Winzige Fossilien, die fast zwei Milliarden Jahre lang in alten Gesteinsbrocken eingeschlossen waren, liefern uns den bisher frühesten Beweis für die Photosynthese auf der Erde.
In der McDermott-Formation in der Wüste Nordaustraliens wurden winzige Strukturen namens Thylakoide in vermutlich versteinerten Cyanobakterien aus der Zeit vor 1,75 Milliarden Jahren entdeckt.
Diese Strukturen befinden sich heute in den Zellen photosynthetischer Organismen und enthalten das Pigment Chlorophyll, das zur Absorption des Lichts für die Photosynthese verwendet wird.
Dies bedeutet, dass die Mikrofossilien den ältesten direkten Beweis für Photosynthese darstellen und uns ein neues Mindestalter für die Entstehung von Thylakoid-tragenden Cyanobakterien und ein neues Werkzeug zum Verständnis früher Erdökosysteme und der Entstehung des Lebens auf unserem Planeten liefern.
„Unsere Studie liefert direkte Beweise für das Vorhandensein metabolisch aktiver Cyanobakterien, die eine sauerstoffhaltige Photosynthese durchführen“, schreibt ein Team um die Paläomikrobiologin Catherine Demoulin von der Universität Lüttich.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine detaillierte Analyse anderer Fossilien weitere Strukturen dieser Art identifizieren und den Zeitpunkt bestimmen könnte, an dem photosynthetisierende Strukturen verschlungen und von den frühesten Formen komplexer Algenzellen genutzt wurden.
Die Photosynthese, bei der Sonnenlicht genutzt wird, um Wasser und Kohlendioxid in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln, scheint etwas zu sein, was Pflanzen und Algen dort einfach nur still und leise tun, aber sie ist die Grundlage für das Überleben fast aller Lebewesen.
Photosynthetische Organismen bilden nicht nur die Grundlage der meisten Nahrungsnetze, ihre Stoffwechselprozesse füllen die Atmosphäre auch mit dem atembaren Sauerstoff, den die meisten von uns zum Überleben benötigen.
Wir wissen, dass es zu Beginn der Erdgeschichte nicht viel frei schwebenden Sauerstoff in der Atmosphäre und den Ozeanen gab. Verschiedene geochemische Beweise zeigen jedoch, dass der Sauerstoffgehalt vor etwa 2,4 Milliarden Jahren im Rahmen des sogenannten „Großen Oxidationsereignisses“ plötzlich in die Höhe schoss. Es ist unklar, was die Ursache dafür war, aber eine Möglichkeit ist die Entstehung photosynthetischer Organismen.
Der früheste unbestrittene mikrofossile Beweis für Cyanobakterien ist ein Organismus namens Eoentophysialis belcherensis, datiert auf bis zu 2,018 Milliarden Jahre. Aber Fossilien sind oft schwer zu interpretieren und ihre inneren Strukturen sind nicht immer intakt erhalten. Und nicht alle Cyanobakterienarten haben Thylakoide.
Demoulin und ihre Kollegen verwendeten verschiedene hochauflösende Mikroskopietechniken, um die äußeren und inneren Strukturen von Mikrofossilien einer Art zu untersuchen, die als bekannt ist Navifusa majensis, vermutlich Cyanobakterien. Und in den Körpern der einzelligen Organismen aus zwei Fossillagerstätten fanden sie Thylakoidmembranen.
Diese Fossilien stammen aus der Grassy-Bay-Formation in Kanada und wurden auf die Zeit vor bis zu 1,01 Milliarden Jahren datiert. und die McDermott-Formation, die sich bis vor 1,75 Milliarden Jahren erstreckt. Dies verlängert den Fossilienbestand der Thylakoide um satte 1,2 Milliarden Jahre zurück – und bedeutet, dass sich die sauerstoffhaltige Photosynthese bereits vor dieser Zeit entwickelt haben muss.
Wir wissen jedoch immer noch nicht, ob es sich rechtzeitig entwickelt hat, um zum Großen Oxidationsereignis beizutragen. Nur die Entdeckung und sorgfältige Untersuchung noch älterer Fossilien könnte uns eine Antwort auf diese brennende Frage geben.
„Die Entdeckung konservierter Thylakoide im Inneren N. majensis „Die hier berichtete Studie liefert direkte Beweise für ein Mindestalter von etwa 1,75 Milliarden Jahren für die Divergenz zwischen Thylakoid-tragenden und Thylakoid-losen Cyanobakterien“, schreiben die Forscher.
„Wir gehen davon aus, dass ähnliche Ultrastrukturanalysen gut erhaltener Mikrofossilien die geologischen Aufzeichnungen sauerstoffhaltiger Photosynthesizer und früher, schwach sauerstoffhaltiger Ökosysteme, in denen sich komplexe Zellen entwickelten, erweitern könnten.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur.