Πώς το οξυγόνο εμπλούτισε την ατμόσφαιρα μας πριν από 2,5 δισ.χρόνια
Κοιτάσματα σιδήρου με ταινία στο λόφο Gamohaan κοντά στο Kuruman, στην επαρχία Northern Cape, στη Νότια Αφρική. Από: Andreas Kappler.
Τα κυανοβακτήρια, όπως υπάρχουν ακόμα και σήμερα, ήταν οι πρώτοι οργανισμοί που πραγματοποίησαν φωτοσύνθεση και απελευθέρωσαν οξυγόνο. Παρήχθησαν σε αρχέγονους ωκεανούς πριν από περίπου 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια και συσσωρεύτηκαν στην ατμόσφαιρα της Γης σε τεράστια κλίμακα. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον γεωμικροβιολόγο καθηγητή Andreas Kappler του Πανεπιστημίου του Τύμπιγκεν χρησιμοποίησε εργαστηριακά πειράματα για να διερευνήσει πώς ήταν δυνατή αυτή η διαδικασία, δεδομένου ότι ο σίδηρος που διαλύθηκε στο νερό των ωκεανών ανέστειλε έντονα την ανάπτυξη των κυανοβακτηρίων.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το πυριτικό άλας, το οποίο υπάρχει επίσης στο νερό των ωκεανών, έπαιξε βασικό ρόλο, όπως και ο καθημερινός κύκλος φωτός και σκότους. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications .
Το οξυγόνο ήταν ένα ενοχλητικό απόβλητο προϊόν για τα κυανοβακτήρια. Καθώς συσσωρευόταν, η εξέλιξη ανταποκρίθηκε, μέχρι σήμερα, το οξυγόνο είναι απαραίτητο για τις περισσότερες γνωστές μορφές ζωής. «Οι πρώτοι ωκεανοί περιείχαν πολύ διαλυμένο σίδηρο , ο οποίος αντιδρά με το οξυγόνο και σχηματίζει εξαιρετικά δραστικές ρίζες οξυγόνου. Αυτά τα δραστικά είδη οξυγόνου, όπως ονομάζονται, είναι τοξικά για τα βακτήρια», εξηγεί ο Κάπλερ.
Μέχρι τώρα, γι' αυτό και θεωρούνταν ότι οι ρίζες οξυγόνου ανέστειλαν έντονα την απελευθέρωση οξυγόνου από τα κυανοβακτήρια και ότι το ελεύθερο οξυγόνο εισήλθε στην ατμόσφαιρα μόνο αρκετά εκατομμύρια χρόνια μετά την εμφάνιση των κυανοβακτηρίων. «Ωστόσο, αυτή η υπόθεση εγείρει επίσης το ερώτημα πώς τα κυανοβακτήρια θα μπορούσαν να επιβιώσουν υπό τέτοιες συνθήκες», λέει η πρώτη συγγραφέας της μελέτης, η διδακτορική φοιτήτρια της ομάδας Kappler, Carolin Dreher.
Ο ρόλος του πυριτικού άλατος
Για να κατανοήσει καλύτερα τις συνθήκες διαβίωσης των κυανοβακτηρίων στους αρχέγονους ωκεανούς, η ερευνητική ομάδα μελέτησε την ανάπτυξη των κυανοβακτηρίων Synechococcus στο εργαστήριο σε διαφορετικές συγκεντρώσεις διαλυμένου σιδήρου και πυριτίου. Το πυρίτιο είναι διαλυμένο, υπήρχε επίσης σε μεγάλες ποσότητες στα νερά των αρχέγονων ωκεανών. «Το γνωρίζουμε αυτό από τα μεγαλύτερα κοιτάσματα σιδήρου στον κόσμο σήμερα, τους σχηματισμούς σιδήρου με ταινίες που βρίσκονται σε διάφορες ηπείρους. Εκεί, και τα δύο στοιχεία, σίδηρος και πυρίτιο, εναποτέθηκαν εναλλάξ σε στρώματα», λέει ο Kappler.
Στο πείραμα, οι υψηλές συγκεντρώσεις σιδήρου αύξησαν τον σχηματισμό δραστικών ενώσεων οξυγόνου και ανέστειλαν την ανάπτυξη μικροοργανισμών. «Ωστόσο, όταν στα πειράματα υπήρχαν επίσης ποσότητες πυριτικού άλατος ρεαλιστικές για τους ωκεανούς εκείνη την εποχή, ο σχηματισμός αυτών των τοξικών ενώσεων μειώθηκε σημαντικά», σύμφωνα με τον Ντρέχερ.
Υπό αυτές τις συνθήκες, τα κυανοβακτήρια ήταν σε θέση να αναπτυχθούν και να συνεχίσουν να παράγουν οξυγόνο. «Οι υψηλές συγκεντρώσεις πυριτικού άλατος προφανώς έδρασαν ως χημικός προστατευτικός μηχανισμός που μείωσε τον σχηματισμό επιβλαβών ενώσεων οξυγόνου, επιτρέποντας έτσι την ανάπτυξη κυανοβακτηρίων παρά τις υψηλές συγκεντρώσεις σιδήρου», εξηγεί.
Οι επιπτώσεις της ημερήσιας εναλλαγής μεταξύ φωτός και σκότους
Επιπλέον, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι εναλλασσόμενες φάσεις ημέρας και νύχτας έπαιζαν επίσης σημαντικό ρόλο στον εμπλουτισμό με οξυγόνο. «Προηγούμενη έρευνα είχε χρησιμοποιήσει συνεχή φωτισμό . Διαπιστώσαμε ότι ο σχηματισμός επιβλαβών ενώσεων οξυγόνου μειώθηκε περαιτέρω στα πειράματά μας υπό έναν ημερήσιο κύκλο φωτός», αναφέρει ο Dreher. Τα υπολογιστικά μοντέλα των ερευνητών που βασίζονται στα πειραματικά δεδομένα έδειξαν ότι υπό τέτοιες συνθήκες, ζώνες πλούσιες σε οξυγόνο θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί στις περιοχές κοντά στην επιφάνεια των ωκεανών εκείνη την εποχή.
«Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι οι χημικές συνθήκες στους πλούσιους σε σίδηρο ωκεανούς της πρώιμης Γης αποτελούσαν μικρότερο εμπόδιο στην εξάπλωση των κυανοβακτηρίων από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως», λέει ο Kappler. «Αυτό θα μπορούσε να έχει παίξει καθοριστικό ρόλο στο να επιτρέψει σε αυτούς τους μικροοργανισμούς να παράγουν αρκετό οξυγόνο μακροπρόθεσμα, ώστε να επιφέρουν μια διαρκή αλλαγή στη σύνθεση της ατμόσφαιρας της Γης».
Η καθηγήτρια Κάρλα Πόλμαν, Πρόεδρος του Πανεπιστημίου του Τύμπιγκεν, λέει: «Αυτή η μελέτη παρέχει συναρπαστικές νέες γνώσεις σχετικά με τη μακροπρόθεσμη ανάπτυξη της ατμόσφαιρας της Γης, δείχνοντας ότι πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλοί παράγοντες».
Πανεπιστήμιο του Τύμπιγκεν
https://phys.org/news/2026-02-oxygen-enriched-earth-atmosphere-billion.html#goog_rewarded