Photosynthese hinterlässt biologischen Fingerabdruck

Schwere Sauerstoffisotope eröffnen Paläontologen und Geowissenschaftlern einen Blick in die Urzeiten der Erde. Über das Verhältnis zwischen leichten und schweren Sauerstoffisotopen in einer Probe lässt sich auf die klimatischen Bedingungen vor Jahrmillionen oder gar auf die Körpertemperatur von Sauriern schließen. Nun entdeckten Geochemiker von der University of California in Los Angeles, dass eine geringe Häufigkeit von schweren Isotopen in Sauerstoffmolekülen auf einen biologischen Ursprung hindeuten könnte. Damit stünde ein neues Werkzeug zur Verfügung, um aus der Isotopenanalyse beliebiger Proben – etwa Bohrkerne aus tiefen Eisschichten oder Bodenproben von anderen Planeten – Hinweise auf organisches Leben zu ermitteln.

„Solche Isotopensignaturen könnten in der Natur weit verbreitet sein und als neue Marker für biologische und geochemische Kreisläufe dienen“, schreiben Lawrence Yeung und seine Kollegen in der Fachzeitschrift „Science“. Ihr Ergebnis beruht auf einem Experiment mit sechs Wasserhyazinthen, die sie über sechs Monate in einem abgeschlossenen Terrarium mit zwölf Stunden künstlicher Beleuchtung pro Tag wachsen ließen. Danach bestimmten sie in der Luft des Terrariums die Menge an Sauerstoffmolekülen, in denen schwere Sauerstoffisotope – ¹⁷O und ¹⁸O – gepaart auftraten. Das Ergebnis: Es fanden sich rund ein Promille weniger Sauerstoffmoleküle aus schweren Isotopen als es die statistische Verteilung dieser Isotope in der Luft erwarten ließ.

Zur Kontrolle dieser Messung dunkelten die Forscher ihr Terrarium danach für einige Monate ab. Dabei stieg der Anteil von Sauerstoffmolekülen aus schweren Isotopen wieder signifikant an. Aus diesem Verhalten schließen Yeung und seine Kollegen, dass über Photosynthese gebildete Sauerstoffmoleküle seltener aus zwei schweren Isotopen bestehen als etwa molekularer Sauerstoff aus anderen chemischen Reaktionen. Die Ursache sehen die Forscher in den Teilschritten der Photosynthese. Denn die Sauerstoffatome, die sich in der Pflanze zu einem Molekül verknüpfen, müssen von zwei verschiedenen Wassermolekülen zur Verfügung gestellt werden. Dadurch sinkt die Wahrscheinlichkeit für eine Paarung schwerer Isotope, da dazu genau zwei sehr selten auftretende Wassermoleküle mit jeweils einem schweren Sauerstoffisotop an dem Photosyntheseprozess beteiligt sein müssen.

Das Experiment könnte die Aussagekraft von Isotopenanalysen von molekularem Sauerstoff deutlich erweitern. Konnten Geochemiker bisher über eine erhöhte Konzentration von Sauerstoffmolekülen mit gepaarten schweren Isotopen auf geochemische Prozesse und durchschnittliche Umgebungstemperaturen im Lauf der Erdgeschichte schließen, deuten entsprechend geringere Konzentrationen auf einen biologischen Ursprung des Sauerstoffs hin.