Nehmen Mikroben Einfluss auf die Evolution?

Infoportal-Mikrobiologie  Nehmen Mikroben Einfluss auf die Evolution?

Mikroben haben die Evolution maßgeblich beeinflusst und somit auch unser heutiges Leben mitgestaltet. Vor mehreren Milliarden Jahren enthielt die Atmosphäre der Erde nur einen sehr geringen Anteil an Sauerstoff (O2). Die existierenden Lebensformen waren somit an sauerstofffreie oder -arme (anaerobe) Bedingungen angepasst. Als die Erde in etwa halb so alt war wie heute, kam es zu einem drastischen Sauerstoff-Anstieg in der Atmosphäre. Dies ist auf die Aktivität von Vorfahren der heutigen Cyanobakterien zurückzuführen, die eine damals neuartige Form der Photosynthese betrieben haben. Dieser Stoffwechsel, der heute in ähnlicher Form auch in Pflanzen vorkommt, setzte Sauerstoff in großen Mengen frei. Sauerstoff ist sehr reaktiv und somit für Lebewesen ohne entsprechende Anpassung tödlich. Daher führte der Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs zu einem Massenaussterben Sauerstoff-intoleranter (anaerober) Organismen. Dieses Massenaussterben eröffnete allerdings Lebensräume, in denen sich aerobe (Sauerstoff zum Leben benötigende) Lebewesen entwickeln konnten. So trugen Mikroben ganz entscheidend zur Entstehung der Sauerstoffatmung und der Evolution höherer Lebewesen wie auch uns Menschen, bei.

Der rasante Anstieg der Sauerstoffkonzentration um mehrere Größenordnungen vor ca. 2,4 Milliarden Jahren wird auch „große Sauerstoffkatastrophe“ genannt. Sauerstoff kann hochreaktive Formen annehmen: Entsteht beispielsweise statt der normalen Form O2 ein vereinzeltes Sauerstoffatom, sucht sich dieses umgehend neue Partner.  Solche reaktiven Sauerstoffspezies können lebenswichtige Zellstrukturen zerstören. Daher waren die damaligen Lebewesen gezwungen, sich an eine sauerstoffreiche Umgebung anzupassen oder in sauerstofffreie Nischen auszuweichen. Lebensformen, denen dies nicht gelang, starben aus (s.a. hier). 

Die Umstellung auf einen sauerstoffabhängigen Stoffwechsel stellt eine Pionierleistung in der Evolution des Energiestoffwechsels dar, da die Sauerstoffatmung evolutive Vorteile gegenüber früheren Atmungsformen mit sich brachte. Vergleichbar ist die Verwertung von Nährstoffen mittels Sauerstoffatmung mit der Verbrennung von Benzin in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor: Bei diesem wird das Benzin (Nährstoff) zur Energiegewinnung mit Sauerstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser verbrannt. Während im Motor die Freisetzung der Energie explosionsartig geschieht, haben Lebewesen einen Weg gefunden, den Abbau in viele kleine Einzelschritte zu unterteilen und dabei einen Großteil der freigesetzten Energie zu speichern (oxidative Phosphorylierung). Lebewesen, die andere Arten der Atmung betreiben (z. B. Eisen- oder Nitratatmung), können mit der Nahrung aufgenommene Energie nur zu einem geringeren Teil verwerten. Der evolutive Vorteil der schnelleren und effizienteren Bereitstellung von Energie durch die Sauerstoffatmung führte dazu, dass heute alle hochkomplexen Lebensformen wie Tiere, Pilze und Pflanzen (Eukaryoten) Sauerstoff atmen.

Übrigens produzieren Cyanobakterien nicht immer Sauerstoff!

Zum Weiterlesen:

R. Blaustein (2016) The Great Oxidation Event: Evolving understandings of how oxygenic life on Earth began. BioScience, Volume 66, Issue 3

Lyons et al. (2014) The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. Nature Volume 506, pages 307–315

© Text Paul Bolay, UFZ Leipzig, Department Solar Materials/VAAM, paul.bolay[at]ufz.de
© Abbildung Mahir Bozan, UFZ Leipzig, mahir.bozan[at]ufz.de, Nutzung gemäß CC 4.0