חמצן מהווה 21% מהאטמוספירה של כדור הארץ, ואנחנו זקוקים לו לנשימה. חיידקים קדומים פיתחו אנזימי הגנה שמנעו מחמצן לפגוע ב- DNA שלהם, אך איזה תמריץ אבולוציוני היו להם לעשות זאת? חוקרים גילו כי אור אולטרה סגול המכה על פני קרח קרחוני יכול לשחרר חמצן מולקולרי. מושבות חיידקים שחיו בקרבת קרח זה היו צריכות להתפתח להגנה מגנה זו. לאחר מכן הם היו מצוידים היטב להתמודד עם גידול חמצן אטמוספרי המיוצר על ידי חיידקים אחרים שבדרך כלל יהיו רעילים.
לפני שנתיים וחצי מיליארד שנה, כאשר אבותינו האבולוציוניים היו מעט יותר מנצנצות בקרום הפלזמה של חיידק, התהליך המכונה פוטוסינתזה צבר לפתע את היכולת לשחרר חמצן מולקולרי באטמוספירה של כדור הארץ, וגרם לאחד השינויים הסביבתיים הגדולים ביותר ההיסטוריה של כדור הארץ שלנו. האורגניזמים שקיבלו אחריות היו הציאנו-בקטריה, שידוע כי הם פיתחו את היכולת להפוך מים, פחמן דו-חמצני ואור שמש לחמצן וסוכר, ונמצאים עדיין כיום כאצות ירוקות-כחולות והכלורופלסטים בכל הצמחים הירוקים.
אולם חוקרים כבר התפלאו מזמן כיצד הציאנובקטריה יכולה לייצר את כל החמצן מבלי להרעיל את עצמם. כדי למנוע שה- DNA שלהם ייהרס על ידי רדיקל הידרוקסיל שמתרחש באופן טבעי בייצור חמצן, הציאנובקטריה הייתה צריכה להתפתח אנזימי הגנה. אבל איך יכול היה שהברירה הטבעית הביאה את הציאנובקטריה להתפתח את האנזימים האלה אם הצורך בהם אפילו לא היה קיים?
כעת, שתי קבוצות של חוקרים במכון הטכנולוגי בקליפורניה מציעות הסבר כיצד ציאנובקטריה יכולה הייתה להימנע מסתירה לכאורה חסרת סיכוי. על פי הדיווחים על הליכי האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS), שנערכו השבוע 12 בדצמבר, הקבוצות מדגימות כי אור אולטרה-סגול המכה על פני קרח קרחוני יכול להוביל להצטברות של חומרי חמצון קפואים ולשחרור בסופו של דבר של חמצן מולקולרי אוקיינוסים ואווירה. טפטוף הרעל הזה עלול להניע את התפתחותם של אנזימים המגנים על חמצן במגוון חיידקים, כולל הציאנובקטריה. לדברי יוק יונג, פרופסור למדעי הפלנטה, וג'ו קירשווינק, הפרופסור לגיאוביולוגיה של ואן וינגן, הפיתרון של ה- Peroxide UV הוא "פשוט ואלגנטי למדי."
"לפני שהחמצן הופיע באטמוספירה, לא היה מסך אוזון שיכול לחסום אור אולטרה סגול מכה בפני השטח", מסביר קירשווינק. "כאשר אור UV פוגע באדי מים, הוא ממיר חלק מזה למי חמצן, כמו הדברים שאתה קונה בסופרמרקט להלבנת שיער, בתוספת מעט גז מימן.
"בדרך כלל מי חמצן זה לא יימשך זמן רב בגלל תגובות גב, אך במהלך קרחון, מי החמצן קופאים בדרגה אחת מתחת לנקודת הקפאה של מים. אם אור UV היה חודר אל פני הקרחון, כמויות קטנות של חמצן היו נכלאות בקרח הקרחונים. " תהליך זה קורה למעשה כיום באנטארקטיקה כאשר נוצר חור האוזון, ומאפשר לאור UV חזק לפגוע בקרח.
לפני שהיה חמצן באטמוספירה של כדור הארץ או כל מסך UV, הקרח הקרחוני היה זורם במורד אל האוקיאנוס, נמס ומשחרר כמויות עקבות של חמצן ישירות למי הים, שם סוג אחר של תגובה כימית המיר את החמצן חזרה למים וחמצן. זה קרה הרחק מאור ה- UV שהורג אורגניזמים, אך החמצן היה ברמות כה נמוכות עד שהציאנו-בקטריות היו נמנעות מהרעלת חמצן.
"האוקיאנוס היה מקום יפה להתפתחות אנזימים המגנים על חמצן", אומר קירשווינק. "וברגע שאנזימי ההגנה הללו היו במקום, זה סלל את הדרך להתפתחות של פוטוסינתזה חמצן וגם לנשימה אירובית כך שתאים יוכלו באמת לנשום חמצן כמונו."
העדויות לתאוריה נובעות מחישוביו של הסופר הראשי דני ליאנג, בוגר מדעי הפלנטה לאחרונה בסלטק שנמצא כעת במרכז המחקר לשינויים סביבתיים באקדמיה סיניקה בטאיפיי, טייוואן.
על פי ליאנג, הקפאה קשה המכונה כדור שלג כדור הארץ של מקגנין התרחשה לפני 2.3 מיליארד שנה, בערך באותו זמן שפיאנו-בקטריה פיתחה את יכולתם לייצר חמצן. במהלך פרק כדור שלג, אפשר היה לאחסן מספיק חמצן בכדי לייצר חמצן כמעט כמו שיש באטמוספרה כעת.
כראיה נוספת, רמת החמצן המשוערת הזו מספיקה גם כדי להסביר את התמקדות שדה המנגן קלאהרי בדרום אפריקה, שיש לו 80 אחוז מהמאגרים הכלכליים של המנגן בעולם כולו. פיקדון זה שוכן מיד על עקבותיו הגיאולוגיים האחרונים של כדור השלג מקגנין.
"פעם חשבנו שמדובר בפריחה ציאנו-בקטריאלית לאחר הקרחון הזה שזרק את המנגן ממי הים," אומר ליאנג. "אבל יכול להיות שפשוט חמצן מפירוק החמצן לאחר כדור השלג עשה את זה."
בנוסף לקירשווינק, יונג וליאנג, המחברים האחרים הם היימן הרטמן מהמרכז להנדסה ביו-רפואית ב- MIT, ורוברט קופ, סטודנט לתואר שני בגיאוביולוגיה בסלטק. הרטמן, יחד עם כריס מקיי ממרכז המחקר של אמס של נאס"א, היו תומכים מוקדמים בתפקיד שמילן מי חמצן במקורו ובאבולוציה של פוטוסינתזה חמצן, אך הם לא הצליחו לזהות מקור אי-אורגני טוב לו בסביבה הקדומה של כדור הארץ.
המקור המקורי: פרסום חדשות Caltech
