Het eerste directe bewijs van fotosynthese werd ontdekt
Tijdens fotosynthese zetten planten en cyanobacteriën water en koolstofdioxide om in suiker en zuurstof met behulp van zonlicht. Dit proces vormt de basis voor bijna al het leven op onze planeet. Er is echter weinig bekend over de evolutionaire oorsprong ervan. Onderzoekers hebben nu structuren geïdentificeerd in 1,75 miljard jaar oude microfossielen die nog steeds verantwoordelijk zijn voor de fotosynthese in planten. De ontdekking van oude thylakoïdmembranen levert het oudste directe bewijs van fotosynthese tot nu toe.
In de begindagen van het bestaan van de aarde bevatte de atmosfeer slechts kleine hoeveelheden zuurstof. Dat veranderde ongeveer 2,4 miljard jaar geleden met de zogenaamde Grote Zuurstofcatastrofe. Om nog niet volledig begrepen redenen is het zuurstofniveau in de oceanen en de atmosfeer snel toegenomen, waardoor de omstandigheden op onze planeet fundamenteel zijn veranderd. De meeste levensvormen die tot dan toe bestonden, zijn uitgestorven. Hier begon de ontwikkeling van het leven zoals we dat nu kennen. Wetenschappers geloven dat fotosynthese, waarbij zuurstof als afvalproduct ontstaat, een belangrijke rol heeft gespeeld in de plotselinge toename van zuurstof. Vroege cyanobacteriën, die als eersten zuurstofproducerende fotosynthese ontwikkelden, kunnen verantwoordelijk zijn geweest. Wanneer fotosynthese in zijn huidige vorm verscheen, is echter controversieel.
Membraaninvasies voor efficiënte fotosynthese
“Kennis over hoe cyanobacteriën differentiëren is cruciaal voor het begrijpen van de evolutie van onze planeet en ons leven”, schreef een team onder leiding van Catherine Demoulin van de Universiteit van Luik in België. Wat vooral belangrijk is, is de structuur die tegenwoordig in de meeste fotosynthetisch actieve organismen wordt aangetroffen: de zogenaamde thylakoïden. Dit zijn invaginaties in het membraan van cyanobacteriën of chloroplasten in planten. Deze innovaties bevatten een bijzonder groot aantal lichtvangende complexen die efficiënte fotosynthese mogelijk maken.
“Onder de cyanobacteriën die tegenwoordig leven, zijn er groepen die wel of geen thylakoïdmembraan bevatten”, leggen Demoulin en haar team uit. “Op basis van de genetische verschillen tussen deze groepen wordt aangenomen dat ze tussen 2,7 en 2 miljard jaar geleden uiteen gingen”, maar tot nu toe is er geen fossiel bewijs uit deze periode gevonden. Daarom is het ook onduidelijk of thylakoïden vóór de Grote Zuurstofcatastrofe zijn geëvolueerd – en misschien hebben bijgedragen aan de oorzaak ervan – of pas daarna zijn verschenen.
Een inzicht in microfossielen
Demoulin en haar team hebben nu de gefossiliseerde overblijfselen van het micro-organisme Navifusa majensis onderzocht. Dit was waarschijnlijk een vroeg type cyanobacteriën. De oudste exemplaren komen uit de McDermott Formatie in Australië en dateren van ongeveer 1,75 miljard jaar oud. Met behulp van een speciale elektronenmicroscoop kon het team de structuren in fossiele micro-organismen zichtbaar maken. Sterker nog: er waren duidelijk gescheiden en gestapelde lagen, de typische structuur van het thylakoïdmembraan.
“Deze ontdekking breidt het fossielenbestand met minstens 1,2 miljard jaar uit en toont aan dat thylakoïde-dragende cyanobacteriën minstens 1,75 miljard jaar geleden ontstonden”, schreef het team. Hoewel het nog steeds onduidelijk is of thylakoïden vóór of na de Grote Zuurstoframp zijn gevormd, veronderstellen de onderzoekers dat hun methode deze vraag in de toekomst zou kunnen helpen verhelderen. “De ultrastructuur van celwanden en organellen heeft niet veel aandacht gekregen”, legden ze uit. “In de toekomst zouden vergelijkbare analyses van oudere microfossielen kunnen worden gebruikt om fotosynthetische organismen te identificeren en nieuwe inzichten te verwerven in de ecosystemen van die tijd.”
Bron: Catherine Demoulin (Universiteit Luik, België) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06896-7
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”