Oxigenul reprezintă 21% din atmosfera Pământului și trebuie să respirăm. Bacteriile antice au evoluat enzime de protecție care împiedicau oxigenul să le deterioreze ADN-ul, dar ce stimulent evolutiv aveau acest lucru? Cercetătorii au descoperit că lumina ultravioletă care lovește suprafața gheții glaciare poate elibera oxigen molecular. Coloniile de bacterii care trăiesc în apropierea acestei gheți ar fi fost necesare pentru a evolua această apărare protectoare. Au fost apoi bine echipate pentru a face față creșterii oxigenului atmosferic produs de alte bacterii care ar fi în mod normal toxice.
Cu două miliarde și jumătate de ani în urmă, când strămoșii noștri evolutivi erau puțin mai mult decât o scânteie în membrana plasmatică a unei bacterii, procesul cunoscut sub numele de fotosinteză a căpătat brusc capacitatea de a elibera oxigenul molecular în atmosfera Pământului, provocând una dintre cele mai mari schimbări de mediu în istoria planetei noastre. Organismele asumate responsabile au fost cianobacteriile, despre care se știe că au evoluat capacitatea de a transforma apa, dioxidul de carbon și lumina soarelui în oxigen și zahăr și sunt în prezent în prezent ca algele albastru-verzi și cloroplastele din toate plantele verzi.
Dar cercetătorii au fost mult timp încurcați cu privire la modul în care cianobacteriile ar putea face tot acel oxigen fără să se otrăvească. Pentru a evita ca ADN-ul lor să fie distrus de un radical hidroxil care apare în mod natural în producerea de oxigen, cianobacteriile ar fi trebuit să evolueze enzime de protecție. Dar cum ar putea selecția naturală să fi determinat cianobacteriile să evolueze aceste enzime dacă nevoia pentru acestea nu ar exista încă?
Acum, două grupuri de cercetători de la Institutul de Tehnologie din California oferă o explicație despre modul în care cianobacteriile ar fi putut evita această contradicție aparent lipsită de speranță. Raportarea în Procesele din 12 decembrie a Academiei Naționale de Științe (PNAS) și disponibilă online în această săptămână, grupurile demonstrează că lumina ultravioletă care lovește suprafața gheții glaciare poate duce la acumularea de oxidanți înghețați și la eventuala eliberare de oxigen molecular în oceane și atmosferă. Acest șurub de otravă ar putea conduce apoi evoluția enzimelor care protejează oxigenul într-o varietate de microbi, inclusiv în cianobacterii. Potrivit lui Yuk Yung, profesor de științe planetare și Joe Kirschvink, profesorul de geobiologie Van Wingen, soluția de peroxid de UV este „destul de simplă și elegantă”.
„Înainte ca oxigenul să apară în atmosferă, nu exista niciun ecran de ozon care să împiedice lumina ultravioletă să lovească suprafața”, explică Kirschvink. „Când lumina UV lovește vaporii de apă, transformă o parte din acest lucru în peroxid de hidrogen, cum ar fi lucrurile pe care le cumpărați la supermarket pentru albirea părului, plus un pic de hidrogen gazos.
„În mod normal, acest peroxid nu ar dura foarte mult din cauza reacțiilor din spate, dar în timpul unei glaciații, peroxidul de hidrogen se îngheață la un grad sub punctul de îngheț al apei. Dacă lumina UV ar fi pătruns până la suprafața unui ghețar, cantități mici de peroxid ar fi fost prinse în gheața glaciară. " Acest proces se întâmplă astăzi în Antarctica când se formează gaura de ozon, permițând luminii UV puternice să lovească gheața.
Înainte de a exista oxigen în atmosfera Pământului sau a vreunui ecran UV, gheața glaciară ar fi curge în jos spre ocean, s-ar fi topit și ar fi eliberat urme de peroxid direct în apa mării, unde un alt tip de reacție chimică a transformat peroxidul înapoi în apă. și oxigen. Acest lucru s-a întâmplat departe de lumina UV care ar ucide organismele, dar oxigenul era la niveluri atât de scăzute încât cianobacteriile ar fi evitat intoxicațiile cu oxigen.
„Oceanul a fost un loc minunat pentru ca enzimele care protejează oxigenul să evolueze”, spune Kirschvink. „Și odată ce acele enzime de protecție au fost puse la punct, a deschis calea pentru ca fotosinteza oxigenă să evolueze și pentru respirația aerobă, astfel încât celulele să poată respira oxigenul ca noi”.
Dovada teoriei vine din calculele autorului principal Danie Liang, recent absolvent de științe planetare la Caltech, care acum se află la Centrul de cercetare pentru schimbările de mediu de la Academia Sinica din Taipei, Taiwan.
Potrivit lui Liang, o înghețare serioasă cunoscută sub numele de Pamantul de zăpadă Makganyene s-a produs acum 2,3 miliarde de ani, aproximativ cianobacteriile au evoluat capacitățile lor de producere a oxigenului. În timpul episodului Snowball Earth Earth, s-a putut depozita suficient peroxid pentru a produce aproape tot atâta oxigen ca în atmosferă acum.
Ca dovadă suplimentară, acest nivel de oxigen estimat este de asemenea suficient pentru a explica depunerea câmpului de mangan Kalahari în Africa de Sud, care are 80% din rezervele economice ale manganului din întreaga lume. Acest depozit se află imediat deasupra ultimei urme geologice a bulgării de zăpadă Makganyene.
„Ne-am gândit că a fost o floare cianobacteriană după această glaciație care a aruncat manganul din apa de mare”, spune Liang. „Dar s-ar putea să fi fost pur și simplu oxigenul din descompunerea peroxidului după Bulă de Zăpadă care a făcut-o.
Pe lângă Kirschvink, Yung și Liang, ceilalți autori sunt Hyman Hartman de la Centrul pentru Inginerie Biomedicală din MIT și Robert Kopp, student absolvent în geobiologie la Caltech. Hartman, împreună cu Chris McKay, de la Centrul de Cercetare Ames al NASA, au fost primii susținători pentru rolul pe care l-a jucat peroxidul de hidrogen în originea și evoluția fotosintezei oxigenate, dar nu au putut identifica o sursă anorganică bună pentru mediul precambrian al Pământului.
Sursa originală: Comunicat de presă Caltech
