Zum Inhalt springen
Storiascopio
DE
Zurück zu: Die Erde vor uns

1 · Die Erde vor uns Wissenschaft und Technik

Fotosynthese der Cyanobakterien

vor etwa 2,7 Milliarden Jahren Flache Küstengewässer in der ganzen Welt

Kurz gesagt

Die Cyanobakterien lernten, das Sonnenlicht zu nutzen, um aus Wasser und Kohlendioxid Energie zu gewinnen. Bei diesem Vorgang, der Fotosynthese, gaben sie Sauerstoff ab. In flachen Gewässern bildeten sie geschichtete Matten, die mit der Zeit zu Stromatolithen wurden.

Warum das wichtig ist Die Fotosynthese begann die Atmosphäre zu verändern und machte komplexeres Leben möglich.

Quelle: Nature Communications, 2021, „Diurnal Fe(II)/Fe(III) cycling and enhanced O2 production in a simulated Archean marine oxygen oasis“

Bild: Fotosynthese der Cyanobakterien (Flache Küstengewässer in der ganzen Welt)
Bild, mit KI für Storiascopio erstellt

Lernblatt etwa 5 Minuten Lesezeit

Die Geschichte

Ein Trick, der die Welt veränderte

Jedes grüne Blatt, das du siehst, ist eine kleine Fabrik. Es nimmt Licht von der Sonne, Kohlendioxid aus der Luft und Wasser aus dem Boden und verwandelt sie in Zucker, von dem sich die Pflanze ernährt, und setzt dabei Sauerstoff frei. Dieser Vorgang heißt Fotosynthese, nach dem Chlorophyll, dem grünen Stoff, der das Licht einfängt. Die Pflanzen haben sie aber nicht erfunden: Sie haben sie von viel kleineren und viel älteren Lebewesen geerbt, den Cyanobakterien.

Cyanobakterien sind Bakterien, die im Wasser leben, und lange Zeit wurden sie „Blaualgen“ oder „blaugrüne Algen“ genannt, weil sie eine Farbe zwischen Grün und Blau haben und als Überzüge auf den Steinen eines Flusses oder auf der Oberfläche eines Teiches zu sehen sind. Sie sind mikroskopisch klein, leben aber in riesigen Kolonien. Man nimmt an, dass sie die ersten Lebewesen waren, die zur sogenannten sauerstoffbildenden Fotosynthese fähig waren, also zu der, die Wassermoleküle spaltet und Sauerstoff freisetzt.

Die Entdeckung einer anderen Lebensweise

Vor ihnen gab es schon Bakterien, die Licht nutzen konnten, aber ohne Sauerstoff zu erzeugen: Sie benutzten andere Stoffe wie Schwefelwasserstoff statt Wasser. Wasser gibt es aber überall, und es zu spalten verlangt viel Energie und eine sehr ausgeklügelte chemische Ausstattung. Die Forschenden halten den Übergang zu diesem Mechanismus für eines der wichtigsten Ereignisse der Evolution. Als es den Cyanobakterien gelungen war, hatten sie eine fast unbegrenzte Quelle zur Verfügung: Licht, Wasser und Kohlendioxid gibt es überall.

Wir wissen nicht genau, wann das geschah. Die wahrscheinlichsten Spuren stammen von vor etwa 2,7 Milliarden Jahren und kommen aus Gesteinen der Tumbiana-Formation in Westaustralien: mikrobielle Matten und Stromatolithen, die chemische Zeichen einer Fotosynthese hinterlassen haben, auch wenn manche Forschende darüber streiten, ob sie Sauerstoff erzeugte. Es gibt Hinweise, dass sie früher entstand, vielleicht sogar schon vor 3,2 Milliarden Jahren, aber sie sind umstritten. Deshalb ist das Datum auf dem Zeitstrahl ungefähr.

Matten in den flachen Meeren

Die Cyanobakterien wuchsen im flachen Wasser nahe den Küsten, wo das Licht hinkam. Sie bildeten bunte Matten aus Kolonien, eine über der anderen. Tagsüber, mit dem Licht, erzeugten die Bakterien Sauerstoff und bewegten sich nach oben; nachts oder wenn sie von Sand bedeckt wurden, stiegen sie wieder auf. So häuften sich nach und nach ihre Matten und die Sedimentkörnchen in Schichten an und wurden zu Stromatolithen. Diese geschichteten Gesteine sind die ältesten mit bloßem Auge sichtbaren Spuren von Leben, und an wenigen Orten der Welt, wie der Shark Bay in Australien, findet man noch lebende.

Die Cyanobakterien sind nicht verschwunden: Sie sind überall. Sie leben in den Ozeanen, in Seen, im Boden, in Wüsten und sogar in den Gesteinen der Antarktis. Eines von ihnen, Prochlorococcus, erst 1986 von der amerikanischen Biologin Sallie Chisholm und ihren Kollegen entdeckt, ist so klein, dass die Zellen weniger als einen tausendstel Millimeter breit sind; nach den Schätzungen ist es der zahlreichste fotosynthetische Organismus der Erde und erzeugt einen beträchtlichen Teil des Sauerstoffs der Ozeane.

In den heutigen Pflanzen

Es gibt ein letztes Kapitel. Vor mehr als einer Milliarde Jahren nahm eine komplexe Zelle ein Cyanobakterium in sich auf, ohne es zu verdauen; die beiden begannen zusammenzuleben, und dieses Cyanobakterium wurde mit der Zeit zu einem Teil der Zelle, dem Chloroplasten. Alle Grünalgen und alle Pflanzen haben Chloroplasten, und in ihnen steckt noch eine kleine DNA, ähnlich der der Cyanobakterien. Wenn du einen Wald anschaust, schaust du also auf Nachkommen dieses alten Bündnisses.

Heute rechnet man, dass etwa die Hälfte des Sauerstoffs, den wir atmen, vom Plankton der Meere kommt: von mikroskopisch kleinen Algen und Cyanobakterien. Sie sind viel wichtiger, als man sieht.

Warum es geschah

Die Cyanobakterien entwickelten die sauerstoffbildende Fotosynthese, weil es schwer ist, dem Leben Energie zu geben. Die chemischen Energiequellen, wie die Gase der Vulkane, sind begrenzt und gibt es nur an wenigen Orten. Das Sonnenlicht dagegen kommt überall an, aber um es zu nutzen, braucht man besondere Moleküle, die es einfangen können, und eine Möglichkeit, die nötigen Elektronen zu gewinnen. Wasser ist die häufigste Elektronenquelle, die es gibt.

Die Wissenschaftler denken, dass diese Fähigkeit allmählich entstand, nach vielen Schritten bei früheren Bakterien, und dass sie sich nur einmal, bei den Cyanobakterien, bildete, um sich dann auf andere Organismen zu verbreiten. Wie es genau war, wird noch erforscht; die Spuren sind spärlich und die Gesteine stark verändert.

Das Ergebnis war ein enormer Vorteil: Wer Licht und Wasser nutzen konnte, konnte fast überall wachsen, wo es Wasser und Licht gab. Deshalb verbreiteten sich die Cyanobakterien in allen Meeren.

Was sich veränderte

Die größte Folge war der Sauerstoff. Am Anfang wurde er schnell vom Eisen und von den Gesteinen aufgenommen, aber weil er hunderte Millionen Jahre lang weiter erzeugt wurde, veränderte er schließlich die Luft des Planeten, wie das nächste Ereignis auf dem Zeitstrahl erzählt. Für die Mikroben, die Sauerstoff nicht vertrugen, war das eine Krise, für andere der Beginn einer neuen Art, viel mehr Energie aus der Nahrung zu gewinnen.

Die ganze Nahrungskette hängt von diesem Trick ab. Fast jedes Lebewesen isst, direkt oder indirekt, Energie, die von einem fotosynthetischen Organismus eingefangen wurde. Wenn du ein Brötchen isst, isst du Sonnenlicht, das eine Weizenpflanze umgewandelt hat. Auch Erdöl, Kohle und Gas sind das, was von alten fotosynthetischen Organismen übrig ist.

Cyanobakterien werden auch heute wegen ihrer Möglichkeiten erforscht: Einige werden benutzt, um nützliche Stoffe herzustellen, und Wissenschaftler denken daran, sie für Treibstoffe und zum Einfangen von Kohlendioxid zu nutzen. Einige Arten, wie die Spirulina, werden gegessen, und für Raumfahrtmissionen denkt man daran, sie zur Herstellung von Sauerstoff zu verwenden.

Wichtige Menschen und Orte

Menschen

Sallie Chisholm
Amerikanische Meeresbiologin. 1986 entdeckte sie mit Kollegen Prochlorococcus, das häufigste fotosynthetische Bakterium der Ozeane.
Lynn Margulis
Amerikanische Biologin (1938-2011). Sie vertrat nachdrücklich die Idee, dass Chloroplasten und Mitochondrien von aufgenommenen Bakterien abstammen.
Joseph Priestley
Englischer Chemiker (1733-1804). 1771 bemerkte er, dass eine Pflanze die von einer Kerze „verbrauchte“ Luft wieder erneuert; 1774 isolierte er den Sauerstoff.

Orte

Tumbiana-Formation, Westaustralien
Gesteine von 2,7 Milliarden Jahren mit mikrobiellen Matten und Stromatolithen, unter den wahrscheinlichsten Beweisen für Fotosynthese mit Sauerstoff (umstritten).
Shark Bay, Westaustralien
Bucht, in der noch von Cyanobakterien gebaute Stromatolithen leben.
Flache Gewässer der frühen Küsten
Der Ort, wo die Cyanobakterien Matten bildeten, unterstützt vom Sonnenlicht, das durch das Wasser drang.

Gut zu wissen

  • Auch wenn sie „Blaualgen“ heißen, sind Cyanobakterien Bakterien, keine Algen.
  • Das Wort „Cyanobakterien“ kommt vom griechischen kyanos, „dunkelblau“, und bedeutet „blaue Bakterien“.
  • Wenn die Geschichte der Erde ein Jahr wäre, erschiene die Fotosynthese mit Sauerstoff Ende Mai, aber die ersten Tiere erst Mitte November.
  • An heißen Tagen färben sich manche Seen grün durch das Wachstum von Cyanobakterien: Einige Arten erzeugen gefährliche Giftstoffe, und deshalb wird manchmal das Baden verboten.
  • Einige Arten leben in Wüsten unter halbdurchsichtigen Quarzsteinen, die etwas Licht durchlassen und sie vor zu starker Sonne schützen.

Zum Weiterlesen

Verwandte Ereignisse

Davor und danach, in der Epoche „Die Erde vor uns“

Ereignis 10 von 25

Alle 25 Ereignisse der Epoche · Großen Zeitstrahl öffnen

Hör rein / Lies weiter

  • Musik zum Lesen: Cinematic JourneyEpische Filmmusik ohne Gesang von Ciro Simone IrmiciSpotifyYouTube Music

Was gleichzeitig anderswo geschah

Weitere Ereignisse der Epoche „Die Erde vor uns“

Foto von Ciro Simone Irmici

Wer dahintersteckt

Ciro Simone Irmici

Ich heiße Ciro Simone Irmici und baue kostenlose Websites zum Lernen und Spielen. Storiascopio habe ich mit künstlicher Intelligenz gebaut, und jeden Steckbrief und jede Quelle prüfe ich selbst. Ich bin kein Historiker: Wenn du einen Fehler findest oder ein weiteres Ereignis für deine Klasse möchtest, schreib mir.

Mehr von mir: kostenlose Hörbücher auf YouTube · E-Books auf Gumroad · Apple Books · Musik auf Spotify und YouTube Music