Molybdän und Wolfram: Frühes Leben nutzte knappe Metalle

Das Denken über frühes Leben beruht meist auf einer praktischen Annahme: Zellen nutzen, was in ihrer Umgebung vorhanden ist. War ein Nährstoff auf der jungen Erde knapp, liegt die Vermutung nahe, dass die Biologie wartete, bis er verfügbarer wurde.

Eine neue Studie stellt diese Annahme jedoch erheblich infrage. Uralte Mikroben betrieben chemische Prozesse, die von einem Metall abhingen, das nur in verschwindend geringer Menge vorhanden war.

Und sie taten dies bereits Hunderte Millionen Jahre, bevor das Metall jemals reichlich verfügbar wurde.

Eine uralte chemische Praxis

Molybdän ist ein Spurenelement – eines jener weniger häufigen chemischen Elemente, die Zellen nur in kleinen Mengen benötigen, auf die sie aber nicht verzichten können.

Moderne Organismen verwenden es in Dutzenden Enzymen, also Proteinen, welche die chemischen Reaktionen beschleunigen, die Zellen am Leben erhalten.

Mehrere dieser Reaktionen sind für die Stickstofffixierung entscheidend, den einzigen natürlichen Weg, Stickstoffgas in eine Form umzuwandeln, die Pflanzen und Mikroben nutzen können.

Geleitet wurde die Studie von Aya Klos, Doktorandin der Bakteriologie an der University of Wisconsin-Madison (UW–Madison).

Das Forschungsteam wollte herausfinden, wann Lebewesen erstmals Molybdän einsetzten.

Die erwartete Antwort lautete: vermutlich erst spät, nachdem Sauerstoff die Atmosphäre gefüllt hatte und Verwitterung das Metall in die Ozeane spülte. Doch genau das ergaben die Daten nicht.

Das Rätsel um das knappe Metall

Geochemiker wissen seit Langem, dass die frühen Ozeane kaum Molybdän enthielten. Bevor Sauerstoff die Atmosphäre prägte, lag die Konzentration gelösten Mo im Meerwasser bei unter 5 Nanomol pro Liter – rund 20-mal niedriger als in den heutigen Ozeanen.

Der Übergang zu einer sauerstoffreichen Atmosphäre vor etwa 2,45 Milliarden Jahren wird als Großes Oxidationsereignis bezeichnet – ein Prozess, der im geochemischen Befund umfassend untersucht wurde.

„Was daran irgendwie kontraintuitiv ist: Dem geochemischen Befund zufolge scheint die Molybdänhäufigkeit auf der frühen Erde vor Milliarden Jahren viel geringer gewesen zu sein, insbesondere vor dem Aufkommen der sauerstoffbildenden Photosynthese“, sagte Klos.

Entweder wartete das Leben, bis das Metall reichlich vorhanden war. Oder es fand einen Weg, mit fast keiner verfügbaren Menge auszukommen.

Das Genarchiv entschlüsseln

Das Team nutzte Phylogenomik: Es verfolgte Gensequenzen in modernen Organismen, um ihre Stammbäume zu rekonstruieren, und schätzte anschließend anhand bekannter Raten genetischer Veränderungen, wann sich einzelne Linien aufspalteten.

Mit dieser Methode können Forschende bestimmen, wann jedes Protein erstmals auftauchte.

Die Untersuchung umfasste mehr als 1.600 Genome – von Bakterien, Archaeen und Eukaryoten – sowie über 100 Proteingruppen, die am Transport, Einbau und an der Aktivierung von Molybdän beteiligt sind.

Die frühesten Gensignale datierten auf 3,7 bis 3,1 Milliarden Jahre zurück, in das Archaikum. Damit liegen sie ungefähr eine Milliarde Jahre vor dem Zeitpunkt, als atmosphärischer Sauerstoff den Planeten umgestaltete.

Zu den ältesten Funden gehörte eine Untereinheit des Enzyms für die Methanogenese, jenes Stoffwechsels, der noch heute den Großteil des natürlichen Methans der Erde erzeugt.

Auch die Signale der Enzyme für die Stickstofffixierung fielen in diesen Zeitraum, was mit Belegen übereinstimmt, dass dieser Prozess bereits vor 3,2 Milliarden Jahren ablief.

Wolfram kommt ins Spiel

Molybdän war nicht das einzige untersuchte Element. Das Team verfolgte auch Wolfram, ein schwereres Metall mit ähnlichen chemischen Eigenschaften, das mitunter denselben Platz innerhalb eines Enzyms einnehmen kann.

Heute finden sich wolframhaltige Enzyme überwiegend in Mikroben aus extremen Lebensräumen – aus Tiefseequellen, heißen Quellen und anderen Orten, die Teilen der frühen Erde ähneln.

Die Datierung ordnete Wolfram demselben Fenster im Archaikum zu. Beide Metalle wurden damals biologisch aktiv genutzt, während sich die Transportmechanismen für jedes Metall getrennt entwickelten – ein Hinweis darauf, dass Zellen beide gezielt für bestimmte Aufgaben aufnahmen.

Das widerspricht der älteren Auffassung, wonach das Leben zunächst Wolfram nutzte und erst zu Molybdän wechselte, als Sauerstoff es reichlich verfügbar machte. Beide Elemente wurden schon Milliarden Jahre zuvor parallel eingesetzt.

Ein spät entstandener Speichermechanismus

Ein Ergebnis fiel auf, weil es unerwartet jung war. Molybdänspeicherproteine – die zelluläre Ausstattung, mit der Zellen überschüssiges Metall für später lagern können – erscheinen erst vor etwa 2,2 bis 1,1 Milliarden Jahren.

Das geschah lange nachdem die übrigen Bestandteile des Molybdän-Werkzeugsatzes bereits funktionierten.

Eine mögliche Erklärung lautet, dass Speicherung erst sinnvoll wurde, nachdem Sauerstoff aufkam und mehr Organismen um dieselbe Ressource konkurrierten.

Zellen, die Molybdän zurücklegen konnten, könnten dadurch einen Vorteil gewonnen haben – doch dieser Druck bestand vermutlich erst, als das Leben dicht genug geworden war, um Konkurrenz zu erzeugen.

Hinweise für andere Planeten

Betül Kaçar, Professorin für Bakteriologie an der UW–Madison und leitende Autorin der Studie, sieht die Bedeutung weit über die Erde hinausreichen.

Die Astrobiologie – die Suche nach Leben außerhalb der Erde – stützt sich oft auf Annahmen darüber, welche Elemente ein bewohnter Planet enthalten sollte. Viele Modelle gehen davon aus, dass sich frühes Leben bevorzugt an reichlich vorhandenen Stoffen orientiert.

Eine frühere Arbeit hatte aus chemischen Gründen argumentiert, dass die Trans-Eisen-Metalle wahrscheinlich bereits am Ursprung des Lebens erforderlich waren. Die neue Datierung versieht diese Idee nun mit konkreten Zeitangaben.

„Diese Studie zeigt, dass ein Element, das in der Umwelt knapp ist, nicht bedeutet, dass das Leben keinen Weg finden wird, es zu nutzen und sogar ein Imperium darauf aufzubauen“, sagte Kaçar.

Was wir jetzt wissen

Vor dieser Studie hatte niemand molekulare Zeitangaben dazu erstellt, wann die Biologie Molybdän und Wolfram erstmals einsetzte. Diese Daten liegen nun vor – mehr als eine Milliarde Jahre früher, als es die Verfügbarkeit der Metalle möglich erscheinen ließ.

Die Enzyme, welche die Stickstoff-, Schwefel- und Kohlenstoffkreisläufe der Erde antreiben, tragen eine chemische Signatur, die bis ins Archaikum zurückreicht.

Die lange vertretene Annahme, dass die Molybdänchemie bis zum Großen Oxidationsereignis warten musste, ist nicht länger haltbar.

Geochemiker müssen möglicherweise genauer untersuchen, wie viel davon für frühe Zellen tatsächlich erreichbar war – etwa aus hydrothermalen Quellen.

Zudem kann die Suche nach Leben auf anderen Planeten aufhören, Welten auszuschließen, auf denen vertraute Metalle knapp wirken. Das Leben wartet offenbar nicht auf Überfluss.