Die mikrobielle Sulfatreduktion aus dem Paläoarchäikum spielt eine entscheidende Rolle für den globalen Kohlenstoff- und Schwefelkreislauf auf der alten und modernen Erde. Über 150 Arten von Sulfatreduzierern aus Bakterien- und Archaeenstämmen wurden in einer Reihe unterschiedlicher Umgebungen identifiziert. Ihr Ursprung ist jedoch schwer zu fassen und es fehlen eindeutige Fossilien.
Kürzlich hat ein 518 Millionen Jahre altes mikrobielles Fossil aus China, das als uraltes sulfatreduzierendes Bakterium identifiziert wurde, Licht auf die adaptive Evolution sulfatreduzierender Bakterien als Reaktion auf Sauerstoffereignisse der Erde geworfen. Dieses neue Fossil mit der Bezeichnung Qingjiangonema cambria wird von einem Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Xingliang Zhang vom Shaanxi Key Laboratory of Early Life and Environments der Northwest University, Prof. Jinhua Li vom Institut für Geologie und Geophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IGGCAS) und Prof. Yinzhao Wang von der School of Life Sciences and Biotechnology der Shanghai Jiao Tong University vorgestellt.
Die Studie ist veröffentlicht im Journal Wissenschafts-Bulletin.
Qingjiangonema wurde in schwarzen Schiefern der Shuijingtuo-Formation entdeckt, die die Qingjiang-Biota bildet, eine frühkambrische Lagerstätte von Fossilien des Burgess-Schiefers (BST) in Südchina. Es erscheint als langes Filament aus Hunderten stabförmiger Zellen. Die Zellen sind an den Verbindungsstellen verengt, ∼1 bis 3 μm breit und ∼0,8 bis 11,0 μm lang.
Jede Zelle ist außen von einem dreischichtigen ultradünnen Film umhüllt und innen mit äquimorphen und äquidimensionalen Pyrit-Mikrokristallen gefüllt. Die einzigartige kettenartige Morphologie und ihr Vorkommen in Schwarzschiefer (zementierter anoxischer Schlamm) liefern entscheidende Hinweise zur Bestimmung der biologischen Affinität von Qingjiangonema. Die getreue Nachbildung der Zellmorphologie durch die Füllung mit Pyrit-Mikrokristallen lässt darauf schließen, dass Qingjiangonema zu Lebzeiten in der Lage war, Mineralien intrazellulär auszufällen.
Um die Physiologie von Qingjiangonema weiter zu bestimmen, wurden In-situ-Schwefelisotopenanalysen von intrazellulären Pyrit-Mikrokristallen mittels Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die intrazellulären Pyrit-Mikrokristalle eine leichte Schwefelisotopenzusammensetzung und große Isotopenfraktionierung aufweisen, die mit denen des modernen Desulfonema in anoxischem Schlamm vergleichbar sind.
Interessanterweise weisen innerhalb der großen Anzahl moderner sulfatreduzierender Bakterien und ihrer Verwandten nur die Mitglieder der Desulfonema und Kabelbakterien innerhalb des Stammes Desulfobacterota ähnliche kettenartige Morphologien auf. Desulfonema-Arten sind filamentöse Sulfatreduzierer, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie Sulfat unter anoxischen Bedingungen mit einer großen Schwefelisotopenfraktionierung von Sulfat zu Sulfid reduzieren.
Der Stoffwechsel der Kabelbakterien ist jedoch entgegengesetzt. Sie sind aerobe Sulfid oxidierende Bakterien, die für den Elektronentransport über zentimeterlange Distanzen bekannt sind und die kanonischen Sulfat-reduzierenden Gene mit den Mitgliedern der Desulfobacterota teilen.
Insgesamt belegen zahlreiche Beweislinien, darunter Fossilienmorphologie, Beurteilung der Lebensbedingungen und Isotopenanalysen, dass Qingjiangonema ein filamentöses, vielzelliges, sulfatreduzierendes Mikrofossil war.
Die Entdeckung dieses bemerkenswerten Mikrofossils wirft Licht auf die Evolution von sulfatreduzierenden Bakterien und Kabelbakterien. Phylogenomische und molekulare Uhranalysen bestätigen einen unabhängigen Ursprung der Mehrzelligkeit von Desulfonema und Kabelbakterien innerhalb des Stammes Desulfobacterota.
Noch wichtiger ist jedoch, dass diese molekularbiologischen Analysen den Schluss zulassen, dass sich die Desulfobacterota, zu denen die Mehrheit der sulfatreduzierenden Taxa zählt, vor etwa 2,4 Milliarden Jahren während des großen paläoproterozoischen Sauerstoffereignisses (GOE) voneinander abspalteten, während sich die Kabelbakterien vor etwa 0,56 Milliarden Jahren während oder nach dem neoproterozoischen Sauerstoffereignis aufspalteten.
Zusammenfassend kamen die Autoren zu dem Schluss, dass Qingjiangonema cambria entweder mit Desulfonema verwandt ist oder einen sulfatreduzierenden Vorfahren der Kabelbakterien darstellt. Sie schlugen vor, dass sich sulfatreduzierende Bakterien erstmals als Reaktion auf den Anstieg der Sulfatkonzentrationen im Ozean während des GOE diversifizierten und dass schwefeloxidierende Kabelbakterien sich aus einem filamentösen, mehrzelligen, sulfatreduzierenden Vorfahren durch Umkehrung des Sulfatreduktionspfads entwickelten, als große Bereiche des Meeresbodens während oder nach dem NOE mit Sauerstoff angereichert wurden.
Mehr Informationen:
Linhao Cui et al., Das kambrische Mikrofossil Qingjiangonema enthüllt die Koevolution von sulfatreduzierenden Bakterien und der Sauerstoffversorgung der Erdoberfläche, Wissenschafts-Bulletin (2024). DOI: 10.1016/j.scib.2024.03.001