Überraschend früh: Schon rund eine Milliarde Jahre vor den ersten Cyanobakterien könnten primitive Mikroben Sauerstoff produziert haben. Denn sie besaßen einen frühen Vorläufer der Proteine, mit denen Pflanzen heute ihre Photosynthese durchführen. Das haben Forscher festgestellt, als sie die Evolution dieser Photosystem-Proteine rekonstruierten. Ihre Erkenntnisse könnten damit auch erklären, woher der erste Sauerstoff der Erde kam.
Vor rund 2,4 Milliarden erlebte die Erdatmosphäre einen großen Wandel: Cyanobakterien begannen, mittels Photosynthese große Mengen an Sauerstoff zu produzieren und dadurch nahm der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre rasant zu. Rätselhaft nur: Urzeitliches Sedimentgestein legt nahe, dass es schon lange vor der ersten Blaualgenblüte durchaus Sauerstoff auf der Erde gab, wenn auch nicht so viel wie heute.
Rätsel um frühen Sauerstoff
Doch woher kam dieser Sauerstoff? Einige Forscher vermuten, dass die Cyanobakterien doch früher entstanden als bisher gedacht oder dass abiotische Prozesse wie eine Spaltung von Kohlendioxid durch Licht den ersten Sauerstoff freigesetzt haben könnten. Andere halten die Produktion von Sauerstoff durch Bakterien mit rotvioletten Photopigmenten für wahrscheinlicher.
Eine weitere Möglichkeit haben nun Tanai Cardona vom Imperial College London und sein Team entdeckt. Für ihre Studie hatten sie die Evolution der zwei Kernproteine des Photosystems II rekonstruiert. Denn frühere Untersuchungen sprachen dafür, dass beide Proteine auf nur ein Molekül zurückgehen – und dass schon dieses den ersten Archaeen zu einer einfachen Form der Photoreaktion unter Abgabe von Sauerstoff verholfen haben könnte.
Eine Milliarde Jahre vor den Cyanobakterien
Die große Frage aber war, wann dieser urzeitliche Vorläufer des sauerstoffproduzierenden Proteins entstand. Um das herauszufinden, verglichen die Forscher die Aminosäuren-Abfolgen der beiden heute existierenden Photosystem-Proteine bei verschiedenen Pflanzen, Algen und Bakterien. Aus den Unterschieden zwischen mehr und weniger verwandten Stammeslinien rekonstruierten sie die Rate, mit der sich die beiden Proteine auseinander entwickelt haben müssen – und konnten so abschätzen, wann das gemeinsame Vorläuferprotein existierte.
Das Ergebnis: „Unsere Studie zeigt, dass der sauerstofferzeugende Teil der Photosynthese lange vor den ersten Cyanobakterien entstand“, sagt Cardona. „Schon rund eine Milliarde Jahre bevor der Vorfahre der Blaualgen mit der Photosynthese begann, gab es in frühen Archaeen ein Photosystem, das Wasser spalten konnte.“ Schon diese ersten Lebewesen könnten demnach das Sonnenlicht genutzt haben, um aus Wasser und CO2 Sauerstoff zu erzeugen und Energie zu gewinnen.
„Enormer Wandel unserer Vorstellungen
Dieses Szenario könnte eine weitere Erklärung dafür liefern, warum es schon vor der großen Oxygenierung vor mehr als 2,4 Milliarden Jahren zwar Sauerstoff auf der Erde gab, aber noch nicht genug, um die Uratmosphäre stark zu verändern. Denn der Vorläufer der beiden Photosystem-Proteine konnte zwar Sauerstoff produzieren, war dabei wahrscheinlich noch relativ ineffektiv, wie die Forscher erklären. Erst als dann die beiden Unterformen entstanden, änderte sich dies.
„Das bedeutet, dass der Ursprung der sauerstofferzeugenden Photosynthese und die Entwicklung der Cyanobakterien nicht das Gleiche sind – es könnte sogar eine große zeitliche Lücke zwischen beiden Ereignissen klaffen“, betont Cardona. „Das ist ein enormer Wandel unserer Vorstellungen und Perspektive.“ (Geobiology, 2018; doi: 10.1111/gbi.12322)
(Imperial College London, 28.11.2018 – NPO)
