Eine neue Studie zeigt, dass sich die sauerstoffhaltige Photosynthese wahrscheinlich vor 3.4 bis 2.9 Milliarden Jahren entwickelt hat.
Irgendwann in der Frühgeschichte der Erde wurde der Planet bewohnbar, als eine Gruppe unternehmungslustiger Mikroben, bekannt als Cyanobakterien, sauerstoffhaltige Photosynthese entwickelte – die Fähigkeit, Licht und Wasser in Energie umzuwandeln und dabei Sauerstoff freizusetzen.
Dieser evolutionäre Moment machte es möglich, dass sich Sauerstoff schließlich in der Atmosphäre und den Ozeanen ansammelte, einen Dominoeffekt der Diversifizierung auslöste und den einzigartig bewohnbaren Planeten, den wir heute kennen, formte.
Jetzt, MIT Wissenschaftler haben eine genaue Schätzung, wann Cyanobakterien und die sauerstoffhaltige Photosynthese zum ersten Mal entstanden sind. Ihre Ergebnisse wurden am 29. September 2021 im veröffentlicht Proceedings of the Royal Society B.
Sie entwickelten eine neue Genanalysetechnik, die zeigt, dass alle heute lebenden Cyanobakterien-Arten auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgeführt werden können, der sich vor etwa 2.9 Milliarden Jahren entwickelt hat. Sie fanden auch heraus, dass sich die Vorfahren der Cyanobakterien vor etwa 3.4 Milliarden Jahren von anderen Bakterien abzweigten, wobei sich die sauerstoffhaltige Photosynthese wahrscheinlich während der dazwischenliegenden halben Milliarde Jahre während des Archäischen Äons entwickelte.
MIT-Wissenschaftler schätzen, dass sich die sauerstoffhaltige Photosynthese – die Fähigkeit, Licht und Wasser in Energie umzuwandeln und Sauerstoff freizusetzen – erstmals vor 3.4 bis 2.9 Milliarden Jahren auf der Erde entwickelt hat. Bildnachweis: MIT News, iStockphoto
Interessanterweise platziert diese Schätzung das Auftreten der sauerstoffhaltigen Photosynthese mindestens 400 Millionen Jahre vor dem Großen Oxidationsereignis, einer Periode, in der die Atmosphäre und die Ozeane der Erde zum ersten Mal einen Anstieg des Sauerstoffs erlebten. Dies deutet darauf hin, dass Cyanobakterien möglicherweise schon früh die Fähigkeit entwickelt haben, Sauerstoff zu produzieren, dass es jedoch eine Weile dauerte, bis sich dieser Sauerstoff in der Umwelt wirklich durchsetzte.
„In der Evolution fangen die Dinge immer klein an“, sagt Hauptautor Greg Fournier, außerordentlicher Professor für Geobiologie am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences des MIT. „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.“
Zu den MIT-Co-Autoren von Fournier gehören Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper und Tanja Bosak.
Langsame Sicherung oder Lauffeuer?
Schätzungen über den Ursprung der sauerstoffhaltigen Photosynthese variieren stark, ebenso wie die Methoden, um ihre Entwicklung zu verfolgen.
Wissenschaftler können beispielsweise mit geochemischen Werkzeugen nach Spuren oxidierter Elemente in alten Gesteinen suchen. Diese Methoden haben Hinweise darauf gefunden, dass Sauerstoff bereits vor 3.5 Milliarden Jahren vorhanden war – ein Zeichen dafür, dass die sauerstoffhaltige Photosynthese die Quelle gewesen sein könnte, obwohl auch andere Quellen möglich sind.
Forscher haben auch die molekulare Uhrdatierung verwendet, die die genetischen Sequenzen von Mikroben heute verwendet, um Veränderungen in Genen durch die Evolutionsgeschichte zurückzuverfolgen. Basierend auf diesen Sequenzen verwenden die Forscher dann Modelle, um die Rate der genetischen Veränderungen abzuschätzen, um zu verfolgen, wann sich Gruppen von Organismen zum ersten Mal entwickelt haben. Die Datierung der molekularen Uhr wird jedoch durch die Qualität alter Fossilien und das gewählte Geschwindigkeitsmodell begrenzt, das je nach angenommener Geschwindigkeit unterschiedliche Altersschätzungen liefern kann.
Fournier sagt, dass unterschiedliche Altersschätzungen widersprüchliche evolutionäre Narrative implizieren können. Einige Analysen deuten beispielsweise darauf hin, dass sich die sauerstoffhaltige Photosynthese sehr früh entwickelte und „wie eine langsame Sicherung“ fortschritt, während andere darauf hindeuten, dass sie viel später auftauchte und dann „wie ein Lauffeuer abhob“, um das Große Oxidationsereignis und die Ansammlung von Sauerstoff in der Biosphäre auszulösen .
„Um die Geschichte der Bewohnbarkeit auf der Erde zu verstehen, ist es wichtig, zwischen diesen Hypothesen zu unterscheiden“, sagt er.
Horizontale Gene
Um den Ursprung von Cyanobakterien und sauerstoffhaltiger Photosynthese genau zu datieren, haben Fournier und seine Kollegen die molekulare Uhrdatierung mit dem horizontalen Gentransfer gepaart – eine unabhängige Methode, die sich nicht ausschließlich auf Fossilien oder Ratenannahmen verlässt.
Normalerweise erbt ein Organismus ein Gen „vertikal“, wenn es vom Elternteil des Organismus weitergegeben wird. In seltenen Fällen kann ein Gen auch von einer Art zu einer anderen, entfernt verwandten Art springen. Zum Beispiel kann eine Zelle eine andere essen und dabei einige neue Gene in ihr Genom einbauen.
Wenn eine solche horizontale Gentransfer-Historie gefunden wird, ist klar, dass die Gruppe von Organismen, die das Gen erworben haben, evolutionär jünger ist als die Gruppe, aus der das Gen stammt. Fournier argumentierte, dass solche Fälle verwendet werden könnten, um das relative Alter zwischen bestimmten Bakteriengruppen zu bestimmen. Das Alter dieser Gruppen könnte dann mit dem Alter verglichen werden, das verschiedene molekulare Uhrenmodelle vorhersagen. Das am nächsten kommende Modell wäre wahrscheinlich das genaueste und könnte dann verwendet werden, um das Alter anderer Bakterienarten – insbesondere Cyanobakterien – genau abzuschätzen.
Dieser Argumentation folgend, suchte das Team nach Fällen von horizontalem Gentransfer über die Genome von Tausenden von Bakterienarten, einschließlich Cyanobakterien. Sie verwendeten auch neue Kulturen moderner Cyanobakterien, die von Bosak und Moore entnommen wurden, um genauer fossile Cyanobakterien als Kalibrierungen zu verwenden. Am Ende identifizierten sie 34 eindeutige Fälle von horizontalem Gentransfer. Sie fanden dann heraus, dass eines von sechs Modellen der molekularen Uhr konsistent mit dem relativen Alter übereinstimmte, das in der horizontalen Gentransferanalyse des Teams identifiziert wurde.
Fournier führte dieses Modell durch, um das Alter der „Kronen“-Gruppe der Cyanobakterien abzuschätzen, die alle heute lebenden Arten umfasst und von denen bekannt ist, dass sie sauerstoffhaltige Photosynthese zeigen. Sie fanden heraus, dass die Kronengruppe im Archäischen Zeitalter vor etwa 2.9 Milliarden Jahren entstand, während sich Cyanobakterien insgesamt vor etwa 3.4 Milliarden Jahren von anderen Bakterien abzweigten. Dies deutet stark darauf hin, dass die sauerstoffhaltige Photosynthese bereits 500 Millionen Jahre vor dem Great Oxidation Event (GOE) stattfand und dass Cyanobakterien lange Zeit Sauerstoff produzierten, bevor er sich in der Atmosphäre anreicherte.
Die Analyse ergab auch, dass Cyanobakterien kurz vor der GOE, vor etwa 2.4 Milliarden Jahren, einen Diversifizierungsschub erlebten. Dies impliziert, dass eine schnelle Ausbreitung von Cyanobakterien die Erde in die GOE gekippt und Sauerstoff in die Atmosphäre abgegeben haben könnte.
„Dieses neue Papier wirft ein wesentliches neues Licht auf die Geschichte der Sauerstoffversorgung der Erde, indem es auf neuartige Weise den Fossilienbestand mit genomischen Daten verbindet, einschließlich horizontaler Gentransfers“, sagt Timothy Lyons, Professor für Biogeochemie an der University of California in Riverside. „Die Ergebnisse sprechen für die Anfänge der biologischen Sauerstoffproduktion und ihre ökologische Bedeutung in einer Weise, die wichtige Einschränkungen für die Muster und Kontrollen der frühesten Sauerstoffversorgung der Ozeane und späterer Ansammlungen in der Atmosphäre bietet.“
Fournier plant, den horizontalen Gentransfer über Cyanobakterien hinaus anzuwenden, um die Ursprünge anderer schwer fassbarer Arten zu ermitteln.
„Diese Arbeit zeigt, dass molekulare Uhren, die horizontale Gentransfers (HGTs) beinhalten, versprechen, das Alter von Gruppen über den gesamten Lebensbaum hinweg zuverlässig anzugeben, selbst für uralte Mikroben, die keine fossilen Aufzeichnungen hinterlassen haben … etwas, das zuvor unmöglich war“, sagt Fournier.
Referenz: „The archean origin of oxygenic photosynthese and extant cyanobacterial lineages“ von GP Fournier, KR Moore, LT Rangel, JG Payette, L. Momper und T. Bosak, 29. September 2021, Proceedings of the Royal Society B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Diese Forschung wurde teilweise von der Simons Foundation und der National Science Foundation unterstützt.
