Tlen: jak w produkcji tlenu pomaga światło
W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.
Kiedy Judith Klatt, biogeochemiczka z Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie w Bremie, zaczęła się bliżej przyglądać kolorowym matom bakteryjnym wyprodukowanym przez drobnoustroje zamieszkujące dno Jeziora Huron, miała nadzieję, że dzięki swoim badaniom dowie się czegoś nowego na temat ekosystemów wczesnej Ziemi. Tymczasem skonfrontowała się z jedną z największych zagadek geologii: w jaki sposób Ziemia stała się jedyną znaną planetą z atmosferą bogatą w tlen?
Geologiczne znaleziska wskazują, że zamieszkujące planetę mikroorganizmy zaczęły produkować tlen jako uboczny produkt fotosyntezy już 3 mld lat temu. Jednak od tego momentu upłynęło pół miliarda lat, nim gaz pojawił się na stałe w atmosferze, i kolejny miliard, zanim osiągnął poziom podobny do obecnego i przygotował grunt pod eksplozję złożonego życia. Pytanie, dlaczego trwało to tak długo, od dawna intryguje naukowców. Część uważa, że to reakcje chemiczne skonsumowały większość gazu. Zdaniem innych jego produkcję limitował niedobór składników odżywczych.
Klatt, zainspirowana badaniami mikroorganizmów z dna jeziora, przedstawiła wraz ze współpracownikami na łamach „Nature Geoscience” własne wyjaśnienie zagadki: doba na wczesnej Ziemi była po prostu za krótka, by tlen mógł się zebrać w atmosferze.
Wkrótce po uformowaniu się Układu Słonecznego w młodą Ziemię uderzył obiekt rozmiarów Marsa, a z materii uniesionej w wyniku kolizji powstał Księżyc. Wyhamowywał on prędkość obrotu Ziemi, wydłużając stopniowo długość doby – z sześciu godzin w czasach młodości planety do 24 godzin obecnie. Naukowcy znają ten fakt od dawna, ale nikomu nie przyszło do głowy, że zjawisko to mogło mieć wpływ na tempo odkładania się tlenu w ziemskiej atmosferze. Pierwszy wpadł na to Brian Arbic, oceanograf z University of Michigan, po tym, jak wysłuchał relacji Klatt z jej badań na dnie Jeziora Huron. Arbic, który jest współautorem pracy w „Nature Geoscience”, zadał sobie pytanie, czy długość dnia mogła wpływać na intensywność fotosyntezy w przeszłości geologicznej globu.
Wody gruntowe docierające do dna jeziora zawierają niewiele tlenu, a dużo siarki, co przypomina warunki panujące na młodej Ziemi. Żyjące tam bakterie pokryły dno jeziora białymi i fioletowymi matami. Klatt i jej zespół obserwowali, jak fotosyntetyzujące i produkujące tlen sinice są w porze nocnej zakrywane matami wytwarzanymi przez siarkolubne konkurentki, a następnie jak te pierwsze mikroorganizmy odzyskują o świcie pozycje utracone nocą. Badacze zauważyli też, że pomiędzy wschodem słońca a momentem, gdy fotosynteza ruszała na pełnych obrotach, upływał pewien czas, co zmniejszało produkcję tlenu w krótsze dni. Eksperymenty, które Klatt przeprowadziła w laboratorium, wykazały, że sinice w ogóle nie produkowały tlenu, gdy sztuczna „doba” trwała mniej niż 12 godzin, a zwiększały produkcję, kiedy długość „doby” przekraczała 16.
Klatt początkowo miała wątpliwości, czy jej odkrycie może pomóc w rozwiązaniu zagadki tlenu w ziemskiej atmosferze. „Ten typ społeczności bakteryjnej, jaki funkcjonuje na dnie jeziora, jest dość wyjątkowy i mogło go nie być na młodej Ziemi” – zauważa. A jeśli konkurencji nie było, również długość dnia nie miała większego znaczenia, ponieważ mikroby finalnie otrzymywałyby identyczne dawki światła słonecznego, tyle że dawkowanego w innym rytmie. W końcu jednak Klatt (po, jak to określiła, „zawstydzająco długim” namyśle) doszła do wniosku, że istnieje jeszcze jedna fundamentalna zależność dotycząca wszystkich mat bakteryjnych, również tych na młodej Ziemi. Stwierdziła, że nawet gdyby produkcja tlenu nie była limitowana przez konkurencję, to i tak podczas krótszej doby mniej tlenu przenikałoby do wody, a z niej do atmosfery.
To konsekwencja tego, że ilość tlenu uciekającego z maty jest limitowana tempem rozprzestrzeniania się cząsteczek gazu oraz ich konsumpcją przez inne bakterie tworzące matę. W dłuższe dni upływa więcej czasu od wschodu słońca do maksimum nasłonecznienia, dzięki czemu większe ilości tlenu gromadzą się w matach, a potem ulegają dyfuzji. Zatem w dłuższe dni tlen zyskuje więcej czasu na ucieczkę do atmosfery, nim zapadnie noc, podczas której resztki gazu zostaną skonsumowane przez pożeraczy tlenu. Modele komputerowe wskazywały, że tego rodzaju mechanizm mógł znacząco wpłynąć na poziom tlenu atmosferycznego w różnych momentach dziejów Ziemi.
„To prosta i elegancka hipoteza” – mówi Timothy Lyons, biogeochemik z University of California w Riverside, który nie był uczestnikiem badań. Zauważa on jednak, że wciąż do wyjaśnienia pozostało kilka istotnych kwestii, choćby ta, czy bakterie fotosyntetyzujące na młodej Ziemi żyły głównie na dnie morskim, czy też unosiły się na powierzchni oceanów, gdzie mogły przecież pozbywać się tlenu znacznie łatwiej. Podejrzewa on, że czynników, które miały wpływ na gromadzenie się tlenu w atmosferze, było wiele, a jednym z nich mogła być długość dnia. Inne możliwe mechanizmy to zmiany w koncentracji gazów wulkanicznych, takich jak wodór i metan, wchodzących w reakcje z tlenem, oraz ograniczona podaż fosforu, niezbędnego podczas fotosyntezy.
Benjamin Mills z University of Leeds, zajmujący się modelowaniem ewolucji Ziemi (nie brał udziału w tym badaniu), jest zaskoczony, że do tej pory prawie nikt nie zajmował się długością doby jako czynnikiem kontrolującym poziom tlenu w atmosferze. „Główne wyzwanie to dokonanie oceny znaczenia długości dnia w świetle tego, co wiemy o cyklu tlenowym” – podkreśla. Zarówno Mills, jak i Stephanie Olson, astrobiolożka z Purdue University, która także nie uczestniczyła w badaniach, są pod wrażeniem tego, jak uzyskane przez zespół Klatt wyniki doskonale wpisują się w znane nam dzieje tlenu atmosferycznego, włącznie z dwoma fazami skokowego wzrostu jego poziomu oraz rozdzielającym je okresem stagnacji zwanym „nudnym miliardem lat”, gdy nie zmieniała się również długość doby trwającej 21 godzin. „To intrygujące, że rytm akumulowania się tlenu w atmosferze oraz przebieg procesu wyhamowywania obrotów Ziemi wydają się ze sobą współgrać” – mówi Olson.
Olson jest jedną z nielicznych osób w świecie nauki, które już wcześniej rozważały możliwy związek pomiędzy długością doby a poziomem tlenu w atmosferze. W artykule z 2020 roku poświęconym głównie egzoplanetom pisała o tym, jak wirowanie Ziemi może wpływać na cyrkulację oceaniczną i transport składników odżywczych, takich jak fosfor, koniecznych do przeprowadzenia fotosyntezy. Wraz ze studentami testuje tę hipotezę za pomocą modeli komputerowych. Jej zdaniem oba mechanizmy – ten zaproponowany przez Klatt oraz przez nią – mogły występować równocześnie. „Dla mnie te idee są komplementarne, a nie konkurencyjne” – mówi.
Arjun Chennu, ekolog z Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) w Bremie, który wraz z Klatt kierował badaniami, wciąż nie może się nadziwić, że obecność tlenu atmosferycznego ma związek z wirowaniem Ziemi. „Od ruchów planet do ruchów cząsteczek – skala zależności, które się tu ujawniły, jest nieprawdopodobna” – komentuje.
Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.