Zuurstof vormt 21% van de atmosfeer van de aarde en we hebben het nodig om te ademen. Oude bacteriën ontwikkelden beschermende enzymen die voorkomen dat zuurstof hun DNA beschadigde, maar welke evolutionaire stimulans hadden ze daarvoor nodig? Onderzoekers hebben ontdekt dat ultraviolet licht dat het oppervlak van gletsjerijs raakt, moleculaire zuurstof kan afgeven. Bacteriënkolonies die in de buurt van dit ijs leven, hadden deze beschermende verdediging moeten ontwikkelen. Ze waren toen goed uitgerust om de groei van atmosferische zuurstof aan te kunnen, die geproduceerd werd door andere bacteriën die normaal giftig zouden zijn.
Twee en een half miljard jaar geleden, toen onze evolutionaire voorouders niet meer dan een twinkeling waren in het plasmamembraan van een bacterie, kreeg het proces dat bekend staat als fotosynthese plotseling het vermogen om moleculaire zuurstof in de atmosfeer van de aarde af te geven, waardoor een van de grootste omgevingsveranderingen in de geschiedenis van onze planeet. De verantwoordelijk geachte organismen waren de cyanobacteriën, waarvan bekend is dat ze het vermogen hebben ontwikkeld om water, koolstofdioxide en zonlicht om te zetten in zuurstof en suiker, en zijn nog steeds aanwezig als de blauwgroene algen en de chloroplasten in alle groene planten.
Maar onderzoekers hebben zich lang afgevraagd hoe de cyanobacteriën al die zuurstof kunnen maken zonder zichzelf te vergiftigen. Om te voorkomen dat hun DNA kapot gaat door een hydroxylradicaal dat van nature voorkomt bij de productie van zuurstof, zouden de cyanobacteriën beschermende enzymen moeten hebben ontwikkeld. Maar hoe had natuurlijke selectie de cyanobacteriën ertoe kunnen brengen deze enzymen te ontwikkelen als de behoefte eraan nog niet eens bestond?
Nu bieden twee groepen onderzoekers van het California Institute of Technology een verklaring over hoe cyanobacteriën deze schijnbaar hopeloze tegenstrijdigheid hadden kunnen voorkomen. Rapporterend in de 12 december Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) en deze week online beschikbaar, tonen de groepen aan dat ultraviolet licht dat op het oppervlak van gletsjerijs valt, kan leiden tot de ophoping van bevroren oxidanten en de uiteindelijke afgifte van moleculaire zuurstof in de oceanen en atmosfeer. Dit straaltje gif zou dan de ontwikkeling van zuurstofbeschermende enzymen in verschillende microben, waaronder de cyanobacteriën, kunnen stimuleren. Volgens Yuk Yung, hoogleraar planeetwetenschappen, en Joe Kirschvink, Van Wingen hoogleraar geobiologie, is de UV-peroxide-oplossing "vrij eenvoudig en elegant".
"Voordat er zuurstof in de atmosfeer verscheen, was er geen ozonscherm dat verhinderde dat ultraviolet licht het oppervlak raakt", legt Kirschvink uit. “Wanneer UV-licht waterdamp raakt, zet het een deel hiervan om in waterstofperoxide, zoals het spul dat je in de supermarkt koopt om haar te bleken, plus een beetje waterstofgas.
“Normaal gesproken zou dit peroxide niet erg lang meegaan vanwege terugreacties, maar tijdens een ijstijd bevriest het waterstofperoxide tot een graad onder het vriespunt van water. Als UV-licht tot op het oppervlak van een gletsjer zou zijn doorgedrongen, zouden er kleine hoeveelheden peroxide in het gletsjerijs zijn opgesloten. ” Dit proces gebeurt eigenlijk vandaag op Antarctica wanneer het ozongat zich vormt, waardoor sterk UV-licht op het ijs valt.
Voordat er zuurstof in de atmosfeer van de aarde of een UV-scherm was, zou het gletsjerijs bergafwaarts naar de oceaan zijn gestroomd, gesmolten en sporen peroxide rechtstreeks in het zeewater hebben afgegeven, waar een ander type chemische reactie het peroxide weer in water had omgezet en zuurstof. Dit gebeurde ver weg van het UV-licht dat organismen zou doden, maar de zuurstof was zo laag dat de cyanobacteriën zuurstofvergiftiging zouden hebben voorkomen.
'De oceaan was een prachtige plek voor de ontwikkeling van zuurstofbeschermende enzymen', zegt Kirschvink. "En toen die beschermende enzymen eenmaal aanwezig waren, maakte het de weg vrij voor de ontwikkeling van zowel zuurstofrijke fotosynthese als voor aerobe ademhaling, zodat cellen daadwerkelijk zuurstof konden ademen zoals wij."
Het bewijs voor de theorie komt van de berekeningen van hoofdauteur Danie Liang, recent afgestudeerd in planetaire wetenschappen bij Caltech, die nu bij het Research Center for Environmental Changes aan de Academia Sinica in Taipei, Taiwan zit.
Volgens Liang vond 2,3 miljard jaar geleden een ernstige bevriezing plaats, bekend als de Makganyene-sneeuwbalaarde, ongeveer op het moment dat cyanobacteriën hun zuurstofproducerende vermogens ontwikkelden. Tijdens de aflevering Snowball Earth had genoeg peroxide kunnen worden opgeslagen om bijna net zoveel zuurstof te produceren als nu in de atmosfeer.
Als bijkomend bewijs is dit geschatte zuurstofniveau ook voldoende om de afzetting van het Kalahari-mangaanveld in Zuid-Afrika te verklaren, dat 80 procent van de economische reserves van mangaan in de hele wereld heeft. Deze afzetting ligt direct bovenop het laatste geologische spoor van de Makganyene-sneeuwbal.
"We dachten altijd dat het een cyanobacteriële bloei was na deze ijstijd waardoor het mangaan uit het zeewater werd gedumpt", zegt Liang. 'Maar misschien was het gewoon de zuurstof van de afbraak van peroxide na de sneeuwbal die het deed.'
Naast Kirschvink, Yung en Liang zijn de andere auteurs Hyman Hartman van het Center for Biomedical Engineering aan het MIT, en Robert Kopp, een afgestudeerde student geobiologie aan Caltech. Hartman was, samen met Chris McKay van het NASA Ames Research Center, vroege voorstanders van de rol die waterstofperoxide speelde in de oorsprong en evolutie van zuurstofrijke fotosynthese, maar ze konden er geen goede anorganische bron voor vinden in de precambrische omgeving van de aarde.
Oorspronkelijke bron: Caltech News Release
