Microben zouden minstens een miljard jaar eerder in de geschiedenis van de aarde zuurstofproducerende fotosynthese hebben uitgevoerd dan eerder werd gedacht.

De bevinding zou ideeën kunnen veranderen over hoe en wanneer complex leven op aarde is geëvolueerd, en hoe waarschijnlijk het is dat het op andere planeten zou kunnen evolueren.

Zuurstof in de atmosfeer van de aarde is nodig voor complexe vormen van leven, die het gebruiken tijdens aërobe ademhaling om energie te maken.

Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden stegen de zuurstofniveaus in de atmosfeer dramatisch. maar waarom het toen gebeurde, is besproken. Sommige wetenschappers denken dat 2,4 miljard jaar geleden de organismen die cyanobacteriën worden genoemd, voor het eerst zijn geëvolueerd, die zuurstofproducerende (oxygene) fotosynthese zou kunnen uitvoeren.

Andere wetenschappers denken dat cyanobacteriën lang voor 2,4 miljard jaar geleden zijn geëvolueerd, maar iets verhinderde dat zuurstof zich ophoopte in de lucht.

Cyanobacteriën voeren een relatief geavanceerde vorm van oxygenische fotosynthese uit - hetzelfde type fotosynthese dat alle planten tegenwoordig doen. Er is daarom gesuggereerd dat eenvoudigere vormen van oxygenische fotosynthese eerder hadden kunnen bestaan, vóór cyanobacteriën, waardoor er weinig zuurstof beschikbaar is voor het leven.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van Imperial College London heeft ontdekt dat zuurstoffotosynthese minstens een miljard jaar vóór de ontwikkeling van cyanobacteriën plaatsvond. hun resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Geobiologie , laten zien dat zuurstof fotosynthese heel vroeg in de 4,5 miljard jaar oude geschiedenis van de aarde zou kunnen zijn geëvolueerd.

Hoofdauteur Dr. Tanai Cardona, van de afdeling Life Sciences van Imperial, zei:"We weten dat cyanobacteriën heel oud zijn, maar we weten niet precies hoe oud. Als cyanobacteriën zijn, bijvoorbeeld, 2,5 miljard jaar oud, wat zou betekenen dat zuurstof fotosynthese al 3,5 miljard jaar geleden zou kunnen zijn begonnen. Het suggereert dat het misschien geen miljarden jaren duurt voordat een proces als zuurstof fotosynthese begint na de oorsprong van het leven."

Als zuurstof fotosynthese vroeg evolueerde, het zou kunnen betekenen dat het een relatief eenvoudig proces is om te evolueren. De kans op het ontstaan ​​van complex leven op een verre exoplaneet kan dan behoorlijk groot zijn.

Het is moeilijk voor wetenschappers om erachter te komen wanneer de eerste zuurstofproducenten evolueerden met behulp van het gesteente op aarde. Hoe ouder de rotsen, hoe zeldzamer ze zijn, en hoe moeilijker het is om afdoende te bewijzen dat alle fossiele microben die in deze oude rotsen zijn gevonden, enige hoeveelheid zuurstof gebruikten of produceerden.

In plaats daarvan, het team onderzocht de evolutie van twee van de belangrijkste eiwitten die betrokken zijn bij oxygenische fotosynthese.

In de eerste fase van de fotosynthese, cyanobacteriën gebruiken lichtenergie om water in protonen te splitsen, elektronen en zuurstof met behulp van een eiwitcomplex genaamd Photosystem II.

Fotosysteem II bestaat uit twee eiwitten genaamd D1 en D2. Oorspronkelijk, de twee eiwitten waren hetzelfde, maar hoewel ze zeer vergelijkbare structuren hebben, hun onderliggende genetische sequenties zijn nu anders.

Dit laat zien dat D1 en D2 afzonderlijk zijn geëvolueerd - in cyanobacteriën en planten delen ze slechts 30 procent van hun genetische sequentie. Zelfs in hun oorspronkelijke vorm, D1 en D2 zouden in staat zijn geweest om zuurstof fotosynthese uit te voeren, dus weten hoe lang geleden ze identiek waren, zou kunnen onthullen wanneer dit vermogen voor het eerst evolueerde.

Om erachter te komen dat het verschil in tijd tussen D1 en D2 100 procent identiek is, en ze zijn slechts 30 procent hetzelfde in cyanobacteriën en planten, het team bepaalde hoe snel de eiwitten veranderden - hun evolutiesnelheid.

Met behulp van krachtige statistische methoden en bekende gebeurtenissen in de evolutie van fotosynthese, ze stelden vast dat de D1- en D2-eiwitten in Photosystem II extreem langzaam evolueerden - zelfs langzamer dan sommige van de oudste eiwitten in de biologie waarvan wordt aangenomen dat ze in de vroegste levensvormen worden aangetroffen.

Van dit, ze berekenden dat de tijd tussen de identieke D1- en D2-eiwitten en de 30 procent vergelijkbare versies in cyanobacteriën en planten minstens een miljard jaar is, en kan meer zijn dan dat.

Dr. Cardona zei:"Meestal, het verschijnen van zuurstof fotosynthese en cyanobacteriën worden als hetzelfde beschouwd. Dus, om erachter te komen wanneer zuurstof voor het eerst werd geproduceerd, hebben onderzoekers geprobeerd te achterhalen wanneer cyanobacteriën voor het eerst zijn geëvolueerd.

"Onze studie laat in plaats daarvan zien dat zuurstoffotosynthese waarschijnlijk begon lang voordat de meest recente voorouder van cyanobacteriën ontstond. Dit is in overeenstemming met de huidige geologische gegevens die suggereren dat vleugjes zuurstof of gelokaliseerde ophopingen van zuurstof vóór drie miljard jaar geleden mogelijk waren.

"Daarom, de oorsprong van zuurstof fotosynthese en de voorouder van cyanobacteriën vertegenwoordigen niet hetzelfde. Er kan een zeer groot tijdsverschil zijn tussen het een en het ander. Het is een enorme verandering in perspectief."

Nutsvoorzieningen, het team probeert na te bootsen hoe het fotosysteem eruit zag voordat D1 en D2 zich ontwikkelden. Door gebruik te maken van de bekende variatie in genetische codes van het fotosysteem voor alle soorten die vandaag de dag leven, ze proberen de genetische code van het voorouderlijke fotosysteem samen te stellen.