Mikrober kunde ha utfört syreproducerande fotosyntes minst en miljard år tidigare i jordens historia än vad man tidigare trott.

Fyndet kan förändra idéer om hur och när komplext liv utvecklades på jorden, och hur troligt det är att det kan utvecklas på andra planeter.

Syre i jordens atmosfär är nödvändigt för komplexa former av liv, som använder den under aerob andning för att göra energi.

Nivåerna av syre steg dramatiskt i atmosfären för cirka 2,4 miljarder år sedan, men varför det hände då har diskuterats. Vissa forskare tror att det för 2,4 miljarder år sedan var när organismer som kallas cyanobakterier först utvecklades, som skulle kunna utföra syreproducerande (syrehaltig) fotosyntes.

Andra forskare tror att cyanobakterier utvecklades långt före 2,4 miljarder år sedan men något hindrade syre från att samlas i luften.

Cyanobakterier utför en relativt sofistikerad form av syrehaltig fotosyntes - samma typ av fotosyntes som alla växter gör idag. Det har därför föreslagits att enklare former av syrehaltig fotosyntes kunde ha funnits tidigare, före cyanobakterier, vilket leder till att låga nivåer av syre är tillgängliga för livet.

Nu, en forskargrupp ledd av Imperial College London har funnit att syrehaltig fotosyntes uppstod minst en miljard år innan cyanobakterier utvecklades. Deras resultat, publiceras i tidskriften Geobiologi , visa att syrehaltig fotosyntes kunde ha utvecklats mycket tidigt i jordens 4,5 miljarder år långa historia.

Huvudförfattare Dr Tanai Cardona, från Institutionen för livsvetenskaper vid Imperial, sa:"Vi vet att cyanobakterier är väldigt gamla, men vi vet inte exakt hur gammalt. Om cyanobakterier är, till exempel, 2,5 miljarder år gammal, vilket skulle innebära att syrehaltig fotosyntes kunde ha startat så tidigt som för 3,5 miljarder år sedan. Det tyder på att det kanske inte tar miljarder år för en process som syrehaltig fotosyntes att starta efter livets ursprung."

Om syrehaltig fotosyntes utvecklades tidigt, det kan betyda att det är en relativt enkel process att utvecklas. Sannolikheten för att komplext liv ska dyka upp i en avlägsen exoplanet kan då vara ganska hög.

Det är svårt för forskare att ta reda på när de första syreproducenterna utvecklades med hjälp av stenrekordet på jorden. Ju äldre stenar, desto sällsynta är de, och desto svårare är det att på ett avgörande sätt bevisa att alla fossila mikrober som finns i dessa gamla stenar använde eller producerade vilken mängd syre som helst.

Istället, teamet undersökte utvecklingen av två av de huvudsakliga proteinerna som är involverade i syrehaltig fotosyntes.

I det första steget av fotosyntesen, cyanobakterier använder ljusenergi för att dela vatten till protoner, elektroner och syre med hjälp av ett proteinkomplex som kallas Photosystem II.

Fotosystem II består av två proteiner som kallas D1 och D2. Ursprungligen, de två proteinerna var samma, men även om de har väldigt lika strukturer, deras underliggande genetiska sekvenser är nu annorlunda.

Detta visar att D1 och D2 har utvecklats separat - i cyanobakterier och växter delar de bara 30 procent av sin genetiska sekvens. Även i sin ursprungliga form, D1 och D2 skulle ha kunnat utföra oxygenisk fotosyntes, så att veta hur länge sedan de var identiska kunde avslöja när denna förmåga först utvecklades.

För att ta reda på skillnaden i tid mellan D1 och D2 är 100 procent identiska, och de är bara 30 procent desamma i cyanobakterier och växter, teamet bestämde hur snabbt proteinerna förändrades - deras utvecklingshastighet.

Genom att använda kraftfulla statistikmetoder och kända händelser i utvecklingen av fotosyntes, de fastställde att D1- och D2-proteinerna i Photosystem II utvecklades extremt långsamt – till och med långsammare än några av de äldsta proteinerna i biologin som tros finnas i de tidigaste livsformerna.

Från detta, de beräknade att tiden mellan de identiska D1- och D2-proteinerna och de 30 procent liknande versionerna i cyanobakterier och växter är minst en miljard år, och kan vara mer än så.

Dr Cardona sa:"Vanligtvis, utseendet av syrehaltig fotosyntes och cyanobakterier anses vara samma sak. Så, för att ta reda på när syre producerades för första gången har forskare försökt ta reda på när cyanobakterier först utvecklades.

"Vår studie visar istället att syrehaltig fotosyntes troligen kom igång långt innan den senaste förfadern till cyanobakterier uppstod. Detta är i överensstämmelse med nuvarande geologiska data som tyder på att dofter av syre eller lokaliserade ansamlingar av syre var möjliga för tre miljarder år sedan.

"Därför, ursprunget till syrehaltig fotosyntes och cyanobakteriernas förfader representerar inte samma sak. Det kan finnas ett mycket stort tidsavstånd mellan det ena och det andra. Det är en enorm förändring i perspektiv."

Nu, teamet försöker återskapa hur fotosystemet såg ut innan D1 och D2 utvecklades i första hand. Genom att använda den kända variationen i fotosystemets genetiska koder över alla arter som lever idag, de försöker sätta ihop det förfäders fotosystemets genetiska kod.