Der erste Schritt zum Erdöl

Was von abgestorbenen Lebewesen übrig bleibt, hat in der Regel nicht lange Bestand. Organismen bestehen zu einem grossen Teil aus Kohlenhydraten und Proteinen, die durch Abbauprozesse leicht zerstört werden. Dennoch findet man in Millionen von Jahren alten Gesteinen organisches Material, beispielsweise in Form von Kohle oder Erdöl. Das liegt daran, dass die Lipide mit ihre Kohlenstoff-Doppelbindungen relativ schnell in gesättigte Verbindungen ohne Doppelbindungen umgewandelt werden, die der Zersetzung besser standhalten. Wie und unter welchen Umständen diese Umwandlung genau abläuft, darüber gab es bisher nur vage Vorstellungen. Einig war man sich, dass die Konservierung bevorzugt in einer sogenannt anaeroben, also sauerstofffreien Umgebung stattfindet und dass Mikroorganismen für die Umwandlung verantwortlich sind.

Einem Forscherteam der ETH Zürich und der Université Louis Pasteur in Strassburg ist es nun gelungen, diesen Mechanismus besser zu verstehen. Wie die Forscher letzte Woche in Science Express berichteten, spielt ein rein chemischer Prozess in der frühen Phase der Sedimentablagerung bei der Stabilisierung der organischen Verbindungen eine entscheidende Rolle. Die These, es wären in erster Linie Mikroorganismen, welche die ungesättigten Kohlenstoffketten in stabile Formen überführen, muss demnach revidiert werden.

Ungewöhnliches Gewässer

Die Forscher haben für ihre Studie Wasserproben und Sedimente aus dem Cadagnosee im Kanton Tessin in der Schweiz untersucht. Der Bergsee weist einige Besonderheiten auf, wie Stefano Bernasconi vom Geologischen Institut der ETH Zürich erklärt. Das rund 20 Meter tiefe Gewässer verfügt über eine äusserst stabile Schichtung: Oben ist das Wasser sauerstoffhaltig, unten hingegen herrschen anaerobe Bedingungen. Die beiden Wasserpakete sind durch eine scharfe, rund einen Meter dicke Schicht voneinander getrennt, in der hochspezialisierte, rötlich gefärbte Bakterien ihren Lebensraum finden.

Anaerob ist die untere Schicht, weil Unterwasser-Quellen sulfathaltiges Wasser in den See einbringen. Das Sulfat wird von den Bakterien im Sediment und in der unteren Wasserschicht zu Schwefelwasserstoff umgewandelt. Dadurch entstehen die Voraussetzungen, dass abgestorbenes organisches Material besser konserviert werden kann. Die rötlichen Bakterien in der Grenzschicht nützen den Schwefelwasserstoff für eine spezielle Form von Photosynthese und verhindern so, dass dieser in die obere Wasserschicht entweicht.

Ideales Modellsystem

Der Cadagnosee ist wegen dieser speziellen Situation ein ideales Modellsystem für geologisch wichtige Lebensräume. Ähnliche Verhältnisse waren in erdgeschichtlicher Zeit in vielen Meeresbecken anzutreffen. Genau dort entstanden im Laufe der Zeit Muttergesteine, in denen das abgelagerte organische Material zu Erdöl reifte. Heutzutage findet man eine vergleichbare Situation nur an vereinzelten Stellen, etwa im Schwarzen Meer und in gewissen Fjorden Norwegens.

Die Forscher haben nun festgestellt, dass die Umwandlung von gewissen organischen Verbindungen, die für Bakterien und Algen typisch sind, in Anwesenheit von Schwefelwasserstoff offenbar kurz nach dem Absterben der Lebewesen einsetzt. Teilweise gesättigte Kohlenstoffketten findet man bereits in den obersten Sedimentschichten, die erst vor kurzem abgelagert wurden. Auffallend ist auch, dass das Aufbrechen der Doppelbindungen an beliebigen Stellen entlang der Kohlenstoffketten stattfindet. „Das deutet darauf hin, dass die Umwandlung nicht durch Mikroorganismen verursacht wird“, so Bernasconi. „Denn diese setzten mit ihrem Metabolismus in der Regel an bestimmten Stellen an.“

Nachbildung im Labor

Ihre These konnte die Gruppe mit Laboruntersuchungen bestätigen. Die Wissenschaftler haben künstliche Lösungen mit den entsprechenden organischen Verbindungen bei 50 bis 90 Grad einige Wochen lang reagieren lassen. Die Analyse zeigte, dass im Labor genau dieselbe Umwandlung stattfindet, wie man sie in den Sedimenten des Sees beobachten kann. Die chemische Reaktion verläuft dabei in zwei Schritten, wie Bernasconi erläutert: Zuerst bindet sich eine einfache Schwefel-Wasserstoff (SH) Gruppe an die Kohlenstoffkette. In einem zweiten Schritt wird diese Gruppe dann reduziert; das Schwefelatom wird herausgelöst, so dass nur noch ein Wasserstoffatom übrig bleibt.

Bernasconi ist überzeugt, dass das Team einen wichtigen Mechanismus im globalen Kohlenstoffkreislauf entdeckt hat. „Das hilft uns, die Entstehung von Erdöl besser zu verstehen“, ist er überzeugt. Von Bedeutung könnte der neu entdeckte Prozess auch bei den sogenannten „Black Smokers“ sein. Dabei handelt es sich um untermeerische Quellen, bei denen heisses, schwefelhaltiges Wasser ausströmt. Man vermutet, dass in der Umgebung dieser Quellen das Leben auf der Erde entstanden sein könnte. Rund um diese „Black Smokers“ könnten ähnliche chemische Reaktionen stattfinden wie in den Tiefen des unscheinbaren Cadagnosees.