Erst vor etwa 600 bis 450 Millionen Jahren soll diese Rückkopplungsschleife geendet haben – dann, als die allerersten Pflanzen damit begannen, das Festland zu erobern. Bei den Landpflanzen trennte sich nämlich die Sauerstoffproduktion in den Blättern räumlich von der Stickstofffixierung der Nitrogenase-haltigen Bakterien im Wurzelbereich der Pflanzen. Dort ist die Nitrogenase vor dem Luftsauerstoff geschützt.

Martin glaubt, dass diese Hypothese das Rätsel der langen evolutionären Stagnation inklusive der "Boring Billion" endlich erklärt: "Unsere Theorie ist die einzige, die die globalen Auswirkungen auf die Produktion von Sauerstoff über einen so langen Zeitraum berücksichtigt und erklärt, warum es gelungen ist, das Niveau zu erreichen, das wir heute sehen und das die Evolution des Lebens auf der Erde befeuert." (red, 2. 9. 2019)