Methanbildung vor der Entstehung des Lebens
Forschende zeigen, wie Methan in den frühen Wasserregionen der Erde
entstand und noch heute freigesetzt wird
Ein Team am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg
wies nach, dass Eisen und reaktive Sauerstoffspezies die Bildung von
Methan in wässrigen Umgebungen antreiben. In der Frühgeschichte der Erde
begünstigte dieser rein chemische Vorgang vermutlich die Entstehung des
Lebens. Zudem könnte er auch heute noch zu Methanemissionen beitragen.
Bereits während der frühen Erdgeschichte führte Methan (CH4) zur Erwärmung
der Atmosphäre. Damals verhinderte der Methandunst das Einfrieren des
Planeten und bildete damit eine der Grundlagen für die Entstehung des
Lebens.
Methan gilt als besonders klimaschädliches Treibhausgas: es fördert die
Erderwärmung ungefähr 80-mal stärker als die gleiche Menge Kohlendioxid
(CO₂). Um die Folgen des menschengemachten Klimawandels besser einschätzen
und vorhersagen zu können, wird weltweit geforscht, um die zahlreichen
Quellen der Methanentstehung zu identifizieren.
Im Jahr 2022 entdeckten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-
Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg zusammen mit
einem Team der Universität Heidelberg, dass Methan grundsätzlich in allen
Organismen entsteht. Kern des Prozesses ist die so genannte Fenton-
Reaktion, eine Reaktion von Wasserstoffperoxid (H2O2) mit reduziertem
Eisen (Fe2+), die hochreaktive Verbindungen und Radikale entstehen lässt.
Diese sind in der Lage, eine Methylgruppe von organischen Schwefel- oder
Stickstoffverbindungen abzuspalten, wodurch Methan entsteht.
„Da dieser Prozess innerhalb der Zelle nicht von Enzymen katalysiert wird,
fragten wir uns, ob er nicht auch außerhalb der Zelle ablaufen kann,“ sagt
Dr. Johannes Rebelein, Leiter der Emmy Noether-Forschungsgruppe am Max-
Planck-Institut. Tatsächlich stellte sich heraus, dass der Vorgang auch in
der unbelebten Umwelt ablaufen kann. In der Abwesenheit von Sauerstoff
tragen sowohl Licht als auch Hitze zur Bildung von H2O2 in wässriger
Lösung bei. Außer Methan bildete sich durch die Kombination von zwei
Methylradikalen auch Ethan, C2H6.
Bemerkenswert ist, dass Methan über die Fenton-Reaktion auch aus
organischen Schwefelverbindungen, z.B. Dimethylsulfoxid entsteht. Solche
Verbindungen finden sich an hydrothermalen Quellen in der Tiefsee, besser
bekannt als „Schwarze Raucher“.
Bislang war die Forschung davon ausgegangen, dass ein bestimmter
geologischer Prozess, die Serpentinisierung, für die Methanentstehung in
der Tiefsee verantwortlich ist. „Dass Methan am Ozeanboden über die
Fenton-Reaktion entstehen kann, ist eine Erkenntnis, die uns selbst
überrascht hat“, sagt Johannes Rebelein. „Der von uns beschriebene Prozess
ist aber, im Gegensatz zur Serpentinisierung, nicht räumlich begrenzt. Er
könnte grundsätzlich in allen Feuchtgebieten der Erde stattfinden, weil
ihn Wärme und Licht unter normalen Temperaturen und Drücken antreiben.“
Die Ergebnisse könnten nach Ansicht der Forscher ein weiteres Puzzleteil
zur Lösung des „ozeanischen Methanparadoxon“ sein. Hierbei handelt es sich
um den lichtabhängigen Methanausstoß aus Gewässern, die - im Gegensatz zur
mikrobiellen Methanentstehung - unter Anwesenheit von Sauerstoff
stattfindet.
Die Forschenden wiesen außerdem nach, dass Biomoleküle die Methanbildung
noch verstärken. „In unseren Experimenten erhöhten Biomoleküle, die
reduziertes Eisen binden, die Intensität der Fenton-Reaktion. Dass
bedeutet: Nach der Entstehung des Lebens dürfte der Prozess einiges an
Intensität zugelegt haben, weil die Biomoleküle sowohl als Substrate als
auch als eisenbindende Aktivatoren dienten,“ erklärt Leonard Ernst,
Erstautor der aktuellen Studie, die in Kooperation mit dem Institut für
Geowissenschaften der Universität Heidelberg, dem Zukunftszentrum
Mikrokosmos, Marburg, sowie des Deutschen Krebsforschungsinstituts in
Heidelberg entstand.
Die Arbeit legt eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen zur
Entwicklung der Erdatmosphäre. Darüber hinaus gilt es zu klären, in
welchem Umfang dieser Mechanismus zur Methanbilanz beiträgt.
