Kisik čini 21% Zemljine atmosfere i potreban nam je da bismo disali. Drevne bakterije su razvile zaštitne enzime koji su spriječili da kisik ošteti njihovu DNK, ali koji su evolucijski poticaj morali učiniti za to? Istraživači su otkrili da ultraljubičasto svjetlo koje pogodi površinu ledenjačkog leda može otpustiti molekularni kisik. Kolonije bakterija koje žive blizu ovog leda trebale bi razviti ovu zaštitnu obranu. Tada su bili dobro opremljeni da podnose rast atmosferskog kisika koji stvaraju druge bakterije koje bi inače bile toksične.
Prije dvije i pol milijarde godina, kada su naši evolucijski preci imali nešto više od sjaja u plazmi membrane bakterija, proces poznat kao fotosinteza odjednom je stekao sposobnost oslobađanja molekularnog kisika u Zemljinoj atmosferi, uzrokujući jednu od najvećih promjena u okolišu u povijesti našeg planeta. Organizmi za koje se smatralo da su odgovorni bile su cijanobakterije, za koje se zna da su razvile sposobnost pretvaranja vode, ugljičnog dioksida i sunčeve svjetlosti u kisik i šećer, a i danas su prisutne poput plavozelene alge i kloroplasta u svim zelenim biljkama.
No, istraživači su dugo zbunjeni kako cijanobakterije mogu stvoriti sav taj kisik, a da pritom ne otrovaju sebe. Da bi se izbjeglo da im se DNA uništi hidroksilnim radikalom koji se prirodno događa u proizvodnji kisika, cijanobakterije bi morale razviti zaštitne enzime. Ali kako je prirodna selekcija dovela do toga da cijanobakterije razviju te enzime ako potreba za njima još nije postojala?
Sada, dvije skupine istraživača s Kalifornijskog tehnološkog instituta nude objašnjenje kako su cijanobakterije mogle izbjeći ovu naizgled beznadnu kontradikciju. Izvještavajući u Zborniku radova od 12. prosinca Nacionalne akademije znanosti (PNAS) i dostupnom putem interneta ovog tjedna, skupine pokazuju da ultraljubičasto svjetlo koje udara u površinu ledenjačkog leda može dovesti do nakupljanja smrznutih oksidansa i mogućeg oslobađanja molekularnog kisika u oceani i atmosfera. Taj otrovni sloj mogao bi tada potaknuti evoluciju enzima koji štite kisik u raznim mikropovima, uključujući cijanobakterije. Prema Yuk Yungu, profesoru planetarnih znanosti, i Joeu Kirschvinku, profesoru geobiologije Van Wingen, rješenje UV-peroksida „prilično je jednostavno i elegantno.“
"Prije pojave kisika u atmosferi nije bilo ozonskog zaslona koji bi spriječio ultraljubičasto svjetlo da pogodi površinu", objašnjava Kirschvink. "Kad UV svjetlost pogodi vodenu paru, dio toga pretvara u vodikov peroksid, poput stvari koje kupite u supermarketu za izbjeljivanje kose, plus malo vodikovog plina.
“Obično ovaj peroksid ne bi dugo trajao uslijed povratnih reakcija, ali tijekom glacijacije vodikov peroksid se smrzava na jedan stupanj ispod točke smrzavanja vode. Kada bi UV svjetlost prodrla do površine ledenjaka, male količine peroksida bile bi zarobljene u ledenjačkom ledu. " Ovaj se proces zapravo danas događa na Antarktici kada nastaje ozonska rupa koja omogućava jakom UV svjetlu da pogodi led.
Prije nego što je bilo kiseonika u Zemljinoj atmosferi ili bilo kojem UV ekranu, ledeni led bi se spuštao nizbrdo do oceana, rastopio i pustio količine traga peroksida izravno u morsku vodu, gdje je druga vrsta kemijske reakcije pretvorila peroksid natrag u vodu i kisik. To se dogodilo daleko od UV svjetla koje bi ubilo organizme, ali kisik je bio na tako niskoj razini da bi cijanobakterije izbjegle trovanje kisikom.
"Okean je bio prekrasno mjesto za razvijanje enzima koji štite kisik", kaže Kirschvink. "I kad su se neki zaštitni enzimi postavili, otvorio je put evoluciji kisikove fotosinteze i aerobnom disanju kako bi stanice zapravo mogle disati kisik kao i mi."
Dokaz za teoriju dolazi iz izračuna vodećeg autora Danieja Lianga, nedavno diplomiranog studenta planetarnih znanosti na Caltechu, koji je sada u istraživačkom centru za promjene okoliša pri Academia Sinica u Tajvanu, u Tajvanu.
Prema Liang-u, ozbiljno smrzavanje poznato pod nazivom Makganyene-ova snježna kugla dogodila se prije 2,3 milijarde godina, otprilike u trenutku kada su cijanobakterije razvile svoje sposobnosti stvaranja kisika. Tijekom epizode Snowball Earth moglo se pohraniti dovoljno peroksida da se proizvede gotovo onoliko kisika koliko je trenutno u atmosferi.
Kao dodatni dokaz, ova procijenjena razina kisika dovoljna je i za objašnjenje taloženja manganskog polja Kalahari u Južnoj Africi, koje ima 80 posto ekonomskih rezervi mangana u cijelom svijetu. Ovo ležište nalazi se odmah na vrhu posljednjeg geološkog traga Makganyene snježne kugle.
"Nekada smo mislili da je cvjetabakterijski cvat nakon ovog glacijacija koji je izbacio mangan iz morske vode", kaže Liang. "Ali možda je to jednostavno bio kisik iz razgradnje peroksida nakon Snježne kugle koja je to učinila."
Pored Kirschvinka, Yung-a i Lianga, ostali su autori Hyman Hartman iz Centra za biomedicinsko inženjerstvo na MIT-u i Robert Kopp, diplomski student geobiologije na Caltechu. Hartman, zajedno s Chrisom McKayom iz NASA-inog istraživačkog centra Ames, bili su rani zagovornici uloge koju je vodikov peroksid odigrao u nastanku i razvoju fotosinteze kisika, ali nisu mogli identificirati dobar anorganski izvor za to u Zemljinom predkambrijskom okruženju.
Izvorni izvor: Caltech News Release
