Oksygen utgjør 21% av jordens atmosfære, og vi trenger den for å puste. Gamle bakterier utviklet beskyttende enzymer som forhindret oksygen i å skade DNA-et, men hvilket evolusjonsinnsving hadde de til å gjøre dette? Forskere har oppdaget at ultrafiolett lys som treffer overflaten av isisen kan frigjøre molekylært oksygen. Bakteriekolonier som bodde nær denne isen ville ha trengt å utvikle dette beskyttende forsvaret. De var da godt utstyrt til å håndtere veksten av atmosfærisk oksygen produsert av andre bakterier som normalt ville være giftig.
For to og en halv milliard år siden, da våre evolusjonære forfedre var mer enn et glimt i en bakterias plasmamembran, fikk prosessen kjent som fotosyntesen plutselig evnen til å frigjøre molekylært oksygen i jordens atmosfære, og forårsake en av de største miljøendringene i planeten vår. Organismene som antas å være ansvarlige var cyanobakteriene, som er kjent for å ha utviklet evnen til å gjøre vann, karbondioksid og sollys til oksygen og sukker, og er fortsatt i dag som de blågrønne algene og kloroplastene i alle grønne planter.
Men forskere har lenge vært forundret over hvordan cyanobakteriene kunne lage alt det oksygen uten å forgifte seg selv. For å unngå at DNAet deres blir ødelagt av en hydroksylradikal som naturlig forekommer i produksjon av oksygen, ville cyanobakteriene ha måttet utvikle beskyttende enzymer. Men hvordan kunne naturlig seleksjon ha ført til at cyanobakteriene utviklet disse enzymene hvis behovet for dem ikke en gang fantes ennå?
Nå tilbyr to grupper av forskere ved California Institute of Technology en forklaring på hvordan cyanobakterier kunne ha unngått denne tilsynelatende håpløse motsetningen. Rapportering i 12. desember Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) og tilgjengelig på nettet denne uken, demonstrerer gruppene at ultrafiolett lys som treffer overflaten av isis kan føre til akkumulering av frosne oksidanter og eventuell frigjøring av molekylært oksygen i hav og atmosfære. Denne giften av giften kan da føre til utviklingen av oksygenbeskyttende enzymer i en rekke mikrober, inkludert cyanobakteriene. I følge Yuk Yung, professor i planetarisk vitenskap, og Joe Kirschvink, Van Wingen-professor i geobiologi, er UV-peroksydløsningen “ganske enkel og elegant.”
"Før det kom oksygen i atmosfæren, var det ingen ozonskjerm som hindret ultrafiolett lys i å treffe overflaten," forklarer Kirschvink. Når UV-lys treffer vanndamp, omdanner det noe av dette til hydrogenperoksyd, som tingene du kjøper i supermarkedet for bleking av hår, pluss litt hydrogengass.
”Normalt vil dette peroksidet ikke vare veldig lenge på grunn av reaksjoner, men under en isdannelse fryser hydrogenperoksidet ut i en grad under frysepunktet for vann. Hvis UV-lys skulle ha trengt ned til overflaten til en isbre, ville små mengder peroksid blitt fanget i isisen. ” Denne prosessen skjer faktisk i dag i Antarktis når ozonhullet dannes, slik at sterkt UV-lys treffer isen.
Før det var oksygen i jordens atmosfære eller noen UV-skjerm, ville isisen ha strømmet nedover til havet, smeltet og frigjort spormengder peroksid direkte i sjøvannet, der en annen type kjemisk reaksjon omdannet peroksidet tilbake til vann og oksygen. Dette skjedde langt borte fra UV-lyset som ville drepe organismer, men oksygenet var på så lave nivåer at cyanobakteriene ville ha unngått oksygenforgiftning.
"Havet var et vakkert sted for å utvikle oksygenbeskyttende enzymer," sier Kirschvink. "Og når de beskyttende enzymer var på plass, banet det veien for at både oksygenisk fotosyntese kunne utvikle seg, og for aerob respirasjon, slik at celler faktisk kunne puste oksygen som vi gjør."
Bevisene for teorien kommer fra beregningene av hovedforfatter Danie Liang, en nyutdannet i planetarvitenskap ved Caltech som nå er ved Research Center for Environmental Change ved Academia Sinica i Taipei, Taiwan.
I følge Liang skjedde en alvorlig fryseanordning kjent som Makganyene Snowball Earth for 2,3 milliarder år siden, på omtrent det tidspunktet cyanobakterier utviklet deres oksygenproduserende evner. I løpet av episoden Snowball Earth kunne nok peroksid ha blitt lagret til å produsere nesten like mye oksygen som i atmosfæren nå.
Som et ekstra bevis, er dette estimerte oksygennivået også tilstrekkelig til å forklare deponering av Kalahari-manganfeltet i Sør-Afrika, som har 80 prosent av de økonomiske reservene til mangan i hele verden. Dette avsetningen ligger umiddelbart på toppen av det siste geologiske sporet av Makganyene Snowball.
"Vi trodde det var en cyanobakteriell oppblomstring etter denne isdannelsen som dumpet manganen ut av sjøvannet," sier Liang. "Men det kan ganske enkelt ha vært oksygenet fra nedbrytning av peroksid etter snøballen som gjorde det."
I tillegg til Kirschvink, Yung og Liang, er de andre forfatterne Hyman Hartman ved Center for Biomedical Engineering at MIT, og Robert Kopp, en doktorgradsstudent i geobiologi ved Caltech. Hartman var sammen med Chris McKay fra NASA Ames Research Center, tidlige talsmenn for rollen som hydrogenperoksid spilte i opprinnelsen og utviklingen av oksygenisk fotosyntesen, men de kunne ikke identifisere en god uorganisk kilde for det i jordens førkambriske miljø.
Originalkilde: Caltech News Release
