Το οξυγόνο αποτελεί το 21% της ατμόσφαιρας της Γης και το χρειαζόμαστε για να αναπνεύσουμε. Τα αρχαία βακτήρια ανέπτυξαν προστατευτικά ένζυμα που εμπόδισαν το οξυγόνο να βλάψει το DNA τους, αλλά τι εξελικτικό κίνητρο έπρεπε να κάνουν αυτό; Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το υπεριώδες φως που χτυπά την επιφάνεια του παγετώδους πάγου μπορεί να απελευθερώσει μοριακό οξυγόνο. Οι αποικίες βακτηριδίων που ζουν κοντά σε αυτόν τον πάγο θα χρειαζόταν να εξελίξουν αυτήν την προστατευτική άμυνα. Στη συνέχεια ήταν καλά εξοπλισμένα για να χειριστούν την ανάπτυξη ατμοσφαιρικού οξυγόνου που παράγεται από άλλα βακτήρια που κανονικά θα ήταν τοξικά.
Πριν από δυόμισι δισεκατομμύρια χρόνια, όταν οι εξελικτικοί πρόγονοί μας ήταν λίγο περισσότερο από μια λάμψη στη μεμβράνη του πλάσματος ενός βακτηρίου, η διαδικασία γνωστή ως φωτοσύνθεση κέρδισε ξαφνικά την ικανότητα απελευθέρωσης μοριακού οξυγόνου στην ατμόσφαιρα της Γης, προκαλώντας μία από τις μεγαλύτερες περιβαλλοντικές αλλαγές στο ιστορία του πλανήτη μας. Οι οργανισμοί που θεωρήθηκαν υπεύθυνοι ήταν τα κυανοβακτήρια, τα οποία είναι γνωστό ότι έχουν εξελίξει την ικανότητα να μετατρέπουν το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα και το ηλιακό φως σε οξυγόνο και ζάχαρη και εξακολουθούν να υπάρχουν σήμερα ως τα γαλαζοπράσινα φύκια και οι χλωροπλάστες σε όλα τα πράσινα φυτά.
Αλλά οι ερευνητές έχουν από καιρό προβληματιστεί για το πώς τα κυανοβακτήρια θα μπορούσαν να παράγουν όλο αυτό το οξυγόνο χωρίς να δηλητηριάσουν. Για να αποφευχθεί η καταστροφή του DNA τους από μια ρίζα υδροξυλίου που συμβαίνει φυσικά στην παραγωγή οξυγόνου, τα κυανοβακτήρια θα έπρεπε να αναπτύξουν προστατευτικά ένζυμα. Αλλά πώς θα μπορούσε η φυσική επιλογή να οδηγήσει τα κυανοβακτήρια να εξελίξουν αυτά τα ένζυμα, αν δεν υπήρχε ακόμη η ανάγκη για αυτά;
Τώρα, δύο ομάδες ερευνητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια προσφέρουν μια εξήγηση για το πώς τα κυανοβακτήρια θα μπορούσαν να αποφύγουν αυτήν την φαινομενικά απελπιστική αντίφαση. Αναφέροντας στα Πρακτικά της 12ης Δεκεμβρίου της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS) και είναι διαθέσιμα στο διαδίκτυο αυτήν την εβδομάδα, οι ομάδες δείχνουν ότι το υπεριώδες φως που χτυπά την επιφάνεια του παγετώδους πάγου μπορεί να οδηγήσει στη συσσώρευση κατεψυγμένων οξειδωτικών και την τελική απελευθέρωση μοριακού οξυγόνου στο ωκεανοί και ατμόσφαιρα. Αυτό το μικροσκοπικό δηλητήριο θα μπορούσε στη συνέχεια να οδηγήσει στην εξέλιξη των ενζύμων που προστατεύουν το οξυγόνο σε μια ποικιλία μικροβίων, συμπεριλαμβανομένων των κυανοβακτηρίων. Σύμφωνα με τον Yuk Yung, καθηγητή της πλανητικής επιστήμης και τον Joe Kirschvink, τον καθηγητή της γεωβιολογίας Van Wingen, η λύση υπεροξειδίου υπεριώδους είναι «μάλλον απλή και κομψή».
«Πριν εμφανιστεί το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, δεν υπήρχε οθόνη όζοντος που να εμποδίζει το υπεριώδες φως να χτυπήσει την επιφάνεια», εξηγεί ο Kirschvink. «Όταν το υπεριώδες φως χτυπάει τους υδρατμούς, μετατρέπει μερικά από αυτά σε υπεροξείδιο του υδρογόνου, όπως αυτά που αγοράζετε στο σούπερ μάρκετ για λεύκανση μαλλιών, καθώς και λίγο αέριο υδρογόνο.
«Κανονικά, αυτό το υπεροξείδιο δεν θα διαρκούσε πολύ λόγω των αντιδράσεων στην πλάτη, αλλά κατά τη διάρκεια ενός παγετώματος, το υπεροξείδιο του υδρογόνου παγώνει σε έναν βαθμό κάτω από το σημείο πήξης του νερού. Εάν το υπεριώδες φως είχε διαπεράσει μέχρι την επιφάνεια ενός παγετώνα, μικρές ποσότητες υπεροξειδίου θα είχαν παγιδευτεί στον παγετώδη πάγο. " Αυτή η διαδικασία πραγματικά συμβαίνει σήμερα στην Ανταρκτική όταν σχηματίζεται η τρύπα του όζοντος, επιτρέποντας ισχυρό φως UV να χτυπήσει τον πάγο.
Πριν υπήρχε οξυγόνο στην ατμόσφαιρα της Γης ή οποιαδήποτε οθόνη UV, ο παγετώδης πάγος θα είχε ρέει προς τα κάτω στον ωκεανό, θα έλιωνε και θα απελευθέρωσε ίχνη υπεροξειδίου απευθείας στο θαλασσινό νερό, όπου ένας άλλος τύπος χημικής αντίδρασης μετέτρεψε το υπεροξείδιο σε νερό και οξυγόνο. Αυτό συνέβη πολύ μακριά από το υπεριώδες φως που θα σκότωνε τους οργανισμούς, αλλά το οξυγόνο ήταν σε τόσο χαμηλά επίπεδα που τα κυανοβακτήρια θα είχαν αποφύγει τη δηλητηρίαση από οξυγόνο.
«Ο ωκεανός ήταν ένα όμορφο μέρος για την ανάπτυξη των ενζύμων που προστατεύουν το οξυγόνο», λέει ο Kirschvink. «Και όταν αυτά τα προστατευτικά ένζυμα ήταν σε θέση, άνοιξε το δρόμο τόσο για την οξυγονική φωτοσύνθεση όσο και για την αερόβια αναπνοή, έτσι ώστε τα κύτταρα να μπορούν πραγματικά να αναπνέουν οξυγόνο όπως εμείς».
Τα αποδεικτικά στοιχεία για τη θεωρία προέρχονται από τους υπολογισμούς του επικεφαλής συγγραφέα Danie Liang, πρόσφατου πτυχιούχου της πλανητικής επιστήμης στο Caltech, ο οποίος είναι τώρα στο Κέντρο Ερευνών για τις Περιβαλλοντικές Αλλαγές στην Academia Sinica στην Ταϊπέι της Ταϊβάν.
Σύμφωνα με τον Λιανγκ, μια σοβαρή κατάψυξη που είναι γνωστή ως η χιονοστιβάδα Makganyene Snow Earth συνέβη πριν από 2,3 δισεκατομμύρια χρόνια, περίπου την εποχή που τα κυανοβακτήρια εξελίχθηκαν στις ικανότητές τους για παραγωγή οξυγόνου. Κατά τη διάρκεια του επεισοδίου Snowball Earth, αρκετό υπεροξείδιο θα μπορούσε να είχε αποθηκευτεί για να παράγει σχεδόν τόσο οξυγόνο όσο είναι στην ατμόσφαιρα τώρα.
Ως πρόσθετο αποδεικτικό στοιχείο, αυτό το εκτιμώμενο επίπεδο οξυγόνου είναι επίσης αρκετό για να εξηγήσει την εναπόθεση του πεδίου μαγγανίου της Καλαχάρης στη Νότια Αφρική, το οποίο έχει το 80 τοις εκατό των οικονομικών αποθεμάτων μαγγανίου σε ολόκληρο τον κόσμο. Αυτή η κατάθεση βρίσκεται αμέσως πάνω από το τελευταίο γεωλογικό ίχνος της χιονοστιβάδας Makganyene.
«Σκεφτήκαμε ότι ήταν μια κυανοβακτηριακή άνθηση μετά από αυτόν τον παγετώνα που έριξε το μαγγάνιο από το θαλασσινό νερό», λέει ο Liang. «Αλλά μπορεί να ήταν απλώς το οξυγόνο από την αποσύνθεση του υπεροξειδίου μετά από το Snowball που το έκανε.»
Εκτός από τους Kirschvink, Yung και Liang, οι άλλοι συγγραφείς είναι ο Hyman Hartman του Κέντρου Βιοϊατρικής Μηχανικής στο MIT και ο Robert Kopp, μεταπτυχιακός φοιτητής της γεωβιολογίας στο Caltech. Ο Χάρτμαν, μαζί με τον Chris McKay του Κέντρου Ερευνών της NASA Ames, ήταν πρώτοι υποστηρικτές του ρόλου που έπαιξε το υπεροξείδιο του υδρογόνου στην προέλευση και την εξέλιξη της οξυγονικής φωτοσύνθεσης, αλλά δεν μπόρεσαν να εντοπίσουν μια καλή ανόργανη πηγή για αυτό στο προκαταρκτικό περιβάλλον της Γης.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων Caltech
