Данас је кисеоник неопходан за живот и стално присутан у ваздуху који удишемо. Али за већину ране историје Земље то није било тачно. Кисеоник није постао стабилан део атмосфере све до пре око 2,3 милијарде година, током трансформативног периода познатог као Велики догађај оксидације (ГОЕ). Та промена је трајно променила планету и отворила пут организмима који дишу кисеоник да еволуирају и напредују.
Сада, истраживачи са МИТ-а извештавају о доказима да су неки облици живота можда научили да користе кисеоник стотинама милиона година пре ГОЕ. Њихови налази могли би да представљају неке од најранијих знакова аеробног дисања на Земљи.
У истраживању објављеном у Палеогеографија, Палеоклиматологија, Палеоекологијагеобиолози са МИТ-а истраживали су порекло кључног ензима који омогућава организмима да троше кисеоник. Овај ензим је данас присутан у већини аеробних живота који дишу кисеоник. Тим је утврдио да је прво еволуирао током мезоархеја, геолошке ере која се догодила стотинама милиона година пре Великог догађаја оксидације.
Њихови резултати могу помоћи да се одговори на дуготрајну мистерију у историји Земље. Ако су се микроби који производе кисеоник појавили тако рано, зашто је требало толико дуго да се кисеоник акумулира у атмосфери?
Цијанобактерије и рана производња кисеоника
Први познати произвођачи кисеоника су биле цијанобактерије. Ови микроби су развили способност да искористе сунчеву светлост и воду фотосинтезом, ослобађајући кисеоник као нуспродукт. Научници процењују да су се цијанобактерије појавиле пре око 2,9 милијарди година. То значи да су вероватно производили кисеоник стотинама милиона година пре Великог догађаја оксидације.
Па шта се десило са свим тим раним кисеоником?
Истраживачи су дуго сумњали да су хемијске реакције са стенама уклониле велики део из околине. Нова студија МИТ-а сугерише да су је можда конзумирали и живи организми.
Тим је пронашао доказе да су одређени микроби развили кисеоник користећи ензим много пре ГОЕ. Организми који живе у близини цијанобактерија могли су да користе овај ензим да брзо троше мале количине кисеоника док се производи. Ако је тако, рани живот је можда успорио накупљање кисеоника у атмосфери стотинама милиона година.
„Ово драматично мења причу о аеробном дисању“, каже коаутор студије Фатима Хусаин, постдоктор на МИТ-овом одељењу за Земљине, атмосферске и планетарне науке (ЕАПС). „Наша студија додаје овој причи која се недавно појавила да је живот можда користио кисеоник много раније него што се раније мислило. Показује нам колико је живот невероватно иновативан у свим периодима у историји Земље.“
Остали коаутори укључују Грегорија Фурнијеа, ванредног професора геобиологије на МИТ-у, заједно са Хаитао Схангом и Стилианос Лоуца са Универзитета Орегон.
Праћење порекла аеробног дисања
Овај рад се заснива на годинама истраживања на МИТ-у са циљем реконструкције историје кисеоника на Земљи. Претходне студије су помогле да се утврди да су цијанобактерије почеле да производе кисеоник пре око 2,9 милијарди година, док се кисеоник није трајно акумулирао у атмосфери све до пре отприлике 2,33 милијарде година током Великог догађаја оксидације.
За Хусеин и њене колеге, тај дуги јаз је покренуо важно питање.
„Знамо да су микроорганизми који производе кисеоник постојали много пре Великог догађаја оксидације“, каже Хусаин. „Дакле, било је природно запитати се да ли је у то време постојао живот који би могао да користи тај кисеоник за аеробно дисање?“
Да су неки организми већ користили кисеоник, чак и у малим количинама, можда би помогли да се атмосферски нивои одржавају ниским током значајног временског периода.
Да би истражили ову идеју, истраживачи су се фокусирали на редуктазе кисеоника хем бакра. Ови ензими су неопходни за аеробно дисање јер претварају кисеоник у воду. Они се данас налазе у већини организама који дишу кисеоник, од бактерија до људи.
„За наше анализе смо циљали језгро овог ензима јер се тамо заправо одвија реакција са кисеоником“, објашњава Хусаин.
Мапирање ензима на дрвету живота
Тим је кренуо да утврди када се овај ензим први пут појавио. Идентификовали су његову генетску секвенцу, а затим претражили огромне базе података генома које садрже милионе врста како би пронашли одговарајуће секвенце.
„Најтежи део овог посла био је то што смо имали превише података“, каже Фурније. „Овај ензим је свуда и присутан је у већини модерних живих организама. Тако да смо морали да узоркујемо и филтрирамо податке до скупа података који је био репрезентативан за разноликост модерног живота и такође довољно мали да се са њим врши рачунање, што није тривијално.“
Након што су податке сузили на неколико хиљада врста, истраживачи су секвенце ензима поставили на еволуционо дрво живота. То им је омогућило да процене када су се појавиле различите гране.
Када су постојали фосилни докази за одређени организам, научници су користили његову процењену старост да усидре ту грану дрвета. Применом више фосилних временских тачака, они су побољшали своје процене када је ензим еволуирао.
Њихова анализа пратила је ензим до мезоархеја, који се простирао од пре 3,2 до 2,8 милијарди година. Истраживачи верују да је тада први пут настао ензим и способност коришћења кисеоника. Тај временски оквир претходио је Великом догађају оксидације неколико стотина милиона година.
Налази сугеришу да су убрзо након што су цијанобактерије почеле да производе кисеоник, други организми развили машинерију да га конзумирају. Микроби који живе у близини цијанобактерија могли су брзо да апсорбују кисеоник који се ослобађа. Чинећи то, ови рани аеробни организми су можда помогли да се спречи накупљање кисеоника у атмосфери стотинама милиона година.
„Све заједно, истраживање МИТ-а попунило је празнине у нашем знању о томе како се одвијала оксигенација Земље“, каже Хусаин. „Делови слагалице се уклапају и заиста наглашавају како је живот могао да се диверзификује и живи у овом новом, оксигенисаном свету.
Ово истраживање је делимично подржано од стране програма Сциалог Ресеарцх Цорпоратион фор Сциенце Адванцемент.
