Wie kam der Sauerstoff in die Atmosphäre: Ursprung und biologische Dynamik von Sauerstoff

Zusammenfassung

Die sauerstoffhaltige Atmosphäre des Planeten Erde war nicht von Anfang an vorhanden. Auch wenn Sauerstoff durch photolytische Wasserspaltung in kleinen Mengen entstehen konnte, reichten diese Prozesse nicht für die Bildung einer globalen Atmosphäre. Deren Sauerstoffgehalt ist ein Produkt der photosynthetischen Aktivität der frühen Biosphäre. Ihre Entwicklung dauerte Milliarden Jahre. Erst nach ihrer Entstehung konnte sich auch die UV-schützende Ozonschicht ausbilden, so dass landgebundenes Leben möglich wurde. Im Folgenden werden die Prozesse der biologischen Sauerstoff-Freisetzung und Utilisation in ihren Grundzügen beschrieben und die Bedeutung des Gleichgewichts beider Prozesse erläutert, ebenso wie die Eigenschaften von Sauerstoff nicht nur als Voraussetzung unseres Lebens, sondern auch als lebensfeindliches Toxin.

Abstract

The planet earth did not carry an oxygen atmosphere from the beginning. Though oxygen could arise from radiation mediated water splitting, these processes were not efficient enough to create a global gas atmosphere. Oxygen in the latter is a product of the photosynthetic activity of early green organisms. Only after biological mass-formation of oxygen the UV-protective ozone layer could develop, then enabeling life to move from water onto land. This took billions of years. The basics of the processes of biological oxygen liberation and utilization are described in the following as well as the importance of their steady state equilibrium. Also a hint is given to oxygen as a toxis compound though being a chemical prerequisite for aerobic life on earth.

Schlüsselwörter

Evolution - Ursprung der Elemente - Ursprung des Lebens - Sauerstoff-Atmosphäre - Oxidativer Stress - Photosynthese - Atmung

Key words

Evolution - origin of elements - origin of life - oxygenatmosphere - oxidative stress - photosynthesis - respiration

Literatur

• 1 Elstner E F. Der Sauerstoff: Biochemie, Biologie, Medizin. Mannheim, Wien, Zürich; Wissenschaftsverlag 1990
• 2 Nelson D, Cox M. Lehninger Biochemie 3. Auflage. Heidelberg, Berlin, New York; Springer Verlag 2001
• 3 Broda E. The evolution of the Bioenergetic Process. Oxford; Pergamon Press 1975
• 4 Wächtershäuser G. The origin of life and its methodological challenge.  J theor. Biol.. 1997;  187 483-494
• 5 Wächtershäuser G. Evolution of the first metabolic cyles.  Proc Natl Acad. Sci (USA). 1990;  87 200-204
• 6 Woese C R. et al . Towards a natural system of organisms.  Proc Natl Acad Sci (USA). 1990;  87 4576-4579
• 7 Peschek G A. Photosynthesis and respiration of cyanobacteria, in The Phototrophic Procaryotes; edit. Peschek et al. New York; Kluwer Academic/Plenum Publishers 1999
• 8 Böger P. The O₂/CO₂ cycle: development and atmospheric consequences in Biochemical and Photosynthetic Aspects of Energy Production. New York; Academic Press 1980
• 9 Böger P. Photosynthese in globaler Sicht.  Naturwissenschaftliche Rundschau. 1975;  28 429-435
• 10 Iwata S. et al . Structure at 2.8 Å resolution of cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans.  Nature. 1990;  376 660-669
• 11 Tsukihara T. et al . Structures of metal sites of oxidized bovine heart cytochrome c oxidase at 2.8 Å.  Science. 1995;  259 1069-1074
• 12 Schäfer G. et al . On the origin of respiration: Electron transport chains from archaea to man.  FEMS Microbiol Rev.. 1996;  18 173-183
• 13 Schäfer G. Superoxide dismutase, an archaic enzyme, Transactions of the Biochemical Society. 2003 31: part 6 (im Druck)