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Mikroben könnten Eisenerze der Schneeball-Erde ohne Sonnenlicht gebildet haben
Als große Teile der Erde unter Eis lagen, konnte Sonnenlicht die damaligen Ozeane kaum erreichen. Wie bildeten sich trotzdem mächtige Eisenerzschichten? Ein neuer Befund aus antarktischen Meeresablagerungen deutet darauf hin, dass Bakterien Eisen auch ohne Licht oxidieren können. Ein entsprechendes Protein funktionierte im Labor, doch die Entstehung der urzeitlichen Erze ist damit noch nicht bewiesen.
Suwon (Südkorea). Gewaltige Eisenerzlager bewahren Spuren der frühen Erdgeschichte. Besonders auffällig sind sogenannte Bändereisenerze, in denen sich eisenreiche und kieselsäurereiche Gesteinsschichten abwechseln. Wie diese Ablagerungen entstanden, ist trotz jahrzehntelanger Forschung noch nicht vollständig geklärt.
Zu den rätselhaftesten Vorkommen gehören eisenhaltige Formationen aus der Schneeball-Erde-Zeit vor rund 720 bis 635 Millionen Jahren. Damals waren die Ozeane möglicherweise weitgehend von Eis bedeckt. In vielen bisherigen Erklärungsmodellen spielen lichtnutzende Mikroorganismen bei der Umwandlung gelösten Eisens eine Rolle. Unter einer dicken Eisdecke dürfte ihnen die notwendige Energiequelle jedoch weitgehend gefehlt haben.
Forscher der Sungkyunkwan University (SKKU) um Prof. Hwan Su Yoon haben nun untersucht, ob lichtunabhängige Mikroben einen alternativen Weg zur Eisenoxidation ermöglichen. Dazu analysierten sie Meeresablagerungen aus der Antarktis, die in mehreren Merkmalen an eisenhaltige Sedimente früher Vereisungsphasen erinnern.
Der untersuchte Sedimentkern stammt aus dem Bereich des Larsen-C-Schelfeises im Weddellmeer. Ein Forschungsschiff hatte ihn 2013 aus 324 Metern Wassertiefe geborgen. Die 2,36 Meter lange Abfolge dokumentiert wechselnde Umweltbedingungen während der vergangenen ungefähr 12.000 Jahre.
Die Wissenschaftler verglichen die Erbgutspuren von Mikroorganismen aus 37 Schichten und rekonstruierten für ausgewählte Proben weitere Teile ihres genetischen Materials. Dabei zeichneten sich drei verschiedene mikrobielle Gemeinschaften ab. Die jüngeren, zeitweise zum offenen Meer gehörenden Ablagerungen enthielten eine größere Vielfalt von Bakterien als ältere Schichten, die sich im Dunkeln unter dem Schelfeis gebildet hatten.
In diesen älteren, sauerstoffarmen Schichten fiel eine bisher nicht kultivierte Bakteriengruppe besonders auf. Sie nahm in den berechneten Beziehungsnetzen der Mikroben eine zentrale Stellung ein. Das deutet auf eine wichtige Rolle innerhalb der Lebensgemeinschaft hin, beweist aber für sich genommen noch keine bestimmte Stoffwechselleistung.
Aus dem Sediment-Erbgut rekonstruierten die Forscher mehrere Genome dieser Bakterien und konnten ihre Zellen mithilfe einer fluoreszierenden Gensonde sichtbar machen. Die bislang unbekannte Linie erhielt vorläufig den Namen „Candidatus Mariimomonas ferrooxydans“. Sie gehört zur Bakteriengruppe der Nitrospirota und wurde bisher nicht in Reinkultur gezüchtet.
In ihrem Erbgut fanden die Wissenschaftler das Gen für Cyc2. Dieses Protein sitzt vermutlich in der äußeren Zellmembran und kann Elektronen bei der Oxidation von gelöstem zweiwertigem Eisen aufnehmen. Dadurch könnte dreiwertiges Eisen entstehen, das im Wasser weniger gut löslich ist und zur Bildung eisenhaltiger Minerale beitragen kann.
Um die vermutete Funktion zu überprüfen, schleuste das Team eine angepasste Form des Cyc2-Gens in das Laborbakterium Escherichia coli ein. Diese Bakterien oxidierten gelöstes Eisen deutlich schneller als die Kontrollkulturen. Das Experiment bestätigt die Eisenoxidationsfähigkeit des Proteins, nicht aber bereits den vollständigen Stoffwechsel des neu entdeckten Organismus in seinem natürlichen Lebensraum.