Wann haben Bakterien die Fähigkeit erlangt, Energie aus Licht zu gewinnen und dabei Sauerstoff freizusetzen? Je nach Datierungsmethode unterscheidet sich die Antwort auf diese Frage erheblich. Mit einer Kombination aus Genom- und Fossildaten sind Forscher nun zu dem Ergebnis gekommen: Die sauerstoffproduzierenden Cyanobakterien haben sich vor 3,4 bis 2,7 Milliarden Jahren entwickelt – mindestens 300 Millionen Jahre bevor sich Sauerstoff verstärkt in der Atmosphäre anreicherte.
Die Entwicklung der Photosynthese legte den Grundstein für das Leben, wie wir es heute kennen. In einer Zeit, als Sauerstoff für die meisten Lebewesen noch giftig war, begannen Cyanobakterien, eben diesen Giftstoff als Produkt ihrer Energieerzeugung aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid freizusetzen. Vor 2,4 Milliarden Jahren kam es infolgedessen zur sogenannten Großen Sauerstoffkatastrophe: Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre stieg massiv an, was nicht nur zu einem Massenaussterben der damals lebenden anaeroben Bakterien führte, sondern auch die Entwicklung des heutigen, auf Sauerstoff basierenden Lebens ermöglichte. Wann genau sich die Cyanobakterien entwickelten, war allerdings bislang unklar.
Ergänzung zur molekularen Uhr
Bisherige Datierungen beruhten in der Regel auf der Methode, anhand von mutationsbedingten Veränderungen im Genom der Bakterien eine „molekulare Uhr“ zu erstellen, die abschätzt, wann sich verschiedene Bakterienlinien voneinander abgespalten haben. Je nach verwendetem Modell schwanken diese Schätzungen allerdings beträchtlich, da ohne äußere Bezugspunkte oft unklar ist, mit welcher Geschwindigkeit sich die Veränderungen vollzogen haben. Ein Team um Greg Fournier vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge hat die molekulare Uhr daher mit einer weiteren Methode kombiniert: Die Forscher analysierten zusätzlich sogenannte horizontale Gentransfers. Dabei handelt es sich um seltene Fälle, in denen ein Bakterium Gene einer anderen Art übernimmt. Das kann zum Beispiel geschehen, wenn eine Zelle eine andere frisst und dabei einige von deren Genen in ihr eigenes Genom einbaut.
In diesen Fällen ist es klar, dass die Gruppe von Organismen, die das Gen übernommen hat, evolutionär jünger sein muss als die Gruppe, aus der das Gen stammt. Die Methode erlaubt daher zwar keine absoluten Angaben, ermöglicht aber, das relative Alter verschiedener Bakteriengruppen im Vergleich zu bestimmen. Das machten sich Fournier und seine Kollegen zunutze. Sie erstellten zunächst anhand von Genom- und Fossildaten verschiedene Molekulare-Uhr-Modelle zum Ursprung der Cyanobakterien. „Um auf empirischer Grundlage zu entscheiden, welches der Modelle die Realität am besten abbildet, verwendeten wir dann das relative Alter, das sich aus Ereignissen horizontalen Gentransfers ableiten lässt“, erklären die Forscher.
Langsamer Start der Photosynthese
In den Genomen tausender Bakterienarten fand das Team 34 eindeutige Fälle von horizontalem Gentransfer. Die daraus abgeleitete relative Altersdatierung bestätigte eines von sechs zuvor aufgestellten Molekulare-Uhr-Modellen. Demnach entstand der letzte gemeinsame Vorfahr aller heute lebenden Cyanobakterien vor etwa 2,7 Milliarden Jahren. Die Cyanobakterien als Ganzes spalteten sich dem Modell zufolge vor etwa 3,4 Milliarden Jahren von anderen Bakterien ab. „Wann genau in diesem Zeitraum die Photosynthese mit Sauerstoff entstanden ist, ist auf Basis der bisher bekannten genetischen Daten weiterhin unklar, da die entsprechenden Bakterien, die in der Übergangszeit lebten, entweder ausgestorben oder noch unentdeckt sind“, erklären die Forscher.
Spätestens vor 2,7 Milliarden Jahren aber waren die sauerstoffproduzierenden Bakterien entstanden – und damit mindestens 300 Millionen Jahre vor der Großen Sauerstoffkatastrophe. Dies unterstützt Theorien, denen zufolge die Cyanobakterien schon früh die Fähigkeit entwickelt haben, Sauerstoff zu produzieren, es aber eine Weile dauerte, bis der Sauerstoff in der Umwelt an Einfluss gewann. „In der Evolution fangen die Dinge immer klein an“, sagt Fournier. „Auch wenn es schon früh eine sauerstoffproduzierende Photosynthese gab – die wichtigste und wirklich erstaunliche evolutionäre Innovation auf der Erde – hat es doch Hunderte von Millionen Jahren gedauert, bis sie in Gang kam.“
Zunehmender Einfluss vor 2,4 Milliarden Jahren
Der Befund passt zu früheren Hinweisen aus Gesteinsanalysen, laut denen bereits vor mindestens drei Milliarden Jahren Elemente oxidiert wurden. Eine Quelle des dafür erforderlichen Sauerstoffs könnte die Photosynthese gewesen sein, wobei der Sauerstoff im Gestein gebunden wurde, statt sich in der Atmosphäre anzureichern. „Die Altersschätzungen legen nahe, dass die frühen Cyanobakterien nur einen geringen Einfluss auf die globale Atmosphäre hatten“, schreiben die Autoren. Vor 2,4 Milliarden Jahren erlebten die Cyanobakterien jedoch den genetischen Analysen zufolge einen Diversifizierungsschub. „Die am häufigsten vorkommenden und vielfältigsten Cyanobakteriengruppen scheinen sich etwa zur Zeit der Großen Sauerstoffkatastrophe auszubreiten“, so die Forscher.
Aus ihrer Sicht deutet das darauf hin, dass die Ausbreitung der Cyanobakterien neben anderen Faktoren dazu geführt hat, dass es zur Großen Sauerstoffkatastrophe kam – mit allen Folgen für das weitere Leben auf der Erde. Die Datierungsmethode mithilfe von Informationen zu horizontalen Gentransfers wollen die Autoren zukünftig auch nutzen, um die Ursprünge weiterer Arten zu ergründen. „Diese Arbeit zeigt, dass molekulare Uhren, die horizontale Gentransfers (HGTs) einbeziehen, das Alter von Gruppen über den gesamten Lebensbaum hinweg zuverlässig bestimmen könnten, sogar für uralte Mikroben, die keine fossilen Aufzeichnungen hinterlassen haben – etwas, das bisher unmöglich war“, sagt Fournier.
Quelle: Greg Fournier (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) et al., Proceedings of the Royal Society B, doi: 10.1098/rspb.2021.0675
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