Το οξυγόνο αποτελεί το 21% της ατμόσφαιρας της Γης και το χρειαζόμαστε για να αναπνέουμε. Αλλά οι πρώτοι οργανισμοί θα είχαν βρει αυτό το περιβάλλον τοξικό. Τα αρχαία βακτήρια εξέλιξαν προστατευτικά ένζυμα που εμπόδιζαν το οξυγόνο να βλάψει το DNA τους, αλλά ποιο εξελικτικό κίνητρο είχαν για να το κάνουν αυτό; Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το υπεριώδες φως που χτυπά την επιφάνεια του παγετώνα μπορεί να απελευθερώσει μοριακό οξυγόνο. Οι αποικίες βακτηρίων που ζουν κοντά σε αυτόν τον πάγο θα χρειαζόταν να αναπτύξουν αυτή την προστατευτική άμυνα. Στη συνέχεια ήταν καλά εξοπλισμένα για να χειριστούν την ανάπτυξη του ατμοσφαιρικού οξυγόνου που παράγεται από άλλα βακτήρια που κανονικά θα ήταν τοξικά.
Πριν από δυόμισι δισεκατομμύρια χρόνια, όταν οι εξελικτικοί μας πρόγονοι ήταν λίγο περισσότερο από μια λάμψη στην πλασματική μεμβράνη ενός βακτηρίου, η διαδικασία γνωστή ως φωτοσύνθεση απέκτησε ξαφνικά την ικανότητα να απελευθερώνει μοριακό οξυγόνο στην ατμόσφαιρα της Γης, προκαλώντας μια από τις μεγαλύτερες περιβαλλοντικές αλλαγές στην ιστορία του πλανήτη μας. Οι οργανισμοί που θεωρήθηκαν υπεύθυνοι ήταν τα κυανοβακτήρια, τα οποία είναι γνωστό ότι εξέλιξαν 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 δηλητηριαστούν. Για να αποφευχθεί η καταστροφή του DNA τους από μια ρίζα υδροξυλίου που εμφανίζεται φυσικά στην παραγωγή οξυγόνου, τα κυανοβακτήρια θα έπρεπε να αναπτύξουν προστατευτικά ένζυμα. Αλλά πώς θα μπορούσε η φυσική επιλογή να έχει οδηγήσει τα κυανοβακτήρια να εξελίξουν αυτά τα ένζυμα, αν η ανάγκη για αυτά δεν υπήρχε ακόμη;
Τώρα, δύο ομάδες ερευνητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια προσφέρουν μια εξήγηση για το πώς τα κυανοβακτήρια θα μπορούσαν να είχαν αποφύγει αυτή τη φαινομενικά απελπιστική αντίφαση. Με αναφορά στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών της 12ης Δεκεμβρίου (PNAS) και διαθέσιμα στο διαδίκτυο αυτήν την εβδομάδα, οι ομάδες αποδεικνύουν ότι το υπεριώδες φως που χτυπά την επιφάνεια του παγετώνα μπορεί να οδηγήσει στη συσσώρευση παγωμένων οξειδωτικών και την τελική απελευθέρωση μοριακού οξυγόνου στο ωκεανοί και ατμόσφαιρα. Αυτή η στάλα δηλητηρίου θα μπορούσε στη συνέχεια να οδηγήσει την εξέλιξη των ενζύμων που προστατεύουν το οξυγόνο σε μια ποικιλία μικροβίων, συμπεριλαμβανομένων των κυανοβακτηρίων. Σύμφωνα με τον Yuk Yung, καθηγητή πλανητικής επιστήμης, και τον Joe Kirschvink, τον καθηγητή Γεωβιολογίας Van Wingen, το διάλυμα υπεροξειδίου της υπεριώδους ακτινοβολίας είναι «μάλλον απλό και κομψό».
«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 χτυπά τους υδρατμούς, μετατρέπει μέρος αυτού σε υπεροξείδιο του υδρογόνου, όπως τα πράγματα που αγοράζετε στο σούπερ μάρκετ για λεύκανση μαλλιών, συν λίγο αέριο υδρογόνο.
«Κανονικά αυτό το υπεροξείδιο δεν θα διαρκούσε πολύ λόγω των αντιδράσεων, αλλά κατά τη διάρκεια ενός παγετώνα, το υπεροξείδιο του υδρογόνου παγώνει σε έναν βαθμό κάτω από το σημείο πήξης του νερού. Αν το υπεριώδες φως επρόκειτο να διεισδύσει στην επιφάνεια ενός παγετώνα, μικρές ποσότητες υπεροξειδίου θα είχαν παγιδευτεί στον παγετώνα». Αυτή η διαδικασία συμβαίνει στην πραγματικότητα σήμερα στην Ανταρκτική όταν σχηματίζεται η τρύπα του όζοντος, επιτρέποντας στο ισχυρό υπεριώδες φως να χτυπήσει τον πάγο.
Πριν υπήρχε οποιοδήποτε οξυγόνο στην ατμόσφαιρα της Γης ή οποιαδήποτε οθόνη UV, ο παγετώνας θα είχε κυλήσει προς τα κάτω στον ωκεανό, θα είχε λιώσει και θα απελευθερώσει ίχνη υπεροξειδίου απευθείας στο θαλασσινό νερό, όπου ένας άλλος τύπος χημικής αντίδρασης μετέτρεπε το υπεροξείδιο ξανά 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 εξέλιξη των ενζύμων που προστατεύουν το οξυγόνο», λέει ο Kirschvink. «Και όταν αυτά τα προστατευτικά ένζυμα ήταν στη θέση τους, άνοιξε το δρόμο τόσο για την εξέλιξη της οξυγονικής φωτοσύνθεσης όσο και για την αερόβια αναπνοή, έτσι ώστε τα κύτταρα να μπορούν πραγματικά να αναπνέουν οξυγόνο όπως εμείς».
Οι αποδείξεις για τη θεωρία προέρχονται από τους υπολογισμούς της κύριας συγγραφέα Danie Liang, μιας πρόσφατης πτυχιούχου πλανητικής επιστήμης στο Caltech που τώρα βρίσκεται στο Ερευνητικό Κέντρο για τις Περιβαλλοντικές Αλλαγές στην Academia Sinica στην Ταϊπέι της Ταϊβάν.
Σύμφωνα με τον Liang, ένα σοβαρό πάγωμα γνωστό ως Makganyene Snowball Earth συνέβη πριν από 2,3 δισεκατομμύρια χρόνια, περίπου τη στιγμή που τα κυανοβακτήρια εξέλιξαν τις ικανότητές τους να παράγουν οξυγόνο. Κατά τη διάρκεια του επεισοδίου Snowball Earth, θα μπορούσε να είχε αποθηκευτεί αρκετό υπεροξείδιο για να παράγει σχεδόν τόσο οξυγόνο όσο είναι στην ατμόσφαιρα τώρα.
Ως πρόσθετο στοιχείο, αυτό το εκτιμώμενο επίπεδο οξυγόνου είναι επίσης αρκετό για να εξηγήσει την εναπόθεση του πεδίου μαγγανίου Καλαχάρι στη Νότια Αφρική, το οποίο διαθέτει το 80 τοις εκατό των οικονομικών αποθεμάτων μαγγανίου σε ολόκληρο τον κόσμο. Αυτό το κοίτασμα βρίσκεται αμέσως πάνω από το τελευταίο γεωλογικό ίχνος της χιονοστιβάδας Makganyene.
«Πιστεύαμε ότι ήταν μια άνθιση κυανοβακτηρίων 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 τη Χιονόμπαλα 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 στη γεωβιολογία στο Caltech. Ο Χάρτμαν, μαζί με τον Κρις ΜακΚέι του Ερευνητικού Κέντρου Έιμς της NASA, ήταν από τους πρώτους υποστηρικτές του ρόλου που έπαιξε το υπεροξείδιο του υδρογόνου στην προέλευση και την εξέλιξη της οξυγονικής φωτοσύνθεσης, αλλά δεν μπορούσαν να εντοπίσουν μια καλή ανόργανη πηγή για αυτό στο προκαμβριακό περιβάλλον της Γης.
Αρχική πηγή: Δελτίο ειδήσεων Caltech
