Μικρόβια χρησιμοποίησαν δηλητηριώδες αέριο στη μάχη για τον σίδηρο στους πρώιμους ωκεανούς της Γης

Ορισμένα μικρόβια χρησιμοποίησαν δηλητηριώδες αέριο στη μάχη για τον σίδηρο στους πρώιμους ωκεανούς της Γης, βρήκαν γεωμικροβιολόγοι.

Κοιτάσματα σιδήρου προκαμβριανής ζώνης (σχηματισμός λωρίδων σιδήρου) στη Νότια Αφρική. Από: Αντρέας Κάπλερ.

Στην αρχή της ανάπτυξης της Γης, η ατμόσφαιρα δεν περιείχε οξυγόνο. Ωστόσο, ο σίδηρος που διαλύθηκε στους ωκεανούς οξειδώθηκε σε γιγαντιαίες ποσότητες και αποτέθηκε ως πέτρα. Μπορεί να φανεί σήμερα, για παράδειγμα, ως σιδηρομετάλλευμα στη Νότια Αφρική.

Μια νέα μελέτη διερευνά πώς διάφορα βακτήρια εκκρίνουν αδιάλυτο σίδηρο ως μέρος των μεταβολικών διεργασιών τους. Μερικοί-φωτοτροφικοί οξειδωτές σιδήρου-κερδίζουν ενέργεια με την οξείδωση του σιδήρου με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός και άλλοι με την αντίδραση του σιδήρου με νιτρικό ως οξειδωτικό παράγοντα .

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα συμπεριλαμβανομένου του Δρ. Casey Bryce από το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ και της Δρ. Verena Nikeleit και του καθηγητή Andreas Kappler, γεωμικροβιολόγοι στο Πανεπιστήμιο του Tübingen, εξέτασε αυτές τις διαδικασίες και ρώτησε: Ποια μικρόβια είχαν το πάνω χέρι στον ανταγωνισμό για τον σίδηρο; Τα αντίπαλα βακτήρια χρησιμοποίησαν επίσης μονοξείδιο του αζώτου, ένα τοξικό αέριο.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Geoscience .

Πριν από δύο με τρία δισεκατομμύρια χρόνια, η σύνθεση της ατμόσφαιρας της Γης ήταν εντελώς διαφορετική.

«Οι ωκεανοί εκείνη την εποχή περιείχαν τεράστιες ποσότητες σιδήρου στη μειωμένη του μορφή. Υπό τις σημερινές συνθήκες, θα είχε οξειδωθεί γρήγορα από το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα για να σχηματίσει σκουριασμένα ορυκτά σιδήρου», εξηγεί ο Κάπλερ. Αν και δεν υπήρχε οξυγόνο κατά τη διάρκεια αυτής της πρώιμης φάσης στη Γη, τεράστιες αποθέσεις πετρωμάτων σιδήρου δείχνουν ότι τα μικρόβια την οξειδώνουν αποτελεσματικά ακόμη και τότε.

Πειράματα στο εργαστήριο

«Πριν υπήρχε οξυγόνο στη Γη, οι φωτοτροφικοί οξειδωτές σιδήρου σχημάτιζαν τις τεράστιες αποθέσεις οξειδίου του σιδήρου που είναι γνωστές σήμερα ως μεταλλεύματα σιδήρου με ταινίες», λέει ο Δρ Κέισι Μπράις, επικεφαλής του έργου. Πρώην του Πανεπιστημίου του Tübingen, τώρα Ανώτερος Λέκτορας στη Σχολή Επιστημών της Γης του Πανεπιστημίου του Μπρίστολ.

«Θέλαμε να μάθουμε αν αυτά τα βακτήρια ήταν σε ανταγωνισμό με άλλα οξειδωτικά σιδήρου που χρησιμοποιούσαν νιτρικό», προσθέτει. Αυτό οδήγησε στο ερώτημα εάν αυτά τα ανταγωνιστικά μικρόβια θα μπορούσαν πράγματι να συνυπάρχουν, και εάν ναι, ποια από αυτά ήταν κυρίως υπεύθυνα για την οξείδωση του σιδήρου.

Μικροσκοπικές εικόνες καλλιέργειας φωτοτροφικών οξειδωτικών σιδήρου (Rhodobacter ferrooxidans SW2). Τα ζωντανά βακτήρια (βαμμένα με πράσινο χρώμα) μπορούν να φανούν πάνω, γύρω και στα ορυκτά σιδήρου που σχηματίζονται. Από: Verena Nikeleit.

«Για να κατανοήσουμε καλύτερα την κατάσταση στην πρώιμη Γη, πραγματοποιήσαμε εργαστηριακά πειράματα», λέει η Verena Nikeleit, η οποία μετά τη μελέτη μετακόμισε στο νορβηγικό ερευνητικό κέντρο NORCE.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα βακτηριακό στέλεχος από κάθε ένα από τα διαφορετικά οξειδωτικά του σιδήρου και τους επέτρεψε να αναπτυχθούν υπό τις συνθήκες που επικρατούσαν πριν από 2 έως 3 δισεκατομμύρια χρόνια, στο φως και με τις ίδιες συγκεντρώσεις σιδήρου, νιτρικού και διοξειδίου του άνθρακα.

«Προς έκπληξή μας, τα νιτρικά άλατα εξαντλήθηκαν γρήγορα και ο σίδηρος οξειδώθηκε. Αλλά δεν μπορέσαμε να εντοπίσουμε οποιαδήποτε οξείδωση σιδήρου από τα φωτοτροφικά οξειδωτικά σιδήρου», λέει ο Nikeleit.

Οι αναλύσεις έδειξαν ότι οι οξειδωτές σιδήρου που καταναλώνουν νιτρικά άλατα σχημάτισαν μονοξείδιο του αζώτου ως τοξικό παραπροϊόν. «Αυτό οδήγησε τη δραστηριότητα των φωτοτροφικών οξειδωτικών σιδήρου σε πλήρη ακινητοποίηση. Με άλλα λόγια, αυτά τα μικρόβια σκότωσαν τα φωτοτροφικά οξειδωτικά σιδήρου παράγοντας ένα δηλητηριώδες αέριο»

Ένα πολύπλοκο δίκτυο αλληλεπιδράσεων

«Μια υπόθεση είναι ότι τα φωτοτροφικά οξειδωτικά σιδήρου πιθανότατα συνέβαλαν πολύ λίγο στον σχηματισμό μεταλλευμάτων σιδήρου με ταινίες σε μεταγενέστερες φάσεις της ιστορίας της Γης», λέει ο Κάπλερ. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η δραστηριότητα άλλων μικροβίων έκανε την ατμόσφαιρα της Γης να περιέχει όλο και περισσότερο οξυγόνο - ένα είδος πρώιμου μείζονος περιβαλλοντικής ρύπανσης.

«Αυτό μπορεί επίσης να έφτασε σε ορισμένες περιοχές των ωκεανών όπου θα μπορούσαν να σχηματιστούν νιτρικά άλατα ως αποτέλεσμα. Τα αποτελέσματά μας παρέχουν την πρώτη πειραματική απόδειξη για την υπόθεση ότι φωτοτροφικά οξειδωτικά σιδήρου σε περιοχές υψηλής παραγωγικότητας μπορεί να έχουν εκτεθεί σε τοξικό μονοξείδιο του αζώτου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Πρέπει να είχαν απομακρυνθεί περισσότερο από τις πλούσιες σε θρεπτικά συστατικά περιοχές και επομένως δεν ήταν σε θέση να εναποθέσουν τόσο πολύ σίδηρο».

Σύμφωνα με τον Casey Bryce, από τους υπολογισμούς της ερευνητικής ομάδας η οξείδωση του σιδήρου από βακτήρια που μειώνουν τα νιτρικά άλατα μπορεί αρχικά να αντιστάθμισε τη μειωμένη συμβολή των φωτοτροφικών οξειδωτικών σιδήρου.

«Έτσι ο αρχικός ανταγωνισμός μεταξύ των διαφορετικών βακτηρίων δεν θα σταματούσε αμέσως τον σχηματισμό των σχηματισμών σιδήρου με ταινίες», λέει. Απαιτούνται περαιτέρω μετρήσεις και έρευνες για να έχουμε μια πιο ακριβή εικόνα των διαδικασιών.

«Η μελέτη μας παρέχει μια εικόνα για το πώς ο εμπλουτισμός με οξυγόνο της ατμόσφαιρας της Γης θα μπορούσε να έχει επηρεάσει άλλους κύκλους θρεπτικών συστατικών στους ωκεανούς. Αυτό απεικονίζει το πολύπλοκο δίκτυο βιογεωχημικών αλληλεπιδράσεων που έλεγχαν τη ζωή στους πρώιμους ωκεανούς της Γης», λέει ο Bryce.

Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα  phys.org

περισσότερα,

 https://www.nature.com/articles/s41561-024-01560-9

Verena Nikeleit, et al. Inhibition of phototrophic iron oxidation by nitric oxide in ferruginous environments. Nature Geoscience, doi.org/10.1038/s41561-024-01560-9 www.nature.com/articles/s41561-024-01560-9

https://phys.org/news/2024-10-microbes-poison-gas-iron-earth.html