Voor de overgrote meerderheid van de dieren op aarde is ademen synoniem met leven. Tijdens de eerste twee miljard jaar van het bestaan van onze planeet bevond zuurstof zich echter in een zeldzame staat.
Dit wil niet zeggen dat de aarde al die tijd levenloos was, maar dat het leven zeldzaam was en heel anders dan wat we nu kennen.
Pas toen er complexere bacteriën die in staat zijn tot fotosynthese op het toneel verschenen, begon alles te veranderen, wat leidde tot wat wetenschappers het Grote Oxidatie-evenement noemen. Maar wanneer is dit allemaal gebeurd? Hoe schokte dit alles?
Een nieuwe techniek voor genanalyse heeft hints gegeven voor een nieuwe tijdlijn. Naar schatting duurde het 400 miljoen jaar voordat bacteriën zonlicht opslokten en zuurstof uitademden voordat het leven echt floreerde.
Met andere woorden, er waren waarschijnlijk organismen op onze planeet die in staat waren tot fotosynthese lang voor de Grote Oxidatie-gebeurtenis.
“In de evolutie beginnen dingen altijd klein”, leg uit Geoloog Greg Fournier van het Massachusetts Institute of Technology.
“Hoewel er bewijs is voor vroege zuurstoffotosynthese – wat de belangrijkste en meest verbazingwekkende evolutionaire innovatie op aarde is – duurde het honderden miljoenen jaren om op gang te komen.”
Er zijn momenteel twee concurrerende accounts om de evolutie van fotosynthese in speciale bacteriën die bekend staan als cyanobacteriën te verklaren. Sommigen geloven dat het natuurlijke proces van het omzetten van zonlicht in energie heel vroeg op het evolutionaire toneel verscheen, maar het evolueerde met een “langzame lont”. Anderen geloven dat de fotosynthese later is geëvolueerd, maar “het liep als een lopend vuurtje”.
Veel van de controverse komt voort uit veronderstellingen over de snelheid waarmee bacteriën evolueren en de verschillende interpretaties van het fossielenbestand.
Dus Fournier en zijn collega’s voegden een andere vorm van analyse toe aan de mix. In zeldzame gevallen kunnen bacteriën genen niet van hun ouders erven, maar van andere, ver verwante soorten. Dit kan gebeuren wanneer een andere cel “eet” en andere genen in zijn genoom opneemt.
Wetenschappers kunnen deze informatie gebruiken om de relatieve leeftijden van verschillende bacteriegroepen te achterhalen; Degenen met gestolen genen moeten ze bijvoorbeeld hebben geknepen van een soort die tegelijkertijd aanwezig was.
Deze relaties kunnen vervolgens worden vergeleken met meer specifieke dateringspogingen, zoals moleculaire klokmodellen, die de genetische sequenties van organismen gebruiken om de geschiedenis van genetische veranderingen te traceren.
Daartoe kamden de onderzoekers het genoom van duizenden bacteriesoorten, waaronder cyanobacteriën. Ze waren op zoek naar gevallen van horizontale genoverdracht.
In totaal identificeerden ze 34 duidelijke voorbeelden. Bij het vergelijken van deze voorbeelden met zes moleculaire klokmodellen, vonden de auteurs er één in het bijzonder consistent meer geschikt. Bij het kiezen van deze vorm van de mix maakte het team schattingen voor de levensduur van de fotosynthetische bacteriën.
De resultaten geven aan dat alle cyanobacteriën die tegenwoordig leven een gemeenschappelijke voorouder hebben die ongeveer 2,9 miljard jaar geleden was. Ondertussen, voorouders die De voorouders van niet-fotosynthetische bacteriën liepen ongeveer 3,4 miljard jaar geleden uiteen.
Fotosynthese is waarschijnlijk ergens tussen deze twee data geëvolueerd.
Volgens het evolutionaire model van het team dat de voorkeur heeft, waren cyanobacteriën mogelijk minstens 360 miljoen jaar vóór de geosynchrone baan aan het fotosynthetiseren. Als ze gelijk hebben, ondersteunt dit de “slow fusion”-hypothese.
“Dit nieuwe artikel werpt een fundamenteel nieuw licht op de geschiedenis van de zuurstofvoorziening van de aarde door het fossielenbestand op nieuwe manieren te koppelen aan genoomgegevens, inclusief horizontale genoverdrachten,” Hij zegt Biogeochemicus Timothy Lyons van de Universiteit van Californië, Riverside.
“De bevindingen spreken over het begin van biologische zuurstofproductie en het ecologische belang ervan, op manieren die biotische beperkingen bieden aan patronen en controles op vroege zuurstofvoorziening in de oceaan en daaropvolgende accumulatie in de atmosfeer.”
De auteurs hopen in de toekomst soortgelijke genetische analysetechnieken te gebruiken om andere organismen dan cyanobacteriën te analyseren.
De studie is gepubliceerd in Proceedings van de Royal Society B.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”