- Sauerstoff ist für viele anaerobe Organismen toxisch und beeinträchtigt ihre molekulare Maschinerie. Cyanobakterielle Organismen führten vor etwa 2,7 Milliarden Jahren zu einer Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre. Hydrogenobacter RSW1 kann sowohl Sauerstoff als auch Schwefel gleichzeitig atmen. Diese Entdeckung stellt bisherige Vorstellungen zur zellulären Atmungsgrenze in Frage. Ein doppelter Metabolismus könnte während der Großen Oxidationsereignis von Vorteil gewesen sein.
Atmen Sie tief ein. Eine Luftströmung strömt in Ihre Lungen, wo der Sauerstoff in Ihren Blutkreislauf übergeht und die metabolischen Feuer in Zellen Ihres gesamten Körpers entzündet. Als aerober Organismus nutzen Sie Sauerstoff als zelluläre Antriebskraft, um molekulare Energie aus der Nahrung freizusetzen, die Sie konsumieren. Doch auf unserem Planeten gibt es Organismen, die anders leben und atmen. Anstatt Sauerstoff zu verwenden, um Energie zu gewinnen, gebrauchen viele einzellige Lebewesen, die in sauerstoffarmen Umgebungen wie Tiefsee-Hydrothermalquellen oder dunklen Erdspalten hausen, andere Elemente zur Energiegewinnung. Diese physische Trennung zwischen den sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Welten ist nicht nur eine Frage der Nutzung verfügbarer Ressourcen; es ist eine biochemische Notwendigkeit.
Die biochemische Trennung
Sauerstoff verhält sich nicht kompatibel mit den metabolischen Pfaden, die es ermöglichen, durch Elemente wie Schwefel oder Mangan zu respirieren. Während er uns das Leben schenkt, ist Sauerstoff für viele Anaerobier, also Lebewesen, die ohne Sauerstoff atmen, ein Toxin, das ihre spezialisierte molekulare Maschinerie beeinträchtigt. „Wir lieben Sauerstoff, natürlich,“ sagt ein Evolutionsbiologe der Universität Lund in Schweden. „Aber für die Mehrheit des Lebens auf unserem Planeten und sogar für uns selbst ist es ein ziemlich schädliches Molekül. Wir haben Wege entwickelt, die negativen Auswirkungen von Sauerstoff zu mildern. Wir können uns ein Leben ohne es nicht vorstellen, aber tatsächlich ist das Leben mit ihm ziemlich hart.“
In den ersten Milliarden Jahren des Lebens auf der Erde umgingen Organismen dieses Dilemma ganz. Damals waren die Luft und die Ozeane fast frei von Sauerstoff, sodass das Leben fast ausschließlich anaerob war. Dann, vor etwa 2,7 Milliarden Jahren, füllten cyanobakterielle Organismen, die Sonnenlicht in Zucker und Sauerstoff umwandelten, die Meere. Über Hunderte von Millionen Jahren sorgte ihre Atmung für eine Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre und den Ozeanen. Diese sogenannte Große Oxidationsereignis veränderte die Biosphäre grundlegend. Die aerobe Respiration entwickelte sich und begann die Welt zu dominieren.
Ein neuer Blick auf Dualatmung
Wie das Leben diesen Übergang von anaerober zu aerober Respiration überbrückte, bleibt ein Rätsel. Heute haben Forscher neue Einsichten über das mögliche Ansehen dieses Übergangs erhalten, indem sie ein Bakterium untersuchten, das in einer heißen Quelle im Yellowstone-Nationalpark entdeckt wurde. Es betreibt zeitgleich mehrfache Atemmethoden. Hydrogenobacter RSW1 atmet sowohl Sauerstoff als auch Schwefel zugleich. Die Entdeckung erinnert uns daran, wie viel wir noch über mikrobiologische Diversität und Metabolismus zu lernen haben. Diese Bakterienart ist nicht nur im Yellowstone zu finden, sondern auch in vulkanisch beeinflussten heißen Quellen weltweit, von Island bis Neuseeland, und wächst in geringen Mengen an Sauerstoff. Diese Entdeckungen stellen die bisherigen Annahmen zur zellulären Atmungsgrenze in Frage und bieten Forschern einen neuen Rahmen, um zu verstehen, wie das Leben auf der Schwelle zwischen Paradies und Gift wandert.
Was diese Entdeckung bedeutet
Boyds Team hat festgestellt, dass RSW1-Bakterien am besten wachsen, wenn sie sowohl die aerobe als auch die anaerobe Metabolisierung gleichzeitig betreiben. Dies könnte in ihrem einzigartigen Umfeld von Vorteil sein: In heißen Quellen, wo das atmosphärische Sauerstoffangebot ständig im Fluss ist, könnte eine vielfältige metabolische Fähigkeit äußerst adaptiv sein. Andere Mikroben haben ebenfalls die Fähigkeit gezeigt, zwei Atmungswege zugleich zu beschreiten, sie verwenden aber hierbei unterschiedliche chemische Pfade, die oft einen energetischen Nachteil darstellen. Im Gegensatz dazu scheint RSW1 diese zwei Prozesse zum Vorteil auszunutzen. Diese besondere Atmungsweise mag bisher übersehen worden sein, weil sie als unmöglich galt, doch sie könnte viel verbreiteter sein als bisher angenommen. Diese Mikroorganismen könnten als Modelle dafür dienen, wie Mikroleben während der Großen Oxidationsereignis im Evolutionsprozess agierte. Zu jener Zeit könnte das Überleben in einer sich wandelnden Atmosphäre mit sporadischem Sauerstoffkontakt entscheidend gewesen sein.
In dieser Übergangszeit war möglicherweise ein doppelter Metabolismus besser als nur ein einziger.
