Methanbildung Wie Methan im Meer der jungen Erde entstand und noch heute frei wird

Anbieter zum Thema

Socorex Isba SA

Ionicon Analytik Ges.m.b.H.

Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie

Als Treibhausgas ist Methan relevant für die Erderwärmung. Seine Quellen werden daher weltweit wissenschaftlich untersucht. Nun haben Forscher einen neuen Bildungsmechanismus in der Tiefsee und wässrigen Umgebungen beschrieben, der zuvor nur aus dem Inneren von Zellen bekannt war.

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 heute 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 daran geforscht, die zahlreichen Quellen der Methanentstehung zu identifizieren.

Methanquellen sind überall

Im Jahr 2022 entdeckten Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg (MPI Marburg) zusammen mit einem Team der Universität Heidelberg: Methan entsteht grundsätzlich in allen Organismen. 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.

Je gestresster, desto mehr

Mann und Maus: Alle Lebewesen bilden Methan

„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 MPI Marburg. 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“.

Das ozeanische Methanparadoxon

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 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.

Viehzucht und Klimawandel

Klimasünder Kuh – Methanemissionen heute und vor 130 Jahren

Neues Hintergrundwissen zur Entstehung des Lebens

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“, sagt Leonard Ernst, Erstautor der aktuellen Studie. „Das 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 der MPI-Forscher.

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.

Originalpublikation: Ernst, L.; Barayeu, U.; Hädeler, J.; Dick, T. P.; Klatt, J. M.; Keppler, F.; Rebelein, J. G.: Methane formation driven by light and heat prior to the origin of life and beyond, Nat Commun 14, 4364 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-39917-0

(ID:49636158)