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.
