Für die überwiegende Mehrheit der Tiere auf der Erde ist Atem gleichbedeutend mit Leben. Doch in den ersten 2 Milliarden Jahren der Existenz unseres Planeten war Sauerstoff knapp.
Das bedeutet nicht, dass die Erde die ganze Zeit leblos war, aber dieses Leben war seltener und unterschied sich erheblich von dem, was wir heute kennen.
Erst als komplexere Bakterien, die Photosynthese betreiben konnten, auf den Plan traten, 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 ausgegangen?
Eine neue Genanalysetechnik hat die Hinweise auf eine neue Zeitleiste geliefert. Die Schätzungen deuten darauf hin, dass Bakterien 400 Millionen Jahre brauchten, um Sonnenlicht zu verschlingen und Sauerstoff auszublasen, bevor das Leben wirklich gedeihen konnte.
Mit anderen Worten, es gab wahrscheinlich Organismen auf unserem Planeten, die lange vor dem Großen Oxidationsereignis zur Photosynthese fähig waren.
„In der Evolution fangen die Dinge immer klein an“, erklärt der Geobiologe Greg Fournier vom Massachusetts Institute of Technology.
„Obwohl es Beweise für die frühe sauerstoffhaltige Photosynthese gibt – die die wichtigste und wirklich erstaunliche evolutionäre Innovation auf der Erde ist – dauerte es immer noch Hunderte von Millionen Jahren, bis sie erfolgreich war.“
Derzeit gibt es zwei konkurrierende Erzählungen, um die Evolution der Photosynthese in speziellen Bakterien, den sogenannten Cyanobakterien, zu erklären. Einige denken, dass der natürliche Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie recht 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 über die Geschwindigkeit, mit der sich Bakterien entwickeln, und auf unterschiedliche Interpretationen des Fossilienbestands.
Daher haben Fournier und seine Kollegen nun eine weitere Form der Analyse hinzugefügt. In seltenen Fällen kann ein Bakterium manchmal Gene nicht von seinen Eltern, sondern von einer anderen entfernt verwandten Art 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 herauszufinden; zum Beispiel müssen diejenigen, die Gene gestohlen haben, diese einer Spezies entnommen haben, die zur gleichen Zeit wie sie existierte.
Solche Beziehungen können dann mit spezifischeren Datierungsversuchen wie molekularen Uhrenmodellen verglichen werden, die die genetischen Sequenzen von Organismen verwenden, um eine 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. Beim Vergleich dieser Beispiele mit sechs molekularen Uhrenmodellen stellten die Autoren fest, dass insbesondere eines am beständigsten passte. Das Team wählte dieses Modell aus der Mischung aus und führte Schätzungen durch, um herauszufinden, wie alt photosynthetische Bakterien wirklich sind.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, 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 stammten vor etwa 3,4 Milliarden Jahren von nicht-photosynthetischen Bakterien ab.
Die Photosynthese hat sich wahrscheinlich irgendwo zwischen diesen beiden Daten entwickelt.
Nach dem bevorzugten Evolutionsmodell des Teams hatten Cyanobakterien wahrscheinlich mindestens 360 Millionen Jahre vor der GEO Photosynthese betrieben. Wenn sie Recht haben, unterstützt dies die Hypothese der “langsamen Sicherung”.
„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 der Biogeochemiker Timothy Lyons von der University of California in Riverside.
“Die Ergebnisse sprechen von den Anfängen der biologischen Sauerstoffproduktion und ihrer ökologischen Bedeutung, die die Muster und Kontrollen der frühesten Sauerstoffversorgung der Ozeane und der späteren Ansammlungen in der Atmosphäre entscheidend einschränken.”
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.