Lerntext Bioplanet Erde

Roland Heynkes, 15.3.2021

Dieser Hypertext soll möglichst verständlich erklären, was man zum Verständnis der Biologie über wissen sollte. Zu diesem Selbstlern-Hypertext habe ich ein Übungsmodul mit klausurähnlichen Aufgaben erstellt.

Gliederung

	Eine außergewöhnliche Atmosphäre
	Vielseitige Cyanos
	Ein Joseph-Priestley-Experiment
	Fossilisation in großem Stil

Unsere Erd-Atmosphäre unterscheidet sich stark von den Atmosphären unserer Nachbarplaneten Mars und Venus. Während unsere Atmosphäre relativ viel Sauerstoff und sehr wenig Kohlenstoffdioxid enthält, ist es auf Mars und Venus umgekehrt. Da drängt sich die Frage auf, warum das eigentlich so ist.

Die Erd-Atmosphäre fotografiert von der ISS
NASA, Public domain

Früher dachten Forschende, die Erd-Atmosphäre hätte einfach zufällig diese besondere Eigenschaft und aus diesem Grund hätte sich nur auf der Erde Leben entwickeln können. Heute sind sich die Forschenden aber sicher, dass es in den ersten Milliarden Jahren auch in der Erd-Atmosphäre kaum Sauerstoff gab. Die Sauerstoff-Konzentration nahm erst zu, nachdem sich vor ungefähr 3 Milliarden Jahren aus normalen Bakterien die ersten Cyanobakterien entwickelt hatten. Denn die Cyanobakterien erfanden die Fotosynthese und produzieren seitdem mit Hilfe von Licht aus CO₂ und Wasser den Sauerstoff und Traubenzucker (Glucose).

Schema zum Zusammenhang von Fotosynthese und Zellatmung
Die Zellatmung ist in der Summe die Umkehrung der Fotosynthese. Das Schema zeigt außerdem, warum sich Pflanzen und Tiere gegenseitig brauchen.

Für viele andere Bakterien war damals der Sauerstoff tödlich. Sie zogen sich in Lebensräume zurück, in denen es bis heute keinen Sauerstoff gibt. Aber einige Bakterien passten sich an den Sauerstoff an. Irgendwann lernten sogar bestimmte Bakterien, den Sauerstoff zu nutzen, um mehr Energie aus ihren Nährstoffen zu gewinnen. Sie erfanden die sogenannte Zellatmung, die praktisch eine Umkehrung der Fotosynthese ist. Mit Hilfe von Sauerstoff wird bei der Zerlegung von Glucose zu Wasser und CO₂ während der Zellatmung besonders viel Energie freigesetzt.

Nach der heute unter Biologen nicht mehr umstrittenen Endosymbiontentheorie gab es in den ersten rund zwei Milliarden Jahren nur Bakterien und Archäen. Beide waren und sind bis heute Einzeller ohne Zellkern. Dann lernten eine Archäe und ein Bakterium als Endosymbiose zusammen zu leben. Ein kleines Bakterium lebte und vermehrte sich in einer größeren Archäe. Nur das Bakterium beherrschte die Zellatmung und gewann aus der Nahrung mit Hilfe von Sauerstoff mehr Energie als es brauchte. Von seiner überschüssigen Energie gab es der Archäe etwas ab und wurde dafür von der Archäe beschützt und mit Nahrung versorgt. Zusammen waren die beiden ein so gutes Team, dass sie zu einem einzigen neuartigen Lebewesen wurden, das wir Eukaryot nennen. Aus den ersten, noch einzelligen Eukaryoten entwickelten sich die Pilze und Tiere.

Sauerstoff-Konzentration der Erd-Atmosphäre im Verlauf der Erdgeschichte
anonym, Public domain

Irgendwann lernten ein einzelliger Eukaryot und ein Cyanobakterium als Endosymbiose zusammen zu leben. So entstanden zunächst einzellige Algen und später die Pflanzen. Seitdem produzieren Cyanobakterien, Algen und Pflanzen riesige Mengen Sauerstoff. Dadurch nahm die Sauerstoff-Konzentration zunächst im Wasser und Gestein und später auch in der Atmosphäre zu.

Schema zum Zusammenhang zwischen Evolution und Sauerstoff-Konzentration

Mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts produzierten Cyanobakterien, Algen und Pflanzen aus den energiearmen Stoffen Wasser und CO₂ die energiereiche Glucose und Sauerstoff. Dieser Fotosynthese stand aber deren Umkehrung namens Zellatmung gegenüber. Bakterien, Pilze und Tiere nutzen den Sauerstoff, um bei der Zerlegung von Glucose in Wasser und CO₂ besonders viel Energie zu gewinnen. Wenn gleich viel Organisches Material mit Hilfe der Fotosynthese aufgebaut wie durch die Zellatmung abgebaut wird, dann bleiben die Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid gleich. Aber die Sauerstoff-Konzentration nahm über Hunderttausende Jahre zu, weil mehr Fotosynthese als Zellatmung stattfand. Das lag daran, das viele tote Lebewesen nicht gefressen wurden, sondern auf den Meeresboden absanken und schnell von Sand bedeckt wurden. An Land wuchsen in Mooren riesige Torfschichten, die auch nicht zersetzt wurden. Über Millionen Jahre verwandelten sich unter hohem Druck die toten Meereslebewesen in Erdöl und Erdgas. Aus dem Torf wurde später Kohle. Solange diese fossilen Brennstoffe nicht verbrannt wurden, gab es einen großen Sauerstoff-Überschuss und wenig CO₂ in der Erd-Atmosphäre. Aber inzwischen hat die Menschheit sehr viel Kohle, Erdöl und Erdgas verbrannt. Deshalb sinkt seit langem ganz langsam die Sauerstoff-Konzentration, während die CO₂-Konzentration in der Luft langsam ansteigt.

Cyanobakterien kommen vor allem in Süßwasser und Feuchtböden vor, aber auch in Meereswasser, auf Baumrinden und auf Gesteinsoberflächen. Cyanobakterien wurden sogar gelegentlich in Wolken und Regen nachgewiesen (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33097513/). Cyanobakterien der Gattung Chroococcidiopsis überleben in den heißesten und trockensten Wüsten, Hochgebirgen, Salzseen, heißen Quellen, in der Antarktis und sogar im Inneren von Gesteinen.

Auf einer Felswand sehen Cyanobakterien aus wie Tintenstriche
anonym, CC BY-SA 3.0

Laut Wikipedia kennen Experten etwa 2000 Spezies von Cyanobakterien. Davon beherrschen die meisten die sogenannte oxygene (Sauerstoff produzierende) Fotosynthese. Cyanobakterien gelten als die Erfinder dieser Art der Fotosynthese. Acidobakterien, grüne Schwefelbakterien und Nichtschwefelbakterien, Heliobakterien sowie Purpurbakterien beherrschen eine ältere Form von Fotosynthese, bei der aber kein Sauerstoff freigesetzt wird und die deswegen anoxygene Fotosynthese heißt. Es gibt außerdem Cyanobakterien, die den Stickstoff aus der Luft nutzen können.

Endosymbiose aus dem Stickstoff-fixierenden Cyanobakterium Anabaena azollae und dem schwimmenden Algenfarn Azolla
Froy P. Beraña, CC BY-SA 4.0

Darüber hinaus neigen Cyanobakterien dazu, Endosymbiosen mit anderen Spezies einzugehen. Das wichtigste Beispiel dafür ist die Endosymbiose zwischen einem Cyanobakterium und einem eukaryotischen Einzeller, die zur Entstehung der ersten Pflanze führte. Denn in den grünen Zellen der Pflanzen leben und vermehren sich Cyanobakterien bis heute als Chloroplasten und betreiben für die Pflanzen-Zelle die Fotosynthese. Ein weiteres relativ bekanntes Beispiel ist die Endosymbiose des Stickstoff-fixierenden Cyanobakteriums Anabaena mit den schwimmenden Algenfarnen der Gattung Azolla.

Flechten sind Endosymbiosen aus Pilzen und Grünalgen oder Cyanobakterien
Tomas Castelazo, CC BY-SA 4.0

Cyanobakterien kommen mit viel weniger Licht aus als Pflanzen, weil sie für ihre Photosynthese mit Hilfe zusätzlicher Farbstoffe einen wesentlich größeren Teil des Licht-Spektrums nutzen können. Deshalb gibt es nicht nur grüne oder grünblaue Cyanobakterien, sondern auch rote und sogar schwarze.

Cyanobakterien in linearen Kolonien
Willem van Aken, CC BY 3.0

Die ersten vielzelligen Cyanobakterien sollen schon vor etwa 2,3 Milliarden Jahren derart effizient Sauerstoff produziert haben, dass dieses für die meisten damaligen Lebewesen giftige Gas zum ersten Massenaussterben unseres Planeten führte (https://www.scinexx.de/news/biowissen/sauerstoffschock-durch-vielzelligkeit/).

Cyanobakterien in großen, kugelförmigen Kolonien
Christian Fischer, CC BY-SA 3.0

Cyanobakterien können zum Problem werden, wenn sie sich in Seen massenhaft vermehren. Denn wenn sie massenhaft absterben und von anderen Bakterien abgebaut werden, dann verbraucht das soviel Sauerstoff, dass Fische sterben. Einige Spezies produzieren außerdem Stoffe, die als Antibiotika oder Hormone wirken oder extrem giftig für Fische und sogar Menschen sind. Beim Menschen können Cyanobakterien außerdem zu Magen- Darmentzündungen führen.

Cyanobakterien auf einem See
Christian Fischer, CC BY-SA 3.0

Ein Joseph-Priestley-Experiment der 1770er Jahre
anonym, CC BY 4.0

Joseph Priestley war ein englisch-US-amerikanischer Prediger und Naturforscher. Er glaubte, dass eine Phlogiston genannte hypothetische Substanz bei Erwärmung in brennbare Gegenstände eindringt und bei bei deren Verbrennung wieder entweicht. Der große Chemiker und Gegner der Phlogiston-Theorie Antoine Laurent de Lavoisier erkannte, dass im Gegenteil bei der Verbrennung einer Kerze ein von ihm Sauerstoff genannter Bestandteil der Luft verbraucht wurde. Heute wissen wir, dass Kerzen nur brennen und Tiere nur leben können, wenn der Sauerstoff der Luft chemisch mit dem Brennstoff einer Kerze oder mit den Nährstoff-Bausteinen in einer Zelle reagiert. Denn nur dadurch wird genügend Energie freigesetzt. Deshalb verstehen wir heute das über diesem Abschnitt grafisch dargestellte berühmte Experiment von Priestley besser als er selbst.

Das Priestley-Experiment hat auch gezeigt, dass Pflanzen produzieren, was Tiere und Kerzen brauchen.

eine Joseph-Priestley-Glaskuppel
Birmingham Museums Trust, CC BY-SA 4.0

Die Konzentrationen von Sauerstoff und CO₂ in die Atmosphäre bleiben ungefähr konstant, wenn sich der Aufbau von Biomasse auf der Grundlage der Fotosynthese die Waage hält mit dem aerobe Abbau von Biomasse durch Zellatmung. Aktuell wird das Gleichgewicht gestört durch die Sauerstoff verbrauchende und CO₂ freisetzende Verbrennung fossiler Brennstoffe und den Zerfall von Torf.

Kohlenstoff-Kreisläufe

Es gab aber Zeitalter, in denen unzählige Moore riesige Mengen Torf anhäuften, in Meeren und Seen gigantische Mengen toter Lebewesen von Sedimenten begraben wurden und Bäume in Sümpfen versanken. Aufgrund von Sauerstoff-Mangel konnten deren Biomassen nicht abgebaut werden. Anstatt zu verwesen wurden sie im Laufe der Zeit zu fossilen Brennstoffen.

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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0