Het betekent dat organismen al vrij kort na het ontstaan van de aarde zuurstof tot hun beschikking hadden.

Miljarden jaren geleden herbergde onze atmosfeer vrijwel geen zuurstof. Dat veranderde toen microben de fotosynthese onder de knie kregen en zuurstof gingen produceren. De zuurstofconcentratie in de atmosfeer steeg gestaag en daarmee werd ook het ontstaan van complexere levensvormen mogelijk. Het ontstaan van fotosynthese is dan ook van cruciaal belang geweest voor de evolutie van het leven op aarde.

Dateren
Geen wonder dat onderzoekers graag willen weten wanneer microben precies begonnen met het produceren van zuurstof. Vaak gaan ze daartoe in oude gesteenten op zoek naar sporen van zuurstof. Dergelijke studies suggereerde dat microben tussen 2,4 en 3 miljard jaar geleden begonnen met fotosynthese. Maar een nieuw onderzoek – verschenen in het blad Heliyon – suggereert nu dat de fotosynthese ongeveer 1 miljard eerder begon.

Twee smaakjes

In het geval van oxygene fotosynthese wordt licht gebruikt om watermoleculen te splitsen, zodat zuurstof, elektronen en protonen vrijkomen. In het geval van anoxygene fotosynthese worden bijvoorbeeld waterstofsulfide of mineralen in plaats van water gebruikt en wordt geen zuurstof geproduceerd.

Fotosystemen
Auteur Tanai Cardona trekt die conclusie op basis van een onderzoek naar de moleculaire machines die verantwoordelijk zijn voor fotosynthese. Het gaat dan om complexe enzymen die fotosystemen worden genoemd. Hij richtte zich daarbij op een enzym dat fotosysteem I wordt genoemd. Dit enzym speelt een rol in oxygene fotosynthese en anoxygene fotosynthese (zie kader): de twee typen fotosynthese die we kennen. Hoewel fotosysteem I bij beide vormen van fotosynthese betrokken is, is de kern van het enzym in elk van deze typen fotosynthese net ietsje anders. En Cardona heeft nu uitgezocht hoelang geleden die door genen ingegeven verschillen in het enzym zijn ontstaan. En hij ontdekte dat ze meer dan 3,4 miljard jaar geleden geëvolueerd zijn.

Het enzym dat Cardona bestudeerde. Afbeelding: Elsevier.

Cyanobacteriën
“Mijn resultaten betekenen dat het proces dat bijna al het leven op aarde vandaag de dag in stand houdt, al veel langer speelt dan we denken,” vertelt Cardona. Het verandert ook de kijk die we hebben op de micro-organismen die de atmosfeer zuurstofrijk hebben gemaakt. Aangenomen werd dat de cyanobacteriën daarvoor verantwoordelijk zijn, maar zij waren er meer dan 3,4 miljard jaar geleden nog niet. Het suggereert dat andere microben begonnen zijn met zuurstof produceren en later overgestapt zijn op anoxygene fotosynthese.

Niet constant
Een andere verrassende bevinding is dat de evolutie van fotosystemen geen constante snelheid heeft. Eerder onderzoek toonde aan dat fotosystemen sinds het ontstaan van de cyanobacteriën 2,4 miljard jaar geleden vrij traag evolueren. Maar toen Cardona die trage snelheid gebruikte om te berekenen wanneer fotosynthese voor het eerst plaatsvond, kwam hij uit op een moment in de geschiedenis waarop de aarde er nog niet was. Dat is onmogelijk. Er kan dan ook maar één conclusie getrokken worden: de fotosystemen evolueerden in het begin sneller (mogelijk doordat de aarde in die tijd veel warmer was). “We weten nog steeds heel weinig over waarom het leven is zoals het is en hoe de meeste biologische processen ontstaan zijn. Soms komt ons beste giswerk zelfs niet in de buurt van wat er lang geleden echt is gebeurd.”

Overigens heeft het onderzoek niet alleen implicaties voor de evolutie van het leven op aarde. Het kan ook van belang zijn voor de jacht op buitenaards leven.