Die Frage nach dem Huhn oder dem Ei nimmt eine wissenschaftliche Wendung, wenn es darum geht, zu bestimmen, ob die Sauerstoffproduktion durch Photosynthese oder dessen Verbrauch durch den aeroben Stoffwechsel (wie die Atmung) zuerst entstanden ist. Eine zufällige Entdeckung könnte eine Antwort auf dieses Rätsel der Evolution liefern.
Ein internationales Forscherteam hat ein Molekül identifiziert, das das fehlende Bindeglied zwischen Photosynthese und aerobem Stoffwechsel sein könnte. Dieses Molekül, genannt Methyl-Plastochinon, wurde in einem stickstoffverwertenden Bakterium, Nitrospirota, gefunden und weist ähnliche Eigenschaften auf wie diejenigen, die von Pflanzen für die Photosynthese verwendet werden.
Chinone, Moleküle, die in allen Lebensformen vorkommen, wurden bisher in zwei Kategorien eingeteilt: solche, die Sauerstoff benötigen, und solche, die keinen Sauerstoff benötigen. Die Entdeckung des Methyl-Plastochinons deutet auf die Existenz eines dritten Typs hin, der möglicherweise der Ursprung der beiden anderen ist.
Diese Entdeckung wirft ein neues Licht auf das Große Oxidationsereignis, eine Periode vor etwa 2,3 bis 2,4 Milliarden Jahren, in der Cyanobakterien begannen, durch Photosynthese signifikante Mengen an Sauerstoff zu produzieren. Das Vorhandensein von Methyl-Plastochinon in sauerstoffatmenden Bakterien vor dieser Zeit legt nahe, dass einige Bakterien bereits die Fähigkeit hatten, Sauerstoff zu nutzen, bevor die Cyanobakterien begannen, ihn zu produzieren.
Die Forscher schätzen, dass dieses Molekül eine Zeitkapsel ist, ein lebendes Fossil, das mehr als 2 Milliarden Jahre überlebt hat. Es könnte die Urform der Chinone sein, die sich dann diversifizierten, um diejenigen zu bilden, die von Pflanzen und menschlichen Mitochondrien verwendet werden.
Diese Studie, veröffentlicht in den
Proceedings of the National Academy of Sciences, eröffnet neue Perspektiven auf die Evolution des aeroben Stoffwechsels und darauf, wie Organismen lernten, Sauerstoff sicher zu atmen. Sie unterstreicht auch die Raffinesse der chemischen Systeme, die es unseren Zellen ermöglichen, in einer sauerstoffreichen Umgebung zu überleben.
Felix Elling, ehemaliger Postdoktorand in Harvard und Hauptautor der Studie.
Bildnachweis: Felix Elling
Diese Forschung beleuchtet auch die Bedeutung von Schutzmechanismen gegen Sauerstoffschäden, die die Diversifizierung des Lebens, wie wir es heute kennen, ermöglicht haben. Die Entdeckung des Methyl-Plastochinons könnte der Schlüssel zum Verständnis sein, wie sich das Leben entwickelt hat, um sich an eine sauerstoffreiche Welt anzupassen.
Was ist das Große Oxidationsereignis?
Das Große Oxidationsereignis ist eine entscheidende Periode in der Erdgeschichte, die vor etwa 2,3 bis 2,4 Milliarden Jahren stattfand. Es markiert den Zeitpunkt, an dem Cyanobakterien, eine Art von Algen, begannen, durch Photosynthese signifikante Mengen an Sauerstoff zu produzieren.
Diese Sauerstoffproduktion veränderte die Erdatmosphäre radikal und machte sie sauerstoffreich und geeignet für aerobes Leben. Vor diesem Ereignis war die Erdatmosphäre sauerstoffarm und das Leben war hauptsächlich anaerob.
Das Große Oxidationsereignis ermöglichte die Entstehung und Diversifizierung aerober Organismen, die Sauerstoff für ihren Stoffwechsel nutzen. Dies ebnete den Weg für eine zunehmende Komplexität des Lebens auf der Erde, die schließlich zur Entstehung mehrzelliger Organismen und viel später des Menschen führte.
Die Zunahme des Sauerstoffs in der Atmosphäre führte jedoch auch zu erheblichen Umweltveränderungen, einschließlich des Massensterbens anaerober Organismen, die die hohen Sauerstoffkonzentrationen nicht tolerieren konnten.
Wie beeinflussen Chinone den Stoffwechsel?
Chinone sind essentielle Moleküle, die in allen Lebensformen vorkommen. Sie spielen eine Schlüsselrolle in Stoffwechselprozessen, insbesondere in der Elektronentransportkette, die für die Energieproduktion in Zellen entscheidend ist.
Es gibt zwei Haupttypen von Chinonen: aerobe Chinone, die Sauerstoff benötigen, um zu funktionieren, und anaerobe Chinone, die keinen Sauerstoff benötigen. Aerobe Chinone werden von Pflanzen für die Photosynthese und von Tieren und Bakterien für die Atmung verwendet.
Die Entdeckung des Methyl-Plastochinons, einer dritten Variante von Chinon, deutet auf einen evolutionären Übergang zwischen anaeroben und aeroben Chinonen hin. Dieses Molekül könnte ein fehlendes Bindeglied in der Evolution des aeroben Stoffwechsels sein.
Chinone sind daher grundlegend für das Verständnis, wie Organismen sich entwickelt haben, um Sauerstoff effizient und sicher zu nutzen, was die Diversifizierung des Lebens auf der Erde ermöglichte.
Quelle: Proceedings of the National Academy of Sciences