Oxygen udgør 21% af jordens atmosfære, og vi har brug for den til at trække vejret. Gamle bakterier udviklede beskyttende enzymer, der forhindrede ilt i at skade deres DNA, men hvilket evolutionært incitament havde de til at gøre dette? Forskere har opdaget, at ultraviolet lys, der rammer overfladen af isis, kan frigive molekylært ilt. Bakteriekolonier, der lever i nærheden af denne is, ville have været nødvendigt for at udvikle dette beskyttende forsvar. De var derefter godt udstyret til at håndtere væksten af atmosfærisk ilt produceret af andre bakterier, som normalt ville være giftige.
For to og en halv milliard år siden, da vores evolutionære forfædre var lidt mere end glimt i en bakteries plasmamembran, fik processen kendt som fotosyntese pludselig evnen til at frigive molekylært ilt i Jordens atmosfære, hvilket forårsagede en af de største miljøændringer i vores planets historie. De organisationer, der påtages sig ansvarlige, var cyanobakterierne, som vides at have udviklet evnen til at omdanne vand, kuldioxid og sollys til ilt og sukker, og er stadig i dag som de blågrønne alger og kloroplasterne i alle grønne planter.
Men forskere har længe været forundret over, hvordan cyanobakterierne kunne fremstille alt dette ilt uden at forgifte sig selv. For at undgå, at deres DNA bliver ødelagt af en hydroxylgruppe, der naturligt forekommer i produktionen af ilt, ville cyanobakterierne have været nødt til at udvikle beskyttende enzymer. Men hvordan kunne naturlig selektion have ført til, at cyanobakterierne udviklede disse enzymer, hvis behovet for dem ikke engang eksisterede endnu?
To grupper af forskere ved Californiens teknologiske institut tilbyder en forklaring på, hvordan cyanobakterier kunne have undgået denne tilsyneladende håbløse modsigelse. Rapportering i 12. december Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) og tilgængelig online i denne uge, viser grupperne, at ultraviolet lys, der rammer overfladen af isis, kan føre til ophobning af frosne oxidanter og eventuelt frigivelse af molekylært ilt i oceaner og atmosfære. Denne gylle af gift kunne derefter drive udviklingen af iltbeskyttende enzymer i en række mikrober, herunder cyanobakterier. Ifølge Yuk Yung, en professor i planetarisk videnskab, og Joe Kirschvink, Van Wingen-professor i geobiologi, er UV-peroxidløsningen “temmelig enkel og elegant.”
”Før ilt optrådte i atmosfæren, var der ingen ozonskærm til at blokere ultraviolet lys fra at ramme overfladen,” forklarer Kirschvink. ”Når UV-lys rammer vanddamp, omdanner det noget af dette til brintperoxid, som de ting, du køber i supermarkedet til blegning af hår, plus en smule brintgas.
”Normalt ville dette peroxid ikke vare meget længe på grund af reaktioner, men under en glaciation fryser brintperoxidet i en grad under frysepunktet for vand. Hvis UV-lys skulle trænge ned til en gletsjers overflade, ville små mængder peroxid have været fanget i isisen. ” Denne proces sker faktisk i dag i Antarktis, når ozonhullet dannes, hvilket giver stærkt UV-lys mulighed for at ramme isen.
Inden der var noget ilt i jordens atmosfære eller en hvilken som helst UV-skærm, ville isisen have strømmet ned ad bakke til havet, smeltet og frigivet spormængder af peroxid direkte i havvandet, hvor en anden type kemisk reaktion omdannede peroxidet tilbage til vand og ilt. Dette skete langt væk fra UV-lyset, der ville dræbe organismer, men iltet var i så lave niveauer, at cyanobakterierne ville have undgået iltforgiftning.
”Havet var et smukt sted at udvikle iltbeskyttende enzymer,” siger Kirschvink. ”Og når de beskyttende enzymer først var på plads, banede det vejen for både ilt-fotosyntesen at udvikle sig, og for aerob respiration, så celler faktisk kunne indånde ilt, som vi gør.”
Beviserne for teorien kommer fra beregningerne af hovedforfatter Danie Liang, en nyuddannet i planetarisk videnskab ved Caltech, der nu er på Forskningscenter for miljøændringer på Academia Sinica i Taipei, Taiwan.
Ifølge Liang forekom en alvorlig frysning, der blev kendt som Makganyene Snowball Earth, for 2,3 milliarder år siden, på omtrent det tidspunkt, hvor cyanobakterier udviklede deres iltproducerende evner. I løbet af Snowball Earth-episoden kunne der være opbevaret nok peroxid til at producere næsten lige så meget ilt som i atmosfæren nu.
Som et yderligere bevismateriale er dette estimerede iltniveau også tilstrækkeligt til at forklare deponeringen af Kalahari-manganfeltet i Sydafrika, som har 80 procent af de økonomiske reserver af mangan i hele verden. Denne forekomst ligger umiddelbart oven på den sidste geologiske spor af Makganyene Snowball.
”Vi troede, at det var en cyanobakteriel opblomstring efter denne glaciation, der dumpede manganen ud af havvandet,” siger Liang. ”Men det kan have været simpelthen ilt fra peroxidnedbrydning efter Snowball, der gjorde det.”
Foruden Kirschvink, Yung og Liang er de andre forfattere Hyman Hartman fra Center for Biomedical Engineering på MIT, og Robert Kopp, en kandidatstuderende i geobiologi ved Caltech. Hartman var sammen med Chris McKay fra NASA Ames Research Center tidlige fortalere for den rolle, brintperoxid spillede i oprindelsen og udviklingen af ilt-fotosyntesen, men de kunne ikke identificere en god uorganisk kilde til det i Jordens prekambriske miljø.
Original kilde: Caltech News Release
