Кислородът представлява 21% от земната атмосфера и имаме нужда от него, за да дишаме. Древните бактерии са еволюирали защитни ензими, които са попречили на кислорода да повреди ДНК, но какъв еволюционен стимул трябваше да направят това? Изследователите са открили, че ултравиолетовата светлина, удряща повърхността на ледников лед, може да освободи молекулен кислород. Колониите на бактерии, живеещи близо до този лед, ще трябва да развият тази защитна защита. След това те бяха добре оборудвани да се справят с растежа на атмосферния кислород, произведен от други бактерии, които обикновено биха били токсични.
Преди два и половина милиарда години, когато нашите еволюционни предци бяха малко повече от мигновение в плазмената мембрана на бактерията, процесът, известен като фотосинтеза, изведнъж придоби способността да отделя молекулярния кислород в земната атмосфера, причинявайки една от най-големите промени в околната среда в история на нашата планета. Организмите, поемани за отговорни, са цианобактериите, за които се знае, че са еволюирали в способността да превръщат вода, въглероден диоксид и слънчева светлина в кислород и захар, и до днес са като синьозелените водорасли и хлоропластите във всички зелени растения.
Но изследователите отдавна са озадачени как цианобактериите могат да направят целия този кислород, без да се отравят сами. За да избегнат разрушаването на тяхната ДНК от хидроксилен радикал, който естествено се получава при производството на кислород, цианобактериите би трябвало да развият защитни ензими. Но как естественият подбор можеше да накара цианобактериите да развият тези ензими, ако нуждата от тях още не съществуваше?
Две групи изследователи от Калифорнийския технологичен институт предлагат обяснение как цианобактериите биха могли да избегнат това на пръв поглед безнадеждно противоречие. Отчитайки се в 12-ти декември на Националната академия на науките (PNAS) и на разположение онлайн тази седмица, групите демонстрират, че ултравиолетовата светлина, удряща повърхността на ледниковия лед, може да доведе до натрупване на замразени окислители и евентуално отделяне на молекулен кислород в океани и атмосфера. След това тази струя отрова може да задейства еволюцията на защитните за кислород ензими в различни микроби, включително цианобактериите. Според Юк Юнг, професор по планетарна наука, и Джо Киршвинк, професор по геобиология на Ван Винген, разтворът на UV-пероксид е „доста прост и елегантен“.
„Преди да се появи кислородът в атмосферата, нямаше озонов екран, който да блокира ултравиолетовата светлина да удари повърхността“, обяснява Киршвинк. „Когато UV светлината удари водна пара, тя превръща част от това във водороден пероксид, като нещата, които купувате в супермаркета за избелване на косата, плюс малко водороден газ.
„Обикновено този пероксид не би продължил много дълго поради обратните реакции, но по време на заледяване водородният пероксид замръзва с една степен под точката на замръзване на водата. Ако ултравиолетовата светлина трябваше да проникне надолу към повърхността на ледник, малки количества пероксид щяха да бъдат хванати в ледения лед. " Този процес всъщност се случва днес в Антарктида, когато се образува озонова дупка, което позволява на силна UV светлина да удари леда.
Преди да има кислород в земната атмосфера или UV екран, ледниковият лед щеше да се стича надолу към океана, да се стопи и да освободи следи от пероксид директно в морската вода, където друг вид химическа реакция превръща пероксида обратно във вода и кислород. Това се случи далеч от UV светлината, която би убила организмите, но кислородът беше на толкова ниски нива, че цианобактериите щяха да избегнат отравяне с кислород.
„Океанът беше прекрасно място за развитие на кислород-защитни ензими“, казва Киршвинк. „И след като тези защитни ензими бяха налице, той проправи пътя за развитието на кислородна фотосинтеза и за аеробно дишане, така че клетките всъщност да дишат кислород, както ние.“
Доказателствата за теорията идват от изчисленията на водещия автор Дание Лианг, наскоро завършил планетарни науки в Калтех, който сега е в Изследователския център за промени в околната среда в Academia Sinica в Тайпе, Тайван.
Според Лианг сериозно замръзване, известно като Земята на снежната топка Макганиене, се е случило преди 2,3 милиарда години, приблизително по времето, когато цианобактериите развиват възможностите си за производство на кислород. По време на епизода „Снежна топка“ Земята можеше да се съхранява достатъчно пероксид, който да произвежда почти толкова кислород, колкото в атмосферата сега.
Като допълнително доказателство, това изчислено ниво на кислород също е достатъчно, за да обясни отлагането на мангановото поле Калахари в Южна Африка, което има 80 процента от икономическите резерви на манган в целия свят. Това находище лежи веднага върху последната геоложка следа от Makganyene Snowball.
„Ние смятахме, че след този заледяване ледът е цианобактериален разцвет, който изхвърля мангана от морската вода“, казва Лианг. "Но това може би просто е бил кислородът от разлагането на пероксид след снежната топка."
Освен Киршвинк, Юнг и Лианг, другите автори са Хайман Хартман от Центъра за биомедицинско инженерство в MIT и Робърт Коп, аспирант по геобиология в Caltech. Хартман, заедно с Крис Маккай от изследователския център на НАСА Еймс, бяха ранни защитници за ролята, която водородният пероксид играе в възникването и развитието на кислородната фотосинтеза, но не можеха да идентифицират добър неорганичен източник за това в земната докембрийска среда.
Оригинален източник: Caltech News Release
