Wie haben frühe Bakterien giftigen Sauerstoff überlebt?

Sauerstoff macht 21% der Erdatmosphäre aus und wir brauchen ihn zum Atmen. Alte Bakterien entwickelten schützende Enzyme, die verhinderten, dass Sauerstoff ihre DNA schädigte. Welchen evolutionären Anreiz hatten sie jedoch, dies zu tun? Forscher haben entdeckt, dass ultraviolettes Licht, das auf die Oberfläche von Gletschereis trifft, molekularen Sauerstoff freisetzen kann. Bakterienkolonien, die in der Nähe dieses Eises leben, hätten diese Schutzabwehr entwickeln müssen. Sie waren dann gut gerüstet, um das Wachstum von Luftsauerstoff zu bewältigen, der von anderen Bakterien erzeugt wird, die normalerweise toxisch wären.

Vor zweieinhalb Milliarden Jahren, als unsere evolutionären Vorfahren kaum mehr als ein Augenzwinkern in der Plasmamembran eines Bakteriums waren, gewann der als Photosynthese bekannte Prozess plötzlich die Fähigkeit, molekularen Sauerstoff in die Erdatmosphäre freizusetzen, was zu einer der größten Umweltveränderungen in der Erde führte Geschichte unseres Planeten. Die verantwortlichen Organismen waren die Cyanobakterien, von denen bekannt ist, dass sie die Fähigkeit entwickelt haben, Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht in Sauerstoff und Zucker umzuwandeln, und die heute noch als Blaualgen und Chloroplasten in allen Grünpflanzen existieren.

Forscher sind jedoch seit langem verwirrt darüber, wie die Cyanobakterien all diesen Sauerstoff produzieren können, ohne sich selbst zu vergiften. Um zu vermeiden, dass ihre DNA durch ein Hydroxylradikal zerstört wird, das natürlicherweise bei der Produktion von Sauerstoff auftritt, hätten die Cyanobakterien schützende Enzyme entwickeln müssen. Aber wie hätte die natürliche Selektion die Cyanobakterien dazu bringen können, diese Enzyme zu entwickeln, wenn die Notwendigkeit für sie noch nicht einmal bestanden hätte?

Nun erklären zwei Forschergruppen am California Institute of Technology, wie Cyanobakterien diesen scheinbar hoffnungslosen Widerspruch hätten vermeiden können. Die Gruppen berichten in den Proceedings der National Academy of Sciences (PNAS) vom 12. Dezember und sind diese Woche online verfügbar. Sie zeigen, dass ultraviolettes Licht, das auf die Oberfläche von Gletschereis trifft, zur Akkumulation von gefrorenen Oxidationsmitteln und schließlich zur Freisetzung von molekularem Sauerstoff in die Ozeane und Atmosphäre. Dieses Gifttropfen könnte dann die Entwicklung sauerstoffschützender Enzyme in einer Vielzahl von Mikroben, einschließlich der Cyanobakterien, vorantreiben. Laut Yuk Yung, Professor für Planetenwissenschaften, und Joe Kirschvink, Professor für Geobiologie bei Van Wingen, ist die UV-Peroxidlösung „ziemlich einfach und elegant“.

„Bevor Sauerstoff in der Atmosphäre auftrat, gab es keinen Ozonschirm, der das Auftreffen von ultraviolettem Licht auf die Oberfläche blockierte“, erklärt Kirschvink. „Wenn UV-Licht auf Wasserdampf trifft, wandelt es einen Teil davon in Wasserstoffperoxid um, wie das, was man im Supermarkt zum Bleichen von Haaren kauft, plus ein bisschen Wasserstoffgas.

„Normalerweise hält dieses Peroxid aufgrund von Rückreaktionen nicht lange an, aber während einer Vereisung gefriert das Wasserstoffperoxid um einen Grad unter dem Gefrierpunkt von Wasser. Wenn UV-Licht bis zur Oberfläche eines Gletschers eingedrungen wäre, wären kleine Mengen Peroxid im Gletschereis eingeschlossen worden. “ Dieser Prozess findet heute in der Antarktis statt, wenn sich das Ozonloch bildet und starkes UV-Licht auf das Eis fällt.

Bevor sich Sauerstoff in der Erdatmosphäre oder ein UV-Bildschirm befand, wäre das Gletschereis bergab in den Ozean geflossen, geschmolzen und hätte Spuren von Peroxid direkt ins Meerwasser freigesetzt, wo eine andere Art chemischer Reaktion das Peroxid wieder in Wasser umwandelte und Sauerstoff. Dies geschah weit weg von dem UV-Licht, das Organismen abtöten würde, aber der Sauerstoffgehalt war so niedrig, dass die Cyanobakterien eine Sauerstoffvergiftung vermieden hätten.

"Der Ozean war ein wunderschöner Ort für die Entwicklung sauerstoffschützender Enzyme", sagt Kirschvink. "Und sobald diese schützenden Enzyme vorhanden waren, ebnete dies den Weg für die Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese und für die aerobe Atmung, sodass die Zellen tatsächlich Sauerstoff atmen können, wie wir es tun."

Die Beweise für die Theorie stammen aus den Berechnungen der Hauptautorin Danie Liang, die kürzlich ihren Abschluss in Planetenwissenschaften bei Caltech gemacht hat und jetzt am Forschungszentrum für Umweltveränderungen an der Academia Sinica in Taipeh, Taiwan, arbeitet.

Laut Liang kam es vor 2,3 Milliarden Jahren zu einem ernsthaften Einfrieren, das als Makganyene Snowball Earth bekannt ist, ungefähr zu der Zeit, als Cyanobakterien ihre sauerstoffproduzierenden Fähigkeiten entwickelten. Während der Snowball Earth-Episode hätte genug Peroxid gespeichert werden können, um fast so viel Sauerstoff zu produzieren, wie jetzt in der Atmosphäre vorhanden ist.

Als zusätzlicher Beweis reicht dieser geschätzte Sauerstoffgehalt auch aus, um die Ablagerung des Kalahari-Manganfeldes in Südafrika zu erklären, das 80 Prozent der wirtschaftlichen Manganreserven auf der ganzen Welt besitzt. Diese Lagerstätte liegt unmittelbar auf der letzten geologischen Spur des Makganyene-Schneeballs.

„Früher dachten wir, dass es nach dieser Vereisung eine Cyanobakterienblüte war, die das Mangan aus dem Meerwasser schüttete“, sagt Liang. "Aber es könnte einfach der Sauerstoff aus der Peroxidzersetzung nach dem Schneeball gewesen sein, der es getan hat."

Neben Kirschvink, Yung und Liang sind die anderen Autoren Hyman Hartman vom Center for Biomedical Engineering am MIT und Robert Kopp, ein Doktorand in Geobiologie bei Caltech. Hartman und Chris McKay vom NASA Ames Research Center waren frühe Befürworter der Rolle, die Wasserstoffperoxid bei der Entstehung und Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese spielte, konnten jedoch in der präkambrischen Umgebung der Erde keine gute anorganische Quelle dafür identifizieren.

Originalquelle: Caltech-Pressemitteilung

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