Musiały minąć blisko dwa miliard lat, aby ziemska atmosfera wypełniła się tlenem. Chociaż wcześniej istniały fotosyntetyzujące mikroby, pierwiastek ten zaczął gromadzić się w atmosferze dopiero 2,3 mld lat temu, osiągając poziom, który zapewnia dzisiejsze życie. Zdarzenie to znane jest jako katastrofa tlenowa, choć angielski termin – Great Oxidation Event (GOE) – lepiej oddaje jego naturę. To, co doprowadziło do katastrofy tlenowej, pozostaje jedną z największych zagadek nauki.
Nowa hipoteza, zaproponowana przez naukowców z MIT, sugeruje, że tlen zaczął pojawiać się w atmosferze dzięki interakcjom między mikroorganizmami morskimi a minerałami w osadach oceanicznych. Zapobiegały one zużyciu tlenu, zapoczątkowując proces, w którym coraz więcej tlenu było udostępniane do atmosfery. Analizy matematyczne wykazały, że rzeczywiście istniały mikroorganizmy, które istniały przed GOE. Badania opublikowano w Nature Communications.
Prawdopodobnie najważniejszą zmianą biogeochemiczną w historii naszej planety było natlenienie atmosfery. Pokazujemy, jak wzajemne oddziaływanie mikrobów, minerałów i środowiska geochemicznego przyczyniło się do zwiększenia ilości tlenu w atmosferze.prof. Daniel Rothman z MIT
Przeszłość wpływa na teraźniejszość
Obecny poziom tlenu w ziemskiej atmosferze to wynik stabilnej równowagi między procesami, które wytwarzają tlen, a tymi, które go zużywają. Nie wiadomo jednak, co doprowadziło do wystąpienia katastrofy tlenowej.
Jeśli przyjrzeć się historii Ziemi, okazuje się, że były dwa skoki, w których przechodziliśmy od stałego stanu niskiej zawartości tlenu do stałego stanu znacznie wyższej zawartości tlenu, raz w paleoproterozoiku, raz w neoproterozoiku. Te skoki nie mogły być spowodowane stopniowym wzrostem nadmiaru tlenu. Musiała istnieć jakaś pętla sprzężenia zwrotnego, która spowodowała tę skokową zmianę stabilności.prof. Gregory Fournier z MIT
Naukowcy zastanawiali się, czy taka pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego mogła powstać w wyniku procesów zachodzących w oceanach. Węgiel organiczny jest zużywany głównie w procesie utleniania, w którym morskie mikroorganizmy wykorzystują tlen do rozkładu materii organicznej, takiej jak detrytus, który został zamknięty w osadach. Zespół zastanawiał się, czy mógł istnieć jakiś proces, w którym obecność tlenu stymulowała jego dalszą akumulację?
Naukowcy opracowali model matematyczny, który pozwolił na następujące przewidywanie: jeśli mikroby posiadałyby zdolność do jedynie częściowego utleniania materii organicznej, częściowo utleniona materia, czyli POOM (ang. partially-oxidized matter), stałaby się “lepka” i chemicznie wiązałaby się z minerałami w osadzie w sposób, który chroniłby ją przed dalszym utlenianiem. Tlen, który w przeciwnym razie zostałby zużyty do pełnego rozkładu materiału, mógłby swobodnie gromadzić się w atmosferze. Proces ten, może służyć jako dodatnie sprzężenie zwrotne, zapewniając naturalną pompę, która popycha atmosferę do nowej, wysokotlenowej równowagi.
Czytaj też: Tlenu na Księżycu nie zabraknie. To urządzenie wyprodukuje go na miejscu
Uczeni zidentyfkkowali grupę mikrobów, które obecnie częściowo utleniają materię organiczną w głębokim oceanie. Drobnoustroje te należą do grupy bakterii SAR202, a ich częściowe utlenianie odbywa się za pomocą enzymu – monooksygenazy Baeyera-Villigera (BVMO). Okazało się, że gen enzymu można odnaleźć wśród różnych drobnoustrojów, także przed katastrofą tlenową.
To może rzucić nowe światło na początki tlenu w ziemskiej atmosferze – aby potwierdzić tę hipotezę, konieczne jest przeprowadzenie dodatkowych badań.