Kisik predstavlja 21% Zemljine atmosfere in potrebujemo ga, da dihamo. Starodavne bakterije so razvile zaščitne encime, ki so preprečevali, da bi kisik poškodoval DNK, toda kakšno evolucijsko spodbudo so morali to storiti? Raziskovalci so odkrili, da ultravijolična svetloba, ki zadene površino ledeniškega ledu, lahko sprosti molekularni kisik. Kolonije bakterij, ki živijo v bližini tega ledu, bi morale razviti to zaščitno obrambo. Nato so bili dobro opremljeni za rast atmosferskega kisika, ki ga proizvajajo druge bakterije, ki bi bile običajno strupene.
Pred dvema milijardama let in pol, ko so bili naši evolucijski predniki le nekaj več kot lesketanje v plazemski membrani bakterije, je postopek, znan kot fotosinteza, nenadoma dobil sposobnost sproščanja molekularnega kisika v Zemljino atmosfero, kar je povzročilo eno največjih okoljskih sprememb v zgodovina našega planeta. Organizmi, za katere so prevzeli odgovornost, so bile cianobakterije, za katere je znano, da so pretvorile vodo, ogljikov dioksid in sončno svetlobo v kisik in sladkor, in še danes so modrozelene alge in kloroplasti v vseh zelenih rastlinah.
Toda raziskovalci so že dolgo zmedeni nad tem, kako bi cianobakterije lahko ustvarile ves ta kisik, ne da bi se same zastrupile. Da bi se izognili temu, da bi njihova DNK uničila hidroksilni radikal, ki se naravno pojavi pri proizvodnji kisika, bi cianobakterije morale razviti zaščitne encime. Toda kako bi lahko naravna selekcija povzročila, da cianobakterije razvijejo te encime, če potreba po njih sploh še ni obstajala?
Zdaj dve skupini raziskovalcev kalifornijskega tehnološkega inštituta ponujata razlago, kako bi se cianobakterije lahko izognile temu na videz brezupnemu protislovju. Poročajo v 12. decembru Nacionalne akademije znanosti (PNAS) in na voljo na spletu ta teden, skupine dokazujejo, da ultravijolična svetloba, ki zadene površino ledeniškega ledu, lahko privede do kopičenja zamrznjenih oksidantov in do morebitnega sproščanja molekularnega kisika v oceani in ozračje. Ta strup strupov bi lahko nato sprožil razvoj encimov, ki ščitijo kisik, v različnih mikrobih, vključno s cianobakterijami. Yuk Yung, profesor planetarnih znanosti, in Joe Kirschvink, profesor geobiologije Van Wingen, je raztopina UV-peroksida "precej preprosta in elegantna."
"Preden se je v ozračju pojavil kisik, ni bilo ozonskega zaslona, ki bi preprečeval udarcem ultravijolične svetlobe na površino," razlaga Kirschvink. "Ko UV svetloba zadene vodno paro, nekaj tega pretvori v vodikov peroksid, kot stvari, ki jih kupite v supermarketu za beljenje las, poleg tega pa še malo vodikovega plina.
"Običajno ta peroksid zaradi povratnih reakcij ne bi trajal zelo dolgo, vendar med ledenikom vodikov peroksid zmrzne za eno stopinjo pod lediščem vode. Če bi UV svetloba prodrla navzdol na površino ledenika, bi se v ledeniškem ledu ujele majhne količine peroksida. " Ta postopek se dejansko danes zgodi na Antarktiki, ko nastane ozonska luknja, ki omogoča močno UV svetlobo, da udari po ledu.
Preden je v Zemljini atmosferi ali UV-zaslonu prišlo do kisika, bi se ledeniški led spustil navzdol do oceana, se stopil in sprostil količine peroksida v sledovih neposredno v morsko vodo, kjer je druga vrsta kemične reakcije pretvorila peroksid nazaj v vodo in kisika. To se je zgodilo daleč od UV svetlobe, ki bi ubila organizme, kisik pa je bil na tako nizkih nivojih, da bi se cianobakterije izognile zastrupitvi s kisikom.
"Ocean je bil čudovito mesto za razvoj encimov, ki ščitijo kisik," pravi Kirschvink. "In ko so bili ti zaščitni encimi vzpostavljeni, je utrl pot za razvoj kisikove fotosinteze in za aerobno dihanje, da bi celice dejansko lahko dihale kisik kot mi."
Dokazi za teorijo izhajajo iz izračunov vodilnega avtorja Danieja Lianga, nedavnega diplomiranega iz planetarnih znanosti na Caltechu, ki je zdaj v raziskovalnem centru za okoljske spremembe na Akademiji Sinica v Tajvanu v Tajvanu.
Po besedah Lianga se je pred 2,3 milijarde let zgodilo resno zmrzovanje, znano kot Zemlja Makganyene, v približno času, ko so cianobakterije razvile svoje zmogljivosti za proizvodnjo kisika. Med epizodo Snowball Earth bi lahko shranili dovolj peroksida, da bi ustvarili skoraj toliko kisika, kot je zdaj v atmosferi.
Kot dodaten dokaz ta ocenjena raven kisika zadostuje tudi za razlago usedanja manganskega polja Kalahari v Južni Afriki, ki ima 80 odstotkov gospodarskih rezerv mangana na vsem svetu. To nahajališče leži takoj na zadnji geološki sled Makganyene Snowball.
"Včasih smo mislili, da je cvetnobakterijsko cvetenje po tej poledenitvi izpuščalo mangan iz morske vode," pravi Liang. "Toda morda je to preprosto storil kisik iz razkroja peroksida po snežni kepi."
Drugi avtorji so poleg Kirschvink, Yung in Liang še Hyman Hartman iz Centra za biomedicinsko inženirstvo na MIT in Robert Kopp, podiplomski študent geobiologije na Caltechu. Hartman je bil skupaj s Chrisom McKayem iz Nasinega raziskovalnega centra Ames že zgodaj zagovornik vloge, ki jo je vodikov peroksid odigral pri nastanku in razvoju kisikove fotosinteze, vendar v zemeljskem predkambrijskem okolju niso mogli določiti dobrega anorganskega vira za to.
Izvirni vir: Caltech News Release
