In einem See in Kalifornien haben Forscher eine bislang unbekannte Form der Photosynthese entdeckt. In Tümpeln, die von hydrothermalen Quellen gespeist werden, oxidieren Bakterien mit Hilfe von Sonnenlicht Arsenverbindungen. Diese Form der Photosynthese ist wahrscheinlich uralt, berichten die Forscher um Thomas Kulp. Arsen-Bakterien könnten schon vor mehr als 2,5 Milliarden Jahren aktiv gewesen sein, als die Erdatmosphäre noch keinen Sauerstoff enthielt.
Um die Energie des Sonnenlichts zu nutzen, haben Mikroben verschiedene Strategien entwickelt. Landpflanzen, Algen und Cyanobakterien spalten mit Hilfe der solaren Energie Wasser und gewinnen dadurch zwei Elektronen. Diese nutzen sie dazu, um das in der Luft enthaltenen Gas Kohlendioxid in Kohlehydrate und andere organische Verbindungen umzuwandeln, die sie zum Leben brauchen. Wahrscheinlich erfanden die Cyanobakterien diese effiziente Sonnenenergienutzung vor etwa 2,7 Milliarden Jahren. Danach begann sich die Atmosphäre allmählich mit Sauerstoff anzureichern, dem Abfallprodukt dieser Form der Photosynthese. Erst durch den Sauerstoff wurde der Weg für höheres Leben auf der Erde frei.
In Milieus ohne Sauerstoff können Bakterien das Sonnenlicht aber auch auf einem anderen Weg nutzen. Rote und grüne Schwefelbakterien oxidieren beispielsweise Schwefelwasserstoff mit Hilfe von Sonnenlicht zu Schwefel oder Sulfat. Bei dieser Form der Photosynthese kann nur ein Elektron für den Aufbau von Kohlehydraten genutzt werden. Sie ist chemisch einfacher als die oxygene Photosynthese und gilt als evolutionsgeschichtlich älter.
Im kalifornischen Mono Lake existieren Tümpel mit einer salzigen, giftigen, arsen- und schwefelreichen Brühe, deren Boden von Biofilmen in den schillerndsten Farben bedeckt ist. Die Forscher um Kulp hatten den Verdacht, dass die Bakterien auch Arsen für ihren Stoffwechsel nutzen und untersuchten Proben von roten und grünen Biofilmen im Labor. In einem Versuch setzten sie den Einzellern Arsen als einzige Elektronenquelle vor. Sie stellten fest, dass die Mikroben ohne Licht nicht gediehen. Wenn Licht vorhanden war, oxidierten die Biofilme Arsen-III-Verbindungen zu so genanntem Arsen-V. Die arsenliebenden Einzeller, stellten sie fest, gehörten zur Gruppe der Purpurbakterien und der Cyanobakterien.
Die Evolutionsgeschichte des Arsenstoffwechsels muss nun womöglich neu geschrieben werden. Mikroben, die das stark oxidierte Arsen-V als Nahrungsquelle nutzen, sind relativ weit verbreitet. Bislang hatten Mikrobiologen aber angenommen, dass sie erst nach der Erfindung der Sauerstoff-Photosynthese entstanden. Denn die einzigen bislang bekannten Bakterien, die Arsen-V herstellen können, brauchen dafür Sauerstoff. Kulp und seine Kollegen vermuten nun, dass alle Varianten von Arsenbakterien schon früh auf der Erde existierten.
Womöglich hat die Entdeckung auch einen praktischen Wert: Experten hoffen, die neu entdeckten mikrobiellen Fähigkeiten für die Reinigung von arsenverseuchtem Trinkwasser nutzen zu können.
Thomas Kulp (US Geological Survey, Menlo Park, USA) et al.: Science Bd. 321, S. 967 Ute Kehse
