Astăzi, oxigenul este esențial pentru viață și este prezent constant în aerul pe care îl respirăm. Dar, pentru cea mai mare parte a istoriei timpurii a Pământului, nu a fost așa. Oxigenul nu a devenit o parte stabilă a atmosferei decât cu aproximativ 2,3 miliarde de ani în urmă, în timpul unei perioade transformatoare cunoscută sub numele de Marea Oxidare (GOE). Această schimbare a modificat permanent planeta și a deschis calea pentru ca organismele respiratoare de oxigen să evolueze și să prospere.
Acum, cercetătorii de la MIT raportează dovezi că unele forme de viață ar fi putut învăța să folosească oxigen cu sute de milioane de ani înainte de GOE. Descoperirile lor ar putea reprezenta unele dintre cele mai vechi semne de respirație aerobică pe Pământ.
În cercetările publicate în Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, geobiologii de la MIT au investigat originile unei enzime cruciale care permite organismelor să consume oxigen. Această enzimă este prezentă în majoritatea vieții aerobe, care respiră oxigen astăzi. Echipa a stabilit că a evoluat pentru prima dată în timpul Mezoarheanului, o eră geologică care a avut loc cu sute de milioane de ani înainte de Marea Oxidare.
Rezultatele lor ar putea ajuta la răspunderea unui mister de lungă durată în istoria Pământului. Dacă microbii care produc oxigen au apărut atât de devreme, de ce a durat atât de mult timp ca oxigenul să se acumuleze în atmosferă?
Primii producători de oxigen cunoscuți au fost cianobacteriile. Acești microbi au dezvoltat capacitatea de a valorifica lumina soarelui și apa prin fotosinteză, eliberând oxigen ca produs secundar. Oamenii de știință estimează că cianobacteriile au apărut în jurul valorii de 2,9 miliarde de ani în urmă. Asta înseamnă că probabil au generat oxigen cu sute de milioane de ani înainte de Marea Oxidare.
Deci, ce s-a întâmplat cu tot acel oxigen timpuriu? Cercetătorii au suspectat mult timp că reacțiile chimice cu rocile au îndepărtat o mare parte din acesta din mediu. Noul studiu MIT sugerează că organismele vii ar fi putut, de asemenea, să-l consume.
Echipa a găsit dovezi că anumiți microbi au evoluat enzima care folosește oxigen cu mult înainte de GOE. Organismele care trăiesc în apropierea cianobacteriilor ar fi putut folosi această enzimă pentru a consuma rapid cantități mici de oxigen pe măsură ce era produs. Dacă da, viața timpurie ar fi putut încetini acumularea de oxigen în atmosferă timp de sute de milioane de ani.
"Acest lucru schimbă dramatic povestea respirației aerobe", spune coautoarea studiului, Fatima Husain, un postdoc în Departamentul de Științe ale Pământului, Atmosferei și Planetelor (EAPS) al MIT. "Studiul nostru se adaugă acestei povești foarte recent apărute că viața ar fi putut folosi oxigen cu mult mai devreme decât se credea anterior. Ne arată cât de incredibil de inovatoare este viața în toate perioadele din istoria Pământului."
Alți coautori includ Gregory Fournier, profesor asociat de geobiologie la MIT, împreună cu Haitao Shang și Stilianos Louca de la Universitatea din Oregon.
Această lucrare se bazează pe ani de cercetare la MIT, care vizează reconstruirea istoriei oxigenului pe Pământ. Studii anterioare au ajutat la stabilirea faptului că cianobacteriile au început să producă oxigen în jurul valorii de 2,9 miliarde de ani în urmă, în timp ce oxigenul nu s-a acumulat permanent în atmosferă decât cu aproximativ 2,33 miliarde de ani în urmă, în timpul Marii Oxidări.
Pentru Husain și colegii săi, acest decalaj lung a ridicat o întrebare importantă. "Știm că microorganismele care produc oxigen existau cu mult înainte de Marea Oxidare", spune Husain. "Așa că a fost firesc să ne întrebăm, a existat vreo viață în acel moment care să fi fost capabilă să folosească acel oxigen pentru respirație aerobică?"
Dacă unele organisme foloseau deja oxigen, chiar și în cantități mici, ar fi putut contribui la menținerea nivelurilor atmosferice scăzute pentru o perioadă semnificativă de timp.
Pentru a explora această idee, cercetătorii s-au concentrat asupra reductazelor heme-cupru oxigen. Aceste enzime sunt esențiale pentru respirația aerobică, deoarece transformă oxigenul în apă. Ele se găsesc în majoritatea organismelor care respiră oxigen astăzi, de la bacterii la oameni.
"Am vizat nucleul acestei enzime pentru analizele noastre, deoarece acolo are loc reacția cu oxigenul", explică Husain.
Echipa a pornit să determine când a apărut prima dată această enzimă. Au identificat secvența sa genetică și apoi au căutat în baze de date genomice masive care conțin milioane de specii pentru a găsi secvențe potrivite.
"Cea mai grea parte a acestei lucrări a fost că aveam prea multe date", spune Fournier. "Această enzimă este pur și simplu peste tot și este prezentă în majoritatea organismelor vii moderne. Așa că a trebuit să eșantionăm și să filtrăm datele până la un set de date care era reprezentativ pentru diversitatea vieții moderne și, de asemenea, suficient de mic pentru a face calcule, ceea ce nu este trivial."
După ce au restrâns datele la câteva mii de specii, cercetătorii au plasat secvențele enzimatice pe un arbore evolutiv al vieții. Acest lucru le-a permis să estimeze când au apărut diferite ramuri. Când existau dovezi fosile pentru un anumit organism, oamenii de știință au folosit vârsta estimată pentru a ancora acea ramură a arborelui. Aplicând mai multe puncte de timp bazate pe fosile, și-au rafinat estimările pentru momentul în care a evoluat enzima.
Analiza lor a urmărit enzima înapoi la Mezoarhean, care a durat de la 3,2 la 2,8 miliarde de ani în urmă. Cercetătorii cred că atunci a apărut pentru prima dată enzima și capacitatea de a folosi oxigen. Acest interval de timp datează de la Marea Oxidare cu câteva sute de milioane de ani.
Descoperirile sugerează că, la scurt timp după ce cianobacteriile au început să producă oxigen, alte organisme au evoluat mecanismele pentru a-l consuma. Microbii care trăiesc în apropierea cianobacteriilor ar fi putut absorbi rapid oxigenul eliberat. Făcând acest lucru, aceste organisme aerobe timpurii ar fi putut contribui la împiedicarea acumulării oxigenului în atmosferă timp de sute de milioane de ani.
"Considerate toate împreună, cercetările MIT au completat lacunele din cunoștințele noastre despre modul în care a decurs oxigenarea Pământului", spune Husain. "Piesele puzzle-ului se potrivesc și subliniază cu adevărat modul în care viața a reușit să se diversifice și să trăiască în această nouă lume oxigenată."