In der Frühzeit der Erde enthielt die Atmosphäre nur geringe Spuren von Sauerstoff. Das änderte sich vor rund 2,4 Milliarden Jahren mit der sogenannten Großen Sauerstoffkatastrophe. Aus bisher nicht vollständig verstandenen Gründen erhöhte sich der Sauerstoffgehalt in den Ozeanen und in der Atmosphäre rapide und veränderte grundlegend die Bedingungen auf unserem Planeten. Die meisten der bis dahin existierenden Lebensformen starben aus. Dafür begann die Evolution des Lebens, wie wir es heute kennen. Die Wissenschaft geht davon aus, dass die Photosynthese, bei der Sauerstoff als Abfallprodukt entsteht, eine wichtige Rolle für den plötzlichen Anstieg des Sauerstoffs gespielt hat. Verantwortlich dafür waren wahrscheinlich frühe Cyanobakterien, die als erste die sauerstofferzeugende Photosynthese entwickelten. Wann die Photosynthese in ihrer heutigen Form entstand, ist allerdings umstritten.
Membraneinstülpungen für effektive Photosynthese
„Erkenntnisse darüber, wie sich die Cyanobakterien differenziert haben, sind von entscheidender Bedeutung, um die Entwicklung unseres Planeten und des Lebens zu verstehen“, schreibt ein Team um Catherine Demoulin von der Universität Lüttich in Belgien. Wichtig dabei ist vor allem eine Struktur, die heute bei den meisten photosynthetisch aktiven Organismen vorkommt: die sogenannten Thylakoide. Dabei handelt es sich Einstülpungen in der Membran der Cyanobakterien oder der Chloroplasten bei Pflanzen. In diesen Einstülpungen befinden sich besonders viele Lichtsammelkomplexe, die eine effektive Photosynthese ermöglichen.
„Unter den heute lebenden Cyanobakterien finden sich sowohl Gruppen mit als auch ohne Thylakoidmembran“, erklären Demoulin und ihr Team. „Auf Basis der genetischen Unterschiede zwischen diesen Gruppen geht man davon aus, dass sie sich vor 2,7 bis zwei Milliarden Jahren auseinanderentwickelt haben.“ Fossile Belege aus dieser Zeit hat man allerdings bislang nicht gefunden. Unklar ist somit auch, ob sich die Thylakoide bereits vor der Großen Sauerstoffkatastrophe entwickelt haben – und sie womöglich mit ausgelöst haben – oder ob sie erst danach entstanden sind.
Einblicke ins Innere der Mikrofossilien
Demoulin und ihr Team haben nun versteinerte Überreste des Mikroorganismus Navifusa majensis untersucht. Dabei handelte es sich wahrscheinlich um eine frühe Art von Cyanobakterien. Die ältesten Exemplare stammen aus der McDermott-Formation in Australien und werden auf ein Alter von rund 1,75 Milliarden Jahren datiert. Mit Hilfe eines speziellen Elektronenmikroskops gelang es dem Team, die Strukturen im Inneren der fossilen Mikroorganismen sichtbar zu machen. Und tatsächlich: Es zeigten sich klar voneinander abgegrenzte, aufeinander gestapelte Schichten – die typische Struktur einer Thylakoidmembran.
„Diese Entdeckung erweitert den Fossilnachweis um mindestens 1,2 Milliarden Jahre und belegt, dass die Thylakoid-tragenden Cyanobakterien vor mindesten 1,75 Milliarden Jahren entstanden sind“, schreibt das Team. Auch wenn damit nach wie vor nicht geklärt ist, ob die Thylakoide vor oder nach der Großen Sauerstoffkatastrophe entstanden sind, gehen die Forschenden davon aus, dass ihre Methode zukünftig dabei helfen könnte, diese Frage zu klären. „Die Ultrastruktur der Zellwände und Organellen wurde bisher wenig beachtet“, erklären sie. „In Zukunft könnten ähnliche Analysen noch älterer Mikrofossilien dazu herangezogen werden, frühe photosynthetisch aktive Organismen zu identifizieren und neue Erkenntnisse über die damaligen Ökosysteme zu gewinnen.“
Quelle: Catherine Demoulin (Universität Lüttich, Belgien) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06896-7
