Happi muodostaa 21% maan ilmakehästä, ja me tarvitsemme sitä hengittämään. Muinaiset bakteerit kehittivät suojaavia entsyymejä, jotka estävät happea vahingoittamasta niiden DNA: ta, mutta minkä evoluutiokyvyn heidän piti tehdä tämä? Tutkijat ovat havainneet, että jäätikön pintaan iskevä ultraviolettivalo voi vapauttaa molekyylin happea. Tämän jään lähellä elävät bakteerikolokset olisi pitänyt kehittää tätä suojaavaa puolustusta. Ne olivat sitten hyvin varusteltuja käsittelemään muiden normaalisti myrkyllisten bakteerien tuottaman ilmakehän hapen kasvua.
Kaksi ja puoli miljardia vuotta sitten, kun evoluutio-esi-isämme olivat hiukan enemmän kuin piikki bakteerin plasmamembraanissa, fotosynteesiksi kutsuttu prosessi sai yhtäkkiä kyvyn vapauttaa molekyylin happea maan ilmakehään aiheuttaen yhden suurimmista ympäristömuutoksista planeettamme historiaa. Vastuullisiksi katsottuja organismeja olivat sinilevät, joiden tiedetään kehittäneen kyky muuttaa vesi, hiilidioksidi ja auringonvalo happea ja sokeria, ja ne ovat edelleen nykyään sinilevälevillä ja kloroplasteina kaikissa vihreissä kasveissa.
Tutkijat ovat kuitenkin jo pitkään hämmentyneet siitä, kuinka sinilevät pystyisivät tuottamaan kaiken tämän hapen myrkyttämättä itseään. Syanobakteerien olisi pitänyt kehittää suojaavia entsyymejä, jotta niiden DNA ei hajottuisi hydroksyyliradikaalin avulla, jota luonnollisesti esiintyy hapen tuotannossa. Mutta kuinka luonnollinen valinta olisi voinut saada sinilevät kehittämään näitä entsyymejä, jos niiden tarvetta ei edes vielä ollut?
Nyt kaksi Kalifornian teknologiainstituutin tutkijaryhmää tarjoavat selityksen siitä, kuinka sinileväbakteerit olisivat voineet välttää tämän näennäisesti toivottoman ristiriidan. Raportoidessaan National News of Science (PNAS): n joulukuun 12. julkaisussa ja saatavilla tällä viikolla verkossa, ryhmät osoittavat, että jäätikön pintaan iskevä ultraviolettivalo voi johtaa jäädytettyjen hapettimien kerääntymiseen ja molekyylin hapen lopulliseen vapautumiseen valtameret ja ilmapiiri. Tämä myrkkykärki voisi sitten ohjata happea suojaavien entsyymien kehitystä monissa mikrobissa, mukaan lukien syanobakteerit. Planettatieteiden professori Yuk Yungin ja Van Wingenin geobiologian professori Joe Kirschvinkin mukaan UV-peroksidiliuos on ”melko yksinkertainen ja tyylikäs”.
"Ennen kuin happi ilmaantui ilmakehään, ei ollut otsoniseulaa, joka estäisi ultraviolettivaloa törmämästä pintaan", Kirschvink selittää. ”Kun UV-valo osuu vesihöyryyn, se muuntaa osan tästä vetyperoksidiksi, kuten tavarat, joita ostat supermarketista hiusten valkaisemiseksi, plus vähän vetykaasua.
”Tavallisesti tämä peroksidi ei kestäisi kauan vastareaktioiden takia, mutta jäätymisen aikana vetyperoksiidi jäätyy yhden asteen alapuolella veden jäätymispisteen alapuolelle. Jos UV-valoa olisi tunkeutunut jäätikön pintaan, jäätiköön olisi jäänyt pieniä määriä peroksidia. " Tämä prosessi todella tapahtuu tänään Antarktis, kun otsoniaukko muodostuu, jolloin voimakas UV-valo osuu jään päälle.
Ennen kuin maapallon ilmakehässä tai UV-näytössä ei ollut happea, jäätikkö olisi virranut alamäkeen mereen, sulanut ja vapauttanut pieniä määriä peroksidia suoraan meriveteen, missä muun tyyppinen kemiallinen reaktio muutti peroksidin takaisin veteen ja happea. Tämä tapahtui kaukana UV-valosta, joka tappaisi organismit, mutta happi oli niin alhaisella tasolla, että sinilevät olisivat välttäneet happimyrkytyksistä.
"Valtameri oli kaunis paikka happea suojaavien entsyymien kehittymiselle", Kirschvink sanoo. "Ja kun nämä suojaavat entsyymit olivat paikallaan, se tasoitti tietä sekä hapellisen fotosynteesin kehittymiselle että aerobiselle hengitykselle, jotta solut voisivat todella hengittää happea kuin mekin."
Teorian todisteet tulevat johtavan kirjailijan Danie Liangin, joka on äskettäin valmistunut planeettatieteestä Caltechissa, laskelmista, joka on nyt Ympäristömuutosten tutkimuskeskuksessa Academia Sinicassa Taipeissa, Taiwanissa.
Liangin mukaan Makganyene-lumipallo-maana tunnettu vakava jäätyminen tapahtui 2,3 miljardia vuotta sitten, suunnilleen sinikausien kehittäessä happea tuottavia kykyjään. Lumipallo Earth -jakson aikana peroksidia olisi voinut varastoida tarpeeksi niin paljon happea kuin nykyään ilmakehässä on.
Lisätodisteena tämä arvioitu happitaso on myös riittävä selittämään Kalahari-mangaanikentän laskeumaa Etelä-Afrikassa, jolla on 80 prosenttia mangaanin taloudellisista varannoista koko maailmassa. Tämä kerrostuma on heti Makganyenen lumipallojen viimeisen geologisen jäljen päällä.
"Aiemmin ajattelimme, että syanobakteerikukan tekeminen tapahtui tämän jäätymisen jälkeen ja antoi mangaanin pois merivedestä", Liang sanoo. "Mutta se on saattanut olla yksinkertaisesti peroksidien hajoamisesta johtuvaa happea lumipallon jälkeen, joka sen teki."
Kirschvinkin, Yungin ja Liangin lisäksi muita kirjoittajia ovat Hyman Hartman MIT: n biolääketieteellisestä tekniikasta ja Robert Kopp, Caltechin geobiologian jatko-opiskelija. Hartman yhdessä Chris McKay: n kanssa NASA Ames-tutkimuskeskuksesta olivat varhaisia puolustajia vetyperoksidin roolista hapellisen fotosynteesin lähteessä ja kehityksessä, mutta he eivät pystyneet tunnistamaan sille hyvää epäorgaanista lähdettä maan esikaupungin ympäristössä.
Alkuperäinen lähde: Caltech-lehdistötiedote
