Pred približno 2,4 milijarde let je nastajajoči planet Zemlja doživel eno najbolj dramatičnih sprememb v svoji zgodovini. V tem obdobju, znanem kot Veliki oksidacijski dogodek, je Zemljina atmosfera nenadoma zacvetela s (prej redkim) molekularnim kisikom. Hitra sprememba sestave atmosfere ni bila nič drugega kot kataklizma za nekatere zgodnje oblike življenja (takrat večinoma preproste celične prokarionte). Anaerobne vrste – tiste, ki živijo v okoljih brez kisika – so doživele dogodek skoraj na ravni izumrtja. Toda Velika oksidacija je bila tudi priložnost za razvoj drugih oblik življenja. Kisik v ozračju je ublažil planetarni učinek tople grede, metan je spremenil v manj močan ogljikov dioksid in sprožil vrsto ledenih dob, znanih kot Huronska poledenitev. Toda kisik je energijsko bogata molekula, poleg tega pa je okrepil raznolikost in aktivnost na planetu kot močan nov vir goriva za žive organizme.
Vzrok tega dramatičnega dogodka? Najmanjša bitja: majhne cianobakterije, ki živijo v oceanu (včasih znane kot modro-zelene alge), ki so razvile novo super-moč, ki je še nikoli nismo videli na planetu Zemlja: fotosintezo. Ta edinstvena sposobnost – pridobivanje energije iz sončne svetlobe in sproščanje kisika kot odpadnega produkta – je bila revolucionaren korak za tako majhno bitje. To je dobesedno spremenilo svet.
Satelitska slika cvetenja cianobakterij v jezeru Erie, 2009. Zasluge: NASA in NOAA Coastwatch - Velika jezera
Toda v središču velikega dogodka oksidacije je skrivnost. In to je čas. Cianobakterije so razvile fotosintezo pred 3,4 in 2,9 milijarde let – vsaj 500 milijonov let pred Veliko oksidacijo. Tam so bili predlaganih različnih teorij , vendar nobena ni bila povsem dokončna. Razumevanje te vrzeli med izvorom fotosinteze in preoblikovanjem Zemljine atmosfere je okupiralo misli znanstvenika MIT Grega Fournierja in njegovih kolegov, ki so objavili nov članek, ki raziskuje to vprašanje.
Obstaja nekaj načinov za merjenje daljne preteklosti. Geokemiki so lahko izmerili oksidacijo v starodavnih kamninah že pred 3,5 milijarde let. Biološko proizveden kisik je najverjetnejši vir te oksidacije, čeprav ne edini, in zagotavlja razumno oceno za začetek fotosinteze. Druga metoda vključuje tako imenovano datiranje z molekularno uro, ki pregleda fosilne zapise za merjenje stopnje genetskih sprememb skozi čas. Ta metoda je uporabna, vendar je močno odvisna od kakovosti starodavnih fosilov.
Fournierjeva ekipa je uporabila novo tehniko za analizo genov cianobakterij. Preučevali so horizontalni prenos genov. To se zgodi, ko geni skačejo z ene vrste na drugo, na primer po zaužitju (v nasprotju z navpičnim prenosom genov, ki se zgodi s starša na otroka). S to metodo je mogoče datirati določene vrste, saj je vrsta, ki je prejela gen, vedno mlajša od vrste, iz katere izvira. S preučevanjem na tisoče vrst sodobnih bakterij so lahko našli vsaj 34 primerov horizontalnega gena. prenos v zgodovini cianobakterij. Ekipa je nato te ugotovitve primerjala z modeli datiranja molekularne ure in jim dala najboljšo oceno izvora sodobnih cianobakterij.
Rezultati kažejo, da je mogoče vse danes živeče cianobakterije izslediti do skupnega prednika izpred 2,9 milijarde let in da so se predniki cianobakterij odcepili od drugih bakterij pred približno 3,4 milijarde let. Fotosinteza se je morala začeti nekje vmes.
Cianobakterije pri povečavi 2400x. Zasluge: arhiv Josefa Reischiga, Wikimedia Commons.
Kar zadeva vrzel med tem datumom in Veliko oksidacijo, je morda preprosto vprašanje obsega. Fotosinteza se je morda širila počasi, trajalo je nekaj milijonov let, preden je dosegla prelomno točko in sprožila globalni dogodek. Fournierjeva raziskava je pokazala, da je tik pred veliko oksidacijo prišlo do nenadnega dramatičnega obdobja diverzifikacije vrst cianobakterij. V tem času so cianobakterije doživele obdobje ogromne rasti po vsem svetu in morda je prav ta širitev zemeljsko atmosfero zasula z molekularnim kisikom.
Ta raziskava je razburljiva iz več razlogov. Ne samo, da ponuja eno najboljših razlag za Veliki oksidacijski dogodek, ampak nova tehnika, ki so jo razvili, odpira tudi okno v obdobja zemeljske preteklosti, za katera so mislili, da so za vedno izgubljena zaradi zoba časa. Kot pojasnjuje Fournier, 'to delo kaže, da molekularne ure, ki vključujejo horizontalne prenose genov, obljubljajo, da bodo zanesljivo zagotovile starosti skupin na celotnem drevesu življenja, tudi za starodavne mikrobe, ki niso pustili fosilnih zapisov ... nekaj, kar je bilo prej nemogoče.'
Kar zadeva cianobakterije, so še vedno tukaj in proizvajajo kisik v naših oceanih in jezerih po vsem svetu. Ti mali iskalci poti so s fotosintezo pred vsemi tistimi milijoni let začeli novo obdobje življenja na Zemlji, brez katerega bi naš planet danes izgledal zelo drugače.
Nauči se več:
Jennifer Chu, ' Osredotočanje na izvor zemeljske »edine najpomembnejše evolucijske inovacije ”’Novice MIT.
G. P. Fournier, K. R. Moore, L. T. Rangel, J. G. Payette, L. Momper in T. Bosak, “ Arhejski izvor kisikove fotosinteze in obstoječe rodove cianobakterij. ” Zbornik Kraljeve družbe B.
