Die Entwicklung der Sauerstoff-Atmung stellt einen entscheidenden Schritt in der Geschichte des Lebens auf der Erde dar. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat eine bislang unbekannte Variante eines Chinon-Moleküls entdeckt: Methylplastochinon. Diese Entdeckung, die in den Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) veröffentlicht wurde, könnte grundlegende Erkenntnisse darüber liefern, wie und wann Organismen begannen, Sauerstoff zu nutzen.
Methylplastochinon wurde in einem stickstoffverwertenden Bakterium des Phylums Nitrospirota nachgewiesen. Dieser Nachweis ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung, da er darauf hinweist, dass die Grundlagen der Sauerstoff-Atmung bereits vor 2,3 Milliarden Jahren existierten, lange bevor signifikante Mengen an Sauerstoff in der Erdatmosphäre vorhanden waren. Durch diese Entdeckung wird die Hypothese in Frage gestellt, dass die Photosynthese der erste Prozess war, der Sauerstoff produziert hat. Tatsächlich zeigen die Ergebnisse, dass bereits einige Bakterien in der Lage waren, Sauerstoff effektiv zu nutzen.
Evolutionäre Bedeutung der Entdeckung
Die Forschungsarbeiten, die von Dr. Felix Elling durchgeführt wurden und durch das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert werden, beleuchten die evolutionäre Neuerung der Sauerstoff-Atmung. Diese Fähigkeit zur Nutzung von Sauerstoff zur Energiegewinnung entwickelte sich vor etwa 2,5 Milliarden Jahren und wurde später von Eukaryoten übernommen. Methylplastochinon könnte demnach als dritter Chinon-Typ zwischen anaeroben und aeroben Chinonen fungieren, was die Übergänge in der evolutionären Entwicklung verdeutlicht.
Die Entdeckung von Methylplastochinon wirft neues Licht auf die Sauerstoffkatastrophe, auch bekannt als das Great Oxygenation Event. Diese Phase, die vor 2,3 bis 2,4 Milliarden Jahren stattfand, war geprägt von einem drastischen Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs, der das Leben auf der Erde grundlegend veränderte. Die neue Erkenntnis könnte dazu beitragen, dieses komplexe Ereignis besser zu verstehen und die Dynamik der Sauerstoffproduktion in frühzeitlichen Ökosystemen zu entschlüsseln.
Zusammenhänge zwischen Photosynthese und Baketien
In diesem Kontext ist es wichtig, die Rolle der cyanobakteriellen Bevölkerung zu betrachten, die unter bestimmten Umweltbedingungen, die von Verfügbarkeit und Wettbewerb um Nährstoffe geprägt waren, gedeihen konnte. Laut neuen Modellen war das Anoxigen photosynthetische Bakterien (APB) die dominierende Gruppe, solange Elektronendonoren wie Fe2+ und H2S verfügbar waren. Diese Bakterien benötigten Phosphat für die Fortpflanzung, während auch die cyanobakterielle Bioverfügbarkeit ansteigende Phosphatkonzentrationen erforderte.
Im Wechselspiel dieser Mikrolebensgemeinschaften konnte eine Transformation stattfinden: Vom dominierenden APB zu einer Vorherrschaft der Cyanobakterien, die Sauerstoff produzieren konnten. Dies war eng verknüpft mit der Verfügbarkeit von Nährstoffen und der Sauerstoffproduktion. Die Wechselwirkungen dieser biologischen Prozesse und deren Auswirkungen auf die angrenzenden Lebensräume können einen Schlüssel zum Verständnis der frühen Erdgeschichte liefern.
Insgesamt zeigt die Studie, dass die Grundlagen der Sauerstoff-Atmung bereits früh in der Erdgeschichte gelegt wurden und dass der Übergang zur Sauerstoffproduktion weitaus komplexer war, als bisher angenommen. Die Forschung eröffnet neue Perspektiven auf die Entwicklung des Lebens und die Umweltbedingungen, die diese Evolution beeinflussten. Der Weg zum modernen Sauerstoff-Stoffwechsel scheint also bereits vor Milliarden Jahren durch entscheidende molekulare Innovationen vorgezeichnet gewesen zu sein.