Syre utgör 21% av jordens atmosfär, och vi behöver den för att andas. Forntida bakterier utvecklade skyddsenzymer som förhindrade syre från att skada deras DNA, men vilket evolutionära incitament hade de att göra detta? Forskare har upptäckt att ultraviolett ljus som träffar ytan på isis kan frisätta molekylärt syre. Bakteriekolonier som bodde nära denna is skulle ha behövt för att utveckla detta skyddande försvar. De var då väl utrustade för att hantera tillväxten av atmosfäriskt syre producerat av andra bakterier som normalt skulle vara giftiga.
För två och en halv miljard år sedan, när våra evolutionära förfäder var lite mer än en glimt i en bakteries plasmamembran, fick processen känd som fotosyntes plötsligt förmågan att släppa molekylärt syre i jordens atmosfär, vilket orsakade en av de största miljöförändringarna i vår planets historia. De organismer som anses vara ansvariga var cyanobakterierna, som är kända för att ha utvecklat förmågan att förvandla vatten, koldioxid och solljus till syre och socker, och finns fortfarande kvar idag som de blågröna algerna och kloroplasterna i alla gröna växter.
Men forskare har länge varit förbryllade över hur cyanobakterierna skulle kunna göra allt detta syre utan att förgifta sig själva. För att undvika att deras DNA förstörs av en hydroxylradikal som naturligt förekommer i syreproduktionen, skulle cyanobakterierna behöva utvecklas skyddande enzymer. Men hur kunde naturligt urval ha lett till att cyanobakterierna utvecklats av dessa enzymer om behovet av dem inte ens fanns ännu?
Nu erbjuder två forskargrupper vid California Institute of Technology en förklaring av hur cyanobakterier kunde ha undvikit denna till synes hopplösa motsägelse. Rapportering i den 12 december Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) och tillgänglig online denna vecka visar grupperna att ultraviolett ljus som slår ytan på isis kan leda till ansamling av frysta oxidanter och eventuellt frigörande av molekylärt syre i hav och atmosfär. Detta smink av gift kan sedan driva utvecklingen av syre-skyddande enzymer i en mängd olika mikrober, inklusive cyanobakterierna. Enligt Yuk Yung, en professor i planetvetenskap, och Joe Kirschvink, Van Wingen-professor i geobiologi, är UV-peroxidlösningen "ganska enkel och elegant."
”Innan syre dök upp i atmosfären fanns det ingen ozonskärm som hindrade ultraviolett ljus från att träffa ytan,” förklarar Kirschvink. ”När UV-ljus träffar vattenånga konverterar det en del av detta till väteperoxid, som saker du köper i snabbköpet för blekning av hår, plus lite vätgas.
”Normalt skulle denna peroxid inte hålla så länge på grund av ryggreaktioner, men under en glaciation fryser väteperoxiden ut vid en grad under fryspunkten för vatten. Om UV-ljus skulle tränga ner till ytan på en glaciär, skulle små mängder peroxid ha fångats i isisen. ” Denna process sker faktiskt idag i Antarktis när ozonhålet bildas, vilket gör att starkt UV-ljus kan träffa isen.
Innan det fanns något syre i jordens atmosfär eller någon UV-skärm, skulle isisen ha flöt nedåt till havet, smält och släppt spårmängder peroxid direkt i havsvattnet, där en annan typ av kemisk reaktion omvandlade peroxiden tillbaka till vatten och syre. Detta hände långt borta från UV-ljuset som skulle döda organismer, men syret var på så låga nivåer att cyanobakterierna skulle ha undvikit syreförgiftning.
"Havet var en vacker plats för syre-skyddande enzymer att utvecklas," säger Kirschvink. "Och när de skyddande enzymerna var på plats banade det vägen för att både syresyrande fotosyntes skulle utvecklas och för aerob andning så att celler faktiskt kunde andas syre som vi gör."
Beviset för teorin kommer från beräkningarna av huvudförfattaren Danie Liang, en nyutbildad i planetvetenskap vid Caltech som nu är på forskningscentret för miljöförändringar vid Academia Sinica i Taipei, Taiwan.
Enligt Liang inträffade en allvarlig frysning, känd som Makganyene Snowball Earth, för 2,3 miljarder år sedan, ungefär då cyanobakterier utvecklade sin syreproducerande förmåga. Under episoden Snowball Earth kunde tillräckligt med peroxid ha lagrats för att producera nästan lika mycket syre som i atmosfären nu.
Som ytterligare bevis är denna beräknade syrgasnivå också tillräcklig för att förklara avsättningen av Kalahari-manganfältet i Sydafrika, som har 80 procent av de ekonomiska reserverna av mangan i hela världen. Denna insättning ligger omedelbart ovanpå det sista geologiska spåret av Makganyene Snowball.
"Vi brukade tro att det var en cyanobakteriell blom efter denna glaciation som dumpade mangan ur havsvattnet," säger Liang. "Men det kan helt enkelt ha varit syre från peroxidnedbrytning efter snöbollen som gjorde det."
Förutom Kirschvink, Yung och Liang är de andra författarna Hyman Hartman från Center for Biomedical Engineering på MIT, och Robert Kopp, en doktorand i geobiologi vid Caltech. Hartman, tillsammans med Chris McKay från NASA Ames Research Center, var tidiga förespråkare för den roll som väteperoxid spelade i ursprunget och utvecklingen av syrgasfotyntesen, men de kunde inte identifiera en bra oorganisk källa för den i jordens förkambriska miljö.
Originalkälla: Caltech News Release
