Någon gång för omkring 2,4 miljarder år sedan genomgick en begynnande planet Jorden en av de mest dramatiska förändringarna i sin historia. Känd som den stora oxidationshändelsen såg denna period plötsligt jordens atmosfär blomma med (tidigare knappt) molekylärt syre. Den snabba förändringen av atmosfärens sammansättning var inget annat än en katastrof för vissa tidiga livsformer (på den tiden, mestadels enkla cellade prokaryoter). Anaeroba arter – de som lever i syrefria miljöer – upplevde en händelse på nära utrotningsnivå. Men den stora oxidationen var också en möjlighet för andra livsformer att frodas. Syre i atmosfären dämpade den planetariska växthuseffekten, förvandlade metan till den mindre potenta koldioxiden och inledde en serie istider som kallas Huronian Glaciation. Men syre är en energirik molekyl, och det stärkte också mångfald och aktivitet på planeten, som en kraftfull ny källa till bränsle för levande organismer.
Orsaken till denna dramatiska händelse? Den minsta av varelser: små havslevande cyanobakterier (ibland kända som blågröna alger) som hade utvecklat en ny superkraft som aldrig tidigare setts på planeten jorden: fotosyntes. Denna unika förmåga – att få energi från solljus och frigöra syre som en avfallsprodukt – var ett revolutionerande steg för ett så litet djur. Det förändrade världen bokstavligen.
Satellitbild av cyanobakterier som blommar i Lake Erie, 2009. Kredit: NASA och NOAA Coastwatch-Great Lakes
Men det finns ett mysterium i hjärtat av den stora oxidationshändelsen. Och det är timingen. Cyanobakterier utvecklade fotosyntes för mellan 3,4 och 2,9 miljarder år sedan – åtminstone 500 miljoner år före den stora oxidationen. Det har varit en mängd olika teorier som föreslås , men ingen har varit helt avgörande. Att förstå klyftan mellan ursprunget till fotosyntes och omformningen av jordens atmosfär har sysselsatt MIT-forskaren Greg Fournier och hans kollegor, som har publicerat en ny artikel som undersöker denna fråga.
Det finns ett par sätt att mäta det avlägsna förflutna. Geokemister har kunnat mäta oxidation i gamla bergarter så tidigt som för 3,5 miljarder år sedan. Biologiskt producerat syre är den mest troliga källan till denna oxidation, men inte den enda, och ger en rimlig uppskattning för början av fotosyntesen. En annan metod involverar det som kallas molekylär klockdatering, som tittar på fossilregistret för att mäta graden av genetiska förändringar över tid. Denna metod är användbar, men starkt beroende av kvaliteten på forntida fossiler.
Fourniers team använde en ny teknik för att analysera cyanobakteriers gener. De studerade horisontell genöverföring. Detta inträffar när gener hoppar från en art till en annan, till exempel efter att ha blivit uppätna (i motsats till vertikal genöverföring, som sker från förälder till barn). Med denna metod är det möjligt att datera vissa arter, eftersom arten som mottog genen alltid är yngre än arten som den har sitt ursprung i. Genom att undersöka tusentals arter av moderna bakterier kunde de hitta minst 34 exempel på horisontella gener överföring i cyanobakteriers historia. Teamet jämförde sedan dessa fynd med molekylära klockdateringsmodeller, vilket gav dem den bästa uppskattningen hittills för ursprunget till moderna cyanobakterier.
Resultaten visar att alla cyanobakterier som lever idag kan spåras till en gemensam förfader från 2,9 miljarder år sedan och att cyanobakteriers förfäder förgrenade sig från andra bakterier för cirka 3,4 miljarder år sedan. Fotosyntesen måste ha börjat någonstans däremellan.
Cyanobakterier vid 2400x förstoring. Kredit: Josef Reischigs arkiv, Wikimedia Commons.
När det gäller gapet mellan detta datum och den stora oxidationen kan det helt enkelt vara en fråga om skala. Fotosyntesen kan ha spridit sig långsamt och tagit några miljoner år innan den nådde en vändpunkt och startade den globala händelsen. Fourniers forskning visade att strax före den stora oxidationen inträffade en plötslig dramatisk period av diversifiering av cyanobakterier. Under denna tid upplevde cyanobakterier en period av enorm tillväxt över hela världen, och det kan ha varit denna expansion som fyllde jordens atmosfär med molekylärt syre.
Denna forskning är spännande av flera anledningar. Det erbjuder inte bara en av de bästa förklaringarna hittills till den stora oxidationshändelsen, utan den nya tekniken de utvecklade öppnar också ett fönster till perioder av jordens förflutna som ansågs förlorade för alltid i tidens tand. Som Fournier förklarar, 'det här arbetet visar att molekylära klockor som innehåller horisontella genöverföringar lovar att på ett tillförlitligt sätt tillhandahålla åldrarna för grupper över hela livets träd, även för forntida mikrober som inte har lämnat några fossila rekord ... något som tidigare var omöjligt.'
När det gäller cyanobakterier är de fortfarande här och tar ut syre i våra hav och sjöar över hela världen. Genom fotosyntes startade dessa små vägfinnare en ny era för livet på jorden för alla dessa miljoner år sedan, utan vilken vår planet skulle se väldigt annorlunda ut idag.
Läs mer:
Jennifer Chu, ' Att nolla in på ursprunget till jordens 'enda viktigaste evolutionära innovation ''MIT Nyheter.
G.P. Fournier, K.R. Moore, L.T. Rangel, J.G. Payette, L. Momper och T. Bosak, ' Det arkeiska ursprunget för syrehaltig fotosyntes och bevarade cyanobakteriella linjer. ” Proceedings of the Royal Society B.