Irgendwann in der frühen Erdgeschichte wurde der Planet bewohnbar, als eine Gruppe von Mikroben, die als Cyanobakterien bekannt sind, sauerstoffhaltige Photosynthese entwickelte – die Fähigkeit, Licht und Wasser in Energie umzuwandeln, während Sauerstoff freigesetzt wird.
Dieser evolutionäre Moment ermöglichte die Ansammlung von Sauerstoff in der Atmosphäre und den Ozeanen, was zu einem Dominoeffekt der Diversifizierung führte und den einzigartigen bewohnbaren Planeten bildete, den wir heute kennen.
Jetzt haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology eine genaue Schätzung darüber, wann Cyanobakterien und sauerstoffhaltige Photosynthese zum ersten Mal entstanden sind. Ihre Ergebnisse wurden in Proceedings of the Royal Society B veröffentlicht.
Sie haben eine neue Genanalysetechnik entwickelt, die zeigt, dass alle heute lebenden Cyanobakterien auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen, der vor etwa 2,9 Milliarden Jahren auftauchte. Sie fanden auch heraus, dass sich die Vorfahren der Cyanobakterien vor etwa 3,4 Milliarden Jahren von anderen Bakterien abgespalten haben und sich die sauerstoffhaltige Photosynthese wahrscheinlich über eine halbe Milliarde Jahre während des Archäischen Zeitalters entwickelt hat.
Interessanterweise weist diese Schätzung auf die Entstehung der sauerstoffhaltigen Photosynthese mindestens 400 Millionen Jahre vor dem Großen Oxidativen Ereignis hin, der Zeit, in der die Atmosphäre und die Ozeane der Erde erstmals einen Anstieg des Sauerstoffgehalts erfuhren. Dies deutet darauf hin, dass Cyanobakterien möglicherweise früh die Fähigkeit entwickelt haben, Sauerstoff zu produzieren, aber es dauerte eine Weile, bis sich dieser Sauerstoff in der Umwelt tatsächlich durchsetzte.
„Evolution beginnt klein“, sagt Hauptautor Greg Fournier, außerordentlicher Professor am Department of Geobiology am Department of Earth, Atmosphere and Planets am MIT. "Obwohl es Beweise für die frühe sauerstoffhaltige Photosynthese gibt, die die wichtigste und wirklich erstaunliche evolutionäre Innovation auf der Erde ist, dauerte es Hunderte von Millionen Jahren, bis sie mit ihrer Entwicklung begann."
Die Schätzungen über den Ursprung der sauerstoffhaltigen Photosynthese variieren stark, ebenso wie die Methoden zur Verfolgung ihrer Entwicklung.
Wissenschaftler können beispielsweise mit geochemischen Werkzeugen nach Spuren oxidierter Elemente in alten Gesteinen suchen. Diese Methoden fanden einen Hinweis darauf, dass Sauerstoff bereits vor 3,5 Milliarden Jahren vorhanden war – ein Hinweis darauf, dass die Photosynthese eine Sauerstoffquelle gewesen sein könnte, obwohl andere Quellen möglich sind.
Die Forscher verwendeten auch die molekulare Uhrdatierung, bei der die genetischen Sequenzen von Mikroben heute verwendet werden, um Genveränderungen im Laufe der Evolutionsgeschichte zu verfolgen. Auf der Grundlage dieser Sequenzen verwenden Wissenschaftler dann Modelle, um die Geschwindigkeit abzuschätzen, mit der genetische Veränderungen auftreten, um zu verfolgen, wann sich Gruppen von Organismen zum ersten Mal entwickelt haben. Die Datierung der molekularen Uhr ist jedoch durch die Qualität der alten Fossilien und das gewählte Geschwindigkeitsmodell begrenzt, das je nach geschätzter Geschwindigkeit unterschiedliche Altersschätzungen liefern kann.
Greg Fournier sagt, dass unterschiedliche Altersschätzungen widersprüchliche Evolutionsgeschichten implizieren könnten. Einige Analysen deuten beispielsweise darauf hin, dass sich die sauerstoffhaltige Photosynthese sehr früh entwickelte und sich "wie langsames Schmelzen" entwickelte, während andere darauf hindeuten, dass sie viel später auftrat und dann "wie ein Lauffeuer abhob", um das Große Oxidations- und Akkumulationsereignis in der Biosphäre auszulösen.
Horizontale Gene:
Um das Entstehungsdatum von Cyanobakterien und sauerstoffhaltiger Photosynthese zu bestimmen, kombinierten Fournier und seine Kollegen molekulare Uhrendatierung mit horizontalem Gentransfer – eine unabhängige Methode, die nicht ausschließlich auf Fossilien oder Annahmen über Geschwindigkeiten beruht.
Normalerweise erbt ein Organismus ein Gen "vertikal", wenn es von seinem Elternteil weitergegeben wird. In seltenen Fällen kann ein Gen auch von einer Art auf eine andere, entfernt verwandte Art übergehen. Beispielsweise kann eine Zelle eine andere fressen und gleichzeitig einige neue Gene in ihr Genom einbauen.
Wenn eine solche Geschichte des horizontalen Gentransfers entdeckt wird, wird klar, dass die Gruppe von Organismen, die dieses Gen erworben haben, evolutionär jünger ist als die Gruppe, aus der das Gen stammt. Fournier glaubte, dass solche Beispiele verwendet werden könnten, um das relative Alter zwischen bestimmten Bakteriengruppen zu bestimmen. Das Alter dieser Gruppen könnte dann mit dem Alter verglichen werden, das von verschiedenen molekularen Uhrenmodellen vorhergesagt wurde. Das am nächsten kommende Modell ist wahrscheinlich das genaueste und kann dann verwendet werden, um das Alter anderer Bakterienarten, insbesondere Cyanobakterien, genau abzuschätzen.
Dieser Argumentation folgend, suchte das Team nach Fällen von horizontalem Gentransfer in den Genomen von Tausenden von Bakterienarten, einschließlich Cyanobakterien. Sie verwendeten auch neue Kulturen moderner Cyanobakterien, um fossile Cyanobakterien genauer als Kalibrierungen zu verwenden. Am Ende identifizierten sie 34 eindeutige Fälle von horizontalem Gentransfer. Sie fanden dann heraus, dass eines der sechs molekularen Uhrenmuster konsistent mit dem relativen Alter übereinstimmte, das vom Analyseteam für horizontale Gentransfers ermittelt wurde.
Fournier nutzte dieses Modell, um das Alter der „Kronen“-Gruppe der Cyanobakterien abzuschätzen, die alle heute lebenden Arten umfasst, die Sauerstoff-Photosynthese besitzen. Sie fanden heraus, dass während des Archäischen Zeitalters die Kronengruppe vor etwa 2,9 Milliarden Jahren entstand, während sich Cyanobakterien als Ganzes vor etwa 3,4 Milliarden Jahren von anderen Bakterien abspalteten. Dies deutet stark darauf hin, dass die sauerstoffhaltige Photosynthese bereits 500 Millionen Jahre vor dem Great Oxidative Event (GOE) stattfand und dass Cyanobakterien lange Zeit Sauerstoff produzierten, bevor er sich in der Atmosphäre anreicherte.
Die Analyse zeigte auch, dass Cyanobakterien kurz vor GOE, vor etwa 2,4 Milliarden Jahren, einen Diversifizierungsschub erlebten. Dies bedeutet, dass die schnelle Vermehrung von Cyanobakterien Sauerstoff in die Atmosphäre abgeben könnte.
„Unsere Arbeit zeigt, dass eine molekulare Uhr mit horizontalem Gentransfer (HGT) verspricht, Altersgruppen im gesamten Lebensbaum zuverlässig bereitzustellen, selbst für uralte Mikroben, die keine Fossilienfunde hinterlassen haben … was zuvor nicht möglich war“, sagt Greg Fournier .
Die Studie wurde in Proceedings of the Royal Society B veröffentlicht.
2021-10-03 04:59:08
Autor: Vitalii Babkin