Umwelt 
Existenzfrage: Warum Leben Phosphor braucht
Ohne Phosphor kein Leben auf der Erde. Phosphorverbindungen stecken in der Erbsubstanz DNA und in ihrem Botenjungen, der RNA. Das Adenosintriphosphat, eine stark phosphorhaltige Verbindung, versorgt die Zellen über eine komplexe Maschinerie mit Energie. Und die Phosphorylierung, das Anhängen einer Phosphatgruppe an ein Eiweiß, ist einer der wichtigsten Regulierungsmechanismen in Organismen.
Besonders die Landwirtschaft verbraucht inzwischen mehr Phosphate, als von der Natur bereitgestellt werden. Mit jeder Ernte werden große Mengen entnommen und nicht mehr in den Naturkreislauf zurückgeführt. Weshalb Forscher seit geraumer Zeit warnen, dass die Ernährung der Menschheit in Gefahr ist. Wann die letzten Phosphatlagerstätten endgültig ausgebeutet sein werden, darüber streiten die Wissenschaftler: Manche sagen in 200 bis 300 Jahren, andere in 50 bis 100 Jahren.
Phosphate, die Grundsubstanz für Kunstdünger, werden heute vor allem durch den Abbau von Gestein gewonnen. Die Vorkommen von Guano, den Exkrementen von Seevögeln, sind erschöpft. Der größte Phosphatlieferant der Erde ist dem U. S. Geological Survey zufolge China, in weitem Abstand gefolgt von Marokko mit den Westsaharastaaten und den USA. Vor allem in Südamerika und Asien steige der Bedarf, schreibt der Geological Survey. Die Weltreserven an Phosphatgestein werden auf über 300 Milliarden Tonnen veranschlagt.
Ein großes Problem ist die ungleiche Verteilung und der Verlust der Phosphate: Über die Hälfte der Menschen lebt inzwischen in den Städten und nicht mehr auf dem Land, wo die Ausscheidungen von Mensch und Tier wieder auf den Feldern landeten. Der lebensnotwendige Phosphor reist mit Fleisch, Eiern, Obst und Gemüse in die Ballungszentren. Die Ausscheidungen der Städter landen in der Kanalisation und werden von dort über die Flüsse ins Meer gespült – sie verschwinden ungenutzt.
Klärschlamm unbenutzbar
In Ländern mit Abwasserreinigung entsteht zwar fruchtbarer Klärschlamm. Da der aber mit Arzneirückständen, Schwermetallen oder Hormonen belastet ist, kann man ihn nicht ohne Weiteres als Dünger auf die Felder ausbringen. In Deutschland wird weniger als die Hälfte des Klärschlamms auf dem Acker recycelt, der Rest geht in die Verbrennung und landet auf der Deponie. Damit ist der Phosphor für die Landwirtschaft verloren und muss ersetzt werden.
Den natürlichen Phosphatkreislauf dachte sich die Wissenschaft lange so: Rund 10 Prozent des auf den Landmassen umlaufenden Phosphats wird ausgeschwemmt, von den Flüssen ins Meer transportiert und setzt sich dort in den tiefen Regionen ab, wo es zunächst verloren scheint. Doch im Verlauf von Millionen Jahren heben sich durch die Bewegungen in der Erdkruste Teile des Meeresbodens wieder an, sodass die phosphathaltigen Gebiete an die Oberfläche kommen, dort verwittern und neues Material liefern, das Pflanzen und Tiere einbauen. Weil die Verwitterung viel zu langsam arbeitet, springen phosphatisierende Bakterien in die Bresche und bereiten den lebenswichtigen Stoff für die Organismen auf.
Vor einigen Jahren kam allerdings Christopher Doughty von der Universität Oxford zu einer ganz anderen Einschätzung: Es sind die Ausscheidungen der Tiere, die den Phosphatkreislauf der Erde über weite Strecken am Laufen halten. Die Fauna holt den wertvollen Stoff aus dem Meer und bringt ihn zurück an Land oder verteilt ihn über die Kontinente. Dieser Kreislauf ist in Gefahr. Und das hat auch mit dem Menschen zu tun.
In den Ozeanen sind es vor allem die großen Wale, die sich tief unten ihr Futter holen: Krill oder Kraken und andere Beute. Nahe an der Oberfläche erleichtern sie in regelmäßigen Abständen Darm und Blase. Mit dem Kot und dem Urin werden Eisen, Stickstoffverbindungen und Phosphate ausgeschieden, die die Meere düngen. Algen, die Photosynthese betreiben, nehmen sie auf. Dieses pflanzliche Plankton dient anderen Meeresbewohnern als Futter, die selbst wieder als Futter enden, und so schließt sich der Kreis.
Große Herden gibt es kaum noch
Am Meer lebende Tiergruppen bringen die Grundsubstanzen an Land: Seevögel etwa, die sich von Fischen ernähren und deren Hinterlassenschaften sich als Guano auf Inseln oder in Küstennähe ablagern – natürlicher Dünger für die Vegetation. Besonders die großen Pflanzenfresser schleppen die Phosphate und den Stickstoff in ihrem Darm ins Landesinnere und setzen die Substanzen dort in einer Form frei, in der sie für andere Lebewesen verwertbar sind.
Auf diese Weise tragen die Pflanzenfresser dazu bei, dass sie selbst immer genug Nahrung finden und ernähren gleichzeitig die Räuber, die es auf sie abgesehen haben und dann die essenziellen Bausteine ebenfalls weiterverbreiten können.
Mehr noch als Seevögel sorgen wandernde Fischarten wie der Lachs für Phosphor-Nachschub, argumentieren Doughty und seine Kollegen aus Europa und den USA im Fachblatt „PNAS“ – dann nämlich, wenn sie sich zum Ablaichen durchschlagen bis zu den Oberläufen ihrer Geburtsflüsse, tief im Hinterland, und auf dem Weg dahin von Bären oder Ottern in Massen gefressen und verdaut werden.
Dieser Nährstoffkreislauf funktioniert mittlerweile schlechter als früher. Große Pflanzenfresser wie Mammuts, die riesige Mengen Phosphate und andere Grundsubstanzen über Land transportieren konnten, sind vor 12.000 Jahren ausgestorben. Und der Mensch hat seither massiv in die Natur eingegriffen: Große, frei umherziehende Herden gibt es kaum noch auf der Welt. Die Wal- und Seevögelpopulationen sind massiv eingebrochen oder bedroht.
Eisenoxide als Verwandler
Trotz dieser Erkenntnisse: Noch immer ist das letzte Wort in Sachen Phosphorkreislauf nicht gesprochen. Die Northwestern University hat eine weitere natürliche Quelle für das Lebenselixier entdeckt – Minerale. In seiner für das Leben verwertbaren Form ist Phosphor direkt oder indirekt über eine Sauerstoffbrücke an Kohlenstoffatome gebunden. Pflanzen und Mikroorganismen setzen Enzyme ein, um die Kohlenstoffverbindung im organischen Phosphor zu knacken und biologisch verfügbaren, elementaren Phosphor zu gewinnen.
Aber nicht nur Enzyme sind dazu in der Lage, schreibt das Team um Ludmilla Aristilde im Fachblatt „Nature Communications“: Eisenoxide, die in Böden und Sedimenten vorkommen, beherrschen diese Umwandlung genauso. Und bewerkstelligen das ähnlich schnell wie die Enzyme.
Wenn Pflanzenreste in der Erde verrotten, hinterlassen sie viele Nährstoffe und außerdem die Erbsubstanzen DNA und RNA, die organisch gebundenen Phosphor enthalten. „Besonders von Eisenoxiden war bekannt, dass sie auch als Katalysatoren arbeiten“, erzählt Ludmilla Aristilde. „Also schaute sich meine Arbeitsgruppe diese Minerale an.“
Bei den Laborversuchen mit den Eisenoxiden fehlte seltsamerweise immer ein Teil des nicht organischen Phosphors, sodass die Wissenschaftler sich an der Stanford University mit einer speziellen Röntgenanalyse auf die Suche danach machten.
Der mysteriöse Schwund
Wie sich bei den Untersuchungen schließlich herausstellte, gewinnen die Minerale den Phosphor tatsächlich aus den DNA- und RNA-Molekülen der Pflanzenreste zurück. „Aber nicht der gesamte organisch gebundene Phosphor findet sich hinterher in der Lösung, weil er zum Teil auf der Oberfläche der Eisenoxide kleben bleibt“, erklärt Aristilde. Daher der mysteriöse Schwund, der die Forscher stutzig gemacht hatte.
Nicht nur der Phosphorkreislauf auf der Erde müsse jetzt neu gedacht werden, auch für unseren Nachbarplaneten im Sonnensystem habe das womöglich Konsequenzen. Aristilde: „Der Mars ist rot, weil er voller Eisenoxid ist. Wenn man dort nicht organischen Phosphor findet, der von den Mineralen eingefangen wurde, dann ließe sich logischerweise fragen: Könnte dieser Phosphor einen biologischen Ursprung haben – also von früherem Leben stammen?“
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Dieser Artikel stammt aus der RHEINPFALZ am SONNTAG, der Wochenzeitung der RHEINPFALZ. Digital lesen Sie die vollständige Ausgabe bereits samstags im E-Paper in der RHEINPFALZ-App (Android, iOS). Sonntags ab 5 Uhr erhalten Sie dort eine aktualisierte Version mit den Nachrichten vom Samstag aus der Pfalz, Deutschland und der Welt sowie besonders ausführlich vom Sport.