Кислород составляет 21% атмосферы Земли, и нам нужно, чтобы он дышал. Древние бактерии вырабатывали защитные ферменты, которые препятствовали повреждению ДНК кислородом, но какой у них был эволюционный стимул? Исследователи обнаружили, что ультрафиолетовое излучение, попадающее на поверхность ледникового льда, может выделять молекулярный кислород. Колонии бактерий, живущие около этого льда, должны были бы развивать эту защитную защиту. Затем они были хорошо оснащены, чтобы справиться с ростом атмосферного кислорода, производимого другими бактериями, которые обычно были бы токсичными.
Два с половиной миллиарда лет назад, когда наши эволюционные предки были чуть более чем мерцанием в плазматической мембране бактерии, процесс, известный как фотосинтез, внезапно обрел способность выделять молекулярный кислород в атмосферу Земли, вызывая одно из самых больших изменений в окружающей среде. история нашей планеты. Предполагаемые ответственные организмы - это цианобактерии, которые, как известно, развили способность превращать воду, углекислый газ и солнечный свет в кислород и сахар, и до сих пор существуют сегодня как сине-зеленые водоросли и хлоропласты во всех зеленых растениях.
Но исследователи долго ломали голову над тем, как цианобактерии могут производить весь этот кислород, не отравляя себя. Чтобы избежать разрушения их ДНК гидроксильным радикалом, который естественным образом возникает при производстве кислорода, цианобактерии должны были бы выделять защитные ферменты. Но как естественный отбор мог заставить цианобактерии вырабатывать эти ферменты, если потребность в них еще не существовала?
Теперь две группы исследователей из Калифорнийского технологического института предлагают объяснение того, как цианобактерии могли бы избежать этого, казалось бы, безнадежного противоречия. Представляя отчеты, опубликованные 12 декабря в Национальной академии наук (PNAS) и доступные на этой неделе в Интернете, группы демонстрируют, что ультрафиолетовое излучение, попадающее на поверхность ледникового льда, может привести к накоплению замороженных окислителей и возможному выделению молекулярного кислорода в океаны и атмосфера. Эта струйка яда может затем стимулировать выработку защитных для кислорода ферментов в различных микробах, включая цианобактерии. По словам профессора планетологии Юка Юнга и профессора геобиологии Ван Вингена Джо Киршвинка, решение о перекиси ультрафиолета «довольно простое и элегантное».
«До появления кислорода в атмосфере не было озонового экрана, который бы препятствовал попаданию ультрафиолетового света на поверхность», - объясняет Киршвинк. «Когда ультрафиолетовый свет попадает в водяной пар, он превращает часть этого в перекись водорода, например, продукты, которые вы покупаете в супермаркете для отбеливания волос, плюс немного газообразного водорода.
«Обычно эта перекись не будет длиться очень долго из-за обратных реакций, но во время оледенения перекись водорода замерзает на один градус ниже точки замерзания воды. Если бы ультрафиолетовое излучение проникало до поверхности ледника, небольшое количество перекиси могло бы попасть в ледяной лед ». Этот процесс на самом деле происходит сегодня в Антарктиде, когда образуется озоновая дыра, позволяющая сильному ультрафиолетовому излучению попадать на лед.
До того, как в атмосфере Земли появился какой-либо кислород или ультрафиолетовый экран, ледяной лед мог бы спуститься в океан, растаять и выпустить следовые количества пероксида непосредственно в морскую воду, где другой тип химической реакции превратил пероксид обратно в воду. и кислород. Это произошло вдали от ультрафиолета, который убивал бы организмы, но уровень кислорода был настолько низким, что цианобактерии могли избежать кислородного отравления.
«Океан был прекрасным местом для развития кислородозащитных ферментов», - говорит Киршвинк. «И как только эти защитные ферменты были на месте, это проложило путь для развития как кислородного фотосинтеза, так и аэробного дыхания, чтобы клетки могли фактически дышать кислородом, как мы».
Доказательства этой теории основаны на расчетах ведущего автора Дани Ляна, недавнего выпускника факультета планетологии в Калифорнийском технологическом институте, который в настоящее время работает в Исследовательском центре экологических изменений в Академии Синика в Тайбэе, Тайвань.
По словам Ляна, серьезное замерзание, известное как Земля снежного кома Макганье, произошло 2,3 миллиарда лет назад, примерно в то время, когда цианобактерии развили свои способности к производству кислорода. Во время эпизода «Снежный ком на Земле» можно было хранить достаточно перекиси, чтобы произвести почти столько же кислорода, сколько сейчас в атмосфере.
В качестве дополнительного доказательства, этот оценочный уровень кислорода также достаточен для объяснения отложения марганцевого месторождения Калахари в Южной Африке, которое имеет 80 процентов экономических запасов марганца во всем мире. Это месторождение находится непосредственно на вершине последнего геологического следа снежного кома Макганье.
«Раньше мы думали, что после оледенения это было цветение цианобактерий, которое выбрасывало марганец из морской воды», - говорит Лян. «Но это мог быть просто кислород от разложения пероксида после Снежка».
Помимо Киршвинка, Юнга и Ляна, другими авторами являются Хайман Хартман из Центра биомедицинской инженерии в Массачусетском технологическом институте и Роберт Копп, аспирант по геобиологии в Калифорнийском технологическом институте. Хартман вместе с Крисом Маккеем из Исследовательского центра Эймса НАСА были первыми сторонниками роли, которую перекись водорода играла в происхождении и развитии кислородного фотосинтеза, но они не смогли определить хороший неорганический источник для него в докембрийской среде Земли.
Первоисточник: Caltech News Release
