Tlen stanowi 21% ziemskiej atmosfery i potrzebujemy go do oddychania. Starożytne bakterie ewoluowały ochronne enzymy, które zapobiegały uszkodzeniu DNA przez tlen, ale jaką ewolucyjną motywację musieli to zrobić? Naukowcy odkryli, że światło ultrafioletowe uderzające w powierzchnię lodu lodowcowego może uwalniać tlen cząsteczkowy. Kolonie bakterii żyjące w pobliżu tego lodu musiałyby rozwinąć tę obronę ochronną. Następnie byli dobrze przygotowani do radzenia sobie ze wzrostem tlenu atmosferycznego wytwarzanego przez inne bakterie, które normalnie byłyby toksyczne.
Dwa i pół miliarda lat temu, kiedy nasi ewolucyjni przodkowie byli zaledwie błyskiem w błonie plazmatycznej bakterii, proces znany jako fotosynteza nagle zyskał zdolność do uwalniania tlenu cząsteczkowego do atmosfery ziemskiej, powodując jedną z największych zmian środowiskowych w historia naszej planety. Odpowiedzialnymi organizmami były sinice, o których wiadomo, że rozwinęły zdolność przekształcania wody, dwutlenku węgla i światła słonecznego w tlen i cukier, i nadal istnieją do dziś jako niebiesko-zielone glony i chloroplasty we wszystkich zielonych roślinach.
Ale badacze od dawna zastanawiają się, w jaki sposób sinice mogą wytwarzać cały ten tlen bez zatrucia się. Aby uniknąć zniszczenia ich DNA przez rodnik hydroksylowy, który naturalnie występuje w produkcji tlenu, cyjanobakterie musiałyby ewoluować enzymy ochronne. Ale w jaki sposób dobór naturalny mógł doprowadzić sinice do ewolucji tych enzymów, gdyby ich potrzeba jeszcze nie istniała?
Teraz dwie grupy badaczy z California Institute of Technology wyjaśniają, w jaki sposób sinice mogły uniknąć tej pozornie beznadziejnej sprzeczności. Sprawozdania z 12 grudnia Narodowego Instytutu Nauk (PNAS), dostępne w tym tygodniu online, grupy pokazują, że światło ultrafioletowe uderzające w powierzchnię lodowca lodowcowego może prowadzić do akumulacji zamrożonych utleniaczy i ostatecznego uwolnienia tlenu cząsteczkowego do oceany i atmosfera. Ta strużka trucizny może następnie napędzać ewolucję enzymów chroniących tlen w różnych drobnoustrojach, w tym cyjanobakteriach. Według Yuk Yunga, profesora planetologii i Joe Kirschvinka, profesora geobiologii Van Wingen, roztwór nadtlenku UV jest „raczej prosty i elegancki”.
„Zanim tlen pojawił się w atmosferze, nie było ekranu ozonowego, który blokowałby promieniowanie ultrafioletowe przed uderzeniem w powierzchnię” - wyjaśnia Kirschvink. „Kiedy światło UV uderza w parę wodną, przekształca część tego w nadtlenek wodoru, podobnie jak rzeczy kupowane w supermarkecie do rozjaśniania włosów oraz odrobinę wodoru.
„Zwykle ten nadtlenek nie utrzymywałby się bardzo długo z powodu reakcji wstecznych, ale podczas zlodowacenia nadtlenek wodoru zamarza o jeden stopień poniżej punktu zamarzania wody. Gdyby światło UV przeniknęło do powierzchni lodowca, małe ilości nadtlenku zostałyby uwięzione w lodowatym lodzie. ” Proces ten faktycznie dzieje się dzisiaj na Antarktydzie, gdy powstaje dziura ozonowa, co pozwala silnemu promieniowaniu UV uderzyć w lód.
Zanim w atmosferze ziemskiej pojawiłby się tlen lub jakikolwiek ekran UV, lód lodowcowy spłynąłby w dół do oceanu, stopiłby się i uwolnił śladowe ilości nadtlenku bezpośrednio do wody morskiej, gdzie inny rodzaj reakcji chemicznej przekształcił nadtlenek z powrotem w wodę i tlen. Stało się to z dala od światła UV, które zabijałoby organizmy, ale poziom tlenu był na tak niskim poziomie, że sinice uniknęłyby zatrucia tlenem.
„Ocean był pięknym miejscem ewolucji enzymów chroniących tlen”, mówi Kirschvink. „A kiedy te ochronne enzymy były już na miejscu, umożliwiło to ewolucję zarówno fotosyntezy tlenowej, jak i oddychania tlenowego, tak aby komórki mogły oddychać tlenem tak jak my”.
Dowody na teorię pochodzą z obliczeń wiodącej autorki Danie Liang, niedawnej absolwentki planetologii w Caltech, która jest obecnie w Centrum Badań Zmian Środowiska w Academia Sinica w Tajpej na Tajwanie.
Według Lianga poważne zamrożenie znane jako Makganyene Snowball Earth miało miejsce 2,3 miliarda lat temu, mniej więcej w tym samym czasie, kiedy sinice rozwinęły swoje zdolności produkcyjne tlenu. Podczas odcinka Snowball Earth można było zgromadzić wystarczającą ilość nadtlenku, aby wytworzyć prawie tyle tlenu, ile jest obecnie w atmosferze.
Jako dodatkowy dowód, ten szacowany poziom tlenu jest również wystarczający do wyjaśnienia depozycji złoża manganu Kalahari w Południowej Afryce, która ma 80 procent rezerw ekonomicznych manganu na całym świecie. Złoże to leży bezpośrednio na ostatnim śladzie geologicznym śnieżki Makganyene.
„Kiedyś sądziliśmy, że był to sinicowy kwiat po tym zlodowaceniu, które zrzuciło mangan z wody morskiej” - mówi Liang. „Ale mógł to być po prostu tlen z rozkładu nadtlenku po Snowball, który to zrobił”.
Oprócz Kirschvinka, Yunga i Lianga, innymi autorami są Hyman Hartman z Centrum Inżynierii Biomedycznej na MIT oraz Robert Kopp, absolwent geobiologii w Caltech. Hartman wraz z Chrisem McKayem z NASA Ames Research Center byli pierwszymi orędownikami roli, jaką nadtlenek wodoru odgrywał w powstawaniu i ewolucji fotosyntezy tlenowej, ale nie byli w stanie znaleźć dobrego źródła nieorganicznego dla tego środowiska w przedkambryjskim środowisku Ziemi.
Oryginalne źródło: Caltech News Release
