Eisen: Das einzige Übergangsmetall in den urzeitlichen Ozeanen der Erde

BerlinNeue Forschungen deuten darauf hin, dass Eisen das erste und einzige Übergangsmetall war, das von frühem Leben in den urzeitlichen Ozeanen der Erde genutzt wurde. Wissenschaftler der University of Michigan, des California Institute of Technology und der University of California, Los Angeles untersuchten die Rolle von Eisen in frühen biologischen Prozessen. Sie stellten fest, dass die große Menge an Eisen in den sauerstofffreien Ozeanen der Urzeit es dem frühen Leben erschwerte, andere Übergangsmetalle zu nutzen.

Die Ozeane während des Archaikums, das von vor etwa 4 Milliarden bis vor 2,5 Milliarden Jahren andauerte, enthielten reichlich Eisen(II), das sich im Wasser lösen konnte. Doch vor rund 2,5 Milliarden Jahren geschah ein bedeutendes Ereignis, bekannt als das Große Sauerstoffereignis. Dieses Ereignis führte zu einer Fotosynthese, die Sauerstoff freisetzte und die Chemie der Ozeane veränderte. Dadurch wurde Eisen(II) in Eisen(III) umgewandelt. Infolgedessen wurde Eisen unlöslich und weniger für biologische Prozesse verfügbar.

Die zentralen Punkte dieser Studie sind:

• Eisen war das häufigste und am leichtesten zugängliche Metall in den frühen Meeren der Erde.
• Das große Sauerstoffereignis verringerte die Verfügbarkeit von Eisen und erhöhte die Verfügbarkeit anderer Metalle.
• Das Leben stützte sich anfänglich fast ausschließlich auf Eisen für seine biologischen Funktionen.
• Nach der Oxidation passte sich das Leben an und nutzte andere Metalle für vielfältige Funktionen.

Diese Forschung deutet darauf hin, dass die Moleküle des frühen Lebens nur wenige Möglichkeiten hatten und oft Eisen für Aufgaben nutzten, die heute von Metallen wie Zink, Nickel und Mangan übernommen werden. Zum Beispiel verwenden moderne Enzyme hauptsächlich Zink, aber die Daten zeigen, dass alte Enzyme Eisen genauso effektiv genutzt haben könnten. Eisen war wahrscheinlich während des Archaischen Äons entscheidend, da es sowohl reichlich vorhanden als auch vielseitig war.

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Die Forscher untersuchten Gesteine und chemische Daten, um die Metallkonzentration in den frühen Ozeanen zu bestimmen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass sich Lebewesen an ihre Umwelt anpassen können und deuten darauf hin, dass die Verwendung unterschiedlichster Metalle anstelle von nur Eisen zur evolutionären Entwicklung des Lebens beigetragen hat.

Die einzigartigen Eigenschaften von Eisen könnten die frühe Evolution beschleunigt haben. Forscher entdeckten, dass Eisen viele Funktionen in biologischen Prozessen erfüllen kann, wodurch diese möglicherweise schneller ablaufen. Dies könnte den raschen Übergang von einfachen Mikroben zu komplexeren Lebensformen nach dem Großen Oxidationsereignis erklären.

Die Studie zeigt auch, dass das Leben seine chemischen Prozesse verändern und anpassen kann. Enzyme, die heute andere Metalle als Eisen nutzen, könnten diese Fähigkeit entwickelt haben, weil das Leben mit weniger Eisen auskommen musste. Als Eisen schwerer verfügbar wurde, begannen Organismen andere Metalle zu verwenden. Dies führte zu neuen Methoden der Energieverarbeitung und einer größeren Vielfalt an Lebensformen.

Diese Studie revolutioniert unser Verständnis vom Metallbedarf des frühen Lebens und zeigt, wie gut sich biologische Systeme an Veränderungen in der Chemie ihrer Umwelt anpassen können. Sie liefert Einblicke, wie die ersten Lebensformen in metallreichen Umgebungen zurechtkamen, was zur heutigen Vielfalt des Lebens geführt hat.