Wir nähern uns der Identifizierung eines wichtigen Moments in der Geschichte der Erdentwicklung

Für die überwiegende Mehrheit der Tiere auf der Erde ist Atem gleichbedeutend mit Leben. Doch während der ersten 2 Milliarden Jahre der Existenz unseres Planeten war Sauerstoff knapp.

Dies bedeutet nicht, dass die Erde die ganze Zeit leblos war, aber dieses Leben war seltener und ganz anders als das, was wir heute kennen.

Erst als komplexere Bakterien, die zur Photosynthese fähig sind, ins Spiel kamen, begann sich alles zu ändern und löste das aus, was Wissenschaftler ein großes Oxidationsereignis nennen. Aber wann ist das alles passiert? Und wie ist das alles passiert?

Eine neue Technik der genetischen Analyse hat Anhaltspunkte für eine neue Chronologie geliefert. Schätzungen zufolge brauchten Bakterien 400 Millionen Jahre, um Sonnenlicht zu verschlingen und Sauerstoff auszublasen, bevor das Leben wirklich gedeihen konnte.

Mit anderen Worten, es gab wahrscheinlich schon lange vor dem großen Oxidationsereignis Organismen auf unserem Planeten, die zur Photosynthese fähig waren.

„In der Evolution fangen die Dinge immer klein an“, Erklären Geobiologe Greg Fournier vom Massachusetts Institute of Technology.

„Obwohl es Beweise für die frühe sauerstoffreiche Photosynthese gibt – die wichtigste und erstaunlichste evolutionäre Innovation auf der Erde -, dauerte es noch Hunderte von Millionen Jahren, bis sie erfolgreich war.“

Gegenwärtig gibt es zwei konkurrierende Berichte, um die Evolution der Photosynthese in speziellen Bakterien, die als Cyanobakterien bekannt sind, zu erklären. Einige glauben, dass der natürliche Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie ziemlich früh in der Evolutionsszene angekommen ist, aber dass er mit „einer langsamen Sicherung“ fortgeschritten ist. Andere glauben, dass sich die Photosynthese später entwickelt hat, aber „wie ein Lauffeuer abhob“.

Ein Großteil der Meinungsverschiedenheiten beruht auf Annahmen darüber, wie schnell sich Bakterien entwickeln, und auf unterschiedlichen Interpretationen des Fossilienbestands.

Fournier und seine Kollegen fügten daher dem Mix eine weitere Form der Analyse hinzu. In seltenen Fällen kann ein Bakterium Gene manchmal nicht von seinen Eltern, sondern von einer anderen entfernten Spezies erben. Dies kann passieren, wenn eine Zelle eine andere „frisst“ und die Gene der anderen in ihr Genom einbaut.

Wissenschaftler können diese Informationen verwenden, um das relative Alter verschiedener Bakteriengruppen zu bestimmen; zum Beispiel müssen diejenigen, die Gene gestohlen haben, sie einer Spezies entwendet haben, die zur gleichen Zeit wie sie existierte.

Solche Beziehungen können dann mit spezifischeren Datierungsversuchen verglichen werden, beispielsweise mit molekularen Uhrenmodellen, die die genetischen Sequenzen von Organismen verwenden, um die Geschichte genetischer Veränderungen zu verfolgen.

Zu diesem Zweck durchkämmten die Forscher die Genome Tausender Bakterienarten, darunter auch Cyanobakterien. Sie suchten nach Fällen von horizontalem Gentransfer.

Insgesamt identifizierten sie 34 anschauliche Beispiele. Durch den Vergleich dieser Beispiele mit sechs molekularen Uhrenmodellen fanden die Autoren insbesondere eines, das am besten funktionierte. Das Team wählte dieses Modell aus der Mischung und führte Schätzungen durch, um das tatsächliche Alter der photosynthetischen Bakterien zu bestimmen.

Die Ergebnisse legen nahe, dass alle heute lebenden Cyanobakterien-Arten einen gemeinsamen Vorfahren haben, der vor etwa 2,9 Milliarden Jahren existierte. Inzwischen sind die Vorfahren von jene Vorfahren gingen vor etwa 3,4 Milliarden Jahren aus nicht-photosynthetischen Bakterien hervor.

Die Photosynthese hat sich wahrscheinlich irgendwo zwischen diesen beiden Daten entwickelt.

Nach dem bevorzugten Evolutionsmodell des Teams haben Cyanobakterien wahrscheinlich mindestens 360 Millionen Jahre vor der GEO Photosynthese betrieben. Wenn sie richtig liegen, stärkt dies die Hypothese der „langsamen Sicherung“.

„Dieser neue Artikel wirft ein wesentliches neues Licht auf die Geschichte der Sauerstoffversorgung der Erde, indem er auf beispiellose Weise den Fossilienbestand mit Genomdaten, einschließlich horizontaler Gentransfers, verknüpft“, genannt Biogeochemiker Timothy Lyons von der University of California at Riverside.

„Die Ergebnisse sprechen von den Anfängen der biologischen Sauerstoffproduktion und ihrer ökologischen Bedeutung, die den Modellen und Kontrollen der ersten Sauerstoffversorgung der Ozeane und der anschließenden Anreicherung in der Atmosphäre entscheidende Grenzen setzt.“

Die Autoren hoffen, in Zukunft ähnliche Genanalysetechniken verwenden zu können, um andere Organismen als Cyanobakterien zu analysieren.

Die Studie wurde veröffentlicht in Verfahren der Royal Society B.