Lange Zeit war unsere Erdatmosphäre frei von Sauerstoff. Dennoch lebten bereits Organismen auf der Erde, die stattdessen Schwefel- oder Stickstoffverbindungen atmeten. Vor rund 2,3 Milliarden Jahren begannen dann die ersten Cyanobakterien, mit ihrer Photosynthese Sauerstoff zu produzieren. Dieser reicherte sich in der Erdatmosphäre an und dadurch konnten nach und nach komplexere Lebensformen entstehen, die Sauerstoff für ihren Stoffwechsel benötigten. Erst die Entwicklung der Sauerstoffatmung ermöglichte es den Lebewesen, Nahrung effizient in Energie umzuwandeln, und erlaubte so die Entwicklung komplexerer, mehrzelliger Organismen. Wann und in welchen Organismen diese Fähigkeit entwickelt wurde und welcher Prozess zuerst aufkam – die Photosynthese, die Sauerstoff freisetzt, oder die Sauerstoff-Atmung, die ihn nutzt –, ist jedoch Gegenstand wissenschaftlicher Debatten.
Schlüsselrolle für die Sauerstoffatmung
Photosynthese und Sauerstoff-Atmung sind auf Moleküle angewiesen, die den membrangebundenen Elektronentransport erleichtern: die Chinone. Diese essenziellen Verbindungen sind entscheidend für die Energieumwandlung in lebenden Organismen. Bisher gingen Forschende davon aus, dass es zwei verschiedene Varianten des Moleküls gibt, die den Stoffwechsel steuern: anaerobe Chinone mit niedrigem Redoxpotential, die in Bakterien vorkommen, die keinen Sauerstoff atmen, und Chinone mit hohem Redoxpotential, die bei aeroben Lebewesen eine Rolle spielen. Die genauen Mechanismen hinter der Entwicklung von Chinonen mit hohem Redoxpotential in aeroben Organismen sind aber noch nicht geklärt. Bisher vermuteten Forschende, dass sie mit der Entwicklung der Sauerstoff-Atmung verknüpft ist, da Chinone für den Energietransport entscheidend sind.
Ein Forschungsteam um Felix Elling von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat neben den beiden bekannten Chinon-Varianten nun einen dritten Typ entdeckt: „Wir haben Bakterien für ein ganz anderes Projekt untersucht, als wir eine ungewöhnliche Veränderung in einem Molekül eines stickstoffverwertenden Bakteriums beobachteten“, berichtet Elling. Nähere Analysen ergaben, dass diese Bakterien aus der Gruppe der Nitrospirota zwar auch ein Chinon besitzen, dieses Methylplastochinon unterscheidet sich aber von beiden schon bekannten Varianten. Demnach hat das Chinon-Molekül der Nitrospirota zwar die Grundstruktur der aeroben Chinone, weist jedoch auch einige Merkmale der anaeroben Form auf.
