Geschichte der Sauerstoff-Atmung bekommt einen Twist Der erste Atem der Evolution

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Entwickelte sich die Grundlage der Atmung noch vor der sauerstoffreichen Uratmosphäre? Neue Forschungsergebnisse weisen auf diese paradox scheinende Reihenfolge hin. Denn ein internationales Team hat eine neue Klasse von Molekülen entdeckt, die die Geschichte der Sauerstoffatmung auf den Kopf stellen könnte.

Kein Ereignis in der Erdgeschichte hat den Lebewesen so viel Energie geliefert wie die Entwicklung der Sauerstoff-Atmung. Sie machte es möglich, Nahrung effizient in Energie umzuwandeln. Doch wann und in welchen Organismen hat sich diese Fähigkeit entwickelt Und welcher Prozess entstand zuerst: die Photosynthese, die Sauerstoff freisetzt oder die Sauerstoff-Atmung, die ihn zur Energieumwandlung nutzt? Dies ist noch immer Gegenstand wissenschaftlicher Debatten.

Ein internationales Forscherteam könnte nun einen entscheidenden Hinweis auf die evolutionäre Abfolge dieser Prozesse liefern. Unter Federführung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entdeckten die Wissenschaftler eine Variante eines Chinon-Moleküls, das Methylplastochinon. Sie haben diese in einem stickstoffverwertenden Bakterium (Nirtospirota) nachgewiesen und damit gezeigt, dass sich die Grundlagen der Sauerstoff-Atmung bereits früher als vor 2,3 Milliarden Jahren entwickelt haben, das ist sogar noch bevor es überhaupt Sauerstoff in der Atmosphäre gab.

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Eine Zufallsentdeckung verändert die Geschichte der Atmung

Der Fund des geschichtsträchtigen Chinon-Moleküls war ein glücklicher Zufall. „Wir haben Bakterien für ein ganz anderes Projekt untersucht, als wir eine ungewöhnliche Veränderung in einem Molekül eines stickstoffverwertenden Bakteriums beobachteten“, beschreibt der Erstautor der Studie, Dr. Felix Elling vom Leibniz-Labor für Altersbestimmung und Isotopenforschung der CAU. „Wir hatten von Anfang an den Verdacht, dass es sich dabei um einen entscheidenden Baustein handeln könnte, der mit der Entwicklung der Photosynthese und der Fähigkeit, Sauerstoff zu atmen, zusammenhängt“, führt der Forscher aus.

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Molekül-Begegnung der dritten Art

Bisher ging man davon aus, dass es nur zwei verschiedene Arten von Chinonen gibt, die in allen Lebewesen vorkommen und den Stoffwechsel steuern:

• anaerobe Chinone in Bakterien, die keinen Sauerstoff atmen,

• und aerobe Chinone, die von Pflanzen für die Photosynthese und von Menschen, Tieren oder Bakterien für die Sauerstoffatmung verwendet werden.

Nun haben die Wissenschaftler erstmals eine dritte Art von Chinonen entdeckt: das Methylplastochinon. Dieses hat die Grundstruktur der aeroben Chinone, weist aber einige Merkmale der anaeroben Form auf. „Ein Chinon, das dem ähnelt, das Pflanzen für die Photosynthese verwenden, in einem Bakterium zu finden, das Sauerstoff atmet, war sehr ungewöhnlich“, sagt Erstautor Elling. „Wir haben erkannt, dass Methylplastochinon ein dritter Chinon-Typ sein könnte und möglicherweise das fehlende Bindeglied zwischen den beiden Chinon-Typen darstellt.“ Das bisher unbekannte Molekül fand das Team nur in Bakterien des Phylums Nitrospirota, Organismen, die eine große Bedeutung für den globalen Stickstoffkreislauf haben.

Erstes Atmungsmolekül noch vor der sauerstoffreichen Atmosphäre vor 2,3 Milliarden Jahren

Die Ergebnisse des internationalen Teams tragen auch dazu bei, ein erdgeschichtliches Ereignis besser zu verstehen: die so genannte Sauerstoffkatastrophe (The Great Oxygenation Event) vor etwa 2,3 bis 2,4 Milliarden Jahren. Dieses Ereignis markiert einen Wendepunkt in der Geschichte der Atmung, da Cyanobakterien erstmals begannen, durch Photosynthese größere Mengen Sauerstoff zu produzieren und damit einen aeroben Stoffwechsel ermöglichten.

Die Existenz von Methylplastochinon widerlegt nun die Hypothese, dass die Photosynthese zuerst kam. Das Molekül und sein Biosyntheseweg sind ein entscheidender Hinweis darauf, dass einige Bakterien bereits in der Lage waren, Sauerstoff zu nutzen, bevor die Cyanobakterien damit begannen, es zu produzieren. Es gab also schon Sauerstoff-Atmung, bevor es Sauerstoff in der Atmosphäre gab.

Die Forscher haben die ursprüngliche Form des Methylplastochinons identifizieren, das die Basis für spätere Anpassungen bildete – so muss sich das Ur-Molekül einmal für Funktionen in Algen und Pflanzen angepasst haben und einmal in den Mitochondrien im menschlichen Organismus. „Dieses Molekül ist eine Zeitkapsel“, resümiert Elling. „Ein lebendes Fossil eines Moleküls, das mehr als zwei Milliarden Jahre überdauert hat.“

Grundlagen der Sauerstoff-Atmung bereits früh in Bakterien angelegt

Die Grundlagen für die Sauerstoff-Atmung waren also schon früh in der Erdgeschichte angelegt. Später, vor rund 2,3 bis 2,4 Milliarden Jahren, als sich dann viel Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, entwickelte sich daraus die Fähigkeit, Sauerstoff für die Energiegewinnung zu nutzen. Diese evolutionäre Neuerung der Sauerstoff-Atmung wurde von den Eukaryoten übernommen. In den Zellen der Eukaryonten – dazu gehören auch wir Menschen – ist dieses evolutionäre Ereignis in den Mitochondrien überliefert, Also in den bekannten „Kraftwerken der Zellen“, die unseren Körper mit Energie versorgen.

Originalpublikation: F.J. Elling, F. Pierrel, S. Chobert, S.S. Abby, T.W. Evans, A. Reveillard, L. Pelosi, J. Schnoebelen, J.D. Hemingway, A. Boumendjel, K.W. Becker, P. Blom, J. Cordes, V. Nathan, F. Baymann, S. Lücker, E. Spieck, J.R. Leadbetter, K. Hinrichs, R.E. Summons, & A. Pearson: A novel quinone biosynthetic pathway illuminates the evolution of aerobic metabolism, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8); DOI: 10.1073/pnas.2421994122 (2025).

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