A timeline for evolution of metabolism in early microbes

Lange bevor Menschen die Erde betraten und lange bevor die ersten Wälder oder Ozeane, wie wir sie kennen, existierten, wurde der Planet durch mikrobielles Leben geformt. Diese frühen Mikroben waren nicht nur Bewohner; sie waren die Architekten der Chemie unserer Welt. Durch die chemischen Reaktionen, die sie zur Erhaltung ihres Lebens vollzogen, setzten sie Gase frei, zersetzten Gestein und füllten schließlich die Atmosphäre mit Sauerstoff, was die Bühne für alles komplexe Leben ebnete, das folgen sollte. Wissenschaftler versuchen schon lange, die Geschichte dieser winzigen Organismen zu rekonstruieren, insbesondere wann sie die Fähigkeit entwickelten, verschiedene Arten von Stoffwechsel – jene chemischen Prozesse, die Energie in Leben umwandeln – auszuüben. Die Beweise dafür sind jedoch oft schwach. Gesteine aus Milliarden von Jahren können manchmal auf diese uralten Aktivitäten hindeuten, aber die Aufzeichnungen sind voller Lücken und Mehrdeutigkeiten. Einige Stoffwechselprozesse hinterlassen überhaupt keine Spuren im Stein, was Forscher darüber rätseln lässt, wann und wie die ersten Mikroben lernten zu essen, zu atmen und zu wachsen.

Um dieses Rätsel zu lösen, hat ein Forscher die digitalen Archive des modernen Lebens konsultiert. Durch die Analyse der genetischen Baupläne von Hunderten lebender Bakterien und Archaeen hat er eine neue Zeitleiste für die Evolution des Stoffwechsels erstellt. Seine Arbeit legt nahe, dass diese lebenserhaltenden chemischen Prozesse nicht zufällig über die Zeit erschienen, sondern vielmehr in drei deutlichen Wellen auftraten. Die erste Welle, die vor mehr als 3,4 Milliarden Jahren stattfand, beinhaltete einfache, sauerstofffreie Methoden zur Energiegewinnung. Eine zweite Welle, die vor etwa 3,2 Milliarden Jahren begann, führte komplexere Prozesse ein, einschließlich jener, die schließlich zur Nutzung von Sauerstoff führten. Die letzte Welle, die vor etwa 1,4 Milliarden Jahren anlief, brachte spezialisierte Formen des Stoffwechsels hervor, die in weniger Organismen vorkommen. Diese Zeitleiste, die durch die Kombination von Computermodellen mit der Geschichte des Lebens erstellt wurde, stimmt eng mit den zuverlässigsten Daten aus uralten Gesteinen überein und bietet ein klareres Bild davon, wie unser Planet bewohnbar wurde.

Der Forscher begann seine Arbeit mit der Sammlung der genetischen Daten von 700 verschiedenen modernen Mikroben. Er behandelte diese Genome als ein historisches Archiv und ging davon aus, dass die heute in lebenden Organismen vorhandenen Gene von ihren uralten Vorfahren geerbt wurden. Mithunter Hilfe leistungsstarker Computerprogramme rekonstruierte er die genetischen Funktionen dieser Vorfahren und arbeitete effektiv rückwärts, um vorherzusagen, welche Gene die frühesten Lebensformen besessen haben. Er wandte daraufhin zwei verschiedene computergestützte Werkzeuge auf diese rekonstruierten Gene an. Ein Werkzeug nutzte einen Ansatz des maschinellen Lernens, der auf modernen Organismen trainiert wurde, um zu schätzen, ob ein uralter Mikrobe aufgrund seines genetischen Aufbaus eine bestimmte Aufgabe ausführen konnte. Das zweite Werkzeug kartierte die Gene gegen bekannte chemische Netzwerke, um zu prüfen, ob die notwendige Maschinerie für einen spezifischen Stoffwechselweg vorhanden war. Durch die Anwendung dieser Werkzeuge über seinen Evolutionsbaum hinweg konnte er genau bestimmen, wann bestimmte Merkmale, wie die Fähigkeit zur Fermentation von Nahrung oder zum Atmen von Schwefelverbindungen, zum ersten Mal auftraten.

Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster von drei evolutionären Wellen. Die früheste Welle, die vor über 3,4 Milliarden Jahren begann, wurde von anaerobem Leben dominiert – Organismen, die ohne Sauerstoff gediehen. Diese frühen Mikroben verließen sich auf Fermentation und die Atmung von Schwefelverbindungen, um Energie zu erzeugen. Dieser Zeitraum deckt sich mit den ersten weitgehend akzeptierten chemischen Belegen für mikrobielles Leben in der Gesteinsaufzeichnung. Die zweite Welle begann vor etwa 3,2 Milliarden Jahren und markierte einen bedeutenden Wandel hin zur aeroben Diversifizierung. Diese Ära sah den Aufstieg der aeroben Atmung, die Fähigkeit, Sauerstoff zur Energiegewinnung zu nutzen, gefolgt von dem bald darauf folgenden Aufstieg des aeroben Wachstums. Sie beinhaltete auch das Erscheinen anderer komplexer Merkmale wie die Stickstofffixierung und die oxygenische Photosynthese – jenen Prozess, der schließlich die Atmosphäre mit dem Sauerstoff füllte, den wir heute atmen. Die dritte Welle, die viel später vor etwa 1,4 Milliarden Jahren auftrat, war durch Spezialisierung gekennzeichnet. Während dieser Zeit entwickelten Mikroben hochspezialisierte metabolische Fähigkeiten, wie etwa die Fähigkeit zur Respiration von Selen oder Chlorat, die in weniger Abstammungslinien vorkommen und eine raffiniertere Stufe der Evolutionsgeschichte darstellen.

Der Forscher testete die Zuverlässigkeit seiner computergenerierten Zeitleiste, indem er sie mit unabhängigen Daten aus dem geologischen Archiv verglich. Er stellte eine starke Übereinstimmung zwischen seinen Vorhersagen und den konservativsten, weitgehend akzeptierten Daten aus uralten Gesteinen fest. Beispielsweise sagte sein Modell den Aufstieg der schwefelbasierten Respiration und des aeroben Wachstums zu Zeiten voraus, die mit den ältesten zuverlässigen geochemischen Belegen übereinstimmen. Diese Übereinstimmung deutet darauf hin, dass seine Methode robust ist und die Zeitleiste nicht nur ein Produkt der Computermodelle ist, sondern reale historische Ereignisse widerspiegelt. Die Studie hob auch hervor, dass einige Formen des Stoffwechsels, die keine Spuren in der Gesteinsaufzeichnung hinterlassen, nun mithilfe dieses genetischen Ansatzes datiert werden können. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, die Lücken in der Geschichte der Erde mit einem Detailgrad zu füllen, der zuvor unmöglich war.

Obwohl die Zeitleiste einen starken Rahmen bietet, räumt der Forscher ein, dass sie nicht das letzte Wort ist. Sein Modell stützt sich auf die heute existierenden Enzyme und kann keine Stoffwechselprozesse berücksichtigen, die ohne Enzyme stattfanden oder von Organismen durchgeführt wurden, die inzwischen ausgestorben sind. Diese Einschränkung könnte erklären, warum sein Modell das Auftreten einiger Prozesse etwas später verortet, als es die ältesten, umstrittensten geochemischen Hinweise vermuten lassen. Zum Beispiel platziert das Modell die Entstehung der Stickstofffixierung später, als es einige Gesteinsbelege nahelegen, obwohl sich das Datum dem geologischen Rekord annähert, wenn der Forscher seine Kriterien für das, was als vollständiges Stoffwechsel-System zählt, anpasste. Trotz dieser Nuancen gelingt es der Studie, verschiedene Beleglinien zu versöhnen, indem sie das Fossilienregister, die chemische Geschichte der Gesteine und die genetische Geschichte des Lebens zusammenführt. Sie bietet eine umfassende Sicht darauf, wie sich der mikrobielle Stoffwechsel entwickelte und eine stille, chemische Welt in den lebendigen, sauerstoffreichen Planeten verwandelte, den wir heute bewohnen.