Novinky z dějin Země: Jak nám kyslíkem produkující sinice umožnily život

Achim Herrmann zkoumá šíření raných sinic. (Foto: Koziel/TUK)

Achim Herrmann doktoruje u Michelle Gehringer v oboru geomikrobiologie. (Foto: Koziel/TUK)

Před 2,43 miliardami let začala „Velká kyslíková katastrofa“ (GOE nebo „Great Oxygenation Event“): Atmosféra Země se postupně obohacovala o kyslík, odpadní produkt fotosyntézy. Spouštěči byli podle vědců cyanobakterie, které fotosyntetizovaly. Ale proč k této tak důležité změně došlo tak pozdě? Život cyanobakterií existoval, jak ukazují horninové vzorky, již nejméně 300 milionů let před GOE. Odpovědi na stopě je Achim Herrmann, který ve své disertační práci na TU Kaiserslautern zkoumá rozšíření raných cyanobakterií. Jeho aktuální výzkumný článek byl právě publikován v odborném časopise Nature Communications.

„Existuje mnoho vědeckých teorií, které se prolínají a vysvětlují, proč se rozšíření cyanobakterií, které je nezbytné pro GOE či kyslíkovou katastrofu, zpozdilo,“ vysvětluje Herrmann, který na Geomikrobiologii doktoroval u Michelle Gehringer. „Například, že mohly vzniknout v čerstvé vodě, která tehdy i dnes tvoří jen zlomek povrchu Země. Teprve když se přizpůsobily slanějším vodám a nakonec se usadily v otevřeném oceánu, mohly vytvořit dostatečné množství biomasy, aby došlo k globální změně atmosféry Země.“ Další teorií je, že železitá mořská voda mohla nejprve působit toxicky na bakterie, které fotosyntetizovaly. Železo se v tehdejším anoxickém geologickém období „Archeikum“ převážně hromadilo v oceánu ve formě dobře rozpustných redukovaných železných (II) iontů.

Herrmann při svém výzkumu navázal na hypotézu železné otravy. „Chtěli jsme ověřit, zda železo (II) neomezuje růst a fotosyntézu nejen moderních, ale i primitivnějších kmenů mořských organismů, konkrétně Pseudanabaena sp. PCC7367 a Synechococcus sp. PCC7336,“ říká biolog.

Ukázalo se, jak je důležitá konstrukce experimentu. V již zavedeném systému – bakterie jsou kultivovány v uzavřených skleněných lahvích – se jim dařilo obecně špatně: „Biologická aktivita obou kmenů byla velmi nízká, u Synechococcus dokonce téměř úplně potlačená,“ vysvětluje biolog. „Řešením bylo speciálně vyrobené anaerobní pracovní stanoviště od kovové dílny TU Kaiserslautern, ve kterých lze automaticky regulovat složení atmosféry.“ V něm byly cyanobakterie kultivovány ve velkých laboratorních lahvích s průhlednými víčky, aby mohlo docházet k výměně plynů. Vyprodukovaný kyslík byl pravidelně odstraňován ze systému, a oxid uhličitý byl udržován v nízké, stálé koncentraci. Tak jsme mohli vytvořit plochou mořskou kyslíkovou oázu, jaká je naznačena v horninových vzorcích z archeika.“

Jak bylo očekáváno, ukázalo se, že se cyanobakterie v prostředí „přirozenějším“ cítily lépe. Ale co se stalo při jednorázovém přidání železa v rostoucích koncentracích? Bakterie kmene Pseudanabaena rostly i nadále dobře – ovšem pomaleji než v paralelním kontrolním systému. U bakterií kmene Synechococcus se však jasně ukázalo, že s rostoucím množstvím železa se snižovala rychlost buněčného dělení. Dalším poznatkem bylo, že produkovaný kyslík primárně oxidoval rozpuštěné Fe(II) ionty namísto toho, aby unikl do atmosféry. A schopnost produkce kyslíku u těchto kmenů dosahovala v anoxickém prostředí experimentu výrazně vyšších hodnot než v kontrolním systému s oxidem tvořící atmosférou, jakou známe dnes.

Navíc se v tomto systému objevilo pouze zde tzv. „zelené rzi“, což je směs Fe(II) a již oxidovaného Fe(III). Vznik zelené rzi byl doprovázen výrazným poklesem biologické aktivity, pravděpodobně kvůli „zkrustování“ buněk železitými oxidy. Během archeika mohl vznik takové zelené rzi významně přispět k tvorbě bandovitého železného nerostu, který je dnes nejdůležitějším zdrojem surového železa.

Nakonec Herrmann změnil experimentální scénář a upravil přidávání železa podle simulované přílivové sekvence. Nejprve bylo železo pravidelně přidáváno na začátku noci, kdy koncentrace kyslíku bez fotosyntetické aktivity v médiu klesla k nule. Poté se růst obou kmenů výrazně zpomalil, ale nikdy úplně nezastavil. To ukázalo, že kyslíková oáza archeika mohla také tolerovat přísun železité vody během noci. I zde došlo ke vzniku zelené rzi, která však byla rychle oxidována a nezpůsobila úplné zastavení růstu.

Celkově Herrmann svým výzkumem zaplnil další mezery do skládačky historie Země. Ukázal, jak mohl v archeické kyslíkové oáze probíhat železný cyklus, a také, že díky vyšší produkci kyslíku bylo pravděpodobně potřeba méně rozlehlé území pro začátek GOE. Navíc vyvinul koncept pro pěstování cyanobakterií, který lépe odráží podmínky života v archeiku.