Disanje je započelo stotinama milijuna godina ranije

Kisik je danas stalno prisutan na Zemlji, ali to nije oduvijek bio slučaj. Tek prije otprilike 2,3 milijarde godina kisik je postao stalna komponenta atmosfere, tijekom ključnog razdoblja poznatog kao Veliki oksidacijski događaj (GOE), koji je postavio evolucijski smjer za život koji diše kisik kakav danas poznajemo.

Novo istraživanje istraživača s američkog tehnološkog instituta MIT, sugerira da su neki rani oblici života možda razvili sposobnost korištenja kisika stotinama milijuna godina prije GOE-a. Nalazi bi mogli predstavljati neke od najranijih dokaza aerobnog disanja na Zemlji.

U studiji objavljenoj u časopisu Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, geobiolozi s MIT-a pratili su evolucijsko podrijetlo ključnog enzima koji omogućuje organizmima korištenje kisika. Enzim se danas nalazi u velikoj većini aerobnih oblika života koji dišu kisik. Tim je otkrio da se ovaj enzim razvio tijekom Mezoarhaika, geološkog razdoblja koje prethodi Velikom oksidacijskom događaju stotinama milijuna godina.

Rezultati tima mogli bi pomoći u objašnjavanju dugogodišnje zagonetke u Zemljinoj povijesti: Zašto je trebalo toliko dugo da se kisik nakupi u atmosferi?

Prvi proizvođači kisika na planetu bile su cijanobakterije, mikrobi koji su razvili sposobnost korištenja sunčeve svjetlosti i vode za fotosintezu, oslobađajući kisik kao nusprodukt. Znanstvenici su utvrdili da su se cijanobakterije pojavile prije otprilike 2,9 milijardi godina. Mikrobi su, dakle, vjerojatno proizvodili kisik stotinama milijuna godina prije Velike oksidacije. Kamo je onda nestao sav rani kisik cijanobakterija?

Znanstvenici sumnjaju da su stijene možda rano povukle veliki dio kisika, putem raznih geokemijskih reakcija, a novo istraživanje MIT-ovog tima sada sugerira da je i biologija možda odigrala ulogu.

Istraživači su otkrili da su neki organizmi možda razvili enzim za korištenje kisika stotinama milijuna godina prije Velikog oksidacijskog događaja. Ovaj enzim je možda omogućio organizmima koji žive u blizini cijanobakterija da progutaju sve male količine kisika koje su mikrobi proizveli, što je zauzvrat odgodilo nakupljanje kisika u atmosferi stotinama milijuna godina.

Nova studija nadopunjuje dugi niz istraživanja na MIT-u čiji je cilj složiti povijest kisika na Zemlji. Ovaj skup istraživanja pomogao je u određivanju vremena Velikog oksidacijskog događaja, kao i prvih dokaza o  cijanobakterijama koje proizvode kisik.

Općenito se shvatilo da su cijanobakterije prvi put proizvele kisik prije otprilike 2,9 milijardi godina, dok se Veliki oksidacijski događaj, kada se kisik konačno dovoljno akumulirao da ostane u atmosferi - dogodio mnogo kasnije, prije otprilike 2,33 milijarde godina.

Ako su doista postojali neki oblici života koji su koristili kisik, čak i u malim količinama, mogli su igrati ulogu u sprječavanju nakupljanja kisika u atmosferi, barem neko vrijeme.

Kako bi istražili ovu mogućnost, MIT-ov tim proučavao je hem-bakrene kisikove reduktaze, skup enzima bitnih za aerobno disanje. Enzimi djeluju tako da reduciraju kisik u vodu, a nalaze se u većini aerobnih organizama koji danas dišu kisik, od bakterija do ljudi.

Tim je imao za cilj pratiti evoluciju enzima unatrag u vrijeme kako bi vidjeli kada se enzim prvi put pojavio i omogućio organizmima korištenje kisika. Prvo su identificirali genetski slijed enzima, a zatim su upotrijebili automatizirani alat za pretraživanje kako bi potražili isti taj slijed u bazama podataka koje sadrže genome milijuna različitih vrsta organizama.

Tim je na kraju izolirao sekvencu enzima iz nekoliko tisuća modernih vrsta i mapirao te sekvence na evolucijsko stablo života, na temelju onoga što znanstvenici znaju o tome kada se svaka vrsta vjerojatno razvila i razgranala. Zatim su u tom stablu pretražili specifične vrste koje bi mogle ponuditi povezane informacije o njihovom podrijetlu.

Na kraju su istraživači uspjeli pronaći enzim sve do Mezoarhaika, geološkog razdoblja koje je trajalo od prije 3,2 do 2,8 milijardi godina. Otprilike u to vrijeme, tim sumnja, da se enzim i sposobnost organizama da koriste kisik, prvi put pojavio. Ovo razdoblje prethodi Velikom oksidacijskom događaju za nekoliko stotina milijuna godina.

Nova otkrića upućuju na to da su, ubrzo nakon što su cijanobakterije razvile sposobnost proizvodnje kisika, druga živa bića razvila enzim za korištenje tog kisika. Svaki takav organizam koji je živio u blizini cijanobakterija mogao je brzo apsorbirati kisik koji su bakterije proizvodile. Ti rani aerobni organizmi mogli su zatim odigrati određenu ulogu u sprječavanju izlaska kisika u atmosferu, odgađajući njegovo nakupljanje stotinama milijuna godina.