Кисень становить 21% атмосфери Землі, і нам потрібен для того, щоб дихати. Давні бактерії виробили захисні ферменти, які не давали кисню пошкодити свою ДНК, але який еволюційний стимул вони повинні були це зробити? Дослідники виявили, що ультрафіолетове світло, що потрапляє на поверхню льодовикового льоду, може виділяти молекулярний кисень. Колонії бактерій, що живуть біля цього льоду, знадобилися б для розвитку цієї захисної оборони. Потім вони були добре обладнані для управління зростанням атмосферного кисню, виробленого іншими бактеріями, які, як правило, були токсичними.
Два з половиною мільярди років тому, коли наші предки еволюції були трохи більше, ніж мерехтіння в плазматичній мембрані бактерії, процес, відомий як фотосинтез, раптом набув здатності виділяти молекулярний кисень в атмосферу Землі, викликаючи одну з найбільших екологічних змін у історія нашої планети. Організми, які беруть на себе відповідальність, були ціанобактеріями, які, як відомо, перетворили здатність перетворювати воду, вуглекислий газ і сонячне світло в кисень і цукор, і досі існують як синьо-зелені водорості та хлоропласти у всіх зелених рослинах.
Але дослідники давно спантеличені питанням, як ціанобактерії можуть зробити весь цей кисень, не отруївши себе. Щоб уникнути їх розбиття ДНК гідроксильним радикалом, який природним чином виникає при виробництві кисню, ціанобактерії мали б виробити захисні ферменти. Але як міг природний відбір змусити ціанобактерії еволюціонувати цими ферментами, якщо потреби в них ще не існували?
Тепер дві групи дослідників Каліфорнійського технологічного інституту пропонують пояснення, як ціанобактерії могли уникнути цього, здавалося б, безнадійного протиріччя. Звітуючи в матеріалах 12 грудня Національної академії наук (PNAS) та доступних в Інтернеті, групи демонструють, що ультрафіолетове світло, що вражає поверхню льодовикового льоду, може призвести до накопичення замерзлих окислювачів та можливого викиду молекулярного кисню океани та атмосфера. Цей струмок отрути може потім сприяти еволюції киснево-захисних ферментів у різних мікробах, включаючи ціанобактерії. За словами Юка Юнга, професора планетарних наук, та Джо Кіршвінка, професора геобіології Ван Вінгена, розчин ультрафіолетового перекису є "досить простим та елегантним".
"Перед тим, як кисень з'явився в атмосфері, не було озонового екрана, який би блокував потрапляння ультрафіолетового світла на поверхню", - пояснює Кіршвінк. "Коли УФ-світло потрапляє у водяну пару, воно перетворює частину цього на перекис водню, як речі, які ви купуєте в супермаркеті для відбілювання волосся, плюс трохи водню.
«Зазвичай ця пероксид не триватиме дуже довго через зворотні реакції, але під час зледеніння перекис водню замерзає на один градус нижче точки замерзання води. Якби ультрафіолетове світло проникло б на поверхню льодовика, невелика кількість перекису потрапила б у льодовиковий льод ». Цей процес насправді відбувається сьогодні в Антарктиді, коли утворюється озонова діра, що дозволяє сильному ультрафіолетовому світлу потрапляти на лід.
Перш ніж в атмосфері Землі чи ультрафіолетовому екрані з’явився кисень, льодовиковий лід стікав би вниз до океану, танув і виділяв сліди пероксиду прямо в морську воду, де інший тип хімічної реакції перетворював перекис назад у воду і кисень. Це сталося далеко від УФ-світла, яке вбивало б організми, але кисень був на таких низьких рівнях, що ціанобактерії могли б уникнути отруєння киснем.
"Океан був прекрасним місцем для розвитку кисню захисних ферментів", - говорить Кіршвінк. "І коли ці захисні ферменти були в наявності, це відкрило шлях як для кисневого фотосинтезу, так і для аеробного дихання, щоб клітини насправді могли дихати киснем, як і ми".
Докази для теорії походять з розрахунків головного автора Дані Лян, недавнього випускника кафедри планетарних наук в Каліфорнії, який зараз знаходиться в Науково-дослідному центрі змін навколишнього середовища в Академії Синіка в Тайвані, Тайвань.
За словами Ляанга, серйозне замерзання, відоме як Земля Снігового куля Макганьєні, сталося 2,3 мільярда років тому, приблизно в той час, коли ціанобактерії розвивали свої можливості кисневого виробництва. Під час епізоду "Сніжна куля Землі" могло бути збережено достатню кількість пероксиду, щоб виробляти майже стільки кисню, скільки зараз в атмосфері.
Як додатковий доказ, цей розрахунковий рівень кисню також достатній для пояснення осідання марганцевого родовища Калахарі в Південній Африці, яке має 80 відсотків економічних запасів марганцю в усьому світі. Це родовище лежить одразу на останньому геологічному сліді снігу Макганьєне.
"Ми вважали, що після цього зледеніння цвітіння цианобактерій викинуло марганець з морської води", - каже Лян. "Але, можливо, це був просто кисень від розкладання перекису після Сніжної кулі, яка це зробила".
Окрім Кіршвінка, Юнга та Лян, іншими авторами є Хайман Хартман з Центру біомедичної інженерії МІТ та Роберт Копп, аспірант геобіології Caltech. Хартман, разом із Крісом Маккеєм з Центру досліджень NASA Еймса, були ранніми прихильниками ролі, яку перекис водню відігравав у виникненні та розвитку кисневого фотосинтезу, але вони не змогли визначити хорошого неорганічного джерела для цього в докембрійському середовищі Землі.
Оригінальне джерело: Caltech News Release
