(Sciepro/Science Photo Library/Getty Images) Für die überwiegende Mehrheit der Tiere auf der Erde ist der Atem gleichbedeutend mit Leben. Doch in den ersten zwei Milliarden Jahren der Existenz unseres Planeten Sauerstoff war knapp .
Das bedeutet nicht, dass die Erde die ganze Zeit über leblos war, aber das Leben war seltener und ganz anders als das, was wir heute kennen.
Erst als komplexere Bakterien in der Lage waren, Photosynthese zu betreiben betrat die Szene dass sich alles zu verändern begann und das auslöste, was Wissenschaftler ein großes Oxidationsereignis nennen. Aber wann ist das alles passiert? Und wie hat sich das alles entwickelt?
Eine neue Technik zur Genanalyse hat Hinweise auf eine neue Zeitachse geliefert. Den Schätzungen zufolge brauchten die Bakterien 400 Millionen Jahre, um das Sonnenlicht zu verschlingen und Sauerstoff auszustoßen, bevor das Leben wirklich gedeihen konnte.
Mit anderen Worten: Lange vor dem Großen Oxidationsereignis gab es wahrscheinlich Organismen auf unserem Planeten, die zur Photosynthese fähig waren.
„In der Evolution fängt es immer klein an“ erklärt Geobiologe Greg Fournier vom Massachusetts Institute of Technology.
„Obwohl es Beweise für die frühe sauerstoffhaltige Photosynthese gibt – die wichtigste und wirklich erstaunlichste evolutionäre Innovation auf der Erde – dauerte es dennoch Hunderte von Millionen Jahren, bis sie in Schwung kam.“
Derzeit gibt es zwei konkurrierende Narrative, um die Entwicklung der Photosynthese in speziellen Bakterien, den sogenannten Cyanobakterien, zu erklären. Einige glauben, dass der natürliche Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie schon recht früh auf der Evolutionsbühne Einzug gehalten habe, dass er jedoch „langsam“ vorangekommen sei. Andere glauben, dass sich die Photosynthese erst später entwickelte, aber „wie ein Lauffeuer an Fahrt gewann“.
Ein Großteil der Meinungsverschiedenheiten beruht auf Annahmen über die Geschwindigkeit, mit der sich Bakterien entwickeln, und auf unterschiedlichen Interpretationen des Fossilienbestands.
Deshalb haben Fournier und seine Kollegen nun eine weitere Form der Analyse hinzugefügt. In seltenen Fällen kann es vorkommen, dass ein Bakterium Gene nicht von seinen Eltern, sondern von einer anderen entfernt verwandten Art erbt. Dies kann passieren, wenn eine Zelle eine andere „frisst“ und deren Gene in ihr Genom einbaut.
Wissenschaftler können diese Informationen nutzen, um das relative Alter verschiedener Bakteriengruppen herauszufinden; Beispielsweise müssen diejenigen, die Gene gestohlen haben, diese einer Art entrissen haben, die zur gleichen Zeit wie sie existierte.
Solche Beziehungen können dann mit spezifischeren Datierungsversuchen verglichen werden, etwa mit molekularen Uhrenmodellen, die die genetischen Sequenzen von Organismen nutzen, um die Geschichte genetischer Veränderungen zu verfolgen.
Zu diesem Zweck durchforsteten Forscher die Genome Tausender Bakterienarten, darunter auch Cyanobakterien. Sie suchten nach Fällen horizontalen Gentransfers.
Insgesamt identifizierten sie 34 eindeutige Beispiele. Beim Vergleich dieser Beispiele mit sechs molekularen Uhrenmodellen stellten die Autoren fest, dass eines besonders konsistent war. Das Team wählte dieses Modell aus und führte Schätzungen durch, um herauszufinden, wie alt photosynthetisierende Bakterien tatsächlich sind.
Die Ergebnisse legen nahe, dass alle heute lebenden Cyanobakterienarten einen gemeinsamen Vorfahren haben, der vor etwa 2,9 Milliarden Jahren existierte. Inzwischen sind die Vorfahren von diese Vorfahren haben sich vor etwa 3,4 Milliarden Jahren von nicht-photosynthetischen Bakterien abgespalten.
Die Photosynthese entwickelte sich wahrscheinlich irgendwo zwischen diesen beiden Daten.
Nach dem vom Team bevorzugten Evolutionsmodell betrieben Cyanobakterien wahrscheinlich mindestens 360 Millionen Jahre vor der GEO Photosynthese. Wenn sie Recht haben, stützt dies die Hypothese der „langsamen Sicherung“ weiter.
„Dieses neue Papier wirft ein wesentliches neues Licht auf die Geschichte der Sauerstoffversorgung der Erde, indem es auf neuartige Weise den Fossilienbestand mit Genomdaten, einschließlich horizontaler Gentransfers, verbindet.“ sagt Biogeochemiker Timothy Lyons von der University of California in Riverside.
„Die Ergebnisse verdeutlichen die Anfänge der biologischen Sauerstoffproduktion und ihre ökologische Bedeutung auf eine Art und Weise, die wichtige Einschränkungen für die Muster und Kontrollen der frühesten Sauerstoffanreicherung der Ozeane und späteren Ansammlungen in der Atmosphäre liefert.“
Die Autoren hoffen, in Zukunft ähnliche Genanalysetechniken auch für die Analyse anderer Organismen als Cyanobakterien einsetzen zu können.
Die Studie wurde veröffentlicht in Verfahren der Royal Society B .