Die Entwicklung der Sauerstoff-Atmung hat eine entscheidende Rolle in der Evolution der Lebewesen gespielt, da sie eine effiziente Nahrungsumwandlung ermöglichte und damit den Organismen viel Energie lieferte. Dies steht im Mittelpunkt einer neuen Studie, die von einem internationalen Forscherteam unter der Leitung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) durchgeführt wurde. Die Entdeckung des Methylplastochinons, einer Variante eines Chinon-Moleküls, wirft neue Licht auf die zeitliche Abfolge von Photosynthese und Sauerstoff-Atmung und könnte bereits bestehende Hypothesen widerlegen, wie uni-kiel.de berichtet.

In einem speziellen Forschungsprojekt stießen die Wissenschaftler auf eine ungewöhnliche Veränderung in einem Molekül, das in einem stickstoffverwertenden Bakterium (Nitrospirota) nachgewiesen wurde. Diese Entdeckung legt nahe, dass die Grundlagen der Sauerstoff-Atmung bereits vor 2,3 Milliarden Jahren existierten, also lange bevor Sauerstoff in nennenswerten Mengen in der Atmosphäre vorkam. Methylplastochinon scheint eine Schlüsselrolle in der evolutionären Entwicklung gewesen zu sein, da es sowohl Merkmale aerober als auch anaerober Chinone aufweist.

Früheste Formen der Atmung

Die Forscher identifizierten die ursprüngliche Form des Moleküls als Grundlage für spätere Anpassungen in Algen, Pflanzen und Mitochondrien. Dies unterstützt die These, dass die Fähigkeit zur Nutzung von Sauerstoff für die Energiegewinnung sich bereits vor etwa 2,5 Milliarden Jahren entwickelte. Eukaryoten haben diese evolutionäre Neuerung übernommen und damit die Sauerstoffkatastrophe (Great Oxygenation Event) vor 2,3 bis 2,4 Milliarden Jahren maßgeblich vorangetrieben.

Zusätzlich widerlegt die Entdeckung die Hypothese, dass die Photosynthese zuerst kam. Stattdessen zeigen die Ergebnisse, dass einige Bakterien bereits vor der Entwicklung der Photosynthese in der Lage waren, Sauerstoff zu nutzen. Diese Erkenntnisse werden in den Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) veröffentlicht.

Die Rolle in der frühen Erdgeschichte

Um die Kontexte von Photosynthese und Sauerstoff-Atmung besser zu verstehen, ist es wichtig, die Dynamiken der frühen Bakterien zu betrachten, die während dieser Zeit in verschiedenen Umgebungen lebten. Anoxygenische fotosynthetische Bakterien (APB) hatten einen Wettbewerbsvorteil in frühen Umgebungen mit Elektronendonoren wie Fe2+, H2S oder H2. Unter bestimmten Bedingungen konnten cyanobakterielle Populationen gedeihen und bilden einen bedeutenden Teil der Migration in diesen frühen Gewässern, wie nature.com darlegt.

Modellierungen zeigen, dass das Gleichgewicht zwischen APB und cyanobakterien von der Verfügbarkeit von Eisen und Phosphat abhängt, was eindeutig die Bedeutung dieser Ressourcen für die frühe Photosynthese und damit für die Entwicklung der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration unterstreicht. So könnte es einen allmählichen Übergang vom dominierenden APB zu den cyanobakteriellen Gemeinschaften gegeben haben, der die Grundlage für die Sauerstoffproduktion legte.

Die Forschung unter Dr. Felix Elling, die durch das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt wird, ist ein zentraler Bestandteil dieses Projekts, das darauf abzielt, die evolutionären Mechanismen hinter der Sauerstoff-Atmung weiter aufzuschlüsseln.