L'ossigeno costituisce il 21% dell'atmosfera terrestre e ne abbiamo bisogno per respirare. I batteri antichi hanno sviluppato enzimi protettivi che hanno impedito all'ossigeno di danneggiare il loro DNA, ma quale incentivo evolutivo hanno dovuto fare? I ricercatori hanno scoperto che la luce ultravioletta che colpisce la superficie del ghiaccio glaciale può rilasciare ossigeno molecolare. Le colonie di batteri che vivono vicino a questo ghiaccio avrebbero dovuto sviluppare questa difesa protettiva. Erano quindi ben attrezzati per gestire la crescita dell'ossigeno atmosferico prodotto da altri batteri che sarebbero normalmente tossici.
Due miliardi e mezzo di anni fa, quando i nostri antenati evolutivi erano poco più di un luccichio nella membrana plasmatica di un batterio, il processo noto come fotosintesi ha improvvisamente acquisito la capacità di rilasciare ossigeno molecolare nell'atmosfera terrestre, causando uno dei maggiori cambiamenti ambientali nella storia del nostro pianeta. Gli organismi ritenuti responsabili erano i cianobatteri, che sono noti per aver evoluto la capacità di trasformare acqua, anidride carbonica e luce solare in ossigeno e zucchero, e sono ancora oggi in circolazione come alghe blu-verdi e cloroplasti in tutte le piante verdi.
Ma i ricercatori sono stati a lungo perplessi su come i cianobatteri possano produrre tutto quell'ossigeno senza avvelenarsi. Per evitare che il loro DNA venga distrutto da un radicale idrossile che si trova naturalmente nella produzione di ossigeno, i cianobatteri avrebbero dovuto sviluppare enzimi protettivi. Ma come potrebbe la selezione naturale aver portato i cianobatteri a far evolvere questi enzimi se il bisogno di essi non esistesse ancora?
Ora, due gruppi di ricercatori del California Institute of Technology offrono una spiegazione di come i cianobatteri avrebbero potuto evitare questa contraddizione apparentemente senza speranza. Riferendo negli Atti del 12 dicembre della National Academy of Sciences (PNAS) e disponibili online questa settimana, i gruppi dimostrano che la luce ultravioletta che colpisce la superficie del ghiaccio glaciale può portare all'accumulo di ossidanti congelati e all'eventuale rilascio di ossigeno molecolare nel oceani e atmosfera. Questo rivolo di veleno potrebbe quindi guidare l'evoluzione degli enzimi che proteggono l'ossigeno in una varietà di microbi, compresi i cianobatteri. Secondo Yuk Yung, professore di scienze planetarie, e Joe Kirschvink, professore di geobiologia di Van Wingen, la soluzione di perossido UV è "piuttosto semplice ed elegante".
"Prima dell'ossigeno nell'atmosfera, non esisteva uno schermo di ozono che impedisse alla luce ultravioletta di colpire la superficie", spiega Kirschvink. “Quando la luce UV colpisce il vapore acqueo, ne converte una parte in perossido di idrogeno, come le cose che acquisti al supermercato per schiarire i capelli, oltre a un po 'di gas idrogeno.
"Normalmente questo perossido non durerebbe a lungo a causa di reazioni arretrate, ma durante una glaciazione, il perossido di idrogeno si congela ad un grado sotto il punto di congelamento dell'acqua. Se la luce UV fosse penetrata fino alla superficie di un ghiacciaio, piccole quantità di perossido sarebbero rimaste intrappolate nel ghiaccio glaciale. " Questo processo in realtà si verifica oggi in Antartide quando si forma il buco dell'ozono, permettendo alla forte luce UV di colpire il ghiaccio.
Prima che ci fosse ossigeno nell'atmosfera terrestre o qualsiasi schermo UV, il ghiaccio glaciale sarebbe fluito in discesa verso l'oceano, si sarebbe sciolto e avrebbe rilasciato tracce di perossido direttamente nell'acqua del mare, dove un altro tipo di reazione chimica ha riconvertito il perossido in acqua e ossigeno. Ciò è accaduto lontano dalla luce UV che avrebbe ucciso gli organismi, ma l'ossigeno era a livelli così bassi che i cianobatteri avrebbero evitato l'avvelenamento da ossigeno.
"L'oceano è stato un bel posto in cui gli enzimi che proteggono l'ossigeno possono evolversi", afferma Kirschvink. "E una volta che quegli enzimi protettivi erano in atto, ha aperto la strada sia alla fotosintesi dell'ossigeno che all'evoluzione, sia alla respirazione aerobica in modo che le cellule potessero effettivamente respirare ossigeno come noi."
Le prove per la teoria provengono dai calcoli dell'autore principale Danie Liang, neolaureata in scienze planetarie presso la Caltech, che ora è al Centro di ricerca per i cambiamenti ambientali presso l'Accademia Sinica di Taipei, Taiwan.
Secondo Liang, un grave congelamento noto come Makganyene Snowball Earth si è verificato 2,3 miliardi di anni fa, all'incirca nel tempo in cui i cianobatteri hanno evoluto le loro capacità di produrre ossigeno. Durante l'episodio di Snowball Earth, si sarebbe potuto immagazzinare abbastanza perossido per produrre quasi la stessa quantità di ossigeno presente nell'atmosfera.
Come ulteriore prova, questo livello di ossigeno stimato è anche sufficiente a spiegare la deposizione del giacimento di manganese del Kalahari in Sudafrica, che ha l'80 percento delle riserve economiche di manganese in tutto il mondo. Questo deposito si trova immediatamente in cima all'ultima traccia geologica della palla di neve di Makganyene.
"Pensavamo che fosse una fioritura cianobatterica dopo questa glaciazione che ha scaricato il manganese fuori dall'acqua di mare", afferma Liang. "Ma potrebbe essere stato semplicemente l'ossigeno della decomposizione del perossido dopo la palla di neve a farlo."
Oltre a Kirschvink, Yung e Liang, gli altri autori sono Hyman Hartman del Center for Biomedical Engineering del MIT e Robert Kopp, uno studente laureato in geobiologia presso Caltech. Hartman, insieme a Chris McKay del NASA Ames Research Center, sono stati i primi sostenitori del ruolo che il perossido di idrogeno ha avuto nell'origine e nell'evoluzione della fotosintesi ossigenata, ma non sono stati in grado di identificare una buona fonte inorganica nell'ambiente precambriano della Terra.
Fonte originale: Caltech News Release
