Es ist eine der großen, fundamentalen Fragen, die da das Weizmann Institute of Science nachgeht. Was ist Leben und wie kam es auf die Bühne der Evolution?
Vor rund 2,5 Milliarden Jahre fand nach übereinstimmenden wissenschaftlichen Erkenntnissen die große “Oxygen-Revulotion” statt. In Fachkreisen auch als “Great Oxygenation Event” (GOE) bezeichnet.. Ein bisher selten vorkommende Molekülverbindung war auf einmal im großen Stile vorhanden. Bis zur GEO dümpelte das Leben rund 1,5 Milliarden Jahre eher vor sich hin.
Also, man hatte eine massive Änderung der Atmosphäre vor sich, die dann schließlich Leben wie wir es heute kennen und wir Teil davon ist, erst möglich geacht. Wenn man so will, eine sehr fundamentale Klimaänderung auf chemischer Ebene hat vor 2,5 Milliarden Jahre stattgefunden.
Das Weizmann Institute of Science führt in seiner aktuellen Pressemitteilung aus: “Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren erlebte unser Planet die vielleicht größte Veränderung seiner Geschichte: Den geologischen Aufzeichnungen zufolge war molekularer Sauerstoff kaum vorhanden, ja inexistent und plötzlich überall frei verfügbar.
Beweise für das “Great Oxygenation Event” (GOE) sind zum Beispiel Eisenformationen, die in breiten Bändern vorkommen und plötzlich oxidiertes Eisen enthalten, was ein eindeutiger Marker für Sauerstoff ist. Das GOE ist natürlich das, was die Entwicklung von sauerstoffverbrauchenden Organismen – Atmungsorganismen – und schließlich uns selbst ermöglichte.
Aber war es tatsächlich ein “großes Ereignis” in dem Sinne, dass die Veränderung radikal und plötzlich war, oder nutzten die damals lebenden Organismen bereits freien Sauerstoff, nur auf niedrigerem Niveau?”, fragt sich das Forschungsteam des Weizmann Institute.
Prof. Dan Tawfik vom Weizmann Institute of Science’s Biomolecular Sciences Department führt aus, “…dass die Datierung des GOE unbestreitbar ist, ebenso wie die Tatsache, dass der molekulare Sauerstoff von photosynthetischen Mikroorganismen produziert wurde. Chemisch gesehen wurde durch die Energie des Lichts Wasser in Protonen (Wasserstoffionen) und Sauerstoff gespalten. Die dabei entstandenen Elektronen wurden zur Bildung von energiespeichernden Verbindungen (Zucker) genutzt, und der Sauerstoff, ein Nebenprodukt, wurde zunächst an die Umgebung abgegeben.“
Und das Weizmann Institute führt aus: “Die Frage, die nicht geklärt ist, lautet jedoch: Fiel die Produktion von Sauerstoff mit dem GOE zusammen, oder hatten lebende Organismen schon vor diesem Ereignis Zugang zu Sauerstoff?
Eine Seite dieser Debatte behauptet, dass molekularer Sauerstoff vor dem GOE nicht zur Verfügung gestanden hätte, da die Chemie der Atmosphäre und der Ozeane vor dieser Zeit dafür gesorgt hätte, dass jeder durch Photosynthese freigesetzte Sauerstoff sofort chemisch reagiert hätte.
Eine zweite Seite der Debatte deutet jedoch darauf hin, dass ein Teil des von den photosynthetischen Mikroorganismen produzierten Sauerstoffs lange genug frei geblieben sein könnte, damit nicht-photosynthetische Organismen ihn für ihren eigenen Gebrauch aufschnappen konnten, sogar vor dem GOE. Mehrere Vermutungen, die zwischen diesen beiden liegen, haben “Oasen” oder kurzlebige “Wellen” der atmosphärischen Sauerstoffanreicherung vorgeschlagen.
Die Forschungsstudentin Jagoda Jabłońska in Tawfiks Gruppe dachte, dass der Fokus der Gruppe – die Proteinevolution – helfen könnte, das Problem zu lösen. Das heißt, mithilfe von Methoden, die nachvollziehen, wie und wann sich verschiedene Proteine entwickelt haben, könnten sie und Tawfik herausfinden, wann lebende Organismen begannen, Sauerstoff zu verarbeiten.
Solche phylogenetischen Bäume werden häufig verwendet, um die Geschichte von Arten oder Menschenfamilien zu enträtseln, aber auch von Proteinfamilien, und Jabłońska beschloss, einen ähnlichen Ansatz zu verwenden, um die Evolution von sauerstoffbasierten Enzymen aufzudecken.
Um die Studie zu beginnen, sortierte Jabłońska etwa 130 bekannte Enzymfamilien, die entweder Sauerstoff in Bakterien und Archaeen herstellen oder nutzen – die Art von Lebensformen, die es im Archaischen Äon (der Zeit zwischen der Entstehung des Lebens vor ca. 4 Milliarden Jahren und dem GOE) gegeben haben muss.
Von diesen wählte sie etwa die Hälfte aus, bei denen eine sauerstoffverbrauchende oder -abgebende Aktivität in den meisten oder allen Familienmitgliedern gefunden wurde und die die Gründungsfunktion zu sein schien. Das heißt, das allererste Familienmitglied hätte sich als Sauerstoff-Enzym herausgebildet.
Daraus wählte sie 36 aus, deren Evolutionsgeschichte schlüssig nachvollzogen werden konnte. “Das war natürlich alles andere als einfach”, sagt Tawfik. “In manchen Organismen können Gene verloren gehen, so dass der Eindruck entsteht, sie hätten sich erst später in Mitgliedern entwickelt, in denen sie erhalten geblieben sind. Und Mikroorganismen teilen Gene horizontal, was die phylogenetischen Bäume durcheinander bringt und zu einer Überschätzung des Alters des Enzyms führt. Vor allem für letzteres mussten wir korrigieren.”
Die phylogenetischen Bäume, die die Forscher schließlich erhielten, zeigten einen Ausbruch der sauerstoffbasierten Enzymevolution vor etwa 3 Milliarden Jahren – etwa eine halbe Milliarde Jahre vor der GOE. Bei der weiteren Untersuchung dieses Zeitrahmens stellten die Wissenschaftler fest, dass dieser Ausbruch nicht mit der Übernahme des atmosphärischen Sauerstoffs zusammenfiel, sondern auf den Zeitpunkt datiert wurde, als Bakterien die Ozeane verließen und begannen, das Land zu besiedeln.
Einige wenige sauerstoffverbrauchende Enzyme konnten sogar noch weiter zurückverfolgt werden. Wenn die Sauerstoffnutzung mit dem GOE zusammengefallen wäre, hätten sich die Enzyme, die ihn nutzen, später entwickelt, so dass die Ergebnisse das Szenario unterstützen, in dem Sauerstoff vielen Lebensformen bereits bekannt war, als das GOE stattfand.
Das Szenario, das Jabłońska und Tawfik vorschlagen, sieht ungefähr so aus: Sauerstoff ist eines der chemisch reaktivsten Elemente überhaupt. Wie das eine Ende einer Batterie nimmt er gerne Elektronen auf und liefert so zusätzliche Stoffwechselenergie. Das macht ihn für viele Lebensformen extrem nützlich, aber auch potentiell schädlich.
Daher mussten photosynthetische Organismen sowie andere Organismen, die in ihrer Nähe leben, schnell Wege entwickeln, um den Sauerstoff effizient zu entsorgen. Dies würde die Entstehung von sauerstoffverwertenden Enzymen erklären, die molekularen Sauerstoff aus den Zellen entfernen. Der Abfall des einen Mikroorganismus ist jedoch die potenzielle Lebensquelle eines anderen.
Die einzigartige Reaktivität des Sauerstoffs ermöglichte es den Organismen, “widerstandsfähige” Moleküle wie Aromaten und Lipide abzubauen und zu verwerten, so dass sich Enzyme, die Sauerstoff aufnehmen und verwerten, wahrscheinlich schon bald danach entwickelten.Tawfik: “Dies bestätigt die Hypothese, dass Sauerstoff in der Biosphäre lange vor der GOE auftauchte und bestehen blieb. Es dauerte einige Zeit, bis das höhere GOE-Niveau erreicht wurde, aber bis dahin war Sauerstoff in der Biosphäre weit verbreitet.“”
English Summary
Around 2.5 billion years ago, our planet experienced what was possibly the greatest change in its history: According to the geological record, molecular oxygen suddenly went from nonexistent to becoming freely available everywhere. Evidence for the “great oxygenation event” (GOE) is clearly visible, for example, in banded iron formations containing oxidized iron. The GOE, of course, is what allowed oxygen-using organisms – respirators – and ultimately ourselves, to evolve. But was it indeed a “great event” in the sense that the change was radical and sudden, or were the organisms alive at the time already using free oxygen, just at lower levels? The scenario that Jabłońska and Tawfik propose looks something like this: Oxygen is one of the most chemically reactive elements around. Like one end of a battery, it readily accepts electrons, thus providing extra metabolic power. That makes it extremely useful to many life forms, but also potentially damaging. So photosynthetic organisms as well as other organisms living in their vicinity had to quickly develop ways to efficiently dispose of oxygen. This would account for the emergence of oxygen-utilizing enzymes that would remove molecular oxygen from cells. One microorganism’s waste, however, is another’s potential source of life. Oxygen’s unique reactivity enabled organisms to break down and use “resilient” molecules such as aromatics and lipids, so enzymes that take up and use oxygen likely began evolving soon after.
Quelle/Sender (ausgewählt, adaptiert, endübersetzt ohne Gewähr von Glocalist. Übernommene Passagen durch Anführungszeichen markiert): Weizmann Wonder Wander