Kyslík tvorí 21% zemskej atmosféry a my potrebujeme, aby dýchal. Staroveké baktérie vyvinuli ochranné enzýmy, ktoré bránili kyslíku v poškodzovaní ich DNA, ale aký evolučný stimul musel urobiť? Vedci zistili, že ultrafialové svetlo dopadajúce na ľadový ľad môže uvoľniť molekulárny kyslík. Kolónie baktérií žijúce blízko tohto ľadu by si museli vyvinúť túto ochrannú obranu. Potom boli dobre vybavené na zvládnutie rastu atmosférického kyslíka produkovaného inými baktériami, ktoré by boli za normálnych okolností toxické.
Pred dvoma a pol miliardami rokov, keď naši evoluční predkovia boli o niečo viac ako záblesky v plazmatickej membráne baktérií, proces známy ako fotosyntéza náhle získal schopnosť uvoľňovať molekulárny kyslík do zemskej atmosféry, čo spôsobilo jednu z najväčších environmentálnych zmien v história našej planéty. Zodpovedné organizmy boli cyanobaktérie, o ktorých je známe, že vyvinuli schopnosť premieňať vodu, oxid uhličitý a slnečné žiarenie na kyslík a cukor a stále sú dnes okolo modro-zelených rias a chloroplastov vo všetkých zelených rastlinách.
Vedci sú však už dávno zmätení, ako by cyanobaktérie mohli vyrobiť všetok kyslík bez toho, aby sa sami otrávili. Aby sa zabránilo tomu, že sa ich DNA rozpadne hydroxylovým radikálom, ktorý sa prirodzene vyskytuje pri produkcii kyslíka, museli by sa z cyanobaktérií vyvinúť ochranné enzýmy. Ako však mohol prírodný výber viesť cyanobaktérie k vývoju týchto enzýmov, ak ich potreba ešte neexistovala?
V súčasnosti dve skupiny vedcov z Kalifornského technologického inštitútu ponúkajú vysvetlenie toho, ako sa cyanobaktériám mohlo zabrániť tomuto zdanlivo beznádejnému rozporu. Skupiny podávajú správy z 12. decembra a sú dostupné online tento týždeň a ukazujú, že ultrafialové svetlo dopadajúce na ľadový ľad môže viesť k hromadeniu zmrazených oxidantov a prípadnému uvoľneniu molekulárneho kyslíka do oceány a atmosféra. Tento prameň jedu by potom mohol riadiť vývoj enzýmov chrániacich kyslík v rôznych mikróboch vrátane cyanobaktérií. Podľa Yuk Yung, profesora planetárnej vedy, a Joe Kirschvink, profesora geobiológie Van Wingen, je roztok UV peroxidu „pomerne jednoduchý a elegantný“.
„Predtým, ako sa v atmosfére objavil kyslík, neexistovalo žiadne ozónové clonenie, ktoré by blokovalo ultrafialové svetlo dopadnúť na povrch,“ vysvetľuje Kirschvink. „Keď UV svetlo zasiahne vodnú paru, prevádza niektoré z nich na peroxid vodíka, podobne ako veci, ktoré si kúpite v supermarkete na bielenie vlasov, plus trochu plynného vodíka.
„Normálne by tento peroxid nevydržal príliš dlho z dôvodu spätných reakcií, ale počas zaľadnenia peroxid vodíka zamrzne o jeden stupeň pod bodom mrazu vody. Keby UV žiarenie preniklo na povrch ľadovca, malé množstvo peroxidu by sa zachytilo v ľadovom ľade. “ Tento proces sa v skutočnosti deje dnes v Antarktíde, keď sa vytvára ozónová diera, čo umožňuje, aby silné ľadové svetlo zasiahlo ľad.
Pred tým, ako v atmosfére Zeme alebo na UV obrazovke bol nejaký kyslík, ľadový ľad by stekal z kopca do oceánu, rozpustil by a uvoľňoval stopové množstvá peroxidu priamo do morskej vody, kde iný druh chemickej reakcie premieňal peroxid späť na vodu. a kyslík. Stalo sa to ďaleko od UV svetla, ktoré zabilo organizmy, ale kyslík bol na takých nízkych úrovniach, že by sa cyanobaktériám zabránilo otrave kyslíkom.
"Oceán bol nádherným miestom pre vývoj enzýmov chrániacich kyslík," hovorí Kirschvink. "Akonáhle boli tieto ochranné enzýmy na svojom mieste, vydláždili cestu pre vývoj kyslíkovej fotosyntézy a pre aeróbne dýchanie, aby bunky mohli skutočne dýchať kyslík ako my."
Dôkazy pre túto teóriu pochádzajú z výpočtov hlavnej autorky Danie Liangovej, nedávnej absolventky planétovej vedy v Caltech, ktorá je teraz vo Výskumnom stredisku pre environmentálne zmeny na Academia Sinica v Taipei na Taiwane.
Podľa Lianga došlo pred 2,3 miliardami rokov k vážnemu zmrazeniu, ktoré sa nazýva Makganyénska snehová guľa, zhruba v čase, keď si cyanobaktérie vyvinuli svoje schopnosti produkovať kyslík. Počas epizódy Snowball Earth bolo možné uložiť dostatok peroxidu, ktorý by produkoval takmer toľko kyslíka, aký je v súčasnosti v atmosfére.
Ako dodatočný dôkaz táto odhadovaná hladina kyslíka postačuje aj na vysvetlenie depozície mangánu v oblasti Kalahari v Južnej Afrike, ktorý má 80 percent hospodárskych rezerv mangánu na celom svete. Toto ložisko leží bezprostredne nad posledným geologickým náleziskom snežnej gule Makganyene.
"Boli sme si mysleli, že to bol cyanobakteriálny kvet po tomto zaľadnení, ktorý vyhodil mangán z morskej vody," hovorí Liang. "Ale mohol to byť jednoducho kyslík z rozkladu peroxidov po snehovej gule, ktorý to urobil."
Okrem Kirschvink, Yung a Liang sú ďalšími autormi Hyman Hartman z Centra biomedicínskeho inžinierstva na MIT a Robert Kopp, postgraduálny študent geobiológie v Caltech. Hartman, spolu s Chrisom McKayom z NASA Ames Research Center, boli čoskoro obhajcami úlohy, ktorú zohrával peroxid vodíka pri vzniku a vývoji kyslíkovej fotosyntézy, ale nemohli preň identifikovať dobrý anorganický zdroj v predkambrickom prostredí Zeme.
Pôvodný zdroj: Caltech News Release
